CN110974602A - 一种上肢外骨骼运动关节保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其技术特点是：外侧固定板、内侧固定板、上端固定板和后侧固定板安装在一起，在外侧固定板及上端固定板内侧安装有定滑轮；臂板安装在外侧固定板和内侧固定板之间，该臂板外侧设有用于连接电机的减速器连接孔，在臂板内侧安装有臂板滑轮，牵引绳一端与臂板滑轮连接，该钢丝绳经定滑轮并与弹簧的一端连接，该弹簧另一端连接到拉力传感器上，该拉力传感器安装在传感器固定板上，该传感器固定板固装在内侧固定板内侧。本发明将臂板旋转与拉力传感器通过弹簧及前引用钢丝绳连接在一起，通过拉力传感器的变化判断电机工作状态,进而停止康复训练，同时，弹簧拉力可防止关节连接处零件由于疲劳损坏。

Description

一种上肢外骨骼运动关节保护装置
技术领域
本发明属于康复医疗设备技术领域，尤其是一种上肢外骨骼运动关节保护装置。
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，其集成了传感、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地进行病患上肢的康复训练，节省人力成本。
目前，处于试验阶段的上肢外骨骼机械臂通常只关注康复运动的轨迹的实现，基本上实现了外骨骼对人类肢体的仿生运动，但是很少关注上肢外骨骼机械臂在运动过程中出现故障时，如何避免对患者患肢造成伤害。
患者使用外骨骼进行康复训练属于人机交互范畴，在康复训练初期，主要训练方式为被动训练，即机器带动患者患肢运动，在运动过程中进行运动的关节及连杆处，尤其在关节进行向下旋转运动时，如果电机发生故障，电机制动力不足，并且患者无法主动控制患肢运动，会造成患者关节及肌肉的损伤，对患者的患肢康复影响重大。因此，在智能康复时代，必须要求外骨骼在满足患者进行康复训练的同时，注意对患者患肢进行保护，确保即使设备发生故障，不会对患者的身体造成伤害。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种上肢外骨骼运动关节保护装置，解决了在使用外骨骼机器人对患者的有效保护问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种上肢外骨骼运动关节保护装置，包括外侧固定板、内侧固定板、上端固定板、后侧固定板、传感器固定板、臂板、拉力传感器、弹簧和牵引绳；外侧固定板、内侧固定板、上端固定板和后侧固定板安装在一起，在外侧固定板及上端固定板内侧安装有定滑轮；所述臂板安装在外侧固定板和内侧固定板之间，该臂板外侧设有用于连接电机的减速器连接孔，在臂板内侧安装有臂板滑轮，所述牵引绳一端与臂板滑轮连接，该钢丝绳经定滑轮并与弹簧的一端连接，该弹簧另一端连接到拉力传感器上，该拉力传感器安装在传感器固定板上，该传感器固定板固装在内侧固定板内侧。
进一步，所述拉力传感器与传感器固定板的连接关系为：拉力传感器两端设有螺纹通孔，拉力传感器的一端通过外六角螺母与第二双头螺柱的一端连接，第二双头螺柱的另一端与具有螺纹孔的导向杆及吊环螺母安装在一起，该吊环螺母另一端与弹簧相连接；拉力传感器另一端通过外六角螺母与第一双头螺柱的一端紧固在一起；所述传感器固定弧板左侧设有阶梯孔并与传感器下部固定套配合，在传感器下部固定套外侧放置圆垫圈，外部安装侧面带孔圆螺母并与第一双头螺柱螺纹连接；在传感器下部固定套右侧设有用于周向固定拉力传感器的矩形凹槽，传感器固定板两侧用于将导向杆两端放入的矩形通孔。
进一步，所述外侧固定板与上端固定板以及内侧固定板与上端固定板之间还安装有加强板。
进一步，所述定滑轮为多组并分别通过滑轮安装座安装在外侧固定板及上端固定板上。
进一步，所述臂板滑轮通过滑轮心轴与螺母固定在臂板内侧，并且在螺母内侧设有垫片。
进一步，所述传感器固定板为传感器固定弧板；所述上端固定板为上端固定圆弧板。
