CN113425550A - 一种基于超声电机的康复机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声电机的康复机械臂，包括前臂夹持部、上臂夹持部、前伸抓杆、两个超声电机、两个薄壁轴承、两个驱动锥齿轮、以及行星锥齿轮，利用差动原理，通过行星锥齿轮和两个驱动锥齿轮实现了机械臂两个自由度的运动控制。此外，本发明利用超声电机自锁等特点并结合人体运动特点,实现了机械设计与人因工程相结合，将整个机械臂的结构优化到最简，大大减轻机械臂重量，能够减少电机断电后无法保持手臂位置等情况，提高了安全性。

Description

一种基于超声电机的康复机械臂

技术领域

本发明涉及超声电机装置和脑机控制系统以及差速齿轮传动装置，尤其涉及一种基于超声电机的康复机械臂。

背景技术

医疗康复机械臂方面，随老龄化人口的比例不断提高。脑卒中是老年人的高发病症，脑卒中引起偏瘫将极大的影响患者的日常生活。通过上肢康复机器人的系统科学的训练，偏瘫患者的肢体活动范围、肌肉力量、灵活性等都能有所恢复，提高日常生活能力。

目前，应用的康复机器人大多笨重、复杂且造价昂贵，只有医院才会配备。在机械臂性能方面国内外研究方向主要是机械臂精确运动控制和舒适安全的设计和使用要求，然后根据康复师的要求通过电机控制机械臂带动手臂反复运动来实现手臂的康复训练,这种训练缺乏对患者大脑与手臂协同能力的恢复，且对于不同患者的评估根据康复师的经验或者量表，存在较大误差。患者在康复过程中，只能根据设定好的的康复动作进行训练，不能根据自己的实际意图训练，束缚了患者的运动积极性。

超声电机方面，当今一些前沿领域，如航空航天，精密仪器等，对所使用的电机有尺寸微小，噪声低，无电磁干扰等，受制于工作原理和结构形式，传统电磁电机已经无法完全满足这些要求。因超声电机控制精准，工作稳定等特点,近几年在宇宙飞船、运载火箭、核弹头等航空航天工程及精密仪器控制领域中都陆续应用了超声电机。

目前，超声电机的运用较为局限，一般使用于高端控制领域，民用领域较少；因此，利用超声电机断电自锁、直驱、功重比大等特点设计一款性价比高、针对性强的民用型超声电机设备将十分有前景。

脑机接口方面，(Brain Computer interface,BCI)是一种直接将大脑与外界设备相连的通讯方式，通过大脑产生的脑电信号实现人对外部设备的控制。

目前，监测大脑活动的方法较为普遍的是EEG，在利用BCI技术研究的手臂康复系统中，已经可以实现对机械手的灵活控制，机械手在人运动意念控制下可以完成较为精确的运动。此外，基于头戴式陀螺仪感受头部姿态运动产生的重力加速度，从而控制某些机械的方式也大量应用在体感游戏等产品上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中上肢康复机器人重量大、结构复杂、无法意念直接操控、成本高等缺陷，提供一种基于超声电机的康复机械臂。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于超声电机的康复机械臂，包括前臂夹持部、上臂夹持部、前伸抓杆、第一至第二超声电机、第一至第二薄壁轴承、第一至第二驱动锥齿轮、以及行星锥齿轮；

所述前臂夹持部呈U形，包含第一侧板、第二侧板和底板，其中，所述底板两端分别和第一侧板、第二侧板垂直固连；底板中心设有用于安装所述行星锥齿轮的第一安装孔；第一侧板上设有和所述第一薄壁轴承内圈相配合的第二安装孔；第二侧板上设有和所述第二薄壁轴承内圈相配合的第三安装孔；所述第二安装孔、第三安装孔同轴；

所述上臂夹持部包含第一至第二夹板、第一至第二连接板、第一至第二驱动板、以及若干绑环；

所述第一夹板、第二夹板平行设置；所述绑环呈半环形，采用硬质弹性材料制成，均一端和所述第一夹板固连、另一端和所述第二夹板固连，用于将第一夹板、第二夹板约束在上臂上；

所述第一驱动板、第二驱动板平行设置在所述第一侧板、第二侧板外侧，其中，第一驱动板的一端对应于所述第二安装孔设有第四安装孔，另一端通过所述第一连接板和所述第一夹板的一端固连；第二夹板的一端对应于所述第三安装孔设有第五安装孔，另一端通过所述第二连接板和所述第二夹板的一端固连；

所述第一薄壁轴承设置在所述第一驱动板和第一夹板之间，其内圈通过所述第二安装孔和第一夹板固连，外圈通过所述第四安装孔和第一驱动板固连；所述第二薄壁轴承设置在所述第二驱动板和第二夹板之间，其内圈通过所述第三安装孔和第二夹板固连，外圈通过所述第五安装孔和第二驱动板固连；

