CN113230087A - 一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，由气动对拉驱动装置和肢体皮带穿套装置两部分组成；气动对拉驱动装置包括一组旋转变向机构、行程放大机构和中间带轮传动机构；肢体皮带穿套装置包括穿套皮带和里侧利转支撑结构两部分。本发明解决的是传统电机驱动的康复设备运动柔顺度有限而寻常气动肌肉康复设备受其行程影响较大的技术问题；要点为采用两个气动肌肉通过行程放大机构对拉，从而驱动绑带轮转动，由皮带牵动患者肢体往复转动，再配合传统康复设备协同治疗，以达缓解肌肉萎缩患者肌肉萎缩、帮助恢复日常行为能力的目的。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置。
背景技术
随着我国社会人口增多、老龄化程度加剧、又有疾病和意外事故使得伤残瘫痪人数居高不下，治疗压力很大。但相对传统医生来说，专门进行康复治疗的医师数量较少，并且市面上的康复设备价格昂贵且治疗效果一般，所以机器人辅助治疗设备的研发是一项重要的课题。
辅助康复机器人的作用是帮助患者做辅助恢复训练，由于患者病患处骨骼和肌肉相当脆弱，如果直接将工业机器人的设计理念套用到康复机器人的设计上，当设备投入使用时可能会导致严重的安全事故，对辅助康复机器人而言，除了精确度之外，运动的柔顺性也是关注重点。传统康复医疗设备由诸多电机驱动，体积较大且运动柔顺性需依靠大量传感设备保证，调试复杂成本过高且柔顺效果也较为有限。在许多驱动方式中，气动肌肉由于具有造价低廉、小巧轻便、安装简单且自带一定阻尼以及具有柔顺性等特点，在辅助康复机器人的设计和研究中具有重要的意义。但由于气动肌肉特性限制，往往安装在旋转关节处，目的是减少气动肌肉行程体积比较大的问题，换言之，如想输出较大行程，需要使用直径和长度大的气动肌肉。
综上所述，传统的康复设备和气动肌肉机器人无法同时兼顾柔顺性大和体积小的优点。
发明内容
根据现有技术的缺陷和不足之处，本发明的目的是提供一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，使用气动人工肌肉驱动康复绑带消除了电机或单纯气动肌肉驱动的不利影响，且柔顺性高、输出力大且稳定、重量轻、噪音小、安全性高。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，包括气动肌肉对拉驱动结构组件(40)、肢体皮带穿套结构组件(50)和保护外壳(31)，所述气动肌肉对拉驱动结构组件设置在所述保护外壳(31)内的主安装板(22)上，所述肢体皮带穿套结构组件贯穿所述外壳(31)与所述气动肌肉对拉驱动结构组件连接。
所述气动肌肉对拉驱动结构组件(40)由一组旋转变向机构、行程放大机构和中间带轮传动机构组成，包括：“L”形支座(25)、正向气动肌肉(1)、钢丝绳连接器(3)、正向前半钢丝绳(4)、正向后半钢丝绳(8)、转向线轮(7)、线轮支撑座(20)、编码器支架(6)、光学编码器(5)、正向齿条(26)、直线导轨(17)、直线导轨滑块(16)、滑块齿条连接件(15)、正向齿条复位弹簧(24)、复位弹簧固定座(23)、正向传动齿轮(2)、中间传动轴(10)、中间传动轴轴承座(11)、皮带轮(29)、反向传动齿轮(12)、反向齿条(14)、反向前半钢丝绳(19)、反向后半钢丝绳(21)、反向气动肌肉(18)、主安装板(22)；
