一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼的制作方法

本发明涉及一种腕部训练柔性传动外骨骼，具体涉及一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼。

背景技术：

创伤性腕关节僵硬是腕关节及腕关节附近骨折后，进行长期的石膏外固定所形成的一个不良后遗症。超过6周的关节固定，可以造成关节僵硬，使得屈伸等动作不利。目前的治疗有两大类，一是手术，二是外治法配合功能锻炼。手术治疗本身创伤较大，术后仍有发生再粘连的机会，而外疗法功能性锻炼则效果良好。康复外骨骼系统是将机器人技术引入到临床当中的一种能够辅助或者替代理疗师进行康复训练的手段。不仅减少了理疗师的工作量，节约康复成本，而且能够提供客观数据，评价康复者的康复进度，方便理疗师制定合理的康复策略。由于人体腕部运动自由度多，腕部尺寸小，而目前腕部康复外骨骼一般存在体积较大，自由度偏少，与人体相容性较低等问题。首先外骨骼前臂的自旋机构是影响腕部外骨骼的主要因素，目前主要采用两种方式实现前臂与腕关节的自旋，第一种是通过圆环包络手臂的，即人手臂直接从圆环中穿过，手腕内旋/外旋时，圆环之间通过轴承可相对转动，从而实现在肘关节内旋/外旋时，保证了回转中心与人体手臂中心重合。而现有的传动方式采用齿轮对传动或者钢丝绳传动机构，造成外骨骼的径向尺寸较大；第二种采用绕远程中心的双平行四边形机构，使得径向尺寸减小，但平行四边形连杆机构的夹角较小时，与人手臂会发生干涉，自旋的运动范围也减小。其次腕外骨骼关节与人体关节的相容性低是由于腕关节尺桡偏转动轴心不固定，造成外骨骼与人体关节不同心，即关节错位引起的，造成人机之间运动不协调，穿戴不适，电机也会发生堵转，减小了关节运动的活动范围，因而需要对外骨骼关节错位补偿。基于此，本发明设计了一种适应穿戴的柔性传动的三自由度腕部康复外骨骼机器人。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中传动方式采用齿轮对传动或者钢丝绳传动机构，外骨骼的径向尺寸较大，平行四边形连杆机构的夹角较小与人手臂发生干涉，自旋的运动范围也减小，以及外骨骼关节与人体关节的相容性低，造成人机之间运动不协调，穿戴不适，减小了关节运动的活动范围，需要对外骨骼关节错位补偿的问题，进而提供一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

它包括自旋钢丝绳传动组件、伸缩十字万向联轴器传动组件、前臂自旋环、薄壁轴承、轴承套组件、前臂绑紧件、屈伸钢丝绳传动组件、尺桡偏套索传动组件、协调运动机构支架、协调运动机构组件、人体手部固定组件、两个前臂第一支撑架和两个前臂第二支架；自旋钢丝绳传动组件安装在前臂绑紧件上，前臂自旋环设置在轴承套组件内，且前臂自旋环和轴承套组件之间安装有薄壁轴承，轴承套组件的一端和前臂绑紧件通过两个前臂第一支撑架固定连接，伸缩十字万向联轴器传动组件的一端与前臂自旋环固定连接，伸缩十字万向联轴器传动组件的另一端与自旋钢丝绳传动组件连接，屈伸钢丝绳传动组件和尺桡偏套索传动组件分别安装在一个前臂第二支架上，两个前臂第二支架安装在前臂自旋环上，协调运动机构支架与两个前臂第二支架转动连接，协调运动机构组件安装在协调运动机构支架上，人体手部固定组件安装在协调运动机构组件上，尺桡偏套索传动组件与调运动机构支架和协调运动机构组件连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明可穿戴式腕关节康复机器人可以带动人体腕关节完成屈/伸，尺偏桡偏运动以及前臂的旋内旋外运动，辅助腕关节功能障碍者进行生活，并可用于病人的腕关节康复训练。

2、本发明的尺偏桡偏驱动机构为一种欠驱动机构，通过增加两个被动自由度，使得外骨骼尺偏与桡偏转轴轴线可适应人体关节转轴的变化，使得在外骨骼尺桡偏和屈伸动作时，补偿关节错位，与人体的运动协调性更好。

