CN216136283U - 一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于康复医疗设备技术领域，特别涉及一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，包括动力补偿机构、导向轮、钢丝绳、力矩自适应调节机构、负载机械手臂和机架；动力补偿机构提供的大小可调的动力补偿力矩，负载机械手臂产生的负载力矩，力矩自适应机构自适应负载机械手臂所产生的负载力矩，使之处于动态平衡状态。本实用新型可实现对机械手臂因不同关节自重所产生的负载力矩进行动力平衡补偿，并且可以自适应机械手臂不同关节处于不同角度位置时的补偿需求，使因机械手臂不同关节运动至不同角度位置时所产生的负载力矩与外在的动力补偿力矩处于动态平衡。

Description

一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置

技术领域

本实用新型属于康复医疗设备技术领域，特别涉及一种无动力上肢双臂外骨骼康复训练机器人负载力矩自适应调节的动力补偿装置。

背景技术

康复机器人作为一种医疗康复训练设备，能够帮助那些因疾病或意外事故而导致的肢体运动功能欠缺或丧失的患者进行康复训练，能够显著提高康复效果，将康复医师从繁重的重复体力劳动中解脱出来。

在上肢康复过程中，双臂外骨骼康复机器人左右两机械手臂因自重而产生的负载力矩会增加患者进行不同关节康复运动的负担，影响康复训练的效果，削弱患者康复的信心，甚至对患者造成伤害。因此，一方面需要通过外在的动力对机械手臂因不同关节自重所产生的负载力矩进行动力平衡补偿，对于外在的动力平衡补偿需要自适应机械手臂不同关节处于不同角度位置时的补偿需求，使患者在进行康复运动时，因机械手臂不同关节运动至不同角度位置时所产生的负载力矩与外在的动力补偿力矩处于动态平衡；另一方面，对于不同患者，其运动能力大小不同，因此，外在的动力补偿可依据患者运动能力的强弱大小可调，对于运动能力弱，处于康复早期的患者，应在完全平衡掉机械手臂自重所产生的负载力矩后，适当平衡掉因患者手臂自重所产生的部分负载力矩，助力患者康复运动。而对于运动能力较强，处于康复中后期的患者，可只平衡掉机械手臂自重所产生的部分或全部负载力矩，提高患者进行主动康复运动的能力。为此，我们提出一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置。

实用新型内容

基于背景技术存在的技术问题，本实用新型提出了一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，用于补偿因机械手臂或患者自身手臂自重所产生的负载力矩，减轻患者康复运动训练的负担，提高康复运动训练的效果。

本实用新型提供如下技术方案：一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，包括动力补偿机构、导向轮、钢丝绳、力矩自适应调节机构、负载机械手臂和机架；

所述动力补偿机构可在重力的作用下沿机架上下滑动，所述动力补偿机构的顶端连接的钢丝绳穿过导向轮变向后，与力矩自适应调节机构的动力补偿绳盘固定，为动力补偿绳盘提供动力补偿力矩；所述负载机械手臂通过钢丝绳与力矩自适应调节机构的凸轮绳盘连接，所述导向轮和力矩自适应调节机构均安装在机架上；

所述动力补偿绳盘与凸轮绳盘同轴安装在力矩自适应调节机构上，且动力补偿绳盘与凸轮绳盘可相对力矩自适应调节机构转动，但动力补偿绳盘与凸轮绳盘之间不能相对转动，所述凸轮绳盘的边缘处由多个半径不同的圆弧组成，所述动力补偿绳盘的半径R大于凸轮绳盘上所有圆弧的半径r；

所述力矩自适应调节机构通过调整凸轮绳盘不同角度位置时的圆弧半径 r，调节机械手臂自重及患者手臂自重施加到凸轮绳盘上的负载力矩，使动力补偿力矩与负载力矩处于动态平衡状态。

