CN109262650A - 一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，用于上肢肘关节的转动驱动，包括依次串联的电机(1)、法兰盘(2)、谐波减速器(5)和柔性体(6)，所述的柔性体(6)用于多余的旋转扭矩的过滤，所述的柔性体(6)包括柔性体内环(10)、柔性体的外环(9)和设于两者间的轴承弹性部件，所述的柔性体内环(10)设于柔性体的外环(9)中部，两者间通过轴承弹性部件连接，电机(1)的输出轴通过法兰盘(2)的承接将旋转扭矩输送到谐波减速器(5)上。与现有技术相比，本发明有效地增加驱动关节系统的稳定性，降低了干扰对系统的影响，有效的实现了反馈控制。

Description

一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节

技术领域

本发明涉及一种机器人部件，尤其是涉及一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节。

背景技术

上肢康复机器人以医学理论为依据，带动患肢进行科学而又有效的训练，使患者运动技能得到更好的恢复。上肢康复机器人在减少人工成本、提高治疗效率和效果的同时，还帮助康复师将注意力更多的集中在治疗计划的设定及治疗过程监管上。外骨骼式上肢康复机器人基于仿生学原理设计，结合人体工程学，能穿戴于患肢，实现更自然有效的上肢康复训练，是目前上肢康复机器人研究的热点。因此，加快外骨骼式上肢康复机器人技术的研究，对提高上肢偏瘫患者康复效果，提高患者生活质量，减轻康复治疗费用带来的经济负担等方面具有重要的经济和社会意义。

传统外骨骼式上肢康复机器人通常在刚性驱动关节的基础上，增加传感器种类和数量，通过采集足够多的位置、力矩、速度等数据，再设计出能够高效处理这些数据的控制器控制康复机器人的刚度，要求其中的传感器、驱动及控制电路运行速度足够快，并且控制器非常复杂，要求建立系统精确的动力学模型。

申请号为201810133388.0的专利中披露了一种肘关节组件，包括驱动器、输出曲柄和机座连杆，输出曲柄连接在驱动器的输出轴上，机座连杆与驱动器的外壳相对固定，输出曲柄上连接有连接曲柄，输出曲柄上连接有压力检测组件，压力检测组件的两端分别连接输出曲柄和连接曲柄。该结构的驱动关节不是本质柔顺关节，不能储存能量，无法对多余的扭矩进行过滤处理，由于带宽的限制，也不能吸收碰撞瞬时的能量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，用于上肢肘关节的转动驱动，包括依次串联的电机、法兰盘、谐波减速器和柔性体，所述的柔性体用于多余的旋转扭矩的过滤，所述的柔性体包括柔性体内环、柔性体的外环和设于两者间的轴承弹性部件，所述的柔性体内环设于柔性体的外环中部，两者间通过轴承弹性部件连接，电机的输出轴通过法兰盘的承接将旋转扭矩输送到谐波减速器上，之后谐波减速器对接收到的旋转扭矩进行减速并将减速后的旋转扭矩传送给柔性体外环，柔性体外环在减速后的旋转扭矩的带动下开始旋转，之后旋转的柔性体外环通过轴承弹性部件将减速后的旋转扭矩传送到柔性体内环上，同时通过轴承弹性部件的弹性作用对其中的多余扭矩进行过滤，最后柔性体内环作为转动输出端来带动肘关节转动。

进一步地，所述的轴承弹性部件包括轴承、弹簧、弹簧固定杆和扫臂，所述的柔性体内环紧套于轴承上，所述的弹簧固定杆固定于柔性体外环上，弹簧固定杆上套有弹簧，所述的扫臂一端连接于柔性体内环上，另一端连接于弹簧的中部，柔性体外环将接收到的旋转扭矩通过弹簧固定杆施加于弹簧上并使得弹簧发生弹性形变，弹性形变的弹簧对扫臂施加弹力，使得扫臂受力后带动柔性体内环转动。

进一步地，所述的轴承弹性部件在柔性体内环和柔性体外环间设有3个，轴承弹性部件以其几何中心互呈120°的方式分布。

进一步地，所述的轴承的两侧设有轴承内挡圈和轴承外挡圈，轴承内挡圈和轴承外挡圈对柔性体内环和柔性体内环进行轴向限位。

进一步地，所述的谐波减速器包括内齿刚轮、柔轮和波形发生器，所述的波形发生器用于带动柔轮旋转，所述的内齿刚轮为固定轮不参与旋转，所述的法兰盘与波形发生器连接，所述的柔轮与柔性体外环连接，法兰盘带动波形发生器旋转，之后波形发生器旋转带动柔轮旋转，柔轮进一步带动柔性体外环旋转。

进一步地，所述的串联弹性驱动关节还包括左绝对位置传感器、右绝对位置传感器和数据处理终端，所述的左绝对位置传感器和右绝对位置传感器分别设于柔性体的两端，左绝对位置传感器和右绝对位置传感器用于测量弹性体变形的绝对位置坐标并将测量结果输送到数据处理终端，处理终端进一步将数据处理并得到驱动关节的输出扭矩数据，数据处理终端根据前一个扭矩数据计算得到新的扭矩目标值，并将该扭矩目标值以指令的形式发送给电机以此控制电机的输出动力。

