CN108852739A - 一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生结构的机器人，特涉及一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂。本发明包括气动肌肉执行组件和可穿戴外骨骼组件；可穿戴外骨骼组件由两个结构相同的单臂部件和背部支架组成；两个单臂部件中的肩关节分别安装在背部支架的基座接头上，两个肩关节轴分别经各自的肩部钢丝牵引线与背部支架中各自的气动肌肉连接。本发明的装置将驱动执行器从外骨骼本体剥离出来，大大的降低了外骨骼的重量、简化了结构。

Description

一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂

技术领域

本发明涉及仿生结构的机器人，特涉及一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂。

背景技术

脑卒中(Stroke)，俗称中风，是一种突然起病的脑血管疾病，也是脑血管疾病最严重的并发症。脑卒中被认为是威胁人类健康的三大疾病之一。据统计，中国每年有多达达200万人发生脑中风疾病，脑卒中患者现在尚存700万人，其中450万例患者偏瘫或瘫痪，肢体不同程度丧失活动能力，生活不能自理，致残率高达75％。人体上肢在日常生活中承担着非常重要的责任，完成各种精细复杂的活动，上肢运动功能障碍将严重影响人们的日常生活。因此，偏瘫患者的上肢运动功能重建是康复医学研究领域的重要课题。临床医学的研究表明，大多数的脑卒中患者通过广泛和重复的任务型练习可以一定程度地恢复肢体运动能力。

目前上肢康复机器人按机械结构可分为末端牵引式和外骨骼式两类。末端牵引式康复机器人在康复运动中，其末端通常与患者手腕固联在一起，通过康复机器人末端执行器的运动带动患肢运动，其很难对患者上肢中某单个关节作独立的主动或被动康复运动。此外，该类康复机器人与患者通常仅仅通过手腕相连，康复运动时，其反作用力可能对患者手腕或患者肢体其他部分造成伤害。外骨骼式康复机器人可以直接穿戴于人体，其各自由度受人体关节的运动方式及尺寸的限制，因此机构较为复杂，由于该类康复机器人各关节依附与人体，机器人及患者肢体的重量及惯性会影响机器人的驱动特性和运动特性。然而，外骨骼康复机器人关节空间与人体关节空间几乎一致，安全性高，且在轨迹控制中无需进行空间转换的计算。此外，在康复运动中，机器人对患者上肢即可以对单个关节，也可以对多关节同时作主动、被动康复运动。因此，相比于末端牵引式康复机器人，外骨骼式康复机器人能提供更灵活、更安全、更丰富的康复运动。

上肢康复训练机器人是将机器人技术领域与康复治疗医学领域结合而产生的，是一种补充或替代专业医师完成人体上肢康复训练的新技术，它的出现为上肢偏瘫患者的康复治疗开辟了新的道路，弥补了偏瘫患者临床治疗的不足。康复训练机器人的治疗方法是将患肢与机器人相连，患者肢体在机器人的带动下，完成各种动作，刺激人体上肢关节及肌肉的神经控制系统，从而达到恢复患者肢体运动机能的目的。这种方式减轻了对治疗医师的依赖，它能帮助医疗师完成繁重、反复的康复训练任务，帮助患者更好的恢复肢体运动机能。

外骨骼上肢康复机器人是一种与偏瘫患者身体直接接触的康复医疗装备，其安全性和柔顺性非常重要，此外，康复运动要力求平稳、自然，而这些主要依赖于康复机器人的执行器。目前大多数康复机器人采用电机驱动，其它类型的执行器主要是气动肌肉、气缸及液压等。其中，气动肌肉的主要优点在于其动作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，具备电机等执行器所没有的固有柔顺性；其次，气动肌肉重量轻、输出拉力大、结构紧凑、使用灵活、洁净，而且可直接驱动负载，无需齿轮等减速机构，利于康复机器人的轻型化、简单化。此外，气动肌肉的运动行程受自身长度、输入气压等限制，只能在有限范围内运动，因此气动肌肉在康复机器人的驱动中，比电机更安全、可靠；此外，由两根气动肌肉以双端反向对拉方式驱动的气动肌肉驱动关节的结构与生物关节类似，能同时对气动肌肉驱动关节的位置和刚度进行控制，而这一特性正是单个电机驱动的机械臂所不具备的。因此，气动肌肉相对于电机等其它执行器更能保证康复机器人的安全性与柔顺性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂。本发明包括气动肌肉执行组件和可穿戴外骨骼组件；可穿戴外骨骼组件由两个结构相同的单臂部件和背部支架组成；两个单臂部件中的肩关节分别安装在背部支架的基座接头上，两个肩关节轴分别经各自的肩部钢丝牵引线与背部支架中各自的气动肌肉连接。穿戴好气动肌肉驱动的上肢外骨骼后，使用者的上肢可借助气动肌肉收缩产生的拉力来实现患者的康复训练。本发明的装置将驱动执行器从外骨骼本体剥离出来，大大的降低了外骨骼的重量、简化了结构。

