一种基于轮椅的上肢外骨骼机器人的制作方法

本发明涉及康复器械领域，尤其涉及一种基于轮椅的上肢外骨骼机器人。

背景技术：

外骨骼式机器人是一种能够穿戴于人体，辅助或扩展人体运动能力的机电装置。外骨骼式机器人的应用范围是非常广泛的，包括远程操控、人体机能增强，人体技能补偿以及肢体康复训练。

目前国内外已经有多款上肢康复训练的外骨骼机器人，功能较为完善的智能上肢外骨骼机器人一般是移动底座、升降支柱及悬臂梁的结构，或者底座上方带有座椅，具有比较完善的训练模式和功能，不可避免的造成机械结构复杂，体积过于庞大、操作比较复杂等，并且一般需要在专业治疗师的配合下进行，只适合在康复医院等专业康复机构使用，不能广泛地进入家庭。另一类结构比较简单的上肢外骨骼机器人，一般没有安装电机等驱动结构，以带传动、连杆等作为连接方式，体积较小且轻便，往往只有简单助力作用。这类康复机器人的操作简单，便于携带，但是功能简单，一般适用于轻度偏瘫患者的使用，不适合上肢重度功能障碍患者进行康复。

现有的外骨骼式上肢康复机器人在设计上都没有完全实现轻量化、便携化和功能完善化的结合，给康复患者的使用带来了很大的困扰。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种基于轮椅的上肢外骨骼机器人，结构简单，功能全面，占用体积小，便于搬运安装。

为了实现上述目的，本发明提出一种基于轮椅的上肢外骨骼机器人，包括背部固定机构、垂直升降机构、水平连接机构和外骨骼机械臂，其中：

所述背部固定机构包括机架、固定件、绑带和背部箱壳，所述固定件和绑带均对称的设于所述机架的两侧，所述背部箱壳设于所述机架上；

所述垂直升降机构包括齿条、传动机构和手摇柄，所述传动机构设于所述背部箱壳内，所述手摇柄驱动所述传动机构控制所述齿条上下移动，所述齿条的顶端垂直贯穿所述背部箱壳的顶侧；

