CN108652910B - 一种气缸驱动的康复机器人关节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗康复机械领域,尤其是一种气缸驱动的机器人关节装置。本发明的第一连接转轴安装在基座横梁的孔径内,第一转轴齿轮固定在第一连接转轴上,第一连接转轴通过自润轴承连接在肩关节转臂上;第一转轴齿轮与增量式编码器齿轮啮合,增量式编码器齿轮连接增量式编码器,增量式编码器齿轮与霍尔传感器齿轮啮合,霍尔传感器齿轮连接霍尔传感器,增量式编码器和霍尔传感器安装在肩关节转臂上。本发明具有安全性能好、可控性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复机械领域,尤其是一种气缸驱动的康复机器人关节装置。
背景技术
上肢康复训练机器人是将机器人技术领域与康复治疗医学领域结合而产生的,是一种补充或替代专业医师完成人体上肢康复训练的新技术,它的出现为上肢偏瘫患者的康复治疗开辟了新的道路,弥补了偏瘫患者临床治疗的不足。康复训练机器人的治疗方法是将患肢与机器人相连,患者肢体在机器人的带动下,完成各种动作,刺激人体上肢关节及肌肉的神经控制系统,从而达到恢复患者肢体运动机能的目的。这种方式减轻了对治疗医师的依赖,它能帮助医疗师完成繁重、反复的康复训练任务,帮助患者更好的恢复肢体运动机能。康复机器人的康复模式主要有被动康复模式和主动康复模式两种,被动康复模式是患者处于被动状态,在康复机器人的引导下完成康复动作;主动康复模式是患者处于主动状态,康复机器人辅助患者完成动作,如对其进行重力补偿或力效果仿真等。主动康复模式相对于被动康复模式在康复方式和康复效果上多具有相当的优势,而要实现主动康复模式,具有关节动态力矩反馈是关键的一环。
目前解决康复机器人关节动态力矩反馈的方案主要有两种,一种是在康复机器人关节处安装动态力矩传感器,其精度高,实时性好,但动态力矩传感器价格昂贵,且其体积大,质量重,难以实现紧凑轻质的低成本设计;另一种是在康复机器人相应位置安装六轴力(矩)传感器,然后进行力分解到各关节上同样,六轴力(矩)传感器也面临着和动态力矩传感器类似的问题。
因为上肢外骨骼康复机器人是一种与偏瘫患者身体直接接触的康复医疗装备,其安全性和柔顺性非常重要,此外,康复运动要力求平稳、自然,而这些主要依赖于康复机器人的执行器。目前大多数康复机器人采用电机驱动,其它类型的执行器主要是人工气动肌肉、气缸及液压人工肌肉等。而液压驱动在临床应用上存在局限性,电机驱动目前主要依赖串联或并联弹性执行器以增加其柔顺性,而气动肌肉驱动的外骨骼在布局上也存在局限性,目前还鲜有气缸驱动的双上肢外骨骼康复机器人,而气缸驱动在柔顺性和安全性问题上具有明显的优势,将气缸驱动应用到外骨骼上具有很大潜力。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种气缸驱动的康复机器人关节装置。本发明通过气缸体推动肩关节转臂绕第一连接转轴旋转,实现了人体关节的康复运动。本发明具有安全性能好、可控性高等特点。
本发明的技术方案是:一种气缸驱动的康复机器人关节装置,包括基座横梁、气缸组件、肩关节转臂、第一连接转轴、增量式编码器齿轮、增量式编码器、霍尔传感器齿轮、霍尔传感器、第二连接转轴,气缸组件包括I型连接头、固定插销、拉压力传感器、气缸体、气缸底座、气缸支座;其特征在于:第一连接转轴安装在基座横梁的孔径内,第一转轴齿轮固定在第一连接转轴上,第一连接转轴通过自润轴承连接在肩关节转臂上;第一转轴齿轮与增量式编码器齿轮啮合,增量式编码器齿轮连接增量式编码器,增量式编码器齿轮与霍尔传感器齿轮啮合,霍尔传感器齿轮连接霍尔传感器,第一转轴齿轮(41)、增量式编码器齿轮(5)、霍尔传感器齿轮(7)安装在肩关节转臂(3)一端的凹槽内,增量式编码器和霍尔传感器安装在肩关节转臂上,第二连接转轴(9)安装在肩关节转臂(3)另一端的孔径内,气缸体的输出轴连接拉压力传感器,气缸体一端设置I型连接头,通过I型连接头和固定插销将气缸体连接在气缸支座上,气缸支座(26)固定在基座横梁(1)的导槽内,气缸体的另一端设置气缸底座,气缸底座与第二连接转轴连接。
