本發(fā)明涉及一種重力平衡機(jī)構(gòu)，具體說，涉及一種用于上肢康復(fù)外骨骼機(jī)構(gòu)的重力平衡機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工康復(fù)訓(xùn)練的不足，降低醫(yī)師繁重的工作強(qiáng)度并為患者提供準(zhǔn)確、有效的康復(fù)醫(yī)療服務(wù)，國內(nèi)外一些院校的實(shí)驗(yàn)室和康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)相繼開展了穿戴型上肢康復(fù)外骨骼的相關(guān)研究。從運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)、生物力學(xué)和人因工程學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)人體上肢的形態(tài)構(gòu)造和功能，對(duì)人體上肢的自由度進(jìn)行分析，得出上肢(不含手掌)具有5個(gè)自由度(5-dof)：肩關(guān)節(jié)前屈/后伸、內(nèi)收/外展、旋內(nèi)/旋外，肘關(guān)節(jié)屈/伸，前臂旋內(nèi)/旋外。針對(duì)人體上肢各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍和自由度要求，設(shè)計(jì)和綜合上肢康復(fù)機(jī)器人的本體構(gòu)型和驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者上肢的精確康復(fù)訓(xùn)練、柔性訓(xùn)練，并且實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整施加在患肢上的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力/矩參數(shù)。

上肢康復(fù)外骨骼在康復(fù)訓(xùn)練過程中處于一種低速的工作狀態(tài)，由其自身構(gòu)件重力產(chǎn)生的力矩占主導(dǎo)作用，采用被動(dòng)重力平衡技術(shù)可明顯消除關(guān)節(jié)的重力矩，進(jìn)而減小驅(qū)動(dòng)裝置重量。被動(dòng)重力平衡按其平衡效果可分為兩類：完全重力平衡與部分重力平衡。完全重力平衡可通過配重、零初長彈簧平衡裝置實(shí)現(xiàn)；部分重力平衡可通過非零初長彈簧結(jié)合優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)，但對(duì)多自由度機(jī)構(gòu)平衡時(shí)彈簧使用數(shù)目較多。由于配重法會(huì)明顯增加系統(tǒng)質(zhì)量，故優(yōu)先選用彈簧法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行重力平衡。本發(fā)明采用零初長彈簧單元(zero-free-lengthspring)作為外骨骼系統(tǒng)的重力平衡機(jī)構(gòu)，其原理如圖1所示，關(guān)節(jié)桿j繞轉(zhuǎn)心o轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，由能量守恒原理可知，關(guān)節(jié)桿j的重力勢能和彈簧s的彈性勢能之和保持恒定，彈簧s被拉伸，鋼絲繩w縮短，縮短的距離轉(zhuǎn)化為鋼絲繩cd的長度，彈簧s產(chǎn)生的彈簧力f1經(jīng)滑輪導(dǎo)r向轉(zhuǎn)換為鋼絲繩cd的拉力f2，利用拉力f2抵消關(guān)節(jié)桿的重力g，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)桿的完全重力平衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于上肢康復(fù)外骨骼的重力平衡機(jī)構(gòu)，以解決上述問題。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于上肢康復(fù)外骨骼的重力平衡機(jī)構(gòu)，其特征在于，該重力平衡機(jī)構(gòu)包括鋼絲繩、彈簧、滑輪組、直線運(yùn)動(dòng)單元及可調(diào)固定單元，鋼絲繩一端固定，另一端連接旋轉(zhuǎn)臂，鋼絲繩纏繞在滑輪組上?；喗M中的動(dòng)滑輪安裝在直線運(yùn)動(dòng)單元的滑塊附件上，動(dòng)滑輪隨滑塊附件一起直線運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步，彈簧一端連接滑塊附件，另一端連接可調(diào)固定單元。

進(jìn)一步，滑輪組包括動(dòng)滑輪、導(dǎo)向輪，鋼絲繩纏繞在動(dòng)滑輪上，經(jīng)兩個(gè)導(dǎo)向輪導(dǎo)向，固定于旋轉(zhuǎn)臂。

