CN109730892A - 一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，包括滑块机构（30），滑块机构（30）包括左夹持机构、右夹持结构和圆弧导轨（14），所述的左夹持机构包括滑块夹板（9），所述的滑块夹板（9）上设置有滑块夹板沉孔（13），滑块夹板沉孔（13）内安装有随动轴承（16）滑块夹板（9）上还设置有轴承安装孔，滑块夹板（9）的顶部设置有固定孔（10），固定孔（10）连通轴承安装孔，固定孔（10）内设置有一微型轴，微型轴上设置有微型球轴承。本发明的优点是该上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构能实现人机运动轴心重合的内外旋运动，且加工容易，装配简单，尺寸紧凑。

Description

一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构

技术领域

本发明涉及康复医疗设备领域，特别是一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构。

背景技术

上肢外骨骼机器人是一种集人机工程学、仿生学于一体的机械装置，集成了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术,可以为人类肢体提供支撑、保护、助力、康复训练等作用，主要用于康复医疗等领域。无论是对于脑卒中造成的偏瘫还是骨科损伤的术后康复，上肢外骨骼机器人都能便利有效的进行病患上肢的康复训练，大幅节省人力成本。

人体前臂主要由尺骨和桡骨组成，它不仅能绕着肘关节做屈伸转动，还能绕前臂轴心做内旋、外旋运动。前臂的内外旋运动在上肢康复训练中尤为重要，所以，上肢外骨骼机器人的前臂必须具备内外旋自由度。机械臂在和人体手臂耦合运动的过程中，一定要保证运动人机关节转动轴线相重合，防止产生额外内应力造成不适甚至二次伤害。能够实现外骨骼前臂绕着人体前臂的轴心转动的机构较少，使用圆弧导轨是一种简单、直观且有效的方式。因为上肢外骨骼是人机交互的设备，一定要确保机械构件本身对人体的安全性，保证不会划伤皮肤。并且，圆弧构件这样的异性件，加工较为困难，要确保圆弧导轨易加工，避免复杂特征，节省加工成本，也要便于安装，整体尺寸（特别是轴向尺寸）要小。最重要的是，圆弧导轨机构作为一个较复杂的传动机构，在工作过程中，要保证运动平稳，传动效率高，噪音小，连接可靠，整体力学性能好，系统刚度高。

目前，已有的上肢外骨骼前臂要么没有内外旋自由度，要么不能实现机械臂旋转轴心与人体手臂内外旋轴心完全重合。而具备轴心重合的内外旋自由度的上肢外骨骼前臂，有部分利用多连杆机构实现，传动效率较低，系统刚性较差，力学性能较差，连接可靠性较差，轴向尺寸大；有部分则使用圆弧导轨机构，简单、直观，但现有的大多数内外旋圆弧导轨机构，做工复杂，加工、安装难度高，运动平稳性较差，力学性能较差，轴向尺寸大，有的甚至可能划伤皮肤。公开号为CN 105662783 A的专利介绍了一种外骨骼式上肢康复训练机器人，它的外骨骼前臂具有内外旋自由度，通过二级四连杆机构实现了外骨骼前臂绕手臂轴心旋转，相对于圆弧导轨直观的绕圆心转动，多连杆机构传动效率较低，系统刚性和力学性能较差，占用轴向尺寸也很大，这对尺寸紧凑的外骨骼前臂不利。公开号为CN 106031669 A的专利介绍了一种七自由度上肢助力外骨骼机器人，它的外骨骼前臂使用了圆弧导轨机构实现内外旋，传动方式用的齿轮传动，效率高，但是齿轮分布的大圆弧导轨加工困难，加工成本高，且齿具有锐边、锐角，可能会对皮肤造成伤害。公开号为CN 106031669 A的专利介绍了一种外骨骼式肩胛带与上肢协同康复机器人，它具有前臂的内外旋机构，通过同步带驱动半圆导轨，效率高。它是利用V型槽导轮和圆柱导轨实现圆弧导轨的径向、轴向固定，运动相对平稳，刚度较高。但是安装困难，导轨加工难度较高，尺寸相对较大，导轮轴承同时承受径向力、轴向力及弯矩，受力情况较差，可靠性低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构。

