一種基於空間重力平衡的上肢康復外骨骼的製造方法與工藝
2023-04-28 00:45:01 2
本發明涉及一種上肢康復外骨骼，具體涉及一種基於空間重力平衡的上肢康復外骨骼。
背景技術：
外骨骼機器人是一種複雜的人機結合的技術，它融合了機械、傳感、控制、信息、電子技術以及人工智慧等眾多科學領域知識，將人的智能和機械動力裝置的機械能結合在一起，通過人機物理接觸傳遞力和運動來實現動作輔助和姿態檢測等功能，同時依靠傳感器與穿戴者實現信息交互。經過40多年的發展，外骨骼在很多領域都有了越來越普遍的應用。比如，軍事上，外骨骼的輔助會使部隊在野外作戰的持久力增強，外骨骼為士兵提供能量，士兵身上的負重由外骨骼承擔，使單兵作戰能力大大提高；民用上。外骨骼可以用來搬運東西，在大型工程施工中或者在物料搬運作業中，可以使勞動者耐力更持久；醫學上，外骨骼機器人可以廣泛應用在康復醫學中，患者通過穿戴外骨骼機器人不但可以進行有效的功能康復訓練，而且可以通過穿戴者肌電信號控制幫助患者康復肌肉，促進中樞系統恢復。在構型上，外骨骼也多種多樣，可以採取不同的構型方式，有完美貼合人身的，有軟體的，有末端貼合的等等，各有各的優勢，在原理上也有著不同，有用液壓的，有用氣動的，也有用電動的，有一些外骨骼還夾雜著重力平衡，欠驅動等原理。隨著社會現代化、工業化進程的進一步深入，機械外骨骼的應用將會涉及到人類生活生產的各個方面，可以預見，機械外骨骼的前景是非常廣大的。在外骨骼設計方面，結構擬人化是它的一個重要特性，也是安全性和舒適性的保障。人體上肢主要包括肩部、肘部和腕部3個生理關節，其能夠完成極其複雜精細的運動，如果想完整地復現該運動，上肢外骨骼機器人需要完整地復現該運動，上肢外骨骼機器人需要數目眾多的自由度，但這會導致機構笨重和控制冗餘等問題。因此，需要分析人體上肢生理運動形式並作適度簡化，獲取外骨骼設計可用的運動學模型，同時保證良好的人機運動鏈相容性。現有的上肢外骨骼機器人大多採用七自由度串聯運動學模型，即肩部屈/伸(前後擺)，內收/外展(左右擺)，內旋/外旋(大臂自轉)；肘部屈/伸；腕部內旋/外旋、內收/外展、屈/伸。由於肩部內旋/外旋自由度既可以看作在肩關節完成也可以看作在肘關節完成，所以，肩關節和肘關節通常有兩種布置辦法，第一種是肩關節三個完整自由度加上肘關節單自由度，第二種是肩關節屈/伸，內收/外展自由度加上肘關節屈/伸，繞大臂內旋/外旋自由度。對於目前有的外骨骼，大多是均是採取主動驅動，但是在人體的運動過程中，有一些能量比如重力勢能是往復變化的，但是在主動驅動的過程中，重力勢能在升高和降低的過程中，驅動元件均做正功，浪費了重力勢能，同時還浪費了驅動元件的出力。而且目前的已有的上肢外骨骼結構均比較複雜，能量利用率極低，並不具有間接性和美觀性。有一些利用重力平衡原理的外骨骼，結構卻比較複雜，或者並不能完全的實現重力平衡，基於此，本發明設計一種新型的基於空間重力平衡的上肢康復訓練外骨骼。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有的利用重力平衡原理的外骨骼，結構複雜，或者並不能完全的實現重力平衡的問題。進而提供一種基於空間重力平衡的上肢康復外骨骼。本發明的技術方案是：一種基於空間重力平衡的上肢康復外骨骼包括大臂調節電機、大臂電機座、小臂調節電機、小臂電機座、大臂調節螺母、小臂調節螺母、肩關節上骨架、肩關節連接架、肩關節下骨架、外骨骼大臂、平衡連杆、兩個調節組件、大臂軸向旋轉件、輔助連杆、外骨骼旋轉大臂、外骨骼小臂和多個捆綁機構，大臂電機座安裝在肩關節上骨架的一端上，肩關節連接架的一側與肩關節上骨架連接，肩關節連接架的另一側與穿戴者的身體連接，肩關節上骨架的另一端與外骨骼大臂的一端可轉動連接，大臂調節電機安裝在大臂電機座上，大臂調節螺母與大臂調節電機的輸出端連接，其中一個調節組件安裝在外骨骼大臂上並與