CN217245394U - 一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构。解决了现有重力平衡机构存在的设备重量大，以及所能提供的力不足以平衡外骨骼机械臂自重的问题。该重力平衡机构包括摇臂、安装基板、摇臂转轴、偏心轮、涡卷弹簧阵列、柔性皮带以及导向轮组；摇臂的一侧设置安装基板，摇臂另一侧通过摇臂转轴与外部驱动电机输出轴连接，偏心轮安装在摇臂靠近安装基板的侧面上，且相对于摇臂旋转中心偏置；安装基板上靠近摇臂的侧面安装涡卷弹簧阵列和至少一个导向轮组；柔性皮带依次与涡卷弹簧阵列中每个涡卷弹簧的外圈末端固连后经导向轮组引导后与所述偏心轮固连。

Description

一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构

技术领域

本实用新型涉及一种平衡机构，具体涉及一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构。

背景技术

目前上肢外骨骼康复训练机器人分为有源和无两源大类。有源的上肢外骨骼康复训练机器人一般是6个电机驱动的外骨骼机械臂结构，6个电机分别对应上臂的肩、肘、腕3各关节共6个自由度。由于电机较多，外骨骼机械臂自重较大，导致肩关节前屈后伸动作所需的驱动扭矩很大，整个结构笨重，使得人体训练受到一定的影响。

现有上肢外骨骼康复训练机器人大多没有重力平衡机构，该类机器人中电机驱动力的绝大部分用于平衡外骨骼机械臂的自重，少部分用于患者上肢的支撑和驱动训练，因此造成电机输出扭矩大，结构笨重。还有少部分上肢外骨骼康复训练机器人设置了重力平衡机构，重力平衡机构是通过反方向安装配重块、或者采用圆柱螺旋拉伸弹簧等方式构成，但是这两种方式均存在各自的缺陷：

反方向配重块会引起设备体积增加，自重增加，设备会比较笨重，不适合设备轻量化的发展方向，而且会对训练造成一定的障碍和风险。

在受限的区域内，圆柱螺旋拉伸弹簧所能提供的力不足以平衡外骨骼机械臂的自重。

因此对于上肢外骨骼康复训练机器人的外骨骼机械臂的重力平衡问题是目前上肢外骨骼康复训练机器人存在的主要技术瓶颈。

实用新型内容

为了解决反方向配重块作为重力平衡机构存在的设备重量大且会对训练造成一定障碍和风险的问题，以及在一些受限区域内将圆柱螺旋拉伸弹簧作为重力平衡机构时所能提供的力不足以平衡外骨骼机械臂自重的问题，本实用新型提供了一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构。

本实用新型的设计思路是：

该平衡机构在摇臂上设置偏心轮，通过柔性皮带将涡卷弹簧阵列的拉力转换为摇臂的弯矩，以此平衡摇臂带动的外骨骼机械臂的重力矩，大幅减小设备对驱动电机扭矩的需求，使得上肢外骨骼康复训练机器人结构更加紧凑，同时避免意外断电时外骨骼机械臂自由下落对患者人体造成的意外伤害。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，包括摇臂、安装基板、摇臂转轴、偏心轮、涡卷弹簧阵列、柔性皮带以及导向轮组；

摇臂的一侧设置安装基板，摇臂另一侧通过摇臂转轴与外部驱动电机输出轴连接，偏心轮安装在摇臂靠近安装基板的侧面上，且相对于摇臂旋转中心偏置；

安装基板上靠近摇臂的侧面安装涡卷弹簧阵列和至少一个导向轮组；

柔性皮带依次与涡卷弹簧阵列中每个涡卷弹簧的外圈末端固连后经导向轮组引导后与所述偏心轮固连。

进一步地，上述涡卷弹簧阵列为矩形，包括自上而下设置安装基板上的多个涡卷弹簧对；每个涡卷弹簧对由左旋涡卷弹簧、右旋涡卷弹簧构成，且每个涡卷弹簧对中左旋涡卷弹簧和右旋涡卷弹簧之间设有供柔性皮带安装的间隙。

进一步地，上述涡卷弹簧阵列中各个涡卷弹簧形成三角形、圆形或者梯形。

进一步地，上述涡卷弹簧阵列中每个涡卷弹簧均通过短轴安装在安装基板上。

进一步地，上述导向轮组包括一对导向轮，两个导向轮之间具有间隙。

进一步地，上述偏心轮包括销轴以及安装在销轴上的轴承。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

该机构利用了刚度较大的涡卷弹簧，而且将多个涡卷弹簧通过柔性皮带并联，理论输出力增加数倍，使得能够平衡上肢外骨骼康复训练机器人外骨骼机械臂的自重，大幅降低电机的驱动扭矩，结构尺寸非常紧凑，而且适配外骨骼机械臂的自动换手功能。

附图说明

图1为重力平衡机构为右手状态时的结构示意图；

图2为重力平衡机构为左手状态时的结构示意图。

图3为重力平衡机构剖视图。

附图标记如下：

1-安装基板、2-涡卷弹簧阵列、3-柔性皮带、4-短轴、5-偏心轮、6-右导向轮、7-摇臂转轴、8-摇臂、9-左导向轮、10-驱动电机。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都应当属于本实用新型的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

同时在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语中的“前、后、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实施例提供了一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，如图1-3所示，该平衡机构包括安装基板1、涡卷弹簧阵列2、柔性皮带3、导向轮组、偏心轮5、摇臂8以及摇臂转轴7；

摇臂8用于与外骨骼机械臂大臂模块或前臂模块或掌部模块连接；摇臂8的一侧设置安装基板1，摇臂8另一侧通过摇臂转轴7与外部驱动电机输出轴连接，偏心轮5安装在摇臂8靠近安装基板1的侧面上，且相对于摇臂8旋转中心(即摇臂转轴7的中心)偏置；