所述水平连接机构一端与所述外骨骼机械臂活动连接，另一端与所述齿条活动连接。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述传动机构为利用涡轮和蜗杆运作的二级传动机构，所述传动机构外包裹设有升降控制箱，所述升降控制箱通过底侧连接的齿条支架管安装在所述背部箱壳内，所述传动机构在所述手摇柄的驱动下控制所述齿条在所述齿条支架管内上下移动，且所述齿条的端部设有与所述宽度调节臂连接的齿条连接头。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述手摇柄置于所述背部箱壳外部，所述背部箱壳上设有开槽，所述手摇柄贯穿所述开槽与所述升降控制箱内的所述传动机构驱动连接。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述水平连接机构包括调节长度的宽度调节臂和前后调节臂，所述宽度调节臂通过中心转动关节与所述齿条活动相接，所述宽度调节臂和所述前后调节臂通过外侧转动关节活动相接，所述前后调节臂通过肩部竖直转动关节与所述外骨骼机械臂活动连接。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述宽度调节臂包括第一旋转支架、第一套管和第一调节杆，所述第一旋转支架的端部设有套环，所述第一旋转支架通过套环与所述中心转动关节旋转连接；所述第一套管一端通过卡簧限位卡嵌在所述第一旋转支架内，另一端设有第一套管接头，所述第一套管接头上设有第一拧紧螺母；所述第一调节杆上设有第一滑槽，所述第一调节杆一端贯穿所述第一套管接头后插入所述第一套管内，另一端与所述外侧转动关节相接，所述第一套管接头控制所述第一套管沿所述第一滑槽方向移动，且所述第一拧紧螺母抵卡在所述第一滑槽上进行紧固限位。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述第一套管于设有所述卡簧的一端处设有传感器和旋转元件，所述传感器通过传感器固定套设于所述第一套管的端部，所述旋转元件置于所述传感器固定套与所述卡簧之间。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述前后调节臂包括第二旋转支架、第二套管、第二调节杆、调节块和支撑杆，所述第二旋转支架的端部设有套环，所述第二旋转支架通过套环与所述外侧转动关节旋转连接；所述调节块通过所述支撑杆与所述肩部竖直转动关节固连，所述调节块上设有第二拧紧螺母；所述第二套管上设有第二滑槽，所述调节块套卡在所述第二套管上，所述调节块沿所述第二滑槽方向在所述第二套管上移动，且所述第二拧紧螺母抵卡在所述第二滑槽上进行紧固限位；所述第二套管一端通过卡簧限位卡嵌在所述第二旋转支架内，另一端设有第二套管接头，所述第二调节杆一端贯穿所述第二套管接头后插入所述第二套管内，另一端与所述肩部竖直转动关节相接。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述第二套管于设有所述卡簧的一端处设有传感器和旋转元件，所述传感器通过传感器固定套设于所述第二套管的端部，所述旋转元件置于所述传感器固定套与所述卡簧之间。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述旋转元件包括旋转限位套、滚珠轴承和轴承定位套筒。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述外骨骼机械臂包括依次连接的前臂单元、后臂单元和腕关节活动机构，所述前臂单元和后臂单元均由一对连接的肩肘转动关节和前后臂调节机构组成，所述前后臂调节机构上设有臂托，所述前臂单元的臂托与所述腕关节活动机构铰接。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述肩肘转动关节包括驱动电机组件、电机连接座和电机连接件，所述驱动电机组件的输出轴贯穿所述电机连接座后与所述电机连接件连接，所述前后臂调节机构通过所述电机连接件在所述驱动电机组件的驱动下绕所述电机连接座的轴线旋转。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述前后臂调节机构包括第三调节杆、套杆和套杆连接头，所述第三调节杆一端与所述电机连接件相接，另一端插设在所述套杆内，所述套杆与所述第三调节杆相接的端部设有所述套杆连接头，所述套杆通过所述套杆连接头卡固在所述第三调节杆上，所述臂托固定在所述套杆上。

进一步地，在所述的基于轮椅的上肢外骨骼机器人中，所述腕关节活动机构包括腕关节旋转手柄、传感器固定件和角度传感器，所述腕关节旋转手柄的两端分别与所述臂托的两侧铰接，所述角度传感器通过所述传感器固定件固定在所述腕关节旋转手柄的铰接部位。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：创新性的将上肢康复机器人的机械臂安装在轮椅上，既可以借助于轮椅移动，又可以在轮椅上完成上肢的康复训练。精简了上肢康复机器人的体积，摆脱了传统大型康复机器人体积过大、过于沉重以及患者必须要到指定场所接受康复训练的约束。利用水平连接机构和外骨骼机械臂上的通过驱动电机控制运作是驱动关节，可辅助患者完成上肢的主被动康复训练，实现了轻量化和功能多样化的统一。同时，外骨骼机械臂结构轻便灵活，可实现肩关节收展、屈伸，内外旋，肘关节屈伸，腕关节屈伸共5个自由度的运动，四个长度的调节臂可以匹配不同体型患者，也可通过简单的操作实适用于更多患者，功能非常全面。

