一种外骨骼式上肢康复训练机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种外骨骼式上肢康复训练机器人，包括基座、机械肩胛带组件、机械肩关节组件、机械肘关节组件、机械前臂组件、机械腕关节组件、机械手部组件及电机驱动组件；基座支撑整个外骨骼式上肢康复训练机器人，机械肩胛带组件与基座连接，机械肩关节组件与机械肩胛带组件连接，机械肘关节组件与机械肩关节组件连接，机械前臂组件与机械肘关节组件连接，机械腕关节组件与机械前臂组件连接，机械手部组件与机械腕关节组件连接，电机驱动组件作为整个外骨骼式上肢康复训练机器人的动力源。本实用新型可用于辅助人体上肢在三维空间内运动，进行康复训练。
【专利说明】
一种外骨骼式上肢康复训练机器人
技术领域
[0001]本实用新型涉及机器人技术、人体生物力学、康复医学及康复工程领域，尤其涉及一种外骨骼式上肢康复训练机器人。
【背景技术】
[0002]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、人体机能补偿以及肢体康复训练。目前在全球范围内，已经研制出了数款用于脑卒中患者肢体康复训练的机器人。使用机器人进行脑卒中的肢体康复训练，有望缩短患者恢复的时间、提升恢复的效果并降低总的治疗花费。
[0003]在外骨骼式机康复训练器人的设计中，机械关节运动轴与人体关节运动轴的匹配性是非常重要的。失配时，外骨骼式康复训练机器人就会在患者关节连接处产生非预期的作用力。这不仅会造成关节疼痛，对患者造成损伤，也会限制患者肢体的运动空间，降低康复训练的效果。所以为了避免上述不利结果，外骨骼康复训练机器人的设计必须使得机械关节运动轴与人体关节运动轴尽可能的相匹配。然而，目前的外骨骼式上肢康复机器人在这方面仍有较大缺陷。
[0004]以肩部的运动为例，早期的外骨骼式康复训练机器人使用球窝关节来提供肩部的三个自由度运动，但这是因为当时人们仅仅认为肩部仅由盂肱关节组成。然而，肩部是由肩关节(盂肱关节)以及肩胛带组成的复合体。肩胛带包含胸锁关节、肩锁关节以及肩胛胸壁关节(非通常关节)。盂肱关节的旋转中心会随着肩胛带的运动沿着肱骨的方向有滑移，所以外骨骼式康复训练机器人的运动学结构必须考虑肩胛带的运动。这三个关节的运动正是造成盂肱关节中心(CGH)滑移的原因。这三个关节共同组成了运动链，所以任意单个关节都无法独立运动。在肩关节复合体的运动中，盂肱关节是一个具有三自由度的球窝关节，肩胛带则提供了两个自由度的运动，但主要是在冠状面的上提/下降，在水平面的前伸/后缩两个运动。
[0005]脑卒中患者由于神经损伤，无法自主产生肩胛带的运动。所以机器人辅助患者实现肩胛带的运动是十分关键的。在康复训练过程中，患者由于肩胛带运动十分困难，所以会移动躯干来进行补偿，这将降低康复训练的效果。所以在临床中，常常需要限制患者用躯干来补偿肩胛带的运动，并诱导患者提高肩胛带运动的频率，这对肩部运动功能的康复是十分关键的。
[0006]然而现有的外骨骼式上肢康复训练机器人在肩关节的运动实现上并没有考虑肩胛带的运动，这使得人机关节轴失配，此时若将躯干固定后再进行训练，易对用户造成损伤。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的:提供一种外骨骼式上肢康复训练机器人，可用于辅助人体上肢在三维空间内运动，进行康复训练。
[0008]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是:
[0009]—种外骨骼式上肢康复训练机器人，包括基座、机械肩胛带组件、机械肩关节组件、机械肘关节组件、机械前臂组件、机械腕关节组件、机械手部组件及电机驱动组件;所述的基座支撑整个外骨骼式上肢康复训练机器人，所述的机械肩胛带组件与所述的基座连接，所述的机械肩关节组件与所述的机械肩胛带组件连接，所述的机械肘关节组件与所述的机械肩关节组件连接，所述的机械前臂组件与所述的机械肘关节组件连接，所述的机械腕关节组件与所述的机械前臂组件连接，所述的机械手部组件与所述的机械腕关节组件连接，所述的电机驱动组件作为整个外骨骼式上肢康复训练机器人的动力源。
[0010]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的基座包括移动组件、升降组件及支架，所述的移动组件通过脚轮整体移动所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，并在移动后进行锁定，使所述的外骨骼式上肢康复训练机器人保持固定;所述的升降组件通过电动升降台调节所述的外骨骼式上肢康复训练机器人的高度。
[0011]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的机械肩胛带组件包括有第一关节组件及第二关节组件，并通过所述的第一关节组件与所述的基座连接;所述的第一关节组件通过所述的第一关节移动轴在竖直平面内升降，所述的第二关节组件与所述的第一关节组件连接，所述的第二关节组件通过第二关节旋转轴在水平面内伸缩;所述的第一关节组件包括肩宽调节杆、第一关节导轨及第一关节滑块，所述的肩宽调节杆与所述的支架连接组成肩宽调节移动副，并可在所述的支架内的滑槽中移动，所述的第一关节导轨固定于所述的肩宽调节杆上，并与所述的第一关节滑块组成第一关节移动副，所述的第一关节移动副上设有第一关节移动轴，且所述的肩宽调节移动副的轴线与第一关节移动副的轴线之间的夹角为80°-90°;所述的第二关节组件包括固定端连杆、前摆动杆、运动端连杆及后摆动杆，形成了一组平行四边形机构，所述的固定端连杆固定于所述的第一关节滑块上。
