CN114452161A - 一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，包括基础、滑动平台、上臂重力平衡组件、前臂重力平衡组件、上臂护具和前臂护具。所述滑动平台可相对基础滑动；上臂重力平衡组件上端与滑动平台固定连接，下端与上臂护具固定连接，上臂护具与上臂固定连接；前臂重力平衡组件上端与滑动平台固定连接，下端与前臂护具滑动连接，前臂护具与上臂固定连接。与现有技术相比，本发明中上肢外骨骼不需要人机关节对齐，利用弹簧及附属机构被动地实现了人机系统的完全重力平衡，同时将较重的部分设置在基础附近，从而实现良好的穿戴顺应性。
Description
技术领域
本发明涉及于助力外骨骼领域，尤其是涉及一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构。
背景技术
在重力作用下，人体上肢的盂肱关节(肩关节)和肘关节需要提供力矩来平衡重力矩，当上肢水平前伸时，上肢重力在这两个关节处的重力矩将分别达到最大值。对于偏瘫患者，由于神经损失导致上肢虚弱，无法提供足够的力矩来抵抗重力矩实现上肢的运动。为帮助患者进行上肢康复训练，重力平衡技术被用于实现上肢的重力平衡。但是，目前提出的上肢重力平衡外骨骼都基于人机关节完全对齐这一假设，使得人机系统具备较差的顺应性，当人机关节不能完全对齐时，人机系统组成的闭环运动链是过约束的，这导致在人机接口处产生很大的过约束力，对患者产生伤害。
CN104873360A提出一种基于弹簧和平行四边形的重力平衡机构并用于上肢平衡。它在基础上安装电机，并通过套索传递动力至被驱动关节处，这么布局的好处是降低了外骨骼末端的惯量，且外骨骼本身被重力平衡，电机只需提供较小的驱动力。该外骨骼的设计基于人机关节完美对齐的假设，即人的解剖关节轴线和外骨骼的机械关节轴线精确对齐，否则，人机闭链将会过约束，在人机关节连接处产生不必要的内力。然而，实际中的人机关节对齐是很困难的。
CN105640739A提出一种用于上肢空间重力平衡的康复外骨骼，该机构利用零自由长度弹簧机构和平行四边形机构实现了重力平衡。为使外骨骼适应上肢前臂的运动，外骨骼内部还包含一个双平行四边形机构实现了远端旋转中心的功能。注意到零自由长度弹簧机构包含绳索，且在实现重力平衡时，绳索内部会受到一个很大的拉力，如果被平衡的上臂频繁改变位形(这在康复训练中很常见)，弹簧还会不断地伸长和缩短，即绳索的拉力很大且是变化的，这限制了绳索的寿命和机构的耐用性。另外，该机构可以实现平面意义下的完全重力平衡，但是发明中没有证明该机构的空间重力平衡性能。另外，该技术方案也基于人机关节完全对齐的假设。
CN110787024A提出一种用于肩关节重力平衡的外骨骼，该设计注意到了盂肱关节在上肢运动时的滑移问题，并设计对应的被动运动链解决盂肱关节的浮动问题。该装置也使用了平行四边形机构和零自由长度弹簧，但是重力平衡机构布置在不合适的位置，重力平衡效果受到限制，实际上，该外骨骼并不能提供反力矩以抵抗上臂前屈/后伸旋转关节处的重力力矩，即，该自由度并没有被重力平衡。
CN108814890A提出了一个串联机械臂的重力平衡机构，其利用零自由长度弹簧机构和同步带机构实现了平面重力平衡。该装置采用模块化设计的方法，不同的杆件都被同样的重力平衡单元所平衡。该重力平衡串联机构本质上仍是平面重力平衡机构，它的空间运动特性源之于第一个关节的轴线与重力方向平行，而该方向无需重力平衡。由于这个设计也采用了零自由长度弹簧机构，和上述方案类似，在工作中绳索受到反复变化的荷载，使得它的使用寿命受到限制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，在人机关节未对齐时也可正常工作，不会产生不必要的过约束力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的是保护一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，包括基础、滑动平台、上臂重力平衡组件、前臂重力平衡组件、上臂护具和前臂护具；
所述基础能够与外部结构固连，使得基础保持固定；
所述滑动平台与所述基础滑动连接并能相对基础进行滑动位移；
所述上臂重力平衡组件的上端与所述滑动平台固定连接，所述上臂重力平衡组件的下端与上臂护具固定连接，所述上臂护具能够固定于上臂上；
所述前臂重力平衡组件的上端与滑动平台固定连接，所述前臂重力平衡组件的下端与前臂护具滑动连接，所述前臂护具与上臂固定连接；