根据如上所述的气缸驱动的康复机器人关节装置,其特征在于:所述的第一转轴齿轮、增量式编码器齿轮、霍尔传感器齿轮为尼龙材料。
根据如上所述的气缸驱动的康复机器人关节装置,其特征在于:所述气缸体采用伺服阀进行控制。
本发明具有的有益效果是:
1、本发明所述的气缸驱动的具有动态力矩反馈的康复机器人关节装置,气缸驱动在柔顺性和安全性问题上具有明显的优势,具有动态力矩反馈的康复机器人关节可以实现康复患者的被动康复训练,还可以辅助患者进行主动康复训练,对康复过程中的患者进行力补偿或力仿真,从康复方式的多样性和康复效果来讲都大有好处,同时在关节结构内内置了增量式编码器和霍尔传感器以增强控制性能;
2、与电机驱动、液压驱动、气动肌肉驱动相比,气缸驱动在柔顺性和安全性优势明显,同时,本设计克服了气缸物理尺寸原因而造成的布局局限,也采用了相关传感器弥补了纯气缸控制性能的不足;
3、轻质紧凑的结构设计,采用了气缸驱动关节,利用了气缸轻质的特点,摆臂设计成薄壁结构,使整体结构凸显出轻质特性;将传感器内置在康复机器人摆臂内,使结构更加紧凑,采用薄壁轻质的自润轴承替代常规滚珠轴承,兼顾了质量、体积和摩擦力问题。同时由于气缸行程的原因,无需另设机械硬限位,使结构简化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种气缸驱动的康复机器人关节装置较佳实施例的立体结构示意图;
图2为本发明一种气缸驱动的康复机器人关节装置较佳实施例的爆炸结构示意图。
附图标记说明:基座横梁1、气缸组件2、肩关节转臂3、第一连接转轴4、第一转轴齿轮41、自润轴承42、增量式编码器齿轮5、增量式编码器6、霍尔传感器齿轮7、霍尔传感器8、第二连接转轴9、I型连接头21、固定插销22、拉压力传感器23、气缸体24、气缸底座25、气缸支座26。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明的上述技术方案,以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示,本发明的一种气缸驱动的康复机器人关节装置包括基座横梁1、气缸组件2、肩关节转臂3、第一连接转轴4、增量式编码器齿轮5、增量式编码器6、霍尔传感器齿轮7、霍尔传感器8、第二连接转轴9。气缸组件2包括I型连接头21、固定插销22、拉压力传感器23、气缸体24、气缸底座25、气缸支座26。
如图1和图2所示,第一连接转轴4通过螺丝锁紧安装在基座横梁1的孔径内,尼龙材质的第一转轴齿轮41通过紧定螺钉固定在第一连接转轴4上,第一连接转轴4通过自润轴承42连接肩关节转臂3;第一连接转轴4上的第一转轴齿轮41与增量式编码器齿轮5啮合,增量式编码器齿轮5连接增量式编码器6,增量式编码器齿轮5与霍尔传感器齿轮7啮合,霍尔传感器齿轮7连接霍尔传感器8,第一转轴齿轮(41)、增量式编码器齿轮(5)、霍尔传感器齿轮(7)安装在肩关节转臂(3)一端的凹槽内,增量式编码器6和霍尔传感器8用螺丝安装在肩关节转臂3上,肩关节转臂3的转动带动增量式编码器6和霍尔传感器8的转动,同时记录肩关节转臂3的运动状态,第二连接转轴(9)安装在肩关节转臂(3)另一端的孔径内,气缸体24的输出轴连接拉压力传感器23,气缸体24一端设置I型连接头21,通过I型连接头21和固定插销22将气缸体24连接在气缸支座26上,气缸支座(26)固定在基座横梁(1)的导槽内,气缸体24的另一端设置气缸底座25,气缸底座25与第二连接转轴9连接。
