一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种外骨骼机器人，具体涉及一种主被动混合上肢康复训练外骨骼。
【背景技术】
[0002]外骨骼机器人是一种复杂的人机结合的技术，它融合了机械、传感、控制、信息、电子技术以及人工智能等众多科学领域知识，将人的智能和机械动力装置的机械能结合在一起，通过人机物理接触传递力和运动来实现动作辅助和姿态检测等功能，同时依靠传感器与穿戴者实现信息交互。
[0003]经过40多年的发展，外骨骼在很多领域都有了越来越普遍的应用。比如，军事上，外骨骼的辅助会使部队在野外作战的持久力增强，外骨骼为士兵提供能量，士兵身上的负重由外骨骼承担，使单兵作战能力大大提高；民用上。外骨骼可以用来搬运东西，在大型工程施工中或者在物料搬运作业中，可以使劳动者耐力更持久;医学上，外骨骼机器人可以广泛应用在康复医学中，患者通过穿戴外骨骼机器人不但可以进行有效的功能康复训练，而且可以通过穿戴者肌电信号控制帮助患者康复肌肉，促进中枢系统恢复。在构型上，外骨骼也多种多样，可以采取不同的构型方式，有完美贴合人身的，有软体的，有末端贴合的等等，各有各的优势，在原理上也有着不同，有用液压的，有用气动的，也有用电动的，有一些外骨骼还夹杂着重力平衡，欠驱动等原理。随着社会现代化、工业化进程的进一步深入，机械外骨骼的应用将会涉及到人类生活生产的各个方面，可以预见，机械外骨骼的前景是非常广大的。
[0004]在外骨骼设计方面，结构拟人化是它的一个重要特性，也是安全性和舒适性的保障。人体上肢主要包括肩部、肘部和腕部三个生理关节，其能够完成极其复杂精细的运动，如果想完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要数目众多的自由度，但这会导致机构笨重和控制冗余等问题。因此，需要分析人体上肢生理运动形式并作适度简化，获取外骨骼设计可用的运动学模型，同时保证良好的人机运动链相容性。现有的上肢外骨骼机器人大多采用七自由度串联运动学模型，即肩部屈/伸(前后摆)，内收/外展(左右摆)，内旋/外旋(大臂自转)；肘部屈/伸;腕部内旋/外旋、内收/外展、屈/伸。由于肩部内旋/外旋自由度既可以看作在肩关节完成也可以看作在肘关节完成，所以，肩关节和肘关节通常有两种布置办法，第一种是肩关节三个完整自由度加上肘关节单自由度，第二种是肩关节屈/伸，内收/外展自由度加上肘关节屈/伸，绕大臂内旋/外旋自由度。
[0005]对于目前有的外骨骼，大多是均是采取主动驱动，但是在人体的运动过程中，有一些能量比如重力势能是往复变化的，但是在主动驱动的过程中，重力势能在升高和降低的过程中，驱动元件均做正功，浪费了重力势能，同时还浪费了驱动元件的出力。而且目前的已有的上肢外骨骼结构均比较复杂，能量利用率极低，并不具有间接性和美观性。有一些利用重力平衡原理的外骨骼，结构却比较复杂，或者并不能完全的实现重力平衡。对于康复训练，在某些情况下，仅仅依靠重力平衡还不够，比如脑卒中患者，刚开始，上肢并没有任何运动能力，需要被动的运动上肢，然后才能逐渐恢复，在能够主动运动的初期，由于出力比较小，在重力平衡作用下平衡上肢重量以后还需要自身输出平衡惯性力的力矩，所以会造成运动速度过于缓慢，影响恢复速度。基于此，本发明设计一种主被动上肢康复训练外骨骼。
【发明内容】
[0006]本发明为解决现有的上肢外骨骼没有任何运动能力，需要被动的运动上肢，然后才能逐渐恢复，在能够主动运动的初期，由于出力比较小，在重力平衡作用下平衡上肢重量以后还需要自身输出平衡惯性力的力矩，从而造成运动速度过于缓慢，影响恢复速度的问题，而提供一种主被动混合上肢康复训练外骨骼。
[0007]本发明的一种主被动混合上肢康复训练外骨骼包括小臂、大臂、后背、外旋轴、轴承、主动带轮、同步带、被动带轮、后背驱动电机、后背驱动电机座、小臂捆绑机构、大臂捆绑机构、后背驱动电机驱动器和后背驱动电机驱动器托架，大臂上的肘关节连接座与小臂上的肘关节输出轮固连，外旋轴的一端铰接在肩关节骨架的横架中，外旋轴的另一端与轴承内环连接，主动带轮固装在外旋轴上，同步带的一端套装在主动带轮上，同步带的另一端套装在被动带轮上，被动带轮固装在后背驱动电机的输出轴上，后背驱动电机与后背驱动电机座固连，后背驱动电机座与后背上的弧形连杆固连，后背驱动电机驱动器通过后背驱动电机驱动器托架与后背驱动电机座固连，后背驱动电机驱动器与后背驱动电机电性连接，小臂捆绑机构与小臂上的外骨骼基板铰接，大臂捆绑机构与大臂上的外骨骼上臂铰接。
[0008]本发明的技术方案具有以下有益效果:
