CN108818618B - 一种康复机器人手臂重力平衡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种康复机器人手臂的重力平衡装置，属于康复机器人领域，包括：肩关节连接件、大臂连接件和重力平衡组件；肩关节连接件和大臂连接件按照人体仿生学结构可枢转地连接，以模拟人体大臂绕肩关节的旋转运动；重力平衡组件包括多个弹簧、钢丝绳及导向轮，钢丝绳将弹簧与肩关节连接件和大臂连接件连接，弹簧拉力用于平衡手臂的重力，导轮用于改变钢丝绳力的方向，可节省空间，使装置结构更紧凑，此外，通过锁死不同的导向轮可以实现在康复机器人左右手训练模式切换之后弹簧拉力仍可以平衡手臂重力，从而保证机器人在切换训练模式后仍能正常使用。

Description

一种康复机器人手臂重力平衡装置
技术领域
本发明属于康复机器人领域，更具体地，涉及一种康复机器人手臂的重力平衡装置，用于平衡机械臂自身重力产生的关节转矩。
背景技术
随着科技的进步，康复机器人已越来越多应用于运动功能障碍患者的康复辅助训练。在机器人运动过程中，由于机械臂自身所受重力会产生关节转矩，增加电机负载，影响机器人性能。
在专利号为CN106363666A的发明专利中，公开了一种利用气缸来平衡机器人手臂重力的装置，通过编码器接收机器人大臂转动的角度信息，控制部件根据该信息控制比例阀动作，调节气缸内压力大小，推动气缸上连杆来平衡重力产生的转矩。该装置使得机器人大臂转动时不再受到重力产生转矩的影响，但由于电机、气缸等的使用，装置体积、重量较大，不适合用在康复机器人上。
此外，出于成本等考虑，康复机器人逐渐需要满足左右手两用的要求，当训练模式从左手切换到右手，或从右手切换到左手时，装置需要在关节旋转一个角度后仍能对重力进行平衡，现有装置很难满足要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种康复机器人手臂的重力平衡装置，该装置通过设计弹簧与导向轮、钢丝绳的布置方式，实现左右手切换后的配重平衡，可满足左右手两用式康复机器人的使用要求，使得机器人手臂在左右手训练模式切换后仍能正常发挥作用。
为达到上述目的，本发明提供了一种康复机器人手臂的重力平衡装置，包括：肩关节连接件、大臂连接件和重力平衡组件；
肩关节连接件和大臂连接件按照人体仿生学结构可枢转地连接，以模拟人体大臂绕肩关节的旋转运动；
重力平衡组件包括第一拉力单元、第二拉力单元和锁定机构；
第一拉力单元包括导向轮A，以及首尾顺次固连的钢丝绳A、弹簧A、钢丝绳B、导向轮X、钢丝绳C、弹簧B、钢丝绳D、弹簧C和钢丝绳E；钢丝绳B和钢丝绳C分别连接导向轮X径向两端；
第二拉力单元包括导向轮A'，以及首尾顺次固连、且与第一拉力单元各部件顺次对应、规格相同、对称分布的钢丝绳A'、弹簧A'、钢丝绳B'、导向轮X'、钢丝绳C'、弹簧B'、钢丝绳D'、弹簧C'和钢丝绳E'；钢丝绳B'和钢丝绳C'分别连接导向轮X'径向两端；
钢丝绳A和钢丝绳A'的首端固定在肩关节连接件上；钢丝绳E末端和钢丝绳E'末端固定在大臂连接件上，且对称分布于大臂连接件的旋转轴线两侧；导向轮A和导向轮A'均为定滑轮，钢丝绳D绕过导向轮A后与弹簧B和弹簧C连接；钢丝绳D'绕过导向轮A'后与弹簧B'和弹簧C'连接；导向轮A、A'、X、X'均设于肩关节连接件上；
锁定机构用于在机器人手臂左右位置切换时独立锁定导向轮X和导向轮X'其中之一。
进一步地，第一拉力单元还包括导向轮B，第二拉力单元还包括导向轮B'；导向轮B和导向轮B'均固定于大臂连接件上，钢丝绳E末端和钢丝绳E'末端分别固连导向轮B和导向轮B'。
进一步地，导向轮X包括导向轮C、导向轮D，导向轮C、导向轮D对称分布于肩关节连接件正反两侧且共用转轴从而同步转动；钢丝绳A、弹簧A、钢丝绳B位于导向轮D同侧，钢丝绳C、弹簧B、钢丝绳D、弹簧C和钢丝绳E位于导向轮C同侧；钢丝绳B与导向轮D连接，钢丝绳C与导向轮C连接；
