一种气动肌肉驱动的机器人关节装置

摘要

本发明涉及上肢康复机器人领域，特涉及一种气动肌肉驱动的机器人关节装置。本发明的支撑框架上下两端分别连接顶部连接板和底部连接板，支撑框架中间设气动肌肉组件；所述的气动肌肉组件包括钢丝绳连接头、钢丝绳、气动肌肉、气管接头、气动肌肉转接头、拉压力传感器、力传感器转接头；气动肌肉上端连接钢丝绳连接头，钢丝绳穿过顶部连接板卡入钢丝绳连接头中，气动肌肉的下端通过气动肌肉转接头连接拉压力传感器，拉压力传感器另一端通过力传感器转接头与底部连接板固定连接，气动肌肉上设置气管接头。本发明使气动肌肉执行组件可以与单关节装置剥离出来，从而减轻了使用者佩戴的重量。

说明书

技术领域

本发明涉及上肢康复机器人领域，特涉及一种气动肌肉驱动的机器人关节装置。

背景技术

上肢康复训练机器人是将机器人技术领域与康复治疗医学领域结合而产生的，是一种补充或替代专业医师完成人体上肢康复训练的新技术，它的出现为上肢偏瘫患者的康复治疗开辟了新的道路，弥补了偏瘫患者临床治疗的不足。康复训练机器人的治疗方法是将患肢与机器人相连，患者肢体在机器人的带动下，完成各种动作，刺激人体上肢关节及肌肉的神经控制系统，从而达到恢复患者肢体运动机能的目的。这种方式减轻了对治疗医师的依赖，它能帮助医疗师完成繁重、反复的康复训练任务，帮助患者更好的恢复肢体运动机能。康复机器人的康复模式主要有被动康复模式和主动康复模式两种，被动康复模式是患者处于被动状态，在康复机器人的引导下完成康复动作；主动康复模式是患者处于主动状态，康复机器人辅助患者完成动作，如对其进行重力补偿或力效果仿真等。

因为外骨骼上肢康复机器人是一种与偏瘫患者身体直接接触的康复医疗装备，其安全性和柔顺性非常重要，此外，康复运动要力求平稳、自然，而这些主要依赖于康复机器人的执行器。目前大多数康复机器人采用电机驱动，其它类型的执行器主要是气动肌肉、气缸及液压等。其中，气动肌肉的主要优点在于其动作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，具备电机等执行器所没有的固有柔顺性；其次，气动肌肉重量轻、输出拉力大、结构紧凑、使用灵活、洁净，而且可直接驱动负载，无需齿轮等减速机构，利于康复机器人的轻型化、简单化。此外，气动肌肉的运动行程受自身长度、输入气压等限制，只能在有限范围内运动，因此气动肌肉在康复机器人的驱动中，比电机更安全、可靠；此外，由两根气动肌肉以双端反向对拉方式驱动的气动肌肉驱动关节的结构与生物关节类似，能同时对气动肌肉驱动关节的位置和刚度进行控制，而这一特性正是单个电机驱动的机械臂所不具备的。因此，气动肌肉相对于电机等其它执行器更能保证康复机器人的安全性与柔顺性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种气动肌肉驱动的机器人关节装置。本发明的气动肌肉执行组件与单关节装置通过带套管的钢丝绳连接，从而使气动肌肉执行组件可以与单关节装置剥离出来，从而减轻了使用者佩戴的重量。且本发明的装置是两根气动肌肉通过钢丝绳双向驱动实现机器人关节的驱动，扭簧的应用使本发明的装置具有自动张紧的功能，从而避免钢丝绳脱轨。

