CN110421551B - 一种具有肌张力表现的仿生前臂机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有肌张力表现的仿生前臂机构，包括驱动模块、传动模块及用于固定驱动模块与传动模块的固定模块，所述固定模块包括大臂壳体、前臂壳体及手部壳体；所述驱动模块包括分别设置于大臂壳体及前臂壳体内的第一驱动模块及第二驱动模块，所述第一驱动模块及第二驱动模块均包括集成电机及支撑轴，所述集成电机输出端固定设置有绳滚轮，所述绳滚轮一侧设置有支撑轴；所述绳滚轮与传动绳一端紧固，传动绳另一端经缠绕绳滚轮及支撑轴后延长至支撑轴外。本发明能够满足康复医学对于机器人肌张力效果表现的要求，同时通过调节电机输出的不同力矩大小，可以直接满足康复需求的肌张力效果。

Description

一种具有肌张力表现的仿生前臂机构
技术领域
本发明涉及一种仿生领域，具体是一种具有肌张力表现的仿生前臂机构。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，仿生机械手臂是近年来的热点研究方向。目前的仿生人体手臂主要以模拟人体肌肉的操作能力。其目前已可以实现类似真实人体手臂的自由度配置以及活动范围。然而，对于处于病患中的人体，如痉挛，偏瘫等情况，其肌张力表现的模拟却鲜有关注。区别于能够实现人体行动能力的肌肉力量，肌张力是一种持续性或间断性肌肉收缩引起的异常运动及姿势的运动障碍。人体仿生手臂的肌张力的模拟是近年来康复医学对于机器人仿生技术的迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有仿生人体手臂主要以模拟人体的肌肉操作能力，而缺少对于人体处于病态情况，如痉挛或偏瘫中肌张力的模拟。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种具有肌张力表现的仿生前臂机构，包括驱动模块、传动模块及用于固定驱动模块与传动模块的固定模块，所述固定模块包括大臂壳体、前臂壳体及手部壳体；
所述驱动模块包括分别设置于大臂壳体及前臂壳体内的第一驱动模块及第二驱动模块，所述第一驱动模块及第二驱动模块均包括集成电机及支撑轴，所述集成电机输出端固定设置有绳滚轮，所述绳滚轮一侧设置有支撑轴；所述绳滚轮与传动绳一端紧固，传动绳另一端经缠绕绳滚轮及支撑轴后延长至支撑轴外；
所述传动模块包括大臂壳体与前臂壳体之间的第一传动模块及前臂壳体与手部壳体之间的第二传动模块，所述第一传动模块及第二传动模块均包括绳索支撑板及滑轮，第一驱动模块的传动绳穿过绳索支撑板、绕过滑轮并固定于前臂壳体上，所述第二传动模块的传动绳穿过绳索支撑板、绕过滑轮并固定于手部壳体上。
作为本发明进一步的方案：所述大臂壳体及前臂壳体通过肘部旋转轴连接。
作为本发明再进一步的方案：所述大臂壳体包括可拆卸连接的大臂下壳体及大臂上壳体，所述前臂壳体包括可拆卸连接的前臂下壳体及前臂上壳体，所述大臂下壳体通过肘部旋转轴与前臂下壳体连接。
作为本发明再进一步的方案：所述前臂壳体通过腕关节旋转轴与手部壳体连接。
作为本发明再进一步的方案：所述腕部旋转轴通过轴承安装于腕部关节内嵌环两侧，并通过法兰与手部壳体紧固。
作为本发明再进一步的方案：所述腕关节内嵌环通过轴肩轴承与前臂下壳体及前臂上壳体连接。
作为本发明再进一步的方案：所述集成电机通过电机固定板固定安装于大臂壳体及前臂壳体内。
作为本发明再进一步的方案：所述电机固定板靠近绳滚轮一侧设置有电机盖板，所述支撑轴固定于电机盖板上。
作为本发明再进一步的方案：所述手部壳体上还设置有手臂盖板壳体。
作为本发明再进一步的方案：所述大臂壳体及手部壳体内设置有角度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用与真实人体相同自由度配置及角度情况的机构以满足仿生前臂在操作时与人体运动一致；通过对第一驱动模块及第一传动模块模拟人体肱二头肌的肌张力表现，通过第二驱动模块及第二传动模块模拟人体掌长肌的肌张力表现，能够满足康复医学对于机器人肌张力效果表现的要求，同时通过调节电机输出的不同力矩大小，可以直接满足康复需求的肌张力效果。