本发明的技术方案是：一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂包括气动肌肉执行组件和可穿戴外骨骼组件；气动肌肉执行组件包括支撑框架、顶部连接板和底部连接板，支撑框架设置气动肌肉组件，其特征在于：可穿戴外骨骼组件通过钢丝绳与气动肌肉组件相连，气动肌肉组件的伸缩经钢丝绳的传动从而带动外骨骼关节的活动，单根气动肌肉组件包括钢丝绳套管、钢丝绳连接头、钢丝绳、气动肌肉、气管接头、气动肌肉转接头、拉压力传感器、力传感器转接头；气动肌肉上端连接钢丝绳连接头，端部钢丝绳穿过顶部连接板卡入钢丝绳连接头中，气动肌肉下端通过气动肌肉转接头连接拉压力传感器，拉压力传感器另一端通过力传感器转接头与底部连接板固定连接，气动肌肉上设置气管接头。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：还包括钢丝绳套管，钢丝绳套管设置在钢丝绳与顶部连接板连接处。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：可穿戴外骨骼组件包括背部支架和上肢训练装置，上肢训练装置固定在背部支架上；背部支架包括背部支架上横梁、基座接头、背部支架竖梁、背部支架下横梁；背部支架上横梁、背部支架竖梁、背部支架下横梁组成一个倒工字形结构，背部支架下横梁比背部支架上横梁短，基座接头对称设置在背部支架上横梁两侧；基座接头与背部支架上横梁在水平面上成三十度的夹角。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：每个上肢训练装置包括肩关节第一组件、肩关节第二组件、肩关节第三组件、肘关节、末端组件；肩关节第一组件安装在基座接头上，肩关节第一组件、肩关节第二组件和肩关节第三组件依次通过肩关节曲柄一和肩关节曲柄二连接，肩关节第一组件、肩关节第二组件和肩关节第三组件的三个轴线交于一点，该点位于使用者肩关节的旋转中心点。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：肩关节第一组件结构为：绕轮组件一通过自润垫圈三与绕轮组件二相互连接，绕轮组件一和输出摆杆一互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧一相连，输出摆杆一另一侧通过自润垫圈一连接基座支撑杆一，基座支撑杆一与自润轴承一固联，自润轴承一转动连接有中轴一，绕轮组件二，绕轮组件二和输出摆杆二互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧二相连，输出摆杆二另一侧通过自润垫圈二连接基座支撑杆二，基座支撑杆二与自润轴承二固联，自润轴承二转动连接中轴二，基座支撑杆一和基座支撑杆二固定连接在基座接头上，输出摆杆一和输出摆杆二连接在肩关节曲柄一上。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：肩关节第二组件结构为：绕轮组件三通过自润垫圈六与绕轮组件四连接，绕轮组件三和输出摆杆三互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧三相连，输出摆杆三另一侧通过自润垫圈三连接基座支撑杆三，基座支撑杆三与自润轴承三固联，自润轴承三转动连接中轴三，绕轮组件四和输出摆杆四互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧四相连，输出摆杆四另一侧通过自润垫圈四与基座支撑杆四连接，基座支撑杆四与自润轴承四固联，自润轴承四转动连接有中轴四，基座支撑杆三和基座支撑杆四连接在肩关节曲柄一上，输出摆杆三和输出摆杆四连接肩关节曲柄二上。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：肩关节第三组件结构为：绕轮组件五通过自润垫圈九与绕轮组件六连接，绕轮组件五和输出摆杆五互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧五相连，输出摆杆五另一侧通过自润垫圈五连接基座支撑杆五，基座支撑杆五与自润轴承五固联，自润轴承五转动连接中轴五，绕轮组件六和输出摆杆六互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧六相连，输出摆杆六另一侧通过自润垫圈六与基座支撑杆六连接，基座支撑杆六与自润轴承六固联，自润轴承六转动连接有中轴六，基座支撑杆五和基座支撑杆六连接在肩关节曲柄二上，输出摆杆五和输出摆杆六连接在大臂骨架上。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：述肘关节，结构为：绕轮组件七通过自润垫圈十二与绕轮组件八连接，绕轮组件七和输出摆杆七互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧七相连，输出摆杆七另一侧通过自润垫圈七连接基座支撑杆七，基座支撑杆七与自润轴承七固联，自润轴承七转动连接有中轴七，绕轮组件八和输出摆杆八互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧八相连，输出摆杆八另一侧通过自润垫圈八连接基座支撑杆八，基座支撑杆八与自润轴承八固联，自润轴承八转动连接中轴八，基座支撑杆七和基座支撑杆八连接在大臂骨架上，输出摆杆七和输出摆杆八连接在小臂骨架上。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：末端组件包括弧形护腕、六维力矩传感器、转接头；转接头通过螺栓连接六维力矩传感器，六维力矩传感器另一侧通过螺栓固定弧形护腕，转接头插入小臂骨架的圆孔后通过螺栓固定连接。

