CN110497393A - 一种上肢外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种上肢外骨骼机器人，包括大臂杆(2)、小臂杆(1)、与大臂杆(2)可滑动连接的主动块(51)，以及与小臂杆(1)铰接的连杆(8)。连杆(8)的远离小臂杆(1)的一端连接有调节块(6)，调节块(6)开设有螺旋延伸的第一通孔，主动块(51)上设置有螺旋弹簧(52)，螺旋弹簧(52)从第一通孔中穿过以与调节块(6)形成螺旋副连接。本发明提供的上肢外骨骼机器人采用的柔性关节是刚度可调的，因而能够针对性地产生适合当前环境的运动辅助。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别是涉及一种上肢外骨骼机器人。
背景技术
随着我国人口老龄化的加剧，脑中风、偏瘫等严重威胁中老年人身体健康的疾病的发病率也呈现逐年上升的趋势，这些疾病可引发肢体运动功能的部分丧失。另外，创伤、运动损伤、职业损伤等可造成肢体运动功能的衰退。
肢体运动功能的部分丧失及衰退，尤其是上肢运动功能的部分丧失及衰退，极大地影响了患者的日常生活能力。为此，通常采用上肢外骨骼机器人安全、有效、方便地辅助患者实现上肢的基本生活自理能力。
随着技术的发展，上肢外骨骼机器人逐渐开始采用柔性关节，这有助于更真实地模拟上肢的运动情况，从而改善穿戴者的使用体验。目前，实现柔性关节的方式主要是在关节位置简单地增加一个弹性元件作为连接件，但由于该弹性元件的刚度是不变的，而上肢运动在不同的环境下又对关节刚度有不同的需求，例如患者在不同的康复训练阶段，需要不同的运动速度和幅度，所以现有的上肢外骨骼机器人难以有针对性地产生适合当前环境的运动辅助，因此，如何改进上肢外骨骼机器人，以便能够针对性地产生适合当前环境的运动辅助，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种上肢外骨骼机器人，该上肢外骨骼机器人的柔性关节是刚度可调的，因而能够针对性地产生适合当前环境的运动辅助。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种上肢外骨骼机器人，包括相互铰接的大臂杆和小臂杆，还包括：
与所述大臂杆可滑动连接的主动块，所述主动块上设置有螺旋弹簧；
与所述小臂杆铰接的连杆，所述连杆的远离所述小臂杆的一端连接有调节块，所述调节块开设有螺旋延伸的第一通孔，所述螺旋弹簧从所述第一通孔中穿过以与所述调节块形成螺旋副连接。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述主动块上设置有加强杆，所述调节块开设有直线延伸的第二通孔，所述加强杆从所述第二通孔中穿过以与所述调节块可滑动连接，且所述螺旋弹簧套在所述加强杆上。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述螺旋弹簧的两端与所述加强杆固定连接，所述加强杆的两端与所述主动块以枢轴形式连接。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，还包括与所述主动块固定连接的第一电机，所述第一电机的输出轴与所述加强杆的一端连接，以驱动所述加强杆相对所述主动块转动。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，还包括与所述大臂杆固定连接的第二电机，所述第二电机用于驱动所述主动块相对所述大臂杆滑动。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述第二电机为直线电机。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述大臂杆和所述小臂杆的数量均为两个，所述上肢外骨骼机器人还包括用于支撑在人体背部的背板，所述大臂杆的远离所述小臂杆的一端与所述背板铰接。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述背板包括本体和位于所述本体两侧的调节板，所述大臂杆与所述调节板铰接，所述调节板在所述本体的位置可调，以调整两个所述大臂杆之间的距离。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述小臂杆的末端设置有供人手握持的把手。
可选地，在上述上肢外骨骼机器人中，所述把手上设置有力传感器。