[0012]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的机械肩关节组件包括第三关节组件、第四关节组件及第五关节组件，并通过所述的第三关节组件与所述的第二关节组件连接，所述的第三关节组件上设有第三关节旋转轴;所述的第三关节旋转轴的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并与所述的第二关节旋转轴的轴线互相平行;所述的第四关节组件与所述的第三关节组件连接，所述的第四关节组件上设有第四关节旋转轴，所述的第四关节旋转轴的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并与所述的第三关节旋转轴的轴线成90°的夹角;所述的第五关节组件与所述的第四关节组件连接，所述的第五关节组件通过旋转运动偏移机构旋转，所述的第五关节组件上设有第五关节旋转轴，所述的第五关节旋转轴的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并在活动范围内保持与人体肩关节内旋/外旋的轴线重合。
[0013]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的旋转运动偏移机构包括第一旋转臂、第二旋转臂、第一 Y型连杆、第二 Y型连杆、固定臂、旋转臂、固定套位置调节件及肢体固定套，所述的固定臂的一端与所述的第四关节组件连接，所述的固定臂分别与所述的第一旋转臂连接形成第一旋转轴，并与所述的第二旋转臂连接形成第二旋转轴;所述的第一旋转臂分别与所述的第一 Y型连杆连接形成第三旋转轴，并与所述的第二 Y型连杆连接形成第四旋转轴;所述的第二旋转臂分别与所述的第一 Y型连杆连接形成第五旋转轴，并与所述的第二 Y型连杆连接形成第六旋转轴;所述的旋转臂分别与所述的第一 Y型连杆连接形成第七旋转轴，并与所述的第二 Y型连杆连接形成第八旋转轴;所述的第一旋转轴、第二旋转轴、第四旋转轴及第六旋转轴共同组成了第一平行四边形的四条转轴，所述的第一平行四边形的四条转轴与所述的第一旋转臂及第二旋转臂所在的平面相交;所述的第三旋转轴、第四旋转轴、第七旋转轴及第八旋转轴共同组成了第二平行四边形的四条转轴，所述的第二平行四边形的四条转轴与所述的第一旋转臂及第二旋转臂所在的平面相交;所述的固定套位置调节件调节所述的肢体固定套距离所述的第五关节旋转轴的间距，并保持所述的第五关节旋转轴与人体上臂内外/旋轴线重合。
[0014]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的机械肘关节组件与所述的第五关节组件连接，所述的机械肘关节组件上设有第六关节旋转轴，所述的第六关节旋转轴的轴线垂直于所述的第五关节旋转轴的轴线，并通过人体肘关节的旋转中心;所述的机械肘关节组件通过所述的电机驱动组件作为执行器输出动力，并控制所述的机械肘关节组件绕所述的第六关节旋转轴旋转。
[0015]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的机械前臂组件上设有第七关节旋转轴，所述的第七关节旋转轴的轴线与人体前臂旋前/旋后的轴线在活动范围内重合。
[0016]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的机械腕关节组件上设有第八关节旋转轴，所述的第八关节旋转轴的轴线在运动范围内与人体腕关节屈/伸运动的轴线重合，通过旋转电机连接减速机构驱动所述的机械腕关节组件绕所述的第八关节旋转轴旋转。
[0017]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的机械手部组件包括机械手部连接组件及机械手部，所述的机械手部连接组件将所述的机械手部连接并固定于所述的机械腕关节组件上。
[0018]上述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其中，所述的第三关节组件、第四关节组件及机械肘关节组件都使用所述的电机驱动组件作为驱动关节运动动力源;所述的电机驱动组件包括安装在机架上的驱动电机、减速组件、扭矩传感器组件及传动组件;所述的减速组件通过标准接口与驱动电机对接，所述的减速组件由齿轮减速器及绞盘减速组件组成，所述的绞盘减速组件包括输入连接件、输入轴、多根绳索、绞盘输出轴、输出绞盘及绳索收紧件，所述的输入轴一端通过所述的输入连接件与所述的齿轮减速器的标准输出接口连接，使所述的输入轴与所述的齿轮减速器的输出轴/孔同步转动，所述的输出绞盘固定在所述的绞盘输出轴上且同步转动;所述的输入轴上设有螺旋凹槽，所述的输出绞盘上设有圆弧面;所述的输入轴与所述的输出绞盘通过所述的多根绳索传输动力，所述的多根绳索的中间部分绕在所述的输入轴的螺旋凹槽中，所述的多根绳索的一端绕所述的输出绞盘的一段圆弧面后固定在所述的输出绞盘上，所述的多根绳索的另一端绕所述的输出绞盘的一段弧面后，通过所述的绳索收紧件固定在所述的输出绞盘上;所述的扭矩传感组件包括传感器外圈、弹簧限位块、弹簧端子、第一弹簧组、第二弹簧组及传感器转子，所述的传感器外圈与所述的输出绞盘轴固定连接，所述的扭矩传感组件中包含三个均布在所述的传感器外圈内部的弹簧限位块，并与所述的传感器外圈固定连接，所述的传感器转子在输出绞盘轴上转动;所述的第一弹簧组及第二弹簧组中的弹簧参数相同且均布在所述的传感器转子与三个弹簧限位块之间的间隔中，每个弹簧通过两个所述的弹簧端子固定在所述的弹簧限位块与所述的传感器转子之间；所述的传动组件包括输入转盘、收紧调节组件、第一鲍登线、第二鲍登线、第一导向轮组件、第二导向轮组件、输出转盘、第一鲍登线管固定件及第二鲍登线管定件，所述的输入转盘与所述的传感器转子固定连接，所述的输出转盘连接于对应被驱动关节组件，所述的输入转盘的圆周面上设有两条平行的圆弧形凹槽，所述的输出转盘的圆周面上设有两条平行的圆弧形凹槽;所述的收紧调节组件包括第一收紧调节