根据如上所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：钢丝绳环绕在绕轮组件一上，钢丝绳卡入卡扣中，卡扣固定在绕轮组件一上，绕轮组件四、绕轮组件三、绕轮组件五、绕轮组件六、绕轮组件七、绕轮组件八或绕轮组件二与钢丝绳的连接方式与绕轮组件一与钢丝绳的连接方式相同；绕轮组件一和绕轮组件二反向安装，绕轮组件四和绕轮组件三反向安装，绕轮组件五和绕轮组件六反向安装，绕轮组件七和绕轮组件八反向安装。

本发明为可穿戴双侧八自由度气动肌肉结合钢丝绳传动的上肢康复机器人，其可实现：

1、本发明设计了一款气动肌肉驱动结合钢丝绳传动的的具有动态力矩反馈的的康复机器人，气动肌肉在柔顺性和安全性上不言而喻，具有动态力矩反馈的康复机器人关节可以实现康复患者的被动康复训练，还可以辅助患者进行主动康复训练，对康复过程中的患者进行力补偿或力仿真，从康复方式的多样性和康复效果来讲都大有好处；

2、本发明设计中各关节均采用高强度的铝合金加工的薄壁结构，轴承采用结构紧凑轻质的自润轴承，相关骨架采用碳纤维管材，目的就是为了尽可能的降低重量，是结构更紧凑；

3、本发明设计中气动肌肉因为是单向作用，且在工作过程中存在长度上的伸缩，在启停状态切换时易造成钢丝绳脱轨，为了实现机器人关节的双向驱动，本发明中设计了一种由两根气动肌肉通过钢丝绳双向驱动的机器人关节，且具有自动张紧的功能；

本发明为克服了气缸的物理尺寸在布局上的局限性，采用了气动肌肉结合钢丝绳传动的方式，这充分利用了气动肌肉的相关特性以及钢丝绳的柔性在布局上的优势，并在此基础上，将驱动执行器从外骨骼本体剥离出来，大大的降低了外骨骼的重量、简化了结构。因此本发明具有较高的科学价值及重要的社会意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的气动肌肉执行组件结构示意图；

