一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼制造技术

一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，它涉及一种上肢康复外骨骼。本发明专利技术为了解决现有的利用重力平衡原理的外骨骼，结构复杂，或者并不能完全的实现重力平衡的问题。本发明专利技术的肩关节连接架一侧与肩关节上骨架连接，肩关节上骨架的另一端与外骨骼大臂的一端连接，大臂调节螺母与大臂调节电机连接，一个调节组件安装在外骨骼大臂上，小臂电机座安装在肩关节下骨架上，小臂调节螺母安装在小臂调节电机的输出端，平衡连杆平行于外骨骼大臂设置，另一个调节组件安装在平衡连杆上，外骨骼旋转大臂与外骨骼大臂的另一端之间通过大臂轴向旋转件连接，多个捆绑机构分别固定安装在外骨骼大臂和外骨骼小臂上。本发明专利技术用于上肢康复。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种上肢康复外骨骼，具体涉及一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼。
技术介绍
外骨骼机器人是一种复杂的人机结合的技术，它融合了机械、传感、控制、信息、电子技术以及人工智能等众多科学领域知识，将人的智能和机械动力装置的机械能结合在一起，通过人机物理接触传递力和运动来实现动作辅助和姿态检测等功能，同时依靠传感器与穿戴者实现信息交互。经过40多年的发展，外骨骼在很多领域都有了越来越普遍的应用。比如，军事上，外骨骼的辅助会使部队在野外作战的持久力增强，外骨骼为士兵提供能量，士兵身上的负重由外骨骼承担，使单兵作战能力大大提高；民用上。外骨骼可以用来搬运东西，在大型工程施工中或者在物料搬运作业中，可以使劳动者耐力更持久；医学上，外骨骼机器人可以广泛应用在康复医学中，患者通过穿戴外骨骼机器人不但可以进行有效的功能康复训练，而且可以通过穿戴者肌电信号控制帮助患者康复肌肉，促进中枢系统恢复。在构型上，外骨骼也多种多样，可以采取不同的构型方式，有完美贴合人身的，有软体的，有末端贴合的等等，各有各的优势，在原理上也有着不同，有用液压的，有用气动的，也有用电动的，有一些外骨骼还夹杂着重力平衡，欠驱动等原理。随着社会现代化、工业化进程的进一步深入，机械外骨骼的应用将会涉及到人类生活生产的各个方面，可以预见，机械外骨骼的前景是非常广大的。在外骨骼设计方面，结构拟人化是它的一个重要特性，也是安全性和舒适性的保障。人体上肢主要包括肩部、肘部和腕部3个生理关节，其能够完成极其复杂精细的运动，如果想完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要数目众多的自由度，但这会导致机构笨重和控制冗余等问题。因此，需要分析人体上肢生理运动形式并作适度简化，获取外骨骼设计可用的运动学模型，同时保证良好的人机运动链相容性。现有的上肢外骨骼机器人大多采用七自由度串联运动学模型，即肩部屈/伸(前后摆)，内收/外展(左右摆)，内旋/外旋(大臂自转)；肘部屈/伸；腕部内旋/外旋、内收/外展、屈/伸。由于肩部内旋/外旋自由度既可以看作在肩关节完成也可以看作在肘关节完成，所以，肩关节和肘关节通常有两种布置办法，第一种是肩关节三个完整自由度加上肘关节单自由度，第二种是肩关节屈/伸，内收/外展自由度加上肘关节屈/伸，绕大臂内旋/外旋自由度。对于目前有的外骨骼，大多是均是采取主动驱动，但是在人体的运动过程中，有一些能量比如重力势能是往复变化的，但是在主动驱动的过程中，重力势能在升高和降低的过程中，驱动元件均做正功，浪费了重力势能，同时还浪费了驱动元件的出力。而且目前的已有的上肢外骨骼结构均比较复杂，能量利用率极低，并不具有间接性和美观性。有一些利用重力平衡原理的外骨骼，结构却比较复杂，或者并不能完全的实现重力平衡，基于此，本专利技术设计一种新型的基于空间重力平衡的上肢康复训练外骨骼。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的利用重力平衡原理的外骨骼，结构复杂，或者并不能完全的实现重力平衡的问题。