前臂重力平衡组件和上臂重力平衡组件分别包括前臂反重力矩发生器和上臂反重力矩发生器，前臂反重力矩发生器和上臂反重力矩发生器均根据内部齿轮的转动角度来驱动弹簧压缩以提供反重力矩，以此实现前臂和上臂的重力平衡。
进一步地，所述的前臂反重力矩发生器包括第一发生器基础、T形滑块、第一弹簧、第二滑块和第一弹簧；
所述第一发生器基础包括凸台，所述凸台上设有凸台导轨；
所述T形滑块包括第一滑块和第一导轨，所述第一导轨垂直固定在第一滑块上，所述第一滑块与凸台导轨滑动连接，所述第二滑块滑动设于所述第一导轨上；
所述第一弹簧套设在第一导轨上，并使得第一弹簧置于所述第一滑块和第二滑块之间。
进一步地，所述前臂反重力矩发生器还包括第一大齿轮、第一曲柄、第一齿轮盖、第一小齿轮、第一固定杆组和第一带轮；
所述第一曲柄上的第一曲柄第一轴与第二滑块旋转连接，所述第一曲柄上的第一曲柄第二轴与第一发生器基础上的第一轴孔旋转连接；
所述第一大齿轮与第一曲柄第二轴固定连接，所述第一曲柄和第一大齿轮分设于第一发生器基础两侧；
所述第一曲柄第二轴还与所述第一齿轮盖旋转连接，所述第一齿轮盖与所述第一发生器基础固定连接；
所述第一大齿轮节圆半径为所述第一小齿轮节圆半径的两倍。
进一步地，所述上臂反重力矩发生器包括第二发生器基础、T形滑块、第二弹簧、第二齿轮盖、第二小齿轮、第二大齿轮、第七带轮、第一轴；
所述第一小齿轮与所述第一带轮通过所述第一固定杆组固定连接形成一个整体，并旋转安装在所述第一轴上，使得所述第一小齿轮与第一大齿轮相互啮合；
所述第二小齿轮和第七带轮均与所述第一轴固定连接，所述第二齿轮盖的上方和下方均设有轴孔，所述第一轴与第二齿轮盖下方的轴孔旋转连接；
所述第一轴与所述第一发生器基础上的第一发生器基础第二轴孔和所述第二发生器基础上的第二发生器基础第二轴孔旋转连接。
进一步地，所述滑动平台包括滑动板与设于滑动板上的平台滑块；
所述第一发生器基础与第二发生器基础均与滑动板固定连接；
所述基础包括基座和设于基座下表面的基座导轨；
所述平台滑块上设有与基座导轨匹配的滑槽，使得所述平台滑块能够与基座导轨相对滑动。
进一步地，所述前臂重力平衡组件还包括第一同步带、第二带轮、第二固定杆组、第三带轮、第二同步带、第四带轮、第五带轮、第三轴、第三同步带、第六带轮、前臂滑块、第四轴和前臂连杆；
所述第一同步带套设在第一带轮和第二带轮上；
所述第二带轮通过第二固定杆组与第三带轮固定连接，并且旋转安装在所述第四轴上，第二同步带套设在第三带轮和第四带轮上，所述第四带轮和第五带轮都固定安装在第三轴上；
第三轴旋转安装在上臂护具上的上臂护具下方孔上，第三同步带套设在第五带轮和第六带轮上；
所述第六带轮和前臂滑块均与所述第四轴固定连接，所述前臂连杆分别与所述第三轴和第四轴旋转连接，所述前臂滑块滑动安装在前臂护具基座上的护具导轨上。
进一步地，所述上臂护具和前臂连杆之间的旋转关节F、前臂连杆和前臂滑块之间的旋转关节G、以及前臂滑块和前臂之间的滑动关节H一起组成RRP运动链，当外骨骼关节没有和肘关节对齐时，由于RRP运动链的存在，肘关节仍可以转动，此时滑动关节H会运动，而人机关节完全对齐时，滑动关节H保持静止。
进一步地，所述上臂重力平衡组件还包括第四同步带、第八带轮、第二轴、连接座和上臂连杆；
所述第四同步带套设在所述第七带轮和第八带轮上；
所述第八带轮通过第二轴与连接座连接；
所述连接座与上臂护具上端固定连接；
所述上臂连杆分别与第一轴和第二轴旋转连接；
所述基础与第二发生器基础之间的滑动关节C、第二发生器基础和上臂连杆之间的旋转关节D、上臂连杆和上臂护具之间的旋转关节E一起组成PRR运动链，当外骨骼关节没有和盂肱关节对齐时，由于PRR运动链的存在，人机闭链不会过约束，盂肱关节仍可以转动。
进一步地，所述前臂重力平衡组件能够将前臂相对竖直轴的转角传递到前臂反重力矩发生器中，接着前臂反重力矩发生器产生前臂反重力矩τf，然后该力矩通过原链路反向传递至前臂，与前臂本身的重力矩相抵消，实现重力平衡；
其中转角的传递链路依次为前臂、前臂护具、前臂滑块、第四轴、第六带轮、第三同步带、第五带轮、第三轴、第四带轮、第二同步带、第三带轮、第二固定杆组、第二带轮、第一同步带、第一带轮、第一固定杆组，最后到达第一小齿轮；
所述第一小齿轮的转角αf等于上臂与竖直线的夹角，这导致前臂反重力矩发生器内的第一弹簧被压缩，从而产生前臂反重力矩τf。
进一步地，所述上臂重力平衡组件能够将上臂相对竖直轴的转角传递到所述上臂反重力矩发生器中，接着所述上臂反重力矩发生器产生上臂反重力矩τu，然后该力矩通过原链路反向传递至上臂，与上臂本身的重力矩相抵消，实现重力平衡，其中，转角的传递链路依次为上臂、上臂护具、连接座、第二轴、第八带轮、第四同步带、第七带轮、第一轴，最后到达第二小齿轮；