柱、第一前锁紧螺母、第一后锁紧螺母、第二收紧调节柱、第二前锁紧螺母、第二后锁紧螺母、同步收紧调节柱、同步收紧调节板及两根导向杆，所述的第一收紧调节柱螺纹连接在所述的同步收紧调节板上，所述的第一前锁紧螺母与所述的第一后锁紧螺母螺纹连接在所述的第一收紧调节柱上，并分别在两端顶住所述的同步收紧调节板;所述的第二收紧调节柱螺纹连接在所述的同步收紧调节板上，所述的第二前锁紧螺母与所述的第二后锁紧螺母螺纹连接在所述的第二收紧调节柱上，并分别在两端顶住所述的同步收紧调节板;所述的两根导向杆固定在所述的机架上，所述的同步收紧调节板在所述的两根导向杆上滑动，所述的同步收紧调节柱螺纹连接在所述的同步收紧调节板上且一端顶在所述的机架上;所述的第一鲍登线由钢丝绳及鲍登线管组成，所述的第一收紧调节柱及第一鲍登线管固定件中均设有阶梯孔，所述的鲍登线管的一端插入所述的第一收紧调节柱上的阶梯孔，所述的鲍登线管的另一端插入所述的第一鲍登线管固定件上的阶梯孔;所述的钢丝绳一端连接在所述的钢丝绳固定件上，并通过圆弧形凹槽绕在所述的输入转盘上，经由固定在所述的机架上的第一导向轮组件导向，进入所述的鲍登线管，然后通过所述的输出转盘上的圆弧形凹槽绕在所述的输出转盘上，并连接至所述的输出转盘的钢丝绳固定件上;所述的第二鲍登线由钢丝绳及鲍登线管组成，所述的第二收紧调节柱与所述的第二鲍登线管固定件中设有阶梯孔，所述的鲍登线管的一端插入所述的第二收紧调节柱上的阶梯孔，所述的鲍登线管的另一端插入所述的第二鲍登线管固定件上的阶梯孔;所述的钢丝绳一端连接在所述的钢丝绳固定件上，并通过圆弧形凹槽绕在所述的输入转盘上，经由固定在所述的机架上的第二导向轮组件导向，进入所述的鲍登线管，然后通过所述的输出转盘上的圆弧形凹槽绕在所述的输出转盘上，并连接至所述的输出转盘的钢丝绳固定件上。
[0019]本实用新型通过增加康复训练机器人在肩胛带上提/下降，前伸/后缩的自由度，可以有效的解决人机关节轴失配的问题，从而允许在进行上肢康复训练过程中固定使用者的躯干，限制其躯干的代偿运动，提高康复训练的效果，同时不会对使用者的上肢关节造成损伤;提供了肩关节三个自由度的设计，并保持肩关节组件的运动中心与人体盂肱关节的运动中心重合，进一步降低了人机关节轴失配的程度，同时，旋转运动偏移机构实现了肩关节的内/外旋，减小了传统的以圆弧形导轨实现方式带来的体积大、模块化程度低的问题；根据不同的使用者手部情况，通过更换不同的机械手部，用于实现不同的训练项目；利用绳索和绞盘完成动力传输，可以避免传统齿轮减速机背隙较大、齿轮易磨损的问题，同时降低了制造的难度和成本;使用多根绳索连接绞盘减速组件的输入轴与输出绞盘，将负载分摊至各绳索上，有效增强绞盘减速组件的性能，延长其使用寿命，同时设计了收紧组件可以使绳索保持张紧，从而进一步减小绞盘减速组件的背隙。利用鲍登线完成了电机动力的远程传输，使得重量较大的电机驱动组件可以不安装在关节处，降低了康复机器人机械臂的惯量，有系利于统控制的优化及系统功率的优化;利用输入转盘及输出转盘上的圆弧形凹槽将两个方向转动的钢丝绳错开，并进一步通过导向轮组件将钢丝绳更充分地绕在转盘上，有效增大了将用于机器人关节传动时的运动范围；设计有鲍登线的收紧调节装置，可以单独或同步的调节两根鲍登线张紧程度，从而调节输出转动盘与输入转盘同步转动的性能。
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的结构示意图。
[0021]图2是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的基座的结构示意图。
[0022]图3是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的机械肩胛带组件的结构示意图。
[0023]图4是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的机械肩关节组件的结构示意图。
[0024]图5是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的机械肩关节组件的旋转结构示意图。
[0025]图6是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的机械肩关节组件旋转后的状态图。
[0026]图7是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的机械肘关节组件、机械前臂组件、机械腕关节组件及机械手部组件的连接示意图。
[0027]图8是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的电机驱动组件的结构示意图。
[0028]图9是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的减速组件的结构示意图。
[0029]图10是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的扭矩传感器组件的结构示意图。
[0030]图11是本实用新型一种外骨骼式上肢康复训练机器人的传动组件的安装图。
【具体实施方式】
[0031]以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。
