CN109953867B - 一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人 - Google Patents

一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，腕部掌屈/背屈运动组件、前臂内旋/外旋运动组件、肘部屈伸运动组件连接依次连接，肘部屈伸运动组件和上臂固定组件均与盂肱关节运动组件连接，盂肱关节运动组件与肩胛带运动组件连接，肩胛带运动组件与升降组件连接，套索驱动单元分别与上述各运动组件连接，轮椅基座组件用于支撑整个上肢助力机器人。本发明可有效避免人机肩部运动奇异位形与干扰，提升肩部运动范围，复现人体肩部复合体运动功能，减少肩部并发症；本发明主要用于中风、偏瘫等上肢运动功能障碍患者上肢的日常动作助力与康复训练，提高训练过程中患者认知能力参与性，利于脑功能重塑。

Description

一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术人体生物力学和医疗康复领域，具体地说是一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人。
背景技术
我国中风发病率世界第一，随着生活节奏和人口老龄化加快、生活压力增大，心脑血管及神经系统疾病造成的中风偏瘫患者逐年增加，其中约3/4患者有不同程度的神经损伤和功能运动障碍，严重影响生活质量。研究表明，人体中枢神经系统具有高度可塑性，对于中风偏瘫等上肢运动功能障碍患者，除早期手术治疗和必要的药物治疗外，尽早介入科学有效的康复训练，有助于促进神经系统的功能重组、代偿和再生，恢复中枢神经对肢体运动的支配与控制，增强肌肉力量，提高患者上肢运动能力，并有效预防肌肉萎缩，关节挛缩等并发症。然而，人体上肢动作精细，上肢功能在大脑中占有较大区域，功能恢复较慢。传统的上肢康复训练多依赖治疗师通过人力协调患者完成被动康复训练，存在诸多局限，如患者认知能力参与性差，训练方法单一枯燥，不利于脑功能重塑；康复效率低，劳动强度大；治疗效果受医生经验和水平影响较大，无法精确控制训练参数；无法对康复训练进行客观评价等，影响整体功能的恢复。
因此，将外骨骼机器人及相关技术引入临床康复医学领域辅助或替代医生完成患者康复训练尤为重要。外骨骼式上肢康复机器人可穿戴于患肢外侧，对对患肢多关节进行准确、持续、有效的康复训练治疗，将上肢训练和认知训练相结合，增强患者认知能力参与性，提高功能运动意识，利于脑功能重塑，同时可延缓上肢肌肉萎缩和关节挛缩，提高患者运动能力，改善患者生活质量；另一方面，通过感知系统可对人机交互力信息、人体运动学和生理学数据实时记录，实时定量评估康复训练效果，为改进和优化康复方案提供客观依据。
外骨骼式康复机器人是典型的人机一体化系统，人-机关节运动轴线不匹配会造成关节疼痛、运动空间受限等影响康复训练效果，甚至造成患肢二次伤害，因此，康复外骨骼设计时要求尽可能实现人-机关节运动轴线相匹配。然而，目前的上肢康复外骨骼在该方面仍存在较大缺陷。
以人体肩部运动为例，人体肩部是由盂肱关节和肩胛带组成的肩部复合体，具有灵活性、高稳定性差的特点。盂肱关节为球窝关节，肩胛带是由肩锁关节、胸锁关节和肩胛胸壁关节组成的运动链，任意单个关节无法独立运动。当肱骨上抬时，锁骨相对胸骨绕胸锁关节转动，肩胛骨相对锁骨绕肩锁关节转动，同时也会在胸骨表面侧滑，从而带动盂肱关节窝向上倾斜，这个复杂协调运动过程使得盂肱关节转动中心出现漂移，实现肱骨大范围内运动。因此，肩部复合体运动中，肩胛带可为盂肱关节转动中心提供冠状面的前伸/后缩和水平面的上提/下落两个运动。然而，现有上肢康复外骨骼通常采用三个轴线垂直相交的旋转关节等效人体肩部运动，该方案仅考虑盂肱关节运动，忽略肩胛带运动，导致在肱骨大范围运动时会造成人-机肩部运动奇异位形与干扰，同时，中风患者由于神经受损，无法自主产生肩胛带运动，只有依靠移动躯干来补偿肩胛带运动，大大降低康复训练效果，并极易产生其他并发症；个别上肢康复外骨骼考虑了肩胛带运动，并由胸锁关节升降运动带动盂肱关节升降运动，该方案导致外骨骼与人体肩胛带运动轴线不匹配，影响康复训练效果，存在安全隐患。
同时，现有上肢康复外骨骼普遍要求患者手握手柄进行上肢康复训练，需要患者手部具备一定抓握能力，因此无法对手部肌力较低患者及截瘫患者进行助力及康复训练；同时，手掌手背部无固定装置，严重影响腕部关节康复效果。