所述第二小齿轮的转角αu等于前臂与竖直线的夹角，以此使得上臂反重力矩发生器内的第二弹簧被压缩，从而产生上臂反重力矩τu，最后该力矩通过原链路反向传递至上臂，实现上臂的重力平衡。
实现人机系统完全重力平衡的第一弹簧的刚度kf和第二弹簧的刚度ku为
其中，g＝-9.8m/s2为重力加速度，mE、mF、mG分别为E点、F点和G点处的集中质量，mu为上臂的质量，mf为前臂的质量，mh为手掌的质量，m5为上臂护具的质量，e1为A点和E点的距离，e2为F点和B点的距离，
为上臂质心到盂肱关节A的距离，lu为上臂的长度，
为上臂护具的质心到点E的距离，
为前臂质心到肘关节B的距离，lG为G点到肘关节B的距离，lf为前臂的长度。上式即为实现完全重力平衡的弹簧刚度设计公式。
所述外骨骼的重力平衡原理为：
1)前臂重力平衡组件把前臂相对竖直轴的转角传递到前臂反重力矩发生器中，接着前臂反重力矩发生器产生前臂反重力矩τf，然后该力矩通过原链路反向传递至前臂，与前臂本身的重力矩相抵消，实现重力平衡。具体地，转角的传递链路依次为前臂、前臂护具、前臂滑块、第四轴、第六带轮、第三同步带、第五带轮、第三轴、第四带轮、第二同步带、第三带轮、第二固定杆组、第二带轮、第一同步带、第一带轮、第一固定杆组，最后到达第一小齿轮。前述的机构装配及连接方式可知第一小齿轮的转角αf等于上臂与竖直线的夹角，这导致前臂反重力矩发生器内的弹簧被压缩，从而产生前臂反重力矩τf。
2)类似地，上臂重力平衡组件的目的是把上臂相对竖直轴的转角传递到上臂反重力矩发生器中，接着上臂反重力矩发生器产生上臂反重力矩τu，然后该力矩通过原链路反向传递至上臂，与盂肱关节处的重力矩相抵消，实现重力平衡。具体地，转角的传递链路依次为上臂、上臂护具、连接座、第二轴、第八带轮、第四同步带、第七带轮、第一轴，最后到达第二小齿轮。前述的机构装配及连接方式可知道第二小齿轮的转角αu等于前臂与竖直线的夹角，这导致上臂反重力矩发生器内的弹簧被压缩，从而产生上臂反重力矩τu，最后该力矩通过原链路反向传递至上臂，实现上臂的重力平衡。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本技术方案中整个外骨骼为被动外骨骼，利用弹簧及附属机构实现重力平衡；
2)按照本技术方案中的弹簧刚度设计公式设计第一弹簧的刚度kf和第二弹簧的刚度ku，可以实现上肢的完全重力平衡，使外骨骼表现出静力学顺应性，即，在准静态下，人机系统是静力平衡的，盂肱关节和肘关节不需要提供任何力矩；
3)本技术方案中的上肢外骨骼不需要人机对齐，表现出运动学顺应性，即，无论人机关节是否完全对齐，外骨骼都不会阻碍上肢的运动；
4)本技术方案中的上肢外骨骼将较重的部分(前臂反重力矩发生器和上臂反重力矩发生器)设置在靠近基础处，从而使人机系统末端惯量减小，表现出动力学顺应性，即，在动态运动时，由于人机系统末端的惯量小，故加减速时的惯性力小，使人机系统具备良好的动态性能。
5)上述特点使得本技术方案中上肢外骨骼具备良好的穿戴顺应性。
附图说明
图1为重力平衡上肢外骨骼应用于上肢康复示意图；
图2为上臂反重力矩发生器和前臂反重力矩发生器的装配图；
图3为上臂反重力矩发生器和前臂反重力矩发生器的爆炸图；
图4为重力平衡上肢外骨骼的爆炸图；
图5(a)为人机耦合系统的机构简图；
图5(b)为人机耦合系统的质量分布及几何尺寸；
图6为前臂反重力矩发生器的原理图；
图7为用于验证外骨骼重力平衡效果的上肢运动轨迹；
图8(a)为人机关节对齐时的示意图；
图8(b)为人机关节存在对齐误差的示意图；
图9(a)为人机关节对齐时的仿真示意图；
图9(b)为人机关节存在对齐误差的仿真示意图；
图10(a)为人机关节对齐时的盂肱关节力矩在重力平衡前和重力平衡后的力矩对比；
图10(b)为人机关节对齐时的肘关节力矩在重力平衡前和重力平衡后的力矩对比；
图10(c)为人机关节未对齐时的盂肱关节力矩在重力平衡前和重力平衡后的力矩对比；
图10(d)为人机关节未对齐时的肘关节力矩在重力平衡前和重力平衡后的力矩对比。