進(jìn)一步，直線運(yùn)動(dòng)單元主要包括直線導(dǎo)軌、滑塊、滑塊附件，直線導(dǎo)軌固定在上肢康復(fù)外骨骼的豎板上，滑塊附件安裝并固定在滑塊上，滑塊附件及動(dòng)滑輪在彈簧及鋼絲繩的共同作用下沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步，可調(diào)固定單元主要包括絲杠、螺母副及固定座組成，絲杠的上端為六邊形，螺母副與絲杠配合，使用含有內(nèi)六邊形凹槽的專用工具，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，調(diào)整螺母副在可調(diào)固定單元上的位置。彈簧一端連接滑塊附件，另一端掛靠在螺母副的凸臺(tái)上，通過調(diào)整螺母副的位置，控制彈簧的初始長度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是：通過在上肢康復(fù)外骨骼中引入重力平衡機(jī)構(gòu)，大幅降低關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，減小了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、體積，提高了外骨骼的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明重力平衡機(jī)構(gòu)原理圖；

圖2是本發(fā)明一種上肢康復(fù)外骨骼的軸測視圖；

圖3是本發(fā)明一種上肢康復(fù)外骨骼的局部視圖；

圖4是重力平衡機(jī)構(gòu)的正視圖；

圖5是重力平衡機(jī)構(gòu)的剖視圖；

圖6是可調(diào)固定單元的軸側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但應(yīng)當(dāng)說明的是，這些實(shí)施方式并非對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做的功能、方法、或者結(jié)構(gòu)上的效變換或替代，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

參圖1至圖5所示，圖1是本發(fā)明重力平衡機(jī)構(gòu)原理圖，圖2是本發(fā)明一種上肢康復(fù)外骨骼的軸測視圖，圖3是本發(fā)明一種上肢康復(fù)外骨骼的局部視圖，圖4是重力平衡機(jī)構(gòu)的正視圖，圖5是重力平衡機(jī)構(gòu)的剖視圖，圖6是可調(diào)固定單元的軸側(cè)視圖。

