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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201610052510.2 (22)申请日 2016.01.26 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 105520821 A (43)申请公布日 2016.04.27 (73)专利权人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 朱延河 臧希喆 张超 赵杰 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 牟永林 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) B25J 9/00(。
2、2006.01) (56)对比文件 CN 102556200 A,2012.07.11,全文. US 2008092712 A1,2008.04.24,全文. CN 103349602 A,2013.10.16,全文. CN 104565215 A,2015.04.29,全文. CN 104771292 A,2015.07.15,全文. CN 201949284 U,2011.08.31,全文. CN 101455609 A,2009.06.17,全文. JP H08294800 A,1996.11.12,全文. CN 102699898 A,2012.10.03,全文. 审查员 邢凯丽 (5。
3、4)发明名称 一种连续变刚度的弹簧储能装置 (57)摘要 一种连续变刚度的弹簧储能装置， 它涉及一 种弹簧储能装置， 具体涉及一种连续变刚度的弹 簧储能装置。 本发明为了解决传统上肢外骨骼体 积和质量较大， 电路复杂， 可靠性差， 能耗大的问 题。 本发明包括弹簧基座、 下弹簧挂钩、 上弹簧挂 钩、 第一钢丝绳、 弹簧上基座、 第二钢丝绳、 电机、 第一带轮、 电机支架、 丝杠基座、 下固定板、 第一 轴、 第二带轮、 第三带轮、 第四带轮、 第二轴、 右丝 杠组件A、 左丝杠组件B、 第一钢板和多个弹簧， 下 固定板水平设置， 所述右丝杠组件A、 所述左丝杠 组件B、 第一钢板并排竖直设置在。
4、下固定板的上 表面上。 本发明属于医疗器械领域。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 105520821 B 2017.11.03 CN 105520821 B 1.一种连续变刚度的弹簧储能装置， 其特征在于： 所述一种连续变刚度的弹簧储能装 置包括弹簧基座(1)、 下弹簧挂钩(2)、 上弹簧挂钩(4)、 第一钢丝绳(5)、 弹簧上基座(6)、 第 二钢丝绳(7)、 电机(8)、 第一带轮(9)、 电机支架(10)、 丝杠基座(11)、 下固定板(12)、 第一轴 (15)、 第二带轮(16)、 第三带轮(17)、 第四带轮(18)、 第二轴(19)、 右丝杠组件A、 左丝杠组件 B、。
5、 第一钢板(A2)和多个弹簧(3)， 下固定板(12)水平设置， 所述右丝杠组件A、 所述左丝杠组 件B、 第一钢板(A2)并排竖直设置在下固定板(12)的上表面上， 弹簧上基座(6)安装在第一 钢板(A2)的上端， 下弹簧挂钩(2)固定安装在第一钢板(A2)的下端， 下弹簧挂钩(2)通过多 个弹簧(3)与上弹簧挂钩(4)连接， 上弹簧挂钩(4)与第一钢丝绳(5)的一端连接， 第一钢丝 绳(5)的另一端依次绕过弹簧上基座(6)上的滑轮、 所述右丝杠组件A、 所述左丝杠组件B与 设置在下固定板(12)上表面的弹簧基座(1)连接， 电机(8)通过电机支架(10)安装在下固定 板(12)的上表面， 。