图中：1-基础，101-基座；102-基座导轨，2-躯干，3-上臂，4-前臂，5-上臂护具，6-前臂护具，601-前臂护具基座，602-前臂护具导轨，7-滑动平台，701-滑动板，702-平台滑块，8-前臂重力平衡组件，801-前臂反重力矩发生器，8011-第一发生器基础，80111-基础凸台，80112-凸台导轨，80113-第一发生器基础第一轴孔，80114-第一发生器基础第二轴孔，8012-T形滑块，80121-第一滑块，80122-第一导轨，8013-第一弹簧，8014-第二滑块，8015-第一大齿轮，8016-第一曲柄，80161-第一曲柄第一轴，80162-第一曲柄第二轴，8017-第一齿轮盖，8018-第一小齿轮，8019-第一固定杆组，8020-第一带轮，802-第一同步带，803-第二带轮，804-第二固定杆组，805-第三带轮，806-第二同步带，807-第四带轮，808-第五带轮，809-第三轴，810-第三同步带，811-第六带轮，812-前臂滑块，813-第四轴，814-前臂连杆，9-上臂重力平衡组件，901-上臂反重力矩发生器，9011-第二发生器基础，90114-第二发生器基础第二轴孔，9013-第二弹簧，9016-第二曲柄，9017-第二齿轮盖，9018-第二小齿轮，9019-第一轴，9020-第七带轮，902-第四同步带，903-第八带轮，904-第二轴，905-连接座，906-上臂连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
本发明中的具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼，它与上肢的连接方式如图1所示，图中上臂3与躯干2通过盂肱关节旋转连接，前臂4与上臂3通过肘关节旋转连接。所提出的上肢外骨骼为完全被动外骨骼，它包括基础1、滑动平台7、上臂重力平衡组件9、前臂重力平衡组件8、上臂护具5和前臂护具6，基础1与地面固连并保持固定不动，滑动平台7可相对基础1滑动，上臂重力平衡组件9上端与滑动平台7固定连接，下端与上臂护具5固定连接，上臂护具5与上臂3固定连接，前臂重力平衡组件8上端与滑动平台7固定连接，下端与前臂护具6滑动连接，前臂护具6与上臂4固定连接。
前臂重力平衡组件8和上臂重力平衡组件9分别包括前臂反重力矩发生器801和上臂反重力矩发生器901，如图2所示，这两个反重力矩发生器根据它们内部小齿轮的转动角度来驱动弹簧压缩以提供反重力矩，分别用于前臂4和上臂3的重力平衡。前臂反重力矩发生器801的爆炸图如图3所示，前臂反重力矩发生器801包括第一发生器基础8011、T形滑块8012、第一弹簧8013、第二滑块8014、第一大齿轮8015、第一曲柄8016、第一齿轮盖8017、第一小齿轮8018、第一固定杆组8019和第一带轮8020。第一发生器基础8011上有凸台80111，凸台80111上有凸台导轨80112。T形滑块8012包括第一滑块80121和第一导轨80122，第一导轨80122垂直固定在第一滑块80121上，第一滑块80121与凸台导轨80112滑动连接，第二滑块8014滑动安装在第一导轨80122上，弹簧8013套设在第一导轨80122上，并置于第一滑块80121和第二滑块8014之间。第一曲柄8016上的第一曲柄第一轴80161与第二滑块8014旋转连接，第一曲柄第二轴80162与第一发生器基础第一轴孔80113旋转连接，第一大齿轮8015与第一曲柄第二轴80162固定连接，第一发生器基础8011将第一曲柄8016和第一大齿轮8015分隔于左右两侧。第一曲柄第二轴80162还与第一齿轮盖8017旋转连接，第一齿轮盖8017与第一发生器基础8011固定连接。第一小齿轮8018与第一带轮8020通过第一固定杆组8019固定连接形成一个整体，并旋转安装在第一轴9019上，第一小齿轮8018与第一大齿轮8015相互啮合，第一大齿轮8015节圆半径是第一小齿轮8018节圆半径的两倍。上臂反重力矩发生器901与前臂反重力矩发生器801的结构类似，前面已经详细说明前臂反重力矩发生器801的组成及装配方式，上臂反重力矩发生器901中与前臂反重力矩发生器801相同的部分不再说明，这里只说明两者不同的部分：第二小齿轮9018和第七带轮9020都与第一轴9019固定连接，第二齿轮盖9017与第一齿轮盖8017结构相似，不过它的下方延伸出相同的结构，第一轴9019与第二齿轮盖9017下方的轴孔旋转连接，第一轴9019与第一发生器基础第二轴孔80114和第二发生器基础第二轴孔90114旋转连接。第一发生器基础8011与第二发生器基础9011都与滑动板701固定连接，平台滑块702与滑动板701固定连接，平台滑块702可与安装在基座101上的基座导轨102相对滑动。