所述行星锥齿轮采用圆环形锥齿轮，设置在所述上臂夹持部内，通过所述第一安装孔和所述底板固连；行星锥齿轮的通孔用于供前臂穿过并约束前臂；

所述第一超声电机固定在所述第一驱动板上，其输出轴依次穿过第四安装孔、第二安装孔后和所述第一驱动锥齿轮同轴固连；所述第二超声电机固定在所述第二驱动板上，其输出轴依次穿过第五安装孔、第三安装孔后和所述第二驱动锥齿轮同轴固连；

所述第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮均和所述行星锥齿轮啮合；

所述前伸抓杆一端和所述底板垂直固连，用于供手部穿过前臂夹持部后抓住。

作为本发明一种基于超声电机的康复机械臂进一步的优化方案，所述行星锥齿轮的齿数为28、模数为5、分锥角约为60°、齿宽为21.5mm、通孔半径为47.7mm；第一驱动锥齿轮和第二驱动锥齿轮的齿数为16、模数5、分锥角30°、齿宽21.5mm。

作为本发明一种基于超声电机的康复机械臂进一步的优化方案，所述行星锥齿轮、第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮均由树脂材料3D打印制成。

作为本发明一种基于超声电机的康复机械臂进一步的优化方案，所述第一驱动板远离第一连接板的一端、第二驱动板远离第二连接板的一端、第一侧板远离底板的一端、第二侧板远离底板的一端均做圆角处理。

作为本发明一种基于超声电机的康复机械臂进一步的优化方案，所述绑环的个数为2个。

本发明还可以引入脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)设备，可以通过脑电波信号直接控制第一、第二超声电机，即患者不用语言、动作就可控制第一、第二超声电机转转动。根据脑电波采集原理，将手臂运动意图的脑电信号经过输入、信号预处理、特征提取、模式分类，将处理后的信号输出到电机控制系统，根据大脑运动意图完成脑电信号对第一、第二超声电机转速、转向的控制。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明利用差动原理，仅需要两个超声电机，三个齿轮就可实现机械臂的两个自由度运动控制。且利用拓扑优化方法，在满足使用和功能实现的要求下，将整个机械臂的结构优化到最简，大大减轻机械臂重量，使可以直接穿戴在患者的手臂上，不必局限在某个地方。

2.本发明设计引入超声电机作为机械臂动力源，其低速大转矩特性，可以保证齿轮传动机构无需安装减速机构，大大减轻结构复杂度和重量；同时，利用超声电机转子惯性小，响应快，且断电自锁，可以减少电机断电后无法保持手臂位置等情况，提高了安全性；利用其位置和速度控制性好，位移分辨率高的特性，计划将电机和两侧边齿轮设计为一体化。此时，齿轮差速运转中低转速、高精度的要求就能够被满足。

3.利用脑机接口技术，将人的脑信号转换为电信号，让人脑对康复机械臂的实时控制，实现生物智能与人工智能的结合，大大提高患者的运动积极性。

4.建立手臂康复训练模型库，让机械臂进行深度学习，可根据患者已有指标进行康复训练方案规划。让康复机械臂根据康复者的血栓程度、肌张力、痉挛发生次数、踝阵挛持续时间等指标关联规划康复训练过程，通过定量训练，让康复机械臂与脑电信号协同自动调整、优化患者康复训练。

5.本发明康复过程可根据自己的意图进行训练的调整，而不像传统的康复机械臂，患者只能根据设定好的的康复动作进行训练，枯燥乏味且恢复效率低且充分考虑人手臂结构，提高舒适性。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明中行星锥齿轮、第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿相配合的结构示意图；

图3为本发明康复臂的脑电信号对设备控制原理图。

图中，1-第一侧板，2-第二侧板，3-底板，4-第一夹板，5-第一连接板，6-第一驱动板，7-第二夹板，8-第二连接板，9-第二驱动板，10-绑环，11-第一驱动锥齿轮，12-行星锥齿轮，13-第二超声电机，14-前伸抓杆，15-第二驱动锥齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

进行手臂外骨骼机器人的设计需综合分析人类上肢的生理结构，并根据分析情况设计比较贴合人体手臂运动规律的机械臂结构。医学中，一般将人体手臂的运动划分为肘部以及腕部两个部分。总体分析可知，针对手臂机械臂，肘关节的完整运动需要考虑一个自由度，腕部的完整运动需要考虑三个自由度，共计4个自由度。具体各个自由度的运动范围如下：肘关节屈/伸：0°~140°，前臂内旋/外旋：100°~270°，腕关节屈/伸：-70°~90°，腕关节外展/内收：-117°~55°；腕关节屈伸、展收幅度较小，在外骨骼设计中暂不考虑。