图2为本发明单根气动肌肉组件上端和下端连接方式的爆炸结构示意图；

图3为本发明可穿戴外骨骼组件结构示意图；

图4为本发明连接使用者背部并作为支撑双侧外骨骼机器人的背部支架结构示意图；

图5为本发明上肢训练装置的结构示意图；

图6为本发明钢丝绳固定方式的结构示意图；

图7为本发明肩关节第一组件的爆炸结构示意图；

图8为本发明肩关节第二组件的爆炸结构示意图；

图9为本发明肩关节第三组件的爆炸结构示意图；

图10为本发明肘关节的爆炸结构示意图；

图11为本发明末端组件的爆炸结构示意图。

附图标记说明：气动肌肉执行组件1、可穿戴外骨骼组件2、背部支架3、上肢训练装置4、肩关节第一组件5、肩关节第二组件6、肩关节第三组件7、肘关节8、末端组件9、顶部连接板11、支撑框架12、气动肌肉组件13、底部连接板14、钢丝绳套管131、钢丝绳连接头132、钢丝绳133、气动肌肉134、气管接头135、气动肌肉转接头136、拉压力传感器137、力传感器转接头138、背部支架上横梁31、基座接头32、背部支架竖梁33、背部支架下横梁34、肩关节曲柄一510、中轴一511、自润轴承一512、基座支撑杆一513、自润垫圈一514、输出摆杆一515、扭簧一516、绕轮组件一517、卡扣5171、钢丝绳固定块一518、自润垫圈三519、钢丝绳固定块二528、绕轮组件二527、扭簧二526、输出摆杆二525、自润垫圈二524、基座支撑杆二523、自润轴承二522、中轴二521、中轴三611、自润轴承三612、基座支撑杆三613、自润垫圈三614、输出摆杆三615、扭簧三616、绕轮组件三617、钢丝绳固定块三618、自润垫圈六619、肩关节曲柄二610、钢丝绳固定块四628、绕轮组件四627、扭簧四626、输出摆杆四625、自润垫圈四624、基座支撑杆四623、自润轴承四622、中轴四621、中轴五711、自润轴承五712、基座支撑杆五713、自润垫圈五714、输出摆杆五715、扭簧五716、绕轮组件五717、钢丝绳固定块五718、自润垫圈九719、大臂骨架710、钢丝绳固定块六728、绕轮组件六727、扭簧六726、输出摆杆六725、自润垫圈六724、基座支撑杆六723、自润轴承六722、中轴六721、中轴七811、自润轴承七812、基座支撑杆七813、自润垫圈七814、输出摆杆七815、扭簧七816、绕轮组件七817、钢丝绳固定块七818、自润垫圈十二819、小臂骨架810、钢丝绳固定块八828、绕轮组件八827、扭簧八826、输出摆杆八825、自润垫圈八824、基座支撑杆八823、自润轴承八822、中轴八821、弧形护腕91、六维力矩传感器92、转接头93。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

如图1和图3所示，本发明的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂包括气动肌肉执行组件1和可穿戴外骨骼组件2；气动肌肉执行组件1包括支撑框架12和分别固定在支承框架12上下两端的顶部连接板11和底部连接板14，支撑框架12中间设有气动肌肉134。气动肌肉执行组件1单独置于室内，而可穿戴外骨骼通过绑带与患者的背部和手臂固定，可穿戴外骨骼组件2通过带套管的钢丝绳133与气动肌肉组件13相连，气动肌肉组件13的伸缩经钢丝绳133的传动从而带动外骨骼关节的活动，可穿戴外骨骼组件2包括背部支架3和通过螺栓固定在背部支架3上的上肢训练装置4；上肢训练装置包括两个结构相同的单臂部件，共八个自由度。

如图2所示，本实施例中所述单根气动肌肉组件13，包括钢丝绳套管131、钢丝绳连接头132、钢丝绳133、气动肌肉134、气管接头135、气动肌肉转接头136、拉压力传感器137、力传感器转接头138；气动肌肉134上端通过螺纹连接有钢丝绳连接头132，端部带有接头的钢丝绳133穿过顶部连接板11卡入钢丝绳连接头132中，气动肌肉134的下端通过气动肌肉转接头136连接拉压力传感器137，拉压力传感器137另一端通过力传感器转接头138与底部连接板14通过螺纹固定连接，气动肌肉134上设置气管接头135，钢丝绳133与顶部连接板11连接处最好设置钢丝绳套管131，以保护钢丝绳133。本发明的气动肌肉执行组件1包括多根气动肌肉组件13，单根气动肌肉组件13的钢丝绳133引出线连接在一个绕轮组件上，本发明的绕轮组件包括绕轮组件一517、绕轮组件二527、绕轮组件三617、绕轮组件四627、绕轮组件五717、绕轮组件六727、绕轮组件七817、绕轮组件八827，气动肌肉执行组件1可包括16根气动肌肉组件13(双臂16根，单臂8根)，16根钢丝绳133分别通过卡扣连接在各自的绕轮组件上。

如图4所示，本实施例中所述背部支架3，包括背部支架上横梁31、基座接头32、背部支架竖梁33、背部支架下横梁34；背部支架上横梁31、背部支架竖梁33、背部支架3下横梁34组成一个倒工字形结构，背部支架下横梁34比背部支架上横梁31短，基座接头32对称设置在背部支架上横梁31两侧。背部支架3是由轻量化的碳纤维管粘接而得到的，背部支架3的基座接头32与背部支架上横梁31在水平面上成三十度的夹角以确保关节在活动时不会碰到人的头部。