[0032]请参见附图1所示，一种外骨骼式上肢康复训练机器人，包括基座1000、机械肩胛带组件2000、机械肩关节组件3000、机械肘关节组件4000、机械前臂组件5000、机械腕关节组件6000、机械手部组件7000及电机驱动组件8000;所述的基座1000支撑整个外骨骼式上肢康复训练机器人，所述的机械肩胛带组件2000与所述的基座1000连接，用于实现肩胛带的上提/下降、前伸/后缩运动功能;所述的机械肩关节组件3000与所述的机械肩胛带组件2000连接，用于实现肩关节的内收/外展、屈/伸、内旋/外旋运动功能;所述的机械肘关节组件4000与所述的机械肩关节组件3000连接，用于实现肘关节的屈/伸运动功能;所述的机械前臂组件5000与所述的机械肘关节组件4000连接，用于实现前臂的旋前/旋后运动功能;所述的机械腕关节组件6000与所述的机械前臂组件5000连接，用于实现腕关节屈/伸运动功能;所述的机械手部组件7000与所述的机械腕关节组件6000连接，用于实现用户手部的康复训练功能;所述的电机驱动组件8000作为整个外骨骼式上肢康复训练机器人的动力源。
[0033]请参见附图2所示，所述的基座1000包括移动组件1100、升降组件1200及支架1300，所述的移动组件1100通过脚轮1101整体移动所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，并在移动后进行锁定，使所述的外骨骼式上肢康复训练机器人保持固定;所述的升降组件1200通过电动升降台调节所述的外骨骼式上肢康复训练机器人的高度;移动组件1100方便用户摆放、搬运康复训练机器人，升降组件1200可调节高度以适应不同的人体身高。
[0034]请参见附图3所示，所述的机械肩胛带组件2000包括有第一关节组件2100及第二关节组件2200，并通过所述的第一关节组件2100与所述的基座1000连接;所述的第一关节组件2100通过所述的第一关节移动轴2000A在竖直平面内升降，用于实现带动人体肩胛带在垂直平面内上提/下降的运动功能。优选地，所述的第一关节组件2100可以使用旋转电机、滚珠丝杠、直线导轨来实现其所需的运动功能。所述的第二关节组件2200与所述的第一关节组件2100连接，所述的第二关节组件2200通过第二关节旋转轴2000B在水平面内伸缩；用于实现带动人体肩胛带在水平面内前伸/后缩的运动功能。优选地，所述的第二关节组件2200可以使用平行四边形连杆机构提供第二关节旋转轴2000B，并可以使用旋转电机连接减速机构控制平行四边形连杆机构中四个转轴中的任意一个转轴旋转，从而实现第二关节组件2200所需的运动功能。所述的第一关节组件2100包括肩宽调节杆2101、第一关节导轨2102及第一关节滑块2013，所述的肩宽调节杆2101与所述的支架1300连接组成肩宽调节移动副，并可在所述的支架1300内的滑槽中移动，从而适应人体肩宽。所述的第一关节导轨2102固定于所述的肩宽调节杆2101上，并与所述的第一关节滑块2103组成第一关节移动副，所述的第一关节移动副上设有第一关节移动轴2000A。进一步地，且所述的肩宽调节移动副的轴线与第一关节移动副的轴线之间的夹角为80°-90°;进一步地，所述的第二关节组件2200包括固定端连杆2201、前摆动杆2202、运动端连杆2203及后摆动杆2204，形成了一组平行四边形机构2000P，所述的固定端连杆2201固定于所述的第一关节滑块2013上。在平行四边形结构2000P中，当前摆动杆2202和后摆动杆2204相对于固定端连杆2201旋转时，根据平行四边形的固有机械原理，运动端连杆2203将在水平面内运动，并保持平行于固定端连杆2201。该运动用于驱动人体肩胛带在水平面内前伸/后缩，可以通过调节前摆动杆2202与后摆动杆2204的长度适应人体肩宽。
[0035]请参见附图4至附图6所示，所述的机械肩关节组件3000包括第三关节组件3100、第四关节组件3200及第五关节组件3300，并通过所述的第三关节组件3300与所述的第二关节组件2200连接，所述的第三关节组件3300上设有第三关节旋转轴3000A;所述的第三关节旋转轴3000A的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并与所述的第二关节旋转轴2000B的轴线互相平行;所述的第四关节组件3200与所述的第三关节组件3100连接，所述的第四关节组件3200上设有第四关节旋转轴3000B，所述的第四关节旋转轴3000B的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并可以与所述的第三关节旋转轴3000A的轴线成90°的夹角；第三关节组件3100、第四关节组件3200均可以使用电机驱动组件8000作为执行器输出动力，并精确地控制第三关节组件3100绕第三关节旋转轴3000A以及第四关节组件3200绕第四关节旋转轴3000B的旋转运动参数，包括速度、位移及力矩。所述的第五关节组件3300与所述的第四关节组件3200连接，所述的第五关节组件3300通过旋转运动偏移机构旋转，所述的第五关节组件3300上设有第五关节旋转轴3000C，所述的第五关节旋转轴3000C的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并在活动范围内保持与人体肩关节内旋/外旋的轴线重合。第五关节组件3300可以使用圆弧形的导轨，将人体手臂包裹、固定在圆弧内，并通过驱动部件控制手臂在导轨上运动，模拟肩关节内旋/外旋的运动功能。但是这种方式将会使得第五关节组件3300体积较大，零部件较为分散，模块化难度增大。优选地，第五关节组件3300可以使用一种旋转运动偏移机构来实现。旋转运动偏移机构主要利用了平行四边形中相对边的旋转运动同步原理，驱动平行四边形中的一条边旋转，并将旋转运动偏移至相对的一条边。