附图说明
图1为实施例一中仿生前臂机构的剖视示意图；
图2为实施例一中驱动模块的结构示意图；
图3为实施例一中仿生前臂机构的结构示意图；
图4为实施例一中腕关节内嵌环的结构示意图。
图中：1-集成电机、2-电机固定板、3-电机盖板、4-支撑轴、5-传动绳、6-绳滚轮、7-轴肩轴承、8-肘部旋转轴、9-绳索支撑板、10-滑轮、11-腕关节内嵌环、12-腕关节旋转轴、13-轴肩轴承、14-角度传感器、15-大臂下壳体、16-大臂上壳体、17-前臂下壳体、18-前臂上壳体、19-手部壳体、20-手部盖板壳体。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，一种具有肌张力表现的仿生前臂机构，包括驱动模块、传动模块及用于固定驱动模块与传动模块的固定模块，所述固定模块包括大臂壳体、前臂壳体及手部壳体；
所述驱动模块包括分别设置于大臂壳体及前臂壳体内的第一驱动模块及第二驱动模块，所述第一驱动模块及第二驱动模块均包括集成电机1及支撑轴4，所述集成电机1输出端固定设置有绳滚轮6，所述绳滚轮6一侧设置有支撑轴4；所述绳滚轮6与传动绳5一端紧固，传动绳5另一端经缠绕绳滚轮6及支撑轴4后延长至支撑轴4外；
所述传动模块包括大臂壳体与前臂壳体之间的第一传动模块及前臂壳体与手部壳体之间的第二传动模块，所述第一传动模块及第二传动模块均包括绳索支撑板9及滑轮10，所述绳索支撑板9及滑轮10分别对应固定于前臂壳体与手部壳体内，第一驱动模块的传动绳5穿过绳索支撑板9、绕过滑轮10并固定于前臂壳体上，所述第二传动模块的传动绳5穿过绳索支撑板9、绕过滑轮10并固定于手部壳体上。
本发明的工作原理是：传统的减速器形式目前则受限于其尺寸，距离人体所需的肌张力情况相差较多。区别于传统通过减速器对电机力矩进行放大，本发明通过传动绳5及支撑轴4构成的绳索放大机构，能够模拟出真实人体所需的肌张力大小。绳索放大机构两端拉力具有以下关系，即
F1＝F2eμθ，θ＝2πn
其中，F1为支撑轴4上缠绕传动绳5主动力端拉力；F2为支撑轴4上缠绕传动绳5从动力端拉力；μ为传动绳5与支撑轴4的摩擦系数；θ为传动绳5缠绕支撑轴4的角度；n为传动绳5缠绕支撑轴4的圈数；本实施例中所述的驱动模块中支撑轴4的传动绳5缠绕圈数常取n≤3，绳滚轮6的缠绕圈数只与其行程有关及预留长度有关。
即在需要实现肌张力模拟情况时，主动端F1为人体操作仿生肩关节传动至支撑轴4端的拉力，而从动端F2为集成电机1输出的拉力大小。
因此本发明能够采用绳索放大机构对电机输出力矩进行合理放大，在传动绳5缠绕支撑轴4的角度θ不变的情况下，通过更改支撑轴4的缠绕圈数及传动绳5与支撑轴4的摩擦系数(通过不同的材料可以对其进行改变)，可以实现不同程度的放大比例，以实现人体所需肌张力大小的要求。
因此本发明能够利用与真实人体相同自由度配置及角度情况的机构以满足仿生前臂在操作时与人体运动一致，同时通过对第一驱动模块及第一传动模块模拟人体肱二头肌的肌张力表现，通过第二驱动模块及第二传动模块模拟人体掌长肌的肌张力表现，结合于康复医学需求，提供了一种新型的具有肌张力表现的仿生手臂机构，该种机构从人体解剖学、人体仿生学及人体运动学的角度进行设计，能够满足康复医学对于机器人肌张力效果表现的要求。
优选的，所述大臂壳体包括可拆卸连接的大臂下壳体15及大臂上壳体16，所述前臂壳体包括可拆卸连接的前臂下壳体17及前臂上壳体18，所述大臂下壳体15通过肘部旋转轴8与前臂下壳体17连接。
优选的，所述前臂壳体通过腕关节旋转轴12与手部壳体连接。
优选的，所述腕部旋转轴12通过轴承安装于腕部关节内嵌环11两侧，并通过法兰与手部壳体紧固，此时所述第二传动模块的传动绳5穿过绳索支撑板9、绕过滑轮10及腕关节内嵌环11并固定于手部壳体上。