6、第一带轮(9)套装在电机(8)的转动轴上， 第一轴(15)、 第二轴(19)并排竖 直设置在下固定板(12)的上表面上， 第二带轮(16)和第三带轮(17)由上至下依次套装在第 一轴(15)上， 第四带轮(18)套装在第二轴(19)上， 第一轴(15)的上端与所述左丝杠组件B连 接， 第二轴(19)的上端与所述右丝杠组件A连接， 第一带轮(9)通过皮带与第三带轮(17)连 接， 第二带轮(16)通过皮带与第四带轮(18)连接， 第二钢丝绳(7)的一端与所述左丝杠组件 B的上端连接， 第二钢丝绳(7)的另一端与外界连接。 2.根据权利要求1所述一种连续变刚度的弹簧储能装置， 其特征在于： 所述右。
7、丝杠组件 A包括第一滑块(A1)、 第一导轨(A3)、 第一丝杠(A4)、 第一螺母(A5)和第一丝杠夹头(A6)， 第 一导轨(A3)和第一丝杠(A4)并排竖直安装在第一钢板(A2)上， 第一滑块(A1)安装在第一导 轨(A3)上， 且第一滑块(A1)能沿第一导轨(A3)直线移动， 第一螺母(A5)安装在第一滑块 (A1)上， 第一螺母(A5)套装在第一丝杠(A4)上， 第一丝杠(A4)的下端与第二轴(19)的上端 连接， 第一丝杠(A4)的上端通过轴承与第一钢板(A2)的上端连接， 第一丝杠(A4)的下端通 过第一丝杠夹头(A6)与第一钢板(A2)的下端连接， 第一滑块(A1)上设有多个滑。
8、轮。 3.根据权利要求1所述一种连续变刚度的弹簧储能装置， 其特征在于： 所述左丝杠组件 B包括第二钢板(B1)、 第二丝杠(B2)、 第二导轨(B3)、 第二螺母(B4)、 第二滑块(B5)、 第二丝 杠夹头(B6)、 轴承端盖(B7)、 轴承基座(B8)和万向节(B9)， 第二钢板(B1)的下端与轴承基座 (B8)连接， 轴承端盖(B7)扣装在轴承基座(B8)上， 第二丝杠(B2)和第二导轨(B3)并排安装 在第二钢板(B1)上， 第二丝杠(B2)的上端通过轴承与第二钢板(B1)连接， 第二丝杠(B2)的 下端通过第二丝杠夹头(B6)与万向节(B9)连接， 万向节(B9)与第一轴(15)的。
9、上端连接， 第 二滑块(B5)安装在第二导轨(B3)上， 且第二滑块(B5)能沿第二导轨(B3)直线移动， 第二螺 母(B4)安装在第二滑块(B5)上， 第二螺母(B4)套装在第二丝杠(B2)上， 第二滑块(B5)上设 有滑轮。 4.根据权利要求1所述一种连续变刚度的弹簧储能装置， 其特征在于： 所述一种连续变 刚度的弹簧储能装置还包括螺钉(13)和钢丝绳夹头(14)， 钢丝绳夹头(14)安装在弹簧基座 (1)的滑道内， 螺钉(13)插装在钢丝绳夹头(14)的螺纹孔中。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 105520821 B 2 一种连续变刚度的弹簧储能装置 技术领域 0001 本发。
10、明涉及一种弹簧储能装置， 具体涉及一种连续变刚度的弹簧储能装置， 属于 医疗机械领域。 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以下特点： 可以检测人 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以辅 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。
11、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， 以达 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 防战士， 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。 0006 传统的上肢外骨骼中， 大多采用电机驱动来实现助力， 即在各关节的自由。