进一步，所述臂板滑轮采用10mm滑轮。
进一步，所述牵引绳采用钢丝绳。
本发明的优点和积极效果是：
本发明将臂板旋转与拉力传感器通过弹簧及前引用钢丝绳连接在一起，当臂板做旋转运动时，滑轮牵引钢丝绳，使弹簧长度发生变化，进而使拉力传感器输出值变化并传输给与本发明相连接的上肢外骨骼机械臂；上肢外骨骼机械臂在进行被动训练时，通过实时对比臂板位姿状态拉力理论参数值与测量参数值，判断电机工作状态；若拉力传感器输出值超过设定阈值过多即判断为电机工作异常，停止康复训练。在进行主动训练时，弹簧可为患者患肢提供一定牵引力，减小患者训练难度。在外骨骼机器人处于停机状态时，弹簧拉力为关节承担一部分扭矩，防止关节连接处零件由于疲劳损坏。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的整体结构爆炸图；
图3为本发明的拉力传感器安装结构爆炸图；
图中：1-第一双头螺柱，2-侧面带孔圆螺母，3-圆垫圈，4-传感器下部固定套，5-传感器固定弧板，6-臂板，7-滑轮心轴，8-外侧固定板，9-定滑轮，10-滑轮安装座，11-加强板，12-上端滑轮座固定螺钉，13-上端滑轮座，14-上端固定圆弧板，15-弹簧，16-内侧固定板，17-滑轮固定螺栓，18-后侧固定板，19-吊环螺母，20-螺钉，21-导向杆，22-第二双头螺柱，23-拉力传感器，24-外六角螺母M8，25-钢丝绳，26-外六角螺母M10，27-臂板滑轮。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种上肢外骨骼运动关节保护装置，如图1至图3所示，包括外侧固定板8、内侧固定板16、上端固定圆弧板14、后侧固定板18、传感器固定弧板5、拉力传感器23、弹簧15、钢丝绳25。
在外侧固定板8内侧安装两组滑轮安装座10，在每个滑轮安装座10上均通过螺栓17安装有定滑轮9。在上部固定圆弧板14上通过上端滑轮座固定螺钉12安装有上部滑轮座13，在上部滑轮座13内侧安装有与定滑轮9成垂直方向的定滑轮。上端固定圆弧板14与外侧固定板8、内侧固定板16和后侧固定板18安装在一起。在外侧固定板8与上端固定圆弧板14及内侧固定板16与上端固定圆弧板14之间还通过螺钉安装有加强板11，防止上部固定圆弧板14因受力过大发生大幅度变形。
所述臂板6作为下一关节连杆，是以外侧固定板8上电机孔中心为旋转中心的连杆，该臂板6设置在外侧固定板8和内侧固定板16之间，臂板6末端具有减速器连接孔，该减速器连接孔与外侧固定板8上的电机孔共圆心。所述臂板滑轮27采用10mm滑轮，其通过滑轮心轴7与外六角螺母26固定在臂板6一侧，在外六角螺母26内侧设有垫片。所述钢丝绳25一端与臂板滑轮27连接，钢丝绳25经定滑轮并与弹簧15的一端连接，弹簧15另一端通过吊环螺母19连接到拉力传感器23上。在设备运行时，臂板6绕减速器连接孔中心做旋转运动，与此同时，固定在臂板6上的臂板滑轮27拉动钢丝绳25，引起弹簧15产生变形，弹簧15发生变形引起拉力传感器23输出数值的改变。
所述传感器固定弧板5通过螺钉20固定在内侧固定板16内侧；所述拉力传感器23通过外六角螺母M8固定在传感器固定弧板5上。所述拉力传感器23两端都具有螺纹通孔，拉力传感器23的一端通过外六角螺母24与第二双头螺柱22的一端连接，第二双头螺柱22的另一端与具有螺纹孔的导向杆21及吊环螺母19安装在一起；拉力传感器23另一端通过外六角螺母24与第一双头螺柱1的一端紧固在一起。所述传感器固定弧板5左侧具有阶梯孔并与传感器下部固定套4配合，在传感器下部固定套4外侧放置圆垫圈3，外部安装侧面带孔圆螺母2并与第一双头螺柱1螺纹连接。传感器下部固定套4右侧具有矩形凹槽，用于周向固定拉力传感器，使其不会在传感器固定弧板内发生旋转，安装时将拉力传感器23一端放入凹槽内，可以防止拉力传感器23在传感器固定弧板5内发生旋转。传感器固定弧板5两侧具有矩形通孔，可将导向杆21两端放入，当装置弹簧15拉动吊环螺母19使拉力传感器23发生变形时，导向杆21在开孔内只能做上下滑动。