本发明的目的是提供一种用于上肢外骨骼机器人实现前臂内外旋功能的圆弧导轨机构。它加工较为容易，安装简单，节省成本。尺寸非常紧凑，占据前臂轴向位置很小，可以留有充裕的空间安装电机、减速器或其余零部件。采用同步带传动，传动效率高。利用了较多小巧精密的轴承分别承受轴向力、径向力和弯矩，受力情况较好，运动平稳，摩擦小，噪音小。导轨支承点较多，系统刚度好，避免产生振动；本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，包括滑块机构，滑块机构包括左夹持机构、右夹持结构和圆弧导轨，所述的圆弧导轨夹持在左夹持机构和右夹持机构之间，所述的左夹持结构和右夹持机构结构相同，所述的左夹持机构包括滑块夹板，所述的滑块夹板上设置有滑块夹板沉孔，滑块夹板沉孔内安装有随动轴承，随动轴承置于圆弧沟槽内，滑块夹板上还设置有轴承安装孔，滑块夹板的顶部设置有固定孔，固定孔连通轴承安装孔，固定孔内设置有一微型轴，微型轴上设置有微型球轴承，微型球轴承置于轴承安装孔内，所述的圆弧导轨的两端设置有平台，平台上设置有凸齿，圆弧导轨的外圆面上设置有同步带，同步带的两端卡在凸齿上，且通过同步带压紧板压紧在平台上，左夹持机构的滑块夹板上设置有同步带轮，同步带套在同步带轮上，滑块夹板上还设置有张紧轮，张紧轮抵在同步带上将同步带张紧。

具体地，所述圆弧导轨的两侧分别设置有两条圆弧沟槽，所述的滑块夹板沉孔设置有两组，每组设置有三个，轴承安装孔设置在两组滑块夹板沉孔之间且设置有两个，微型球轴承可以在圆弧导轨的两圆弧沟槽之间的端面上滚动，限制圆弧导轨的轴向位移。

具体地，所述的左夹持机构和右夹持机构通过螺栓固定在一起。

具体地，所述圆弧滑块两端的一侧设置有限位柱。

具体地，所述圆弧导轨的端面设置有弧形霍尔定位系统，作为角度传感器，测量反馈圆弧导轨的内外旋转动角度。

具体地，所述圆弧导轨的两端固定有肘关节安装法兰。

具体地，所述左夹持机构的滑动夹板的一侧设置有前臂内外旋动力箱，前臂内外旋动力箱内设置有电机，电机输出轴连接同步带轮，前臂内外旋动力箱顶部设置有动力箱壳。

具体地，所述的左夹持机构的滑动夹板上设置有滑动基板，动力箱壳内的上部设置有用于滑动基板滑动的滑槽，滑动基板置于滑槽内，动力箱壳上设置有用于锁紧滑动基板的锁紧旋钮，动力箱壳的顶部设置有三维力传感器，三维力传感器的顶部设置前臂托板。

具体地，所述滑块夹板上设置有螺纹孔，螺纹孔连通固定孔，螺纹孔内螺纹连接有锁紧螺栓用于紧固微型轴。

具体地，所述的滑块夹板的下部设置有弧形沟槽，防止圆弧导轨的端面上安装的弧形霍尔定位系统与滑块夹板内侧干涉。

本发明具有以下优点：该上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构能实现人机运动轴心重合的内外旋运动，且加工容易，装配简单，尺寸紧凑，相比于其他类型的外骨骼内外旋机构，制造、安装成本降低，前臂轴向尺寸占用更少，可以合理布置其余零件，且能简直直观的实现人机前臂内外旋转动中心重合。

该上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构由多个轴承共同支承，不同轴承承受不同的径向力、轴向力和弯矩，相比其他类型圆弧导轨机构，整体受力性能较好，系统刚度好，滚动接触面较多，运动平稳，噪音小。使用同步带传动，相比于其他传动方式，传动效率更高，运动精确。

