一種人機空間重力平衡外骨骼的制作方法
本發明涉及康復醫療器械領域，具體涉及一種人機空間重力平衡外骨骼。
背景技術：
醫用外骨骼是一種復雜的人機結合的機器人技術，包含機械、控制及人工智能等技術，通過人機之間的物理接觸來實現力的傳遞與檢測等功能以此來實現人機交互功能，實現更好的康復治療。
現有的醫療外骨骼機器人基本都是采用電機或液壓驅動的方式實現對病人的康復治療，此種方式存在能量消耗大、安全系數相對較低等缺點。現有的一些重力平衡外骨骼一般不能實現人體上肢與外骨骼兩者的重力平衡或者將外骨骼與人體上肢看做一體進行處理，模型建立過程中就存在誤差，導致平衡精度有所下降，并且采用平行四邊形原理增加機構的復雜性。基于此，本發明設計了一種人體上肢與外骨骼同時達到空間平衡的外骨骼康復機器人。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有重力平衡外骨骼不能實現人體上肢與外骨骼兩者同時達到空間重力平衡的問題而設計。進而提供一種更大程度上的重力平衡外骨骼。
本發明的實施例提供了一種人機空間重力平衡上肢康復外骨骼，包括第一關節、第二關節、第三關節、第四關節，一級彈簧裝置，一級轉向裝置，二級彈簧裝置，二級轉向裝置、一級軸、二級軸、三級軸、四級軸、前臂固定環，
進一步第一關節包括第一關節上板、第一關節下板，第一關節下板過盈裝配有一級軸承，第一關節上板與第一關節下板通過一級固定軸連接，通過一級軸端擋板固定，第一關節上板與基座連接。
進一步第二關節包括第二關節上板、第二關節下板，第二關節下板過盈裝配有二級軸承，第二關節上板與第二關節下板通過二級固定軸連接，通過二級軸端擋板固定，第二關節上板與第一關節下板連接。
進一步第三關節包括上滑環、固定環、下滑環、滾珠固定架、滾珠，上滑環與下滑環凹槽內固定有滾珠固定架，滾珠固定架內含滾珠，上滑環與下滑環固定形成弧形槽，截面為矩形，固定環可以在弧形槽內相對滑動，固定環與第二關節下板連接，下滑環與第四關節上板連接。
進一步第四關節包括第四關節上板、第四關節下板，第四關節下板過盈裝配有四級軸承，第四關節上板與第四關節下板通過四級固定軸連接，通過四級軸端擋板固定。
進一步第二關節上板固定有一級彈簧裝置及一級軸，一級轉向裝置固定在第一關節下板上，第四關節下板分別固定有二級彈簧裝置、三級軸和二級轉向裝置及二級軸，四級軸固定在第四關節上板上。
進一步前臂固定環固定在第四關節下板的末端。
進一步一級轉向裝置包括雙滑輪支架、一級轉向滑輪、二級轉向滑輪、一級銷、一級壓板、二級壓板，一級轉向滑輪通過一級銷與一級壓板固定在雙滑輪支架上，二級轉向滑輪通過二級壓板固定在雙滑輪支架上。
進一步一級彈簧裝置包括一級滑輪組件、一級導軌、一級滑塊、光杠固定板、一級光杠、一級彈簧、光杠支撐板、小支撐架、大支撐架、一級鋼絲繩。
第二關節上板上裝有兩根一級導軌，一級導軌上裝有一級滑塊，一級滑塊上裝有小支撐架，一級滑輪組件被兩個小支撐架支撐，光杠固定板連接在一級滑輪組件的滑輪軸上，一級彈簧裝在一級光杠上，一級光杠的另一端穿過光杠支撐板，光杠支撐板固定在另一側的一級滑輪組件的滑輪固定軸上，該側一級滑輪組件被兩個大支撐架固定在第二關節上板上，一級鋼絲繩通過一級軸固定在第二關節上板上，通過纏繞在一級滑輪上，通過一級轉向裝置固定在二級軸上，二級軸固定在第四關節下板上。
進一步一級滑輪組件包括滑輪軸、大銅套、小銅套、一級滑輪。
滑輪軸上通過大銅套與小銅套各兩個在滑輪軸兩端各固定兩個一級滑輪。
進一步二級轉向裝置包括三級轉向滑輪銷、三級轉向滑輪、四級轉向滑輪、四級轉向滑輪銷、五級轉向滑輪、五級轉向滑輪銷。
