[发明专利]基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼

说明书

技术领域

本发明涉及一种变负载上肢助力外骨骼，具体涉及一种基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼，属于医疗器械领域。

背景技术

目前，外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如助老助残，医疗康复，工业生产，地震救援，单兵作战等领域。一般的助力外骨骼具有以下特点：可以检测人体的运动意图；和人体类似的关节自由度和关节转动空间；具有必要的关节主动驱动以辅助出力；自带控制系统和能源系统；具有一定的安全防护机制。

助力外骨骼按照动力传递的目的，可分为两种情况:外骨骼带动人体运动，和人体带动外骨骼运动。其主要区别体现在“人-机”连接信息交互装置的设计和系统控制策略的制定上。

对于助老助残或医疗康复领域，外骨骼的目的是辅助人体自身肌肉的运动，以达到帮助老人抬腿，或帮助病人做肌肉功能恢复训练等目的。需要外骨骼设定好各关节的运动规划，或检测人体的肌电信号、肢体运动方向等判断人体的运动意图，带动穿戴者运动，此时人体和外骨骼之间需要动力的传递，因此“人-机”之间是紧密的固连关系；

对于工业生产，地震救援或单兵作战等应用领域，面对的是正常的健康工人或消防战士，外骨骼的目的不是辅助人体自身肌肉的运动，而是增强放大人体的出力效果，此时，人机连接机制的设计中，“人-机”之间需要传递的不是动力，而仅仅是检测到的人体运动信息。此时，“人-机”之间的捆绑连接是一种弹性连接，传递的是微小的交互力信息。

结构拟人化是外骨骼机器人的一个重要特性，也是安全性和舒适性的保障，人体上肢主要包括肩部、肘部和腕部3个生理关节，其能够完成极其复杂精细的运动，如果上肢外骨骼机想要完整地复现该运动，则需要数目众多的自由度，但这会导致机构笨重和控制冗余等问题。因此，需要分析人体上肢生理运动形式并作适度简化，获取外骨骼设计可用的运动学模型，同时保证良好的人机运动链相容性。现有的上肢外骨骼机器人大多采用七自由度串联运动学模型，即肩部屈/伸，内收/外展，内旋/外旋；肘部屈/伸；腕部内旋/外旋、内收/外展、屈/伸。但对于这些自由度，大多数上肢外骨骼都是采用电机直接驱动来实现助力，这样会造成体积和质量较大，电路复杂，可靠性降低，能耗较大。

发明内容

本发明为解决现有上肢外骨骼采用电机直接驱动实现助力，导致体积和质量较大，电路复杂，可靠性降低，能耗较大的问题，进而提出基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括两个弹簧储能机构、背部、背带、两个手臂、两个手腕、两个转盘和多个磁力传感器，每个手臂的一端分别通过一个转盘与背部相对应一侧的上部连接，每个手臂的另一端分别与一个手腕连接，背带设置在背部的正面，多个磁力传感器由上至下依次设置在背部的背面，两个弹簧储能机构安装在背部上，每个弹簧储能机构与相对应的一个手臂连接。

进一步的，每个弹簧储能机构包括螺钉、第一钢丝绳压套、第一连接板、右滑块、第一钢丝绳、右丝杆、左丝杆、外接钢丝绳、左滑块、电机、第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第一轴、第二轴、轴承座、第一安装板、第二安装板和三个弹簧，

电机、第一安装板、第二安装板由左至右依次设置，多个弹簧并排平行设置，每个弹簧的下端均与第二安装板的下端固定连接，每个弹簧的上端均与第一连接板连接，第一连接板的上端与第一钢丝绳的一端连接，第一钢丝绳的另一端依次绕过第二安装板上端的滑轮、右滑块上的滑轮、左滑块上的滑轮与设置在第二安装板下端的第一钢丝绳压套连接，用于调节第一钢丝绳的螺钉插装在第一钢丝绳压套内，右滑块安装在第二安装板上，且右滑块能沿第二安装板竖直上下移动，右丝杆设置在第二安装板上，且右丝杆的上端通过轴承与第二安装板的上端连接，右丝杆的下端与第二轴的上端连接，右滑块与套装在右丝杆上的螺母连接，左丝杆设置在第一安装板上，且左丝杆的上端通过轴承与第一安装板的上端连接，第一安装板的下端与轴承座铰接，第一轴的上端穿过轴承座与设置在左丝杆下端的万向节连接，左滑块安装在第一安装板上，且左滑块能沿第一安装板直线运动，左滑块与套装在左丝杆上的螺母连接，外接钢丝的一端与第一安装板的上端连接，第一带轮套装在电机的转动轴上，第二带轮、第三带轮由下至上依次套装在第一轴上，第四带轮套装在第二轴上，第一带轮通过同步带与第二带轮连接，第三带轮通过同步带与第四带轮连接。

进一步的，手臂包括第二连接板、第一连接杆、第二连接杆、第三连接板、第四连接杆、第五连接杆、第四连接板、第五连接板、第二钢丝绳、第二钢丝绳压套、第三钢丝绳压套和第三钢丝绳，