CN106667722A - 一种人机空间重力平衡外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、一级弹簧装置、一级转向装置、二级弹簧装置、二级转向装置，一级弹簧装置安装在第二关节上板上，一级转向装置安装在第一关节下板上，一级钢丝绳经一级弹簧装置及一级转向装置固定在二级轴上。二级弹簧装置及二级转向装置安装在第四关节下板上，二级钢丝绳经二级弹簧装置及二级转向装置固定在四级轴上。通过设置一级滑轮组件，压簧的小运动位移即可满足上肢大范围运动。通过调整二级轴的长度及二级轴、二级转向装置、四级轴、四级转向装置在外骨骼上的位置，实现对不同质量及长度的外骨骼和上肢的空间重力平衡。

Description

一种人机空间重力平衡外骨骼
技术领域
本发明涉及康复医疗器械领域，具体涉及一种人机空间重力平衡外骨骼。
背景技术
医用外骨骼是一种复杂的人机结合的机器人技术，包含机械、控制及人工智能等技术，通过人机之间的物理接触来实现力的传递与检测等功能以此来实现人机交互功能，实现更好的康复治疗。
现有的医疗外骨骼机器人基本都是采用电机或液压驱动的方式实现对病人的康复治疗，此种方式存在能量消耗大、安全系数相对较低等缺点。现有的一些重力平衡外骨骼一般不能实现人体上肢与外骨骼两者的重力平衡或者将外骨骼与人体上肢看做一体进行处理，模型建立过程中就存在误差，导致平衡精度有所下降，并且采用平行四边形原理增加机构的复杂性。基于此，本发明设计了一种人体上肢与外骨骼同时达到空间平衡的外骨骼康复机器人。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有重力平衡外骨骼不能实现人体上肢与外骨骼两者同时达到空间重力平衡的问题而设计。进而提供一种更大程度上的重力平衡外骨骼。
本发明的实施例提供了一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，一级弹簧装置，一级转向装置，二级弹簧装置，二级转向装置、一级轴、二级轴、三级轴、四级轴、前臂固定环，
进一步第一关节包括第一关节上板、第一关节下板，第一关节下板过盈装配有一级轴承，第一关节上板与第一关节下板通过一级固定轴连接，通过一级轴端挡板固定，第一关节上板与基座连接。
进一步第二关节包括第二关节上板、第二关节下板，第二关节下板过盈装配有二级轴承，第二关节上板与第二关节下板通过二级固定轴连接，通过二级轴端挡板固定，第二关节上板与第一关节下板连接。
进一步第三关节包括上滑环、固定环、下滑环、滚珠固定架、滚珠，上滑环与下滑环凹槽内固定有滚珠固定架，滚珠固定架内含滚珠，上滑环与下滑环固定形成弧形槽，截面为矩形，固定环可以在弧形槽内相对滑动，固定环与第二关节下板连接，下滑环与第四关节上板连接。
进一步第四关节包括第四关节上板、第四关节下板，第四关节下板过盈装配有四级轴承，第四关节上板与第四关节下板通过四级固定轴连接，通过四级轴端挡板固定。
进一步第二关节上板固定有一级弹簧装置及一级轴，一级转向装置固定在第一关节下板上，第四关节下板分别固定有二级弹簧装置、三级轴和二级转向装置及二级轴，四级轴固定在第四关节上板上。
进一步前臂固定环固定在第四关节下板的末端。
进一步一级转向装置包括双滑轮支架、一级转向滑轮、二级转向滑轮、一级销、一级压板、二级压板，一级转向滑轮通过一级销与一级压板固定在双滑轮支架上，二级转向滑轮通过二级压板固定在双滑轮支架上。
进一步一级弹簧装置包括一级滑轮组件、一级导轨、一级滑块、光杠固定板、一级光杠、一级弹簧、光杠支撑板、小支撑架、大支撑架、一级钢丝绳。
第二关节上板上装有两根一级导轨，一级导轨上装有一级滑块，一级滑块上装有小支撑架，一级滑轮组件被两个小支撑架支撑，光杠固定板连接在一级滑轮组件的滑轮轴上，一级弹簧装在一级光杠上，一级光杠的另一端穿过光杠支撑板，光杠支撑板固定在另一侧的一级滑轮组件的滑轮固定轴上，该侧一级滑轮组件被两个大支撑架固定在第二关节上板上，一级钢丝绳通过一级轴固定在第二关节上板上，通过缠绕在一级滑轮上，通过一级转向装置固定在二级轴上，二级轴固定在第四关节下板上。