所述正向气动肌肉(1)或所述反向气动肌肉(18)连接气管的一侧通过螺纹连接于所述“L”形支座(25)，所述“L”型支座(25)底面铆接于所述主安装板(22)，另一侧通过所述钢丝绳连接器(3)拉扯所述正向前半钢丝绳(4)，所述正向前半钢丝绳(4)缠绕在所述转向线轮(7)外周以牵动其旋转，继而带动后半钢丝绳(8)牵引所述正向齿条(26)，所述正向齿条(26)通过所述滑块齿条连接件(15)固定在两个直线导轨滑块(16)之上，所述直线导轨滑块(16)安放在所述直线导轨(17)上约束齿条沿垂直中间传动轴的方向运动，所述正向齿条(26)另一侧通过螺栓连接在所述正向齿条复位弹簧(24)的挂耳上，为所述正向气动肌肉(1)放气时提供均匀的复位助力；所述中间传动轴轴承座(11)之间距离短于所述中间传动轴(10)长度，通过螺栓固定于所述主安装板(22)上；三个同样的皮带轮(9)等距安装在所述中间传动轴(10)之间，并与两个所述中间传动轴轴承座(11)呈对称布置，其通过键传递来自所述中间传动轴(10)的圆周力并由卡簧固定位置；所述反向传动齿轮(12)通过传动齿轮法兰(13)固定于所述皮带轮(9)的转轴上；单个所述皮带轮(9)为阶梯型结构，两头轴肩直接略大于中间固定皮带区域直径，所述皮带轮(9)中间为镂空结构起到减重作用。
所述转向线轮(7)底部嵌有滚动轴承，滚动轴承内圈顶接在所述线轮支撑座(20)的阶梯轴上，所述转向线轮(7)顶部为阶梯轴结构，轴心钻有同轴孔，孔径与所述光学编码器(5)顶部转轴相等，轴侧钻有紧定孔；所述转向线轮(7)周侧分有两道走线回路，上下两道回路分别缠绕独立走线，所述转向线轮(7)轮周钻有若干小孔用以穿线、压头固定钢丝绳。
所述光学编码器(5)通过沉头螺丝安装在所述编码器支架(6)上，所述光学编码器(5)顶部转轴透过所述编码器支架(6)，用紧定螺钉固定在线轮顶部的同轴孔之内，用以测量所述转向线轮(7)的转动角度进而计算齿条的前后移动距离。
所述肢体皮带穿套结构组件(50)包括里侧利转支撑(34)、带轮远侧皮带(32)、带轮近侧皮带(30)、利转摩擦胶条(33)、皮带紧固扣(27)、皮带紧固接头(28)；所述里侧利转支撑(34)通过螺栓固定在所述主安装板(22)之上，其上还安装有利转滚轮(35)和撑带滚轮(36)，每个滚轮中嵌有铜管内芯，铜管中穿有转轴，转轴两端固定于里侧利转支撑背面焊接固定的轴架上，轴架与转轴之间通过卡簧固定；所述撑带滚轮(36)两侧装有转动轴承，轴承中穿有转轴，转轴两端固定于所述里侧利转支撑(34)背面通过焊接固定的轴架上，轴架与转轴之间通过卡簧固定，撑带滚轮目的在于解决某些使用工况下的卡带、松带问题；所述带轮近侧皮带(30)的里侧设有搭扣以及一排共线变间距的搭扣孔。
所述复位弹簧固定座(23)通过四颗螺栓固定在所述主安装板(22)之上，其上为滑槽结构，可以调节所述正向齿条复位弹簧(24)与齿条极限位置之间的距离，进而依据实际情况调换合适的复位弹簧；所述正向齿条复位弹簧(24)可为拉簧，其两头安装挂耳呈90°布置，一头固定在复位弹簧固定座上，另一头通过螺栓夹持垫片固定在齿条末端。
所述带轮近侧皮带(30)为开口可穿戴结构，患者在佩戴臂套之后围穿带轮远侧皮带(32)，所述带轮远侧皮带(32)胶连所述利转摩擦胶条(33)，呈膛线形分布，为多条螺旋线沿圆周方向布置的形式，以提供较强的旋转助力；所述带轮近侧皮带(30)为开口可穿戴结构，由皮带外侧铜柱和皮带上渐变分布的安装孔定位，由所述皮带紧固扣(27)和所述皮带紧固接头(28)进一步固定防松。
所述里侧利转支撑(34)有“M”形接触面，为钣金件，与支撑架焊接构成支撑整体，通过螺栓固定在所述主安装板(22)上。