三級轉向滑輪銷與四級轉向滑輪銷安裝在第四關節下板的外側即安裝在二級導軌一側，兩者分別固定三級轉向滑輪、四級轉向滑輪，五級轉向滑輪銷安裝在第四關節下板的另一側，并固定五級轉向滑輪。
進一步二級彈簧裝置包括二級導軌、二級滑塊、二級光杠、光杠支撐座、二級滑輪、二級彈簧、光杠固定架。
二級導軌固定在第四關節下板上，二級導軌上有二級滑塊，其上固定有光杠支撐座，光杠支撐座固定有二級滑輪，光杠支撐座同時支撐二級光杠，二級光杠的另一端被光杠固定架連接在第四關節下板上。二級鋼絲繩通過三級軸固定在第四關節下板上，通過纏繞在二級滑輪上，通過二級轉向裝置固定在第四關節上板的四級軸上。
二級軸在第四關節下板上的位置及其長度是隨外骨骼的整體質心分布、人體上肢的質心分布及上臂和前臂的長度變化而變化的。五級轉向滑輪銷固定在第四關節下板自身軸線上，且其距離第四關節旋轉軸的距離是隨外骨骼的整體質心分布、人體上肢的質心分布及上臂和前臂的長度變化而變化的。四級軸固定在第四關節上板自身軸線上，且其距離第四關節旋轉軸的距離是隨外骨骼的整體質心分布、人體上肢的質心分布及上臂和前臂的長度變化而變化的。以上這些變化是通過銷的位置變化來變化，對于一個成品來說是固定的。
與現有技術相比本發明的有益效果是：1、可以實現人體上肢與外骨骼兩者的空間重力平衡。2、利用運動學與勢能守恒原理確定彈簧的安裝位置及勁度系數避免使用平行四邊形機構，進而簡化了外骨骼裝置。3、彈簧裝置采用壓簧與動滑輪組的組合方式實現零初長彈簧，與傳統單一拉簧相比具有占用體積小的優勢。4、利用彈簧的彈性勢能的改變平衡掉上肢及外骨骼兩者的重力勢能的變化，利用完全被動的方法平衡掉重力勢能，消除上肢運動過程中克服重力勢能做功。
附圖說明
圖1為一種人機空間重力平衡上肢康復外骨骼的總體結構三維示意圖；
圖2為一種人機空間重力平衡上肢康復外骨骼的總體結構軸側視圖；
圖3為第一關節及一級轉向裝置的連接示意圖；
圖4為第二關節上板和一級彈簧裝置及一級軸連接示意圖；
圖5為第三關節連接示意圖；
圖6為第四關節下板與二級彈簧裝置和二級軸及三級軸連接示意圖；
圖7為一級滑輪組件爆炸視圖；
圖8為第二關節連接示意圖；
圖9為第四關節連接示意圖；
圖10為人體上肢與外骨骼質心位置分布原理圖；
圖11為彈簧安裝位置分布原理圖；
具體實施方式
具體實施方式一：結合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式包括：基座1、連接角板2、一級固定軸3-1、第一關節上板3-2、第一關節下板3-3、一級軸承3-4、一級軸端擋板3-5、雙滑輪支架8-1、一級轉向滑輪8-2、一級銷8-3、一級壓板8-4、二級轉向滑輪8-5、二級壓板8-6，基座1通過連接角板2與第一關節上板3-2連接，第一關節上板3-2通過一級固定軸3-1與第一關節下板3-3連接，使用一級軸端擋板3-5固定，第一關節下板3-3內過盈裝配有一級軸承3-4，第一關節下板3-3與雙滑輪支架8-1連接，雙滑輪支架8-1上通過一級銷8-3固定一級轉向滑輪8-2并通過一級壓板8-4鎖緊，二級轉向滑輪8-5通過二級壓板8-6固定。
具體實施方式二：結合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式包括：連接角板2、第二關節上板4-2、一級滑輪組件7-1、大銅套7-1-1、一級滑輪7-1-2、小銅套7-1-3、滑輪軸7-1-4、一級導軌7-2、一級滑塊7-3、光杠固定板7-4、一級光杠7-5、一級彈簧7-6、光杠支撐板7-7、小支撐架7-8、大支撐架7-9、一級鋼絲繩7-10、一級軸11，第二關節上板4-2通過連接角板2與第一關節下板3-3連接，第二關節上板4-2上固定有一級導軌7-2兩根，所述導軌7-2一端設置有一級滑塊7-3，所述一級滑塊7-3上安裝并固定有小支撐架7-8，兩個小支撐架7-8支撐并固定一級滑輪組件7-1、所述一級滑輪組件7-1上的滑輪軸7-1-4上固定有光杠固定板7-4，所述光杠固定板7-4上固定有兩根一級光杠7-5，所述一級光杠7-5穿過開有通孔的光杠支撐板7-7，所述光杠支撐板7-7固定在另一端的一級滑輪組件7-1上的滑輪軸7-1-4上，該端的滑輪軸7-1-4被兩個大支撐架7-9支撐并固定，一級彈簧7-6安裝在一級光杠7-5上。