进一步地，所述的内齿刚轮设有左传感器固定架，所述的柔性体内环上设有右传感器固定架，左传感器固定架和右传感器固定架分别将左绝对位置传感器和右绝对位置传感器固定在内齿刚轮和柔性体内环上。

进一步地，所述的左绝对位置传感器和右绝对位置传感器分别以其初始位置为原点坐标，并以下一个柔性体内环相对于内齿刚轮静止时的位置作为终点坐标，数据处理终端以原点坐标和终点坐标计算转动弧度，根据转动弧度来计算扭矩大小。

与现有技术相比，本发明实施例的目的在于提供一种上肢康复机器人使用的串联弹性驱动关节，该串联弹性驱动器驱动关节在普通刚性关节和外界负载之间连接柔性体，即通过轴承弹性部件的弹性作用对其中的多余扭矩进行过滤，以柔性体内环作为转动输出端来带动肘关节转动，可对转动能量进行储存，能吸收碰撞瞬时的能量，以此及来实现柔顺驱动性能，使得关节具备了本质柔顺属性，有效地增加系统的稳定性，降低了干扰影响以及在外部冲击下起保护作用，同时在弹性体两端采用了2个绝对位置传感器，可测量弹性体的形变，从而直接测量出关节的输出力，能有有效的进行力控制。

本发明是专供脑卒中患者肘关节训练与日常生活的复合康复辅助器具，它不仅可以做到零阻抗提供精密的力控制，而且可以通过柔性体的弹性做到在过载时或收到冲击时对脑卒中患者肘关节的保护，紧凑型轻量化的设计方便了患者的使用，大大的提高了驱动关节的功率密度。

附图说明

图1为本发明中串联弹性驱动关节的结构示意图；

图2为本发明中串联弹性驱动关节的另一种结构示意图；

图3为本发明中柔性体的结构示意图。

图中：1、电机，2、法兰盘，3、左绝对位置传感器，左传感器固定架4、，5、谐波减速器，6、柔性体，7、右传感器固定架，8、右绝对位置传感器，9、柔性体外环，10、柔性体内环，11、轴承，12、轴承内挡圈，13、轴承外挡圈，14、扫臂，15、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，用于上肢肘关节的转动驱动，包括依次串联的电机1、法兰盘2、谐波减速器5和柔性体6，参见图1，所述的柔性体6用于多余的旋转扭矩的过滤，所述的柔性体6包括柔性体内环10、柔性体的外环9和设于两者间的轴承弹性部件，所述的柔性体内环10设于柔性体的外环9中部，两者间通过轴承弹性部件连接，所述的轴承弹性部件包括轴承11、弹簧15、弹簧固定杆和扫臂14，参见图3，所述的柔性体内环10紧套于轴承11上，所述的弹簧固定杆固定于柔性体外环9上，弹簧固定杆上套有弹簧15，所述的扫臂14一端连接于柔性体内环10上，另一端连接于弹簧15的中部，所述的轴承弹性部件在柔性体内环10和柔性体外环9间设有3个，轴承弹性部件以其几何中心互呈120°的方式分布。所述的轴承11的两侧设有轴承内挡圈12和轴承外挡圈13，轴承内挡圈12和轴承外挡圈13对柔性体内环10和柔性体内环10进行轴向限位。

谐波减速器5部分：包括内齿刚轮、柔轮和波形发生器，所述的波形发生器用于带动柔轮旋转，所述的内齿刚轮为固定轮不参与旋转，所述的法兰盘2与波形发生器连接，所述的柔轮与柔性体外环9连接，法兰盘2带动波形发生器旋转，参见图3，之后波形发生器旋转带动柔轮旋转，柔轮进一步带动柔性体外环9旋转。

传感器部分：包括左绝对位置传感器3、右绝对位置传感器8和数据处理终端，参见图2，所述的左绝对位置传感器3和右绝对位置传感器8分别设于柔性体6的两端，所述的内齿刚轮设有左传感器固定架4，所述的柔性体内环10上设有右传感器固定架7，左传感器固定架4和右传感器固定架7分别将左绝对位置传感器3和右绝对位置传感器8固定在内齿刚轮和柔性体内环10上。

在转动过程中，电机1的输出轴通过法兰盘2的承接将旋转扭矩输送到谐波减速器5上，之后谐波减速器5对接收到的旋转扭矩进行减速并将减速后的旋转扭矩传送给柔性体外环9，柔性体外环9在减速后的旋转扭矩的带动下开始旋转，柔性体外环9将接收到的旋转扭矩通过弹簧固定杆施加于弹簧15上并使得弹簧15发生弹性形变，弹性形变的弹簧15对扫臂14施加弹力，使得扫臂14受力后带动柔性体内环10转动，同时通过轴承弹性部件的弹性作用对其中的多余扭矩进行过滤，最后柔性体内环10作为转动输出端来带动肘关节转动。