所述保护外壳(31)覆盖区域包括旋转变向机构和行程放大机构，所述保护外壳(31)顶部留有编码器(5)的通过孔，底部通过自攻螺丝拧接在所述主安装板(22)外圈上
与现有技术相比，本发明所构思的以上技术方案具有以下优点和有益效果：
1.本发明所述的一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，气动肌肉相比电机驱动具有柔顺性高、重量球、安全的优势，因此作为康复设备的驱动元件具有特殊的优势。
2.本发明所述的一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，气动肌肉问题在于行程获取效率低，于是本发明采用行程放大机构，大大降低了所需气动肌肉长度与直径要求，减小了本装置的总体体积、提升了设备的控制性能。
3.本发明所述的一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，传统康复设备采用拖拉、支撑或者吊装的形式对患者的肢体采取康复治疗，但是与患者肢体贴合度欠佳，本发明采取柔性穿套式皮带，可有效提高治疗效果。
附图说明
图1为本发明肢体戴入方向的整体结构示意图。
图2为本发明将传动机构置于顶部时的整体结构示意图。
图3为本发明气动肌肉对拉和行程放大结构细节示意图。
图4为本发明气动肌肉传动结构与康复带轮组合详细结构以及传动方向示意图。
图5为本发明单侧气动肌肉转向与传动详细结构示意图。
图中：1、正向气动肌肉；2、正向传动齿轮；3、钢丝绳连接器；4、正向前半钢丝绳；5、光学编码器；6、编码器支架；7、转向线轮；8、正向后半钢丝绳；9、皮带轮；10、中间传动轴；11、中间传动轴轴承座；12、反向传动齿轮；13、传动齿轮法兰；14、反向齿条；15、滑块齿条连接件；16、直线导轨滑块；17、直线导轨；18、反向气动肌肉；19、反向前半钢丝绳；20、线轮支撑座；21、反向后半钢丝绳；22、主安装板；23、复位弹簧固定座；24、正向齿条复位弹簧；25、“L”形支座；26、正向齿条；27、皮带紧固扣；28、皮带紧固接头；29、皮带轮；30、带轮近侧皮带；31、保护外壳；32、带轮远侧皮带；33、利转摩擦胶条；34、里侧利转支撑；35、利转滚轮；36、撑带滚轮；40、气动肌肉对拉驱动结构组件；50、肢体皮带穿套结构组件。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
参照图1-图5所示，一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，包括气动肌肉对拉驱动结构和肢体皮带穿套结构。气动肌肉对拉驱动结构安装在主安装板22上，驱动皮带轮29传动到皮带上进而对患者肢体进行辅助康复治疗，带轮部分又称为肢体皮带穿套结构。
参照图1～图2所示肢体皮带穿套结构，该结构由两部分组成，一部分为穿套皮带，另一部分为里侧利转支撑34；所述穿套皮带包括带轮远侧皮带32、带轮近侧皮带30、利转摩擦胶条33、皮带紧固扣、皮带紧固接头、安装在皮带里侧的搭扣以及一排共线变间距的搭扣孔；所述里侧利转支撑通过螺栓固定在主安装板之上，其上还安装有利转滚轮35和撑带滚轮36。
参照图3所示气动肌肉对拉驱动结构，该结构由一组旋转变向机构、行程放大机构和中间带轮传动机构组成，其组成零件包括“L”形支座25、正向气动肌肉1、气动肌肉与钢丝绳连接接头3、正向前半钢丝绳4、正向后半钢丝绳8、转向线轮7、线轮支撑座20、编码器支架6、光学编码器5、正向齿条26、直线导轨17、直线导轨滑块16、滑块齿条连接件15、正向齿条复位弹簧24、复位弹簧固定座23、正向传动齿轮2、中间传动轴10、中间传动轴轴承座11、皮带轮29、反向传动齿轮12、反向齿条14、反向前半钢丝绳19、反向后半钢丝绳21、反向气动肌肉18、主安装板22；