优选的，所述动力补偿机构通过调整其承载的砝码数量，调节其施加给动力补偿绳盘的动力补偿力矩。

优选的，所述动力补偿机构包括空心螺栓、钢丝绳连接杆、砝码、L型托盘、六角头螺栓、滑块、直线导轨；

所述空心螺栓与钢丝绳连接杆上端螺纹配合固定连接，所述钢丝绳连接杆下端与L型托盘上表面重合并穿过砝码竖直方向上的中心孔，所述六角头螺栓的螺栓头上表面与L型托盘下表面重合，并与钢丝绳连接杆下端螺纹配合固定连接，所述砝码沿钢丝绳连接杆竖直方向堆叠放置，所述砝码下底面与L型托盘上表面重合，所述L型托盘与滑块通过螺栓固定连接，所述滑块安装于沿竖直方向的直线导轨上，所述滑块可在直线导轨上沿竖直方向移动，所述直线导轨沿竖直方向上设有安装孔，通过螺栓固定于机架上。

优选的，所述导向轮包括U型槽轴承、导向轮支撑架、凸肩等高螺栓；

所述U型槽轴承同轴安装于凸肩等高螺栓上，所述凸肩等高螺栓固定安装于导向轮支撑架上，所述导向轮支撑架底面沿水平方向设有安装孔位，通过螺栓固定于机架上。

优选的，所述负载机械手臂包括负载绳盘和机械手臂；所述机械手臂固定于负载绳盘上，两者可同轴转动。

优选的，所述钢丝绳包括负载端钢丝绳、动力补偿端钢丝绳；

所述负载端钢丝绳一端固定于负载绳盘绳槽内，绕过右侧U型槽轴承，另一端固定于凸轮绳盘绳槽内，动力补偿端钢丝绳一端固定于空心螺栓内，绕过左侧及中间U型槽轴承，另一端固定于动力补偿绳盘绳槽内。

优选的，所述力矩自适应调节机构包括前轴承基座、深沟球轴承、轴套、凸轮槽挡块、凸轮绳盘、动力补偿绳盘、传动轴、阶梯轴、后轴承基座；

所述轴套同轴安装于传动轴上，所述凸轮槽挡块与凸轮绳盘及动力补偿绳盘通过螺栓同轴固定于传动轴上，四者可同轴转动无相对运动；所述动力补偿绳盘、凸轮绳盘与传动轴沿轴向分别设有安装孔，所述阶梯轴同轴安装于动力补偿绳盘与凸轮绳盘及传动轴的安装孔内，传递三者之间的扭矩；所述传动轴两端同轴安装于前后两深沟球轴承中，所述前轴承基座与后轴承基座内表面分别设有轴承安装孔，所述前后两深沟球轴承分别安装于前轴承基座与后轴承基座中，所述前轴承基座与后轴承基座通过螺栓固定连接组成箱体结构并固定于机架上。

本实用新型提供了一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，一方面，可实现对机械手臂因不同关节自重所产生的负载力矩进行动力平衡补偿，并且可以自适应机械手臂不同关节处于不同角度位置时的补偿需求，使因机械手臂不同关节运动至不同角度位置时所产生的负载力矩与外在的动力补偿力矩处于动态平衡。

另一方面，依据患者运动能力的强弱，可实现外在的动力补偿需求大小可调。具有结构简单、动力补偿范围大、动力补偿大小调节方便的特点，可以作为专门的动力补偿装置广泛运用于外骨骼康复机器人机械手臂各个关节负载力矩的补偿上，能够减轻患者康复运动训练的负担，提高康复运动训练的效果和康复机器人对于不同患者的适用性，保障康复训练的有效进行。

力矩自适应调节机构中，通过改变凸轮绳盘不同角度位置的半径r，来自适应机械手臂不同关节处于不同角度位置时的动力补偿需求，使负载扭矩的大小保持在较小范围内波动，处于动态平衡状态；动力补偿机构中，通过改变L型托盘上所加砝码的数量n来实现动力补偿力矩大小可调。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型除力矩自适应调节机构外各部件组成示意图；

