一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107175652A(43)申请公布日2017.09.19(21)申请号201710332514.0(22)申请日2017.05.12(71)申请人北京工业大学地址100124北京市朝阳区平乐园100号(72)发明人张雷雨李剑锋吴强张子康刘钧辉(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司11203代理人刘萍(51)Int.Cl.B25J9/00(2006.01)B25J19/00(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图6页(54)发明名称一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构(57)摘要本发明涉及一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，该重力平衡机构包括钢丝绳、弹簧、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，钢丝绳一端固定，另一端连接旋转臂，钢丝绳缠绕在滑轮组上，滑轮组中的动滑轮安装在直线运动单元的滑块附件上，动滑轮随滑块附件一起做直线运动。弹簧一端连接滑块附件，另一端连接可调固定单元。通过引入重力平衡机构，大幅减小上肢康复外骨骼的第二关节驱动扭矩，采用滑轮组的方式，降低弹簧的拉伸变形量，将弹簧的拉伸变形量降低至原来的一半。同时，通过增加可调固定单元，能够控制弹簧的初始拉伸变形量，使得该重力平衡机构平衡具有较大的平衡范围，同时，解决了弹簧安装不方便的问题。CN107175652ACN107175652A权利要求书1/1页1.一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，该重力平衡机构包括钢丝绳、弹簧、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，钢丝绳一端固定，另一端连接旋转臂，钢丝绳缠绕在滑轮组上；滑轮组中的动滑轮安装在直线运动单元的滑块附件上，动滑轮随滑块附件一起做直线运动；弹簧一端连接滑块附件，另一端连接可调固定单元。2.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，滑轮组包括动滑轮、导向轮，钢丝绳缠绕在动滑轮上，经两个导向轮导向，固定于旋转臂。3.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，直线运动单元包括直线导轨、滑块、滑块附件，直线导轨固定在上肢康复外骨骼的竖板上，滑块附件安装并固定在滑块上，滑块附件及动滑轮在弹簧及钢丝绳的共同作用下沿直线导轨运动。4.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，可调固定单元包括丝杠、螺母副及固定座组成，丝杠的上端为六边形，螺母副与丝杠配合，螺母副具有矩形外形，中部设计有与丝杠配合的螺纹，螺母副侧面设计有凸台；使用含有呈六边形凹槽的专用工具，转动丝杠，调整螺母副在可调固定单元上的位置；弹簧一端挂靠在滑块附件上，另一端挂靠在螺母副的凸台上，通过调整螺母副的位置，控制弹簧的初始长度。2CN107175652A说明书1/4页一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构技术领域[0001]本发明涉及一种重力平衡机构，具体说，涉及一种用于上肢康复外骨骼机构的重力平衡机构。背景技术[0002]为弥补传统人工康复训练的不足，降低医师繁重的工作强度并为患者提供准确、有效的康复医疗服务，国内外一些院校的实验室和康复医疗机构相继开展了穿戴型上肢康复外骨骼的相关研究。从运动解剖学、生物力学和人因工程学的角度出发，根据人体上肢的形态构造和功能，对人体上肢的自由度进行分析，得出上肢(不含手掌)具有5个自由度(5-DOF)：肩关节前屈/后伸、内收/外展、旋内/旋外，肘关节屈/伸，前臂旋内/旋外。针对人体上肢各关节的活动范围和自由度要求，设计和综合上肢康复机器人的本体构型和驱动方式，实现对患者上肢的精确康复训练、柔性训练，并且实时准确地调整施加在患肢上的运动参数和力/矩参数。[0003]上肢康复外骨骼在康复训练过程中处于一种低速的工作状态，由其自身构件重力产生的力矩占主导作用，采用被动重力平衡技术可明显消除关节的重力矩，进而减小驱动装置重量。被动重力平衡按其平衡效果可分为两类：完全重力平衡与部分重力平衡。完全重力平衡可通过配重、零初长弹簧平衡装置实现；部分重力平衡可通过非零初长弹簧结合优化算法实现，但对多自由度机构平衡时弹簧使用数目较多。由于配重法会明显增加系统质量，故优先选用弹簧法对机构进行重力平衡。本发明采用零初长弹簧单元(Zero-free-lengthSpring)作为外骨骼系统的重力平衡机构，其原理如图1所示，关节杆J绕转心O转动角度θ，由能量守恒原理可知，关节杆J的重力势能和弹簧S的弹性势能之和保持恒定，弹簧S被拉伸，钢丝绳W缩短，缩短的距离转化为钢丝绳CD的长度，弹簧S产生的弹簧力F1经滑轮导R向转换为钢丝绳CD的拉力F2，利用拉力F2抵消关节杆的重力G，实现对关节杆的完全重力平衡。发明内容[0004]本发明的目的在于提供一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机