前臂重力平衡组件8还包括第一同步带802、第二带轮803、第二固定杆组804、第三带轮805、第二同步带806、第四带轮807、第五带轮808、第三轴809、第三同步带810、第六带轮811、前臂滑块812、第四轴813和前臂连杆814，如图4所示。第一同步带802套设在第一带轮8020和第二带轮803上，第二带轮803通过第二固定杆组804与第三带轮805固定连接，并且旋转安装在第二轴904上，第二同步带806套设在第三带轮805和第四带轮807上，第四带轮807和第五带轮808都固定安装在第三轴809上，第三轴809旋转安装在上臂护具5上的上臂护具下方孔501上，第三同步带810套设在第五带轮808和第六带轮811上，第六带轮811和前臂滑块812均与第四轴813固定连接，前臂连杆814分别与第三轴809和第四轴813旋转连接，前臂滑块812滑动安装在前臂护具基座601上的护具导轨602上。
上臂重力平衡组件9还包括第四同步带902、第八带轮903、第二轴904、连接座905和上臂连杆906。第四同步带902套设在第七带轮9020和第八带轮903上，第八带轮903、第二轴904和连接座905三者固定连接，连接座905与上臂护具5上端固定连接，上臂连杆906分别与第一轴9019和第二轴904旋转连接。
下面说明所述的平面上肢外骨骼的工作原理：
前臂重力平衡组件8的目的是把前臂4相对竖直轴的转角传递到前臂反重力矩发生器801中，接着前臂反重力矩发生器801产生前臂反重力矩τf，然后该力矩通过原链路反向传递至前臂4，与前臂4本身的重力矩相抵消，实现重力平衡。具体地，转角的传递链路依次为前臂4、前臂护具6、前臂滑块812、第四轴813、第六带轮811、第三同步带810、第五带轮808、第三轴809、第四带轮807、第二同步带806、第三带轮805、第二固定杆组804、第二带轮803、第一同步带802、第一带轮8020、第一固定杆组8019，最后到达第一小齿轮8018。前述的机构装配及连接方式可知道第一小齿轮8018的转角αf等于上臂4与竖直线的夹角，这导致前臂反重力矩发生器801内的第一弹簧8013被压缩，从而产生前臂反重力矩τf。
类似地，上臂重力平衡组件9的目的是把上臂3相对竖直轴的转角传递到上臂反重力矩发生器901中，接着上臂反重力矩发生器901产生上臂反重力矩τu，然后该力矩通过原链路反向传递至上臂3，与上臂3本身的重力矩相抵消，实现重力平衡。具体地，转角的传递链路依次为上臂3、上臂护具5、连接座905、第二轴904、第八带轮903、第四同步带902、第七带轮9020、第一轴9019，最后到达第二小齿轮9018。前述的机构装配及连接方式可道第二小齿轮9018的转角αu等于前臂3与竖直线的夹角，这导致上臂反重力矩发生器901内的第二弹簧9013被压缩，从而产生上臂反重力矩τu，最后该力矩通过原链路反向传递至上臂3，实现上臂的重力平衡。
下面说明本技术方案中所述的平面上肢外骨骼不需要人机关节对齐的特点：
人机系统骨架部分的机构简图如图5(a)，为便于说明，图中省略了所有的同步带及带轮。基础1与第二发生器基础9011之间的滑动关节C、第二发生器基础9011和上臂连杆906之间的旋转关节D、上臂连杆906和上臂护具5之间的旋转关节E一起组成PRR运动链，当E点和A点没有对齐时，即外骨骼关节没有和盂肱关节对齐时，由于PRR运动链的存在，人机闭链不会过约束，盂肱关节仍可以转动。上臂护具5和前臂连杆814之间的旋转关节F、前臂连杆814和前臂滑块812之间的旋转关节G、以及前臂滑块812和前臂4之间的滑动关节H一起组成RRP运动链，当F点没有和B点对齐时，即外骨骼关节没有和肘关节对齐时，由于RRP运动链的存在，肘关节仍可以转动，只不过此时滑动关节H会运动，而人机关节完全对齐时，滑动关节H保持静止。上述分析说明无论人机关节是否对齐，所述外骨骼都可正常运动，不会发生过约束。
下面说明所述的平面上肢外骨骼的重力平衡条件：
人机系统的质量分布和几何尺寸如图5(b)，该系统的重力势能为
其中，g＝-9.8m/s2，mE、mF、mG分别为E点、F点和G点处的集中质量，mu为上臂3的质量，mf为前臂4的质量，mh为手掌的质量，m5为上臂护具5的质量，e1为A点和E点的距离，e2为F点和B点的距离，
为上臂3质心到盂肱关节A的距离，lu为上臂3的长度，
为上臂护具5的质心到点E的距离，
为前臂4质心到肘关节B的距离，lG为G点到肘关节B的距离，lf为前臂4的长度，θu为上臂3与水平线的夹角，θf为前臂4与上臂3的夹角。
前臂反重力矩发生器801和上臂反重力矩发生器901的工作原理相同，前臂反重力矩发生器801的机构简图如图6所示，由于第一小齿轮8018的节圆半径是第一大齿轮8015节圆半径的一半，则第一大齿轮8015的转角βf等于αf/2，第一弹簧8013的被压缩量为
其中，r为第一曲柄8016的半径。
第一弹簧8013的弹性势能为
其中，kf为第一弹簧8013的刚度。
类似地，第二弹簧9013的弹性势能为
其中，ku为第二弹簧9013的刚度。
人机系统实现完全重力平衡的条件为系统的总势能与上肢的位形θu和θf无关，即