优选的，所述集成电机1通过电机固定板2固定安装于大臂壳体及前臂壳体内。
优选的，所述电机固定板2靠近绳滚轮5一侧设置有电机盖板3，所述支撑轴4固定于电机盖板3上。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，包括驱动模块、传动模块及用于固定驱动模块与传动模块的固定模块，所述固定模块包括大臂壳体、前臂壳体及手部壳体；
所述驱动模块包括分别设置于大臂壳体及前臂壳体内的第一驱动模块及第二驱动模块，所述第一驱动模块及第二驱动模块均包括集成电机及支撑轴，所述集成电机输出端固定设置有绳滚轮，所述绳滚轮一侧设置有支撑轴；所述绳滚轮与传动绳一端紧固，传动绳另一端经缠绕绳滚轮及支撑轴后延长至支撑轴外；
通过传动绳及支撑轴构成的绳索放大机构，能够模拟出真实人体所需的肌张力大小，所述绳索放大机构两端的拉力具有以下关系：
F 1 =F 2 e μθ ，θ=2πn
其中，F 1 为支撑轴上缠绕的传动绳的主动力端拉力；F 2 为支撑轴上缠绕的传动绳的从动力端拉力；μ为传动绳与支撑轴的摩擦系数；θ为传动绳绕过支撑轴的角度；n为传动绳缠绕支撑轴的圈数；
采用绳索放大机构对集成电机输出力矩进行合理放大，在传动绳缠绕支撑轴的角度θ不变的情况下，通过更改支撑轴的缠绕圈数及传动绳与支撑轴的摩擦系数μ，可以实现不同程度的放大比例，以实现人体所需肌张力大小的要求；
所述传动模块包括大臂壳体与前臂壳体之间的第一传动模块及前臂壳体与手部壳体之间的第二传动模块，所述第一传动模块及第二传动模块均包括绳索支撑板及滑轮，第一驱动模块的传动绳穿过绳索支撑板、绕过滑轮并固定于前臂壳体上，所述第二传动模块的传动绳穿过绳索支撑板、绕过滑轮并固定于手部壳体上。
2.根据权利要求1所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述大臂壳体及前臂壳体通过肘部旋转轴连接。
3.根据权利要求2所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述大臂壳体包括可拆卸连接的大臂下壳体及大臂上壳体，所述前臂壳体包括可拆卸连接的前臂下壳体及前臂上壳体，所述大臂下壳体通过肘部旋转轴与前臂下壳体连接。
4.根据权利要求3所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述前臂壳体通过腕关节旋转轴与手部壳体连接。
5.根据权利要求4所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述腕关节旋转轴通过轴承安装于腕部关节内嵌环两侧，并通过法兰与手部壳体紧固。
6.根据权利要求5所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述腕关节内嵌环通过轴肩轴承与前臂下壳体及前臂上壳体连接。
7.根据权利要求1所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述集成电机通过电机固定板固定安装于大臂壳体及前臂壳体内。
8.根据权利要求7所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述电机固定板靠近绳滚轮一侧设置有电机盖板，所述支撑轴固定于电机盖板上。
9.根据权利要求1所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述手部壳体上还设置有手臂盖板壳体。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的具有肌张力表现的仿生前臂机构，其特征在于，所述大臂壳体及手部壳体内设置有角度传感器。
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