WO2013000156A1 - 康复机器人小腿调整系统 - Google Patents

Abstract

一种康复机器人小腿调整系统，包括小腿部位伸缩装置和膝关节回转装置，其中电机（15）驱动丝杠（2）转动，从而带动丝杠螺母和连接架（4）使与连接架（4）固定的燕尾槽导轨（1）移动，以在康复训练时实现小腿部位伸缩；带轮（10）带动固定于扭矩传感器座（24）上的扭矩传感器（25），从而驱动整个膝关节实现膝关节回转。该系统具有两个自由度，定位精度高，运动直观性强，整体刚度大，结构简单，容易制造。

Description

康复机器人小腿调整系统 技术领域

本发明涉及机械行业医疗辅助器械领域， 尤其涉及一种康复机器人 小腿调整系统。 背景技术

据统计， 中国 60岁以上的老年人已有 1.2亿， 占全国人口的 10%。 伴随老龄化进程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性明显下降， 进而对日常生活产生了种种不利影响。 此外， 由于各种疾病引起的肢体 运动性障碍的病人以及由于意外事故导致的脊髓损伤患者也在显著增 加。 通过康复医师帮助病人进行运动训练以及简单器械辅助医师对病人 进行运动训练已经远不能满足患者的要求。

近年来， 随着机电一体化技术的高速发展， 康复机器人以其自动化、 精确化以及智能化的特点开始逐渐替代人类完成一些简单的任务。 目前, 只有欧美等发达国家研制出了较高级的康复医疗机器人， 能够帮助患者 进行多种多样的主被动训练， 不仅将康复医师从繁重的体力劳动中解放 出来， 使他们能够同时去指导多个病人进行康复训练， 同时也增加了患 者的运动积极性和运动强度等。 然而， 目前的康复设备自动化和智能化 程度比较低， 小腿部位伸缩装置只是为简单的导轨伸縮结构， 没有动力 辅助和扭矩， 腿长等数据反馈。

申请人意识到现有技术存在如下技术问题： 现有的康复机器人小腿 调整系统需要康复医师借助扳手对锁紧螺钉进行放松和紧固来调节腿 长， 增大了其工作强度， 并且调节极为不便。 发明内容

(一） 要解决的技术问题

针对上述技术问题， 本发明提供了一种康复机器人小腿调整系统， 以提供一种方便调节的康复机器人小腿调整系统。

(二） 技术方案 根据本发明的一个方面， 本发明公开了一种康复机器人小腿调整系 统。 该康复机器人小腿调整系统包括调整小腿部分长度并测量小腿伸缩 量的小腿部位伸缩装置和带动整个小腿摆动并测量回转扭矩的膝关节回 转装置。 小腿部位伸缩装置和膝关节回转装置两者可以分别或联合设置。

小腿部位伸缩装置主要包括一对啮合的齿轮、 丝杠、 万向丝杠螺母、 齿条、 电位器齿轮、 燕尾槽导轨、 梯形滑块以及万向铰链等。 齿轮的啮 合传动， 带动丝杠转动， 通过丝杠螺母 （由丝杠螺母上部和丝杠螺母下 部组成） 带动固定在其上的丝杠螺母万向架及连接架沿丝杠轴向进给， 由于连接架通过螺钉与燕尾槽导轨连接， 燕尾槽导轨与梯形滑块依靠燕 尾槽配合， 并可沿着与丝杠轴平行的方向做相互移动。 与连接架相连的 还有电位器齿轮， 通过与可摆动齿条啮合传动来测量连接架相对丝杠的 位置， 进而记录小腿伸缩的长度。

为了使齿条在燕尾槽配合出现误差时始终与齿轮定距啮合， 用固定 在连接架上的齿条尼龙顶块将其固定。 由于加工和安装时的误差， 燕尾 槽运动轨迹和丝杠可能不平行， 设计用丝杠螺母和丝杠螺母万向架组成 一个类似万向铰链结构 （丝杠螺母相对于固定于燕尾槽导轨上的连接架 具有 2个方向的转动自由度）， 此结构和万向铰链 （电机固定架相对于梯 形滑块具有 2个方向的转动自由度） 配合使用组成一对万向铰链结构， 使整个电机固定架和固定其上的丝杠部分相对于燕尾槽导轨和梯形滑块 是浮动连接的， 当燕尾槽运动轨迹出现偏差时， 丝杠可随动改变角度， 始终与燕尾槽机构运动方向平行， 消除误差， 既保护了机构不被损坏又 使机构功能得到实现。