3、本发明采用钢丝绳传动，钢丝绳传动效率高，精度高，传动平稳且噪声小。

4、本发明的双平行四边形协调机构能够自适应伸缩，无需通过手动调节，穿戴更为方便，适应不同的手长尺寸。

5、本发明可用于腕关节中风患者，腕关节僵硬患者的生活辅助与康复训练。

6、外骨骼前臂自旋采用可伸缩联轴器进行传动，保证外骨骼径向尺寸小的同时，也能保证关节的活动范围度。

附图说明

图1是本发明整体结构主视图，图2是自旋钢丝绳传动组件1、前臂自旋环4和薄壁轴承5安装示意图，图3是伸缩十字万向联轴器传动组件2安装示意图，图4是屈伸钢丝绳传动组件8安装示意图，图5是尺桡偏套索传动组件9安装示意图，图6是协调运动机构组件12安装示意图，图7是第一杆件1201、第二杆件1202、第三杆件1203、第四杆件1204、第五杆件1205和第六杆件1206安装示意图，图8是本发明安装在前臂上的示意图，图9是本发明安装在前臂上的示意图，图10是自旋钢丝绳传动组件1、伸缩十字万向联轴器传动组件2带动前臂自旋环4转动原理图，图11是套索钢丝绳907带动第一协调运动机构钢丝绳轮1208、第二协调运动机构钢丝绳轮1209、第三协调运动机构钢丝绳轮1210上和导轮1211转动工作原理图，图12是套索钢丝绳907带动第一协调运动机构钢丝绳轮1208、第二协调运动机构钢丝绳轮1209、第三协调运动机构钢丝绳轮1210上和导轮1211转动示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图9说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，它包括自旋钢丝绳传动组件1、伸缩十字万向联轴器传动组件2、前臂自旋环4、薄壁轴承5、轴承套组件6、前臂绑紧件7、屈伸钢丝绳传动组件8、尺桡偏套索传动组件9、协调运动机构支架11、协调运动机构组件12、人体手部固定组件13、两个前臂第一支撑架3和两个前臂第二支架10；自旋钢丝绳传动组件1安装在前臂绑紧件7上，前臂自旋环4设置在轴承套组件6内，且前臂自旋环4和轴承套组件6之间安装有薄壁轴承5，轴承套组件6的一端和前臂绑紧件7通过两个前臂第一支撑架3固定连接，伸缩十字万向联轴器传动组件2的一端与前臂自旋环4固定连接，伸缩十字万向联轴器传动组件2的另一端与自旋钢丝绳传动组件1连接，屈伸钢丝绳传动组件8和尺桡偏套索传动组件9分别安装在一个前臂第二支架10上，两个前臂第二支架10安装在前臂自旋环4上，协调运动机构支架11与两个前臂第二支架10转动连接，协调运动机构组件12安装在协调运动机构支架11上，人体手部固定组件13安装在协调运动机构组件12上，尺桡偏套索传动组件9与调运动机构支架11和协调运动机构组件12连接。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，前臂绑紧件7包括上部架体和下部弧形板，上部架体和下部弧形板通过多个螺栓螺纹连接，通过前臂绑紧件7绑紧在恢复活动的前臂上，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，自旋钢丝绳传动组件1包括自旋钢丝绳传动电机、自动钢丝绳从动轮支架、自动钢丝绳主动轮101、自动钢丝绳从动轮102、自动钢丝绳预紧轮103、自动钢丝绳预紧轮预紧螺钉104、自动钢丝绳预紧轮导向板105、自动钢丝绳预紧轮预紧轮滑台106和自动钢丝绳预紧轮钢丝绳107；自动钢丝绳主动轮101套装在自旋钢丝绳传动电机的输出转轴上，自动钢丝绳预紧轮预紧轮滑台106滑动设置在自动钢丝绳预紧轮导向板105上，自动钢丝绳预紧轮103转动连接安装在自动钢丝绳预紧轮预紧轮滑台106上，自动钢丝绳预紧轮预紧螺钉104转动连接设置在自动钢丝绳预紧轮导向板105上，且自动钢丝绳预紧轮预紧螺钉104的底端与自动钢丝绳预紧轮预紧轮滑台106螺纹连接，自动钢丝绳从动轮102转动连接设置在自动钢丝绳从动轮支架上，自动钢丝绳预紧轮导向板105和自动钢丝绳从动轮安装在前臂绑紧件7的上部架体上，自动钢丝绳预紧轮钢丝绳107依次套设在自动钢丝绳主动轮101、自动钢丝绳从动轮102和自动钢丝绳预紧轮103上，自动钢丝绳主动轮101的中心线与自动钢丝绳从动轮102的中心线和自动钢丝绳预紧轮103的中心线平行设置，其它与具体实施方式二相同。