具体的，气动肌肉连接气管一侧通过螺纹连接于“L”形支座25，“L”型支座25铆接于主安装板22，气动肌肉另一侧通过钢丝绳连接器3拉扯前半钢丝绳4，钢丝绳牵动线轮7旋转，线轮7带动后半钢丝绳8牵引齿条26，齿条26通过连接件15固定在两滑块16之上，滑块16安放在直线导轨17上约束齿条沿垂直中间传动轴的方向运动，齿条26另一侧通过螺栓连接在复位弹簧24的挂耳上，为气动肌肉1放气时提供均匀的复位助力；
具体的，单侧气动肌肉通过钢丝4、8绳牵引齿条26做正向移动，在另一侧气动肌肉18和复位弹簧的共同作用下牵引齿条做反向移动；齿条26啮合齿轮2做圆周转动，由齿轮传动比影响起到行程放大功效；
具体的，中间传动轴轴承座11由螺栓固定于主安装板22，两轴承座之间距离短于中间传动轴10长度；三个同样的皮带轮9等距安装在中间传动轴10之间，并与两轴承支座11呈对称布置，其通过键传递来自传动轴10的圆周力并由卡簧固定位置；单个皮带轮9为阶梯型结构，两头轴肩直接略大于中间固定皮带区域直径，皮带轮9中间为镂空结构起到减重作用。
参照图1～图3所示的肢体皮带穿套结构，该结构由两部分组成，一部分为穿套皮带，另一部分为里侧利转支撑；所述穿套皮带包括带轮远侧皮带32、带轮近侧皮带30、利转摩擦胶条33、皮带紧固扣、皮带紧固接头、安装在皮带里侧的搭扣以及一排共线变间距的搭扣孔；所述里侧利转支撑通过螺栓固定在主安装板之上，其上还安装有利转滚轮和撑带滚轮。
参照图5所示传动机构，转向线轮7底部嵌有滚动轴承，滚动轴承内圈顶接在线轮支撑座20的阶梯轴上，转向线轮7顶部为阶梯轴结构，轴心钻有同轴孔，孔径与编码器5顶部转轴相等，轴侧钻有紧定孔；转向线轮周侧分有两道走线回路，上下两道回路分别缠绕有独立走线，线轮7轮周钻有若干小孔用以穿线、压头固定钢丝绳。光学编码器5通过沉头螺丝安装在编码器支架6上，编码器5顶部转轴透过编码器支架6，用紧定螺钉固定在线轮顶部的同轴孔之内，用以测量线轮7的转动角度进而计算齿条的前后移动距离。复位弹簧固定座通过四颗螺栓固定在主安装板之上，主安装板上为滑槽结构，可以调节复位弹簧与齿条极限位置之间的距离，进而依据实际情况调换合适的复位弹簧；复位弹簧为拉簧，其两头安装挂耳呈90°布置，一头固定在复位弹簧固定座上，另一头通过螺栓夹持垫片固定在齿条末端。传动机构外侧安装有保护外壳31，保护外壳31覆盖区域包括旋转变向机构和行程放大机构，保护壳顶留有编码器5通过孔；保护壳31底部通过自攻螺丝拧接在主安装板22外圈上。
参照图1～图2所示的皮带康复结构，具体的，柔性康复皮带30为开口可穿戴结构，患者在佩戴臂套之后围穿康复皮带32，带轮远侧皮带32胶连有摩擦胶条33，胶条33布置以膛线为参考，呈多条螺旋线沿圆周方向布置的形式，以提供较强的旋转助力；柔性康复皮带轮侧30为开口可穿戴结构，由皮带外侧铜柱和皮带上渐变分布的安装孔定位，由皮带紧固扣和皮带紧固接头进一步固定防松。里侧利转支撑34的“M”形接触面为为钣金件，与支撑架焊接构成支撑件整体，通过螺栓固定在主安装板上；利转支撑靠肢体侧装有数个利转滚轮35，每个滚轮中嵌有铜管内芯，铜管中穿有转轴，转轴两端固定于里侧利转支撑背面焊接固定的轴架上，轴架与转轴之间通过卡簧固定。里侧利转支撑34外侧安装有撑带滚轮36，撑带滚轮36两侧装有转动轴承，轴承中穿有转轴，转轴两端固定于里侧利转支撑34背面通过焊接固定的轴架上，轴架与转轴之间通过卡簧固定。撑带滚轮目的在于解决某些使用工况下的卡带、松带问题。