本发明的工作过程：将本发明安装在上肢外骨骼机器人上作为肩垂直运动关节使用。在用于被动运动康复过程时，臂板6绕其旋转中心做旋转运动，在臂板6上的10mm滑轮27拉动钢丝绳25，引起弹簧15长度产生变化。弹簧15长度的改变导致拉力传感器23输出的数值发生改变并传送给计算机内，计算机内具有臂板6旋转任意角度时弹簧15两端应具有的拉力的数值，设定一个阈值，通过实时对比拉力传感器23输出拉力值与理论下臂板位于该姿态时弹簧15两端应有的拉力值，若传感器23输出拉力值超出该阈值，则说明此时电机工作异常，电机的制动力可能不足，计算机发出警告并通过程序中止训练过程，避免由于设备损坏对患者患肢造成损伤；在装置处于关闭状态时，外骨骼机器人在重力的作用下，会在臂板6的旋转中心处产生较大扭矩，关节连接处零件会因疲劳产生损坏，因此通过滑轮该装置为连接处零件承担一部分扭矩，延长机器使用寿命；在进行主动运动康复训练时，患者的患肢不能承受较大的负担，因此在电机不驱动的情况下，弹簧的预紧力帮助患者可以用较小的力带动该关节进行运动。
本发明未述及之处适用于现有技术。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：包括外侧固定板、内侧固定板、上端固定板、后侧固定板、传感器固定板、臂板、拉力传感器、弹簧和牵引绳；外侧固定板、内侧固定板、上端固定板和后侧固定板安装在一起，在外侧固定板及上端固定板内侧安装有定滑轮；所述臂板安装在外侧固定板和内侧固定板之间，该臂板外侧设有用于连接电机的减速器连接孔，在臂板内侧安装有臂板滑轮，所述牵引绳一端与臂板滑轮连接，该钢丝绳经定滑轮并与弹簧的一端连接，该弹簧另一端连接到拉力传感器上，该拉力传感器安装在传感器固定板上，该传感器固定板固装在内侧固定板内侧。
2.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述拉力传感器与传感器固定板的连接关系为：拉力传感器两端设有螺纹通孔，拉力传感器的一端通过外六角螺母与第二双头螺柱的一端连接，第二双头螺柱的另一端与具有螺纹孔的导向杆及吊环螺母安装在一起，该吊环螺母另一端与弹簧相连接；拉力传感器另一端通过外六角螺母与第一双头螺柱的一端紧固在一起；所述传感器固定弧板左侧设有阶梯孔并与传感器下部固定套配合，在传感器下部固定套外侧放置圆垫圈，外部安装侧面带孔圆螺母并与第一双头螺柱螺纹连接；在传感器下部固定套右侧设有用于周向固定拉力传感器的矩形凹槽，传感器固定板两侧用于将导向杆两端放入的矩形通孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述外侧固定板与上端固定板以及内侧固定板与上端固定板之间还安装有加强板。
4.根据权利要求1或2所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述定滑轮为多组并分别通过滑轮安装座安装在外侧固定板及上端固定板上。
5.根据权利要求1或2所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述臂板滑轮通过滑轮心轴与螺母固定在臂板内侧，并且在螺母内侧设有垫片。
6.根据权利要求1或2所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述传感器固定板为传感器固定弧板；所述上端固定板为上端固定圆弧板。
7.根据权利要求1或2所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述臂板滑轮采用10mm滑轮。
8.根据权利要求1或2所述的一种上肢外骨骼运动关节保护装置，其特征在于：所述牵引绳采用钢丝绳。
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