一級滑輪組件7-1左端通過大銅套7-1-1及小銅套7-1-3固定兩個一級滑輪7-1-2，一級滑輪組件7-1右端通過大銅套7-1-1及小銅套7-1-3固定兩個一級滑輪7-1-2，一級滑輪7-1-2上纏繞著一級鋼絲繩7-10，一級鋼絲繩7-10的一端通過一級軸11固定，一級鋼絲繩7-10的另一端通過一級轉向滑輪8-2與二級轉向滑輪8-5轉變方向后固定在第四關節下板6-3上的二級軸12上。
具體實施方式三：結合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式包括：二級固定軸4-1、第二關節上板4-2、二級軸承4-3、第二關節下板4-4、二級軸端擋板4-5、上滑環5-1、滾珠固定架5-2、滾珠5-3、固定環5-4、下滑環5-5、四級軸端擋板6-1、第四關節上板6-2、第四關節下板6-3、四級軸承6-4、四級固定軸6-5、四級軸14，第二關節上板4-2通過二級固定軸4-1與第二關節下板4-4連接，通過二級軸端擋板4-5固定，第二關節下板4-4內過盈裝配有二級軸承4-3，第二關節下板4-4與固定環5-4固定連接，固定環5-4在上滑環5-1與下滑環5-5形成的凹槽內轉動，上滑環5-1與下滑環5-5固定連接，上滑環5-1及下滑環5-5的凹槽內安裝有滾珠固定架5-2，滾珠固定架5-2內含有滾珠5-3，下滑環5-5與第四關節上板6-2固定連接，第四關節上板6-2上固定有四級軸14，第四關節上板6-2與第四關節下板6-3通過四級固定軸6-5連接，通過四級軸端擋板6-1固定，第四關節上板內過盈裝配有四級軸承6-4。
具體實施方式四：結合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式包括：第四關節下板6-3、二級導軌9-1、二級滑塊9-2、光杠支撐座9-3、二級滑輪9-4、二級彈簧9-5、光杠固定架9-6、二級光杠9-7、二級鋼絲繩9-8、三級轉向滑輪銷10-1、三級轉向滑輪10-2、四級轉向滑輪10-3、四級轉向滑輪銷10-4、五級轉向滑輪10-5、五級轉向滑輪銷10-6、二級軸12、三級軸13、前臂固定環15，
第四關節下板6-3上安裝固定有二級導軌9-1，二級導軌9-1上安裝有二級滑塊9-2，二級滑塊9-2上固定有光杠支撐座9-3，光杠支撐座9-3上有通孔，光杠支撐座9-3支撐有二級光杠9-7，二級光杠9-7的另一端被光杠固定架9-6固定，二級光杠9-7上安裝有二級彈簧9-5，第四關節下板6-3上固定有三級轉向滑輪銷10-1、四級轉向滑輪銷10-4、五級轉向滑輪銷10-6、二級軸12、三級軸13，三級轉向滑輪銷10-1上固定有三級轉向滑輪10-2，四級轉向滑輪銷10-4上固定有四級轉向滑輪10-3，五級轉向滑輪銷10-6上固定有五級轉向滑輪10-5，二級鋼絲繩9-8一端固定在三級軸13上，通過二級滑輪9-4、三級轉向滑輪10-2、四級轉向滑輪10-3、五級轉向滑輪10-5導向后固定在四級軸14上，第四關節下板6-3上固定有前臂固定環15。
結合圖7圖8說明該裝置平衡原理：