大臂調節螺母連接，肩關節下骨架與穿戴者的身體連接，小臂電機座安裝在肩關節下骨架上，小臂調節電機安裝在小臂電機座上，小臂調節螺母安裝在小臂調節電機的輸出端，平衡連杆平行於外骨骼大臂設置，另一個調節組件安裝在平衡連杆上並與小臂調節螺母連接，外骨骼旋轉大臂與外骨骼大臂的另一端之間通過大臂軸向旋轉件連接，外骨骼大臂和外骨骼旋轉大臂的中心線在同一條直線上並與平衡連杆平行，外骨骼小臂和輔助連杆由左至右依次平行設置，且外骨骼小臂和輔助連杆由左至右分別與外骨骼旋轉大臂和平衡連杆可轉動連接，多個捆綁機構分別固定安裝在外骨骼大臂和外骨骼小臂上。本發明與現有技術相比具有以下效果：一、本發明的結構，使得外骨骼既能滿足穿戴者上肢的運動自由度，又不會與穿戴者發生幹涉。二、利用平行四邊形原理使得外骨骼上臂與外骨骼肩關節豎直軸的夾角等於穿戴者上臂與豎直軸的角度，肩關節旋轉中心到小臂彈簧掛點的連線與小臂平行，小臂與豎直軸的夾角即為連線與豎直軸的夾角。三、利用彈簧的彈性勢能的改變平衡掉上肢重力勢能的改變，利用完全被動的方法平衡掉重力勢能，消除上肢運動過程中克服重力勢能做功。四、由於彈簧平衡的作用，使得穿戴者穿上外骨骼以後上肢在任何姿態下均處於平衡位置，所以不需要出力維持姿態。五、具有調節功能，能夠感知穿戴者的上肢的重量，自動調節彈簧掛點，以適應不同的負載，實現實時重力平衡，也可根據需要實時調節，以實現不同程度的平衡程度。六、本發明結構簡單，當穿戴者穿上該外骨骼以後，上肢的重量均被外骨骼上的彈簧所平衡，使得外骨骼的重力勢能和彈簧的彈性勢能保持恆定，當穿戴者上肢往上運動時，重力勢能增大，上肢與豎直軸角度變小，相應的彈簧的伸長量變小，彈簧彈性勢能減小，減小的彈性勢能正好補償的重力勢能，使整體的勢能保持很定，從而達到在運動過程中不需要穿戴者克服重力做功，從而實現重力平衡。附圖說明圖1是外骨骼屈臂狀態下的主視圖；圖2是圖1的側視圖；圖3是外骨骼伸至90°時的主視圖；圖4是圖3的側視圖；圖5是本發明的軸測圖；圖6是平衡連杆6結構圖；圖7是大臂旋轉機構8的原理圖；圖8是外骨骼機構圖；圖9是外骨骼原理圖。具體實施方式具體實施方式一：結合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式包括大臂調節電機1-1、大臂電機座1-1-1、小臂調節電機1-2、小臂電機座1-2-1、大臂調節螺母2-1、小臂調節螺母2-2、肩關節上骨架3、肩關節連接架17、肩關節下骨架5、外骨骼大臂4、平衡連杆6、兩個調節組件、大臂軸向旋轉件8、輔助連杆11、外骨骼旋轉大臂12、外骨骼小臂10和多個捆綁機構13，大臂電機座1-1-1安裝在肩關節上骨架3的一端上，肩關節連接架17的一側與肩關節上骨架3連接，肩關節連接架17的另一側與穿戴者的身體連接，肩關節上骨架3的另一端與外骨骼大臂4的一端可轉動連接，大臂調節電機1-1安裝在大臂電機座1-1-1上，大臂調節螺母2-1與大臂調節電機1-1的輸出端連接，其中一個調節組件安裝在外骨骼大臂4上並與大臂調節螺母2-1連接，肩關節下骨架5與穿戴者的身體連接，小臂電機座1-2-1安裝在肩關節下骨架5上，小臂調節電機1-2安裝在小臂電機座1-2-1上，小臂調節螺母2-2安裝在小臂調節電機1-2的輸出端，平衡連杆6平行於外骨骼大臂4設置，另一個調節組件安裝在平衡連杆6上並與小臂調節螺母2-2連接，外骨骼旋轉大臂12與外骨骼大臂4的另一端之間通過大臂軸向旋轉件8連接，外骨骼大臂4和外骨骼旋轉大臂12的中心線在同一條直線上並與平衡連杆6平行，外骨骼小臂10和輔助連杆11由左至右依次平行設置，且外骨骼小臂10和輔助連杆11由左至右分別與外骨骼旋轉大臂12和平衡連杆6可轉動連接，多個捆綁機構13分別固定安裝在外骨骼大臂4和外骨骼小臂10上。