CN107930032B - 一种基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，包括驱动机构、上臂前臂固定机构、上臂后臂固定机构、小臂前臂固定机构、小臂后臂固定机构、肘弯曲机构、外骨骼服和套索；驱动机构通过外骨骼服固定在腰部为整个机构提供驱动力，套索从驱动机构中伸出，一根套索经由外骨骼服的导向，穿过上臂前臂固定机构连接到小臂前臂固定机构的弹簧上，另一跟套索经由外骨骼服的导向，经过上臂后臂固定机构，穿过肘弯曲机构，连接至小臂后臂固定机构的拉伸弹簧上。采用本发明可有效减轻运动关节的负担，消除旋转中心不重合问题，使机构的形变更贴近真实肌肉的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种辅助肘关节运动的外骨骼机器人，尤其涉及一种基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人。
背景技术
随着社会发展，人口老龄化、中风发病年轻化、交通事故等问题日益严重，运动功能障碍严重威胁着老年人与肢体残疾病人的生命与健康，给社会带来了沉重的经济和医疗负担。外骨骼机器人是一种可以并联穿戴在人的肢体上，为人的运动提供额外的支撑或助力的智能机械系统。
但传统的刚性结构外骨骼机器人具有诸多的不足，如机械结构本体较为笨重只能在固定的位置进行恢复性训练，能耗较高、便携性差；刚性机构由于并联在人体外部，无法与人体关节中心重合，人机耦合性较差，难以满足人机交互的协调性和精确性要求。
发明内容
发明目的：本发明提供一种结构轻质柔软、穿戴舒适、驱动柔顺安全的、用于肘关节康复性训练的软质外骨骼机器人。
技术方案：本发明所述的一种基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，它包括驱动机构、上臂前臂固定机构、上臂后臂固定机构、小臂前臂固定机构、小臂后臂固定机构、肘弯曲机构、外骨骼服和套索；驱动机构通过外骨骼服固定在腰部，从驱动机构中伸出的套索，其中前臂套索经由外骨骼服的导向，穿过上臂前臂固定机构连接到小臂前臂固定机构的拉伸弹簧上，后臂套索经由外骨骼服的导向，经过上臂后臂固定机构，穿过肘弯曲机构，连接至小臂后臂固定机构的拉伸弹簧上。
所述驱动机构中主动齿轮和前臂齿轮和后臂齿轮相啮合，线轮固定于前臂齿轮和后臂齿轮的齿轮轴上，电机带动主动齿轮转动，从而带动线轮转动，拉动钢丝绳索缠绕线轮。
所述上臂前臂固定机构固定在外骨骼服上臂前臂上，钢丝绳索从外骨骼服穿出插入到上臂前臂固定机构圆孔中，从圆孔另一侧穿出经U型槽滑轮穿过指向小臂前臂固定机构。
所述肘弯曲机构固定在外骨骼服手臂背部肘关节位置，分为前臂段和后臂段，通过旋转轴连接，在肘关节外部前臂段和后臂段的另一端都设置有支架，支架上的U型槽滑轮固定在支撑板上，支撑板分别固定在肘关节的前后两侧，钢丝绳索穿过U型槽滑轮指向小臂后臂固定机构。
所述外骨骼服包括驱动机构固定腰带、锚点及套管导向通道，分为内层和外层两个部分，内层为尼龙纤维织物，外层为聚酯纤维。
所述套索包括钢丝绳索、套管硬管和套管，钢丝绳索一端固定在线轮上，从线轮绕到单轴张力传感器线轮，再从聚氨酯轮下侧进入，从两个聚氨酯轮中间穿过，进入线管，穿过压缩弹簧，穿入套管，其中两个聚氨酯轮相切安装，四个聚氨酯轮的中心线共面。
发明原理：本发明利用弹簧和套索的组合来拟合Hill肌肉模型以模拟肌肉在关节运动时的状态。Hill肌肉模型是将肌肉构建为一个由三个元素组成的肌肉结构力学模型，即收缩元、串联弹性元和并联弹性元，其中，收缩单元代表肌纤维，并行弹性单元代表肌纤维的被动成分及其周围的弹性组织，串联弹性单元代表肌腱和其他肌纤维串联的弹性组织，θ为肘关节弯曲角度。在本发明中，收缩元为套管，并联弹性元为压缩弹簧，串联弹性元为拉伸弹簧。