[發明專利]重力平衡末端牽引式上肢康復機器人及工作方法在審
| 申請號: | 201810201213.9 | 申請日: | 2018-03-12 |
| 公開(公告)號: | CN108814890A | 公開(公告)日: | 2018-11-16 |
| 發明(設計)人: | 吳青聰;謝宇珅;吳洪濤;陳柏;邵子宴;陸龍海;張玉明;劉煥瑞;曹燕飛 | 申請(專利權)人: | 南京航空航天大學 |
| 主分類號: | A61H1/02 | 分類號: | A61H1/02 |
| 代理公司: | 江蘇圣典律師事務所 32237 | 代理人: | 賀翔 |
| 地址: | 210016 江*** | 國省代碼: | 江蘇;32 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 機器人 康復訓練 末端手柄 人機交互 上肢康復 重力平衡 牽引式 大臂 套索 小臂 腰部 電機 六維力傳感器 醫療器械領域 重力平衡裝置 測量機器人 機器人基座 機器人連桿 機器人末端 康復機器人 負載力矩 負載能力 模塊安裝 內部安裝 驅動電機 驅動關節 驅動力矩 小臂關節 移動機架 上肢 編碼器 驅動力 柔順性 減小 內置 腕部 測量 傳遞 平衡 應用 | ||
1.一種重力平衡末端牽引式上肢康復機器人,其特征在于:
包括主體結構和重力平衡機構;
主體結構包括移動機架(1)、機器人基座(2)、腰部(3)、大臂(4)、中臂(5)、小臂(6)、腕部(7)、末端手柄(8);
上述機器人基座(2)包括安裝基座(201)、腰部關節電機(203)、基座外殼(204)、軸承座(205)、圓錐滾子軸承(206)、腰部關節轉軸(207);所述安裝基座(201)與移動機架(1)固定連接;腰部關節電機(203)固定安裝在安裝基座(201)上;基座外殼(204)與安裝基座(201)固定連接;軸承座(205)固定安裝在基座外殼(204)上方;圓錐滾子軸承(206)外圈安裝在軸承座(205)內,內圈安裝在腰部關節轉軸(207)上;腰部關節轉軸(207)下端與腰部關節電機(203)的軸固定鍵連接;上述腰部關節轉軸(207)與安裝基座(201)垂直;
所述腰部(3)包括腰部平臺(301)、腰部側板(302)、大臂關節軸(303)、大臂驅動電機(304)、大臂主動齒輪(305)、驅動單元固定板(306)、中臂驅動單元(307)、小臂驅動單元(308);所述腰部平臺(301)與腰部關節轉軸(207)上端固定連接;所述腰部側板(302)固定安裝在腰部平臺上;大臂關節軸(303)與腰部側板(302)固定連接,不可轉動;大臂驅動電機(304)固定安裝在腰部平臺(301)上;大臂主動齒輪(305)與大臂驅動電機(304)輸出軸固定連接;所述驅動單元固定板(306)與腰部平臺(301)固定連接,中臂驅動單元(307)與小臂驅動單元(308)分別固定安裝在驅動單元固定板(306)上;上述大臂關節軸(303)與腰部關節轉軸(207)垂直;
上述中臂驅動單元(307)和小臂驅動單元(308)結構一樣,均由驅動電機(3081)、驅動滾輪(3082)、驅動電機固定板(3083)、驅動端預緊擋板(3084)組成;所述驅動電機固定板(3083)與驅動單元固定板(306)固定連接;驅動電機(3081)固定安裝在驅動電機固定板(3083)上;驅動電機(3081)輸出軸穿過驅動電機固定板(3083)中間的開孔并與驅動滾輪(3082)固定連接;驅動滾輪(3082)上有環形溝槽;驅動端預緊擋板(3084)采用可調節方式安裝于驅動電機固定板(3083)上,可調節驅動端預緊擋板(3084)相對于驅動滾輪(3082)軸線的距離;驅動端預緊擋板(3084)上開有鋼絲索孔;驅動電機(3081)輸出軸與大臂關節軸(303)平行;
所述大臂(4)包括大臂側板(403)和大臂從動齒輪(401);大臂側板(403)前端與大臂從動齒輪(401)相固定,大臂從動齒輪(401)通過軸承安裝于大臂關節軸(303)上,大臂從動齒輪(401)與大臂主動齒輪(305)嚙合;