考虑到人体肘关节的运动特性，肘关节屈/伸与前臂旋内/旋外模块驱动方式为差速机构。肘关节屈/伸自由度由两个主动轮驱动，前臂旋内/旋外自由度由一个从动行星轮驱动，从动轮随两个主动轮运动。这样的机构将使得上肢外骨骼的前臂与肘关节一起旋转。

如图1所示，本发明公开了一种基于超声电机的康复机械臂，包括前臂夹持部、上臂夹持部、前伸抓杆、第一至第二超声电机、第一至第二薄壁轴承、第一至第二驱动锥齿轮、以及行星锥齿轮；

所述前臂夹持部呈U形，包含第一侧板、第二侧板和底板，其中，所述底板两端分别和第一侧板、第二侧板垂直固连；底板中心设有用于安装所述行星锥齿轮的第一安装孔；第一侧板上设有和所述第一薄壁轴承内圈相配合的第二安装孔；第二侧板上设有和所述第二薄壁轴承内圈相配合的第三安装孔；所述第二安装孔、第三安装孔同轴；

所述上臂夹持部包含第一至第二夹板、第一至第二连接板、第一至第二驱动板、以及若干绑环；

所述第一夹板、第二夹板平行设置；所述绑环呈半环形，采用硬质弹性材料制成，均一端和所述第一夹板固连、另一端和所述第二夹板固连，用于将第一夹板、第二夹板约束在上臂上；

所述第一驱动板、第二驱动板平行设置在所述第一侧板、第二侧板外侧，其中，第一驱动板的一端对应于所述第二安装孔设有第四安装孔，另一端通过所述第一连接板和所述第一夹板的一端固连；第二夹板的一端对应于所述第三安装孔设有第五安装孔，另一端通过所述第二连接板和所述第二夹板的一端固连；

所述第一薄壁轴承设置在所述第一驱动板和第一夹板之间，其内圈通过所述第二安装孔和第一夹板固连，外圈通过所述第四安装孔和第一驱动板固连；所述第二薄壁轴承设置在所述第二驱动板和第二夹板之间，其内圈通过所述第三安装孔和第二夹板固连，外圈通过所述第五安装孔和第二驱动板固连；

所述行星锥齿轮采用圆环形锥齿轮，设置在所述上臂夹持部内，通过所述第一安装孔和所述底板固连；行星锥齿轮的通孔用于供前臂穿过并约束前臂；

所述第一超声电机固定在所述第一驱动板上，其输出轴依次穿过第四安装孔、第二安装孔后和所述第一驱动锥齿轮同轴固连；所述第二超声电机固定在所述第二驱动板上，其输出轴依次穿过第五安装孔、第三安装孔后和所述第二驱动锥齿轮同轴固连；

所述第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮均和所述行星锥齿轮啮合，如图2所示；

所述前伸抓杆一端和所述底板垂直固连，用于供手部穿过前臂夹持部后抓住。

所述行星锥齿轮的齿数为28、模数为5、分锥角约为60°、齿宽为21.5mm、通孔半径为47.7mm；第一驱动锥齿轮和第二驱动锥齿轮的齿数为16、模数5、分锥角30°、齿宽21.5mm。

所述行星锥齿轮、第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮均优先采用树脂材料3D打印制成；绑环的个数优先采用2个。

所述第一驱动板远离第一连接板的一端、第二驱动板远离第二连接板的一端、第一侧板远离底板的一端、第二侧板远离底板的一端均做圆角处理。

第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮与行星锥齿轮同速同向运动时，行星锥齿轮上下摆动（屈伸肘关节动作）；第一、第二驱动锥齿轮同速反向运动时，行星锥齿轮绕手臂方向内旋或外旋（扭转手腕动作）；第一、二驱动锥齿轮差速转动时行星锥齿轮既摆动又转动。

如图2所示，第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮与行星锥齿轮的半径分别以R _ea 、R _eb 、R _ec 表示，三者的角速度分别以ω _ea 、ω _eb 、ω _ec 表示，行星锥齿轮与第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮的相对角速度分别以ω _aec 、ω _bec 表示，根据角速度组成定理，可以得到以下方程：ω _ec =ω _aec +ω _ea =ω _bec +ω _eb ；通过将矢量方程式投影到x轴和y轴，可以得到基于上式的ω _xec 、ω _yec 可表达为如下等式：

ω _xec =(ω _ea +ω _eb )/2

ω _yec =R _ea (ω _ea -ω _eb ) /2R _ec

本发明还可以引入脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)设备，可以通过脑电波信号直接控制第一、第二超声电机，即患者不用语言、动作就可控制第一、第二超声电机转转动。根据脑电波采集原理，将手臂运动意图的脑电信号经过输入、信号预处理、特征提取、模式分类，将处理后的信号输出到电机控制系统，根据大脑运动意图完成脑电信号对第一、第二超声电机转速、转向的控制。

