[發(fā)明專利]重力平衡末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人及工作方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201810201213.9
• 申請日: 2018-03-12
• 公開（公告）號: CN108814890A
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種重力平衡末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人,其特征在于:

包括主體結(jié)構(gòu)和重力平衡機(jī)構(gòu);

主體結(jié)構(gòu)包括移動(dòng)機(jī)架（1）、機(jī)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(jī)器人基座（2）包括安裝基座（201）、腰部關(guān)節(jié)電機(jī)（203）、基座外殼（204）、軸承座（205）、圓錐滾子軸承（206）、腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（207）；所述安裝基座（201）與移動(dòng)機(jī)架（1）固定連接；腰部關(guān)節(jié)電機(jī)（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(nèi)，內(nèi)圈安裝在腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（207）上；腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（207）下端與腰部關(guān)節(jié)電機(jī)（203）的軸固定鍵連接；上述腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(cè)板（302）、大臂關(guān)節(jié)軸（303）、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（304）、大臂主動(dòng)齒輪（305）、驅(qū)動(dòng)單元固定板（306）、中臂驅(qū)動(dòng)單元（307）、小臂驅(qū)動(dòng)單元（308）；所述腰部平臺（301）與腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（207）上端固定連接；所述腰部側(cè)板（302）固定安裝在腰部平臺上；大臂關(guān)節(jié)軸（303）與腰部側(cè)板（302）固定連接，不可轉(zhuǎn)動(dòng)；大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（304）固定安裝在腰部平臺（301）上；大臂主動(dòng)齒輪（305）與大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)（304）輸出軸固定連接；所述驅(qū)動(dòng)單元固定板（306）與腰部平臺（301）固定連接，中臂驅(qū)動(dòng)單元（307）與小臂驅(qū)動(dòng)單元（308）分別固定安裝在驅(qū)動(dòng)單元固定板（306）上；上述大臂關(guān)節(jié)軸（303）與腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（207）垂直；

上述中臂驅(qū)動(dòng)單元（307）和小臂驅(qū)動(dòng)單元（308）結(jié)構(gòu)一樣，均由驅(qū)動(dòng)電機(jī)（3081）、驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定板（3083）、驅(qū)動(dòng)端預(yù)緊擋板（3084）組成；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定板（3083）與驅(qū)動(dòng)單元固定板（306）固定連接；驅(qū)動(dòng)電機(jī)（3081）固定安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定板（3083）上；驅(qū)動(dòng)電機(jī)（3081）輸出軸穿過驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定板（3083）中間的開孔并與驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）固定連接；驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）上有環(huán)形溝槽；驅(qū)動(dòng)端預(yù)緊擋板（3084）采用可調(diào)節(jié)方式安裝于驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定板（3083）上，可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)端預(yù)緊擋板（3084）相對于驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）軸線的距離；驅(qū)動(dòng)端預(yù)緊擋板（3084）上開有鋼絲索孔；驅(qū)動(dòng)電機(jī)（3081）輸出軸與大臂關(guān)節(jié)軸（303）平行；

所述大臂（4）包括大臂側(cè)板（403）和大臂從動(dòng)齒輪（401）；大臂側(cè)板（403）前端與大臂從動(dòng)齒輪（401）相固定，大臂從動(dòng)齒輪（401）通過軸承安裝于大臂關(guān)節(jié)軸（303）上，大臂從動(dòng)齒輪（401）與大臂主動(dòng)齒輪（305）嚙合；

所述中臂（5）包括中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）、中臂側(cè)板（504）、中臂負(fù)載滾輪（514）、中臂鋼絲索（515）、中臂鋼絲索套管（516）；中臂側(cè)板（504）前端與大臂側(cè)板（403）末端通過中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）相連；中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）可在大臂側(cè)板（403）末端中轉(zhuǎn)動(dòng)；中臂側(cè)板（504）前端、中臂負(fù)載滾輪（514）均和中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）相固定；中臂鋼絲索套管（516）的前端與中臂驅(qū)動(dòng)單元（307）的驅(qū)動(dòng)端預(yù)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(cè)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(dǎo)向環(huán)（412）支撐于大臂側(cè)板（403）；中臂負(fù)載滾輪（514）上具有環(huán)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(fù)載滾輪（514）和中臂驅(qū)動(dòng)單元（307）的驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）的環(huán)形溝槽內(nèi)；且中臂鋼絲索（515）兩端固定在中臂驅(qū)動(dòng)單元（307）的驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）上；上述中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）與大臂關(guān)節(jié)軸（303）平行;

