[发明专利]一种自平衡穿戴式柔性肘关节助力外骨骼

权利要求书

1.一种自平衡穿戴式柔性肘关节助力外骨骼，其特征在于，包括肘关节固定矫形器、重力平衡模块、变刚度模块，所述肘关节固定矫形器包括上臂固定矫形器、前臂固定矫形器，所述上臂固定矫形器、所述前臂固定矫形器分别与人体肘关节的上臂、前臂连接，所述重力平衡模块的两端分别与所述上臂固定矫形器、所述前臂固定矫形器的外侧连接，所述变刚度模块置于所述重力平衡模块的外侧，所述变刚度模块被配置为改变所述重力平衡模块的刚度；

所述重力平衡模块包括前臂固定杆、上臂固定杆、杆件固定盖、带凹槽盖、固定轴、弹簧，所述前臂固定杆的一端与所述前臂固定矫形器通过螺钉连接，所述上臂固定杆的一端与所述上臂固定矫形器通过螺钉连接，所述杆件固定盖、所述带凹槽盖相对设置，所述前臂固定杆的另一端和所述上臂固定杆的另一端同时夹设在所述杆件固定盖和所述凹槽盖之间；所述弹簧的一端固定在所述前臂固定杆上；所述前臂固定杆带有第一滑槽和一齿齿轮，所述前臂固定杆通过穿过所述第一滑槽的螺钉与所述前臂固定矫形器连接；所述上臂固定杆带有第二滑槽和六齿齿轮，所述上臂固定杆通过穿过所述第二滑槽的螺钉与所述上臂固定矫形器连接，所述六齿齿轮与所述一齿齿轮配合；

所述变刚度模块包括钢丝绳、线轴，所述线轴通过所述固定轴与所述上臂固定杆锁定，所述钢丝绳的一端与所述弹簧连接，所述钢丝绳的另一端固定于所述线轴上；所述线轴旋转时，所述钢丝绳缠绕在所述线轴的凸轮上，使得所述弹簧的变化量呈非线性变化，从而拟合前臂重力矩。

2.如权利要求1所述的自平衡穿戴式柔性肘关节助力外骨骼，其特征在于，所述上臂固定矫形器设有连接所述重力平衡模块的螺栓导引孔、连接人体上臂的弹性绑带，所述前臂固定矫形器设有连接所述重力平衡模块的螺栓导引孔、连接人体前臂的弹性绑带。

3.如权利要求2所述的自平衡穿戴式柔性肘关节助力外骨骼，其特征在于，所述前臂固定杆带有第一引导孔，所述上臂固定杆带有第二引导孔，所述杆件固定盖带有第三引导孔、第四引导孔、第五引导孔，所述带凹槽盖带有第六引导孔、第七引导孔、第八引导孔，所述固定轴穿过所述第二引导孔、第四引导孔、第七引导孔，所述第一引导孔、所述第三引导孔、所述第六引导孔内穿有同一根螺栓。

4.如权利要求2所述的自平衡穿戴式柔性肘关节助力外骨骼，其特征在于，所述线轴包括钢丝绳固定模块、带键槽的第九引导孔，所述线轴通过所述第九引导孔与所述固定轴键接，所述钢丝绳固定模块通过自攻螺丝与所述线轴的上端连接，所述钢丝绳固定在所述钢丝绳固定模块上。

5.如权利要求4所述的自平衡穿戴式柔性肘关节助力外骨骼，其特征在于，所述弹簧的参数计算包括以下步骤：

步骤1、建立人机耦合静力学模型，设肘关节屈曲角度为θ，弹簧拉力为F(θ)，前臂重力为G，前臂长度为l，弹簧的锚点位置分别相对于上臂的距离为a、相对于前臂的距离为b，则：

步骤2、对所述模型进行数值仿真，在a、b∈(0，250)mm的范围内，标定拉力F(θ)最小时a、b的值，得到弹簧锚点位置a、b；

步骤3、设机构转动刚度为k(θ)，则通过钢丝绳与弹簧设计变刚度模块，通过线轴缠绕钢丝绳改变弹簧的位移量，从而改变机构的转动刚度；

步骤4、计算弹簧具体参数，假设弹簧的初始长度为l₀，则弹簧长度与弹簧拉力的变化关系为：

F_45°＝k(L_45°-l₀)，

F_0°＝k(L_0°-l₀)，

设L_45°-l₀＝b，

l₀＝L_45°-b，

F_0°＝k(L_0°-L_45°+b)，

设L_0°-L_45°＝x，

F_0°＝k(x+b)，

F_45°＝kb，

F_0°＝kx+F_45°，

其中，x是弹簧长度，k为弹簧的弹性系数，以θ表示上述角度时，L_θ为弹簧在肘关节屈曲θ时的总长度，F_θ为弹簧在肘关节屈曲θ时的拉力。