将式(1)、(3)、(4)代入式(5)，得
式(6)给出实现完全重力平衡时第一弹簧8013的刚度kf和第二弹簧9013的刚度ku。
为分析外骨骼的重力平衡效果，令上肢末端沿给定的轨迹运动，下面通过对比平衡前和平衡后的盂肱关节和肘关节的力矩曲线来说明外骨骼的作用。上肢末端的轨迹如图7所示：
1)首先，上肢处于竖直向上的位形，此时，θu＝90°，θf＝0°；
2)上肢末端沿圆弧从a点运动到b点，在这个过程中θu从90°逐渐减小为＝90°，θf保持不变，这个过程耗时10s；
3)末端沿圆弧从b点运动到c点，在这个过程中θf从0°逐渐增大为120°，θu保持不变，这个过程耗时5s；
4)末端依次从c点运动到d点、从d点运动到e点、从e点运动到f点、从f点运动到c点，每段耗时5s，其中，Δx＝0.2m，Δy＝0.3m。
上述的运动都通过五次多项式插值，以抑制a、b、c、d、e和f点处的加速度跳变。
仿真用的参数为mu＝1.96kg，
lu＝0.32m，mf＝1.12kg，mh＝0.42kg，
lf＝0.25m，mE＝0.25kg，m5＝0.3kg，
mG＝0.25kg，mF＝0.25kg，lG＝0.14m，r＝0.04m。下面根据人机关节是否对齐进行分别分析及说明：
1)人机关节完全对齐。当人机关节完全对齐时，即e1＝e2＝0，如图8(a)所示。根据式(6)，可以算得实现重力平衡的第一弹簧8013的刚度kf和第二弹簧9013的刚度ku分别为6860N/m和24853N/m。运动仿真如图9(a)所示，关节力矩曲线如图10(a)和(b)所示，可以看出，重力平衡后盂肱关节和肘关节的力矩得到了显著降低。
2)人机关节未对齐。当人机关节未对齐时，仿真中取e1＝e2＝0.04m，如图8(b)所示。根据式(6)，可以算得实现重力平衡的第一弹簧8013的刚度kf和第二弹簧9013的刚度ku分别为6860N/m和25637N/m。运动仿真如图9(b)所示，关节力矩曲线如图10(c)和(d)所示，可以看出，重力平衡后盂肱关节和肘关节的力矩得到了显著降低。
人机关节是否对齐对外骨骼的性能影响很小，从运动学的角度，对比图9(a)和图9(b)，当人机关节未对齐时，上肢外骨骼不会阻碍上肢的运动，这表现出了良好的运动学顺应性；从重力平衡效果的角度，观察图10(a)～(d)，无论人机关节是否对齐，所述上肢外骨骼都具备满意的重力平衡能力，这表现出了良好的静力学顺应性。另外，所述外骨骼将质量较大的部分(比如，前臂反重力矩发生器801和上臂反重力矩发生器901)设置在靠近基础1附近，这使得外骨骼与上肢连接部分的质量减小，降低了人机系统的远端惯量，使得系统动态运动时的惯性力减小，从而外骨骼具备动力学顺应性。所述运动学顺应性、静力学顺应性和动力学顺应性使得外骨骼具备良好的穿戴顺应性。
对比例1
CN106667722A提出一种人机空间重力平衡外骨骼，它采用弹簧、定滑轮和动滑轮组成的方式来实现上肢的重力平衡，利用多级定滑轮和动滑轮组合，来获得较长的绳索的拉升量，同时使得弹簧的变形量较小，只需按比例增大弹簧刚度即可，这使得弹簧部分的装置比不采用滑轮组的紧凑一些。
不过，CN106667722A中将很多零部件(比如弹簧、导轨、滑轮组)设置在人的手臂附近，这使得装置的远端惯量较大，限制了机构的动态性能。另外，这个机构没有考虑人机对齐的问题，当人机关节没有对齐时，人机交互处会产生较大内力。
相比而言，本发明提出的上肢外骨骼将大部分质量布置在基础附近，使得远端惯量减小，同时还考虑了人机关节对齐的问题。
本发明致力于解决人机关节对齐问题和机构的耐久度问题。本发明的设计通过被动连杆机构解决了人机关节对齐问题，被动连杆机构可以自补偿人机关节不对齐时引起的位移，即该外骨骼无需人机关节对齐。该设计的重力平衡单元由弹簧和刚性杆件构成，无需用到绳索，从而提高了耐久度。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，包括基础(1)、滑动平台(7)、上臂重力平衡组件(9)、前臂重力平衡组件(8)、上臂护具(5)和前臂护具(6)；
所述滑动平台(7)与所述基础(1)滑动连接并能相对基础(1)进行滑动位移；
所述上臂重力平衡组件(9)的上端与所述滑动平台(7)固定连接，所述上臂重力平衡组件(9)的下端与上臂护具(5)固定连接，所述上臂护具(5)能够固定于上臂(3)上；
所述前臂重力平衡组件(8)的上端与滑动平台(7)固定连接，前臂重力平衡组件(8)的下端与前臂护具(6)滑动连接，所述前臂护具(6)与上臂(4)固定连接；
