[发明专利]重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法

摘要

本发明公开了一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法，属于医疗器械领域。该机器人包括移动机架、机器人基座、腰部、大臂、中臂、小臂、腕部、末端手柄，具有六个自由度；其中大臂、中臂、小臂内部安装有重力平衡装置，用于平衡机器人连杆自重所产生的负载力矩；中臂、小臂关节驱动电机置于腰部，采用套索传递驱动力矩；各电机内置编码器，用于测量机器人姿态；末端手柄模块安装有六维力传感器，用于测量人机交互力。本发明减小了电机所需驱动力，提高了机器人末端负载能力，降低了康复机器人的成本，减轻了机器人的自重，套索驱动关节具有柔顺性，提升了人机交互安全性，能实现患者左、右上肢的康复训练，并且不仅限于康复训练应用。

主权项

1.一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人,其特征在于:包括主体结构和重力平衡机构；主体结构包括移动机架(1)、机器人基座(2)、腰部(3)、大臂(4)、中臂(5)、小臂(6)、腕部(7)、末端手柄(8)；上述机器人基座(2)包括安装基座(201)、腰部关节电机(203)、基座外壳(204)、轴承座(205)、圆锥滚子轴承(206)、腰部关节转轴(207)；所述安装基座(201)与移动机架(1)固定连接；腰部关节电机(203)固定安装在安装基座(201)上；基座外壳(204)与安装基座(201)固定连接；轴承座(205)固定安装在基座外壳(204)上方；圆锥滚子轴承(206)外圈安装在轴承座(205)内，内圈安装在腰部关节轴(207)上；腰部关节转轴(207)下端与腰部关节电机(203)的轴固定键连接；上述腰部关节转轴(207)与安装基座(201)垂直；所述腰部(3)包括腰部平台(301)、腰部侧板(302)、大臂关节轴(303)、大臂驱动电机(304)、大臂主动齿轮(305)、驱动单元固定板(306)、中臂驱动单元(307)、小臂驱动单元(308)；所述腰部平台(301)与腰部关节转轴(207)上端固定连接；所述腰部侧板(302)固定安装在腰部平台上；大臂关节轴(303)与腰部侧板(302)固定连接，不可转动；大臂驱动电机(304)固定安装在腰部平台(301)上；大臂主动齿轮(305)与大臂驱动电机(304)输出轴固定连接；所述驱动单元固定板(306)与腰部平台(301)固定连接，中臂驱动单元(307)与小臂驱动单元(308)分别固定安装在驱动单元固定板(306)上；上述大臂关节轴(303)与腰部关节转轴(207)垂直；上述中臂驱动单元(307)和小臂驱动单元(308)结构一样，均由驱动电机(3081)、驱动滚轮(3082)、驱动电机固定板(3083)、驱动端预紧挡板(3084)组成；所述驱动电机固定板(3083)与驱动单元固定板(306)固定连接；驱动电机(3081)固定安装在驱动电机固定板(3083)上；驱动电机(3081)输出轴穿过驱动电机固定板(3083)中间的开孔并与驱动滚轮(3082)固定连接；驱动滚轮(3082)上有环形沟槽；驱动端预紧挡板(3084)采用可调节方式安装于驱动电机固定板(3083)上，可调节驱动端预紧挡板(3084)相对于驱动滚轮(3082)轴线的距离；驱动端预紧挡板(3084)上开有钢丝索孔；驱动电机(3081)输出轴与大臂关节轴(303)平行；所述大臂(4)包括大臂侧板(403)和大臂从动齿轮(401)；大臂侧板(403)前端与大臂从动齿轮(401)相固定，大臂从动齿轮(401)通过轴承安装于大臂关节轴(303)上，大臂从动齿轮(401)与大臂主动齿轮(305)啮合；所述中臂(5)包括中臂关节转轴(501)、中臂侧板(504)、中臂负载滚轮(514)、中臂钢丝索(515)、中臂钢丝索套管(516)；中臂侧板(504)前端与大臂侧板(403)末端通过中臂关节轴(501)相连；中臂关节轴(501)可在大臂侧板(403)末端中转动；中臂侧板(504)前端、中臂负载滚轮(514)均和中臂关节