本實(shí)施例提供了一種用于上肢康復(fù)外骨骼的重力平衡機(jī)構(gòu)，參圖2～圖6所示，該上肢康復(fù)外骨骼機(jī)構(gòu)包括5個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)、4個(gè)被動(dòng)滑動(dòng)副及3個(gè)調(diào)整單元，主動(dòng)關(guān)節(jié)包括第一關(guān)節(jié)3、第二關(guān)節(jié)4、第三關(guān)節(jié)6、第四關(guān)節(jié)7及第五關(guān)節(jié)8，被動(dòng)滑動(dòng)副包括第一被動(dòng)滑動(dòng)副、第二被動(dòng)滑動(dòng)副、第三被動(dòng)滑動(dòng)副10及第四被動(dòng)滑動(dòng)副11，調(diào)整單元包括可調(diào)轉(zhuǎn)盤1、絲杠調(diào)整單元5及導(dǎo)桿調(diào)整單元9。該上肢康復(fù)外骨骼機(jī)構(gòu)的五個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)呈串聯(lián)排列，由直流電機(jī)經(jīng)諧波減速器驅(qū)動(dòng)。上肢康復(fù)外骨骼的主機(jī)構(gòu)通過可調(diào)轉(zhuǎn)盤1安裝在升降柱102的頂端，所述升降柱102的下部連接裝置底板101，患者104坐靠在專用座椅103上，調(diào)整所述升降柱102的高度以適應(yīng)不同患者104的身高尺寸。所述可調(diào)轉(zhuǎn)盤1分別連接懸臂梁11與主動(dòng)關(guān)節(jié)、被動(dòng)滑動(dòng)副，主動(dòng)關(guān)節(jié)及被動(dòng)滑動(dòng)副安裝在所述懸臂梁11的末端，通過轉(zhuǎn)動(dòng)所述可調(diào)轉(zhuǎn)盤1，調(diào)整所述懸臂梁11及主動(dòng)關(guān)節(jié)偏離中心面的距離。第一被動(dòng)滑動(dòng)副及第二被動(dòng)滑動(dòng)副水平垂直安裝在所述懸臂梁11末端下部，兩滑動(dòng)副被外罩2包裹，且在各滑動(dòng)副中設(shè)置了兩個(gè)拉伸彈簧，以提高滑動(dòng)副的彈性和對(duì)主動(dòng)關(guān)節(jié)的支撐作用。第一關(guān)節(jié)3豎直地安裝在第二被動(dòng)滑動(dòng)副的下部，所述第一關(guān)節(jié)3的軸線指向所述患者104的盂肱關(guān)節(jié)中心。第二關(guān)節(jié)4通過豎板12連接所述第一關(guān)節(jié)3，所述第二關(guān)節(jié)4垂直地安裝在所述豎板12上，所述第二關(guān)節(jié)4的軸線水平地指向所述患者104的盂肱關(guān)節(jié)中心。上臂主被融合關(guān)節(jié)6安裝在所述第二關(guān)節(jié)4的旋轉(zhuǎn)臂上，所述上臂主被融合關(guān)節(jié)6的軸線沿所述患者104的上臂指向其盂肱關(guān)節(jié)中心。絲杠調(diào)整單元5安裝在所述旋轉(zhuǎn)臂與所述上臂主被融合關(guān)節(jié)6之間，調(diào)整所述上臂主被融合關(guān)節(jié)6沿自身軸線方向的位置，以適應(yīng)不同患者的上臂尺寸。上臂被動(dòng)滑動(dòng)副10設(shè)置在所述上臂主被融合關(guān)節(jié)6的一級(jí)半環(huán)內(nèi)，所述上臂被動(dòng)滑動(dòng)副10的二級(jí)半環(huán)與所述患者104的上臂綁縛連接，采用導(dǎo)軌和滑塊組合的方式，使得所述二級(jí)半環(huán)能夠沿所述一級(jí)半環(huán)相對(duì)滑動(dòng)，且兩者之間設(shè)置了四個(gè)一級(jí)壓簧，所述上臂被動(dòng)滑動(dòng)副10用于補(bǔ)償及適應(yīng)人體上肢在抬升過程中上臂與所述上臂主被融合關(guān)節(jié)6的位移偏離。第四關(guān)節(jié)7與所述患者104的肘關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)，所述第四關(guān)節(jié)7連接所述上臂主被融合關(guān)節(jié)6與前臂主被融合關(guān)節(jié)8。所述前臂主被融合關(guān)節(jié)8的四級(jí)半環(huán)上安裝了前臂被動(dòng)滑動(dòng)副11，在所述前臂被動(dòng)滑動(dòng)副11內(nèi)設(shè)置了四個(gè)二級(jí)壓簧，所述前臂被動(dòng)滑動(dòng)副11與所述患者104的前臂綁縛連接，以補(bǔ)償及適應(yīng)前臂相對(duì)于所述前臂主被融合關(guān)節(jié)8的位移變化。導(dǎo)桿調(diào)整單元9安裝在所述前臂主被融合關(guān)節(jié)8的前臂箱體上，手柄安裝在兩根導(dǎo)桿上，能夠沿所述導(dǎo)桿移動(dòng)，以適應(yīng)不同所述患者104的前臂尺寸。