本发明拟合Hill肌肉模型的实现方式如下：当电机带动线轮转动，拉动钢丝绳索缠绕线轮，由于钢丝绳索和套管之间有摩擦力，在摩擦力的作用下套管和套管硬管会跟随钢丝绳索一起运动，此时套管由于向驱动器端运动，露出在驱动器外部的套管部分长度将减少，以此实现收缩单元的功能；套管硬管压紧压缩弹簧，实现并联弹性单元的功能；在手臂端，由于钢丝绳索被驱动器拉紧，拉动拉伸弹簧变长，从而实现串联弹性单元的功能，此时的θ角可以表示为手臂上臂和小臂上的锚点所连接的套索与小臂的夹角，同时也是肘关节弯曲的角度。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的有益效果：1、采用套索驱动，将驱动机构置于远端，有效的减轻了运动关节的负担，实现了轻量化的结构设计；2、在身体外部没有旋转中心，利用人的肢体和关节作为旋转关节和对应杆件，有效的消除了旋转中心不重合造成的误差；3、利用套索和弹簧来拟合Hill肌肉模型，机构的形变更贴近真实肌肉的变化。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构后视图；
图3为本发明结构侧视图；
图4为驱动机构示意图；
图5为驱动机构侧视图；
图6为驱动机构主视图；
图7为图5的A-A剖视图；
图8为图6的B-B剖视图；
图9为上臂前臂固定机构示意图；
图10为上臂后臂固定机构示意图；
图11为小臂前臂固定机构示意图；
图12为小臂后臂固定机构示意图；
图13为肘弯曲机构示意图；
图14为外骨骼服示意图；
图15为外骨骼服后视图；
图16为套索结构示意图；
图17为人体Hill肌肉原理模型图。
具体实施方式
结合图1至图16，详细说明本发明的具体实施方式。
外骨骼服8穿在人体1上，驱动机构2通过驱动机构固定腰带81固定在人体腰部，为整个系统提供驱动力。套索9从驱动机构2中伸出，通过外骨骼服套管导向通道83分别与上臂前臂固定机构3和上臂后臂固定机构4相连接，前臂套索从上臂前臂固定机构3穿出后连接小臂前臂固定机构5，后臂套索从上臂后臂固定机构4，经由肘弯曲机构7连接至小臂后臂固定机构6。
减速器和电机21为机构提供驱动力，带动主传动齿轮29转动，主传动齿轮29分别和前臂齿轮28和后臂齿轮210啮合，三个齿轮的中心线共面；线轮22固定在前臂和后壁齿轮轴上；后臂齿轮210布置方式与前臂齿轮28一样，线轮22固定在后臂齿轮轴上；单轴张力传感器线轮23固定在单轴传感器211上，两个传感器对称布置固定在箱体内部两侧；聚氨酯轮27通过同样规格的单向滚针轴承和双向滚针轴承结合作用固定在箱体内壁上，聚氨酯轮27两两相切安装。钢丝绳索91一端穿过线轮22的孔，绕线轮22至传感器线轮23，通过单轴传感器211实时检测套索张力，然后绕过单轴张力传感器线轮23从两个聚氨酯轮27中穿出，通过线管26的小孔穿入，线管26内有压缩弹簧24，其底端固定在线管26底部，上面为套管硬管92，套管硬管92套在套管93上，可以承受一定的压力，套管硬管92整个放置在线管26内，线管盖25旋紧固定在线管26上以防止套管硬管92从线管26内拉出，线管盖25上有孔，可以允许钢丝绳索91从孔中穿出，钢丝绳索91穿过压缩弹簧24后穿入套管93。
钢丝绳索91和套管硬管92从外骨骼服8中穿出，套管硬管92穿入上臂前臂固定支架31的圆孔中，钢丝绳索91从小孔中穿出，U型槽滑轮33通过滑轮轴32固定在上臂前臂固定支架31上，U型槽滑轮33可以自由转动，钢丝绳索91穿出后从U型槽滑轮33槽中穿过，在肘关节弯折时能够保证钢丝绳索91可以柔顺性弯曲。上臂前臂固定支架31固定在外骨骼服8上，从上臂前臂固定机构3伸出的钢丝绳索91连接到拉伸弹簧54上，钢丝绳索91在末端打结，允许拉伸弹簧54的钩穿过，拉伸弹簧54的另一端穿过鱼眼轴承53伸出的孔中。当钢丝绳索91在驱动端被拉紧时，带动拉伸弹簧54拉长，鱼眼轴承53通过轴承轴52固定在小臂前臂固定支架51上，小臂前臂固定支架51固定在外骨骼服8上。
