一種用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置的製作方法

2023-10-24 10:28:17 3

本實用新型涉及一種用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置，包括大臂旋轉以及前臂旋轉關節，屬於醫療康復訓練器械技術領域。

背景技術：

近些年來，偏癱等疾病引起的運動功能障礙患者越來越多，醫師一對一的人工康復的已經不能滿足廣大患者的要求，因而用於協作醫師進行訓練的康復機器人得到了迅猛的發展，特別是與人體結構類似的外骨骼康復機器人。

人體手臂的旋轉運動是一項重要的運動形式，包括大臂旋轉和前臂旋轉兩部分。然而，由於外骨骼機器人自身穿戴式的特點，其內部的空間不應該被佔用，因此導致外骨骼機器人的旋轉軸為一個假想的虛軸；此外，在日常生活中的大多數動作中，人體手臂與人體軀幹保持接觸，因而外骨骼機械手臂的結構只能設計在手臂外側。

以上種種原因導致了外骨骼康復機器臂的旋轉關節不僅其力學結構難以保證，而且機器人旋轉關節與人體手臂旋轉關節的同軸性設計也是一大難題。

鑑於上述情況，有必要在本領域開發一種新型的旋轉關節結構。

技術實現要素：

本實用新型針對現有外骨骼康復機器臂的旋轉關節技術存在的問題，提供一種力學性能優良且人機旋轉關節同軸的用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置。

為解決上述技術問題，本實用新型的用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置，採用以下技術方案：

該旋轉關節，包括手臂固定架、驅動機構和導軌轉動機構；驅動機構固定連接在手臂固定架上，導軌轉動機構與驅動機構的動力輸出端連接；所述導軌轉動機構包括轉動固定板、導輪固定底板、半圓導軌、導輪和機器人旋轉板，轉動固定板連接在驅動機構上，導輪固定底板連接在轉動固定板上，半圓導軌的裡圈設置有連接在導輪固定底板上的導輪，半圓導軌的外圈通過齒輪傳動與驅動機構的動力輸出端連接。

所述手臂固定架包括機器人手臂板和人體手臂固定板，機器人手臂板和人體手臂固定板通過調節螺栓上下連接在一起。

所述驅動機構，包括電機、電機輸入法蘭、諧波減速器和電機輸出法蘭，電機通過電機架固定連接在手臂固定架上，電機輸入法蘭連接在電機前端，諧波減速器固定連接在電機輸入法蘭上，電機諧波減速器的輸出端設置有電機輸出法蘭，電機輸出法蘭上安裝有輸出齒輪。

驅動機構通過齒輪傳動帶動半圓導軌的轉動，半圓導軌再帶動機器人旋轉板運動，從而實現了電機帶動機器人旋轉板運動。

本實用新型基於人機工程學原理與機器人外骨骼式結構，通過導輪及齒輪嚙合實現了導軌的三點固定；利用齒輪傳動的方式完成了旋轉關節機構的設計，實現了人機旋轉關節的同軸運動。與傳統外骨骼式康復機器人中的旋轉關節相比，本實用新型具有如下特點：

①採用三點固定方式有效地實現了導軌固定，通過齒輪傳動方式完成關節的旋轉運動；

②外骨骼結構全部處於手臂外側，不會對手臂姿態產生幹擾。

附圖說明

圖1為本實用新型用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置的結構示意圖。

圖2為本實用新型中手臂固定機構的結構示意圖。

圖3為本實用新型中驅動電機機構的結構示意圖。

圖4為圖3中去掉電機輸出法蘭(208)後的結構示意圖。

圖5為本實用新型中導軌齒輪旋轉機構的結構示意圖。

圖中：1、手臂固定機構，2、驅動機構，3、導軌齒輪旋轉機構；

101、機器人手臂板，102、人體手臂固定板，103、第一人體手臂固定板螺栓，104、第二人體手臂固定板螺栓，105、第三人體手臂固定板螺栓，106、第四人體手臂固定板螺栓，107、第一人體手臂固定板螺母，108、第一機器人手臂板內螺母，109、第一機器人手臂板外螺母，110、第二人體手臂固定板螺母，111、第二機器人手臂板內螺母，112、第二機器人手臂板外螺母，113、第三人體手臂固定板螺母，114、第三機器人手臂板內螺母，115、第三機器人手臂板外螺母，116、第四人體手臂固定板螺母，117、第四機器人手臂板內螺母，118、第四機器人手臂板外螺母；

201、旋轉電機，202、第一旋轉電機固定架，203、第二旋轉電機固定架，204、電機輸入法蘭，205、電機諧波減速器，206、諧波減速器端蓋，207諧波減速器固定圈，208、電機輸出法蘭；

