基于雙四邊形重力平衡原理的變負(fù)載上肢助力外骨骼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種變負(fù)載上肢助力外骨骼，具體設(shè)及一種基于雙四邊形重力平衡原 理的變負(fù)載上肢助力外骨骼，屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，外骨骼助力裝置的研究逐漸興起，具有廣泛的應(yīng)用前景，如助老助殘，醫(yī)療 康復(fù)，工業(yè)生產(chǎn)，地震救援，單兵作戰(zhàn)等領(lǐng)域。一般的助力外骨骼具有W下特點(diǎn):可W檢測(cè)人 體的運(yùn)動(dòng)意圖；和人體類似的關(guān)節(jié)自由度和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)空間；具有必要的關(guān)節(jié)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)W輔 助出力；自帶控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng);具有一定的安全防護(hù)機(jī)制。
[0003] 助力外骨骼按照動(dòng)力傳遞的目的，可分為兩種情況:外骨骼帶動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)，和人體 帶動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)。其主要區(qū)別體現(xiàn)在"人-機(jī)"連接信息交互裝置的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制策略的 制定上。
[0004] 對(duì)于助老助殘或醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，外骨骼的目的是輔助人體自身肌肉的運(yùn)動(dòng)，W達(dá) 到幫助老人抬腿，或幫助病人做肌肉功能恢復(fù)訓(xùn)練等目的。需要外骨骼設(shè)定好各關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)規(guī)劃，或檢測(cè)人體的肌電信號(hào)、肢體運(yùn)動(dòng)方向等判斷人體的運(yùn)動(dòng)意圖，帶動(dòng)穿戴者運(yùn)動(dòng)， 此時(shí)人體和外骨骼之間需要?jiǎng)恿Φ膫鬟f，因此"人-機(jī)"之間是緊密的固連關(guān)系；
[0005]對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，地震救援或單兵作戰(zhàn)等應(yīng)用領(lǐng)域，面對(duì)的是正常的健康工人或消 防戰(zhàn):t，外骨骼的目的不是輔助人體自身肌肉的運(yùn)動(dòng)，而是增強(qiáng)放大人體的出力效果，此 時(shí)，人機(jī)連接機(jī)制的設(shè)計(jì)中，"人-機(jī)"之間需要傳遞的不是動(dòng)力，而僅僅是檢測(cè)到的人體運(yùn) 動(dòng)信息。此時(shí)，"人-機(jī)"之間的捆綁連接是一種彈性連接，傳遞的是微小的交互力信息。
[0006]結(jié)構(gòu)擬人化是外骨骼機(jī)器人的一個(gè)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(gè)生理關(guān)節(jié)，其能夠完成極其復(fù)雜精細(xì)的運(yùn)動(dòng)，如果上肢 外骨骼機(jī)想要完整地復(fù)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)，則需要數(shù)目眾多的自由度，但運(yùn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)笨重和控制 冗余等問題。因此，需要分析人體上肢生理運(yùn)動(dòng)形式并作適度簡(jiǎn)化，獲取外骨骼設(shè)計(jì)可用的 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，同時(shí)保證良好的人機(jī)運(yùn)動(dòng)鏈相容性?，F(xiàn)有的上肢外骨骼機(jī)器人大多采用屯自 由度串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，即肩部屈/伸，內(nèi)收/外展，內(nèi)旋/外旋;肘部屈/伸;腕部?jī)?nèi)旋/外旋、內(nèi) 收/外展、屈/伸。但對(duì)于運(yùn)些自由度，大多數(shù)上肢外骨骼都是采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)助 力，運(yùn)樣會(huì)造成體積和質(zhì)量較大，電路復(fù)雜，可靠性降低，能耗較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為解決現(xiàn)有上肢外骨骼采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)助力，導(dǎo)致體積和質(zhì)量較 大，電路復(fù)雜，可靠性降低，能耗較大的問題，進(jìn)而提出基于雙四邊形重力平衡原理的變負(fù) 載上肢助力外骨骼。
[000引本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明包括兩個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、背部、 背帶、兩個(gè)手臂、兩個(gè)手腕、兩個(gè)轉(zhuǎn)盤和多個(gè)磁力傳感器，每個(gè)手臂的一端分別通過一個(gè)轉(zhuǎn) 盤與背部相對(duì)應(yīng)一側(cè)的上部連接，每個(gè)手臂的另一端分別與一個(gè)手腕連接，背帶設(shè)置在背 部的正面，多個(gè)磁力傳感器由上至下依次設(shè)置在背部的背面，兩個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)安裝在背 部上，每個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)與相對(duì)應(yīng)的一個(gè)手臂連接。
[0009]進(jìn)一步的，每個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)包括螺釘、第一鋼絲繩壓套、第一連接板、右滑塊、第 一鋼絲繩、右絲桿、左絲桿、外接鋼絲繩、左滑塊、電機(jī)、第一帶輪、第二帶輪、第S帶輪、第四 帶輪、第一軸、第二軸、軸承座、第一安裝板、第二安裝板和=個(gè)彈黃，