12、度上设 有电机， 使用电机来带动外骨骼运动。 但是这样造成体积和质量较大， 电路复杂， 可靠性降 低， 能耗较大。 0007 基于上述原因， 设计了一种基于双四边形重力平衡原理的变负载低能耗上肢助力 外骨骼， 用一种机械动力平衡的方式来代替电机驱动给上肢外骨骼提供助力。 本发明就是 一种能连续变刚度的弹簧储能装置， 是上述上肢助力外骨骼中平衡重力的动力装置。 发明内容 0008 本发明为解决传统上肢外骨骼体积和质量较大， 电路复杂， 可靠性差， 能耗大的问 题， 进而提出一种连续变刚度的弹簧储能装置。 0009 本发明为解决上述问题采取的技术方案是： 本发明包括弹簧基座、 下弹簧挂钩、 上 弹。
13、簧挂钩、 第一钢丝绳、 弹簧上基座、 第二钢丝绳、 电机、 第一带轮、 电机支架、 丝杠基座、 下 固定板、 第一轴、 第二带轮、 第三带轮、 第四带轮、 第二轴、 右丝杠组件A、 左丝杠组件B、 第一 钢板和多个弹簧， 下固定板水平设置， 所述右丝杠组件A、 所述左丝杠组件B、 第一钢板并排 竖直设置在下固定板的上表面上， 弹簧上基座安装在第一钢板的上端， 下弹簧挂钩固定安 装在第一钢板的下端， 下弹簧挂钩通过多个弹簧与上弹簧挂钩连接， 上弹簧挂钩与第一钢 丝绳的一端连接， 第一钢丝绳的另一端依次绕过弹簧上基座上的滑轮、 所述右丝杠组件A、 所述左丝杠组件B与设置在下固定板上表面的弹簧基座连。
14、接， 电机通过电机支架安装在下 说 明 书 1/4 页 3 CN 105520821 B 3 固定板的上表面， 第一带轮套装在电机的转动轴上， 第一轴、 第二轴并排竖直设置在下固定 板的上表面上， 第二带轮和第三带轮由上至下依次套装在第一轴上， 第四带轮套装在第二 轴上， 第一轴的上端与所述左丝杠组件B连接， 第二轴的上端与所述右丝杠组件A连接， 第一 带轮通过皮带与第三带轮连接， 第二带轮通过皮带与第四带轮连接， 第二钢丝绳的一端与 所述左丝杠组件B的上端连接， 第二钢丝绳的另一端与外界连接。 0010 进一步的， 所述右丝杠组件A包括第一滑块、 第一导轨、 第一丝杠、 第一螺母和第一 丝杠。
15、夹头， 第一导轨和第一丝杠并排竖直安装在第一钢板上， 第一滑块安装在第一导轨上， 且第一滑块能沿第一导轨直线移动， 第一螺母安装在第一滑块上， 第一螺母套装在第一丝 杠上， 第一丝杠的下端与第二轴的上端连接， 第一滑块上设有多个滑轮， 第一丝杠夹头夹装 在第一丝杠的下端。 0011 进一步的， 所述左丝杠组件B包括第二钢板、 第二丝杠、 第二导轨、 第二螺母、 第二 滑块、 第二丝杠夹头、 轴承端盖、 轴承基座和万向节， 第二钢板的下端与轴承基座连接， 轴承 端盖扣装在轴承基座上， 第二丝杠和第二导轨并排安装在第二钢板上， 第二丝杠的上端通 过轴承与第二钢板连接， 第二丝杠的下端通过第二丝杠夹。
16、头与万向节连接， 万向节与第一 轴的上端连接， 第二滑块安装在第二导轨上， 且第二滑块能沿第二导轨直线移动， 第二螺母 安装在第二滑块上， 第二螺母套装在第二丝杠上， 第二滑块上设有滑轮。 0012 进一步的， 钢丝绳夹头安装在弹簧基座的滑道内， 螺钉插装在钢丝绳夹头的螺纹 孔中。 0013 本发明的有益效果是： 1、 本发明为上肢外骨骼提供动力， 能耗大大降低； 2、 本发明 结构简单、 稳定性高， 控制方便； 3、 本发明是基于双四边形重力平衡原理的变负载低能耗上 肢助力外骨骼中平衡重力的动力装置。 它与双平行四边形机构搭配， 能够实现量程范围内 的任意重力在任意位置上的平衡。 由于是机械。