进而提供一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼。本专利技术的技术方案是：一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼包括大臂调节电机、大臂电机座、小臂调节电机、小臂电机座、大臂调节螺母、小臂调节螺母、肩关节上骨架、肩关节连接架、肩关节下骨架、外骨骼大臂、平衡连杆、两个调节组件、大臂轴向旋转件、辅助连杆、外骨骼旋转大臂、外骨骼小臂和多个捆绑机构，大臂电机座安装在肩关节上骨架的一端上，肩关节连接架的一侧与肩关节上骨架连接，肩关节连接架的另一侧与穿戴者的身体连接，肩关节上骨架的另一端与外骨骼大臂的一端可转动连接，大臂调节电机安装在大臂电机座上，大臂调节螺母与大臂调节电机的输出端连接，其中一个调节组件安装在外骨骼大臂上并与大臂调节螺母连接，肩关节下骨架与穿戴者的身体连接，小臂电机座安装在肩关节下骨架上，小臂调节电机安装在小臂电机座上，小臂调节螺母安装在小臂调节电机的输出端，平衡连杆平行于外骨骼大臂设置，另一个调节组件安装在平衡连杆上并与小臂调节螺母连接，外骨骼旋转大臂与外骨骼大臂的另一端之间通过大臂轴向旋转件连接，外骨骼大臂和外骨骼旋转大臂的中心线在同一条直线上并与平衡连杆平行，外骨骼小臂和辅助连杆由左至右依次平行设置，且外骨骼小臂和辅助连杆由左至右分别与外骨骼旋转大臂和平衡连杆可转动连接，多个捆绑机构分别固定安装在外骨骼大臂和外骨骼小臂上。本专利技术与现有技术相比具有以下效果：一、本专利技术的结构，使得外骨骼既能满足穿戴者上肢的运动自由度，又不会与穿戴者发生干涉。二、利用平行四边形原理使得外骨骼上臂与外骨骼肩关节竖直轴的夹角等于穿戴者上臂与竖直轴的角度，肩关节旋转中心到小臂弹簧挂点的连线与小臂平行，小臂与竖直轴的夹角即为连线与竖直轴的夹角。三、利用弹簧的弹性势能的改变平衡掉上肢重力势能的改变，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。四、由于弹簧平衡的作用，使得穿戴者穿上外骨骼以后上肢在任何姿态下均处于平衡位置，所以不需要出力维持姿态。五、具有调节功能，能够感知穿戴者的上肢的重量，自动调节弹簧挂点，以适应不同的负载，实现实时重力平衡，也可根据需要实时调节，以实现不同程度的平衡程度。六、本专利技术结构简单，当穿戴者穿上该外骨骼以后，上肢的重量均被外骨骼上的弹簧所平衡，使得外骨骼的重力势能和弹簧的弹性势能保持恒定，当穿戴者上肢往上运动时，重力势能增大，上肢与竖直轴角度变小，相应的弹簧的伸长量变小，弹簧弹性势能减小，减小的弹性势能正好补偿的重力势能，使整体的势能保持很定，从而达到在运动过程中不需要穿戴者克服重力做功，从而实现重力平衡。附图说明图1是外骨骼屈臂状态下的主视图；图2是图1的侧视图；图3是外骨骼伸至90°时的主视图；图4是图3的侧视图；图5是本专利技术的轴测图；图6是平衡连杆6结构图；图7是大臂旋转机构8的原理图；图8是外骨骼机构图；图9是外骨骼原理图。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，本实施方式包括大臂调节电机1-1、大臂电机座1-1-1、小臂调节电机1-2、小臂电机座1-2-1、大臂调节螺母2-1、小臂调节螺母2-2、肩关节上骨架3、肩关节连接架17、肩关节下骨架5、外骨骼大臂4、平衡连杆6、两个调节组件、大臂轴向旋转件8、辅助连杆11、外骨骼旋转大臂12、外骨骼小臂10和多个捆绑机构13，大臂电机座1-1-1安装在肩关节上骨架3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：它包括大臂调节电机(1‑1)、大臂电机座(1‑1‑1)、小臂调节电机(1‑2)、小臂电机座(1‑2‑1)、大臂调节螺母(2‑1)、小臂调节螺母(2‑2)、肩关节上骨架(3)、肩关节连接架(17)、肩关节下骨架(5)、外骨骼大臂(4)、平衡连杆(6)、两个调节组件、大臂轴向旋转件(8)、辅助连杆(11)、外骨骼旋转大臂(12)、外骨骼小臂(10)和多个捆绑机构(13)，大臂电机座(1‑1‑1)安装在肩关节上骨架(3)的一端上，肩关节