所述中臂(5)包括中臂關節轉軸(501)、中臂側板(504)、中臂負載滾輪(514)、中臂鋼絲索(515)、中臂鋼絲索套管(516);中臂側板(504)前端與大臂側板(403)末端通過中臂關節轉軸(501)相連;中臂關節轉軸(501)可在大臂側板(403)末端中轉動;中臂側板(504)前端、中臂負載滾輪(514)均和中臂關節轉軸(501)相固定;中臂鋼絲索套管(516)的前端與中臂驅動單元(307)的驅動端預緊擋板(3084)相固定,中臂鋼絲索套管(516)的末端通過大臂套管固定件(413)與大臂側板(403)的末端相固定,中臂鋼絲索套管(516)的中部通過大臂第一套索導向環(412)支撐于大臂側板(403);中臂負載滾輪(514)上具有環形溝槽;中臂鋼絲索(515)穿過中臂鋼絲索套管(516),且中臂鋼絲索(515)安裝在中臂負載滾輪(514)和中臂驅動單元(307)的驅動滾輪(3082)的環形溝槽內;且中臂鋼絲索(515)兩端固定在中臂驅動單元(307)的驅動滾輪(3082)上;上述中臂關節轉軸(501)與大臂關節軸(303)平行;
所述小臂包括小臂關節轉軸(601)、小臂側板(604)、小臂負載滾輪(610)、小臂鋼絲索(611)、小臂鋼絲索套管(612);小臂側板(604)前端與中臂側板(504)末端通過小臂關節轉軸(601)相連;小臂關節轉軸(601)可在中臂側板(504)末端中轉動;小臂側板(604)前端、小臂負載滾輪(610)均和小臂關節轉軸(601)相固定;小臂鋼絲索套管(612)的前端與小臂驅動單元(308)的驅動端預緊擋板(3084)相固定,小臂鋼絲索套管(612)的末端通過中臂套管固定件(513)與中臂側板(604)的末端相固定,小臂鋼絲索套管(612)的中部依次通過大臂第二套索導向環(411)、支撐于大臂側板(403),通過中臂套索導向環(512)支撐于中臂側板(504);小臂負載滾輪(610)上具有環形溝槽;小臂鋼絲索(611)穿過小臂鋼絲索套管(612),且小臂鋼絲索(611)安裝在小臂負載滾輪(610)和小臂驅動單元(308)的驅動滾輪(3082)的環形溝槽內;且小臂鋼絲索(611)兩端固定在小臂驅動單元(308)的驅動滾輪(3082)上;上述小臂關節轉軸(601)與中臂關節轉軸(501)平行;
所述腕部(7)包括前端外殼(701)、末端外殼(702)、前端驅動電機(703)、末端驅動電機(704);前端驅動電機(703)固定安裝于前端外殼(701),前端驅動電機(703)輸出軸固定安裝于小臂側板(604)末端,末端驅動電機(704)固定于前端外殼(701),末端外殼(702)固定安裝于末端驅動電機(704)輸出軸;上述前端驅動電機(703)輸出軸與小臂關節轉軸(601)垂直; 末端驅動電機(704)末端驅動電機(704)與前端驅動電機(703)輸出軸垂直;
所述末端手柄(8)包括六維力傳感器(801)、手柄(802)、綁帶固定板(803)、綁帶(804);所述六維力傳感器(801)與腕部的末端外殼(702)固定連接;手柄(802)與六維力傳感器(801)固定連接;綁帶固定板(803)與手柄(802)固定連接;綁帶(804)與綁帶固定板(803)固定連接,并且使用時綁在使用者上肢;
重力平衡機構包括大臂重力平衡機構、中臂重力平衡機構、小臂重力平衡機構;
所述大臂重力平衡機構包括大臂同步帶輪(402)、大臂導向輪組(404)、大臂彈簧槽(405)、大臂拉力繩(406)、大臂彈簧(407)、大臂滑塊(408)、大臂同步帶(409);
所述中臂重力平衡機構包括中臂同步帶輪(503)、中臂導向輪組(505)、中臂彈簧槽(506)、中臂拉力繩(507)、中臂彈簧(508)、中臂滑塊(509)、中臂同步帶(510);
所述小臂重力平衡機構包括小臂同步帶輪(603)、小臂側板(604)、小臂導向輪組(605)、小臂彈簧槽(606)、小臂拉力繩(607)、小臂彈簧(608)、小臂滑塊(609);