本实施方式中通过自动钢丝绳预紧轮预紧螺钉104调节自动钢丝绳预紧轮预紧轮滑台106在自动钢丝绳预紧轮导向板105上滑动进而调节自动钢丝绳预紧轮103的张紧力，通过自旋钢丝绳传动电机和自动钢丝绳预紧轮钢丝绳107带动自动钢丝绳主动轮101、自动钢丝绳从动轮102和自动钢丝绳预紧轮103转动。

具体实施方式四：结合图1、图3、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，伸缩十字万向联轴器传动组件2包括第一微型联轴节201、第一万向联轴器连接座、第一十字轴202、正六边形联轴203、联轴套筒204、第二万向联轴器连接座、第二十字轴205和第二微型联轴节206；自动钢丝绳从动轮102上的转轴与第一微型联轴节201的一端固定连接，第一微型联轴节201的另一端通过第一十字轴202与第一万向联轴器连接座的一端连接，第一万向联轴器连接座的另一端与正六边形联轴203的一端固定连接，第二微型联轴节206的一端与前臂自旋环4的一端固定连接，第二万向联轴器连接座的一端通过第二十字轴205与第二微型联轴节206的另一端连接，联轴套筒204内加工有与正六边形联轴203对应的正六边形通孔，联轴套筒204的一端与第二万向联轴器连接座的另一端固定连接，正六边形联轴203插装在联轴套筒204的正六边形通孔内。其它与具体实施方式三相同。

本实施方式中自动钢丝绳主动轮101通过自动钢丝绳预紧轮钢丝绳107带动自动钢丝绳从动轮102转动，通过自动钢丝绳从动轮102带动第一微型联轴节201、第一十字轴202、正六边形联轴203、联轴套筒204、第二万向联轴器连接座、第二十字轴205和第二微型联轴节206转动，通过第二微型联轴节206带动前臂自旋环4转动，实现人体前臂的旋内旋外运动，第一微型联轴节201和第二微型联轴节206空间平行，故第一微型联轴节201和第二微型联轴节206的输入与输出的力矩和角度相等。同时由于正六边形联轴203最大夹角可达60度，合理选择可伸缩联轴器的伸缩长度，保证外骨骼能达到-90度到90度的运动范围。

具体实施方式五：结合图1、图4、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，屈伸钢丝绳传动组件8包括屈伸钢丝绳传动电机、屈伸钢丝绳主动轮801、屈伸钢丝绳从动轮802、屈伸钢丝绳预紧轮803、屈伸钢丝绳预紧轮滑台804、屈伸钢丝绳预紧轮钢丝绳805、屈伸钢丝绳传动电机座806和屈伸钢丝绳预紧轮预紧螺钉807；屈伸钢丝绳传动电机座806安装在一个前臂第二支架10上，屈伸钢丝绳传动电机安装在屈伸钢丝绳传动电机座806上，屈伸钢丝绳主动轮801套装在屈伸钢丝绳传动电机上，两个前臂第二支架10分别相对固定安装在前臂自旋环4上，协调运动机构支架11为倒立的“凵”字形，协调运动机构支架11的两个竖直板分别与两个前臂第二支架10通过两个转轴转动连接，屈伸钢丝绳从动轮802的转轴与协调运动机构支架11的任意一个竖直板底端固定连接，且屈伸钢丝绳从动轮802转轴的轴线与协调运动机构支架11和两个前臂第二支架10转动连接转轴的两个轴线均重合，屈伸钢丝绳预紧轮滑台804通过螺栓安装在屈伸钢丝绳传动电机座806的两个条形孔上，屈伸钢丝绳预紧轮803安装在屈伸钢丝绳预紧轮滑台804上，屈伸钢丝绳预紧轮预紧螺钉807的螺纹端与屈伸钢丝绳预紧轮滑台804螺纹连接，屈伸钢丝绳预紧轮预紧螺钉807的另一端卡在屈伸钢丝绳传动电机座806上，屈伸钢丝绳预紧轮钢丝绳805套装在屈伸钢丝绳主动轮801、屈伸钢丝绳从动轮802和屈伸钢丝绳预紧轮803上，屈伸钢丝绳主动轮801的中心轴线与屈伸钢丝绳从动轮802的中心轴线和屈伸钢丝绳预紧轮803的中心轴线平行设置，其它与具体实施方式三相同。