[0036]所述的旋转运动偏移机构包括第一旋转臂3301、第二旋转臂3302、第一Y型连杆3303、第二Y型连杆3304、固定臂3305、旋转臂3306、固定套位置调节件3307及肢体固定套3308，所述的固定臂3305的一端与所述的第四关节组件3200连接，作为上臂内/外旋运动中固定不动的部件。所述的固定臂3305分别与所述的第一旋转臂3301连接形成第一旋转轴3300A，并与所述的第二旋转臂3302连接形成第二旋转轴3300B;所述的第一旋转臂3301分别与所述的第一 Y型连杆3303连接形成第三旋转轴3300C，并与所述的第二 Y型连杆3304连接形成第四旋转轴3300D;所述的第二旋转臂3302分别与所述的第一 Y型连杆3303连接形成第五旋转轴3300E，并与所述的第二 Y型连杆3304连接形成第六旋转轴3300F;所述的旋转臂3306分别与所述的第一 Y型连杆3303连接形成第七旋转轴3300G，并与所述的第二 Y型连杆3304连接形成第八旋转轴3300H;所述的第一旋转轴3300A、第二旋转轴3300B、第四旋转轴3300D及第六旋转轴3300F共同组成了第一平行四边形3001P的四条转轴，所述的第一平行四边形3001P的四条转轴与所述的第一旋转臂3301及第二旋转臂3302所在的平面相交，交点分别为A、B、C、D;所述的第三旋转轴3300C、第四旋转轴3300D、第七旋转轴3300G及第八旋转轴3300H共同组成了第二平行四边形3002P的四条转轴，所述的第二平行四边形3002P的四条转轴与所述的第一旋转臂3301及第二旋转臂3302所在的平面相交，交点分别为C、D、G、H;所述的固定套位置调节件3307可以调节所述的肢体固定套3308距离所述的第五关节旋转轴3000C的间距，使得旋转运动适合不同粗细的上臂，并保持所述的第五关节旋转轴3000C与人体上臂内外/旋轴线重合。
[0037]当所述的第一旋转臂3301绕第一旋转轴3300A旋转时，在第一平行四边形3001P中，边CD将绕着第一旋转轴3300A旋转，根据平行四边形的固有机械原理，边EF也将绕着第二旋轴做同样的旋转。由于边GH既是第二平四边形3002P中边⑶的对边，也是第三平行四边形3003P中边EF的对边，所以边GH将绕一固定的转轴旋转，且该转轴与第八旋转轴3300H的距离等于边AC的长度，也等于边BE的长度，该长度是固定的。所以可将该转轴作为第五关节旋转轴3000C，作为驱动人体肩关节内旋/外旋运动的轴线。
[0038]请参见附图7所示，所述的机械肘关节组件4000与所述的第五关节组件3300连接，所述的机械肘关节组件4000上设有第六关节旋转轴4000A，用于实现人体肘关节屈/伸的运动功能。所述的第六关节旋转轴4000A的轴线垂直于所述的第五关节旋转轴3000C的轴线，并通过人体肘关节的旋转中心;所述的机械肘关节组件4000可以通过所述的电机驱动组件8000作为执行器输出动力，并精确地控制所述的机械肘关节组件4000绕所述的第六关节旋转轴4000A旋转的运动参数，包括速度、位移及力矩。
[0039]所述的机械前臂组件5000上设有第七关节旋转轴5000A，用于实现人体前臂旋前/旋后的运动功能。所述的第七关节旋转轴5000A的轴线与人体前臂旋前/旋后的轴线在活动范围内重合。优选地，与第五关节组件3300实现原理相同，机械前臂组件5000同样可以使用一组旋转运动偏移机构实现，可以根据前臂的尺寸参数，调整所述的旋转运动偏移机构的部件尺寸以适应前臂的粗细。
[0040]所述的机械腕关节组件6000上设有第八关节旋转轴6000A，用于实现带动人体腕关节屈/伸运动的功能。所述的第八关节旋转轴6000A的轴线在运动范围内与人体腕关节屈/伸运动的轴线重合。优选地，可以通过旋转电机连接减速机构驱动所述的机械腕关节组件6000绕所述的第八关节旋转轴6000A旋转。
[0041]所述的机械手部组件7000包括机械手部连接组件7100及机械手部7200，所述的机械手部连接组件7100将所述的机械手部7200连接并固定于所述的机械腕关节组件6000上。机械手部7200可以根据需求进行拆卸、调换。
[0042]请参见附图8至附图11所示，所述的电机驱动组件8000可以作为驱动关节运动的动力源。所述的第三关节组件3100、第四关节组件3200及机械肘关节组件4000都可以使用所述的电机驱动组件8000作为驱动关节运动动力源;所述的电机驱动组件8000包括安装在机架8001上的驱动电机8100、减速组件8200、扭矩传感器组件8300及传动组件8400;驱动电机8100作为电机驱动组件的动力源，可以是交流电机、直流电机、步进电机中的一种。所述的减速组件8200通过标准接口与驱动电机8100对接，所述的减速组件8200由齿轮减速器8210及绞盘减速组件8220组成，完成对驱动电机8100减速增力的功能。齿轮减速器8210可以是行星减速器、谐波减速器、RV减速器中的一种。所述的绞盘减速组件8220是一种基于绞盘与绳索的减速结构。所述的绞盘减速组件8220包括输入连接件8221、输入轴8222、多根绳索8223、绞盘输出轴8224、输出绞盘8225及绳索收紧件8226，所述的输入轴8222—端通过所述的输入连接件8221与所述的齿轮减速器8210的标准输出接口连接，使所述的输入轴8222与所述的齿轮减速器8210的输出轴/孔同步转动，所述的输出绞盘8225固定在所述的绞盘输出轴8224上且同步转动;所述的输入轴8222上设有螺旋凹槽，所述的输出绞盘8225上设有圆弧面;所述的输入轴8222通过所述的多根绳索8223与所述的输出绞盘8225传输动力，所述的绞盘输出轴8224中间部分绕在所述的输入轴8222的螺旋凹槽中，所述的多根绳索8223的一端绕所述的输出绞盘8225的一段圆弧面后固定在所述的输出绞盘8225上，所述的多根绳索8223的另一端绕所述的输出绞盘8225的一段弧面后，通过所述的绳索收紧件8226固定在所述的输出绞盘8225上;优选地，绳索收紧件8226可以使用弹簧来实现。此时，若输入轴8222转动，输出绞盘8225也将转动。进一步地，由于输入轴8222的旋转半径小于输出绞盘8225的旋转半径，从而绞盘减速组件8220实现了减速增力的效果。绞盘减速组件8220可以使用多根绞盘输出轴8224连接输入轴8222与输出绞盘8225，将负载分摊至各绳索上。