CN212399653U - 一种具有肌张力仿生功能的关节结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种具有肌张力仿生功能的关节结构，包括大臂、小臂，所述大臂和小臂通过关节铰接固定，所述关节包括过小臂沿周向固定配合的第二绳轮，所述大臂上设置有驱动第二绳轮转动的驱动机构，驱动机构上设置有第一绳轮，第一绳轮和第二绳轮上分别与两根钢丝绳的两端固定连接，两根钢丝绳构成环绕第一绳轮和第二绳轮的结构，钢丝绳对第一绳轮和第二绳轮的牵引力方向分别处于第一绳轮和第二绳轮所在的平面内。本实用新型提供的一种具有肌张力仿生功能的关节结构的优点在于：通过两根钢丝绳和两个绳轮的配合实现了肌张力的仿生模拟，符合人体解剖学、人体仿生学和人体运动学的要求，满足康复医学中需要机器人表现人体肌张力的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人仿生技术领域，尤其涉及一种具有肌张力仿生功能的关节结构。
背景技术
作为机器人领域，仿生人体上下肢中的各关节是研究的重点和难点。在这一领域，目前，各关节的仿生只是实现一般的运动功能、结构外在特征及智能仿生，在运动功能上可以实现类似真实人体上下肢的各个自由度以及活动范围。
然而，真实人体中各个关节的活动是与肌腱群有很大关联，其屈伸活动是由肌腱群来驱动的，这种驱动力在医学上叫肌力；在驱动过程中，肌腱群同时也表现出张力特征，这种特征在医学上叫肌张力，但是，在此领域却很少具有模拟肌张力这种特征，这种特征对于近年来康复医学具有很好的参考价值，特别是处于痉挛，偏瘫等情况的病患者。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能够模拟出肌张力的仿生关节结构。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：包括大臂、小臂，所述大臂和小臂通过关节铰接固定，所述关节包括过小臂沿周向固定配合的第二绳轮，所述大臂上设置有驱动第二绳轮转动的驱动机构，所述驱动机构上设置有第一绳轮，所述第一绳轮和第二绳轮上分别与两根钢丝绳的两端固定连接，两根钢丝绳构成环绕第一绳轮和第二绳轮的结构，所述钢丝绳对第一绳轮和第二绳轮的牵引力方向分别处于第一绳轮和第二绳轮所在的平面内。
本申请通过驱动机构驱动第一绳轮转动，进而使一根钢丝绳牵引第二绳轮转动实现大臂和小臂的相对转动，一根钢丝绳实现肌力的效果；同时另一根钢丝绳为第二绳轮的转动提供阻力，实现肌张力的效果，由此实现肌张力仿生的功能；可以通过对肌力和肌张力的测量获取相应的研究数据，满足临床实验、康复医疗等领域对肌张力仿生的需求。
优选地，所述驱动机构包括电机、与电机的输出端同轴配合的减速机，所述减速机的输出端与第一绳轮同轴固接。
优选地，所述驱动机构还包括固定减速机的安装座，所述安装座包括用于固定驱动机构的固定板和与固定板垂直的安装板，所述减速机固定于固定板上，减速机的输出端穿过固定板连接第一绳轮。
优选地，所述固定板朝向第二绳轮的一端垂直设置有第一张紧板，所述第一张紧板上固定有两个与第一绳轮共面的张紧螺杆，两个钢丝绳分别穿过两个张紧螺杆与第一绳轮固定连接。
优选地，所述关节包括设置于大臂下端的转轴，所述转轴上套设有连接块和第二绳轮，所述连接块与小臂的上端固定配合，所述转轴表面至少与第二绳轮和连接块配合的位置设置有凸键，所述转轴两端分别与大臂两侧沿周向自由配合。
优选地，所述大臂包括两个相对设置的大臂挡板，所述转轴两端分别与两侧的大臂挡板配合，所述小臂包括两个相对设置且与大臂挡板平行的小臂挡板，所述连接块的两端分别与两侧的小臂挡板固定连接。
优选地，所述大臂上还设置有处于第一绳轮和第二绳轮之间的第二张紧板，第二张紧板两侧分别与两侧的大臂挡板固定连接，所述第二张紧板上设置有两个与第二绳轮处于同一平面的张紧螺杆，两个钢丝绳分别穿过第二张紧板上的张紧螺杆与第二绳轮固定连接。
优选地，所述关节还包括固定在大臂挡板上与转轴同轴配合的角度传感器。
优选地，所述关节还包括固定在大臂挡板上与连接块沿转动方向抵接配合的限位块。
优选地，所述安装座固定于两个大臂挡板围合的区域外侧，第一绳轮的轴向与第二绳轮轴向基本垂直。
本实用新型提供的一种具有肌张力仿生功能的关节结构的优点在于：通过两根钢丝绳和两个绳轮的配合实现了肌张力的仿生模拟，符合人体解剖学、人体仿生学和人体运动学的要求，满足康复医学中需要机器人表现人体肌张力的需求。
附图说明