17、机构， 所以具有结构简单、 稳定性高， 并且更 加节能等优点。 附图说明 0014 图1是本发明的整体结构示意图， 图2是本发明拆分的整体结构示意图。 具体实施方式 0015 具体实施方式一： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种连续变刚 度的弹簧储能装置包括弹簧基座1、 下弹簧挂钩2、 上弹簧挂钩4、 第一钢丝绳5、 弹簧上基座 6、 第二钢丝绳7、 电机8、 第一带轮9、 电机支架10、 丝杠基座11、 下固定板12、 第一轴15、 第二 带轮16、 第三带轮17、 第四带轮18、 第二轴19、 右丝杠组件A、 左丝杠组件B、 第一钢板A2和多 个弹簧3， 下固定板12水平设。
18、置， 所述右丝杠组件A、 所述左丝杠组件B、 第一钢板A2并排竖直 设置在下固定板12的上表面上， 弹簧上基座6安装在第一钢板A2的上端， 下弹簧挂钩2固定 安装在第一钢板A2的下端， 下弹簧挂钩2通过多个弹簧3与上弹簧挂钩4连接， 上弹簧挂钩4 与第一钢丝绳5的一端连接， 第一钢丝绳5的另一端依次绕过弹簧上基座6上的滑轮、 所述右 丝杠组件A、 所述左丝杠组件B与设置在下固定板12上表面的弹簧基座1连接， 电机8通过电 机支架10安装在下固定板12的上表面， 第一带轮9套装在电机8的转动轴上， 第一轴15、 第二 轴19并排竖直设置在下固定板12的上表面上， 第二带轮16和第三带轮17由上至。
19、下依次套装 说 明 书 2/4 页 4 CN 105520821 B 4 在第一轴15上， 第四带轮18套装在第二轴19上， 第一轴15的上端与所述左丝杠组件B连接， 第二轴19的上端与所述右丝杠组件A连接， 第一带轮9通过皮带与第三带轮17连接， 第二带 轮16通过皮带与第四带轮18连接， 第二钢丝绳7的一端与所述左丝杠组件B的上端连接， 第 二钢丝绳7的另一端与外界连接。 0016 具体实施方式二： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种连续变刚 度的弹簧储能装置的右丝杠组件A包括第一滑块A1、 第一导轨A3、 第一丝杠A4、 第一螺母A5 和第一丝杠夹头A6， 第一导轨A3和。
20、第一丝杠A4并排竖直安装在第一钢板A2上， 第一滑块A1 安装在第一导轨A3上， 且第一滑块A1能沿第一导轨A3直线移动， 第一螺母A5安装在第一滑 块A1上， 第一螺母A5套装在第一丝杠A4上， 第一丝杠A4的下端与第二轴19的上端连接， 第一 丝杠A4的上端通过轴承与第一钢板A2的上端连接， 第一丝杠A4的下端通过第一丝杠夹头A6 与第一钢板A2的下端连接， 第一滑块A1上设有多个滑轮。 0017 第一导轨A3和第一丝杠A4并排竖直安装在第一钢板A2上， 第一丝杆A4一端通过轴 承与第一钢板A2相连， 一端固定在第一丝杆夹头A6上， 第一丝杆夹头A6通过轴承与钢板A2 相连， 并且与第一轴。
21、19通过销钉连接。 第一螺母A5拧在第一丝杠A4上， 与第一滑块A1固连， 第一滑块A1还套在第一导轨A3上。 第一丝杆A4转动时， 带动第一螺母A5上下移动， 从而使得 第一滑块A1能在第一导轨A3上移动。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 0018 具体实施方式三： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式所述一种连续变刚 度的弹簧储能装置的左丝杠组件B包括第二钢板B1、 第二丝杠B2、 第二导轨B3、 第二螺母B4、 第二滑块B5、 第二丝杠夹头B6、 轴承端盖B7、 轴承基座B8和万向节B9， 第二钢板B1的下端与 轴承基座B8连接， 轴承端盖B7扣装在轴承基座B8上， 第二。
