CN108582155B - 一种具有抑颤功能的机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有抑颤功能的机械臂，通过改变磁流变阻尼器的阻尼系数,实现调节肘关节的关节阻尼和惯量系数，进而改变人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的；肌电信号传感器拾取手臂肌肉的生物电信号，对电信号进行滤波，识别出运动信息中的非意向运动成分，控制动力源提供动力实现震颤的主动抑制。机械臂由大臂、前臂、腕关节、磁流变阻尼器、齿轮和电机组成；肘关节处模拟人体肘部肌肉发力方式，采用电机驱动肘部运动，通过限制电机的行程，实现肘部的屈伸运动。前臂的旋内、旋外由齿轮传动来实现，腕关节的屈伸则利用小型液压杆来实现。所有与人体手臂贴合的支撑均采用弧形结构，适应大多数人的手臂尺寸。

Description

一种具有抑颤功能的机械臂
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体地说，涉及一种具有三自由度外骨骼上肢抑颤的机械臂。
背景技术
随着目前机器人技术、先进控制技术、计算机技术、传感技术、生物医学以及人工智能技术的发展，康复机器人技术也在近几年获得了很大进步，成为机器人领域与康复医学领域的研究热点。利用机器人技术的抑颤康复装置采用两种抑颤方法:一种是“被动”震颤抑制控制方法，主要是通过连续调节机器人系统的关节阻尼和惯量系数，进而改变整个人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的；另一种是“主动”震颤抑制控制方法，主要是通过实时预估肢体震颤运动信号，控制抑震装置产生与震颤运动方向相反的运动，达到抵消肢体震颤运动的目的。
目前,国内外学者对康复机器人方面研究很多,并取得了一定的成果。美国TobiasNef等研发的七自由度手臂康复机器人ARMin(John Williamson,An Autonomous Devicefor Upper Limb Stroke Rehabilitat-ion:Realistic sensory feedback enablesrobot to customize its response[J].Design News,2009.12.1)，自由度分别为肩部的前屈后展、内旋外旋，外展内收，肘关节的屈展，前臂的转动，腕关节的屈伸及外展和内收运动。哈尔滨工业大学研制的可控阻尼外骨骼式抑震机器人(面向病理性震颤的抑震机器人及其关键技术研究[D].李军强.博士学位论文.2010:13-25.)，该抑震机器人可实现肘部屈、伸和前臂旋内、旋外两个自由度。其肘部屈、伸与前臂旋内、旋外均采用的是同步带传动,虽然可保证一定的传动精度与效率，又可减少噪声的产生，但其存在带轮之间中心矩不好确定的缺陷。受限于人体手腕尺寸以及穿戴要求，大同步带轮尺寸较大，当带轮之间中心矩取较小值时，小同步带轮的包角小，同步带传动易产生打滑现象，反之，当带轮之间中心矩取较大值时，又会造成机械臂手腕处整体结构尺寸偏大。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种具有抑颤功能的机械臂，该机械臂通过改变磁流变阻尼器的阻尼系数，来实现调节肘关节的关节阻尼和惯量系数，进而改变人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的；肌电信号传感器拾取患者手臂肌肉的生物电信号，对电信号进行滤波优化，识别出患者运动信息中的非意向运动成分，控制动力源提供动力实现震颤的主动抑制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括大臂、前臂、腕关节、握力杆、第一侧边杆、第二侧边杆、直线电机、活塞杆、磁流变阻尼器、连接架、步进电机、第一齿轮和液压杆，所述大臂为长条薄板形状，两端倒圆弧，大臂上两端部有第二轴承孔，大臂上沿轴线两边开有对称的槽孔，通过槽孔与人体臂部固定绑带缠紧，所述大臂一端部的第二轴承孔与前臂通过U形件和深沟球轴承配合连接，形成转动关节副，所述大臂另一端部的第二轴承孔与轴承配合，并与电机支座连接，直线电机与电机支座固连；
所述前臂与大臂连接的侧板上开有第一轴承孔，用来固定轴承并通过连接架与磁流变阻尼器一端连接，磁流变阻尼器另一端的活塞杆与电机转轴通过联轴器连接，直线电机转动，通过电机转轴带动磁流变阻尼器的活塞杆共同运动，使前臂提升或放下，实现肘关节的屈伸，所述前臂的两侧板之间通过支撑半环固定连接，前臂两侧板上有螺孔与腕关节通过螺钉固连，腕关节与受力支架一端的第一侧边杆、第二侧边杆通过轴承连接，第一侧边杆上沿轴向开有第一长槽用来作为滑道、第二侧边杆上沿轴向开有第二长槽用来作为滑道，第一长槽、第二长槽对称设置，握力杆两端分别位于第一长槽与第二长槽内，且握力杆沿第一长槽、第二长槽轴向滑动可调；