具體實施方式二：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式的調節組件包括鋼絲繩16、彈簧固定扣15、連接座50和彈簧7，彈簧7的一端通過彈簧固定扣15固定安裝在平衡連杆6或外骨骼大臂4上，連接座50安裝在靠近小臂調節螺母2-2一側的平衡連杆6上，或者連接座50安裝在靠近大臂調節螺母2-1一側的外骨骼大臂4上，鋼絲繩16的一端與小臂調節螺母2-2固定連接，鋼絲繩16的另一端穿過平衡連杆6上的連接座50與彈簧7的另一端連接，或者鋼絲繩16的一端與大臂調節螺母2-1固定連接，鋼絲繩16的另一端穿過外骨骼大臂4上的連接座50與彈簧7的另一端連接。如此設置，結構簡單，便於實現外骨骼的伸展，為外骨骼的伸展提供彈性力。其它組成和連接關係與具體實施方式一相同。具體實施方式三：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式的鋼絲繩16的一端與小臂調節螺母2-2固定連接，鋼絲繩16的另一端穿過平衡連杆6上的連接座50與彈簧7的另一端連接，且彈簧7的另一端在小臂調節螺母2-2和鋼絲繩16的帶動下實現伸縮；或者鋼絲繩16的一端與大臂調節螺母2-1固定連接，鋼絲繩16的另一端穿過外骨骼大臂4上的連接座50與彈簧7的另一端連接，且彈簧7的另一端在大臂調節螺母2-1和鋼絲繩16的帶動下實現伸縮。如此設置，便於實現外骨骼的伸屈。其它組成和連接關係與具體實施方式一或二相同。具體實施方式四：結合圖1、圖3和圖5說明本實施方式，本實施方式的連接座50為二分之一半圓環座。如此設置，為鋼絲繩的運動提供導向。其它組成和連接關係與具體實施方式一、二或三相同。具體實施方式五：結合圖2和圖5說明本實施方式，本實施方式的大臂軸向旋轉件8包括第一連杆8-1、第二連杆8-2、第三連杆8-3、第四連杆8-4、第五連杆8-5、第六連杆8-6和穿戴繞大臂旋轉電機8-7，第一連杆8-1的首端與外骨骼大臂4固連，第二連杆8-2與第一連杆8-1末端鉸接，第三連杆8-3與第二連杆8-2鉸接，第四連杆8-4同時與第二連杆8-2及第三連杆8-3鉸接，第一連杆8-1、第二連杆8-2、第三連杆8-3和第四連杆8-4組成平行四邊形，第五連杆8-5與第三連杆8-3鉸接，第六連杆8-6與第四連杆8-4及第五連杆8-5鉸接，第三連杆8-3、第四連杆8-4、第五連杆8-5和第六連杆8-6組成平行四邊形，穿戴繞大臂旋轉電機8-7與第一連杆8-1末端連接，大臂軸向旋轉件8為雙平行四邊形機構。如此設置，使外骨骼在大臂旋轉機構另一端的部分可以繞著穿戴者大臂軸旋轉，進而實現穿戴者繞著大臂旋轉自由度。其它組成和連接關係與具體實施方式一、二、三或四相同。具體實施方式六：結合圖5說明本實施方式，本實施方式的還包括屈伸電機51，屈伸電機51與外骨骼旋轉大臂12和外骨骼小臂10交匯處連接。如此設置，為外骨骼中小臂的伸屈提供驅動力。其它組成和連接關係與具體實施方式一、二、三、四或五相同。具體實施方式七：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式的捆綁機構13為捆綁環。如此設置，寬鬆的捆綁環穿戴方便，同時與人體大臂和小臂的外輪廓形狀相匹配。其它組成和連接關係與具體實施方式一、二、三、四、五或六相同。具體實施方式八：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式的捆綁機構13的數量為4個。如此設置，在滿足捆綁效果的同時儘量減輕穿戴負擔。其它組成和連接關係與具體實施方式一、二、三、四、五、六或七相同。具體實施方式九：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式的外骨骼大臂4和外骨骼小臂10上分別固定安裝有2個捆綁機構13。如此設置，捆綁位置均勻。其它組成和連接關係與具體實施方式一、二、三、四、五、六...