如图5所示，本实施例中每个上肢训练装置4，包括肩关节第一组件5、肩关节第二组件6、肩关节第三组件7、肘关节8、末端组件9；上肢训练装置中的肩关节第一组件5分别安装在背部支架3的基座接头32上，肩关节第一组件5、肩关节第二组件6和肩关节第三组件7依次通过肩关节曲柄一510和肩关节曲柄二610连接，肩关节第一组件5、肩关节第二组件6和肩关节第三组件7的三个轴线交于一点10，该点位于使用者肩关节的旋转中心点，六个肩关节轴分别经各自肩部钢丝绳133与气动肌肉执行组件1中各自的气动肌肉连接，两个肘关节轴经格子的肘部钢丝绳133与气动肌肉执行组件1中各自的气动肌肉连接。单臂部件共四个自由度，分别是肩关节的屈-伸、肩关节的内收-外展、肩关节的旋内-旋外和肘部的屈-伸转动副。

如图6所示，本实施例中带端头的钢丝绳133环绕在绕轮组件一517上且带端头的钢丝绳133(钢丝绳的端头)卡入卡扣5171中，然后卡扣5171通过螺丝压紧固定在绕轮组件一517上。本发明绕轮组件的结构形式相同，每个绕轮组件与钢丝绳133的连接方式也相同，即绕轮组件四627、绕轮组件三617、绕轮组件五717、绕轮组件六727、绕轮组件七817、绕轮组件八827、绕轮组件二527与绕轮组件一517的结构形式相同。

如图7所示，本实施例中所述肩关节第一组件5包括中轴一511、自润轴承一512、基座支撑杆一513、自润垫圈一514、输出摆杆一515、扭簧一516、绕轮组件一517、钢丝绳固定块一518、自润垫圈三519、肩关节曲柄一510、钢丝绳固定块二528、绕轮组件二527、扭簧二526、输出摆杆二525、自润垫圈二524、基座支撑杆二523、自润轴承二522、中轴二521；绕轮组件一517通过自润垫圈三519与绕轮组件二527相互连接，绕轮组件一517和输出摆杆一515互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧一516相连，输出摆杆一515另一侧通过自润垫圈一514连接基座支撑杆一513，基座支撑杆一513与自润轴承一512固联，自润轴承一512转动连接有中轴一511，绕轮组件二527，绕轮组件二527和输出摆杆二525互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧二526相连，输出摆杆二525另一侧通过自润垫圈二524连接有基座支撑杆二523，基座支撑杆二523与自润轴承二522固联，自润轴承二522转动连接有中轴二521，中轴一511与中轴二512先对心然后通过螺栓固定连接，基座支撑杆一513和基座支撑杆二523通过螺栓固定在背部支架3的基座接头32上，输出摆杆一515和输出摆杆二525通过螺栓与肩关节曲柄一510固定连接。这样，肩关节第一组件5的基座支撑杆与基座接头32通过螺栓固定连接，输出摆杆可绕中轴旋转且通过绕轮组件自带的限位块进行限位，在确保正常活动的情况下，也能将活动范围限制在安全的区域内，而两侧的扭簧则能够在气动肌肉停止工作时进行自张紧钢丝绳，防止钢丝绳脱轨。钢丝绳固定块一518、钢丝绳固定块二528分别连接在基座支撑杆一513和基座支撑杆二523上，用于固定钢丝绳。

如图8所示，本实施例中所述肩关节第二组件6包括中轴三611、自润轴承三612、基座支撑杆三613、自润垫圈三614、输出摆杆三615、扭簧三616、绕轮组件三617、钢丝绳固定块三618、自润垫圈六619、肩关节曲柄二610、钢丝绳固定块四628、绕轮组件四627、扭簧四626、输出摆杆四625、自润垫圈四624、基座支撑杆四623、自润轴承四622、中轴四621；绕轮组件三617通过自润垫圈六619与绕轮组件四627连接，绕轮组件三617和输出摆杆三615互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧三616相连，输出摆杆三615另一侧通过自润垫圈三614连接基座支撑杆三613，基座支撑杆三613与自润轴承三612固联，自润轴承三612转动连接有中轴三611，绕轮组件四627和输出摆杆四625互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧四626相连，输出摆杆四625另一侧通过自润垫圈四624与基座支撑杆四623连接，基座支撑杆四623与自润轴承四622固联，自润轴承四622转动连接有中轴四621，中轴三611与中轴四612先对心然后通过螺栓固定连接，基座支撑杆三613和基座支撑杆四623通过螺栓固定在肩关节曲柄一510上，输出摆杆三615和输出摆杆四625通过螺栓与肩关节曲柄二610固定连接。这样，肩关节曲柄一510和肩关节曲柄二610可通过肩关节第二组件6旋转，且通过绕轮组件自带的限位块进行限位，在确保正常活动的情况下，也能将活动范围限制在安全的区域内，而两侧的扭簧则能够在气动肌肉停止工作时进行自张紧钢丝绳，防止钢丝绳脱轨。钢丝绳固定块三618、钢丝绳固定块四628分别连接在基座支撑杆三613和基座支撑杆四623上，用于固定钢丝绳。