本发明的技术方案是：一种气动肌肉驱动的机器人关节装置，包括气动肌肉执行组件和单关节装置，其特征在于：气动肌肉执行组件包括支撑框架、顶部连接板、底部连接板和气动肌肉组件，支撑框架上下两端分别连接顶部连接板和底部连接板，支撑框架中间设气动肌肉组件；所述的气动肌肉组件包括钢丝绳连接头、钢丝绳、气动肌肉、气管接头、气动肌肉转接头、拉压力传感器、力传感器转接头；气动肌肉上端连接钢丝绳连接头，钢丝绳穿过顶部连接板卡入钢丝绳连接头中，气动肌肉的下端通过气动肌肉转接头连接拉压力传感器，拉压力传感器另一端通过力传感器转接头与底部连接板固定连接，气动肌肉上设置气管接头；所述的单关节装置包括中轴一、自润轴承一、基座支撑杆一、自润垫圈一、输出摆杆一、扭簧一、绕轮组件一、钢丝绳固定块一、自润垫圈三、钢丝绳固定块二、绕轮组件二、扭簧二、输出摆杆二、自润垫圈二、基座支撑杆二、自润轴承二、中轴二；绕轮组件一通过自润垫圈三与绕轮组件二连接，绕轮组件一和输出摆杆一互相配合的一侧通过扭簧一相连，输出摆杆一另一侧通过自润垫圈一连接基座支撑杆一，基座支撑杆一与自润轴承一固联，自润轴承一转动连接中轴一，绕轮组件二和输出摆杆二互相配合的一侧通过扭簧二相连，输出摆杆二另一侧通过自润垫圈二与基座支撑杆二连接，基座支撑杆二与自润轴承二固联，自润轴承二转动连接中轴二；每根气动肌肉组件的钢丝绳分别通过卡扣连接在绕轮组件二或绕轮组件一上；绕轮组件二和绕轮组件一反向安装。

根据如上所述的气动肌肉驱动的机器人关节装置，其特征在于：还包括钢丝绳套管，钢丝绳套管包裹在钢丝绳表面且与顶部连接板通过螺纹连接。

根据如上所述的气动肌肉驱动的机器人关节装置，其特征在于：还包括固定杆，基座支撑杆一和基座支撑杆二与固定杆通过螺栓固定连接。

根据如上所述的气动肌肉驱动的机器人关节装置，其特征在于：还包括负载杆，输出摆杆一和输出摆杆二与负载杆通过螺栓固定连接。

本发明的有益效果是：1、本发明为克服了气缸的物理尺寸在布局上的局限性，采用了气动肌肉驱动结合钢丝绳传动的方式，这充分利用了气动肌肉的相关特性以及钢丝绳的柔性在布局上的优势，并在此基础上，将驱动执行器从外骨骼本体剥离出来，大大的降低了外骨骼的重量、简化了结构。2、本发明设计中气动肌肉因为是单向作用，且在工作过程中存在长度上的伸缩，在启停状态切换时易造成钢丝绳脱轨，为了实现机器人关节的双向驱动，本发明中设计了一种由两根气动肌肉驱动通过钢丝绳双向传动的机器人关节，扭簧的应用使关节装置具有自动张紧的功能；3、本发明设计中各关节均采用高强度的铝合金加工的薄壁结构，轴承采用结构紧凑轻质的自润轴承，相关骨架采用碳纤维管材，目的就是为了尽可能的降低重量，使结构更紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的单根气动肌肉执行组件立体结构示意图；

图2为本发明单根气动肌肉组件上端和下端连接方式的爆炸结构示意图；

图3为本发明肘关节的爆炸结构示意图；

图4为本发明钢丝绳固定方式的立体结构示意图；

图5为本发明绕轮零件的结构示意图；

图6为本发明输出摆杆零件的结构示意图。

附图标记说明：气动肌肉执行组件1、顶部连接板11、支撑框架12、气动肌肉组件13、底部连接板14、固定杆110、钢丝绳套管31、钢丝绳连接头32、钢丝绳33、气动肌肉34、气管接头35、气动肌肉转接头36、拉压力传感器37、力传感器转接头38、单关节装置2、中轴一211、自润轴承一212、基座支撑杆一213、自润垫圈一214、输出摆杆一215、扭簧一216、绕轮组件一217、钢丝绳固定块一218、自润垫圈三219、负载杆210、钢丝绳固定块二228、绕轮组件二227、扭簧二226、输出摆杆二225、自润垫圈二224、基座支撑杆二223、自润轴承二222、中轴二221、卡扣2171。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的气动肌肉执行组件1包括支撑框架12和分别固定在支承框架12上下两端的顶部连接板11和底部连接板14，支撑框架12中间设有气动肌肉组件13。本发明的气动肌肉组件13为2根，根据单关节装置2确定气动肌肉组件13的数量，如单关节装置2为4个，则气动肌肉组件13需要8根。