本实施方式工作时旋转屈伸钢丝绳预紧轮预紧螺钉807，屈伸钢丝绳预紧轮滑台804在屈伸钢丝绳预紧轮导向板上滑动，调节屈伸钢丝绳预紧轮钢丝绳805进行预紧，开启屈伸钢丝绳传动电机带动屈伸钢丝绳主动轮801转动，进而带动屈伸钢丝绳从动轮802转动，通过带动屈伸钢丝绳从动轮802的转轴带动协调运动机构支架11绕两个前臂第二支架10转动，实现腕关节屈伸。

具体实施方式六：结合图1、图5、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，尺桡偏套索传动组件9包括套索钢丝绳传动电机、套索钢丝绳主动轮901、套索钢丝绳预紧板902、套索钢丝绳传动电机座904、套索预紧螺钉905、套索钢丝绳907、两个套索导向板908、两个套索钢丝绳套管906和四个套索头管箍903；套索钢丝绳传动电机座904固定安装在另一个前臂第二支架10上，套索钢丝绳传动电机安装在套索钢丝绳传动电机座904上，套索钢丝绳传动电机转轴的输出端上套装有一个套索钢丝绳主动轮901，套索钢丝绳预紧板902安装在套索钢丝绳传动电机座904上，且套索钢丝绳预紧板902和套索钢丝绳传动电机座904上的横板之间设有两个套索头管箍903，两个套索导向板908分别安装在协调运动机构支架11的两个竖直板的顶端上，每个套索导向板908上分别加工有一个套索头管箍安装孔，且每个套索头管箍安装孔内安装有一个套索头管箍903，且每个套索头管箍安装孔内的套索头管箍903上分别与一个套索钢丝绳套管906的一端固定连接，且每个套索钢丝绳套管906的另一端分别与套索钢丝绳预紧板902和套索钢丝绳传动电机座904上的一个套索头管箍903固定连接，套索钢丝绳907的一端绕过套索钢丝绳主动轮901并依次穿过一个套索钢丝绳套管906、协调运动机构组件12另一个和套索钢丝绳套管906和套索钢丝绳907的另一端固定连接。其它与具体实施方式五相同。

本实施方式中通过套索钢丝绳传动电机带动套索钢丝绳主动轮901转动。

具体实施方式七：结合图1、图6-图9说明本实施方式，本实施方式所述一种穿戴式腕部康复训练柔性传动外骨骼，协调运动机构组件12包括第一杆件1201、第二杆件1202、第三杆件1203、第四杆件1204、第五杆件1205、第六杆件1206、导轮杆1207、第一协调运动机构钢丝绳轮1208、第二协调运动机构钢丝绳轮1209、第三协调运动机构钢丝绳轮1210和导轮1211；第一杆件1201的一端和第二杆件1202的一端分别通过销轴转动连接安装在协调运动机构支架11顶端的横板上，且第一杆件1201和第二杆件1202之间设有第一协调运动机构钢丝绳轮1208的转轴，第一协调运动机构钢丝绳轮1208转轴的底端固定安装在协调运动机构支架11的横板上，第一协调运动机构钢丝绳轮1208转动连接套装在第一协调运动机构钢丝绳轮1208的转轴上，第一杆件1201的另一端和第二杆件1202的另一端均通过销轴与第三杆件1203转动连接，且第三杆件1203上设有第二协调运动机构钢丝绳轮1209的转轴，第二协调运动机构钢丝绳轮1209转轴的底端固定安装在第三杆件1203上，第二协调运动机构钢丝绳轮1209转动连接套装在第二协调运动机构钢丝绳轮1209的转轴上，第一杆件1201和第二杆件1202之间设有导轮杆1207，导轮杆1207的两端分别通过两个销轴与第一杆件1201的中部和第二杆件1202的中部转动连接，导轮1211的转轴设置在导轮杆1207上，且导轮1211转轴的底端与导轮杆1207固定连接，导轮杆1207转动连接套装在导轮杆1207的转轴上，第四杆件1204的一端和第五杆件1205的一端通过销轴转动连接设置在第三杆件1203上，第四杆件1204的另一端和第五杆件1205的另一端通过销轴转动连接设置在第六杆件1206上，第三协调运动机构钢丝绳轮1210的转轴设置在第六杆件1206上，第三协调运动机构钢丝绳轮1210转轴的底端固定安装在第六杆件1206上，第三协调运动机构钢丝绳轮1210转动连接套装在第三协调运动机构钢丝绳轮1210的转轴上，第一协调运动机构钢丝绳轮1208的中心线、第二协调运动机构钢丝绳轮1209的中心线和第三协调运动机构钢丝绳轮1210的中心线平行设置，第六杆件1206与第四杆件1204和第五杆件1205转动连接，人体手部固定组件13与第六杆件1206转动连接，套索钢丝绳907依次套设在第一协调运动机构钢丝绳轮1208、第二协调运动机构钢丝绳轮1209、第三协调运动机构钢丝绳轮1210上，且套索钢丝绳907绕过导轮1211设置，协调运动机构支架11上横板沿长度方向的中心线与第三杆件1203沿长度方向的中心线、第六杆件1206沿长度方向的中心线和导轮杆1207沿长度方向的中心线平行设置，第一杆件1201与第二杆件1202转动的轴心距相等，协调运动机构支架11、第三杆件1203、第六杆件1206和导轮杆1207转动的轴心距均相等，其它与具体实施方式六相同。