进一步一级滑轮组件包括滑轮轴、大铜套、小铜套、一级滑轮。
滑轮轴上通过大铜套与小铜套各两个在滑轮轴两端各固定两个一级滑轮。
进一步二级转向装置包括三级转向滑轮销、三级转向滑轮、四级转向滑轮、四级转向滑轮销、五级转向滑轮、五级转向滑轮销。
三级转向滑轮销与四级转向滑轮销安装在第四关节下板的外侧即安装在二级导轨一侧，两者分别固定三级转向滑轮、四级转向滑轮，五级转向滑轮销安装在第四关节下板的另一侧，并固定五级转向滑轮。
进一步二级弹簧装置包括二级导轨、二级滑块、二级光杠、光杠支撑座、二级滑轮、二级弹簧、光杠固定架。
二级导轨固定在第四关节下板上，二级导轨上有二级滑块，其上固定有光杠支撑座，光杠支撑座固定有二级滑轮，光杠支撑座同时支撑二级光杠，二级光杠的另一端被光杠固定架连接在第四关节下板上。二级钢丝绳通过三级轴固定在第四关节下板上，通过缠绕在二级滑轮上，通过二级转向装置固定在第四关节上板的四级轴上。
二级轴在第四关节下板上的位置及其长度是随外骨骼的整体质心分布、人体上肢的质心分布及上臂和前臂的长度变化而变化的。五级转向滑轮销固定在第四关节下板自身轴线上，且其距离第四关节旋转轴的距离是随外骨骼的整体质心分布、人体上肢的质心分布及上臂和前臂的长度变化而变化的。四级轴固定在第四关节上板自身轴线上，且其距离第四关节旋转轴的距离是随外骨骼的整体质心分布、人体上肢的质心分布及上臂和前臂的长度变化而变化的。以上这些变化是通过销的位置变化来变化，对于一个成品来说是固定的。
与现有技术相比本发明的有益效果是：1、可以实现人体上肢与外骨骼两者的空间重力平衡。2、利用运动学与势能守恒原理确定弹簧的安装位置及劲度系数避免使用平行四边形机构，进而简化了外骨骼装置。3、弹簧装置采用压簧与动滑轮组的组合方式实现零初长弹簧，与传统单一拉簧相比具有占用体积小的优势。4、利用弹簧的弹性势能的改变平衡掉上肢及外骨骼两者的重力势能的变化，利用完全被动的方法平衡掉重力势能，消除上肢运动过程中克服重力势能做功。
附图说明
图1为一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼的总体结构三维示意图；
图2为一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼的总体结构轴侧视图；
图3为第一关节及一级转向装置的连接示意图；
图4为第二关节上板和一级弹簧装置及一级轴连接示意图；
图5为第三关节连接示意图；
图6为第四关节下板与二级弹簧装置和二级轴及三级轴连接示意图；
图7为一级滑轮组件***视图；
图8为第二关节连接示意图；
图9为第四关节连接示意图；
图10为人体上肢与外骨骼质心位置分布原理图；
图11为弹簧安装位置分布原理图；
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括：基座1、连接角板2、一级固定轴3-1、第一关节上板3-2、第一关节下板3-3、一级轴承3-4、一级轴端挡板3-5、双滑轮支架8-1、一级转向滑轮8-2、一级销8-3、一级压板8-4、二级转向滑轮8-5、二级压板8-6，基座1通过连接角板2与第一关节上板3-2连接，第一关节上板3-2通过一级固定轴3-1与第一关节下板3-3连接，使用一级轴端挡板3-5固定，第一关节下板3-3内过盈装配有一级轴承3-4，第一关节下板3-3与双滑轮支架8-1连接，双滑轮支架8-1上通过一级销8-3固定一级转向滑轮8-2并通过一级压板8-4锁紧，二级转向滑轮8-5通过二级压板8-6固定。