如图2所示，本实施例中所述单根气动肌肉组件13，包括钢丝绳套管31、钢丝绳连接头32、钢丝绳33、气动肌肉34、气管接头35、气动肌肉转接头36、拉压力传感器37、力传感器转接头38；气动肌肉34上端通过螺纹连接钢丝绳连接头32，端部带有接头的钢丝绳33穿过顶部连接板11卡入钢丝绳连接头32中，气动肌肉34的下端通过气动肌肉转接头36连接拉压力传感器37，拉压力传感器37另一端通过力传感器转接头38与底部连接板14通过螺纹固定连接，气动肌肉34上设置气管接头35，钢丝绳33与顶部连接板11连接处最好设置钢丝绳套管31，以保护钢丝绳33。气动肌肉执行组件1包括两根气动肌肉组件13，两根气动肌肉组件13的钢丝绳33分别通过卡扣连接在绕轮组件二227或绕轮组件一217上。

如图3和图6所示，本实施例中所述单关节装置2包括固定杆110、中轴一211、自润轴承一212、基座支撑杆一213、自润垫圈一214、输出摆杆一215、扭簧一216、绕轮组件一217、钢丝绳固定块一218、自润垫圈三219、负载杆210、钢丝绳固定块二228、绕轮组件二227、扭簧二226、输出摆杆二225、自润垫圈二224、基座支撑杆二223、自润轴承二222、中轴二221；绕轮组件一217通过自润垫圈三219与绕轮组件二227连接，绕轮组件一217和输出摆杆一215互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧一216相连，输出摆杆一215另一侧通过自润垫圈一214连接基座支撑杆一213，基座支撑杆一213与自润轴承一212固联，自润轴承一212转动连接中轴一211，绕轮组件二227和输出摆杆二225互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧二226相连，输出摆杆二225另一侧通过自润垫圈二224与基座支撑杆二223连接，基座支撑杆二223与自润轴承二222固联，自润轴承二222转动连接中轴二221，中轴一211与中轴二221先对心然后通过螺栓固定连接，基座支撑杆一213和基座支撑杆二223通过螺栓固定在固定杆110上，输出摆杆一215和输出摆杆二225通过螺栓与负载杆210固定连接。这样，单关节装置2可相对于固定杆110、负载杆210旋转，且通过绕轮组件自带的限位块进行限位，在确保正常活动的情况下，也能将活动范围限制在安全的区域内，而两侧的扭簧则能够在气动肌肉停止工作时进行自张紧钢丝绳，防止钢丝绳脱轨。

如图4和图5所示，本实施例中带端头的钢丝绳33环绕在绕轮组件一217上且带端头的钢丝绳33卡入卡扣2171中，然后卡扣2171通过螺丝压紧固定在绕轮组件一217上。本发明绕轮组件二227、绕轮组件一217的结构形式相同，与钢丝绳33的连接方式也相同，此处不在重复叙述。

本发明中，绕轮组件二227和绕轮组件一217反向安装，从而实现双向驱动机器人关节。

本发明中，气动肌肉执行组件1与单关节装置2通过钢丝绳33连接，这样气动肌肉执行组件1可以与单关节装置2剥离出来，从而减轻了使用者佩戴的重量。

如图4和图5所示，本实施例中考虑到既要尽可能地扩大各关节康复运动的范围，又不能给患者带来二次伤害，故在绕轮与输出摆杆相互配合的一侧各自设有限位块(这个限位块就是与绕轮组件是一体的，如图4正下方斜线位置就是限位块，这个地方凸起来一块，输出摆杆也同样有这样一块凸起的台阶，当输出摆杆转到一定角度后，他们各自的限位块相接触而限制关节装置的转动，从而不让患者受到二次伤害。)，将关节外骨骼的运动角度限制在极限值之内，与此同时为了防止气动肌肉在停止工作时钢丝绳因松弛而脱轨，故在绕轮与输出摆杆之间装有可拆卸的扭簧零件，当气动肌肉工作时，因气动肌肉的力大于扭簧的力使扭簧压迫蓄力，而当气动肌肉停止工作时，传动钢丝绳会有一定的松弛，这时候扭簧因要回到正常状态而产生反向张紧力使钢丝绳绷紧而不至于脱轨。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案：本发明一种气动肌肉驱动的机器人关节装置采用了气动肌肉结合钢丝绳传动的方式，充分利用了气动肌肉的相关特性以及钢丝绳的柔性在布局上的优势，在此基础上，将驱动执行器从外骨骼本体剥离出来，大大的降低了外骨骼的重量、简化了结构。另外各关节均采用高强度的铝合金加工的薄壁结构，轴承采用结构紧凑轻质的自润轴承，相关骨架采用碳纤维管材，目的就是为了尽可能的降低重量，使结构更紧凑。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。