本实施例中,所述第一转轴齿轮41、增量式编码器齿轮5、霍尔传感器齿轮均采用尼龙材料加工而成。
本实施例中,所述气缸支座26通过焊接的方式固定在基座横梁1的导槽内。
本实施例中,所述气缸体24可以采用伺服阀进行控制,这样夹角变化可以实时精确控制,且通过气缸的控制可以提高整个装置的柔顺性和安全性。
具体的,本发明气缸组件2的驱动在柔顺性和安全性优势明显,同时,克服了气缸物理尺寸原因而造成的布局局限,也采用了增量式编码器6和霍尔传感器8弥补了纯气缸控制性能的不足;轻质紧凑的结构设计,采用了气缸驱动关节,利用了气缸轻质的特点,肩关节转臂3设计成薄壁结构,使整体结构凸显出轻质特性;将增量式编码器6和霍尔传感器8内置在康复机器人摆臂内,使结构更加紧凑,采用薄壁轻质的自润轴承42替代常规滚珠轴承,兼顾了质量、体积和摩擦力问题。同时由于气缸行程的原因,无需另设机械硬限位,使结构简化。
综上所述,借助于本发明的上述技术方案:本发明一种气缸驱动的康复机器人关节装置整体结构通过气缸驱动的具有动态力矩反馈的康复机器人摆动关节,气缸驱动在柔顺性和安全性上不言而喻,具有动态力矩反馈的康复机器人关节可以实现康复患者的被动康复训练,还可以辅助患者进行主动康复训练,对康复过程中的患者进行力补偿或力仿真;同时肩关节转臂均采用薄壁结构,降低重量,并使用齿轮传动巧妙的将增量式编码器、霍尔传感器内置于薄壁结构内,实现了检测目的也使结构更加紧凑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种气缸驱动的康复机器人关节装置,包括基座横梁(1)、气缸组件(2)、肩关节转臂(3)、第一连接转轴(4)、增量式编码器齿轮(5)、增量式编码器(6)、霍尔传感器齿轮(7)、霍尔传感器(8)、第二连接转轴(9),气缸组件(2)包括I型连接头(21)、固定插销(22)、拉压力传感器(23)、气缸体(24)、气缸底座(25)、气缸支座(26);其特征在于:第一连接转轴(4)安装在基座横梁(1)的孔径内,第一转轴齿轮(41)固定在第一连接转轴(4)上,第一连接转轴(4)通过自润轴承(42)连接在肩关节转臂(3)上;第一转轴齿轮(41)与增量式编码器齿轮(5)啮合,增量式编码器齿轮(5)连接增量式编码器(6),增量式编码器齿轮(5)与霍尔传感器齿轮(7)啮合,霍尔传感器齿轮(7)连接霍尔传感器(8),第一转轴齿轮(41)、增量式编码器齿轮(5)、霍尔传感器齿轮(7)安装在肩关节转臂(3)一端的凹槽内,增量式编码器(6)和霍尔传感器(8)安装在肩关节转臂(3)上,第二连接转轴(9)安装在肩关节转臂(3)另一端的孔径内,气缸体(24)的输出轴连接拉压力传感器(23),气缸体(24)一端设置I型连接头(21),通过I型连接头(21)和固定插销(22)将气缸体(24)连接在气缸支座(26)上,气缸支座(26)固定在基座横梁(1)的导槽内,气缸体(24)的另一端设置气缸底座(25),气缸底座(25)与第二连接转轴(9)连接。
2.根据权利要求1所述的气缸驱动的康复机器人关节装置,其特征在于:所述的第一转轴齿轮(41)、增量式编码器齿轮(5)、霍尔传感器齿轮(7)为尼龙材料。
3.根据权利要求1所述的气缸驱动的康复机器人关节装置,其特征在于:所述气缸体(24)采用伺服阀进行控制。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20191227 |