所述的绳索收紧件8226可以使绞盘输出轴8224保持张紧，从而减小绞盘减速组件8220的背隙。所述的扭矩传感组件8300包括传感器外圈8301、弹簧限位块8302、弹簧端子8303、第一弹簧组8304、第二弹簧组8305及传感器转子8306。进一步地，所述的传感器外圈8301与所述的输出绞盘轴8224固定连接，所述的扭矩传感组件8300中包含三个均布在所述的传感器外圈8301内部的弹簧限位块8302，并与所述的传感器外圈8301固定连接，所述的传感器转子8305可以在输出绞盘轴8224上转动;所述的第一弹簧组8304及第二弹簧组8305中的弹簧参数相同且均布在所述的传感器转子8306与三个弹簧限位块8302之间的间隔中，每个弹簧8304通过两个所述的弹簧端子8303固定在所述的弹簧限位块8302与所述的传感器转子8306之间；当传感器外圈8301与传感器转子8306之间存在扭矩差τ时，第一弹簧组8304与第二弹簧组8305中的一组弹簧将同时压缩，另外一组弹簧将同时伸长，传感器转子8306与传感器外圈8301间会产生相对转动，传感器转子8306与传感器外圈8301之间的转角与扭矩差τ有关，通过检测两者之间的转角，即可计算得到扭矩差τ。所述的传动组件8400使用鲍登线完成动力的远程传输。所述的传动组件8400包括输入转盘8410、收紧调节组件8420、第一鲍登线8430、第二鲍登线8440、第一导向轮组件8450、第二导向轮组件8460、输出转盘8470、第一鲍登线管固定件8480及第二鲍登线管定件8490，所述的输入转盘8410与所述的传感器转子8305固定连接，所述的输出转盘8470连接于对应被驱动关节组件。进一步地，所述的输入转盘8410的圆周面上设有两条平行的圆弧形凹槽，所述的输出转盘8470的圆周面上设有两条平行的圆弧形凹槽;所述的收紧调节组件8420包括第一收紧调节柱8421、第一前锁紧螺母8422、第一后锁紧螺母8423、第二收紧调节柱8424、第二前锁紧螺母8425、第二后锁紧螺母8426、同步收紧调节柱8427、同步收紧调节板8428及两根导向杆8429，所述的第一收紧调节柱8421螺纹连接在所述的同步收紧调节板8428上，所述的第一前锁紧螺母8422与所述的第一后锁紧螺母8423螺纹连接在所述的第一收紧调节柱8421上，并分别在两端顶住所述的同步收紧调节板8428;所述的第二收紧调节柱8424螺纹连接在所述的同步收紧调节板8428上，所述的第二前锁紧螺母8425与所述的第二后锁紧螺母8426螺纹连接在所述的第二收紧调节柱8424上，并分别在两端顶住所述的同步收紧调节板8428;所述的两根导向杆8429固定在所述的机架8001上，所述的同步收紧调节板8428可以在所述的两根导向杆8429上滑动，所述的同步收紧调节柱8427螺纹连接在所述的同步收紧调节板8429上且一端顶在所述的机架8001上;所述的第一鲍登线8440由钢丝绳8441及鲍登线管8442组成。进一步地，所述的第一收紧调节柱8421及第一鲍登线管固定件8480中均设有阶梯孔，所述的鲍登线管8442的一端插入所述的第一收紧调节柱8421上的阶梯孔，所述的鲍登线管8442的另一端插入所述的第一鲍登线管固定件8480上的阶梯孔，从而固定住鲍登线管8442，同时允许钢丝绳8441自由通过;所述的钢丝绳8441—端连接在所述的钢丝绳固定件8411上，并通过圆弧形凹槽绕在所述的输入转盘8410上，经由固定在所述的机架8001上的第一导向轮组件8450导向，进入所述的鲍登线管8442，然后通过所述的输出转盘8470上的圆弧形凹槽绕在所述的输出转盘8470上，并连接至所述的输出转盘8470的钢丝绳固定件8471上；由于第一导向轮组件8450的导向作用，钢丝绳8441的轴线可以与第一收紧调节柱8421的轴线重合。所述的第二鲍登线8450由钢丝绳8451及鲍登线管8452组成。进一步地，所述的第二收紧调节柱8424与所述的第二鲍登线管固定件8490中设有阶梯孔，所述的鲍登线管8452的一端插入所述的第二收紧调节柱8424上的阶梯孔，所述的鲍登线管8452的另一端插入所述的第二鲍登线管固定件8490上的阶梯孔;从而固定住鲍登线管8452，同时允许钢丝绳8451自由通过。所述的钢丝绳8451—端连接在所述的钢丝绳固定件8412上，并通过圆弧形凹槽绕在所述的输入转盘8410上，经由固定在所述的机架8001上的第二导向轮组件8460导向，进入所述的鲍登线管8452，然后通过所述的输出转盘8470上的圆弧形凹槽绕在所述的输出转盘8470上，并连接至所述的输出转盘8470的钢丝绳固定件8472上。由于第二导向轮组件8460的导向作用，钢丝绳8451的轴线可以与第二收紧调节柱8424的轴线重合。
[0043]当输入转盘8410转动时，由于鲍登线管8442和鲍登线管8452的两端分别都被顶紧，钢丝绳8441和钢丝绳8451在各自的鲍登线管中滑动，使得输出转动盘8460与输入转盘8410同步转动。
[0044]通过调节第一收紧调节柱8421在同步收紧调节板8428上的旋入量与旋出量，可以调节钢丝绳8441的张紧程度。通过调节第二收紧调节柱8424在同步收紧调节板8428上的旋入量与旋出量，可以调节钢丝绳8451的张紧程度。通过调节同步收紧调节柱8427在同步收紧调节板8429上的旋入量与旋出量，可以同步调节钢丝绳8441和钢丝绳8451的张紧程度。通过调节钢丝绳8441与钢丝绳8451的张紧程度，可以调节输出转动盘8460与输入转盘8410同步转动的性能。
[0045]在所述的电机驱动组件8000中，可以根据实际设计的需要，调换齿轮减速箱、绞盘减速组件、扭矩传感器组件的连接顺序。进一步地，根据实际设计的需要，可以仅使用齿轮减速箱、绞盘减速组件中的一种来完成减速增力的功能。