本实施方式套索钢丝绳主动轮901通过套索钢丝绳907带动第一协调运动机构钢丝绳轮1208、第二协调运动机构钢丝绳轮1209和第三协调运动机构钢丝绳轮1210转动，进而带动带动人体手部固定组件13，实现人的腕关节尺偏、桡偏动作。

前臂自旋机构工作原理：

如图10-12所示：电机驱动钢丝绳传动组件，输出力矩通过将可伸缩联轴器传递到联轴器另一端转动，进而使得前臂套环转动，最后实现人体前臂的旋内旋外运动，总结力矩传递路线为轴z——轴z-b——轴z1。可伸缩联轴器组件两端联轴结转动轴线z-a与前臂自旋轴线z-b空间平行，故第一微型联轴节(201)和第二微型联轴节(206)的输入与输出的力矩和角度相等。同时由于第一微型联轴节(201)和第二微型联轴节(206)与正六边形联轴(203)最大夹角可达30度，合理选择可伸缩联轴器的伸缩长度，保证外骨骼前臂套环转动角度能达到-90度到90度的运动范围，同时保证更高地传动刚度。故该机构自由度为：

屈伸钢丝绳传动电机带动屈伸钢丝绳主动轮(801)和屈伸钢丝绳从动轮(802)转动，进而带动协调运动机构支架(11)绕两个前臂第二支架(10)转动，从而实现腕关节屈伸，双轴承作用下协调运动机构支架(11)绕两个前臂第二支架(10)转动使传动刚度更高。

套索钢丝绳传动电机带动套索钢丝绳主动轮(901)，通过套索钢丝绳(907)传动至双平行四边形结构协调运动组件中的杆件，带动第一协调运动机构钢丝绳轮(1208)、第二协调运动机构钢丝绳轮(1209)和第三协调运动机构钢丝绳轮(1210)转动，进而带动人体手部固定组件(13)，实现尺偏、桡偏动作。

双平行四边形协调运动机构的数学原理如图所示：该将手的运动分解为转动和平面的移动，l9h杆件表示与手耦合在一起。该双平行四边形机构实现平动确定l9h杆的位置，直接驱动l9杆，确定l9h的转角。假设连杆的绕进连杆的绳长为xl，则其表达式为：

其中δl表示剩余绳长，在机构运动过程中为恒定值。

又由连杆的几何约束可得

其中为尺偏/桡偏角度，如果令各轮半径r1＝r2＝r3＝r，导轮o4半径r0则有

有该算式中可知xl与成线性函数关系，与各平行四边形的内角无关。故当补偿关节错位时，各平行四边形内角变化，与人手耦合的杆件l9h的位置发生变化，直到手与杆件的相互作用力为零，但是却始终保持不变。