根据上述技术方案可知，本发明提供的上肢外骨骼机器人中，主动块与大臂杆可滑动连接，连杆与小臂杆铰接，连杆的远离小臂杆的一端与调节块连接，调节块开设有螺旋延伸的第一通孔，而螺旋弹簧从第一通孔中穿过，与调节块形成螺旋副连接。使用时，主动块驱动连杆运动，连杆再带动小臂杆运动，从而实现小臂杆与大臂杆之间的相对转动，由于主动块和连杆之间的传动部分设置有螺旋弹簧，所以肘关节采用的是一种柔性关节，同时，由于螺旋弹簧与调节块之间为螺旋副连接关系，调节块在螺旋弹簧上的位置是可调的。使用时，通过改变调节块在螺旋弹簧上的位置，可以改变螺旋弹簧的位于调节块两侧的部分的刚度，进而改变柔性关节整体的刚度，由此可见，本发明提供的上肢外骨骼机器人采用的柔性关节是刚度可调的，因而能够针对性地产生适合当前环境的运动辅助。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种上肢外骨骼机器人的正面立体示意图；
图2是图1所示上肢外骨骼机器人的背面立体示意图；
图3是图1所示上肢外骨骼机器人的正视图；
图4是图1所示上肢外骨骼机器人采用的柔性关节的结构示意图；
图5是图1所示上肢外骨骼机器人采用的柔性关节的原理示意图。
图中标记为：
1、小臂杆；11、把手；2、大臂杆；3、驱动组件；41、本体；42、调节板；51、主动块；52、螺旋弹簧；53、加强杆；6、调节块；7、第一电机；8、连杆；91、第二电机；92、传动杆。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参见图1～图3，图1是本发明实施例提供的一种上肢外骨骼机器人的正面立体示意图，图2是图1所示上肢外骨骼机器人的背面立体示意图，图3是图1所示上肢外骨骼机器人的正视图。
本发明实施例提供的上肢外骨骼机器人包括小臂杆1、大臂杆2、主动块51和连杆8，其中，小臂杆1和大臂杆2相互铰接，主动块51与大臂杆2可滑动连接，连杆8与小臂杆1铰接，而且，连杆8的远离小臂杆1的一端连接有调节块6，主动块51上设置有螺旋弹簧52，调节块6开设有螺旋延伸的第一通孔，螺旋弹簧52从第一通孔中穿过以与调节块6形成螺旋副连接。
第一通孔是螺旋延伸的，能够容纳螺旋弹簧52的某一段，由于螺旋弹簧52与调节块6之间为螺旋副连接，所以两者可以通过相对转动来改变调节块6在螺旋弹簧52的位置，类似于丝杠螺母中的螺母与丝杠通过相对转动来改变螺母在丝杠上的位置。
假设螺旋弹簧52的两端固定不动，由于第一通孔是螺旋延伸的，所以如果将调节块6直接沿螺旋弹簧52的轴线移动的话，螺旋弹簧52的位于调节块6两侧的部分将分别被拉伸和压缩。
如图1所示，小臂杆1和大臂杆2的相对运动是通过主动块51驱动连杆8，再带动小臂杆1来实现的。具体而言，主动块51相对大臂杆2滑动之后，螺旋弹簧52随主动块51一起移动，并带动调节块6移动，由于连杆8的远离小臂杆1的一端连接于调节块6，所以调节块6带动连杆8运动，连杆8对小臂杆1施加力矩，使小臂杆1相对大臂杆2转动。
由于主动块51和连杆8之间设置了螺旋弹簧52，所以该上肢外骨骼机器人的肘关节采用的是一种柔性关节，本实施例中，该柔性关节的结构及原理如图4和图5所示，由于调节块6在螺旋弹簧52上的位置是可调的(通过两者的相对转动)，而弹簧刚度的大小与弹簧自身长度有关，所以通过改变调节块6在螺旋弹簧52上的位置，可以改变螺旋弹簧52的位于调节块6两侧的部分的刚度，通过分析可知，如果将螺旋弹簧52被调节块6划分的两部分看作是两个弹簧，那么螺旋弹簧52和调节块6构成的整体相当于是这两个弹簧串联后形成的，当这两个弹簧的刚度发生变化时，整体的刚度也会发生变化，由此可见，本实施例中的柔性关节是刚度可调的，因而能够针对性地产生适合当前环境的运动辅助。
为了使调节块6能够很好地随螺旋弹簧52沿螺旋弹簧52的轴线移动，本实施例在主动块51上设置有加强杆53，并将调节块6开设有直线延伸的第二通孔，加强杆53从第二通孔中穿过以与调节块6可滑动连接，且螺旋弹簧52套在加强杆53上。具体地，直线延伸的第二通孔可以开设在螺旋延伸的第一通孔的轴线位置。如图4所示，由于加强杆53的限制作用，调节块6不会向螺旋弹簧52的轴线以外的方向移动。
具体实际应用中，可以将螺旋弹簧52和调节块6中的任意一者作为改变柔性关节刚度的操作件，本实施例中，选择螺旋弹簧52作为操作件，具体地，螺旋弹簧52的两端与加强杆53固定连接，加强杆53的两端与主动块51以枢轴形式连接，当需要改变柔性关节的刚度时，通过转动加强杆53可以使螺旋弹簧52旋转，进而改变调节块6在螺旋弹簧52上的位置。
为了能够实现自动调节，本实施例中，还设置有与主动块51固定连接的第一电机7，如图4和图5所示，第一电机7的输出轴与加强杆53的一端连接，以驱动加强杆53相对主动块51转动。
在其他的实施例中，也可以选择调节块6作为操作件，例如，将螺旋弹簧52的两端与主动块51固定连接，并将调节块6设计为可以相互转动的两部分，其中一部分与连杆8连接，另一部分与螺旋弹簧52连接，当需要改变柔性关节的刚度时，转动调节块6的与螺旋弹簧52连接的那部分即可。