大臂同步帶輪(402)具有同步帶槽,小臂同步帶輪(603)具有同步帶槽,中臂同步帶輪(503)具有與大臂同步帶輪(402)的同步帶槽直徑相等的一號同步帶槽,以及與小臂同步帶輪(603)的同步帶槽直徑相等的二號同步帶槽;
所述大臂同步帶輪(402)固定安裝在大臂關節軸(303)上;大臂同步帶輪(402)上有一個拉力繩安裝點,拉力繩安裝點到大臂關節軸線的垂線方向與重力方向相同,大臂同步帶(409)安裝在大臂同步帶輪(402)的同步帶槽和中臂同步帶輪(503)的一號同步帶槽中,大臂導向輪組(404)與大臂側板(403)固定連接,并放置在大臂側板(403)中間對稱線兩側;大臂彈簧槽(405)與大臂側板(403)固定連接,且前端壁面開有穿繩孔;大臂滑塊(408)放置在大臂彈簧槽(405)內,與大臂彈簧槽(405)構成移動副;大臂彈簧(407)末端與大臂滑塊(408)固定連接,前端與大臂彈簧槽(405)前端壁面固定連接;大臂拉力繩(406)穿過大臂彈簧槽(405)的穿繩孔,末端與大臂滑塊(408)固定連接,前端與大臂同步帶輪(402)上的拉力繩安裝點固定連接; s1=b1-a1,k1=m1gl1/a1b1;上述字母含義:大臂彈簧(407)的預壓縮量為s1,大臂彈簧(407)的剛度系數為k1,大臂拉力繩(406)安裝點到大臂關節軸(303)軸線的距離為a1,大臂導向輪組(404)到大臂關節軸(303)軸線的距離為b1,大臂重心到大臂關節軸(303)軸線垂直距離為l1, m1為大臂質量,g為重力加速度;
所述中臂同步帶輪(503)通過中臂軸承(502)安裝于中臂關節轉軸(501);中臂同步帶輪(503)上有一個拉力繩安裝點,拉力繩安裝點到中臂關節轉軸軸線的垂線方向與重力方向相同;所述中臂同步帶(510)安裝在中臂同步帶(503)的第二同步帶槽和小臂同步帶輪(603)的同步帶槽中;中臂導向輪組(505)與中臂側板(504)固定連接,并放置在中臂側板(504)中間對稱線兩側;中臂彈簧槽(506)與中臂側板(504)固定連接,且前端壁面開有穿繩孔;中臂滑塊(509)放置在中臂彈簧槽(506)內,與中臂彈簧槽(506)構成移動副;中臂彈簧(508)末端與中臂滑塊(509)固定連接,前端與中臂彈簧槽(506)前端壁面固定連接;中臂拉力繩(507)穿過中臂彈簧槽(506)的穿繩孔,末端與中臂滑塊(509)固定連接,前端與中臂同步帶輪(503)上的拉力繩安裝點固定連接;s2=b2-a2,k2=m2gl2/a2b2;上述中臂彈簧(508)的預壓縮量為s2,中臂彈簧(508)的剛度系數為k2,中臂拉力繩(507)安裝點到中臂關節轉軸(501)軸線的距離為a2,中臂導向輪組(505)到中臂關節轉軸(501)軸線的距離為b2,中臂重心到中臂關節轉軸(501)軸線垂直距離為l2, m2為中臂質量,g為重力加速度;
小臂同步帶輪(603)通過小臂軸承(602)安裝于小臂關節轉軸(601);小臂同步帶輪(603)上有一個拉力繩安裝點,拉力繩安裝點到小臂關節轉軸軸線的垂線方向與重力方向相同;小臂導向輪組(605)與小臂側板(604)固定連接,并放置在小臂側板(604)中間對稱線兩側;小臂彈簧槽(606)與小臂側板(604)固定連接,且前端壁面開有穿繩孔;小臂滑塊(609)放置在小臂彈簧槽(606)內,與小臂彈簧槽構(606)成移動副;小臂彈簧(608)末端與小臂滑塊(609)固定連接,前端與小臂彈簧槽(606)前端壁面固定連接;小臂拉力繩(607)穿過小臂彈簧槽(606)的穿繩孔,末端小臂滑塊(609)固定連接,前端與小臂同步帶輪(603)上的拉力繩安裝點固定連接;s3=b3-a3,k3=m3gl3/a3b3;上述小臂彈簧(608)的預壓縮量為s3,小臂彈簧(608)的剛度系數為k3,小臂拉力繩(607)安裝點到小臂關節轉軸(601)軸線的距離為a3,小臂導向輪組(605)到小臂關節轉軸(601)軸線的距離為b3,小臂重心到小臂關節轉軸(601)軸線垂直距離為l3, m3為小臂質量,g為重力加速度。
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