前臂重力平衡组件(8)和上臂重力平衡组件(9)分别包括前臂反重力矩发生器(801)和上臂反重力矩发生器(901)，前臂反重力矩发生器(801)和上臂反重力矩发生器(901)均根据内部齿轮的转动角度来驱动弹簧压缩以提供反重力矩，以此实现前臂(4)和上臂(3)的重力平衡。
2.根据权利要求1所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述的前臂反重力矩发生器(801)包括第一发生器基础(8011)、T形滑块(8012)、第一弹簧(8013)、第二滑块(8014)；
所述第一发生器基础(8011)包括凸台(80111)，所述凸台(80111)上设有凸台导轨(80112)；
所述T形滑块(8012)包括第一滑块(80121)和第一导轨(80122)，所述第一导轨(80122)垂直固定在第一滑块(80121)上，所述第一滑块(80121)与凸台导轨(80112)滑动连接，所述第二滑块(8014)滑动设于所述第一导轨(80122)上；
所述第一弹簧(8013)套设在第一导轨(80122)上，并使得第一弹簧(8013)置于所述第一滑块(80121)和第二滑块(8014)之间。
3.根据权利要求2所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述前臂反重力矩发生器(801)还包括第一大齿轮(8015)、第一曲柄(8016)、第一齿轮盖(8017)、第一小齿轮(8018)、第一固定杆组(8019)和第一带轮(8020)；
所述第一曲柄(8016)上的第一曲柄第一轴(80161)与第二滑块(8014)旋转连接，所述第一曲柄(8016)上的第一曲柄第二轴(80162)与第一发生器基础上的第一轴孔(80113)旋转连接；
所述第一大齿轮(8015)与第一曲柄第二轴(80162)固定连接，所述第一曲柄(8016)和第一大齿轮(8015)分设于第一发生器基础(8011)两侧；
所述第一曲柄第二轴(80162)还与所述第一齿轮盖(8017)旋转连接，所述第一齿轮盖(8017)与所述第一发生器基础(8011)固定连接；
所述第一大齿轮(8015)节圆半径为所述第一小齿轮(8018)节圆半径的两倍。
4.根据权利要求3所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述上臂反重力矩发生器(901)包括第二发生器基础(9011)、T形滑块、第二弹簧(9013)、第二齿轮盖(9017)、第二小齿轮(9018)、第七带轮(9020)、第一轴(9019)；
所述第一小齿轮(8018)与所述第一带轮(8020)通过所述第一固定杆组(8019)固定连接形成一个整体，并旋转安装在所述第一轴(9019)上，使得所述第一小齿轮(8018)与第一大齿轮(8015)相互啮合；
所述第二小齿轮(9018)和第七带轮(9020)均与所述第一轴(9019)固定连接，所述第二齿轮盖(9017)的上方和下方均设有轴孔，所述第一轴(9019)与第二齿轮盖(9017)下方的轴孔旋转连接；
所述第一轴(9019)与所述第一发生器基础(8011)上的第一发生器基础第二轴孔(80114)和所述第二发生器基础(9011)上的第二发生器基础第二轴孔(90114)旋转连接。
5.根据权利要求4所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述滑动平台(7)包括滑动板(701)与设于滑动板(701)上的平台滑块(702)；
所述第一发生器基础(8011)与第二发生器基础(9011)均与滑动板(701)固定连接；
所述基础(1)包括基座(101)和设于基座(101)下表面的基座导轨(102)；
所述平台滑块(702)上设有与基座导轨(102)匹配的滑槽，使得所述平台滑块(702)能够与基座导轨(102)相对滑动。
6.根据权利要求4所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述前臂重力平衡组件(8)还包括第一同步带(802)、第二带轮(803)、第二固定杆组(804)、第三带轮(805)、第二同步带(806)、第四带轮(807)、第五带轮(808)、第三轴(809)、第三同步带(810)、第六带轮(811)、前臂滑块(812)、第四轴(813)和前臂连杆(814)；
所述第一同步带(802)套设在第一带轮(8020)和第二带轮(803)上；
所述第二带轮(803)通过第二固定杆组(804)与第三带轮(805)固定连接，并且旋转安装在所述第四轴(904)上，第二同步带(806)套设在第三带轮(805)和第四带轮(807)上，所述第四带轮(807)和第五带轮(808)都固定安装在第三轴(809)上；