参照图4所示的机构传动方向，具体描述如下，安装时气动肌肉1处于自然伸长状态，气动肌肉18处于带压鼓起状态，齿条26处于距离辅助弹簧支撑座23最近的状态，齿条14位于距线轮最近的状态。当气动肌肉1与气动肌肉18同时改变进气状态从而对拉中间传动轴10时，即发生(1)～(5)的机构方向变化，从而使正向传动齿轮2逆时针旋转，经由中间传动轴带动反向传动齿轮12逆时针旋转，牵引其余机构呈(9)～(13)运动趋势。两传动齿轮带动中间传动轴10牵引康复皮带呈肢体穿入的逆时针方向转动。上述为正向逆时针工况，反向顺时针工况与之类似不再赘述。
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仅为发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明新型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范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，包括气动肌肉对拉驱动结构组件(40)、肢体皮带穿套结构组件(50)和保护外壳(31)，所述气动肌肉对拉驱动结构组件设置在所述保护外壳(31)内的主安装板(22)上，所述肢体皮带穿套结构组件贯穿所述外壳(31)与所述气动肌肉对拉驱动结构组件连接。
2.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述气动肌肉对拉驱动结构组件(40)由一组旋转变向机构、行程放大机构和中间带轮传动机构组成，包括：“L”形支座(25)、正向气动肌肉(1)、钢丝绳连接器(3)、正向前半钢丝绳(4)、正向后半钢丝绳(8)、转向线轮(7)、线轮支撑座(20)、编码器支架(6)、光学编码器(5)、正向齿条(26)、直线导轨(17)、直线导轨滑块(16)、滑块齿条连接件(15)、正向齿条复位弹簧(24)、复位弹簧固定座(23)、正向传动齿轮(2)、中间传动轴(10)、中间传动轴轴承座(11)、皮带轮(29)、反向传动齿轮(12)、反向齿条(14)、反向前半钢丝绳(19)、反向后半钢丝绳(21)、反向气动肌肉(18)、主安装板(22)；
所述正向气动肌肉(1)或所述反向气动肌肉(18)连接气管的一侧通过螺纹连接于所述“L”形支座(25)，所述“L”型支座(25)底面铆接于所述主安装板(22)，另一侧通过所述钢丝绳连接器(3)拉扯所述正向前半钢丝绳(4)，所述正向前半钢丝绳(4)缠绕在所述转向线轮(7)外周以牵动其旋转，继而带动后半钢丝绳(8)牵引所述正向齿条(26)，所述正向齿条(26)通过所述滑块齿条连接件(15)固定在两个直线导轨滑块(16)之上，所述直线导轨滑块(16)安放在所述直线导轨(17)上约束齿条沿垂直中间传动轴的方向运动，所述正向齿条(26)另一侧通过螺栓连接在所述正向齿条复位弹簧(24)的挂耳上，为所述正向气动肌肉(1)放气时提供均匀的复位助力；所述中间传动轴轴承座(11)之间距离短于所述中间传动轴(10)长度，通过螺栓固定于所述主安装板(22)上；三个同样的皮带轮(9)等距安装在所述中间传动轴(10)之间，并与两个所述中间传动轴轴承座(11)呈对称布置，其通过键传递来自所述中间传动轴(10)的圆周力并由卡簧固定位置；所述反向传动齿轮(12)通过传动齿轮法兰(13)固定于所述皮带轮(9)的转轴上，单个所述皮带轮(9)为阶梯型结构，两头轴肩直接略大于中间固定皮带区域直径，所述皮带轮(9)中间为镂空结构起到减重作用。