丝杠螺母分成上下两个部分， 两部分通过两个螺栓锁紧， 两个紧定 螺钉定位， 实现上下丝杠螺母的距离可调， 也就是丝杠螺母的螺距可调， 从而达到消除丝杠与丝杠螺母螺紋配合时的间隙的目的。 电机固定架上 安装有限位开关， 当连接架与其碰触时， 停止移动。 连接架上安装有行 程开关， 当连接架运动到与丝杠下部碰触时运动停止。

膝关节回转装置主要包括膝关节小腿部分、 膝关节大腿部分、 扭矩 传感器座、 扭矩传感器及带轮。 扭矩传感器与带轮直连， 扭矩传感器固 定于扭矩传感器座上， 由带轮驱动扭矩传感器， 从而带动扭矩传感器座 以及整个关节转动。 由于扭矩传感器能够承受的径向力很小， 所以设计 通过扭矩传感器座与轴承来承受带轮被同步带驱动时产生的径向力， 它 们组成卸荷机构， 保证扭矩传感器不受径向力。

优选地， 本发明康复机器人小腿调整系统中， 小腿部位伸缩装置依 靠丝杠传动使燕尾槽部件发生移动， 用可调整距离的上下两个丝杠螺母 配合消除丝杠螺紋间隙， 用万向铰链和丝杠螺母万向架配合组成一对万 向装置， 保证燕尾槽运动方向与丝杠传动方向始终平行。

优选地， 本发明康复机器人小腿调整系统中， 小腿部位伸缩装置设 计有可摆动的齿条消除误差， 通过尼龙顶块使齿条始终与电位器齿轮啮 合， 保证测量精度。

优选地， 本发明康复机器人小腿调整系统中， 小腿部位伸縮装置设 计机械限位和电器限位配合使用， 提高可靠性。

优选地， 本发明康复机器人小腿调整系统中， 所述膝关节回转装置 设计通过扭矩传感器座和轴承构成卸荷装置， 使扭矩传感器不受径向力， 保证测量的可靠性和准确性， 并设计有机械限位保证装置的安全性。

优选地， 本发明康复机器人小腿调整系统中， 膝关节回转装置采用 带轮带动扭矩传感器直驱整个关节及小腿， 扭矩传感器既是传动件， 又 是测量件， 保证了测量精度。

(三） 有益效果

本发明具有下列有益效果：

( 1 ) 本发明康复机器人小腿调整系统的小腿部位伸缩装置采用电机 驱动， 装有精度很高的旋转电位器， 可以记录小腿调整的伸缩量。 本发 明的丝杠较长， 采用一对万向装置消除安装和加工误差， 一对丝杠螺母 消除丝杠螺纹间隙， 因此丝杠的传动精度比较高， 误差小， 可靠性高；

( 2 ) 本发明中， 小腿部位伸缩装置安装有精度很高的旋转电位器， 可以记录小腿调整的伸缩量， 并且机械限位的应用保证了机构的安全性；

( 3 ) 本发明康复机器人小腿调整系统的膝关节回转装置结构紧凑， 通过扭矩传感器直驱关节， 测量精度高， 机构的卸荷功能保证了系统的 高可靠性， 机械限位的应用保证了机构的安全性；

( 4 ) 本发明的康复机器人小腿调整系统一共具有两个自由度， 有很 高的定位精度， 运动直观性很强， 系统整体刚度大， 结构实现起来较容 易， 驱动器和控制结构简单。 附图说明

图 1为本发明康复机器人小腿调整系统总图；

图 2a为本发明康复机器人小腿调整系统中小腿部位伸缩装置的爆炸 视图；

图 2b为本发明康复机器人小腿调整系统中小腿部位伸縮装置水平侧 向视图；

图 2c为图 2a小腿部位伸縮装置中连接架及丝杠螺母万向架部分的背 向放大爆炸视图；

图 3a为本发明康复机器人小腿调整系统中膝关节回转装置的结构示 意图；

图 3b为图 3a膝关节回转装置的背向视图；

图 3c为图 3a膝关节回转装置的零件装配图；

图 3d为图 3a膝关节回转装置的三维剖视图。 具体实施方式

为使本发明的目的、 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， 对本发明进一步详细说明。 为描述方便， 首先对 本发明涉及的元器件进行标号说明：

小腿部位伸缩装置：

1 -燕尾槽导轨， 2-丝杠， 3-限位开关，

4-连接架， 5-尼龙顶块， 6-行程开关，

7-从动齿轮， 8-万向铰链， 12-主动齿轮，

13-梯形滑块， 14-齿条， 15-电机，

16-旋转电位器， 17-电位器齿轮， 18-螺栓，

19-紧定螺钉， 20-丝杠螺母万向架, 21-丝杠螺母下部， 22-丝杠螺母上部， 27-电机固定架， 28-万向铰链立架， 29-万向铰链吊架。 膝关节回转装置：