第三轴(809)旋转安装在上臂护具(5)上的上臂护具下方孔(501)上，第三同步带(810)套设在第五带轮(808)和第六带轮(811)上；
所述第六带轮(811)和前臂滑块(812)均与所述第四轴(813)固定连接，所述前臂连杆(814)分别与所述第三轴(809)和第四轴(813)旋转连接，所述前臂滑块(812)滑动安装在前臂护具基座(601)上的护具导轨(602)上。
7.根据权利要求6所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述上臂护具(5)和前臂连杆(814)之间的旋转关节F、前臂连杆(814)和前臂滑块(812)之间的旋转关节G、以及前臂滑块(812)和前臂(4)之间的滑动关节H一起组成RRP运动链，当外骨骼关节没有和肘关节对齐时，由于RRP运动链的存在，肘关节仍可以转动，此时滑动关节H会运动，而人机关节完全对齐时，滑动关节H保持静止。
8.根据权利要求6所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述上臂重力平衡组件(9)还包括第四同步带(902)、第八带轮(903)、第二轴(904)、连接座(905)和上臂连杆(906)；
所述第四同步带(902)套设在所述第七带轮(9020)和第八带轮(903)上；
所述第八带轮(903)通过第二轴(904)与连接座(905)连接；
所述连接座(905)与上臂护具(5)上端固定连接；
所述上臂连杆(906)分别与第一轴(9019)和第二轴(904)旋转连接；
所述基础(1)与第二发生器基础(9011)之间的滑动关节C、第二发生器基础(9011)和上臂连杆(906)之间的旋转关节D、上臂连杆(906)和上臂护具(5)之间的旋转关节E一起组成PRR运动链，当外骨骼关节没有和盂肱关节对齐时，由于PRR运动链的存在，人机闭链不会过约束，盂肱关节仍可以转动。
9.根据权利要求5所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述前臂重力平衡组件(8)能够将前臂(4)相对竖直轴的转角传递到前臂反重力矩发生器(801)中，接着前臂反重力矩发生器(801)产生前臂反重力矩τf，然后该力矩通过原链路反向传递至前臂(4)，与前臂(4)本身的重力矩相抵消，实现重力平衡；
其中转角的传递链路依次为前臂(4)、前臂护具(6)、前臂滑块(812)、第四轴(813)、第六带轮(811)、第三同步带(810)、第五带轮(808)、第三轴(809)、第四带轮(807)、第二同步带(806)、第三带轮(805)、第二固定杆组(804)、第二带轮(803)、第一同步带(802)、第一带轮(8020)、第一固定杆组(8019)，最后到达第一小齿轮(8018)；
所述第一小齿轮(8018)的转角αf等于上臂(4)与竖直线的夹角，这导致前臂反重力矩发生器(801)内的第一弹簧(8013)被压缩，从而产生前臂反重力矩τf。
10.根据权利要求5所述的一种具备穿戴顺应性的平面被动上肢外骨骼机构，其特征在于，所述上臂重力平衡组件(9)能够将上臂(3)相对竖直轴的转角传递到所述上臂反重力矩发生器(901)中，接着所述上臂反重力矩发生器(901)产生上臂反重力矩τu，然后该力矩通过原链路反向传递至上臂(3)，与上臂(3)本身的重力矩相抵消，实现重力平衡，其中，转角的传递链路依次为上臂(3)、上臂护具(5)、连接座(905)、第二轴(904)、第八带轮(903)、第四同步带(902)、第七带轮(9020)、第一轴(9019)，最后到达第二小齿轮(9018)；
所述第二小齿轮(9018)的转角αu等于前臂(3)与竖直线的夹角，以此使得上臂反重力矩发生器(901)内的第二弹簧(9013)被压缩，从而产生上臂反重力矩τu，最后该力矩通过原链路反向传递至上臂(3)，实现上臂的重力平衡。
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-
2022
- 2022-01-28 CN CN202210105353.2A patent/CN114452161A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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Application publication date: 20220510 |
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