如图9所示，本实施例中所述肩关节第三组件7包括中轴五711、自润轴承五712、基座支撑杆五713、自润垫圈五714、输出摆杆五715、扭簧五716、绕轮组件五717、钢丝绳固定块五718、自润垫圈九719、大臂骨架710、钢丝绳固定块六728、绕轮组件六727、扭簧六726、输出摆杆六725、自润垫圈六724、基座支撑杆六723、自润轴承六722、中轴六721；绕轮组件五717通过自润垫圈九719与绕轮组件六727连接，绕轮组件五717和输出摆杆五715互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧五716相连，输出摆杆五715另一侧通过自润垫圈五714连接基座支撑杆五713，基座支撑杆五713与自润轴承五712固联，自润轴承五712转动连接有中轴五711，绕轮组件六727和输出摆杆六725互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧六726相连，输出摆杆六725另一侧通过自润垫圈六724与基座支撑杆六723连接，基座支撑杆六723与自润轴承六722固联，自润轴承六722转动连接有中轴六721，中轴五711与中轴六712先对心然后通过螺栓固定连接，基座支撑杆五713和基座支撑杆六723通过螺栓固定在肩关节曲柄二610上，输出摆杆五715和输出摆杆六725通过螺栓与大臂骨架710固定连接。这样，肩关节曲柄二610和大臂骨架710可通过肩关节第三组件7旋转，且通过绕轮组件自带的限位块进行限位，在确保正常活动的情况下，也能将活动范围限制在安全的区域内，而两侧的扭簧则能够在气动肌肉停止工作时进行自张紧钢丝绳，防止钢丝绳脱轨。钢丝绳固定块五718、钢丝绳固定块六728分别连接在基座支撑杆五713和基座支撑杆六723上，用于固定钢丝绳。

本发明中，绕轮组件一517和绕轮组件二527反向安装，绕轮组件三617和绕轮组件四627反向安装，绕轮组件五717和绕轮组件六727反向安装，绕轮组件七817和绕轮组件八827反向安装，从而实现各个关节的双向驱动

如图10所示，本实施例中所述肘关节8，包括中轴七811、自润轴承七812、基座支撑杆七813、自润垫圈七814、输出摆杆七815、扭簧七816、绕轮组件七817、钢丝绳固定块七818、自润垫圈十二819、小臂骨架810、钢丝绳固定块八828、绕轮组件八827、扭簧八826、输出摆杆八825、自润垫圈八824、基座支撑杆八823、自润轴承八822、中轴八821；绕轮组件七817通过自润垫圈十二819与绕轮组件八827连接，绕轮组件七817和输出摆杆七815互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧七816相连，输出摆杆七815另一侧通过自润垫圈七814连接基座支撑杆七813，基座支撑杆七813与自润轴承七812固联，自润轴承七812转动连接有中轴七811，绕轮组件八827和输出摆杆八825互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过可拆卸连接的扭簧八826相连，输出摆杆八825另一侧通过自润垫圈八824连接基座支撑杆八823，基座支撑杆八823与自润轴承八822固联，自润轴承八822转动连接中轴八821，中轴七811与中轴八812先对心然后通过螺栓固定连接，基座支撑杆七813和基座支撑杆八823通过螺栓固定在大臂骨架710上，输出摆杆七815和输出摆杆八825通过螺栓与小臂骨架810固定连接。钢丝绳固定块七818、钢丝绳固定块八828分别连接基座支撑杆七813和基座支撑杆八823上，用于固定钢丝绳。

如图11所示，本实施例中所述末端组件9包括弧形护腕91、六维力矩传感器92、转接头93；转接头93通过螺栓连接六维力矩传感器92，六维力矩传感器92另一侧通过螺栓固定弧形护腕91，转接头93插入小臂骨架810的圆孔后通过螺栓固定连接。最后用绑带将患者手腕绑在弧形护腕上。

