CN113181006A - 一种重力平衡仿生上肢康复机器人 - Google Patents

一种重力平衡仿生上肢康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重力平衡仿生上肢康复机器人，该装置包括安装支架，上臂组件，前臂组件，手部组件，弹簧装置。所述安装支架主要由底座，固定基座，升降架和旋转臂组成；所述上臂组件包括：上臂和肩部驱动电机；所述前臂组件包括：前臂，肘部驱动电机，弹性移动型单元和前臂固定环；所述手部组件包括：手柄和腕部驱动电机；所述弹簧装置包括：弹簧，转向装置和绳。前臂经弹性移动型单元连接仿生人体上肢前臂生物形态，提高人机交互运动时适应性与协同性。弹簧装置可实现该装置重力平衡，减轻该装置重力对人体上肢康复运动影响，降低驱动成本，保证安全性。

Description

一种重力平衡仿生上肢康复机器人
技术领域:
本发明涉及康复医疗器械领域，具体涉及一种重力平衡仿生上肢康复机器人。
技术背景:
中国人口基数庞大，脑卒中和外伤造成的偏瘫患者数量众多，目前，理疗康复是最有效的治疗方法，但康复过程需要理疗师手动辅助患者实现康复动作，这对理疗师的劳动强度要求太高，因此，康复机器人成为康复理疗领域的首选。通过康复机器人的助力作用，可以在一定程度上辅助或者替代医生开展持续有效的康复训练，对于恢复患者肢体运动功能具有重要作用。上肢康复机器人是一种可以穿戴，以人为主，机器为辅的人机一体化机械装置，具有复杂的人机结合技术，适应性、舒适性和安全性是人机交互系统中最重要因素。因此，通过分析上肢运动特点，根据上肢生物形态，从仿生学角度设计上肢康复机器人结构，使上肢康复机器人具有良好的适应性、舒适性和安全性。此外，由于上肢康复机器人自重较大，关节电机大部分能量消耗于克服上肢康复机器人自身重力，控制难度较大，上肢康复机器人动态性能较差。因此，重力平衡装置可以使整个系统维持静态全部或者部分平衡，系统以很小的驱动运行，极大程度上降低了驱动成本并保证了安全性。
基于上述背景，迫切需要一种重力平衡仿生上肢康复机器人，以实现仿生上肢康复机器人自身重力平衡。
发明内容:
本发明的目的是为了设计更贴合人体上肢生物形态的仿生上肢康复机器人，并减轻了上肢康复机器人自身重力对人体上肢康复运动的影响，降低了驱动成本，保证了安全性。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现：
一种重力平衡仿生上肢康复机器人，包括：安装支架，上臂组件，前臂组件，手部组件，一级弹簧装置，二级弹簧装置。
所述安装支架主要由底座，固定基座，升降架和旋转臂组成。所述固定基座安装在底座上，所述升降架连接固定基座，所述旋转臂连接升降架。
所述上臂组件包括：上臂和肩部驱动电机。所述上臂与旋转臂之间由肩部屈/伸关节相连，所述肩部驱动电机安装在肩关节的转动轴线上。
所述前臂组件包括：一级前臂，二级前臂，肘部驱动电机，一级弹性移动型单元，二级弹性移动型单元，一级前臂固定环和二级前臂固定环，所述一级前臂与上臂之间由肘部屈/伸关节相连，所述肘部驱动电机安装在肘关节的转动轴线上，所述二级前臂由一级弹性移动型单元及二级弹性移动型单元并联连接一级前臂，所述一级前臂固定环安装在一级弹性移动型单元上，所述二级前臂固定环安装在二级弹性移动型单元上。
所述手部组件包括：手柄和腕部驱动电机。所述手柄与二级前臂之间由腕部屈/伸关节相连，所述腕部驱动电机安装在腕关节的转动轴线上。
优选的是，所述一级弹簧装置包括：一级弹簧，一级转向装置一，一级转向装置二和一级绳，所述一级弹簧安装在固定基座上端，所述一级转向装置一及一级转向装置二固定在旋转臂上方，所述一级绳一端固定在一级弹簧上，一端通过一级转向装置一及一级转向装置二固定在一级前臂上。
优选的是，所述二级弹簧装置包括：二级弹簧，二级转向装置和二级绳，所述二级弹簧安装在二级弹性移动型单元下方，所述二级转向装置固定在一级前臂上端，所述二级绳一端固定在二级弹簧上，一端通过二级转向装置固定在上臂上端。