具体实施方式二：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括：连接角板2、第二关节上板4-2、一级滑轮组件7-1、大铜套7-1-1、一级滑轮7-1-2、小铜套7-1-3、滑轮轴7-1-4、一级导轨7-2、一级滑块7-3、光杠固定板7-4、一级光杠7-5、一级弹簧7-6、光杠支撑板7-7、小支撑架7-8、大支撑架7-9、一级钢丝绳7-10、一级轴11，第二关节上板4-2通过连接角板2与第一关节下板3-3连接，第二关节上板4-2上固定有一级导轨7-2两根，所述导轨7-2一端设置有一级滑块7-3，所述一级滑块7-3上安装并固定有小支撑架7-8，两个小支撑架7-8支撑并固定一级滑轮组件7-1、所述一级滑轮组件7-1上的滑轮轴7-1-4上固定有光杠固定板7-4，所述光杠固定板7-4上固定有两根一级光杠7-5，所述一级光杠7-5穿过开有通孔的光杠支撑板7-7，所述光杠支撑板7-7固定在另一端的一级滑轮组件7-1上的滑轮轴7-1-4上，该端的滑轮轴7-1-4被两个大支撑架7-9支撑并固定，一级弹簧7-6安装在一级光杠7-5上。一级滑轮组件7-1左端通过大铜套7-1-1及小铜套7-1-3固定两个一级滑轮7-1-2，一级滑轮组件7-1右端通过大铜套7-1-1及小铜套7-1-3固定两个一级滑轮7-1-2，一级滑轮7-1-2上缠绕着一级钢丝绳7-10，一级钢丝绳7-10的一端通过一级轴11固定，一级钢丝绳7-10的另一端通过一级转向滑轮8-2与二级转向滑轮8-5转变方向后固定在第四关节下板6-3上的二级轴12上。
具体实施方式三：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括：二级固定轴4-1、第二关节上板4-2、二级轴承4-3、第二关节下板4-4、二级轴端挡板4-5、上滑环5-1、滚珠固定架5-2、滚珠5-3、固定环5-4、下滑环5-5、四级轴端挡板6-1、第四关节上板6-2、第四关节下板6-3、四级轴承6-4、四级固定轴6-5、四级轴14，第二关节上板4-2通过二级固定轴4-1与第二关节下板4-4连接，通过二级轴端挡板4-5固定，第二关节下板4-4内过盈装配有二级轴承4-3，第二关节下板4-4与固定环5-4固定连接，固定环5-4在上滑环5-1与下滑环5-5形成的凹槽内转动，上滑环5-1与下滑环5-5固定连接，上滑环5-1及下滑环5-5的凹槽内安装有滚珠固定架5-2，滚珠固定架5-2内含有滚珠5-3，下滑环5-5与第四关节上板6-2固定连接，第四关节上板6-2上固定有四级轴14，第四关节上板6-2与第四关节下板6-3通过四级固定轴6-5连接，通过四级轴端挡板6-1固定，第四关节上板内过盈装配有四级轴承6-4。
具体实施方式四：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括：第四关节下板6-3、二级导轨9-1、二级滑块9-2、光杠支撑座9-3、二级滑轮9-4、二级弹簧9-5、光杠固定架9-6、二级光杠9-7、二级钢丝绳9-8、三级转向滑轮销10-1、三级转向滑轮10-2、四级转向滑轮10-3、四级转向滑轮销10-4、五级转向滑轮10-5、五级转向滑轮销10-6、二级轴12、三级轴13、前臂固定环15，
第四关节下板6-3上安装固定有二级导轨9-1，二级导轨9-1上安装有二级滑块9-2，二级滑块9-2上固定有光杠支撑座9-3，光杠支撑座9-3上有通孔，光杠支撑座9-3支撑有二级光杠9-7，二级光杠9-7的另一端被光杠固定架9-6固定，二级光杠9-7上安装有二级弹簧9-5，第四关节下板6-3上固定有三级转向滑轮销10-1、四级转向滑轮销10-4、五级转向滑轮销10-6、二级轴12、三级轴13，三级转向滑轮销10-1上固定有三级转向滑轮10-2，四级转向滑轮销10-4上固定有四级转向滑轮10-3，五级转向滑轮销10-6上固定有五级转向滑轮10-5，二级钢丝绳9-8一端固定在三级轴13上，通过二级滑轮9-4、三级转向滑轮10-2、四级转向滑轮10-3、五级转向滑轮10-5导向后固定在四级轴14上，第四关节下板6-3上固定有前臂固定环15。
结合图7图8说明该装置平衡原理：