22、丝杠B2和第二导轨B3并排安装在 第二钢板B1上， 第二丝杠B2的上端通过轴承与第二钢板B1连接， 第二丝杠B2的下端通过第 二丝杠夹头B6与万向节B9连接， 万向节B9与第一轴15的上端连接， 第二滑块B5安装在第二 导轨B3上， 且第二滑块B5能沿第二导轨B3直线移动， 第二螺母B4安装在第二滑块B5上， 第二 螺母B4套装在第二丝杠B2上， 第二滑块B5上设有滑轮。 0019 第二导轨B3固连在第二钢板B1上。 第二丝杆B2一端通过轴承与第二钢板B1相连， 一端固定在第二丝杆夹头B6上， 第二丝杆夹头B6通过轴承与第二钢板B1相连， 并且与万向 节B9通过销钉连接。 万向节B9通过轴承与。
23、轴承端盖B7相连， 轴承端盖B7与轴承基座B8固连， 万向节B9一端与第二丝杆夹头B6相连， 另一端与第一轴15通过销钉连接， 万向节B9保证了 第二丝杆B2既能自转也能在平面内转动。 第二螺母B4拧在第二丝杠B2上， 与第二滑块B5固 连， 第二滑块B5还套在第二导轨B3上。 第一轴15转动时， 通过万向节B9带动第二丝杆B2也发 生转动， 丝杆的自转会使得第二螺母B4上下移动， 第二螺母B4又带动第一滑块A1在第一导 轨A3上移动。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 0020 具体实施方式四： 结合图1说明本实施方式， 本实施方式所述一种连续变刚度的弹 簧储能装置还包括螺钉13和钢。
24、丝绳夹头14， 钢丝绳夹头14安装在弹簧基座1的滑道内， 螺钉 13插装在钢丝绳夹头14的螺纹孔中。 通过拧动螺钉13使钢丝绳夹头14在弹簧基座1的滑道 里滑动， 从而调节第一钢丝绳5的松紧。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。 0021 工作原理 0022 O点为第一丝杆A4与第二丝杆B2的交点， 第一滑块A1、 第二滑块B5分别与第一螺母 A5、 第二B4固连， 第一螺母A5和第二螺母B4分别套在第一丝杆A4和第二丝杆B2上， 万向节B9 说 明 书 3/4 页 5 CN 105520821 B 5 通过第二丝杆夹头B6与第二丝杆B2固连， 保证了第二丝杆B2既能自转也能在平面内转动。
25、。 通过控制丝杆保持相同的转速， 使得第一滑块A1、 第二滑块B5与O点的距离始终相等。 第一 钢丝绳5的中间绕在上弹簧挂钩4上， 两端从弹簧挂钩4出去后又绕在第一滑块A1、 第二滑块 B5的滑轮上， 最后固连在钢丝绳夹头14上。 第二钢丝绳7一端固连在左丝杆组件B的顶部， 另 一端与外界相连。 当来自外界的力F作用在第二钢丝绳7上时， 使它产生位移。 设滑块到中心 点O的距离为第二钢丝绳7到O点的距离的a倍， 则滑块之间产生相对位移a， 所以弹簧也有2a 的伸长量， 第一钢丝绳5产生6ka的拉力。 对于左丝杠组件B在O点取矩； 可以看出整个装置相 当于一个弹性系数为a的弹簧， 所以当通过丝杠。
26、的转动来连续调节比率a的大小时， 整个装 置的刚度也随之发生了变化， 所以是一种能连续变刚度的弹簧储能装置。 0023 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制， 虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明， 任何熟悉本专业的技术人 员， 在不脱离本发明技术方案范围内， 当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例， 但凡是未脱离本发明技术方案内容， 依据本发明的技术实质， 在 本发明的精神和原则之内， 对以上实施例所作的任何简单的修改、 等同替换与改进等， 均仍 属于本发明技术方案的保护范围之内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 105520821 B 6 图1 说 明 书 附 图 1/2 页 7 CN 105520821 B 7 图2 说 明 书 附 图 2/2 页 8 CN 105520821 B 8 。