3.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于：所述转向线轮(7)底部嵌有滚动轴承，滚动轴承内圈顶接在所述线轮支撑座(20)的阶梯轴上，所述转向线轮(7)顶部为阶梯轴结构，轴心钻有同轴孔，孔径与所述光学编码器(5)顶部转轴相等，轴侧钻有紧定孔；所述转向线轮(7)周侧分有两道走线回路，上下两道回路分别缠绕独立走线，所述转向线轮(7)轮周钻有若干小孔用以穿线、压头固定钢丝绳。
4.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述光学编码器(5)通过沉头螺丝安装在所述编码器支架(6)上，所述光学编码器(5)顶部转轴透过所述编码器支架(6)，用紧定螺钉固定在线轮顶部的同轴孔之内，用以测量所述转向线轮(7)的转动角度进而计算齿条的前后移动距离。
5.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述肢体皮带穿套结构组件(50)包括里侧利转支撑(34)、带轮远侧皮带(32)、带轮近侧皮带(30)、利转摩擦胶条(33)、皮带紧固扣(27)、皮带紧固接头(28)；所述里侧利转支撑(34)通过螺栓固定在所述主安装板(22)之上，其上还安装有利转滚轮(35)和撑带滚轮(36)，每个滚轮中嵌有铜管内芯，铜管中穿有转轴，转轴两端固定于里侧利转支撑背面焊接固定的轴架上，轴架与转轴之间通过卡簧固定；所述撑带滚轮(36)两侧装有转动轴承，轴承中穿有转轴，转轴两端固定于所述里侧利转支撑(34)背面通过焊接固定的轴架上，轴架与转轴之间通过卡簧固定；所述带轮近侧皮带(30)的里侧设有搭扣以及一排共线变间距的搭扣孔。
6.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述复位弹簧固定座(23)通过四颗螺栓固定在所述主安装板(22)之上，其上为滑槽结构，可以调节所述正向齿条复位弹簧(24)与齿条极限位置之间的距离，进而依据实际情况调换合适的复位弹簧；所述正向齿条复位弹簧(24)可为拉簧，其两头安装挂耳呈90°布置，一头固定在复位弹簧固定座上，另一头通过螺栓夹持垫片固定在齿条末端。
7.根据权利要求5所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述带轮近侧皮带(30)为开口可穿戴结构，患者在佩戴臂套之后围穿带轮远侧皮带(32)，所述带轮远侧皮带(32)胶连所述利转摩擦胶条(33)，呈膛线形分布，为多条螺旋线沿圆周方向布置的形式，以提供较强的旋转助力；所述带轮近侧皮带(30)为开口可穿戴结构，由皮带外侧铜柱和皮带上渐变分布的安装孔定位，由所述皮带紧固扣(27)和所述皮带紧固接头(28)进一步固定防松。
8.根据权利要求5所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述里侧利转支撑(34)有“M”形接触面，为钣金件，与支撑架焊接构成支撑整体，通过螺栓固定在所述主安装板(22)上。
9.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的柔性穿套式肢体康复装置，其特征在于，所述保护外壳(31)覆盖区域包括旋转变向机构和行程放大机构，所述保护外壳(31)顶部留有编码器(5)的通过孔，底部通过自攻螺丝拧接在所述主安装板(22)外圈上。
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