附图说明

图1 为上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构图；

图2 为滑块夹板结构示意图；

图3 为上肢外骨骼机器人前臂模块结构图；

图4 为圆弧导轨结构示意图；

图中：1-凸齿，2-同步带，3-圆弧沟槽，4-沟槽端面，5-圆弧导轨端面，6-，7-张紧轮，8-同步带轮，9-滑块夹板，10-固定孔，11-锁紧螺栓，12-微型球轴承，13-滑块夹板沉孔，14-圆弧导轨，15-同步带压紧板，16-随动轴承，17-轴承垫圈,18-,19-限位柱，20-肘关节安装法兰，21-滑动基板，22-锁紧旋钮，23-前臂托板，24-三维力传感器，28-动力箱壳，29-前臂内外旋动力箱，30-滑块机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～4所示，一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，包括左夹持机构、右夹持结构和圆弧导轨14，所述的圆弧导轨14夹持在左夹持机构和右夹持机构之间，所述的左夹持结构和右夹持机构结构相同，所述的左夹持机构包括滑块夹板9，所述的滑块夹板9上设置有滑块夹板沉孔13，滑块夹板沉孔13内安装有随动轴承16，随动轴承16安装在轴承轴上，将轴承轴插入滑块夹板沉孔13，在轴承轴的一端设置有外螺纹，插入滑块夹板沉孔13后采用螺母进行锁紧，随动轴承16位于滑块夹板9的外部，随动轴承16置于圆弧沟槽3内，限制圆弧导轨14相对于滑块模块机构30的径向位移，滑块夹板9上还设置有轴承安装孔，滑块夹板9的顶部设置有固定孔10，固定孔10连通轴承安装孔，固定孔10内设置有一微型轴，微型轴上设置有微型球轴承12，微型球轴承12置于轴承安装孔内，微型球轴承12内孔套在微型轴上，上下轴承面各有一个轴承垫圈17，微型球轴承12分布在对应圆弧导轨14的沟槽端面4的圆周线上，可以在圆弧导轨14端面上滚动，起轴线限位作用，承受轴向力及部分弯矩；所述的圆弧导轨14的两端设置有平台，平台上设置有凸齿1，圆弧导轨14的外圆面上设置有同步带2，同步带2的两端卡在凸齿1上，且通过同步带压紧板15压紧在平台上，左夹持机构的滑块夹板9上设置有同步带轮8，同步带2套在同步带轮8上，滑块夹板9上还设置有张紧轮7，张紧轮7抵在同步带2上将同步带2张紧。

进一步地，所述圆弧导轨14的两侧分别设置有两条圆弧沟槽3，所述的滑块夹板沉孔13设置有两组，每组设置有三个，三个间隔一定角度分布在对应圆弧导轨14的圆弧沟槽3的圆周线上，随动轴承16的轴承面在圆弧沟槽3上滚动，当圆弧导轨14受指向圆心的径向力时，由内环的圆弧沟槽3内的三个随动轴承16支承，当圆弧导轨14受背离圆心的径向力时，由外环的圆弧沟槽3内的三个随动轴承支承，起径向限位作用，承受径向力及部分弯矩，多轴承共同作用，使力分布更加合理，整体力学性能和刚度较好，滚动接触面较多，运动相对平稳，摩擦小，噪音小；轴承安装孔设置在两组滑块夹板沉孔13之间且设置有两个，微型球轴承12可以在圆弧导轨14的两圆弧沟槽3之间的沟槽端面4上滚动，限制圆弧导轨14的轴向位移。

进一步地，所述的左夹持机构和右夹持机构通过螺栓固定在一起。

进一步地，所述圆弧滑块14两端的一侧设置有限位柱19。

进一步地，所述圆弧导轨14的端面设置有弧形霍尔定位系统，作为角度传感器，测量反馈圆弧导轨14的内外旋转动角度。

进一步地，所述圆弧导轨14的两端固定有肘关节安装法兰20，肘关节安装法兰20与外骨骼上臂相连，构成肘关节屈伸自由度。

进一步地，所述左夹持机构的滑动夹板9的一侧设置有前臂内外旋动力箱29，前臂内外旋动力箱29内设置有电机，电机输出轴连接同步带轮8，前臂内外旋动力箱29顶部设置有动力箱壳28。

进一步地，所述的左夹持机构的滑动夹板9上设置有滑动基板21，人体前臂穿戴在前臂托板21上，动力箱壳28内的上部设置有用于滑动基板21滑动的滑槽，滑动基板21置于滑槽内，前臂在滑动基板,21上滑动可以调节长度尺寸，锁紧旋钮拧紧锁死，动力箱壳28上设置有用于锁紧滑动基板21的锁紧旋钮22，动力箱壳28的顶部设置有三维力传感器24，三维力传感器24的顶部设置前臂托板23，当人体手臂穿戴外骨骼上后，前臂轴心通过圆弧导轨14的转动轴线，同步带压紧板15将同步带2压紧固定在圆弧导轨14的两端，通过螺栓固定在圆弧导轨14上，用电机带动同步带轮8使同步带2驱动圆弧导轨14相对滑块机构30运动，限位柱19起到机械限位作用，使圆弧导轨14仅能内旋、外旋各60°，适应人体前臂内外旋运动范围，增加康复训练安全性。