连接架(17)的一侧与肩关节上骨架(3)连接，肩关节连接架(17)的另一侧与穿戴者的身体连接，肩关节上骨架(3)的另一端与外骨骼大臂(4)的一端可转动连接，大臂调节电机(1‑1)安装在大臂电机座(1‑1‑1)上，大臂调节螺母(2‑1)与大臂调节电机(1‑1)的输出端连接，其中一个调节组件安装在外骨骼大臂(4)上并与大臂调节螺母(2‑1)连接，肩关节下骨架(5)与穿戴者的身体连接，小臂电机座(1‑2‑1)安装在肩关节下骨架(5)上，小臂调节电机(1‑2)安装在小臂电机座(1‑2‑1)上，小臂调节螺母(2‑2)安装在小臂调节电机(1‑2)的输出端，平衡连杆(6)平行于外骨骼大臂(4)设置，另一个调节组件安装在平衡连杆(6)上并与小臂调节螺母(2‑2)连接，外骨骼旋转大臂(12)与外骨骼大臂(4)的另一端之间通过大臂轴向旋转件(8)连接，外骨骼大臂(4)和外骨骼旋转大臂(12)的中心线在同一条直线上并与平衡连杆(6)平行，外骨骼小臂(10)和辅助连杆(11)由左至右依次平行设置，且外骨骼小臂(10)和辅助连杆(11)由左至右分别与外骨骼旋转大臂(12)和平衡连杆(6)可转动连接，多个捆绑机构(13)分别固定安装在外骨骼大臂(4)和外骨骼小臂(10)上。...

【技术特征摘要】
1.一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：它包括大臂调节电机(1-1)、
大臂电机座(1-1-1)、小臂调节电机(1-2)、小臂电机座(1-2-1)、大臂调节螺母(2-1)、
小臂调节螺母(2-2)、肩关节上骨架(3)、肩关节连接架(17)、肩关节下骨架(5)、外骨
骼大臂(4)、平衡连杆(6)、两个调节组件、大臂轴向旋转件(8)、辅助连杆(11)、外骨
骼旋转大臂(12)、外骨骼小臂(10)和多个捆绑机构(13)，
大臂电机座(1-1-1)安装在肩关节上骨架(3)的一端上，肩关节连接架(17)的一
侧与肩关节上骨架(3)连接，肩关节连接架(17)的另一侧与穿戴者的身体连接，肩关节
上骨架(3)的另一端与外骨骼大臂(4)的一端可转动连接，大臂调节电机(1-1)安装在
大臂电机座(1-1-1)上，大臂调节螺母(2-1)与大臂调节电机(1-1)的输出端连接，其
中一个调节组件安装在外骨骼大臂(4)上并与大臂调节螺母(2-1)连接，
肩关节下骨架(5)与穿戴者的身体连接，小臂电机座(1-2-1)安装在肩关节下骨架
(5)上，小臂调节电机(1-2)安装在小臂电机座(1-2-1)上，小臂调节螺母(2-2)安
装在小臂调节电机(1-2)的输出端，平衡连杆(6)平行于外骨骼大臂(4)设置，另一个
调节组件安装在平衡连杆(6)上并与小臂调节螺母(2-2)连接，
外骨骼旋转大臂(12)与外骨骼大臂(4)的另一端之间通过大臂轴向旋转件(8)连
接，外骨骼大臂(4)和外骨骼旋转大臂(12)的中心线在同一条直线上并与平衡连杆(6)
平行，外骨骼小臂(10)和辅助连杆(11)由左至右依次平行设置，且外骨骼小臂(10)
和辅助连杆(11)由左至右分别与外骨骼旋转大臂(12)和平衡连杆(6)可转动连接，多
个捆绑机构(13)分别固定安装在外骨骼大臂(4)和外骨骼小臂(10)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：调
节组件包括钢丝绳(16)、弹簧固定扣(15)、连接座(50)和弹簧(7)，弹簧(7)的一端
通过弹簧固定扣(15)固定安装在平衡连杆(6)或外骨骼大臂(4)上，连接座(50)安
装在靠近小臂调节螺母(2-2)一侧的平衡连杆(6)上，或者连接座(50)安装在靠近大
臂调节螺母(2-1)一侧的外骨骼大臂(4)上，钢丝绳(16)的一端与小臂调节螺母(2-2)
固定连接，钢丝绳(16)的另一端穿过平衡连杆(6)上的连接座(50)与弹簧(7)的另
一端连接，或者钢丝绳(16)的一端与大臂调节螺母(2-1)固定连接，钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，蔡雪风，张宗伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23