本发明工作过程中，气动肌肉执行组件1单独放置于室内，可穿戴外骨骼组件2通过绑带与人体的背部、腰部、手臂等处固定，可穿戴外骨骼组件2通过带套管的钢丝绳与气动肌肉组件13相连，气动肌肉组件13工作时进行的伸缩运动经钢丝绳的传动带动各关节绕各自的中轴旋转，由于钢丝绳的传动是单向的，所以每个关节绕轮组件分别经两根钢丝绳与两根气动肌肉相连，从而可以使关节做往复运动，最终带动患者的上肢做康复运动。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案：本发明是一款气动肌肉驱动结合钢丝绳传动的具有动态力矩反馈的的康复机器人，气动肌肉在柔顺性和安全性上不言而喻，具有动态力矩反馈的康复机器人关节可以实现康复患者的被动康复训练，还可以辅助患者进行主动康复训练，对康复过程中的患者进行力补偿或力仿真，从康复方式的多样性和康复效果来讲都大有好处；为克服了气缸物理尺寸在布局上的局限性，将驱动执行器(即气动肌肉执行组件1)从外骨骼本体剥离出来，大大的降低了外骨骼的重量、简化了结构。并且各关节均采用高强度的铝合金加工的薄壁结构，轴承采用结构紧凑轻质的自润轴承，相关骨架采用碳纤维管材，目的就是为了尽可能的降低重量，使结构更紧凑；气动肌肉因为是单向作用，为了实现机器人关节的双向驱动，本发明中设计了一种由两根气动肌肉通过钢丝绳双向驱动的机器人关节，但钢丝绳在工作过程中存在长度上的伸缩，在启停状态切换时易造成钢丝绳脱轨为此在关节中安装了扭簧可以实现自动张紧，防止脱轨。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，包括气动肌肉执行组件(1)和可穿戴外骨骼组件(2)；气动肌肉执行组件(1)包括支撑框架(12)、顶部连接板(11)和底部连接板(14)，支撑框架(12)设置气动肌肉组件(13)，其特征在于：可穿戴外骨骼组件(2)通过钢丝绳(133)与气动肌肉组件(13)相连，气动肌肉组件(13)的伸缩经钢丝绳(133)的传动从而带动外骨骼关节的活动，单根气动肌肉组件(13)包括钢丝绳连接头(132)、钢丝绳(133)、气动肌肉(134)、气管接头(135)、气动肌肉转接头(136)、拉压力传感器(137)、力传感器转接头(138)；气动肌肉(134)上端连接钢丝绳连接头(132)，端部钢丝绳(133)穿过顶部连接板(11)卡入钢丝绳连接头(132)中，气动肌肉(134)下端通过气动肌肉转接头(136)连接拉压力传感器(137)，拉压力传感器(137)另一端通过力传感器转接头(138)与底部连接板(14)固定连接，气动肌肉(134)上设置气管接头(135)。

2.根据权利要求1所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：还包括钢丝绳套管(131)，钢丝绳套管(131)设置在钢丝绳(133)与顶部连接板(11)连接处。

3.根据权利要求1所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：可穿戴外骨骼组件(2)包括背部支架(3)和上肢训练装置(4)，上肢训练装置(4)固定在背部支架(3)上；背部支架(3)包括背部支架上横梁(31)、基座接头(32)、背部支架竖梁(33)、背部支架下横梁(34)；背部支架上横梁(31)、背部支架竖梁(33)、背部支架下横梁(34)组成一个倒工字形结构，背部支架下横梁(34)比背部支架上横梁(31)短，基座接头(32)对称设置在背部支架上横梁(31)两侧；基座接头(32)与背部支架上横梁(31)在水平面上成三十度的夹角。

4.根据权利要求3所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：每个上肢训练装置(4)包括肩关节第一组件(5)、肩关节第二组件(6)、肩关节第三组件(7)、肘关节(8)、末端组件(9)；肩关节第一组件(5)安装在基座接头(32)上，肩关节第一组件(5)、肩关节第二组件(6)和肩关节第三组件(7)依次通过肩关节曲柄一(510)和肩关节曲柄二(610)连接，肩关节第一组件(5)、肩关节第二组件(6)和肩关节第三组件(7)的三个轴线交于一点，该点位于使用者肩关节的旋转中心点。

5.根据权利要求4所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：肩关节第一组件(5)结构为：绕轮组件一(517)通过自润垫圈三(519)与绕轮组件二(527)相互连接，绕轮组件一(517)和输出摆杆一(515)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧一(516)相连，输出摆杆一(515)另一侧通过自润垫圈一(514)连接基座支撑杆一(513)，基座支撑杆一(513)与自润轴承一(512)固联，自润轴承一(512)转动连接有中轴一(511)，绕轮组件二(527)，绕轮组件二(527)和输出摆杆二(525)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧二(526)相连，输出摆杆二(525)另一侧通过自润垫圈二(524)连接基座支撑杆二(523)，基座支撑杆二(523)与自润轴承二(522)固联，自润轴承二(522)转动连接中轴二(521)，基座支撑杆一(513)和基座支撑杆二(523)固定连接在基座接头(32)上，输出摆杆一(515)和输出摆杆二(525)连接在肩关节曲柄一(510)上。