图3为力矩自适应调节机构所实施的爆炸图；

图4为本实用新型工作原理示意图。

图中：1、动力补偿机构；101、空心螺栓；102、钢丝绳连接杆；103、砝码；104、L型托盘；105、六角头螺栓；106、滑块；107、直线导轨；2、导向轮；201、U型槽轴承；202、导向轮支撑架；203、凸肩等高螺栓；3、钢丝绳；301、负载端钢丝绳；302、动力补偿端钢丝绳；4、力矩自适应调节机构；401、前轴承基座；402、深沟球轴承；403、轴套；404、凸轮槽挡块；405、凸轮绳盘；406、动力补偿绳盘；407、传动轴；408、后轴承基座；409、阶梯轴；5、负载机械手臂；501、负载绳盘；502、机械手臂；6、机架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本申请提供了一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，包含动力补偿机构1、导向轮2、钢丝绳3、力矩自适应调节机构4、负载机械手臂5、机架6。动力补偿机构1提供的大小可调的动力补偿力矩，负载机械手臂5产生的负载力矩，力矩自适应机构自适应负载机械手臂5所产生的负载力矩，使之处于动态平衡状态。

如图2所示，动力补偿机构1包括空心螺栓101、钢丝绳3连接杆102、砝码103、L型托盘104、六角头螺栓105、滑块106、直线导轨107。空心螺栓101与钢丝绳3连接杆102上端螺纹配合固定连接，钢丝绳3连接杆102 下端与L型托盘104上表面重合并穿过砝码103竖直方向上的中心孔，六角头螺栓105的螺栓头上表面与L型托盘104下表面重合，并与钢丝绳3连接杆102下端螺纹配合固定连接，砝码103沿钢丝绳3连接杆102竖直方向堆叠放置，砝码103下底面与L型托盘104上表面重合，L型托盘104与滑块 106通过螺栓固定连接，滑块106安装于沿竖直方向的直线导轨107上，滑块 106可在直线导轨107上沿竖直方向移动，直线导轨107沿竖直方向上设有安装孔，通过螺栓可固定于机架6上；

导向轮2包括U型槽轴承201、导向轮支撑架202、凸肩等高螺栓203。U 型槽轴承201同轴安装于凸肩等高螺栓203上，凸肩等高螺栓203固定安装于导向轮支撑架202上，导向轮支撑架202底面沿水平方向设有安装孔位，可通过螺栓固定于机架6上；

负载机械手臂5包括负载绳盘501、机械手臂502。机械手臂502固定于负载绳盘501上，两者可同轴转动；

钢丝绳3包括负载端钢丝绳301、动力补偿端钢丝绳302。负载端钢丝绳 301一端固定于负载绳盘501绳槽内，绕过右侧U型槽轴承201，另一端固定于凸轮绳盘405绳槽内，动力补偿端钢丝绳302一端固定于空心螺栓101内，绕过左侧及中间U型槽轴承201，另一端固定于动力补偿绳盘406绳槽内。

如图3所示，力矩自适应调节机构4包括前轴承基座401、深沟球轴承 402、轴套403、凸轮槽挡块404、凸轮绳盘405、动力补偿绳盘406、传动轴 407、阶梯轴409、后轴承基座408。轴套403同轴安装于传动轴407上，凸轮槽挡块404与凸轮绳盘405及动力补偿绳盘406通过螺栓同轴固定于传动轴407上，四者可同轴转动无相对运动，动力补偿绳盘406、凸轮绳盘405与传动轴407沿轴向分别设有安装孔，阶梯轴409同轴安装于动力补偿绳盘406 与凸轮绳盘405及传动轴407的安装孔内，传递三者之间的扭矩，传动轴407 两端同轴安装于前后两深沟球轴承402中，前轴承基座401与后轴承基座408 内表面分别设有轴承安装孔，前后两深沟球轴承402分别安装于前轴承基座 401与后轴承基座408中，前轴承基座401与后轴承基座408通过螺栓固定连接组成箱体结构并固定于机架6上。