另一根从驱动机构2伸出的钢丝绳索91和套管93一起穿过外骨骼服8，穿入上臂后臂固定支架41的圆孔中，钢丝绳索91从上臂后臂固定支架41的小孔中穿出，钢丝绳索91经过肘关节后臂时会发生弯折，因此有肘关节弯曲机构7，钢丝绳索91与U型槽滑轮73相切，在U型挡板74的限制下不会因为放松而脱离U型槽滑轮73。U型槽滑轮73通过槽轮轴72固定在支撑板71上，两块支撑板71分别固定在肘关节的前后侧，连接两块支撑板的槽轮轴72在肘关节旋转轴线的外侧，通过肘关节弯曲机构7可以避免套索在肘关节弯曲时对肘关节造成压力或者不必要的损害，同时可以保证钢丝绳索91在肘关节弯曲时的柔顺变形。钢丝绳索91从肘关节弯曲机构7伸出后连接至拉伸弹簧62，拉伸弹簧62的另一端通过弯钩连接到小臂后臂固定支架61上，小臂后臂固定支架61安装在外骨骼服8上，其中外骨骼服8上的锚点82用于安装各支撑支架。
钢丝绳索91可以在套管93中自由滑动，一端固定，另一端可以根据需要调节长度。
图17为人体Hill肌肉原理模型图，其中收缩单元103对应套管93，并联弹性单元104对应压缩弹簧24，串联弹性单元101对应拉伸弹簧54和拉伸弹簧62，连接线对应为套索9，θ角102为肘关节弯曲角度。
Claims (6)
1.一种基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，其特征在于：包括驱动机构(2)、上臂前臂固定机构(3)、上臂后臂固定机构(4)、小臂前臂固定机构(5)、小臂后臂固定机构(6)、肘弯曲机构(7)、外骨骼服(8)和套索(9)；驱动机构(2)通过外骨骼服(8)固定在腰部，从驱动机构(2)中伸出的套索(9)，其中一根套索(9)经由外骨骼服(8)的导向，穿过上臂前臂固定机构(3)连接到小臂前臂固定机构(5)的拉伸弹簧(54)上，另一跟套索(9)经由外骨骼服(8)的导向，经过上臂后臂固定机构(4)，穿过肘弯曲机构(7)，连接至小臂后臂固定机构(6)的拉伸弹簧(62)上；所述套索(9)包括钢丝绳索(91)、套管硬管(92)和套管(93)，钢丝绳索(91)一端固定在线轮(22)上，从线轮(22)绕到单轴张力传感器线轮(23)，再从聚氨酯轮(27)下侧进入，从两个聚氨酯轮(27)中间穿过，进入线管(26)，穿过压缩弹簧(24)，穿入套管(93)；所述套索(9)、拉伸弹簧(54)、(62)和压缩弹簧(24)形成一个基于Hill肌肉模型的柔顺套索传动系统。
2.根据权利要求1所述的基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，其特征在于：所述驱动机构(2)中主动齿轮(29)和前臂齿轮(28)和后臂齿轮(210)相啮合，线轮(22)固定于前臂齿轮(28)和后臂齿轮(210)的齿轮轴上，电机(21)带动主动齿轮(29)转动，从而带动线轮(22)转动，拉动钢丝绳索(91)缠绕线轮(22)。
3.根据权利要求1所述的基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，其特征在于：所述上臂前臂固定机构(3)固定在外骨骼服(8)上臂前臂上，钢丝绳索(91)从外骨骼服(8)穿出插入到上臂前臂固定机构(3)圆孔中，从圆孔另一侧穿出经U型槽滑轮(33)穿过指向小臂前臂固定机构(5)。
4.根据权利要求1所述的基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，其特征在于：所述肘弯曲机构(7)固定在外骨骼服(8)手臂背部肘关节位置，分为前臂段和后臂段，通过旋转轴连接，在肘关节外部前臂段和后臂段的另一端都设置有支架，支架上的U型槽滑轮(73)固定在支撑板(71)上，支撑板(71)分别固定在肘关节的前后两侧，钢丝绳索(91)穿过U型槽滑轮(73)指向小臂后臂固定机构(6)。
5.根据权利要求1所述的基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼服(8)包括驱动机构固定腰带(81)、锚点(82)及套管导向通道(83)，分为内层和外层两个部分，内层为尼龙纤维织物，外层为聚酯纤维。
6.根据权利要求1所述的基于套索柔顺驱动的肘关节软质外骨骼机器人，其特征在于，两个聚氨酯轮(27)相切，四个聚氨酯轮(27)的中心线共面。
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