本发明与现有技术相比的有益效果是：1.前臂的仿生结构更贴合人体上肢的生物形态，提高了人机交互运动时的适应性与协同性；2.利用升降架可调节位置高度变化，实现人体站姿与坐姿的康复训练，同时满足不同身高人体的舒适度需求；3.利用弹簧的弹性势能改变重力势能变化，可以实现仿生上肢康复机器人的重力平衡；4.基于刚度矩阵确定弹簧安装位置和劲度系数，避免使用平行四边形结构，进而简化了重力平衡仿生上肢康复机器人装置；5.弹簧装置采用压簧，绳和动滑轮的组合方式实现零初长弹簧，与传统单一拉簧相比具有占用体积小的优势。
附图说明:
图1是一种重力平衡仿生上肢康复机器人的结构示意图；
图2是机器人安装支架的结构示意图；
图3是上臂组件的结构示意图；
图4是前臂组件的结构示意图；
图5是手部组件的结构示意图；
图6是一级弹簧装置的连接示意图；
图7是二级弹簧装置的连接示意图；
图8是一级弹簧装置，二级弹簧装置的弹簧安装位置分布原理图；
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明提供了一种重力平衡仿生上肢康复机器人，主要包括：安装支架1，上臂组件2，前臂组件3，手部组件4，一级弹簧装置5，二级弹簧装置6，接下来将逐一介绍以上提到的各机构连接方式。
首先介绍安装支架1的具体结构，如图2所示，其主要由底座101，固定基座102，升降架103和旋转臂104组成，固定基座102安装在底座101上，升降架103安装在固定基座102上，旋转臂104安装在升降架103上。
接下来介绍上臂组件2，如图3所示，其包括肩部驱动电机201和上臂202，上臂202与旋转臂104之间由肩部屈/伸关节相连，肩部驱动电机201安装在肩关节的转动轴线上。
接下来介绍前臂组件3和手部组件4，如图4和图5所示，其包括肘部驱动电机301，一级前臂302，二级前臂303，一级弹性移动型单元304，二级弹性移动型单元305，一级前臂固定环306，二级前臂固定环307,腕部驱动电机401和手柄402，一级前臂302穿过一级弹性移动型单元304和二级弹性移动型单元305同侧孔内，一级前臂302上端与上臂202之间由肘部屈/伸关节相连，肘部驱动电机301安装在肘关节的转动轴线上，二级前臂303穿过一级弹性移动型单元304和二级弹性移动型单元305另一侧孔内，二级前臂303下端与手柄402之间由腕部屈/伸关节相连，腕部驱动电机401安装在腕关节的转动轴线上，一级前臂固定环306安装在一级弹性移动型单元304靠近二级前臂303一侧，二级前臂固定环307安装在二级弹性移动型单元305靠近二级前臂303一侧。
一级弹簧装置5的安装方式如图6所示，其包括一级弹簧501，一级转向装置一5021，一级转向装置二5022和一级绳503，一级弹簧501固定在固定基座102上，一级转向装置一5021和一级转向装置二5022安装在旋转臂104上方，一级绳503一端连接一级弹簧501，另一端通过一级转向装置一5021和一级转向装置二5022与一级前臂302连接。
二级弹簧装置6的安装方式如图7所示，其包括二级弹簧601，二级转向装置602和二级绳603，二级弹簧601固定在二级弹性移动型单元305上，二级转向装置602安装在一级前臂302上端，二级绳603一端连接二级弹簧601，另一端通过二级转向装置602与上臂202上端连接。
图8说明该装置重力平衡原理：
由于仿生上肢康复机器人手部组件较轻，本发明仅对上臂和前臂进行重力平衡，如图8所示，重力平衡仿生上肢康复机器人一级转向装置二与肩关节之间的单位矢量为P0，距离为h0，上臂上的单位矢量为P1，长度为l1，质量为m1，质心距肩关节的距离为s1，前臂上的单位矢量P2，长度为l2，质量为m2，质心距肘关节的距离为s2，一级弹簧装置在前臂上的连接点和肘关节之间的距离为b1，二级弹簧装置在前臂上的连接点和肘关节之间的距离为b2，上臂与前臂总质心为M，肩关节与总质心之间的单位矢量为c，重力加速度为g，单位矢量为g；