进一步地，所述滑块夹板9上设置有螺纹孔，螺纹孔连通固定孔，螺纹孔内螺纹连接有锁紧螺栓11用于紧固微型轴。

进一步地，所述的滑块夹板9的下部设置有弧形沟槽18，防止圆弧导轨14的端面上安装的弧形霍尔定位系统与滑块夹板9内侧干涉。

本发明的工作过程如下：。

将本发明安装于上肢外骨骼机器人前臂上，作为实现带动人体手臂进行内外旋运动的机构，将滑块模块30与外骨骼前臂固定安装，圆弧导轨14两末端固定安装在肘关节安装法兰20上，当人体前臂固定在前臂托板23上后，电机就能驱动同步带轮8转动，拉动同步带2，进而拉动圆弧导轨14的末端，促使圆弧导轨14和前臂基体产生相对运动，实现外骨骼带动人体前臂绕前臂轴心做内旋、外旋运动。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：包括滑块机构（30），滑块机构（30）包括左夹持机构、右夹持结构和圆弧导轨（14），所述的圆弧导轨（14）夹持在左夹持机构和右夹持机构之间，所述的左夹持结构和右夹持机构结构相同，所述的左夹持机构包括滑块夹板（9），所述的滑块夹板（9）上设置有滑块夹板沉孔（13），滑块夹板沉孔（13）内安装有随动轴承（16），随动轴承（16）置于圆弧沟槽（3）内，滑块夹板（9）上还设置有轴承安装孔，滑块夹板（9）的顶部设置有固定孔（10），固定孔（10）连通轴承安装孔，固定孔（10）内设置有一微型轴，微型轴上设置有微型球轴承（12），微型球轴承（12）置于轴承安装孔内，所述的圆弧导轨（14）的两端设置有平台，平台上设置有凸齿（1），圆弧导轨（14）的外圆面上设置有同步带（2），同步带（2）的两端卡在凸齿（1）上，且通过同步带压紧板（15）压紧在平台上，左夹持机构的滑块夹板（9）上设置有同步带轮（8），同步带（2）套在同步带轮（8）上，滑块夹板（9）上还设置有张紧轮（7），张紧轮（7）抵在同步带（2）上将同步带（2）张紧。

2.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述圆弧导轨（14）的两侧分别设置有两条圆弧沟槽（3），所述的滑块夹板沉孔（13）设置有两组，每组设置有三个，轴承安装孔设置在两组滑块夹板沉孔（13）之间且设置有两个，微型球轴承（12）可以在圆弧导轨（14）的两圆弧沟槽（3）之间的沟槽端面（4）上滚动，限制圆弧导轨（14）的轴向位移。

3.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述的左夹持机构和右夹持机构通过螺栓固定在一起。

4.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述圆弧滑块（14）两端的一侧设置有限位柱（19）。

5.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述圆弧导轨（14）的端面设置有弧形霍尔定位系统，作为角度传感器，测量反馈圆弧导轨（14）的内外旋转动角度。

6.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述圆弧导轨（14）的两端固定有肘关节安装法兰（20）。

7.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述左夹持机构的滑动夹板（9）的一侧设置有前臂内外旋动力箱（29），前臂内外旋动力箱（29）内设置有电机，电机输出轴连接同步带轮（8），前臂内外旋动力箱（29）顶部设置有动力箱壳（28）。

8.根据权利要求7所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述的左夹持机构的滑动夹板（9）上设置有滑动基板（21），动力箱壳（28）内的上部设置有用于滑动基板（21）滑动的滑槽，滑动基板（21）置于滑槽内，动力箱壳（28）上设置有用于锁紧滑动基板（21）的锁紧旋钮（22），动力箱壳（28）的顶部设置有三维力传感器（24），三维力传感器（24）的顶部设置前臂托板（23）。

9.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述滑块夹板（9）上设置有螺纹孔，螺纹孔连通固定孔，螺纹孔内螺纹连接有锁紧螺栓（11）用于紧固微型轴。

10.根据权利要求5所述的一种上肢外骨骼前臂内外旋圆弧导轨机构，其特征在于：所述的滑块夹板（9）的下部设置有弧形沟槽（18），防止圆弧导轨（14）的端面上安装的弧形霍尔定位系统与滑块夹板（9）内侧干涉。