轴(501)相固定；中臂钢丝索套管(516)的前端与中臂驱动单元(307)的驱动端预紧挡板(3084)相固定，中臂钢丝索套管(516)的末端通过大臂套管固定件(413)与大臂侧板(403)的末端相固定，中臂钢丝索套管(516)的中部通过大臂第一套索导向环(412)支撑于大臂侧板(403)；中臂负载滚轮(514)上具有环形沟槽；中臂钢丝索(515)穿过中臂钢丝索套管(516)，且中臂钢丝索(515)安装在中臂负载滚轮(514)和中臂驱动单元(307)的驱动滚轮(3082)的环形沟槽内；且中臂钢丝索(515)两端固定在中臂驱动单元(307)的驱动滚轮(3082)上；上述中臂关节转轴(501)与大臂关节轴(303)平行；所述小臂包括小臂关节转轴(601)、小臂侧板(604)、小臂负载滚轮(610)、小臂钢丝索(611)、小臂钢丝索套管(612)；小臂侧板(604)前端与中臂侧板(504)末端通过小臂关节轴(601)相连；小臂关节轴(601)可在中臂侧板(504)末端中转动；小臂侧板(604)前端、小臂负载滚轮(610)均和小臂关节轴(601)相固定；小臂钢丝索套管(612)的前端与小臂驱动单元(308)的驱动端预紧挡板(3084)相固定，小臂钢丝索套管(612)的末端通过中臂套管固定件(513)与中臂侧板(604)的末端相固定，小臂钢丝索套管(612)的中部依次通过大臂第二套索导向环(411)、支撑于大臂侧板(403)，通过中臂套索导向环(512)支撑于中臂侧板(504)；小臂负载滚轮(610)上具有环形沟槽；小臂钢丝索(611)穿过小臂钢丝索套管(612)，且小臂钢丝索(611)安装在小臂负载滚轮(610)和小臂驱动单元(308)的驱动滚轮(3082)的环形沟槽内；且小臂钢丝索(611)两端固定在小臂驱动单元(308)的驱动滚轮(3082)上；上述小臂关节转轴(601)与中臂关节轴(501)平行；所述腕部(7)包括前端外壳(701)、末端外壳(702)、前端驱动电机(703)、末端驱动电机(704)；前端驱动电机(703)固定安装于前端外壳(701)，前端驱动电机(703)输出轴固定安装于小臂侧板(604)末端，末端驱动电机(704)固定于前端外壳(701)，末端外壳(702)固定安装于末端驱动电机(704)输出轴；上述前端驱动电机(703)输出轴与小臂关节转轴(601)垂直；末端驱动电机(704)末端驱动电机(704)与前端驱动电机(703)输出轴垂直；所述末端手柄(8)包括六维力传感器(801)、手柄(802)、绑带固定板(803)、绑带(804)；所述六维力传感器(801)与腕部的末端外壳(702)固定连接；手柄(802)与六维力传感器(801)固定连接；绑带固定板(803)与手柄(802)固定连接；绑带(804)与绑带固定板(803)固定连接，并且使用时绑在使用者上肢；重力平衡机构包括大臂重力平衡机构、中臂重力平衡机构、小臂重力平衡机构；所述大臂重力平衡机构包括大臂同步带轮(402)、大臂导向轮组(404)、大臂弹簧槽(405)、大臂拉力绳(406)、大臂弹簧(407)、大臂滑块(408)、大臂同步带(409)；所述中臂重力平衡机构包括中臂同步带轮(503)、中臂导向轮组(505)、中臂弹簧槽(506)、中臂拉力绳(507)、中臂弹簧(508)、中臂滑块(509)、中臂同步带(510)；所述小臂重力平衡机构包括小臂同步带轮(603)、小臂侧板(604)、小臂导向轮组(605)、小臂弹簧槽(606)、小臂拉力绳(607)、小臂弹簧(608)、小臂滑块(609)；大臂同步带轮(402)具有同步带槽，小臂同步带轮(603)具有同步带槽，中臂同步带轮(503)具有与大臂同步带轮(402)的同步带槽直径相等的一号同步带槽，以及与小臂同步带轮(603)的同步带槽直径相等的二号同步带槽；所述大臂同步带轮(402)固定安装在大臂关节轴(303)上；大臂同步带轮(402)上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到大臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同，大臂同