导向轮X'包括导向轮C'、导向轮D'，导向轮C'、导向轮D'对称分布于肩关节连接件正反两侧且共用转轴从而同步转动；钢丝绳A'、弹簧A'、钢丝绳B'位于导向轮D'同侧，钢丝绳C'、弹簧B'、钢丝绳D'、弹簧C'和钢丝绳E'位于导向轮C'同侧；钢丝绳B'与导向轮D'连接，钢丝绳C'与导向轮C'连接。
进一步地，第一拉力单元还包括导向轮E、导向轮F和导向轮G；导向轮F和导向轮G位于同一平面且共同配合夹持钢丝绳E，导向轮E的轴线垂直于钢丝绳E和导向轮G的轴线；钢丝绳E经导向轮E、导向轮F和导向轮G改变方向后连接至大臂连接件；
第二拉力单元还包括与第一拉力单元的导向轮E、导向轮F和导向轮G一一对应按照相同方式布置以改变钢丝绳E'方向的导向轮E'、导向轮F'和导向轮G'；导向轮E、F、G、E'、F'和G'均为定滑轮。
进一步地，弹簧A、A'刚度相同，设为K1，弹簧B、C、C'、B'刚度相同，设为K2，K1远小于K2。
进一步地，各导轮及弹簧的尺寸约束如下：
Figure GDA0002456616430000031
其中，l1表示刚度为K1的各弹簧的原长，x1表示刚度为K1的各弹簧的最大伸长量，l2表示刚度为K2的各弹簧的原长，x2表示刚度为K2的各弹簧的最大伸长量，d为肩关节直径，d1为钢丝绳A首端与导向轮D的距离、钢丝绳A'的首端与导向轮C'的距离，d2为导向轮C与导向轮A的距离、导向轮A'与导向轮D'的距离。
进一步地，还包括电机组件A、电机组件B和电机组件C；电机组件B安装于肩关节连接件和大臂连接件的枢接部，用于实现肩关节前屈/后伸自由度；电机组件A安装于肩关节连接件端部，用于实现肩关节外展/内收自由度；电机组件C安装于大臂连接件端部，用于实现肘关节内旋/外旋自由度。
进一步地，大臂连接件的枢接端设有钢丝绳槽，用于在旋转过程中限制钢丝绳E和钢丝绳E'的位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明可以平衡机器人手臂的重力，减小电机负荷，延长电机使用寿命。此外，通过导向轮和弹簧的布置使装置适用于左右手两用式康复机器人。
2)本发明通过导向轮改变钢丝绳力的方向，结构紧凑，在不增加装置尺寸的前提下平衡机器人手臂重力。
3)本发明通过弹簧拉力平衡机器人手臂重力，相比于配重物的方式，基本不增加机器人重量。
4)本发明中弹簧拉力可通过关节转角及弹簧刚度计算出来，可降低系统控制难度，大大提高机器人稳定性和可操作性。
5)本发明仅通过弹簧、钢丝绳及导向轮即可平衡机器人手臂重力，相比于电机、气缸等方式，可大大降低机器人成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构正面示意图；
图2为图1中重力平衡组件结构正面示意图；
图3为图2的I局部放大图；
图4为图2的背面示意图；
图5为图2状态下的配重机构原理简图；
图6为图2中的大臂连接件抬升至水平位置时的配重机构原理简图；
图7为图5中的尺寸关系简图；
图8为康复机器人由右手训练模式切换至左手训练模式之后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种康复机器人手臂重力平衡装置，包括重力平衡组件、电机组件及连接件。
电机组件包括肩关节外展/内收自由度电机组件A1、肩关节前屈/后伸自由度电机组件B2、肘关节内旋/外旋自由度电机组件C3；连接件包括肩关节连接件4、大臂连接件6；重力平衡组件5具体结构见图4和图5。如图1、图3所示，康复机器人由右手训练模式切换至左手训练模式，需要肩关节外展/内收自由度及肩关节前屈/后伸自由度均旋转180°，本发明装置在模式切换之后可继续平衡机器人手臂重力。本发明装置提供的是肩关节前屈/后伸自由度的配重力，因此只列出了该关节及其相邻关节共3个自由度，省略了康复机器人的其他自由度。
如图2～图4所示，重力平衡组件5包括导向轮E'7、导向轮F'8、导向轮G'9、导向轮B10、导向轮B'11、导向轮G12、导向轮F13、导向轮E14、导向轮C15、导向轮A22、导向轮A'24、导向轮D'28、导向轮D36、导向轮C'37、钢丝绳C16、钢丝绳E'17、钢丝绳E18、钢丝绳D20、钢丝绳D'23、钢丝绳C'27、钢丝绳B29、钢丝绳A31、钢丝绳A'32、钢丝绳B'35、弹簧B19、弹簧C21、弹簧C'25、弹簧B'26、弹簧A33、弹簧A'34、钢丝绳固定件30。