[0046]综上所述，本实用新型通过增加康复训练机器人在肩胛带上提/下降，前伸/后缩的自由度，可以有效的解决人机关节轴失配的问题，从而允许在进行上肢康复训练过程中固定使用者的躯干，前置其躯干的代偿运动，提高康复训练的效果，同时不会对使用者的上肢关节造成损伤;提供了肩关节三个自由度的设计，并保持肩关节组件的运动中心与人体盂肱关节的运动中心重合，进一步降低了人机关节轴失配的程度，同时，旋转运动偏移机构实现了肩关节的内/外旋，减小了传统的以圆弧形导轨实现方式带来的体积大、模块化程度低的问题;根据不同的使用者手部情况，通过更换不同的机械手部，用于实现不同的训练项目；利用绳索和绞盘完成动力传输，可以避免传统齿轮减速机背隙较大、齿轮易磨损的问题，同时降低了制造的难度和成本;使用多根绳索连接绞盘减速组件的输入轴与输出绞盘，将负载分摊至各绳索上，有效增强绞盘减速组件的性能，延长其使用寿命，同时设计了收紧组件可以使绳索保持张紧，从而进一步减小绞盘减速组件的背隙。利用鲍登线完成了电机动力的远程传输，使得重量较大的电机驱动组件可以不安装在关节处，降低了康复机器人机械臂的惯量，有利于系统控制的优化及系统功率的优化；同时利用输入转盘及输出转盘上的圆弧形凹槽将两个方向转动的钢丝绳错开，并进一步通过导向轮组件将钢丝绳更充分地绕在转盘上，有效增大了将用于机器人关节传动时的运动范围。设计有鲍登线的收紧调节装置，可以单独或同步的调节两根鲍登线张紧程度，从而调节输出转动盘与输入转盘同步转动的性能。
[0047]以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:包括基座、机械肩胛带组件、机械肩关节组件、机械肘关节组件、机械前臂组件、机械腕关节组件、机械手部组件及电机驱动组件;所述的基座支撑整个外骨骼式上肢康复训练机器人，所述的机械肩胛带组件与所述的基座连接，所述的机械肩关节组件与所述的机械肩胛带组件连接，所述的机械肘关节组件与所述的机械肩关节组件连接，所述的机械前臂组件与所述的机械肘关节组件连接，所述的机械腕关节组件与所述的机械前臂组件连接，所述的机械手部组件与所述的机械腕关节组件连接，所述的电机驱动组件作为整个外骨骼式上肢康复训练机器人的动力源。2.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的基座包括移动组件、升降组件及支架，所述的移动组件通过脚轮整体移动所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，并在移动后进行锁定，使所述的外骨骼式上肢康复训练机器人保持固定;所述的升降组件通过电动升降台调节所述的外骨骼式上肢康复训练机器人的高度。3.根据权利要求2所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的机械肩胛带组件包括有第一关节组件及第二关节组件，并通过所述的第一关节组件与所述的基座连接;所述的第一关节组件通过所述的第一关节移动轴在竖直平面内升降，所述的第二关节组件与所述的第一关节组件连接，所述的第二关节组件通过第二关节旋转轴在水平面内伸缩;所述的第一关节组件包括肩宽调节杆、第一关节导轨及第一关节滑块，所述的肩宽调节杆与所述的支架连接组成肩宽调节移动副，并可在所述的支架内的滑槽中移动，所述的第一关节导轨固定于所述的肩宽调节杆上，并与所述的第一关节滑块组成第一关节移动副，所述的第一关节移动副上设有第一关节移动轴，且所述的肩宽调节移动副的轴线与第一关节移动副的轴线之间的夹角为80°-90°;所述的第二关节组件包括固定端连杆、前摆动杆、运动端连杆及后摆动杆，形成了一组平行四边形机构，所述的固定端连杆固定于所述的第一关节滑块上。4.根据权利要求3所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的机械肩关节组件包括第三关节组件、第四关节组件及第五关节组件，并通过所述的第三关节组件与所述的第二关节组件连接，所述的第三关节组件上设有第三关节旋转轴;所述的第三关节旋转轴的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并与所述的第二关节旋转轴的轴线互相平行;所述的第四关节组件与所述的第三关节组件连接，所述的第四关节组件上设有第四关节旋转轴，所述的第四关节旋转轴的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并与所述的第三关节旋转轴的轴线成90°的夹角;所述的第五关节组件与所述的第四关节组件连接，所述的第五关节组件通过旋转运动偏移机构旋转，所述的第五关节组件上设有第五关节旋转轴，所述的第五关节旋转轴的轴线通过人体盂肱关节的运动中心，并在活动范围内保持与人体肩关节内旋/外旋的轴线重合。5.根据权利要求4所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的旋转运动偏移机构包括第一旋转臂、第二旋转臂、第一 Y型连杆、第二 Y型连杆、固定臂、旋转臂、固定套位置调节件及肢体固定套，所述的固定臂的一端与所述的第四关节组件连接，所述的固定臂分别与所述的第一旋转臂连接形成第一旋转轴，并与所述的第二旋转臂连接形成第二旋转轴;所述的第一旋转臂分别与所述的第一 Y型连杆连接形成第三旋转轴，并与所述的第二 Y型连杆连接形成第四旋转轴;所述的第二旋转臂分别与所述的第一 Y型连杆连接形成第五旋转轴，并与所述的第二 Y型连杆连接形成第六旋转轴;所述的旋转臂分别与所述的第一Y型连杆连接形成第七旋转轴，并与所述的第二 Y型连杆连接形成第八旋转轴;所述的第一旋转轴、第二旋转轴、第四旋转轴及第六旋转轴共同组成了第一平行四边形的四条转轴，所述的第一平行四边形的四条转轴与所述的第一旋转臂及第二旋转臂所在的平面相交;所述的第三旋转轴、第四旋转轴、第七旋转轴及第八旋转轴共同组成了第二平行四边形的四条转轴，所述的第二平行四边形的四条转轴与所述的第一旋转臂及第二旋转臂所在的平面相交;所述的固定套位置调节件调节所述的肢体固定套距离所述的第五关节旋转轴的间距，并保持所述的第五关节旋转轴与人体上臂内外/旋轴线重合。