步带(409)安装在大臂同步带轮(402)的同步带槽和中臂同步带轮(503)的一号同步带槽中，大臂导向轮组(404)与大臂侧板(403)固定连接，并放置在大臂侧板(403)中间对称线两侧；大臂弹簧槽(405)与大臂侧板(403)固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；大臂滑块(408)放置在大臂弹簧槽(405)内，与大臂弹簧槽(405)构成移动副；大臂弹簧(407)末端与大臂滑块(408)固定连接，前端与大臂弹簧槽(405)前端壁面固定连接；大臂拉力绳(406)穿过大臂弹簧槽(405)的穿绳孔，末端与大臂滑块(408)固定连接，前端与大臂同步带轮(402)上的拉力绳安装点固定连接；s1＝b1‑a1，k1＝m1gl1/a1b1；上述字母含义：大臂弹簧(407)的预压缩量为s1，大臂弹簧(407)的刚度系数为k1，大臂拉力绳(406)安装点到大臂关节轴(303)轴线的距离为a1，大臂导向轮组(404)到大臂关节轴(303)轴线的距离为b1，大臂重心到大臂关节轴(303)轴线垂直距离为l1，m1为大臂质量，g为重力加速度；所述中臂同步带轮(503)通过中臂轴承(502)安装于中臂关节转轴(501)；中臂同步带轮(503)上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到中臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同；所述中臂同步带(510)安装在中臂同步带(503)的第二同步带槽和小臂同步带轮(603)的同步带槽中；中臂导向轮组(505)与中臂侧板(504)固定连接，并放置在中臂侧板(504)中间对称线两侧；中臂弹簧槽(506)与中臂侧板(504)固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；中臂滑块(509)放置在中臂弹簧槽(506)内，与中臂弹簧槽(506)构成移动副；中臂弹簧(508)末端与中臂滑块(509)固定连接，前端与中臂弹簧槽(506)前端壁面固定连接；中臂拉力绳(507)穿过中臂弹簧槽(506)的穿绳孔，末端与中臂滑块(509)固定连接，前端与中臂同步带轮(503)上的拉力绳安装点固定连接；s2＝b2‑a2，k2＝m2gl2/a2b2；上述中臂弹簧(508)的预压缩量为s2，中臂弹簧(508)的刚度系数为k2，中臂拉力绳(507)安装点到中臂关节转轴(501)轴线的距离为a2，中臂导向轮组(505)到中臂关节转轴(501)轴线的距离为b2，中臂重心到中臂关节转轴(501)轴线垂直距离为l2，m2为中臂质量，g为重力加速度；小臂同步带轮(603)通过小臂轴承(602)安装于小臂关节转轴(601)；小臂同步带轮(603)上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到小臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同；小臂导向轮组(605)与小臂侧板(604)固定连接，并放置在小臂侧板(604)中间对称线两侧；小臂弹簧槽(606)与小臂侧板(604)固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；小臂滑块(609)放置在小臂弹簧槽(606)内，与小臂弹簧槽构(606)成移动副；小臂弹簧(608)末端与小臂滑块(609)固定连接，前端与小臂弹簧槽(606)前端壁面固定连接；小臂拉力绳(607)穿过小臂弹簧槽(606)的穿绳孔，末端小臂滑块(609)固定连接，前端与小臂同步带轮(603)上的拉力绳安装点固定连接；s3＝b3‑a3，k3＝m3gl3/a3b3；上述小臂弹簧(608)的预压缩量为s3，小臂弹簧(608)的刚度系数为k3，小臂拉力绳(607)安装点到小臂关节转轴(601)轴线的距离为a3，小臂导向轮组(605)到小臂关节转轴(601)轴线的距离为b3，小臂重心到小臂关节转轴(601)轴线垂直距离为l3，m3为小臂质量，g为重力加速度。