9-膝关节小腿部分， 10-带轮， 11 -膝关节大腿部分，

23-限位螺钉， 24-扭矩传感器座， 25-扭矩传感器，

26-轴承。

本发明康复机器人小腿调整系统的小腿部位伸缩装置如图 1及图 2a、 图 2b、 图 2c所示， 启动电机 15， 带动主动齿轮 12运动， 从动齿轮 7与 主动齿轮相啮合运动， 带动丝杠 2转动， 丝杠螺母上部 22与丝杠螺母下 部 21套入丝杠螺母万向架 20， 组成一组万向铰链， 并通过连接架 4与燕 尾槽导轨 1固定， 形成一个整体。

在丝杠转动的同时， 燕尾槽导轨 1沿着丝杠轴移动。 连接架 4同时 安装旋转电位器 1,6， 在燕尾槽导轨 1沿丝杠轴向运动的同时， 通过固接 在旋转电位器 16旋转轴上的电位器齿轮 17和与丝杠平行的齿条 14的啮 合传动， 带动旋转轴转动， 旋转电位器 16产生信号， 记录小腿的伸缩量。 齿条的一端连在电机固定架 27上， 可摆动消除齿条与连接架运动轨迹的 平行误差， 尼龙顶块 5保证齿条 14在出现微小摆动时始终与电位器齿轮 17啮合。

连接架 4向上运动至触发行程开关 6， 行程开关返回信号， 电机停转 实现止动； 限位开关 3 安装在丝杠螺母上， 与丝杠尾部接触实现止动， 丝杠尾部为可转动光滑部件， 防止丝杠转动摩擦损坏限位开关。 梯形滑 块 13与膝关节小腿部分 9固定， 并与燕尾槽导轨 1通过燕尾槽结构配合 运动。

在保证可靠性和精度方面， 万向铰链 8长端 2个铰链轴插入万向铰 链立架 28轴孔中， 电机固定架 27和安装在其上的电机 15和丝杠 2等部 分可以万向铰链 8长端铰链轴为中心摆动； 万向铰链 8短端 2个铰链轴 分别插入梯形滑块 13和万向铰链吊架 29的轴孔中， 梯形滑块 13和万向 铰链吊架 29都固定在膝关节小腿部分 9上， 可以说电机固定架 27和安 装在其上的丝杠 2， 万向铰链立架 28及万向铰链 8等部分是以万向铰链 8短端铰链轴为中心浮动吊装在梯形滑块 13上的， 并可以万向铰链 8短 端铰链轴为中心摆动。相对于不动的梯形滑块 13， 电机固定架 27可以万 向铰链 8铰链轴为中心向任意方向摆动， 此为一个万向铰链机构。 丝杠螺母处万向铰链结构原理与上述原理相同， 把丝杠螺母看成一 个整体， 丝杠螺母的 2个铰链轴插入丝杠螺母万向架 20的轴孔中， 丝杠 螺母万向架 20的 2个铰链轴分别插入燕尾槽导轨 1和连接架 4的轴孔中， 此为另一个万向铰链机构。

本发明的小腿部位伸缩装置中， 使用一对万向铰链结构使电机固定 架 27和丝杠 2浮动于燕尾槽导轨 1和梯形滑块 13上， 丝杠 2可随燕尾 槽运动轨迹偏差改变角度， 始终与燕尾槽机构运动方向平行， 消除误差， 来保证整个装置的可靠性。 丝杠螺母上部 22与丝杠螺母下部 21通过螺 栓 18， 紧定螺钉 19定距固定组成一个丝杠螺母， 并消除丝杠与丝杠螺母 螺纹配合间隙， 从而保证了旋转电位器测量的小腿伸縮量的准确性。

需要说明的是， 上述实施方式描述的是用电机通过齿轮驱动丝杠转 动的形式， 实际实施时也可采用电机直驱丝杠等其他驱动形式。

本发明康复机器人小腿调整系统的膝关节回转装置如图 1、图 3a、图 3b、 图 3c、 图 3d所示， 带轮 10通过方孔套在扭矩传感器 25的方轴上固 定， 扭矩传感器 25固定于扭矩传感器座 24， 扭矩传感器座 24与膝关节 小腿部分 9固定连接， 带轮转动通过扭矩传感器带动整个小腿部分转动， 扭矩传感器 25传动的同时可以测量数据。 限位螺钉 23在膝关节小腿部 分 9弧形槽内运动， 起到机械限位作用。 因为扭矩传感器 25不能承受径 向力， 为了保证同步带带动带轮 10转动时产生的径向力不会作用在扭矩 传感器 25上， 设计带轮 10与轴承 26以及扭矩传感器座 24组成卸荷结 构， 带轮 10受到同步带作用的径向力全部通过轴承 26传递到了扭矩传 感器座 24上， 扭矩传感器座 24承受了全部径向力， 从而保证扭矩传感 器 25只承受带轮 10转动的扭矩， 从而保证可靠性和精度。