如圖7所示，人穿上外骨骼后，各關節坐標系建立在人體上肢質心所在軸線上，假設人體上肢質心處于如圖所示軸線上，其與外骨骼質心所在軸線之間的距離為r，人體上臂長度為d2，質心距坐標系2原點距離為m2，質量為M2，人體前臂長度為l3，質心距離坐標系3原點為m3，質量為M3，外骨骼第二關節下板及其上部件質心距離外骨骼第二關節為m4，質量為M4，外骨骼第四關節上板及其上部件質心距離外骨骼第四關節為m5，質量為M5，第四關節下板及其上部件質心距離末端為m6，質量為M6。
各質心所在各自坐標系下的坐標為：[0 -m2 0 1]T[0 -m3 01]T，[0 r m4 1]T，[0 -m5 -r 1]T，[-m6 0 -r 1]T
由DH坐標可列傳遞矩陣在此省略，其中θ1代表外骨骼第一關節轉角，θ2代表外骨骼第二關節轉角，θ3代表外骨骼第三關節轉角，θ4代表外骨骼第四關節轉角，各個質心坐標轉換到0坐標系后，各坐標為
[(m2-d2) sinθ1 (d2-m2)cosθ1 0 1]T
[-m4 sinθ1 m4 cosθ1 r 1]T
現在可以求出系統勢能，求勢能時只需要各質心在基系中的x坐標即可，將各重力勢能合并同類項，分開表示為V1V2V3，g代表重力加速度
V1＝[M2gm2-(M2g+M3g+M5g+M6g)d2-M4gm4+M5gms]sinθ1
V2＝[M3g(m3-l3)+M6g(m6-l3)](sθ1sθ3-cθ1cθ2cθ3)
V3＝[-r(M5+M6)g]cθ1sθ2
設彈簧勁度系數為K1在坐標系0中的安裝位置坐標為(K1d K1s K1f)T，在坐標
系3中的安裝位置為(K3a K3b K3c)T，為求K1的伸長量，應將K1在坐標系3中的安裝位置
坐標變換到坐標系0中，變化后為，
K3ccθ1sθ2-(K3a+l3)(sθ1sθ3-cθ1cθ2cθ3)-K3b(cθ3sθ1+cθ1cθ2cθ3)-d2sθ1
K3csθ1sθ2+(K3a+l3)(cθ1sθ3+cθ2cθ3sθ1)+K3b(cθ1cθ3-cθ2sθ1sθ3)+d2cθ1
K3ccθ2-(K3a+l3)cθ3sθ2+K3bsθ2sθ3
設彈簧2在坐標系2中的坐標為[KA KB KC]T，在坐標系3中的安裝位置為[KD KE KF]T，為求彈簧2的伸長量應將坐標系3中的安裝位置坐標變換到坐標系2中，變換后的坐標為
下面求彈簧2的彈性勢能，化簡后，所有常數項在此一并省略得
列重力平衡條件得
V1+K1K1dd2sθ1＝0
V2+K1K1d(K3a+l3)(sθ1sθ3-cθ1cθ2cθ3)＝0
V3-K1K1dK3ccθ1sθ2＝0
K2KB(l3+KD)-K1(K3s+l3)d2＝0
上述平衡條件求出的K1d確定了一級轉向滑輪沿第一關節軸線的位置，K3a、K3c確定了二級軸的位置及長度，KB、KD確定了四級軸及五級轉向滑輪的位置。
彈簧的安裝位置及勁度系數至此可以求出，系統得以完全平衡，本裝置使用了動滑輪組與壓簧來實現零初長彈簧，因此，對于計算出的一級彈簧的勁度系數，k1，其存儲的彈性勢能為1/2k1x2，由于使用了滑輪組及兩根壓簧，設壓簧勁度系數為kk1一級彈簧裝置存儲的勢能為1/2(2kk1)(x/8)2，兩者相等可求出實際所需彈簧勁度系數為計算出k1的32倍。
對于二級彈簧的計算與一級彈簧類似，實際所用彈簧勁度系數為計算出的4倍，使用動滑輪組與壓簧可以明顯減小外骨骼體積。
上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。
對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。
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