所述小臂包括小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）、小臂側(cè)板（604）、小臂負(fù)載滾輪（610）、小臂鋼絲索（611）、小臂鋼絲索套管（612）；小臂側(cè)板（604）前端與中臂側(cè)板（504）末端通過小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）相連；小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）可在中臂側(cè)板（504）末端中轉(zhuǎn)動(dòng)；小臂側(cè)板（604）前端、小臂負(fù)載滾輪（610）均和小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）相固定；小臂鋼絲索套管（612）的前端與小臂驅(qū)動(dòng)單元（308）的驅(qū)動(dòng)端預(yù)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(cè)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(dǎo)向環(huán)（411）、支撐于大臂側(cè)板（403），通過中臂套索導(dǎo)向環(huán)（512）支撐于中臂側(cè)板（504）；小臂負(fù)載滾輪（610）上具有環(huán)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(fù)載滾輪（610）和小臂驅(qū)動(dòng)單元（308）的驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）的環(huán)形溝槽內(nèi)；且小臂鋼絲索（611）兩端固定在小臂驅(qū)動(dòng)單元（308）的驅(qū)動(dòng)滾輪（3082）上；上述小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）與中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）平行;

所述腕部（7）包括前端外殼（701）、末端外殼（702）、前端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（703）、末端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（704）；前端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（703）固定安裝于前端外殼（701），前端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（703）輸出軸固定安裝于小臂側(cè)板（604）末端，末端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（704）固定于前端外殼（701），末端外殼（702）固定安裝于末端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（704）輸出軸；上述前端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（703）輸出軸與小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）垂直; 末端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（704）末端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（704）與前端驅(qū)動(dòng)電機(jī)（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(shí)綁在使用者上肢；

重力平衡機(jī)構(gòu)包括大臂重力平衡機(jī)構(gòu)、中臂重力平衡機(jī)構(gòu)、小臂重力平衡機(jī)構(gòu)；

所述大臂重力平衡機(jī)構(gòu)包括大臂同步帶輪（402）、大臂導(dǎo)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(jī)構(gòu)包括中臂同步帶輪（503）、中臂導(dǎo)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(jī)構(gòu)包括小臂同步帶輪（603）、小臂側(cè)板（604）、小臂導(dǎo)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(guān)節(jié)軸（303）上；大臂同步帶輪（402）上有一個(gè)拉力繩安裝點(diǎn)，拉力繩安裝點(diǎn)到大臂關(guān)節(jié)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(dǎo)向輪組（404）與大臂側(cè)板（403）固定連接，并放置在大臂側(cè)板（403）中間對稱線兩側(cè)；大臂彈簧槽（405）與大臂側(cè)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(nèi)，與大臂彈簧槽（405）構(gòu)成移動(dòng)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(diǎn)固定連接； s₁=b₁-a₁，k₁=m₁gl₁/a₁b₁；上述字母含義：大臂彈簧（407）的預(yù)壓縮量為s₁，大臂彈簧（407）的剛度系數(shù)為k₁，大臂拉力繩（406）安裝點(diǎn)到大臂關(guān)節(jié)軸（303）軸線的距離為a₁，大臂導(dǎo)向輪組（404）到大臂關(guān)節(jié)軸（303）軸線的距離為b₁，大臂重心到大臂關(guān)節(jié)軸（303）軸線垂直距離為l₁， m₁為大臂質(zhì)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(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）；中臂同步帶輪（503）上有一個(gè)拉力繩安裝點(diǎn)，拉力繩安裝點(diǎn)到中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(dǎo)向輪組（505）與中臂側(cè)板（504）固定連接，并放置在中臂側(cè)板（504）中間對稱線兩側(cè)；中臂彈簧槽（506）與中臂側(cè)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(nèi)，與中臂彈簧槽（506）構(gòu)成移動(dòng)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(diǎn)固定連接；s₂=b₂-a₂，k₂=m₂gl₂/a₂b₂；上述中臂彈簧（508）的預(yù)壓縮量為s₂，中臂彈簧（508）的剛度系數(shù)為k₂，中臂拉力繩（507）安裝點(diǎn)到中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）軸線的距離為a₂，中臂導(dǎo)向輪組（505）到中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）軸線的距離為b₂，中臂重心到中臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（501）軸線垂直距離為l₂， m₂為中臂質(zhì)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(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）；小臂同步帶輪（603）上有一個(gè)拉力繩安裝點(diǎn)，拉力繩安裝點(diǎn)到小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸軸線的垂線方向與重力方向相同；小臂導(dǎo)向輪組（605）與小臂側(cè)板（604）固定連接，并放置在小臂側(cè)板（604）中間對稱線兩側(cè)；小臂彈簧槽（606）與小臂側(cè)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(nèi)，與小臂彈簧槽構(gòu)（606）成移動(dòng)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(diǎn)固定連接；s₃=b₃-a₃，k₃=m₃gl₃/a₃b₃；上述小臂彈簧（608）的預(yù)壓縮量為s₃，小臂彈簧（608）的剛度系數(shù)為k₃，小臂拉力繩（607）安裝點(diǎn)到小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）軸線的距離為a₃，小臂導(dǎo)向輪組（605）到小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）軸線的距離為b₃，小臂重心到小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸（601）軸線垂直距離為l₃， m₃為小臂質(zhì)量，g為重力加速度。