[0010] 電機(jī)、第一安裝板、第二安裝板由左至右依次設(shè)置，多個(gè)彈黃并排平行設(shè)置，每個(gè) 彈黃的下端均與第二安裝板的下端固定連接，每個(gè)彈黃的上端均與第一連接板連接，第一 連接板的上端與第一鋼絲繩的一端連接，第一鋼絲繩的另一端依次繞過第二安裝板上端的 滑輪、右滑塊上的滑輪、左滑塊上的滑輪與設(shè)置在第二安裝板下端的第一鋼絲繩壓套連接， 用于調(diào)節(jié)第一鋼絲繩的螺釘插裝在第一鋼絲繩壓套內(nèi)，右滑塊安裝在第二安裝板上，且右 滑塊能沿第二安裝板豎直上下移動(dòng)，右絲桿設(shè)置在第二安裝板上，且右絲桿的上端通過軸 承與第二安裝板的上端連接，右絲桿的下端與第二軸的上端連接，右滑塊與套裝在右絲桿 上的螺母連接，左絲桿設(shè)置在第一安裝板上，且左絲桿的上端通過軸承與第一安裝板的上 端連接，第一安裝板的下端與軸承座較接，第一軸的上端穿過軸承座與設(shè)置在左絲桿下端 的萬(wàn)向節(jié)連接，左滑塊安裝在第一安裝板上，且左滑塊能沿第一安裝板直線運(yùn)動(dòng)，左滑塊與 套裝在左絲桿上的螺母連接，外接鋼絲的一端與第一安裝板的上端連接，第一帶輪套裝在 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，第二帶輪、第=帶輪由下至上依次套裝在第一軸上，第四帶輪套裝在第二 軸上，第一帶輪通過同步帶與第二帶輪連接，第=帶輪通過同步帶與第四帶輪連接。
[0011] 進(jìn)一步的，手臂包括第二連接板、第一連接桿、第二連接桿、第=連接板、第四連接 桿、第五連接桿、第四連接板、第五連接板、第二鋼絲繩、第二鋼絲繩壓套、第=鋼絲繩壓套 和第=鋼絲繩，
[0012] 第一連接桿、第二連接桿、第二連接板、第五連接板組成上平行四邊形機(jī)構(gòu)，第= 連接桿、第四連接桿、第=連接板、第四連接板組成下平行四邊形機(jī)構(gòu)，第四連接板通過轉(zhuǎn) 軸與第五連接板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二連接板與手腕連接，第=連接板與轉(zhuǎn)盤連接，第二鋼絲繩壓 套安裝在第二連接板上，第=鋼絲繩壓套安裝在第四連接板上，第二鋼絲繩的一端與第二 鋼絲繩壓套連接，第二鋼絲繩的另一端依次繞過第二連接桿上的滑輪、第五連接板上的滑 輪、第=連接桿上的滑輪、第=連接板上的滑輪后與第一安裝板的上端連接，第=鋼絲繩的 一端與第=鋼絲繩壓套連接，第=鋼絲繩的另一端依次繞過第四連接桿上的滑輪、第=連 接板上的滑輪后與第一安裝板連接。
[0013]進(jìn)一步的，手腕包括第一角度傳感器、掛鉤、第二角度傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)塊和把手，掛鉤 的一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)塊與第二連接板連接，把手安裝在掛鉤的內(nèi)側(cè)，第一角度傳感器和第二角 度傳感器依次安裝在掛鉤上。
[0014]本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明利用機(jī)械方式替代電機(jī)驅(qū)動(dòng)給上肢外骨骼提供助 力，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，并且更加節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)；2、本發(fā)明采用彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)與手臂 上的平行四邊形結(jié)構(gòu)為上肢外骨骼提供豎直方向的助力，用于平衡重力，在手腕部分安裝 力傳感器與角度傳感器，通過檢測(cè)人手出力大小，來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)輸出力進(jìn)行修正，W減小誤 差;3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)輕便，體積質(zhì)量小，便于穿戴;4、本發(fā)明W機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，電機(jī)數(shù)量少，能 耗較低。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的俯視圖，圖3是彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)示意圖，圖4是手臂的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是平行四邊形機(jī)構(gòu)的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]
【具體實(shí)施方式】一：結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于雙四邊形 重力平衡原理的變負(fù)載上肢助力外骨骼包括兩個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)1、背部6、背帶7、兩個(gè)手臂 2、兩個(gè)手腕3、兩個(gè)轉(zhuǎn)盤5和多個(gè)磁力傳感器4,每個(gè)手臂2的一端分別通過一個(gè)轉(zhuǎn)盤5與背部 6相對(duì)應(yīng)一側(cè)的上部連接，每個(gè)手臂2的另一端分別與一個(gè)手腕3連接，背帶7設(shè)置在背部6的 正面，多個(gè)磁力傳感器4由上至下依次設(shè)置在背部6的背面，兩個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)1安裝在背部 6上，每個(gè)彈黃儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)1與相對(duì)應(yīng)的一個(gè)手臂2連接。
[0017] 本實(shí)施方式中的磁力傳感器是肺istle磁力傳感器D，它能夠通過它感應(yīng)磁場(chǎng)變 化，算出偏轉(zhuǎn)了多少度。然后再根據(jù)傳感器傳出的信息，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起與電 機(jī)相連的鋼絲繩長(zhǎng)度發(fā)生變化，最后鋼絲繩再帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤5轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。
[0018] 由于存在誤差和各種摩擦，所W最后調(diào)節(jié)出的彈黃剛度不一定能夠滿足需要。因 而本發(fā)明中又在把手3-5那里設(shè)置了很多H型槽，用于貼應(yīng)變片。