該重力平衡機(jī)構(gòu)包括彈簧13、鋼絲繩14、滑輪組、直線運(yùn)動(dòng)單元及可調(diào)固定單元，所述鋼絲繩14一端固定于一級(jí)螺柱15，一級(jí)螺柱15安裝在所述豎板12上，所述鋼絲繩14的另一端連接二級(jí)螺柱16，所述二級(jí)螺柱16安裝所述旋轉(zhuǎn)臂32上，所述鋼絲繩14纏繞在滑輪組上?；喗M包括動(dòng)滑輪17、左導(dǎo)向輪18、右導(dǎo)向輪19，所述鋼絲繩14纏繞在所述動(dòng)滑輪17上，所述動(dòng)滑輪17固定在直線運(yùn)動(dòng)單元上，所述鋼絲繩14經(jīng)所述左導(dǎo)向輪18和右導(dǎo)向輪19約束和導(dǎo)向，固定于所述二級(jí)螺柱16?；喗M中的所述動(dòng)滑輪17安裝在直線運(yùn)動(dòng)單元的滑塊附件20上，所述動(dòng)滑輪17隨所述滑塊附件20沿直線導(dǎo)軌22一起做直線運(yùn)動(dòng)。

直線運(yùn)動(dòng)單元主要包括直線導(dǎo)軌22、滑塊21、滑塊附件20，所述豎板12下部設(shè)計(jì)有矩形沉槽，所述直線導(dǎo)軌22通過螺釘安裝矩形沉槽內(nèi)，所述滑塊21與所述直線導(dǎo)軌22滑動(dòng)配合，所述滑塊附件20安裝并固定在所述滑塊21上。在所述滑塊附件20上設(shè)計(jì)了長圓柱凸臺(tái)和短圓柱凸臺(tái)，所述彈簧13的下端掛在長圓柱凸臺(tái)上，一級(jí)軸端擋圈29用于防止所述彈簧13從長圓柱凸臺(tái)上滑脫；所述動(dòng)滑輪17安裝在短圓柱凸臺(tái)上且能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)軸端擋圈30用于軸向固定所述動(dòng)滑輪17。因此，所述滑塊附件20安裝并固定在所述滑塊21上，所述滑塊附件20及所述動(dòng)滑輪17在所述彈簧13及所述鋼絲繩14的共同作用下沿所述直線導(dǎo)軌22運(yùn)動(dòng)。

可調(diào)固定單元主要由絲杠25、螺母副24及固定座23組成，所述豎板12上部設(shè)計(jì)了開口槽，可調(diào)固定單元通過螺釘安裝在開口槽內(nèi)，所述絲杠25安裝在所述固定座23上，兩端由上滑動(dòng)軸承27和下滑動(dòng)軸承26支撐并定位，所述螺母副24與所述絲杠25配合，所述螺母副24具有矩形外形，中部設(shè)計(jì)有與所述絲杠25配合的螺紋，同時(shí)側(cè)面設(shè)計(jì)有凸臺(tái)，所述彈簧13的上端掛靠在凸臺(tái)上，三級(jí)軸端擋圈28用于防止所述彈簧13從凸臺(tái)上滑脫。所述絲杠25上端設(shè)計(jì)有六邊形凸臺(tái)，工具31含有與六邊形凸臺(tái)配合的凹槽，通過所述專用工具31轉(zhuǎn)動(dòng)所述絲杠25，調(diào)整所述螺母副24在可調(diào)固定單元的位置。由于彈簧一端連接所述滑塊附件20，另一端掛靠在所述螺母副24的凸臺(tái)上，通過調(diào)整所述螺母副24的位置，控制所述彈簧13的初始長度。

本發(fā)明提供一種用于上肢康復(fù)外骨骼的重力平衡機(jī)構(gòu)，具有如下有益效果：

1)通過引入重力平衡機(jī)構(gòu)，大幅減小上肢康復(fù)外骨骼的第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩，同時(shí)，提高第二關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)性能。

2)采用動(dòng)滑輪組方式，降低彈簧的拉伸變形量，將彈簧的拉伸變形量降低至原來的一半。

3)通過增加可調(diào)固定單元，能夠控制彈簧的初始拉伸變形量，使得該重力平衡機(jī)構(gòu)平衡具有較大的平衡范圍，同時(shí)，解決了彈簧安裝不方便的問題。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。