一種可調負載線性彈簧儲能上肢外骨骼的製作方法

2023-10-24 20:01:47

本發明涉及一種上肢助力外骨骼，具體涉及一種可調負載線性彈簧儲能上肢外骨骼。

背景技術：

目前，上肢外骨骼機器人從控制方法上可分為主動控制和被動控制兩種。現有的利用彈簧進行重力平衡上肢外骨骼當面對不同負載的場合時大多需要人工進行手動調節，這類設計在面對負載需要頻繁變化的場合是由於調節工作的繁瑣使其的應用受到了極大的限制。

本發明屬於其中的被動控制，該方法利用彈簧儲存的能量與負載的重力勢能進行平衡，從而實現助力效果。

技術實現要素：

本發明為解決現有重力平衡外骨骼不能針對不同負載自動進行調節的問題，而提出一種可調負載線性彈簧儲能上肢外骨骼。

本發明的一種可調負載線性彈簧儲能上肢外骨骼，其組成包括大臂、小臂、手部、肘部轉軸和手部轉軸，大臂與小臂的結構相同，大臂包括前關節、大臂上部連杆、重力平衡彈簧、第一鋼絲繩、第二鋼絲繩、反向力彈簧、大臂下部連杆、電機、減速器、滑軌、絲槓螺母、後關節、絲槓、重力平衡彈簧固定座、反向力彈簧固定座、第一凸輪、第二凸輪、兩個上轉軸、兩個下轉軸、兩個絲槓軸承座和四個軸承，兩個上轉軸與兩個下轉軸呈矩形布置，前關節與左側的上轉軸和下轉軸通過軸承鉸接，後關節與右側的上轉軸和下轉軸通過軸承鉸接，大臂上部連杆與大臂下部連杆上下設置，大臂上部連杆的左端與前關節上的上轉軸鉸接，大臂上部連杆的右端與後關節上的上轉軸鉸接，大臂下部連杆的左端與前關節上的下轉軸鉸接，大臂下部連杆的右端與後關節上的下轉軸鉸接，大臂上部連杆、大臂下部連杆、前關節和後關節構成平行四邊形連杆結構，重力平衡彈簧固定座固定在大臂上部連杆的內側壁上，重力平衡彈簧的一端與重力平衡彈簧固定座固定，重力平衡彈簧的另一端與第一鋼絲繩連接，第一鋼絲繩繞過後關節上的上轉軸連接到絲槓螺母上，反向力彈簧固定座固定在大臂下部連杆的內側壁上，反向力彈簧的一端與反向力彈簧固定座固定，反向力彈簧的另一端與第二鋼絲繩連接，第二鋼絲繩繞過第一凸輪和第二凸輪後連接到絲槓螺母上，第一凸輪和第二凸輪均與前關節上的下轉軸鉸接，絲槓螺母與絲槓螺紋連接，絲槓通過減速器與電機連接，絲槓螺母與滑軌滑動連接，滑軌連接到大臂下部連杆上，兩 個絲槓軸承座支撐在絲槓的兩端，絲槓軸承座連接到大臂下部連杆上，大臂、小臂和依次布置，大臂上的後關節與小臂上的前關節通過肘部轉軸鉸接，小臂上的後關節通過手部轉軸與手部前關節鉸接。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

一、本發明設計了反向力平衡調節機構，使得在面對較大負載調整的場合都可以使用較小的力進行調節。與現有的重力平衡上肢外骨骼相比，本發明本結構可以實現針對不同負載情況的自動調節，大大增加了實用性。

二、本發明增加的反向力調節機構大大減小了電機在調節過程中所需的輸出力，降低了成本，節約了能源。

三、第一凸輪和第二凸輪的作用是使反向力調節彈簧的輸出與彈簧的最大伸長量與實際伸長量的差值成正比。第一凸輪和第二凸輪使得平衡機構在不同的掛點位置均能較好的實現反向平衡效果。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構俯視圖；