6.根据权利要求4所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的机械肘关节组件与所述的第五关节组件连接，所述的机械肘关节组件上设有第六关节旋转轴，所述的第六关节旋转轴的轴线垂直于所述的第五关节旋转轴的轴线，并通过人体肘关节的旋转中心;所述的机械肘关节组件通过所述的电机驱动组件作为执行器输出动力，并控制所述的机械肘关节组件绕所述的第六关节旋转轴旋转。7.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的机械前臂组件上设有第七关节旋转轴，所述的第七关节旋转轴的轴线与人体前臂旋前/旋后的轴线在活动范围内重合。8.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的机械腕关节组件上设有第八关节旋转轴，所述的第八关节旋转轴的轴线在运动范围内与人体腕关节屈/伸运动的轴线重合，通过旋转电机连接减速机构驱动所述的机械腕关节组件绕所述的第八关节旋转轴旋转。9.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的机械手部组件包括机械手部连接组件及机械手部，所述的机械手部连接组件将所述的机械手部连接并固定于所述的机械腕关节组件上。10.根据权利要求4所述的外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于:所述的第三关节组件、第四关节组件及机械肘关节组件都使用所述的电机驱动组件作为驱动关节运动动力源;所述的电机驱动组件包括安装在机架上的驱动电机、减速组件、扭矩传感器组件及传动组件;所述的减速组件通过标准接口与驱动电机对接，所述的减速组件由齿轮减速器及绞盘减速组件组成，所述的绞盘减速组件包括输入连接件、输入轴、多根绳索、绞盘输出轴、输出绞盘及绳索收紧件，所述的输入轴一端通过所述的输入连接件与所述的齿轮减速器的标准输出接口连接，使所述的输入轴与所述的齿轮减速器的输出轴/孔同步转动，所述的输出绞盘固定在所述的绞盘输出轴上且同步转动;所述的输入轴上设有螺旋凹槽，所述的输出绞盘上设有圆弧面;所述的输入轴通过所述的多根绳索与所述的输出绞盘传输动力，所述的多根绳索中间部分绕在所述的输入轴的螺旋凹槽中，所述的多根绳索的一端绕所述的输出绞盘的一段圆弧面后固定在所述的输出绞盘上，所述的多根绳索的另一端绕所述的输出绞盘的一段弧面后，通过所述的绳索收紧件固定在所述的输出绞盘上;所述的扭矩传感组件包括传感器外圈、弹簧限位块、弹簧端子、第一弹簧组、第二弹簧组及传感器转子，所述的传感器外圈与所述的输出绞盘轴固定连接，所述的扭矩传感组件中包含三个均布在所述的传感器外圈内部的弹簧限位块，并与所述的传感器外圈固定连接，所述的传感器转子在输出绞盘轴上转动;所述的第一弹簧组及第二弹簧组中的弹簧参数相同且均布在所述的传感器转子与三个弹簧限位块之间的间隔中，每个弹簧通过两个所述的弹簧端子固定在所述的弹簧限位块与所述的传感器转子之间;所述的传动组件包括输入转盘、收紧调节组件、第一鲍登线、第二鲍登线、第一导向轮组件、第二导向轮组件、输出转盘、第一鲍登线管固定件及第二鲍登线管定件，所述的输入转盘与所述的传感器转子固定连接，所述的输出转盘连接于对应被驱动关节组件，所述的输入转盘的圆周面上设有两条平行的圆弧形凹槽，所述的输出转盘的圆周面上设有两条平行的圆弧形凹槽;所述的收紧调节组件包括第一收紧调节柱、第一前锁紧螺母、第一后锁紧螺母、第二收紧调节柱、第二前锁紧螺母、第二后锁紧螺母、同步收紧调节柱、同步收紧调节板及两根导向杆，所述的第一收紧调节柱螺纹连接在所述的同步收紧调节板上，所述的第一前锁紧螺母与所述的第一后锁紧螺母螺纹连接在所述的第一收紧调节柱上，并分别在两端顶住所述的同步收紧调节板;所述的第二收紧调节柱螺纹连接在所述的同步收紧调节板上，所述的第二前锁紧螺母与所述的第二后锁紧螺母螺纹连接在所述的第二收紧调节柱上，并分别在两端顶住所述的同步收紧调节板;所述的两根导向杆固定在所述的机架上，所述的同步收紧调节板在所述的两根导向杆上滑动，所述的同步收紧调节柱螺纹连接在所述的同步收紧调节板上且一端顶在所述的机架上;所述的第一鲍登线由钢丝绳及鲍登线管组成，所述的第一收紧调节柱及第一鲍登线管固定件中均设有阶梯孔，所述的鲍登线管的一端插入所述的第一收紧调节柱上的阶梯孔，所述的鲍登线管的另一端插入所述的第一鲍登线管固定件上的阶梯孔;所述的钢丝绳一端连接在所述的钢丝绳固定件上，并通过圆弧形凹槽绕在所述的输入转盘上，经由固定在所述的机架上的第一导向轮组件导向，进入所述的鲍登线管，然后通过所述的输出转盘上的圆弧形凹槽绕在所述的输出转盘上，并连接至所述的输出转盘的钢丝绳固定件上;所述的第二鲍登线由钢丝绳及鲍登线管组成，所述的第二收紧调节柱与所述的第二鲍登线管固定件中设有阶梯孔，所述的鲍登线管的一端插入所述的第二收紧调节柱上的阶梯孔，所述的鲍登线管的另一端插入所述的第二鲍登线管固定件上的阶梯孔;所述的钢丝绳一端连接在所述的钢丝绳固定件上，并通过圆弧形凹槽绕在所述的输入转盘上，经由固定在所述的机架上的第二导向轮组件导向，进入所述的鲍登线管，然后通过所述的输出转盘上的圆弧形凹槽绕在所述的输出转盘上，并连接至所述的输出转盘的钢丝绳固定件上。
【文档编号】A61H1/02GK205459700SQ201620213696
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】简卓, 李继才, 王道雨, 李彬彬, 卢美铭
【申请人】上海卓道医疗科技有限公司