CN108202318A - 一种关节角位移控制装置 - Google Patents

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张岩岭
邵东升
王琪
崔文
高志阳
戴维
林玉屏
于振中
李文兴
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Abstract

本发明提供一种关节角位移控制装置，涉及医疗康复设备技术领域。包括关节销轴、第一杆体和第二杆体，第一杆体和第二杆体均通过端部的通孔套装在关节销轴上，且第一杆体与关节销轴固定联接，第二杆体与关节销轴铰接；关节销轴上还套装有环形滑线变阻器，环形滑线变阻器的内圈与关节销轴固定联接，外圈与第二杆体固定联接；所述关节角位移控制装置还包括使第二杆体绕关节销轴在第一极限工位和第二极限工位范围内旋转的限位结构，所述第一极限工位和第二极限工位均为人体关节转动的极限位置。本发明提供了包含角位移检测和限位结构的关节轴系结构，结构简单紧凑，应用广泛，可适用于肢体机器人髋、裸、肩、肘、腕等各关节上。

Description

一种关节角位移控制装置
技术领域
本发明涉及医疗康复设备技术领域，具体涉及一种关节角位移控制装置。
背景技术
近年来我国肢体残疾人数在呈现不断递增趋势，患者接受康复训练的需求和供给存在巨大缺口；老年人高发病诸如由于大脑，神经，脊椎，肌肉或骨骼相关紊乱而导致关节功能丧失或运动受限制，需要辅助康复治疗，其带来的康复需求使得康复医疗行业的需求空间持续增加，传统的人工或简单的医疗设备已经不能满足患者的康复需求，康复机器人应运而生。
肢体康复机器人属于可穿戴设备，一般通过预设好的动作带动患者进行康复训练。为了更好匹配人类关节的正常活动轨迹和带动肢体在合理角度范围活动，肢体康复机器人各关节实时角位移检测反馈和安全限位尤为重要，而对于此方面的具体细节结构普适性和移植性设计，调研发现，现有技术存在以下不足：(1)局限于肢体康复机器人的总体结构设计，例如局限于单腿和双腿的总体结构设计，但并未提及角位移检测和限位具体细化结构；(2)人体的髋膝踝肩肘腕等各关节有一定的角度活动范围和角位移机械零点，此两点对肢体康复机器人使用的安全性和步态算法坐标系标定尤为重要，但调研发现相关专利仅提及各角位移传感器的数据采集与融合算法，对康复机器人各关节的具体安全限位及坐标系机械零位结构设计等方面内容具体阐述极少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，现有肢体康复机器人的关节设计并未提及角位移检测和限位的具体细化结构的问题。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种关节角位移控制装置，包括关节销轴、第一杆体和第二杆体，第一杆体和第二杆体均通过端部的通孔套装在关节销轴上，且第一杆体与关节销轴固定联接，第二杆体与关节销轴铰接；关节销轴上还套装有环形滑线变阻器，环形滑线变阻器的内圈与关节销轴固定联接，外圈与第二杆体固定联接；所述关节角位移控制装置还包括使第二杆体绕关节销轴在第一极限工位和第二极限工位范围内旋转的限位结构，所述第一极限工位和第二极限工位均为人体关节转动的极限位置。
进一步地，所述第一杆体为大腿杆，第二杆体为小腿杆，所述第一极限工位上，大腿杆与小腿杆之间呈180度；所述第二极限工位上，大腿杆与小腿杆之间呈100度。
进一步地，所述限位结构包括零位限位板和限位截面，以小腿杆由第一极限工位向第二极限工位旋转的方向为内侧，所述零位限位板固定于小腿杆的外侧，所述小腿杆位于第一极限工位时，零位限位板位于大腿杆与小腿杆的连接处；所述限位截面位于大腿杆上，且为第二极限工位上大腿杆与小腿杆的接触面。
进一步地，所述第二杆体通孔的内侧与关节销轴外侧之间安装有轴承。
进一步地，所述关节销轴上设有对轴承进行轴向限位的轴肩。
进一步地，所述第一杆体与关节销轴联接的端部为凸起状端部，所述第二杆体与关节销轴联接的端部为凹陷状端部，且凸起状端部装配在凹陷状端部中。
进一步地，所述凸起状端部与凹陷状端部接触面间夹有缓冲垫片。
进一步地，所述外圈上安装有第一限位套筒，所述第二杆体与关节销轴相联接的端部固定安装有至少一对第二限位套筒，所述第一限位套筒与第二限位套筒垂直且相切接触，第一限位套筒的中心轴经过所述一对第二限位套筒的中心线。