圖2是大臂A的俯視圖；

圖3是大臂A的剖視圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1～圖3說明本實施方式，本實施方式包括大臂A、小臂B、手部C、肘部轉軸D和手部轉軸E，大臂A與小臂B的結構相同，大臂A包括前關節3、大臂上部連杆4、重力平衡彈簧5、第一鋼絲繩6、第二鋼絲繩7、反向力彈簧8、大臂下部連杆9、電機10、減速器11、滑軌13、絲槓螺母14、後關節15、絲槓16、重力平衡彈簧固定座17、反向力彈簧固定座20、第一凸輪21、第二凸輪22、兩個上轉軸1、兩個下轉軸2、兩個絲槓軸承座19和四個軸承12，兩個上轉軸1與兩個下轉軸2呈矩形布置，前關節3與左側的上轉軸1和下轉軸2通過軸承12鉸接，後關節15與右側的上轉軸1和下轉軸2通過軸承12鉸接，大臂上部連杆4與大臂下部連杆9上下設置，大臂上部連杆4的左端與前關節3上的上轉軸1鉸接，大臂上部連杆4的右端與後關節15上的上轉軸1鉸接，大臂下部連杆9的左端與前關節3上的下轉軸2鉸接，大臂下部連杆9的右端與後關節15上的下轉軸2鉸接，大臂上部連杆4、大臂下部連杆9、前關節3和後關節15構成平行四邊形連杆結構，重力平衡彈簧固定座17固定在大臂上部連杆4的內側壁上，重力平衡彈簧5的一端與重力平衡彈簧固定座17固定，重力平衡彈簧5的另一端與第一 鋼絲繩6連接，第一鋼絲繩6繞過後關節15上的上轉軸1連接到絲槓螺母14上，實現正向的平衡；反向力彈簧固定座20固定在大臂下部連杆9的內側壁上，反向力彈簧8的一端與反向力彈簧固定座20固定，反向力彈簧8的另一端與第二鋼絲繩7連接，第二鋼絲繩7繞過第一凸輪21和第二凸輪22後連接到絲槓螺母14上，實現反向的平衡；第一凸輪21和第二凸輪22均與前關節3上的下轉軸2鉸接，絲槓螺母14與絲槓16螺紋連接，絲槓16通過減速器11與電機10連接，電機10與大臂上部連杆4固接，絲槓螺母14與滑軌13滑動連接，滑軌13連接到大臂下部連杆9上，兩個絲槓軸承座19支撐在絲槓16的兩端，絲槓軸承座19連接到大臂下部連杆9上；

大臂A、小臂B和依次布置，大臂A上的後關節15與小臂B上的前關節3通過肘部轉軸D鉸接，小臂B上的後關節15通過手部轉軸E與手部C前關節3鉸接。

具體實施方式二：結合圖3說明本實施方式，本實施方式的第一凸輪21和第二凸輪22的結構形狀、大小尺寸相同。其它組成及連接關係與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：結合圖3說明本實施方式，本實施方式的重力平衡彈簧固定座17和反向力彈簧固定座20均為直角板。其它組成及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3說明本實施方式，本實施方式與的具體實施方式三不同的是它還增加有滾輪18，滾輪18套裝在後關節15上的上轉軸1上，且位於滾輪18上轉軸1與第一鋼絲繩6之間。這樣設計可以減少第一鋼絲繩6的摩擦力。其它組成及連接關係與具體實施方式三相同。

本發明的具體原理及運轉過程：

當大臂A實現俯仰方向的轉動時，在負載不變的情況下，保持絲槓螺母14位置不動，大臂俯仰的不同角度對應重力平衡彈簧5的不同伸長量，從而實現大臂A在不同姿態時均能保持垂直方向上的平衡狀態。

當負載重量發生變化時，通過電機10帶動絲槓16轉動，絲槓螺母14沿滑軌13移動，通過第一鋼絲繩6調節重力平衡彈簧5的伸長量，實現機構在新負載下的平衡。絲槓螺母14沿滑軌13移動的同時，通過第二鋼絲繩7調節反向力彈簧8的伸長量，以部分平衡重力平衡彈簧5在實現重力平衡效果時產生的沿絲槓16軸向的力，使得電機10在針對不同負載調節彈簧掛點時，能夠以較小的輸出實現調節作用。