图1为本实用新型的实施例所提供的具有肌张力仿生功能的关节结构的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种具有肌张力仿生功能的关节结构，包括大臂1、小臂 2，所述大臂1和小臂2通过关节(图未示)铰接固定，所述关节包括与小臂2沿周向固定配合的第二绳轮31，大臂1上设置有驱动第二绳轮31转动的驱动机构(图未示)，所述驱动机构上设置有第一绳轮41，所述第一绳轮41和第二绳轮31分别与两根钢丝绳5的两端固定连接，两根钢丝绳5构成环绕第一绳轮41和第二绳轮31的结构，所述钢丝绳5对第一绳轮41 和第二绳轮31的牵引力方向分别处于第一绳轮41和第二绳轮31所在的平面内。
通过驱动机构驱动第一绳轮41转动，进而使一根钢丝绳5牵引第二绳轮31转动实现大臂1和小臂2的相对转动，一根钢丝绳5实现肌力的效果；同时另一根钢丝绳5为第二绳轮 31的转动提供阻力，实现肌张力的效果，由此实现肌张力仿生的功能；可以通过对肌力和肌张力的测量获取相应的研究数据，为临床实验、康复医疗等领域提供前期数据。
具体的，所述驱动机构包括电机42、与电机42的动力端同轴配合的减速机43，所述减速机43的输出端44与第一绳轮41同轴固接，通过减速机43为第一绳轮41提供更大的驱动力，提高转动精度。
所述驱动机构通过一安装座6设置于大臂所在区域之外，第一绳轮41的轴向与第二绳轮 31的轴向基本垂直，所述安装座6包括用于将驱动机构固定在工作台的固定板61，和与固定板61垂直的安装板62，减速机43固定在安装板62上，且减速机43的输出端44穿过固定板61连接所述第一绳轮41。进一步的，所述安装板62朝向第二绳轮的一端垂直设置有第一张紧板63，第一张紧板63上固定有两个与第一绳轮41共面的张紧螺杆7，两个钢丝绳5分别穿过两个张紧螺杆7与第一绳轮41的表面固定连接。通过调整张紧螺杆7的松紧程度，可以调整钢丝绳5的张力，以适应不同的肌张力等级，从而适应不同的需求。
所述关节包括设置于大臂1下端的转轴32，所述转轴32上套设有连接块33和第二绳轮 31，所述连接块33与小臂2的上端固定配合，所述转轴32表面至少与第二绳轮31和连接块 33配合的位置沿长度方向设置有凸键(图未示)，从而使第二绳轮31、转轴32和连接块33 沿周向固定锁紧，所述转轴32两端分别与大臂1两侧沿轴向自由配合；在第二绳轮31受到钢丝绳5的拉力转动时，能够带动转轴32相对大臂1两侧转动，进一步带动连接块33转动，由于连接块33与小臂2固定配合，因此最终实现了由第二绳轮31的转动带动小臂2转动的效果。
所述大臂1包括两个相对设置的大臂挡板11，所述转轴32两端分别与两侧的大臂挡板 11配合，所述小臂2包括两个相对设置且与大臂挡板11平行的小臂挡板21，所述连接块33 的两端分别与两侧的小臂挡板21固定连接，本实施例中两侧小臂挡板21上分别设置至少两个固定连接块33的螺栓(图未示)，从而实现安装块33与小臂挡板21的固定连接。
所述大臂1上还设置有处于第一绳轮41和第二绳轮31之间的第二张紧板12，所述第二张紧板12两侧分别与两侧的大臂挡板11固定连接，具体可以设置插接配合结构或螺纹连接结构实现。所述第二张紧板12上设置有两个与第二绳轮31处于同一平面的张紧螺杆7，两个钢丝绳5分别穿过第二张紧板12上的张紧螺杆7与第二绳轮31固定连接。
两根钢丝绳5两端与第一绳轮41和第二绳轮31配合的位置分别被第一张紧板63和第二张紧板12限位，并利用张紧螺杆7调整张紧程度，又确保钢丝绳5的施力方向处于第一绳轮41和第二绳轮31所在的平面内，以保证所测的肌力和肌张力准确。
结合图1，所述关节还包括通过螺栓固定在一侧大臂挡板11上并与转轴32同轴配合的角度传感器34，从而测量小臂的转动量；为了限制小臂的转动范围，至少一侧大臂挡板11的厚度面上还可以通过螺栓固定限位块35，所述限位块35与连接块33抵接限制连接块33转动过度，使小臂2与大臂1平行和与大臂1相互靠近到抵接状态的范围内转动。
在模仿肌力和肌张力的情况下，往往希望钢丝绳本身传递的力是稳定的，如果减速机43 输出的力矩为T，第一绳轮41和第二绳轮31的直径为D，钢丝绳5的直径为d，肌张力为 F，钢丝绳5在第一绳轮41或第二绳轮31上的圈数为n时，其缠绕直径近似为D+n*d，则钢丝绳5上的力为F＝2T/(D+n*d)，由此可知，当n发生变化时，钢丝绳5上的力也会发生变化，为了便于控制，获取更准确的参数，需要保证在转动过程中，钢丝绳5始终保持在同一圈即半径不变的情况下，优选方案为令n＝1；本领域技术人员能够合理的调整减速机43的参数、第一绳轮41和第二绳轮31半径和其实位置等参数来确保符合上述要求。