其中，弹簧A33和A'34刚度相同，假定为K1，弹簧B19、C21、C'25、B'26刚度相同，假定为K2，K1远小于K2；导向轮C15和导向轮D36固定在同一根轴上，可同步转动，导向轮D'28和导向轮C'37固定在同一根轴上，可同步转动；钢丝绳固定件30固定在肩关节连接件4上，钢丝绳A31和A'32的一端固连在钢丝绳固定件30上，另一端分别和弹簧A33、A'34固连，弹簧A33、A'34另一端分别通过钢丝绳B29、B'35固连在导向轮D36和C'37上；钢丝绳C16一端固连在导向轮C15上，另一端固连在弹簧B19上，钢丝绳D20一端固连在弹簧B19上，然后绕过导向轮A22另一端固连在弹簧C21上，钢丝绳E18一端固连在弹簧C21上，绕过导向轮E14、F13、G12、大臂连接件6上端的钢丝绳槽，另一端固连在导向轮B10上；钢丝绳C'27一端固连在导向轮D'28上，另一端固连在弹簧B'26上，钢丝绳D'23一端固连在弹簧B'26上，然后绕过导向轮A'24另一端固连在弹簧C'25上，钢丝绳E'17一端固连在弹簧C'25上，绕过导向轮E'7、F'8、G'9，另一端固连在导向轮B'11上；导向轮G'9和G12分别用来防止钢丝绳从导向轮F'8和F13的绳槽中脱出。两个固定钢丝绳末端的导向轮对称固连在大臂连接件6上。
本实施例通过在导向轮C15和肩关节连接件4开孔，利用插销插在导向轮C15和肩关节连接件4的对应开孔中的方式锁定导向轮C15和D36，拔出插销则解除锁定。导向轮D'28和C'37的锁定方式与此相同。当然，在其他实施例中(未图示)，也可以采用抱闸、电控等方式锁定或解除锁定。
如图2～图4所示：在初始位置，导向轮C15和D36为锁住状态，不能转动，导向轮D'28和C'37可以自由转动；弹簧C'25、26、33和34处于原长状态，弹簧B19和21处于拉伸状态，弹簧为肩部前屈/后伸关节提供一个正向运动的力矩，平衡一部分机器人手臂的重力。在肩部前屈/后伸关节正向转动90°，达到人体运动极限时，弹簧B19和C21长度缩短但仍处于拉伸状态，弹簧C'25、B'26、A'34长度变长均处于拉伸状态，由于弹簧A'34的刚度K1远小于弹簧C'25、B'26的刚度K2，变形主要集中在弹簧A'34上，弹簧C'25和B'26长度基本不变，可认为弹簧C'25和B'26仍处于原长状态，此时弹簧提供的仍是正向力矩。
具体地，工作原理图5和图6所示。图5显示的是该配重机构作用的初始状态。图6显示的是该配重机构作用的中间状态。
该配重机构是靠上下两段钢丝绳的拉力差来提供配重力矩，从而平衡机械臂的重力。配重机构的上下两段钢丝绳长度相同，串联的弹簧也相同，都是一个小弹簧加上两个大弹簧。小弹簧的刚度低，较小的拉力就能造成较大的伸长量；相反，大弹簧刚度大，较大的拉力只能造成较小的伸长量。当该配重机构作用时，需要将固定上侧钢丝绳的背面导轮锁止，防止其转动，而让下侧钢丝绳的背面导轮能够自由转动。由于正面导轮和背面导轮固连，因此，上侧钢丝绳受拉时，由于正面和背面导轮无法转动，上侧的大弹簧会被拉伸，而小弹簧保持原长。而下侧钢丝绳受拉时，由于正面和背面导轮能转动，且小弹簧刚度低，下侧的大弹簧几乎不会被拉伸，而小弹簧会被大幅拉伸。
如图5所示初始状态，由于上侧钢丝绳受拉，导致两个大弹簧K2同时被拉长，作用于肩关节前屈/后伸处的正向拉力
Figure GDA0002456616430000071
dmax表示弹簧的最大拉伸量。由于下侧钢丝绳没有受拉力，作用于肩关节前屈/后伸处的负向拉力F2＝0。此时F1＞＞F2，因此，该配重机构对该关节施加正向力矩用来平衡机械臂重力。
如图6所示中间状态，同理，上侧大弹簧K2被拉长，作用于该关节的正向拉力
Figure GDA0002456616430000072
d2表示此时弹簧的拉伸量。下侧钢丝绳受拉，由于大小弹簧的刚度差别太大，近似大弹簧K2保持原长，小弹簧K1被拉长，作用于肩关节前屈/后伸处的负向拉力F2＝K1d2。因为K2＞＞K1，所以F1＞＞F2，因此，该配重机构仍然对该关节施加正向力矩用来平衡机械臂重力。