如图7所示，人穿上外骨骼后，各关节坐标系建立在人体上肢质心所在轴线上，假设人体上肢质心处于如图所示轴线上，其与外骨骼质心所在轴线之间的距离为r，人体上臂长度为d2，质心距坐标系2原点距离为m2，质量为M2，人体前臂长度为l3，质心距离坐标系3原点为m3，质量为M3，外骨骼第二关节下板及其上部件质心距离外骨骼第二关节为m4，质量为M4，外骨骼第四关节上板及其上部件质心距离外骨骼第四关节为m5，质量为M5，第四关节下板及其上部件质心距离末端为m6，质量为M6。
各质心所在各自坐标系下的坐标为：[0 -m2 0 1]T[0 -m3 01]T，[0 r m4 1]T，[0 -m5 -r 1]T，[-m6 0 -r 1]T
由DH坐标可列传递矩阵在此省略，其中θ1代表外骨骼第一关节转角，θ2代表外骨骼第二关节转角，θ3代表外骨骼第三关节转角，θ4代表外骨骼第四关节转角，各个质心坐标转换到0坐标系后，各坐标为
[(m2-d2) sinθ1 (d2-m2)cosθ1 0 1]T
[-m4 sinθ1 m4 cosθ1 r 1]T
现在可以求出***势能，求势能时只需要各质心在基系中的x坐标即可，将各重力势能合并同类项，分开表示为V1V2V3，g代表重力加速度
V1＝[M2gm2-(M2g+M3g+M5g+M6g)d2-M4gm4+M5gms]sinθ1
V2＝[M3g(m3-l3)+M6g(m6-l3)](sθ1sθ3-cθ1cθ2cθ3)
V3＝[-r(M5+M6)g]cθ1sθ2
设弹簧劲度系数为K1在坐标系0中的安装位置坐标为(K1d K1s K1f)T，在坐标
系3中的安装位置为(K3a K3b K3c)T，为求K1的伸长量，应将K1在坐标系3中的安装位置
坐标变换到坐标系0中，变化后为，
K3ccθ1sθ2-(K3a+l3)(sθ1sθ3-cθ1cθ2cθ3)-K3b(cθ3sθ1+cθ1cθ2cθ3)-d2sθ1
K3csθ1sθ2+(K3a+l3)(cθ1sθ3+cθ2cθ3sθ1)+K3b(cθ1cθ3-cθ2sθ1sθ3)+d2cθ1
K3ccθ2-(K3a+l3)cθ3sθ2+K3bsθ2sθ3
设弹簧2在坐标系2中的坐标为[KA KB KC]T，在坐标系3中的安装位置为[KD KE KF]T，为求弹簧2的伸长量应将坐标系3中的安装位置坐标变换到坐标系2中，变换后的坐标为
下面求弹簧2的弹性势能，化简后，所有常数项在此一并省略得
列重力平衡条件得
V1+K1K1dd2sθ1＝0
V2+K1K1d(K3a+l3)(sθ1sθ3-cθ1cθ2cθ3)＝0
V3-K1K1dK3ccθ1sθ2＝0
K2KB(l3+KD)-K1(K3s+l3)d2＝0
上述平衡条件求出的K1d确定了一级转向滑轮沿第一关节轴线的位置，K3a、K3c确定了二级轴的位置及长度，KB、KD确定了四级轴及五级转向滑轮的位置。
弹簧的安装位置及劲度系数至此可以求出，***得以完全平衡，本装置使用了动滑轮组与压簧来实现零初长弹簧，因此，对于计算出的一级弹簧的劲度系数，k1，其存储的弹性势能为1/2k1x2，由于使用了滑轮组及两根压簧，设压簧劲度系数为kk1一级弹簧装置存储的势能为1/2(2kk1)(x/8)2，两者相等可求出实际所需弹簧劲度系数为计算出k1的32倍。
对于二级弹簧的计算与一级弹簧类似，实际所用弹簧劲度系数为计算出的4倍，使用动滑轮组与压簧可以明显减小外骨骼体积。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，一级弹簧装置，一级转向装置，二级弹簧装置，二级转向装置、一级轴、二级轴、三级轴、四级轴、前臂固定环，
所述第一关节包括第一关节上板、第一关节下板，一级轴承过盈安装在所述第一关节下板上，所述第一关节上板与所述第一关节下板通过一级固定轴连接，通过一级轴端挡板固定，所述第一关节上板与基座连接；
所述第二关节包括第二关节上板、第二关节下板，所述第二关节下板过盈装配有二级轴承，所述第二关节上板与所述第二关节下板通过二级固定轴连接，通过二级轴端挡板固定，所述第二关节上板与所述第一关节下板通过连接角板连接；