Claims (10)
1.一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：包括大臂、小臂，所述大臂和小臂通过关节铰接固定，所述关节包括过小臂沿周向固定配合的第二绳轮，所述大臂上设置有驱动第二绳轮转动的驱动机构，所述驱动机构上设置有第一绳轮，所述第一绳轮和第二绳轮上分别与两根钢丝绳的两端固定连接，两根钢丝绳构成环绕第一绳轮和第二绳轮的结构，所述钢丝绳对第一绳轮和第二绳轮的牵引力方向分别处于第一绳轮和第二绳轮所在的平面内。
2.根据权利要求1所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述驱动机构包括电机、与电机的输出端同轴配合的减速机，所述减速机的输出端与第一绳轮同轴固接。
3.根据权利要求2所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述驱动机构还包括固定减速机的安装座，所述安装座包括用于固定驱动机构的固定板和与固定板垂直的安装板，所述减速机固定于固定板上，减速机的输出端穿过固定板连接第一绳轮。
4.根据权利要求3所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述固定板朝向第二绳轮的一端垂直设置有第一张紧板，所述第一张紧板上固定有两个与第一绳轮共面的张紧螺杆，两个钢丝绳分别穿过两个张紧螺杆与第一绳轮固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述关节包括设置于大臂下端的转轴，所述转轴上套设有连接块和第二绳轮，所述连接块与小臂的上端固定配合，所述转轴表面至少与第二绳轮和连接块配合的位置设置有凸键，所述转轴两端分别与大臂两侧沿周向自由配合。
6.根据权利要求5所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述大臂包括两个相对设置的大臂挡板，所述转轴两端分别与两侧的大臂挡板配合，所述小臂包括两个相对设置且与大臂挡板平行的小臂挡板，所述连接块的两端分别与两侧的小臂挡板固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述大臂上还设置有处于第一绳轮和第二绳轮之间的第二张紧板，第二张紧板两侧分别与两侧的大臂挡板固定连接，所述第二张紧板上设置有两个与第二绳轮处于同一平面的张紧螺杆，两个钢丝绳分别穿过第二张紧板上的张紧螺杆与第二绳轮固定连接。
8.根据权利要求6所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述关节还包括固定在大臂挡板上与转轴同轴配合的角度传感器。
9.根据权利要求6所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述关节还包括固定在大臂挡板上与连接块沿转动方向抵接配合的限位块。
10.根据权利要求3所述的一种具有肌张力仿生功能的关节结构，其特征在于：所述安装座固定于两个大臂挡板围合的区域外侧，第一绳轮的轴向与第二绳轮轴向基本垂直。
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| CN202020445720.XU CN212399653U (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 一种具有肌张力仿生功能的关节结构 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022253072A1 (zh) * | 2021-06-03 | 2022-12-08 | 深圳忆海原识科技有限公司 | 二自由度正交腱传动关节模块 |
| CN118143923A (zh) * | 2024-05-11 | 2024-06-07 | 中国科学技术大学 | 一种用于绳索牵引灵巧手的操控装置 |
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2020
- 2020-03-31 CN CN202020445720.XU patent/CN212399653U/zh active Active
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