如图3所示，脑电信号输入采集设备经过放大、滤波、模数转换后转换成计算可以识别的信号；之后进行脑电信号处理，处理过程包括：预处理，特征提取，模式识别；最后将分类后脑电信号输出到机械臂电机，控制第一、第二超声电机以差速或同速转动使机械臂外骨骼能够根据康复者大脑脑电信号带动手臂执行康复训练。

除引入脑机接口外，脑电波信号也可由头戴陀螺仪感应信号代替，头部动作直接控制外部设备。当头部低头动作，第一、第二超声电机同速同向转动，前伸抓杆带动肘关节放下；抬头动作，第一、第二超声电机同速同向转动，前伸抓杆带动肘关节抬起；左摆头动作，第一超声电机转动、第二超声电机停止，前伸抓杆带动手腕左扭；右摆头动作，第二超声电机转动、第一超声电机停止，前伸抓杆带动手腕右扭。

这种方式以感受头部转头和点头动作加速度从而控制电机转速，转向的方法更能简单，直接驱动机械臂，也考虑到了患者四肢不能运动、遥控的情况。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超声电机的康复机械臂，其特征在于，包括前臂夹持部、上臂夹持部、前伸抓杆、第一至第二超声电机、第一至第二薄壁轴承、第一至第二驱动锥齿轮、以及行星锥齿轮；

所述前臂夹持部呈U形，包含第一侧板、第二侧板和底板，其中，所述底板两端分别和第一侧板、第二侧板垂直固连；底板中心设有用于安装所述行星锥齿轮的第一安装孔；第一侧板上设有和所述第一薄壁轴承内圈相配合的第二安装孔；第二侧板上设有和所述第二薄壁轴承内圈相配合的第三安装孔；所述第二安装孔、第三安装孔同轴；

所述上臂夹持部包含第一至第二夹板、第一至第二连接板、第一至第二驱动板、以及若干绑环；

所述第一夹板、第二夹板平行设置；所述绑环呈半环形，采用硬质弹性材料制成，均一端和所述第一夹板固连、另一端和所述第二夹板固连，用于将第一夹板、第二夹板约束在上臂上；

所述第一驱动板、第二驱动板平行设置在所述第一侧板、第二侧板外侧，其中，第一驱动板的一端对应于所述第二安装孔设有第四安装孔，另一端通过所述第一连接板和所述第一夹板的一端固连；第二夹板的一端对应于所述第三安装孔设有第五安装孔，另一端通过所述第二连接板和所述第二夹板的一端固连；

所述第一薄壁轴承设置在所述第一驱动板和第一夹板之间，其内圈通过所述第二安装孔和第一夹板固连，外圈通过所述第四安装孔和第一驱动板固连；所述第二薄壁轴承设置在所述第二驱动板和第二夹板之间，其内圈通过所述第三安装孔和第二夹板固连，外圈通过所述第五安装孔和第二驱动板固连；

所述行星锥齿轮采用圆环形锥齿轮，设置在所述上臂夹持部内，通过所述第一安装孔和所述底板固连；行星锥齿轮的通孔用于供前臂穿过并约束前臂；

所述第一超声电机固定在所述第一驱动板上，其输出轴依次穿过第四安装孔、第二安装孔后和所述第一驱动锥齿轮同轴固连；所述第二超声电机固定在所述第二驱动板上，其输出轴依次穿过第五安装孔、第三安装孔后和所述第二驱动锥齿轮同轴固连；

所述第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮均和所述行星锥齿轮啮合；

所述前伸抓杆一端和所述底板垂直固连，用于供手部穿过前臂夹持部后抓住。

2.根据权利要求1所述的基于超声电机的康复机械臂，其特征在于，所述行星锥齿轮的齿数为28、模数为5、分锥角约为60°、齿宽为21.5mm、通孔半径为47.7mm；第一驱动锥齿轮和第二驱动锥齿轮的齿数为16、模数5、分锥角30°、齿宽21.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于超声电机的康复机械臂，其特征在于，所述行星锥齿轮、第一驱动锥齿轮、第二驱动锥齿轮均由树脂材料3D打印制成。

4.根据权利要求1所述的基于超声电机的康复机械臂，其特征在于，所述第一驱动板远离第一连接板的一端、第二驱动板远离第二连接板的一端、第一侧板远离底板的一端、第二侧板远离底板的一端均做圆角处理。

5.根据权利要求1所述的基于超声电机的康复机械臂，其特征在于，所述绑环的个数为2个。

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