所述第三关节包括上滑环、固定环、下滑环、滚珠固定架、滚珠，所述滚珠固定架安装在所述上滑环与所述下滑环凹槽内，所述滚珠固定架内含滚珠，所述上滑环与所述下滑环固定形成弧形槽，截面为矩形，所述固定环可以在弧形槽内相对滑动，所述固定环与所述第二关节下板连接，所述下滑环与所述第四关节上板连接；
所述第四关节包括第四关节上板、第四关节下板，四级轴承过盈安装在所述第四关节下板上，所述第四关节上板与所述第四关节下板通过四级固定轴连接，通过四级轴端挡板固定；
所述一级弹簧装置及一级轴安装并固定在所述第二关节上板上，所述一级转向装置安装并固定在所述第一关节下板上，所述二级弹簧装置、二级转向装置、二级轴、三级轴安装并固定在所述第四关节下板上，四级轴安装并固定在所述第四关节上板上；
所述前臂固定环安装并固定在所述第四关节下板的末端。
2.根据权利要求1所述的一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，一级转向装置包括双滑轮支架、一级转向滑轮、二级转向滑轮、一级销、一级压板、二级压板，所述双滑轮支架安装并固定在所述第一关节下板上，所述一级转向滑轮通过所述一级销与所述一级压板安装并固定在所述双滑轮支架上，所述二级转向滑轮安装并固定在所述双滑轮支架上。
3.根据权利要求1所述的一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，一级弹簧装置包括一级滑轮组件、一级导轨、一级滑块、光杠固定板、一级光杠、一级弹簧、光杠支撑板、小支撑架、大支撑架、一级钢丝绳，两根所述一级导轨安装并固定在所述第二关节上板上，所述一级滑块安装并固定在所述一级导轨上，所述小支撑架安装并固定在所述一级滑块上，所述一级滑轮组件支撑在两个所述小支撑架上，所述光杠固定板连接并固定在滑轮轴上，所述一级弹簧安装在所述一级光杠上，所述一级光杠的另一端穿过所述光杠支撑板，所述光杠支撑板固定在所述一级光杠另一侧的滑轮固定轴上，所述的滑轮固定轴被两个大支撑架固定在第二关节上板上，一级钢丝绳通过一级轴固定在所述第二关节上板上，一级钢丝绳由一级滑轮导向通过一级转向装置固定在二级轴上，所述二级轴固定在第四关节下板上。
4.根据权利要求3所述的一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，一级滑轮组件包括滑轮轴、大铜套、小铜套、一级滑轮，所述滑轮轴两端各固定两个所述一级滑轮。
5.根据权利要求1所述的一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，二级转向装置包括三级转向滑轮、三级转向滑轮销、四级转向滑轮、四级转向滑轮销、五级转向滑轮、五级转向滑轮销，所述三级转向滑轮销与所述四级转向滑轮销安装在第四关节下板的外侧即安装在二级导轨一侧，两者分别固定所述三级转向滑轮、四级转向滑轮，所述五级转向滑轮销安装在第四关节下板的内侧，所述第四关节下板安装并固定所述五级转向滑轮。
6.根据权利要求1所述的一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，二级弹簧装置包括二级导轨、二级滑块、二级光杠、光杠支撑座、二级滑轮、二级弹簧、光杠固定架，所述二级导轨安装并固定在第四关节下板上，所述二级滑块安装并固定在所述二级导轨上，所述光杠支撑座安装并固定在所述二级滑块上，所述二级滑轮安装并固定在所述光杠支撑座上，所述光杠支撑座同时支撑所述二级光杠，所述二级光杠的另一端被所述光杠固定架连接在第四关节下板上；
二级钢丝绳通过三级轴固定在第四关节下板上，并缠绕在二级滑轮上，通过二级转向装置固定在第四关节上板的四级轴上。
7.根据权利要求1所述的一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，其特征在于，一级转向滑轮安装在第一关节所在轴线上。
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