总质心M的势能表示为
(m1+m2)c＝m1(s1P1)+m2(l1P1+s2P2)
变化后为
c＝c1P1+c2P2
c1＝(m1s1+m2l1)/(m1+m2)
c2＝m2s2/(m1+m2)
势能U与基于刚度矩阵的势能K之间关系为
U＝Kij(Pi TPj)
总重力势能为
Figure BDA0003098192750000041
基于刚度矩阵的重力势能表示为
Figure BDA0003098192750000042
一级弹簧装置的一级弹簧劲度系数为k1，弹性势能表示为
Figure BDA0003098192750000043
基于刚度矩阵的一级弹簧装置弹性势能表示为
Figure BDA0003098192750000051
二级弹簧装置的二级弹簧劲度系数为k2，弹性势能表示为
Figure BDA0003098192750000052
基于刚度矩阵的二级弹簧装置弹性势能表示为
Figure BDA0003098192750000055
基于刚度矩阵的重力势能与弹性势能平衡，将基于刚度矩阵的重力势能与基于刚度矩阵的一级弹簧装置弹性势能及基于刚度矩阵的二级弹簧装置弹性势能求和，让非对角分量矩阵为零，化简后得
Figure BDA0003098192750000053
Figure BDA0003098192750000054
k1l1b1-k2l1b2＝0
在上述平衡条件中假设l1，m1，m2，s1，s2具体数值，根据上式可以求出b1，假设h0具体数值，根据b1，h0可以求出k1，根据b1，k1可以求出b2，k2的比例关系。
上文所列出的一系列详细说明仅针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所做的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种重力平衡仿生上肢康复机器人，其特征在于，包括：安装支架，上臂组件，前臂组件，手部组件，一级弹簧装置，二级弹簧装置；
所述安装支架主要由底座，固定基座，升降架和旋转臂组成；所述固定基座安装在底座上，所述升降架连接固定基座，所述旋转臂连接升降架；
所述上臂组件包括：上臂和肩部驱动电机；所述上臂与旋转臂之间由肩部屈/伸关节相连，所述肩部驱动电机安装在肩关节的转动轴线上；
所述前臂组件包括：一级前臂，二级前臂，肘部驱动电机，一级弹性移动型单元，二级弹性移动型单元，一级前臂固定环和二级前臂固定环。所述一级前臂与上臂之间由肘部屈/伸关节相连，所述肘部驱动电机安装在肘关节的转动轴线上，所述二级前臂由一级弹性移动型单元及二级弹性移动型单元并联连接一级前臂，所述一级前臂固定环安装在一级弹性移动型单元上，所述二级前臂固定环安装在二级弹性移动型单元上；
所述手部组件包括：手柄和腕部驱动电机；所述手柄与二级前臂之间由腕部屈/伸关节相连，所述腕部驱动电机安装在腕关节的转动轴线上。
2.根据权利要求1所述的一种重力平衡仿生上肢康复机器人，其特征在于，所述一级弹簧装置包括：一级弹簧，一级转向装置一，一级转向装置二和一级绳；所述一级弹簧安装在固定基座上端，所述一级转向装置一及一级转向装置二固定在旋转臂上方，所述一级绳一端固定在一级弹簧上，一端通过一级转向装置一和一级转向装置二固定在一级前臂上。
3.根据权利要求1或2所述的一种重力平衡仿生上肢康复机器人，其特征在于，所述二级弹簧装置包括：二级弹簧，二级转向装置和二级绳；所述二级弹簧安装在二级弹性移动型单元下方，所述二级转向装置固定一级前臂上端，所述二级绳一端固定在二级弹簧上，一端通过二级转向装置固定在上臂上端。
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