由上述原理分析可知，机器人在对侧互换后，调整背面导轮的锁止和转动状态，配重机构作用方式和上述相同，不再赘述。
在设计尺寸上，如图7所示，存在如下式(1)的约束条件：
Figure GDA0002456616430000081
其中，l1表示小弹簧(即刚度K1的各弹簧，下同)原长，x1表示小弹簧最大伸长量，l2表示大弹簧(即刚度K2的各弹簧，下同)原长，x2表示大弹簧最大伸长量，d为肩关节直径，d1为绳索固定块到背面导轮的距离，d2为正面定滑轮到对应拉力单元的导向轮的距离(即导向轮C15与导向轮A22距离、导向轮A'24与导向轮D'28距离)。
由于机械臂空间有限，设计时暂定d＝55mm，d1＝154mm，d2＝188mm。为了尽量平衡机械臂的重力，选择了如下两款弹簧，参数如下表1所示。
表1肩部前屈/后伸配重弹簧参数
Figure GDA0002456616430000082
将大弹簧和小弹簧的尺寸参数代入公式(1)中，容易计算出满足要求。
根据表1所示参数，可以按下式(2)计算出弹簧组能提供的最大关节力矩。
Figure GDA0002456616430000091
因此，该配重机构提供的最大关节力矩
Figure GDA0002456616430000092
如图2～4及图8所示，康复机器人从右手训练模式切换到左手训练模式时，肩部前屈/后伸关节正向旋转180°，此时，将导向轮D'28和37锁死，将导向轮C15和36松开，相当于回到了初始位置状态，可以继续平衡机器人手臂的重力。
总的来说，本发明的重力平衡装置适用于左右手两用式康复机器人，通过弹簧平衡一部分重力，减小电机负荷，提高机器人手寿命；弹簧和导向轮的布置基本不增加机器人本身的体积和重量；弹簧提供的配重力可根据弹簧刚度和关节转角计算出来，从而有效提高机器人稳定性和可操作性，提高康复机器人整体性能。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，包括：肩关节连接件(4)、大臂连接件(6)和重力平衡组件(5)；
肩关节连接件(4)和大臂连接件(6)按照人体仿生学结构可枢转地连接，以模拟人体大臂绕肩关节的旋转运动；
重力平衡组件(5)包括第一拉力单元、第二拉力单元和锁定机构；
第一拉力单元包括导向轮A(22)，以及首尾顺次固连的钢丝绳A(31)、弹簧A(33)、钢丝绳B(29)、导向轮X(15、36)、钢丝绳C(16)、弹簧B(19)、钢丝绳D(20)、弹簧C(21)和钢丝绳E(18)；钢丝绳B(29)和钢丝绳C(16)分别连接导向轮X(15、36)径向两端；
第二拉力单元包括导向轮A'(24)，以及首尾顺次固连、且与第一拉力单元各部件顺次对应、规格相同、对称分布的钢丝绳A'(32)、弹簧A'(34)、钢丝绳B'(35)、导向轮X'(37、28)、钢丝绳C'(27)、弹簧B'(26)、钢丝绳D'(23)、弹簧C'(25)和钢丝绳E'(17)；钢丝绳B'(35)和钢丝绳C'(27)分别连接导向轮X'(37、28)径向两端；
钢丝绳A(31)和钢丝绳A'(32)的首端固定在肩关节连接件(4)上；钢丝绳E(18)末端和钢丝绳E'(17)末端固定在大臂连接件(6)上，且对称分布于大臂连接件(6)的旋转轴线两侧；导向轮A(22)和导向轮A'(24)均为定滑轮，钢丝绳D(20)绕过导向轮A(22)后与弹簧B(19)和弹簧C(21)连接；钢丝绳D'(23)绕过导向轮A'(24)后与弹簧B'(26)和弹簧C'(25)连接；导向轮A、A'、X、X'均设于肩关节连接件(4)上；
锁定机构用于在机器人手臂左右位置切换时独立锁定导向轮X(15、36)和导向轮X'(37、28)其中之一。
2.如权利要求1所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，第一拉力单元还包括导向轮B(10)，第二拉力单元还包括导向轮B'(11)；导向轮B(10)和导向轮B'(11)均固定于大臂连接件(6)上，钢丝绳E(18)末端和钢丝绳E'(17)末端分别固连导向轮B(10)和导向轮B'(11)。