进一步地，所述环形滑线变阻器为电位器。
进一步地，所述轴承与关节销轴过盈配合。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了包含角位移检测和限位结构的关节轴系结构，结构简单紧凑，应用广泛，可适用于肢体机器人髋、裸、肩、肘、腕等各关节上，适用于康复机器人、外骨骼机器人、类人机器人领域等关节角位移检测、安全限位及控制领域。
由限位板和限位截面构成的限位结构，可以更好地匹配人类关节的正常活动轨迹和带动肢体在合理角度范围活动，提高使用安全性。
附图说明
图1是本发明实施例中关节角位移控制装置的结构图，此时小腿杆位于第一极限工位；
图2是本发明实施例中关节角位移控制装置的结构图，此时小腿杆位于第二极限工位；
图3是图1中A部的放大图；
图4是图3中B-B面的剖视图；
图5是本发明实施例中大腿杆的结构图；
图6是本发明实施例中小腿杆的结构图；
图7是本发明实施例中膝关节销轴的结构图。
具体实施方式
为了对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
一种关节角位移控制装置，以膝关节为例，如图1所示，包括膝关节轴系结构、角位移检测***和限位结构。
如图1至图3所示，膝关节轴系结构包括关节销轴、第一杆体和第二杆体，其中关节销轴为膝关节销轴1，第一杆体为大腿杆2，第二杆体为小腿杆3。
如图4、图5所示，大腿杆2通过端部的第一通孔21套装在膝关节销轴1上，大腿杆2通过两个紧定螺钉8紧定在膝关节销轴1上，如图4、图7所示，膝关节销轴1与大腿杆2紧定联接的一侧设有扁方平面11，用于加强紧定强度；如图4、图6所示，小腿杆3通过端部的第二通孔31套装在膝关节销轴1上，小腿杆3与膝关节销轴1铰接，小腿杆3与电机(图未示)连接，在电机的驱动作用下，小腿杆绕膝关节销轴1旋转。大腿杆2与膝关节销轴1联接的端部为凸起状端部22，凸起状端部22的端面为第一半圆柱侧面221，第一半圆柱侧面221与第一通孔21同轴；小腿杆3与膝关节销轴1联接端的端面为第二半圆柱侧面321，第二半圆柱侧面321与第二通孔31同轴，小腿杆3与膝关节销轴1联接的端部被挖空，形成与凸起状端部22相匹配并贯穿小腿杆3上下端面的U型腔32，U型腔32的开口朝向第二半圆柱侧面321，凸起状端部22装配在U型腔32中，且能在U型腔32中绕膝关节销轴1旋转，凸起状端部22与U型腔32的接触面间夹有缓冲垫片4，缓冲垫片4为聚四氟乙烯垫片，可防止大腿杆2和小腿杆3之间轴向蹿动，避免两金属面由于旋转运动接触造成划伤磨损，并提供旋转阻尼，增加膝关节轴系结构的柔顺性。
如图4、图7所示，第二通孔31的内侧与膝关节销轴1的外侧之间安装有轴承12，膝关节销轴1上设有对轴承12进行限位的轴肩13，轴承12的外侧设有轴承端盖9，轴承端盖9套装在膝关节销轴1上，对轴承12进行限位。轴承12、缓冲垫片4均与膝关节销轴1之间过盈配合。
如图3、图4所示，上述角位移检测***包括相互连接的电位器6和角位移传感器(图未示)。角位移传感器与电机电连接或信号连接。电位器6套装在膝关节销轴1的端部，电位器6的内圈61与膝关节销轴1固定联接，内圈61与大腿杆2、膝关节销轴1构成一个旋转整体。外圈62通过限位套筒7与小腿杆3固定联接，限位套筒7分为第一限位套筒71和第二限位套筒72，第一限位套筒71安装在外圈62上，小腿杆3与膝关节销轴1相联接的一端固定安装有一对第二限位套筒72，第一限位套筒71与第二限位套筒72垂直且相切接触，第一限位套筒71的中心轴线经过上述一对第二限位套筒72的中心线，限位套筒7由内六角螺钉(图未标示)固定。外圈62与小腿杆3构成另一个旋转整体，小腿杆3相对大腿杆2转动时，则带动电位器的内圈61相对外圈62转动，从而实现电位器6输出电阻变化，实现角位移检测。
上述限位结构使小腿杆3绕膝关节销轴1在第一极限工位和第二极限工位范围内旋转。第一极限工位和第二极限工位模拟人体小腿和大腿相对转动的极限位置而设计，为膝关节转动的极限位置。图1所示为小腿杆3位于第一极限工位的状态，此时大腿杆2与小腿杆3之间呈180度；图2所示为小腿杆3位于第二极限工位的状态，此时大腿杆2与小腿杆3之间呈100度。如图2、图3所示，上述限位结构包括零位限位板51和限位截面52，以小腿杆3由第一极限工位向第二极限工位旋转的方向为内侧，零位限位板51固定于小腿杆2的外侧。当小腿杆3位于第一极限工位时，零位限位板51位于大腿杆2与小腿杆3的连接处，同时与膝关节销轴1的中心轴平行，当小腿杆3顺时针旋转到与大腿杆之间呈180度的位置时，零位限位板51阻止小腿杆3继续沿顺时针方向旋转。上述限位截面52位于大腿杆2上，为第二极限工位上大腿杆2与小腿杆3的接触面，当小腿杆3逆时针旋转到与大腿杆2之间呈100度的位置时，限位截面52阻止小腿杆3继续沿逆时针方向旋转。