[0009]—、本发明设计了一种用于上肢的主动被动相结合的上肢康复训练外骨骼，利用了重力平衡原理，平衡穿戴者及外骨骼的重力势能，采取主动驱动，平衡康复训练运动过程中的惯性力。该外骨骼采取新型的上肢关节设计，不与人体发生干涉，外骨骼上放置有弹簧，用于补偿肩关节角度的变化引起的重力势能的改变，在上肢运动过程中弹簧由于关节角度变化引起的弹簧长度的变化而引起的弹性势能的变化变化，刚好平衡人体上肢运动过程中上肢的重力势能的变化，达到运动过程中不用克服重力做功目的，使得人体肌肉可以不用输出任何力而使上肢保持任何姿态。本发明用于辅助肩关节及肘关节，共有4个自由度，包括肩关节2自由度，肘关节2自由度，采取了背景中所述的第二种布置办法。本发明可以使得穿戴者上肢不受重力影响，并且能够补偿上肢运动过程中的惯性力，对于上肢受伤的病人，上肢力量薄弱，需要恢复，不得不进行大量运动，便可以利用此种外骨骼，使之能够依靠其微弱的力量进行康复训练，然后逐渐恢复，康复训练过程中，可以调节弹簧平衡的大小以及控制系统惯性力补偿大小以便适应康复训练中需要的不同大小的出力。该外骨骼也可用作阻尼器，进行身体训练等。除此之外，该外骨骼还有其他应用，读者可以自由发挥。
[0010]二、本发明使得外骨骼既能满足穿戴者上肢的运动自由度，又不会与穿戴者发生干涉。
[0011]三、本发明结构简单，重量轻盈，无污染适合康复训练，灵活性高，适应各种类型的需要康复的病人或者也可用于其他用途。
[0012]四、利用弹簧平衡重力势能，完全被动，减轻电机负担，使得成本降低，稳定性提尚O
[0013]五、由于弹簧平衡的作用，使得穿戴者穿上外骨骼以后上肢在任何姿态下均处于平衡位置，所以不需要出力维持姿态。
[0014]六、本发明具有调节功能，能够感知穿戴者的上肢的重量，自动调节弹簧挂点，以适应不同的负载，实现实时重力平衡，如果该超过调节范围可用电机辅助调节。
[0015]七、电机惯性力补偿，使得穿戴者在康复训练过程中不用克服惯性力，使得康复训练速度加快，适应范围更广。
[0016]八、由于电机驱动，可以实现康复训练早期主动带动穿戴者进行康复训练，在后期，也可以充当阻尼器，进行力量恢复，进而完整的辅助整个康复过程。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的整体结构立体图；
[0018]图2是本发明一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的整体结构立体图(与图1的视图角度不同)；
[0019]图3是本发明一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的整体结构立体图(与图1、图2的视图角度不同)；
[0020]图4是小臂A的立体图；
[0021]图5是图4的俯视图；
[0022]图6是大臂B的立体图；
[0023]图7是大臂B的立体图(与图6的视图角度不同)；
[0024]图8是大臂B的立体图(与图6、图7的视图角度不同)；
[0025]图9是双平行四边形连杆机构的立体图；
[0026]图10是后背C的立体图；
[0027]图11是小臂A与大臂B的连接关系立体图；
[0028]图12是后背驱动电机座J与大臂B连接关系立体图(主动带轮F、同步带G、被动带轮H传动关系立体图)。
【具体实施方式】
[0029]【具体实施方式】一:结合图1?图12说明本实施方式，本实施方式的包括小臂A、大臂B、后背C、外旋轴D、轴承E、主动带轮F、同步带G、被动带轮H、后背驱动电机1、后背驱动电机座J、小臂捆绑机构K、大臂捆绑机构L、后背驱动电机驱动器P和后背驱动电机驱动器托架Q，
[0030]见图11，大臂B上的肘关节连接座B45与小臂A上的肘关节输出轮A4固连，外旋轴D的一端铰接在肩关节骨架BI的横架B1-2中，外旋轴D的另一端与轴承E内环连接，轴端挡圈M固定外旋轴D的轴向位置，主动带轮F固装在外旋轴D上，同步带G的一端套装在主动带轮F上，同步带G的另一端套装在被动带轮H上，被动带轮H固装在后背驱动电机I的输出轴上，后背驱动电机I与后背驱动电机座J固连，后背驱动电机座J与后背C上的弧形连杆C18固连，后背驱动电机驱动器P通过后背驱动电机驱动器托架Q与后背驱动电机座J固连，后背驱动电机驱动器P与后背驱动电机I电性连接，小臂捆绑机构K与小臂A上的外骨骼基板AS铰接，大臂捆绑机构L与大臂B上的外骨骼上臂B21铰接。小臂A由大臂B带动并绕着穿戴者上臂轴线转动。大臂捆绑机构L与穿戴者捆绑，传递运动及动力。大臂B上的肘关节连接座B45由大臂B上的转向电机B20驱动，肘关节连接座B45带动小臂A绕着穿戴者上臂轴线Zl转动。后背驱动电机I通过主动带轮F带动同步带G转动，从而带动被动带轮H转动