所述腕关节包括不完全直齿轮、止动槽、止动片和套环，所述腕关节一侧端有对称耳片与前臂配合连接，另一侧端有对称凸块与受力支架配合连接，腕关节上嵌套有不完全直齿轮，且腕关节上开有止动槽，止动片与止动槽配合以防止不完全直齿轮作轴向窜动，套环与不完全直齿轮连接；
所述步进电机与电机座固定在前臂侧板上，且位于连接架的同一侧面，第一齿轮与步进电机转轴通过平键固连，第一齿轮与腕关节的不完全直齿轮啮合传动，实现前臂的旋内、旋外转动；所述液压杆位于腕关节侧面的第一齿轮相对的侧面，液压杆一端与套环连接，液压杆另一端与受力支架相连，实现腕关节的屈伸运动。
所述前臂旋内、旋外转动的角度为0～150°。
所述第一齿轮与腕关节的结合面处添加聚四氟乙烯润滑材料来减小摩擦力。
所述第一齿轮与不完全直齿轮采用亚克力材料。
有益效果
本发明提出的一种具有抑颤功能的机械臂，通过改变磁流变阻尼器的阻尼系数,来实现调节肘关节的关节阻尼和惯量系数，进而改变整个人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的；肌电信号传感器拾取患者手臂肌肉的生物电信号，对电信号进行滤波优化,识别出患者运动信息中的非意向运动成分，控制动力源提供动力实现震颤的主动抑制。
本发明具有抑颤功能的机械臂，由大臂、前臂、腕关节、磁流变阻尼器、齿轮、液压杆和电机组成；其肘关节处仿照人体生物力学模型，模拟人体肘部肌肉发力方式，采用直线电机驱动肘部运动，通过限制直线电机的行程，实现肘部的屈伸运动。前臂的旋内、旋外转动由齿轮传动来实现，腕关节的屈伸则利用小型液压杆来实现。
本发明具有抑颤功能的机械臂与现有技术相比，传动比大，传动精度高，同时具有结构紧凑、驱动力矩大的特点，通过限制大齿轮的有效齿数，使人体前臂最大旋转角度保持在安全转动角度范围内，大大增加了其安全性。所有与人体手臂贴合的支撑均采用弧形结构，完美贴合人体手臂，固定方式采用弹性松紧绑带，来适应大多数人的手臂尺寸。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种具有抑颤功能的机械臂作进一步详细说明。
图1为本发明具有抑颤功能的机械臂结构示意图。
图2为本发明具有抑颤功能的机械臂及驱动部分结构示意图。
图3为本发明机械臂的支撑半环结构图。
图4为本发明机械臂的腕关节装配图。
图5为本发明机械臂的腕关节止动槽部位示意图。
图6为本发明机械臂的止动片示意图。
图7为本发明机械臂的不完全直齿轮示意图。
图8为本发明机械臂的套环结构示意图。
图中
1.大臂 2.深沟球轴承 3.前臂 4.腕关节 5.螺孔 6.不完全直齿轮 7.止动片 8.套环
9.受力支架 10.轴承 11.握力杆 12.第一侧边杆 13.第二侧边杆 14.第一长槽孔
15.第二长槽孔 16.第一轴承孔 17.槽孔 18.第二轴承孔 19.止动槽 20.直线电机
21.电机支座 22.电机转轴 23.活塞杆 24.磁流变阻尼器 25.连接架 26.步进电机
27.电机座 28.步进电机转轴 29.第一齿轮 30.液压杆
具体实施方式
本实施例是一种具有抑颤功能的机械臂。
参阅图1～图8本实施例具有抑颤功能的机械臂，由大臂1、前臂3、腕关节4、握力杆11、第一侧边杆12、第二侧边杆13、直线电机20、活塞杆23、磁流变阻尼器24、连接架25、步进电机26、第一齿轮29和液压杆30组成；其中，大臂1一端与前臂3通过U形件、深沟球轴承2配合连接，形成一个转动关节副；大臂1为长条薄板形状，两端倒圆弧，大臂1上两端部有第二轴承孔，大臂1上沿轴线两边开有对称的槽孔17，通过槽孔17与人体臂部固定绑带缠紧。大臂1另一端部的第二轴承孔18与轴承配合，并与电机支座21连接，直线电机20与电机支座21固连。
前臂3与大臂1连接的侧板上开有第一轴承孔16，用来固定轴承并通过连接架25与磁流变阻尼器24一端连接，磁流变阻尼器24另一端的活塞杆23与直线电机转轴22通过联轴器相连，直线电机20转动，通过直线电机转轴22带动磁流变阻尼器24的活塞杆23共同运动，使前臂3提升、放下，实现肘关节的屈伸。该连接方式是:通过在前臂3上的第一轴承孔16内安装轴承，然后将连接磁流变阻尼器24的连接架25安装在轴承内，使该连接架25可转动，连接架25与磁流变阻尼器24通过螺钉连接，从而当直线电机20运转时，电机转轴22通过联轴器带动磁流变阻尼器24的活塞杆23和磁流变阻尼器24共同运动，改变磁流变阻尼器的阻尼系数,来实现调节肘关节的关节阻尼和惯量系数，进而改变整个人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的。