弹性驱动关节在转动的同时进行扭矩计算并进行反馈控制，其过程为：左绝对位置传感器3和右绝对位置传感器8测量弹性体6变形的绝对位置坐标，其中左绝对位置传感器3和右绝对位置传感器8分别以其初始位置为原点坐标，并以下一个柔性体内环10相对于内齿刚轮静止时的位置作为终点坐标，并将测量结果输送到数据处理终端，数据处理终端以原点坐标和终点坐标计算转动弧度，根据转动弧度来计算扭矩大小，处理终端进一步将数据处理并得到驱动关节的输出扭矩数据，数据处理终端根据前一个扭矩数据计算得到新的扭矩目标值，并将该扭矩目标值以指令的形式发送给电机1以此控制电机的输出动力。

Claims (8)

1.一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，用于上肢肘关节的转动驱动，其特征在于，包括依次串联的电机(1)、法兰盘(2)、谐波减速器(5)和柔性体(6)，所述的柔性体(6)用于多余的旋转扭矩的过滤，所述的柔性体(6)包括柔性体内环(10)、柔性体外环(9)和设于两者间的轴承弹性部件，所述的柔性体内环(10)设于柔性体的外环(9)中部，两者间通过轴承弹性部件连接，电机(1)的输出轴通过法兰盘(2)的承接将旋转扭矩输送到谐波减速器(5)上，之后谐波减速器(5)对接收到的旋转扭矩进行减速并将减速后的旋转扭矩传送给柔性体外环(9)，柔性体外环(9)在减速后的旋转扭矩的带动下开始旋转，之后旋转的柔性体外环(9)通过轴承弹性部件将减速后的旋转扭矩传送到柔性体内环(10)上，同时通过轴承弹性部件的弹性作用对其中的多余扭矩进行过滤，最后柔性体内环(10)作为转动输出端来带动肘关节转动。

2.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的轴承弹性部件包括轴承(11)、弹簧(15)、弹簧固定杆和扫臂(14)，所述的柔性体内环(10)紧套于轴承(11)上，所述的弹簧固定杆固定于柔性体外环(9)上，弹簧固定杆上套有弹簧(15)，所述的扫臂(14)一端连接于柔性体内环(10)上，另一端连接于弹簧(15)的中部，柔性体外环(9)将接收到的旋转扭矩通过弹簧固定杆施加于弹簧(15)上并使得弹簧(15)发生弹性形变，弹性形变的弹簧(15)对扫臂(14)施加弹力，使得扫臂(14)受力后带动柔性体内环(10)转动。

3.根据权利要求2所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的轴承弹性部件在柔性体内环(10)和柔性体外环(9)间设有3个，轴承弹性部件以其几何中心互呈120°的方式分布。

4.根据权利要求2所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的轴承(11)的两侧设有轴承内挡圈(12)和轴承外挡圈(13)，轴承内挡圈(12)和轴承外挡圈(13)对柔性体内环(10)和柔性体内环(10)进行轴向限位。

5.根据权利要求2所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的谐波减速器(5)包括内齿刚轮、柔轮和波形发生器，所述的波形发生器用于带动柔轮旋转，所述的内齿刚轮为固定轮不参与旋转，所述的法兰盘(2)与波形发生器连接，所述的柔轮与柔性体外环(9)连接，法兰盘(2)带动波形发生器旋转，之后波形发生器旋转带动柔轮旋转，柔轮进一步带动柔性体外环(9)旋转。

6.根据权利要求5所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的串联弹性驱动关节还包括左绝对位置传感器(3)、右绝对位置传感器(8)和数据处理终端，所述的左绝对位置传感器(3)和右绝对位置传感器(8)分别设于柔性体(6)的两端，左绝对位置传感器(3)和右绝对位置传感器(8)用于测量弹性体(6)变形的绝对位置坐标并将测量结果输送到数据处理终端，处理终端进一步将数据处理并得到驱动关节的输出扭矩数据，数据处理终端根据前一个扭矩数据计算得到新的扭矩目标值，并将该扭矩目标值以指令的形式发送给电机(1)以此控制电机的输出动力。

7.根据权利要求6所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的内齿刚轮设有左传感器固定架(4)，所述的柔性体内环(10)上设有右传感器固定架(7)，左传感器固定架(4)和右传感器固定架(7)分别将左绝对位置传感器(3)和右绝对位置传感器(8)固定在内齿刚轮和柔性体内环(10)上。

8.根据权利要求7所述的一种上肢康复机器人用串联弹性驱动关节，其特征在于，所述的左绝对位置传感器(3)和右绝对位置传感器(8)分别以其初始位置为原点坐标，并以下一个柔性体内环(10)相对于内齿刚轮静止时的位置作为终点坐标，数据处理终端以原点坐标和终点坐标计算转动弧度，根据转动弧度来计算扭矩大小。