安装基板1上靠近摇臂8的侧面安装涡卷弹簧阵列2和至少一个导向轮组；具体来说，本实施例中涡卷弹簧阵列2呈矩形，包括自上而下设置安装基板上的4个涡卷弹簧对；每个涡卷弹簧对由左旋涡卷弹簧、右旋涡卷弹簧构成，且每个涡卷弹簧对中左旋涡卷弹簧和右旋涡卷弹簧之间设有供柔性皮带3安装的间隙；

安装基板1上安装有与涡卷弹簧阵列2中涡卷弹簧数量相等的短轴4，每个涡卷弹簧通过其内圈固联在短轴4上；

柔性皮带3依次与涡卷弹簧阵列2中每个涡卷弹簧的外圈末端固连后经导向轮组引导后柔性皮带3末端绕过偏心轮5并通过铆接的方式固定。本实施例中设置了一组导向轮组，其具体由对称设置左导向轮9和右导向轮6组成。本实施例中为减少柔性皮带的磨损，所述偏心轮5由销轴以及安装在销轴上的轴承构成。

需要说明的是：本实施例中旋涡卷弹簧对共4对，按照矩形布置，从而形成了矩形的涡卷弹簧阵列2，但是不仅仅限于该形状布置，还可通过三角形、圆形、梯形等其它形状的布置。并且还可以通过增减涡卷弹簧阵列中涡卷弹簧的数量来满足不同重量设备的需求。

当摇臂8绕摇臂转轴7顺时针转动(如图1所示)时，柔性皮带3拉动涡卷弹簧，涡卷弹簧对柔性皮带3表现为向上的拉力，该拉力乘以偏心轮5中心与摇臂转轴7的力臂就是涡卷弹簧施加给摇臂8的逆时针扭矩，通过调节涡卷弹簧安装零位可调节摇臂8的平衡位置(即涡卷弹簧的反向弯矩与摇臂带动的外骨骼机械臂的重力矩刚好平衡)。设计时通过选用涡卷弹簧的数量和刚度，或通过调节机械臂的自重可调整摇臂8的平衡位置，根据需求一般调整到45度～90度之间的某个位置。

训练时患者上臂与外骨骼机械臂固定，电机带动驱动摇臂8绕摇臂转轴7旋转，上下摆动，带动患者做康复训练。

设备工作时，外骨骼机械臂的重心位于摇臂与外骨骼机械臂安装面(图中A处所示)的远端，外骨骼机械臂的自重与力臂的乘积为机械臂重力矩。患者上臂与机械臂固定，患者上臂的重心与重心到摇臂转轴的力矩乘积为上臂负载扭矩。电机的驱动扭矩由三部分组成，其一为外骨骼机械臂的自重，一般能占到电机总扭矩的约70％，其二为患者上肢的重量，一般占到电机总量的约20％，其三为机械臂及患者上臂的加速扭矩，一般占到约10％。

该机构处于平衡点时，摇臂相当于失重状态，驱动电机需提供的驱动扭矩大幅减少，整个结构臂的体积和重量也将减少很多。

因为该平衡机构可将摇臂带动的机械臂平衡在设定的角度(一般为45度～90度之间)，避免意外断电时机械臂下落对患者人体造成的意外伤害。

同时，该平衡机构可满足上肢外骨骼康复训练机器人外骨骼机械臂左右手互换功能。如图1所示为上肢外骨骼康复训练机器人右手训练状态。可将安装基板固定，摇臂绕摇臂转轴顺时针转过180度，结果如图2所示，为上肢外骨骼康复训练机器人左手训练状态，上肢外骨骼康复训练机器人实现了左右手的互换，得益于右导向轮5、左导向轮6的对称设计布置。

通过将本实施例的重力平衡机构与反向配重块、圆柱螺旋拉簧、等多种机构进行比较，最终认为采用本实施例的重力平衡机构可在有限的空间内提供较大拉力，作用在偏心轮上，即可提供外加弯矩平衡外骨骼机械臂的重力矩。

Claims (6)

1.一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，其特征在于：包括摇臂、安装基板、摇臂转轴、偏心轮、涡卷弹簧阵列、柔性皮带以及导向轮组；

摇臂的一侧设置安装基板，摇臂另一侧通过摇臂转轴与外部驱动电机输出轴连接，偏心轮安装在摇臂靠近安装基板的侧面上，且相对于摇臂旋转中心偏置；

安装基板上靠近摇臂的侧面安装涡卷弹簧阵列和至少一个导向轮组；

柔性皮带依次与涡卷弹簧阵列中每个涡卷弹簧的外圈末端固连后经导向轮组引导后与所述偏心轮固连。

2.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，其特征在于：涡卷弹簧阵列为矩形，包括自上而下设置安装基板上的多个涡卷弹簧对；每个涡卷弹簧对由左旋涡卷弹簧、右旋涡卷弹簧构成，且每个涡卷弹簧对中左旋涡卷弹簧和右旋涡卷弹簧之间设有供柔性皮带安装的间隙。

3.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，其特征在于：涡卷弹簧阵列中各个涡卷弹簧形成三角形、圆形或者梯形。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，其特征在于：涡卷弹簧阵列中每个涡卷弹簧均通过短轴安装在安装基板上。

5.根据权利要求4所述的一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，其特征在于：导向轮组包括一对导向轮，两个导向轮之间具有间隙。

6.根据权利要求5所述的一种上肢外骨骼康复训练机器人用重力平衡机构，其特征在于：所述偏心轮包括销轴以及安装在销轴上的轴承。

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