基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种变负载上肢助力外骨骼，具体设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】
[0002] 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W下特点:可W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W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。
[0003] 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。
[0004] 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，W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；
[0005]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:t，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。
[0006]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，但运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屯自 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。但对于运些自由度，大多数上肢外骨骼都是采用电机直接驱动来实现助 力，运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】
[0007]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。
[000引本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明包括两个弹黃储能机构、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，两个弹黃储能机构安装在背 部上，每个弹黃储能机构与相对应的一个手臂连接。
[0009]进一步的，每个弹黃储能机构包括螺钉、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S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=个弹黃，
[0010] 电机、第一安装板、第二安装板由左至右依次设置，多个弹黃并排平行设置，每个 弹黃的下端均与第二安装板的下端固定连接，每个弹黃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较接，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=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=带轮通过同步带与第四带轮连接。
[0011] 进一步的，手臂包括第二连接板、第一连接杆、第二连接杆、第=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=钢丝绳压套 和第=钢丝绳，
[0012] 第一连接杆、第二连接杆、第二连接板、第五连接板组成上平行四边形机构，第= 连接杆、第四连接杆、第=连接板、第四连接板组成下平行四边形机构，第四连接板通过转 轴与第五连接板转动连接，第二连接板与手腕连接，第=连接板与转盘连接，第二钢丝绳压 套安装在第二连接板上，第=钢丝绳压套安装在第四连接板上，第二钢丝绳的一端与第二 钢丝绳压套连接，第二钢丝绳的另一端依次绕过第二连接杆上的滑轮、第五连接板上的滑 轮、第=连接杆上的滑轮、第=连接板上的滑轮后与第一安装板的上端连接，第=钢丝绳的 一端与第=钢丝绳压套连接，第=钢丝绳的另一端依次绕过第四连接杆上的滑轮、第=连 接板上的滑轮后与第一安装板连接。
[0013]进一步的，手腕包括第一角度传感器、挂钩、第二角度传感器、转动块和把手，挂钩 的一端通过转动块与第二连接板连接，把手安装在挂钩的内侧，第一角度传感器和第二角 度传感器依次安装在挂钩上。
[0014]本发明的有益效果是：1、本发明利用机械方式替代电机驱动给上肢外骨骼提供助 力，本发明结构简单、稳定性高，并且更加节能等优点；2、本发明采用弹黃储能机构与手臂 上的平行四边形结构为上肢外骨骼提供竖直方向的助力，用于平衡重力，在手腕部分安装 力传感器与角度传感器，通过检测人手出力大小，来对控制系统输出力进行修正，W减小误 差;3、本发明结构轻便，体积质量小，便于穿戴;4、本发明W机械结构为主，电机数量少，能 耗较低。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明的俯视图，图3是弹黃储能机构的结 构示意图，图4是手臂的结构示意图，图5是平行四边形机构的原理示意图。
【具体实施方式】
[0016]
【具体实施方式】一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于双四边形 重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼包括两个弹黃储能机构1、背部6、背带7、两个手臂 2、两个手腕3、两个转盘5和多个磁力传感器4,每个手臂2的一端分别通过一个转盘5与背部 6相对应一侧的上部连接，每个手臂2的另一端分别与一个手腕3连接，背带7设置在背部6的 正面，多个磁力传感器4由上至下依次设置在背部6的背面，两个弹黃储能机构1安装在背部 6上，每个弹黃储能机构1与相对应的一个手臂2连接。
[0017] 本实施方式中的磁力传感器是肺istle磁力传感器D，它能够通过它感应磁场变 化，算出偏转了多少度。然后再根据传感器传出的信息，控制电机转动，电机转动引起与电 机相连的钢丝绳长度发生变化，最后钢丝绳再带动转盘5转动相应的角度。
[0018] 由于存在误差和各种摩擦，所W最后调节出的弹黃刚度不一定能够满足需要。因 而本发明中又在把手3-5那里设置了很多H型槽，用于贴应变片。