附图说明

图1为本发明中基于轮椅的上肢外骨骼机器人的结构示意图；

图2为图1后视方向的结构示意图；

图3为图1中背部固定机构的结构示意图；

图4为图1中水平连接机构的爆炸分解图；

图5为图1中外骨骼机械臂的前臂单元的结构示意图；

图6为图1中外骨骼机械臂的后臂单元的结构示意图。

其中：机架11、固定件12、绑带13、背部箱壳141、开槽142、齿条211、齿条连接头212、齿条支架管213、升降控制箱22、手摇柄23、中心转动关节31、外侧转动关节32、肩部竖直转动关节33、l形连接件34、宽度调节臂4、第一旋转支架41、第一套管42、第一滑槽421、第一套管接头422、第一拧紧螺母423、第一调节杆43、套环44、前后调节臂5、第二旋转支架51、第二套管52、第二滑槽521、第二套管接头522、第二调节杆53、调节块541、第二拧紧螺母542、支撑杆543、传感器61、传感器固定套62、旋转限位套63、滚珠轴承64、轴承定位套筒65、卡簧66、肩肘转动关节7、驱动电机组件71、电机连接座72、电机连接件73、关节保护上盖74、关节保护底壳75、前后臂调节机构8、第三调节杆81、套杆82、套杆连接头831、弹簧销832、臂托841、第三拧紧螺母842、前后臂保护壳85、腕关节旋转手柄91、传感器固定件92。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的基于轮椅的上肢外骨骼机器人进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1至图2所示，本发明提出一种基于轮椅的上肢外骨骼机器人，包括背部固定机构、垂直升降机构、水平连接机构和外骨骼机械臂，具体如下：

如图1至图3所示，背部固定机构包括机架11、固定件12、绑带13和背部箱壳141，固定件12和绑带13均对称的设于机架11的两侧，背部箱壳141设于机架11上，机架11通过固定件12和绑带13安装固定在智能轮椅的座椅背后，背部箱壳141在座椅背后支撑起垂直升降机构。

如图1至图3所示，垂直升降机构包括齿条211、齿条支架管213、传动机构和手摇柄23，传动机构为利用涡轮和蜗杆运作的二级传动机构，传动机构包裹设于升降控制箱22内，升降控制箱22通过底侧连接的齿条支架管213支撑固定在背部箱壳141内。手摇柄23置于背部箱壳141外部，背部箱壳141上设有开槽142，手摇柄23贯穿开槽142与升降控制箱22内的传动机构驱动连接，传动机构在手摇柄23的驱动下控制齿条211在齿条支架管213内上下移动，齿条211的顶端垂直贯穿背部箱壳141的顶侧，且端部设有与宽度调节臂4连接的齿条连接头212。

如图1至图2所示，水平连接机构一端与外骨骼机械臂活动连接，另一端与齿条211活动连接。水平连接机构包括调节长度的宽度调节臂4和前后调节臂5，宽度调节臂4通过中心转动关节31与齿条211活动相接，宽度调节臂4和前后调节臂5通过外侧转动关节32活动相接，前后调节臂5通过肩部竖直转动关节33与外骨骼机械臂活动连接。

如图4所示，宽度调节臂4包括第一旋转支架41、第一套管42和第一调节杆43，第一旋转支架41的端部设有套环44，第一旋转支架41通过套环44与中心转动关节31旋转连接；第一套管42一端通过卡簧66限位卡嵌在第一旋转支架41内，另一端设有第一套管接头422，第一套管接头422上设有第一拧紧螺母423；第一调节杆43上设有第一滑槽421，第一调节杆43一端贯穿第一套管接头422后插入第一套管42内，另一端与外侧转动关节32相接，第一套管接头422控制第一套管42沿第一滑槽421方向移动，以调节宽度调节臂4的长度，并通过第一拧紧螺母423抵卡在第一滑槽421上进行紧固限位。

如图4所示，前后调节臂5包括第二旋转支架51、第二套管52、第二调节杆53、调节块541和支撑杆543，第二旋转支架51的端部设有套环44，第二旋转支架51通过套环44与外侧转动关节32旋转连接；调节块541通过支撑杆543与肩部竖直转动关节33固连，调节块541上设有第二拧紧螺母542；第二套管52上设有第二滑槽521，调节块541套卡在第二套管52上，调节块541沿第二滑槽521方向在第二套管52上移动，且第二拧紧螺母542抵卡在第二滑槽521上进行紧固限位；第二套管52一端通过卡簧66限位卡嵌在第二旋转支架51内，另一端设有第二套管接头522，第二调节杆53一端贯穿第二套管接头522后插入第二套管52内，另一端与肩部竖直转动关节33相接。调节块541带动通过肩部竖直转动关节33连接的外骨骼机械臂沿第二套管52方向移动，以调节前后调节臂5的长度。