301、輸出齒輪，302、轉動固定板，303、導輪固定底板，304、半圓導軌，305、第一導輪，306第二導輪，307、機器人旋轉板。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置，包括依次連接的手臂固定架1、驅動機構2和導軌齒輪旋轉機構3。驅動機構2固定在手臂固定架1上，導軌齒輪旋轉機構3固定在驅動電機機構2的前端，且由驅動機構2提供旋轉的動力。

如圖2所示，手臂固定架包括機器人手臂板101和人體手臂固定板102。機器人手臂板101和人體手臂固定板102均為長條形薄板，它們的四個邊角上設置有四個相對應的螺栓孔。機器人手臂板101可以與外骨骼式康復機器人的上端固定配合，人體手臂固定板102與機器人手臂板101通過第一手臂固定板螺栓103、第二手臂固定板螺栓104、第三手臂固定板螺栓105和第四手臂固定板螺栓106進行固定與位置調節，四組螺釘固定方式相同。第一手臂固定板螺栓103依次穿過人體手臂固定板102、第一人體手臂固定板螺母107、第一機器人手臂板內螺母108、機器人手臂板101和第一機器人手臂板外螺母109；第二手臂固定板螺栓104依次穿過人體手臂固定板102、第一人體手臂固定板螺母110、第一機器人手臂板內螺母111、機器人手臂板101和第一機器人手臂板外螺母112；第三手臂固定板螺栓105依次穿過人體手臂固定板102、第一人體手臂固定板螺母113、第一機器人手臂板內螺母114、機器人手臂板101和第一機器人手臂板外螺母115；第四手臂固定板螺栓106依次穿過人體手臂固定板102、第一人體手臂固定板螺母116、第一機器人手臂板內螺母117、機器人手臂板101和第一機器人手臂板外螺母118。每個螺栓上通過調節三個螺母的位置，實現機器人手臂板101和人體手臂固定板102兩個板件之間的位置調節。

如圖3所示，驅動機構2包括電機201、電機輸入法蘭204、諧波減速器205和電機輸出法蘭208。電機201通過第一旋轉電機固定架202和第二旋轉電機固定架203固定在手臂固定架1中的機器人手臂板101上。第一旋轉電機固定架202和第二旋轉電機固定架203均為與旋轉電機201相匹配的U形凹槽結構，且兩端有螺紋孔，通過螺栓將旋轉電機201固定在機器人手臂板101上。旋轉電機201的前端固定有電機輸入法蘭204，電機輸入法蘭204為帶有凸臺的圓形法蘭。電機諧波減速器205的輸入端通過螺釘固定在電機輸入法蘭204的圓形法蘭上，電機諧波減速器205的輸入端固定連接有諧波減速器端蓋206(參見圖4)，電機諧波減速器205上還設置有諧波減速器固定圈207。旋轉電機201的電機輸出軸與諧波減速器端蓋206連接。電機諧波減速器205的輸出端外側設置有電機輸出法蘭208，電機諧波減速器205的輸出端和電機輸出法蘭208一起通過螺釘固定在諧波減速器固定圈207上，實現電機輸出法蘭208與諧波減速器205輸出端的固定。電機輸出法蘭208上安裝有輸出齒輪301。工作時，旋轉電機201帶動諧波減速器端蓋206轉動，通過諧波減速器205內部傳動結構帶動其輸出端和電機輸出法蘭208轉動，完成電機力矩的放大。

如圖5所示，導軌齒輪旋轉機構3包括輸出齒輪301、轉動固定板302、導輪固定底板303、半圓導軌304、第一導輪305、第二導輪306和機器人旋轉板307。轉動固定板302為長條形薄板，導輪固定底板303為「凸」形薄板，轉動固定板302的一端通過螺釘固定在電機輸入法蘭204的凸臺上，另一端通過螺釘與導輪固定底板303的凸出端固定。第一導輪305和第二導輪306固定在一個滑輪架上，該滑輪架固定在導輪固定底板303上，兩個導輪上都設置有與半圓導軌304的內圈相匹配的槽，可沿半圓導軌304的內圈轉動。半圓導軌304的外圈加工有與輸出齒輪301相嚙合的齒。半圓導軌304利用輸出齒輪301、第一導輪305和第二導輪306三者形成的平面保持位置的固定。半圓導軌304的一端固定連接有長方形的機器人旋轉板307，實現旋轉運動的輸出。

工作時，驅動機構通過齒輪傳動帶動半圓導軌304的轉動，半圓導軌304再帶動機器人旋轉板307運動，從而實現了電機帶動機器人旋轉板運動。

與現有外骨骼康復機器人旋轉關節相比較，本實用新型通過導軌齒輪的結構，利用三點固定的方式，完成了用於外骨骼康復機器臂的旋轉裝置的設計，具有結構簡單，運動同軸，適用面廣闊的特點，非常適合用於康復治療訓練。