6.根据权利要求5所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：肩关节第二组件(6)结构为：绕轮组件三(617)通过自润垫圈六(619)与绕轮组件四(627)连接，绕轮组件三(617)和输出摆杆三(615)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧三(616)相连，输出摆杆三(615)另一侧通过自润垫圈三(614)连接基座支撑杆三(613)，基座支撑杆三(613)与自润轴承三(612)固联，自润轴承三(612)转动连接中轴三(611)，绕轮组件四(627)和输出摆杆四(625)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧四(626)相连，输出摆杆四(625)另一侧通过自润垫圈四(624)与基座支撑杆四(623)连接，基座支撑杆四(623)与自润轴承四(622)固联，自润轴承四(622)转动连接有中轴四(621)，基座支撑杆三(613)和基座支撑杆四(623)连接在肩关节曲柄一(510)上，输出摆杆三(615)和输出摆杆四(625)连接肩关节曲柄二(610)上。

7.根据权利要求6所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：肩关节第三组件(7)结构为：绕轮组件五(717)通过自润垫圈九(719)与绕轮组件六(727)连接，绕轮组件五(717)和输出摆杆五(715)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧五(716)相连，输出摆杆五(715)另一侧通过自润垫圈五(714)连接基座支撑杆五(713)，基座支撑杆五(713)与自润轴承五(712)固联，自润轴承五(712)转动连接中轴五(711)，绕轮组件六(727)和输出摆杆六(725)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧六(726)相连，输出摆杆六(725)另一侧通过自润垫圈六(724)与基座支撑杆六(723)连接，基座支撑杆六(723)与自润轴承六(722)固联，自润轴承六(722)转动连接有中轴六(721)，基座支撑杆五(713)和基座支撑杆六(723)连接在肩关节曲柄二(610)上，输出摆杆五(715)和输出摆杆六(725)连接在大臂骨架(710)上。

8.根据权利要求7所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：述肘关节(8)，结构为：绕轮组件七(817)通过自润垫圈十二(819)与绕轮组件八(827)连接，绕轮组件七(817)和输出摆杆七(815)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧七(816)相连，输出摆杆七(815)另一侧通过自润垫圈七(814)连接基座支撑杆七(813)，基座支撑杆七(813)与自润轴承七(812)固联，自润轴承七(812)转动连接有中轴七(811)，绕轮组件八(827)和输出摆杆八(825)互相配合的一侧各自设有限位转动止口且通过扭簧八(826)相连，输出摆杆八(825)另一侧通过自润垫圈八(824)连接基座支撑杆八(823)，基座支撑杆八(823)与自润轴承八(822)固联，自润轴承八(822)转动连接中轴八(821)，基座支撑杆七(813)和基座支撑杆八(823)连接在大臂骨架(710)上，输出摆杆七(815)和输出摆杆八(825)连接在小臂骨架(810)上。

9.根据权利要求8所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：末端组件(9)包括弧形护腕(91)、六维力矩传感器(92)、转接头(93)；转接头(93)通过螺栓连接六维力矩传感器(92)，六维力矩传感器(92)另一侧通过螺栓固定弧形护腕(91)，转接头(93)插入小臂骨架(810)的圆孔后通过螺栓固定连接。

10.根据权利要求9所述的带自张紧功能钢丝绳传动的上肢康复臂，其特征在于：钢丝绳(133)环绕在绕轮组件一(517)上，钢丝绳(133)卡入卡扣(5171)中，卡扣(5171)固定在绕轮组件一(517)上，绕轮组件四(627)、绕轮组件三(617)、绕轮组件五(717)、绕轮组件六(727)、绕轮组件七(817)、绕轮组件八(827)或绕轮组件二(527)与钢丝绳(133)的连接方式与绕轮组件一(517)与钢丝绳(133)的连接方式相同；绕轮组件一(517)和绕轮组件二(527)反向安装，绕轮组件四(627)和绕轮组件三(617)反向安装，绕轮组件五(717)和绕轮组件六(727)反向安装，绕轮组件七(817)和绕轮组件八(827)反向安装。