3.如权利要求1或2所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，弹簧A、A'刚度相同，设为K1，弹簧B、C、C'、B'刚度相同，设为K2，K1远小于K2。
4.如权利要求1或2所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，导向轮X(15、36)包括导向轮C(15)、导向轮D(36)，导向轮C(15)、导向轮D(36)对称分布于肩关节连接件(4)正反两侧且共用转轴从而同步转动；钢丝绳A(31)、弹簧A(33)、钢丝绳B(29)位于导向轮D(36)同侧，钢丝绳C(16)、弹簧B(19)、钢丝绳D(20)、弹簧C(21)和钢丝绳E(18)位于导向轮C(15)同侧；钢丝绳B(29)与导向轮D(36)连接，钢丝绳C(16)与导向轮C(15)连接；
导向轮X'(37、28)包括导向轮C'(37)、导向轮D'(28)，导向轮C'(37)、导向轮D'(28)对称分布于肩关节连接件(4)正反两侧且共用转轴从而同步转动；钢丝绳A'(32)、弹簧A'(34)、钢丝绳B'(35)位于导向轮C'(37)同侧，钢丝绳C'(27)、弹簧B'(26)、钢丝绳D'(23)、弹簧C'(25)和钢丝绳E'(17)位于导向轮D'(28)同侧；钢丝绳B'(35)与导向轮C'(37)连接，钢丝绳C'(27)与导向轮D'(28)连接。
5.如权利要求4所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，弹簧A、A'刚度相同，设为K1，弹簧B、C、C'、B'刚度相同，设为K2，K1远小于K2。
6.如权利要求5所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，各导向轮及弹簧的尺寸约束如下：
Figure FDA0002456616420000031
其中，l1表示刚度为K1的各弹簧的原长，x1表示刚度为K1的各弹簧的最大伸长量，l2表示刚度为K2的各弹簧的原长，x2表示刚度为K2的各弹簧的最大伸长量，d为肩关节直径，d1为钢丝绳A(31)首端与导向轮D(36)的距离、钢丝绳A'(32)的首端与导向轮C'(37)的距离，d2为导向轮C(15)与导向轮A(22)的距离、导向轮A'(24)与导向轮D'(28)的距离。
7.如权利要求1或2所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，第一拉力单元还包括导向轮E(14)、导向轮F(13)和导向轮G(12)；导向轮F(13)和导向轮G(12)位于同一平面且共同配合夹持钢丝绳E(18)，导向轮E(14)的轴线垂直于钢丝绳E(18)和导向轮G(12)的轴线；钢丝绳E(18)经导向轮E(14)、导向轮F(13)和导向轮G(12)改变方向后连接至大臂连接件(6)；
第二拉力单元还包括与第一拉力单元的导向轮E(14)、导向轮F(13)和导向轮G(12)一一对应按照相同方式布置以改变钢丝绳E'(17)方向的导向轮E'(7)、导向轮F'(8)和导向轮G'(9)；导向轮E、F、G、E'、F'和G'均为定滑轮。
8.如权利要求1或2所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，还包括电机组件A(1)、电机组件B(2)和电机组件C(3)；电机组件B(2)安装于肩关节连接件(4)和大臂连接件(6)的枢接部，用于实现肩关节前屈/后伸自由度；电机组件A(1)安装于肩关节连接件(4)端部，用于实现肩关节外展/内收自由度；电机组件C(3)安装于大臂连接件(6)端部，用于实现肘关节内旋/外旋自由度。
9.如权利要求1或2所述的一种康复机器人手臂的重力平衡装置，其特征在于，大臂连接件(6)的枢接端设有钢丝绳槽，用于在旋转过程中限制钢丝绳E(18)和钢丝绳E'(17)的位置。
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