如图4所示，力矩自适应调节机构4中，通过改变凸轮绳盘405不同角度位置的半径r，来自适应机械手臂502不同关节处于不同角度位置时的动力补偿需求，使负载力矩Mr的大小保持在较小范围内波动，处于动态平衡状态；动力补偿机构1中，通过改变L型托盘104上所加砝码103的数量n来实现动力补偿力矩M1大小可调。

本实用新型中，当患者进行康复运动训练时，机械手臂502与患者手臂一起运动，此运动过程中，机械手臂502自重G及患者手臂自重G2所输出到负载绳盘501上的负载力矩为M＝(G+G2)*L*sina，其中L为机械手臂502的长度，α为机械手臂502与竖直方向的夹角；

负载绳盘501输出到负载端钢丝绳301上的负载力为F＝M/R1,其中 R1为负载绳盘501的半径；负载端钢丝绳301绕过导向轮2将负载力传递给凸轮绳盘405，进而在凸轮绳盘405上产生所需要补偿的力矩 Mr＝r*F,凸轮绳盘405半径r与负载端钢丝绳301所传递的负载力F 两者呈负相关，使凸轮绳盘405上所需要补偿的力矩Mr的大小保持在很小范围内波动，处于动态平衡状态。

动力补偿机构1中，L型托盘104上的n个砝码103通过钢丝绳3连接杆 102将自身重力nG1传递给动力补偿端钢丝绳302，动力补偿端钢丝绳302绕过两导向轮2将力nG1传递给动力补偿绳盘406，进而在动力补偿绳盘406上产生补偿力矩M1＝R*nG1，此时凸轮绳盘405上的需求补偿力矩Mr与动力补偿绳盘406上的动力补偿力矩M1方向相反，两者相互作用，在传动轴407 上产生合力矩M0＝M1-Mr；根据患者的实际需求，通过加减L型托盘104上砝码103的数量n，来改变动力补偿力矩M1的大小；

当

时，补偿力矩M1小于或等于机械手臂502 自重所产生的负载力矩，此模式动力补偿不足，适合上肢运动能力较强的康复患者；

当

时，补偿力矩M1大于机械手臂502自重所产生的负载力矩，并且部分或完全平衡掉了患者手臂自重所产生的的负载力矩，此模式动力补偿过剩，过剩动力补偿充当助力，适合上肢运动能力较弱的康复患者。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：包括动力补偿机构(1)、导向轮(2)、钢丝绳(3)、力矩自适应调节机构(4)、负载机械手臂(5)和机架(6)；

所述动力补偿机构(1)可在重力的作用下沿机架(6)上下滑动，所述动力补偿机构(1)的顶端连接的钢丝绳(3)穿过导向轮(2)变向后，与力矩自适应调节机构(4)的动力补偿绳盘(406)固定，为动力补偿绳盘(406)提供动力补偿力矩；

所述负载机械手臂(5)通过钢丝绳(3)与力矩自适应调节机构(4)的凸轮绳盘(405)连接，所述导向轮(2)和力矩自适应调节机构(4)均安装在机架(6)上；

所述动力补偿绳盘(406)与凸轮绳盘(405)同轴安装在力矩自适应调节机构(4)上，且动力补偿绳盘(406)与凸轮绳盘(405)可相对力矩自适应调节机构(4)转动，但动力补偿绳盘(406)与凸轮绳盘(405)之间不能相对转动，所述凸轮绳盘(405)的边缘处由多个半径不同的圆弧组成，所述动力补偿绳盘(406)的半径R大于凸轮绳盘(405)上所有圆弧的半径r；