使用时，操作者手动将小腿杆3调节到第一极限工位，达到机械回零，对电位器6进行零位校准；再将小腿杆3调节到第二极限工位，使小腿杆3与大腿杆2上的限位截面52接触，记录下传感器值，然后根据传感器曲线特性，可实现对电位器6各活动角度范围标定。传感器将标定的角度反馈给电机，使电机能够精确控制小腿杆3的旋转角度。
在实际使用过程中，第一极限工位和第二极限工位的极限位置并不使用，极限位置的存在一是应对硬件软件故障后的最后机械保障，二是方便标定和示教机器人。
本实施例中的大腿杆2和小腿杆3上可设置孔槽等，用于机器人的肢体人度的调节，侧面上可以开孔用于安装其他固定肢体的护具支架、电缸、连杆、铰链等结构，同时可减轻本实施例的重量；本实施例的结构形式可以拓展到肢体机器人的髋、裸、肩、肘、腕等各个关节。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种关节角位移控制装置，其特征在于，包括关节销轴、第一杆体和第二杆体，第一杆体和第二杆体均通过端部的通孔套装在关节销轴上，且第一杆体与关节销轴固定联接，第二杆体与关节销轴铰接；关节销轴上还套装有环形滑线变阻器，环形滑线变阻器的内圈与关节销轴固定联接，外圈与第二杆体固定联接；所述关节角位移控制装置还包括使第二杆体绕关节销轴在第一极限工位和第二极限工位范围内旋转的限位结构，所述第一极限工位和第二极限工位均为人体关节转动的极限位置。
2.根据权利要求1所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述第一杆体为大腿杆，第二杆体为小腿杆，所述第一极限工位上，大腿杆与小腿杆之间呈180度；所述第二极限工位上，大腿杆与小腿杆之间呈100度。
3.根据权利要求2所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述限位结构包括零位限位板和限位截面，以小腿杆由第一极限工位向第二极限工位旋转的方向为内侧，所述零位限位板固定于小腿杆的外侧，所述小腿杆位于第一极限工位时，零位限位板位于大腿杆与小腿杆的连接处；所述限位截面位于大腿杆上，且为第二极限工位上大腿杆与小腿杆的接触面。
4.根据权利要求1所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述第二杆体通孔的内侧与关节销轴外侧之间安装有轴承。
5.根据权利要求4所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述关节销轴上设有对轴承进行轴向限位的轴肩。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述第一杆体与关节销轴联接的端部为凸起状端部，所述第二杆体与关节销轴联接的端部为能容纳凸起状端部沿关节销轴旋转的凹陷状端部，且凸起状端部装配在凹陷状端部中。
7.根据权利要求6所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述凸起状端部与凹陷状端部接触面间夹有缓冲垫片。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述外圈上安装有第一限位套筒，所述第二杆体与关节销轴相联接的端部固定安装有至少一对第二限位套筒，所述第一限位套筒与第二限位套筒垂直且相切接触，第一限位套筒的中心轴经过所述一对第二限位套筒的中心线。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述环形滑线变阻器为电位器。
10.根据权利要求1-5任意一项所述的一种关节角位移控制装置，其特征在于，所述轴承与关节销轴过盈配合。
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