为了使主动块51相对大臂杆2滑动，本实施例中，还设置有与大臂杆2固定连接的第二电机91，如图4和图5所示，第二电机91通过传动杆92与主动块51连接。
具体实际应用中，第二电机91可以采用多种方式来驱动主动块51，例如，第二电机91可以为直线电机，此时传动杆92与主动块51固定连接，或者，第二电机91可以为旋转电机，此时传动杆92与主动块51以丝杠螺母形式连接，即传动杆92设计为螺杆，主动块51与传动杆92螺纹连接。
由图1可见，本实施例中，大臂杆2和小臂杆1的数量均为两个，上肢外骨骼机器人还包括用于支撑在人体背部的背板，大臂杆2的远离小臂杆1的一端与背板铰接。不难理解，本实施例的上肢外骨骼机器人是对应于使用者的两个手臂的，当然，在其他的实施例中，上肢外骨骼机器人也可以仅对应左臂或者右臂而设计，此时大臂杆2和小臂杆1的数量均为一个，而且可以省去背板。
为了适应不同使用者的身材尺寸，本实施例中，背板包括本体41和位于本体41两侧的调节板42，大臂杆2与调节板42铰接，调节板42在本体41的位置可调，以调整两个大臂杆2之间的距离。如图1所示，大臂杆2与调节板42的连接处设置有驱动组件3，用于驱动大臂杆2相对调节板42转动。
具体实际应用中，小臂杆1的末端一般设置有供人手握持的把手11。为了与使用者实现交互，可以在把手11上设置力传感器。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种上肢外骨骼机器人，包括相互铰接的大臂杆(2)和小臂杆(1)，其特征在于，还包括：
与所述大臂杆(2)可滑动连接的主动块(51)，所述主动块(51)上设置有螺旋弹簧(52)；
与所述小臂杆(1)铰接的连杆(8)，所述连杆(8)的远离所述小臂杆(1)的一端连接有调节块(6)，所述调节块(6)开设有螺旋延伸的第一通孔，所述螺旋弹簧(52)从所述第一通孔中穿过以与所述调节块(6)形成螺旋副连接。
2.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述主动块(51)上设置有加强杆(53)，所述调节块(6)开设有直线延伸的第二通孔，所述加强杆(53)从所述第二通孔中穿过以与所述调节块(6)可滑动连接，且所述螺旋弹簧(52)套在所述加强杆(53)上。
3.根据权利要求2所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述螺旋弹簧(52)的两端与所述加强杆(53)固定连接，所述加强杆(53)的两端与所述主动块(51)以枢轴形式连接。
4.根据权利要求3所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，还包括与所述主动块(51)固定连接的第一电机(7)，所述第一电机(7)的输出轴与所述加强杆(53)的一端连接，以驱动所述加强杆(53)相对所述主动块(51)转动。
5.根据权利要求4所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，还包括与所述大臂杆(2)固定连接的第二电机(91)，所述第二电机(91)用于驱动所述主动块(51)相对所述大臂杆(2)滑动。
6.根据权利要求5所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述第二电机(91)为直线电机。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大臂杆(2)和所述小臂杆(1)的数量均为两个，所述上肢外骨骼机器人还包括用于支撑在人体背部的背板，所述大臂杆(2)的远离所述小臂杆(1)的一端与所述背板铰接。
8.根据权利要求7所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述背板包括本体(41)和位于所述本体(41)两侧的调节板(42)，所述大臂杆(2)与所述调节板(42)铰接，所述调节板(42)在所述本体(41)的位置可调，以调整两个所述大臂杆(2)之间的距离。
9.根据权利要求8所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小臂杆(1)的末端设置有供人手握持的把手(11)。
10.根据权利要求9所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述把手(11)上设置有力传感器。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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