所述力矩自适应调节机构(4)通过调整凸轮绳盘(405)不同角度位置时的圆弧半径r，调节机械手臂(502)自重及患者手臂自重施加到凸轮绳盘(405)上的负载力矩，使动力补偿力矩与负载力矩处于动态平衡状态。

2.根据权利要求1所述的一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：所述动力补偿机构(1)通过调整其承载的砝码(103)数量，调节其施加给动力补偿绳盘(406)的动力补偿力矩。

3.根据权利要求2所述的一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：所述动力补偿机构(1)包括空心螺栓(101)、钢丝绳连接杆(102)、砝码(103)、L型托盘(104)、六角头螺栓(105)、滑块(106)、直线导轨(107)；

所述空心螺栓(101)与钢丝绳连接杆(102)上端螺纹配合固定连接，所述钢丝绳连接杆(102)下端与L型托盘(104)上表面重合并穿过砝码(103)竖直方向上的中心孔，所述六角头螺栓(105)的螺栓头上表面与L型托盘(104)下表面重合，并与钢丝绳连接杆(102)下端螺纹配合固定连接，所述砝码(103)沿钢丝绳连接杆(102)竖直方向堆叠放置，所述砝码(103)下底面与L型托盘(104)上表面重合，所述L型托盘(104)与滑块(106)通过螺栓固定连接，所述滑块(106)安装于沿竖直方向的直线导轨(107)上，所述滑块(106)可在直线导轨(107)上沿竖直方向移动，所述直线导轨(107)沿竖直方向上设有安装孔，通过螺栓固定于机架(6)上。

4.根据权利要求1所述的一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：所述导向轮(2)包括U型槽轴承(201)、导向轮支撑架(202)、凸肩等高螺栓(203)；

所述U型槽轴承(201)同轴安装于凸肩等高螺栓(203)上，所述凸肩等高螺栓(203)固定安装于导向轮支撑架(202)上，所述导向轮支撑架(202)底面沿水平方向设有安装孔位，通过螺栓固定于机架(6)上。

5.根据权利要求1所述的一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：所述负载机械手臂(5)包括负载绳盘(501)和机械手臂(502)；所述机械手臂(502)固定于负载绳盘(501)上，两者可同轴转动。

6.根据权利要求1所述的一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：所述钢丝绳(3)包括负载端钢丝绳(301)、动力补偿端钢丝绳(302)；

所述负载端钢丝绳(301)一端固定于负载绳盘(501)绳槽内，绕过右侧U型槽轴承(201)，另一端固定于凸轮绳盘(405)绳槽内，动力补偿端钢丝绳(302)一端固定于空心螺栓(101)内，绕过左侧及中间U型槽轴承(201)，另一端固定于动力补偿绳盘(406)绳槽内。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种具备力矩自适应调节功能的动力补偿装置，其特征在于：所述力矩自适应调节机构(4)包括前轴承基座(401)、深沟球轴承(402)、轴套(403)、凸轮槽挡块(404)、凸轮绳盘(405)、动力补偿绳盘(406)、传动轴(407)、阶梯轴(409)、后轴承基座(408)；

所述轴套(403)同轴安装于传动轴(407)上，所述凸轮槽挡块(404)与凸轮绳盘(405)及动力补偿绳盘(406)通过螺栓同轴固定于传动轴(407)上，四者可同轴转动无相对运动；所述动力补偿绳盘(406)、凸轮绳盘(405)与传动轴(407)沿轴向分别设有安装孔，所述阶梯轴(409)同轴安装于动力补偿绳盘(406)与凸轮绳盘(405)及传动轴(407)的安装孔内，传递三者之间的扭矩；所述传动轴(407)两端同轴安装于前后两深沟球轴承(402)中，所述前轴承基座(401)与后轴承基座(408)内表面分别设有轴承安装孔，所述前后两深沟球轴承(402)分别安装于前轴承基座(401)与后轴承基座(408)中，所述前轴承基座(401)与后轴承基座(408)通过螺栓固定连接组成箱体结构并固定于机架(6)上。

Images