前臂3两侧板之间通过支撑半环固定连接，前臂3两侧板上有螺孔5与腕关节4通过螺钉固连，腕关节4与受力支架9一端的第一侧边杆12、第二侧边杆13通过轴承10连接，第一侧边杆12、第二侧边杆13上沿轴向开有对称的第一长槽14、第二长槽15用来作为滑道，握力杆11两端位于第一长槽14、第二长槽15内，且握力杆11沿第一长槽14、第二长槽15轴向滑动可调；同时在实现腕关节屈伸的时候，使用者的手掌可握紧握力杆11，使手臂同机械臂一同转动；加工第一长槽14与第二长槽15是由于不同人手掌至腕关节距离不同，通过调节握力杆11距离可适应不同人群。
本实施例中,腕关节4包括不完全直齿轮6、止动槽19、止动片7、套环8，腕关节4一侧端有对称耳片与前臂3配合连接，另一侧端有对称凸块与受力支架9配合连接，腕关节4上嵌套有不完全直齿轮6，且腕关节4上开有止动槽19与止动片7配合以防止不完全直齿轮6作轴向窜动，套环8与不完全直齿轮6连接。不完全直齿轮6与腕关节间存有摩擦力，可在不完全直齿轮6与腕关节4的结合面处通过添加聚四氟乙烯润滑材料来减小摩擦系数，或采用亚克力材料加工第一齿轮29和不完全直齿轮6，有利于减轻腕部的质量。前臂旋内、旋外转动的角度为0～150°，因此采用不完全直齿轮6，以减轻整个机械结构前半部分的质量。
步进电机26与电机座27固连在前臂3侧板上，且位于连接架25的同一侧面，第一齿轮29与步进电机转轴28通过平键固连，第一齿轮29与腕部4的不完全直齿轮6啮合传动，实现前臂3的旋内、旋外转动。液压杆30位于腕关节4侧面的第一齿轮29相对的侧面，液压杆30一端与套环8连接，液压杆30另一端与受力支架9相连，实现腕关节的屈伸运动。步进电机26连接方式为:先将电机座27通过螺钉、螺孔5固连在前臂3处，然后将步进电机与电机座27固连，通过第一齿轮29与腕关节4处不完全直齿轮6啮合传动，实现前臂3的旋内、旋外转动；腕关节4处套环8上连接液压杆30的一端，液压杆30另一端与受力支架9相连，实现腕关节的屈、伸。

Claims (4)

1.一种具有抑颤功能的机械臂，其特征在于:包括大臂、前臂、腕关节、握力杆、第一侧边杆、第二侧边杆、直线电机、活塞杆、磁流变阻尼器、连接架、步进电机、第一齿轮和液压杆，所述大臂为长条薄板形状，两端倒圆弧，大臂上两端部有第二轴承孔，大臂上沿轴线两边开有对称的槽孔，通过槽孔与人体臂部固定绑带缠紧，所述大臂一端部的第二轴承孔与前臂通过U形件和深沟球轴承配合连接，形成转动关节副，所述大臂另一端部的第二轴承孔与轴承配合，并与电机支座连接，直线电机与电机支座固连；
所述前臂与大臂连接的侧板上开有第一轴承孔，用来固定轴承并通过连接架与磁流变阻尼器一端连接，磁流变阻尼器另一端的活塞杆与电机转轴通过联轴器连接，直线电机转动，通过电机转轴带动磁流变阻尼器的活塞杆共同运动，使前臂提升或放下，实现肘关节的屈伸，所述前臂的两侧板之间通过支撑半环固定连接，前臂两侧板上有螺孔与腕关节通过螺钉固连，腕关节与受力支架一端的第一侧边杆、第二侧边杆通过轴承连接，第一侧边杆上沿轴向开有第一长槽用来作为滑道、第二侧边杆上沿轴向开有第二长槽用来作为滑道，第一长槽、第二长槽对称设置，握力杆两端分别位于第一长槽与第二长槽内，且握力杆沿第一长槽、第二长槽轴向滑动可调；
所述腕关节包括不完全直齿轮、止动槽、止动片和套环，所述腕关节一侧端有对称耳片与前臂配合连接，另一侧端有对称凸块与受力支架配合连接，腕关节上嵌套有不完全直齿轮，且腕关节上开有止动槽，止动片与止动槽配合以防止不完全直齿轮作轴向窜动，套环与不完全直齿轮连接；
所述步进电机与电机座固定在前臂侧板上，且位于连接架的同一侧面，第一齿轮与步进电机转轴通过平键固连，第一齿轮与腕关节的不完全直齿轮啮合传动，实现前臂的旋内、旋外转动；所述液压杆位于腕关节侧面的第一齿轮相对的侧面，液压杆一端与套环连接，液压杆另一端与受力支架相连，实现腕关节的屈伸运动。
2.根据权利要求1所述的具有抑颤功能的机械臂，其特征在于:所述前臂旋内、旋外转动的角度为0～150°。
3.根据权利要求1所述的具有抑颤功能的机械臂，其特征在于:所述第一齿轮与腕关节的结合面处添加聚四氟乙烯润滑材料来减小摩擦力。
4.根据权利要求1所述的具有抑颤功能的机械臂，其特征在于:所述第一齿轮与不完全直齿轮采用亚克力材料。
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