进一步地，第一套管42和第二套管52均于设有卡簧66的一端处设有传感器61和旋转元件，传感器61通过传感器固定套62分别设于第一套管42和第二套管52的端部，旋转元件置于传感器固定套62与卡簧66之间。且旋转元件包括旋转限位套63、滚珠轴承64和轴承定位套筒65。

同时，如图1至图2所示，外骨骼机械臂包括依次连接的前臂单元、后臂单元和腕关节活动机构，前臂单元和后臂单元均由一对连接的肩肘转动关节7和前后臂调节机构8组成，前后臂调节机构8上设有臂托841，前臂单元的臂托841与腕关节活动机构铰接。后臂单元的肩肘转动关节7通过l形连接件34与肩部竖直转动关节33活动相接。

如图5至图6所示，肩肘转动关节7包括驱动电机组件71、电机连接座72、电机连接件73、关节保护上盖74、关节保护底壳75和限位开关组件，驱动电机组件71的输出轴贯穿电机连接座72后与电机连接件73连接，前后臂调节机构8通过电机连接件73在驱动电机组件71的驱动下绕电机连接座72的轴线旋转。关节保护上盖74套设在驱动电机组件71外侧，关节保护底壳75盖置在电机连接座72设有电机连接件73的一侧，关节保护底壳75将电机连接件73遮挡在电机连接座72外侧。

如图5至图6所示，前后臂调节机构8包括第三调节杆81、套杆82和套杆连接头831，第三调节杆81一端与电机连接件73相接，另一端插设在套杆82内，套杆82与第三调节杆81相接的端部设有套杆连接头831，套杆82通过套杆连接头831卡固在第三调节杆81上，套杆连接头831上设有用于与第三调节杆81卡固的弹簧销832。套杆82的一侧设有臂托841，另一侧设有前后臂保护壳85，臂托841与套杆82紧固处设有第三拧紧螺母842，前后臂保护壳85将第三拧紧螺母842遮挡在内。

如图6所示，腕关节活动机构包括腕关节旋转手柄91、传感器固定件92和角度传感器，腕关节旋转手柄91的两端分别与臂托841的两侧铰接，角度传感器61通过传感器固定件92固定在腕关节旋转手柄91的铰接部位，铰接部位处的角度传感器61能测量腕关节的屈伸角度。

此外，驱动电机组件71包括盘式电机和谐波减速器，盘式电机的输出轴与谐波减速器相接，谐波减速器的输出轴贯穿电机连接座72后与电机连接件73相接，谐波减速器将盘式电机的大功率转速转换成缓慢转速，便于受到驱动的电机连接件73带动第三调节杆81缓慢进行限定角度旋转。限位开关组件包括限位开关固定槽和限位开关定位片，限位开关定位片固定在电机连接件73上，限位开关固定槽连接在电机连接座72上。限位开关组件能有效限定旋转的角度，使旋转至限定角度后的电机连接件73能及时停止转动，避免旋转角度超出需求。优选地，限位开关定位片和限位开关固定槽均为两端对称设置，方便电机连接件73旋转180°时进行限定。

综上，在本实施例中，提出的基于轮椅的上肢外骨骼机器人，创新性的将上肢康复机器人的机械臂安装在轮椅上，既可以借助于轮椅移动，又可以在轮椅上完成上肢的康复训练。精简了上肢康复机器人的体积，摆脱了传统大型康复机器人体积过大、过于沉重以及患者必须要到指定场所接受康复训练的约束。利用水平连接机构和外骨骼机械臂上的通过驱动电机控制运作是驱动关节，可辅助患者完成上肢的主被动康复训练，实现了轻量化和功能多样化的统一。同时，外骨骼机械臂结构轻便灵活，可实现肩关节收展、屈伸，内外旋，肘关节屈伸，腕关节屈伸共5个自由度的运动，四个长度的调节臂可以匹配不同体型患者，也可通过简单的操作实适用于更多患者，功能非常全面。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。