综上所示， 本发明康复机器人小腿调整系统的小腿部位伸缩装置及 关节回转装置一共具有两个自由度， 有很高的定位精度， 运动直观性很 强， 系统整体刚度大， 结构实现起来较容易， 驱动器和控制结构简单。

以上所述的具体实施例， 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 例而己， 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

权利要求

1、 一种康复机器人小腿调整系统， 其特征在于， 该康复机器人 小腿调整系统包括小腿部位伸缩装置， 该小腿部位伸缩装置包括： 梯 形滑块、 燕尾槽、 电机固定架、 电机、 主动齿轮、 从动齿轮、 丝杠、 万向丝杠螺母、 丝杠螺母万向架、 连接架、 燕尾槽导轨， 以及梯形滑 固定于电机固定架的电机带动主动齿轮运动，从动齿轮与主动齿 轮相啮合运动， 带动丝杠转动， 万向丝杠螺母套入丝杠螺母万向架， 组成第一万向铰链， 并通过连接架与燕尾槽导轨固定， 丝杠转动带动 燕尾槽导轨沿着丝杠轴移动。

2、 根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 梯形滑块与膝关节小腿部分固定， 并与燕尾槽导轨通过燕尾槽配 合运动； 丝杠螺母的 2个铰链轴插入丝杠螺母万向架的轴孔中， 丝杠 螺母万向架的 2个铰链轴分别插入燕尾槽导轨和连接架的轴孔中，组 成第一万向铰链。

3、 根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 所述小腿部位伸缩装置还包括： 第二万向铰链、 万向铰链立架、 万向铰链吊架；

第二万向铰链长端 2个铰链轴插入万向铰链立架轴孔中，电机固 定架和安装在其上的电机和丝杠能以第二万向铰链长端铰链轴为中 心摆动；第二万向铰链短端 2个铰链轴分别插入梯形滑块和万向铰链 吊架的轴孔中， 梯形滑块和万向铰链吊架固定在膝关节小腿部分。

4、 根据权利要求 3所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 电机固定架和安装在其上的丝杠， 万向铰链立架及第二万向铰链 能以第二万向铰链短端铰链轴为中心浮动吊装在梯形滑块上，并能以 第二万向铰链短端铰链轴为中心摆动。

5、 根据权利要求 3所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 梯形滑块固定设置， 电机固定架能以第二万向铰链铰链轴为中心 向任意方向摆动。

6、 根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 该康复机器人小腿调整系统还包括： 膝关节回转装置；

膝关节回转装置主要包括膝关节小腿部分、膝关节大腿部分、扭 矩传感器座、 扭矩传感器及带轮。 扭矩传感器与带轮直连， 扭矩传感 器固定于扭矩传感器座上， 由带轮驱动扭矩传感器， 从而带动扭矩传 感器座以及整个关节转动。

7、 根据权利要求 6所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 带轮通过方孔套在扭矩传感器的方轴上固定， 扭矩传感器固定于 扭矩传感器座， 扭矩传感器座与膝关节小腿部分固定连接， 带轮转动 通过扭矩传感器带动整个小腿部分转动，扭矩传感器传动的同时可以 测量数据， 限位螺钉在膝关节小腿部分弧形槽内运动。

8、 根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于，所述万向丝杠螺母包括：万向丝杠螺母上部和万向丝杠螺母下部; 丝杠螺母上部与丝杠螺母下部的距离可调，两者通过紧固件定距 固定组成一个丝杠螺母。

9、 根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 连接架上安装旋转电位器， 在电机固定架的一端设置齿条， 该齿 条与丝杠平行；

在燕尾槽导轨沿丝杠轴向运动的同时，通过固接在旋转电位器旋 转轴上的电位器齿轮和齿条的啮合传动， 带动旋转轴转动， 旋转电位 器产生信号， 记录小腿的伸縮量。

10、根据权利要求 9所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 在连接架上设置尼龙顶块， 该尼龙顶块将所述齿条紧啮合至所述 电位器齿轮。

11、根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于， 在所述电极固定架上对应丝杠的位置设置行程开关， 当所述连接 架运动至行程开关时， 行程开关返回信号， 所述电机停转实现止动。

12、根据权利要求 1所述的康复机器人小腿调整系统， 其特征在 于，在所述丝杠螺母上设置限位开关，丝杠尾部设置可转动光滑部件; 在丝杠运动的 止云力。