另一方面，传统康复外骨骼驱动电机集成在关节处，使外骨骼执行机构具有较大质量和惯量，增加驱动性能要求，降低控制精度及稳定性，存在系统故障时患肢坠落的安全隐患。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人。该上肢助力机器人适用于中风、偏瘫、截瘫等上肢运动功能障碍患者进行上肢日常动作助力与康复训练。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括用于支撑上肢助力机器人的轮椅基座，该轮椅基座的两侧结构相同，每侧均包括依次连接的腕部掌屈/背屈运动组件、前臂内旋/外旋运动组件、肘部屈伸运动组件、盂肱关节运动组件及肩胛带运动组件，其中腕部掌屈/背屈运动组件、前臂内旋/外旋运动组件及肘部屈伸运动组件分别具有带动各自运动组件转动的套索驱动轮，所述盂肱关节运动组件包括依次串联的盂肱前伸/后缩关节、盂肱内旋/外旋关节及盂肱外展/内收关节，所述肩胛带运动组件包括彼此串联的肩胛带前伸/后缩关节及肩胛带上提/下落关节，所述盂肱前伸/后缩关节与肘部屈伸运动组件相连，所述上臂固定组件连接于该盂肱前伸/后缩关节，所述盂肱外展/内收关节与所述肩胛带前伸/后缩关节连接，所述肩胛带上提/下落关节与所述轮椅基座相连；所述盂肱前伸/后缩关节、盂肱内旋/外旋关节、盂肱外展/内收关节、肩胛带前伸/后缩关节、肩胛带上提/下落关节及腕部掌屈/背屈运动组件、前臂内旋/外旋运动组件和肘部屈伸运动组件各自的套索驱动轮分别通过一个套索驱动单元控制，各所述套索驱动单元分别安装在轮椅基座上；所述外骨骼式上肢助力机器人通过各套索驱动单元的驱动控制具有腕部的掌屈/背屈、前臂的内旋/外旋、肘部屈伸以及盂肱关节的前伸/后缩、外展/内收、内旋/外旋和肩胛带的上提/下落、前伸/后缩八个自由度；
其中：所述腕部掌屈/背屈运动组件包括软体束缚带A、软体束缚带B、软体束缚带C、末端辅助手柄、软体靠模手背靠板、腕部摆动板、腕部摆动支撑架、多维力传感器、腕部掌屈/背屈安装座、角度编码器A、角度编码器支撑板A、套索安装定位块A、套索安装定位板、腕部掌屈/背屈限位板、同步带A、拉线、套索驱动轮A及驱动轮转轴A，该手背靠板与手掌接触的一侧安装有软体靠模，所述软体束缚带B与软体束缚带C的两端分别固定于该软体靠模的上下边缘，所述手背靠板的另一侧通过多维力传感器与腕部摆动板相连，该多维力传感器通过在手背靠板上开设有槽型孔实现位置可调，进而实现该手背靠板与腕部摆动板之间相对距离的调整，并在调整好后锁紧于所述手背靠板；所述手背靠板上分别安装有末端辅助手柄及软体束缚带A，该末端辅助手柄安装在所述手背靠板的末端，所述软体束缚带A的两端均固定于手背靠板的背侧，并对所述软体束缚带B、末端辅助手柄及患者五个手指进行包络；所述腕部摆动支撑架的一端与腕部摆动板的一端转动连接，该腕部摆动板的另一端与所述套索驱动轮A连动、且与所述驱动轮转轴A固接，所述腕部摆动支撑架的另一端与该驱动轮转轴A转动连接；所述腕部摆动支撑架上安装有套索安装定位板，角度编码器A通过角度编码器支撑板A安装在该套索安装定位板上，角度编码器支撑板A通过其上开设的槽型孔实现在套索安装定位板上的安装位置可调，进而实现所述角度编码器A与驱动轮转轴A之间中心距的调整，并在调整好后锁紧于所述套索安装定位板；所述角度编码器A通过同步带A与驱动轮转轴A相连，所述套索驱动轮A通过拉线与所述套索驱动单元相连，该拉线分别由套索安装定位板及安装在套索安装定位板上的套索安装定位块A穿过；所述腕部摆动支撑架上安装有腕部掌屈/背屈限位板，该腕部掌屈/背屈限位板的一端固定在腕部摆动支撑架上，另一端位于所述套索驱动轮A的下方；所述套索驱动轮A上分别开设有腕部掌屈/背屈限位螺纹孔及用于固定拉线的拉线安装孔，该腕部掌屈/背屈限位螺纹孔上安装有随套索驱动轮A转动的螺栓，所述螺栓在转动过程中通过腕部掌屈/背屈限位板的另一端进行限位；所述套索驱动轮A由套索驱动单元驱动旋转，进而通过所述腕部摆动板带动手背靠板进行掌屈/背屈；所述腕部摆动支撑架安装有腕部掌屈/背屈安装座，所述腕部掌屈/背屈运动组件通过该腕部掌屈/背屈安装座与前臂内旋/外旋运动组件连接；
所述前臂内旋/外旋运动组件包括同步带轮转接件、同步带轮A、同步带B、同步带轮B、同步带轮调整杆、同步带轮轴、连杆A、连杆B、连杆C、连杆D、内旋/外旋保持架、套索驱动轮B、驱动轮转轴B、前臂内旋/外旋限位板、角度编码器B及角度编码器支撑板B，该内旋/外旋保持架的一端位置可调地与所述肘部屈伸运动组件连接，另一端分别固接有连杆D、前臂内旋/外旋限位板和角度编码器支撑板B，所述连杆A为“T”形，该“T”形一条边的一端与连杆B转动连接，该连杆B的另一端与所述连杆D的一端转动连接，所述同步带轮B和连杆C的一端固定连接，并与所述“T”形一条边的另一端转动连接，该连杆C的另一端及套索驱动轮B分别固接于驱动轮转轴B上，该驱动轮转轴B与所述连杆D的另一端转动连接；所述同步带轮转接件与腕部掌屈/背屈运动组件连接，该同步带轮转接件和同步带轮A分别固定安装在同步带轮轴上，并与所述同步带轮调整杆的一端转动连接，该同步带轮调整杆的另一端通过开设的槽型孔实现与“T”形连杆A的另一条边位置可调地相连，进而调整所述同步带轮A与同步带轮B之间的中心距离；“T”形所述连杆A的另一条边上开设导向槽，所述同步带轮调整杆的另一端在该导向槽内移动，并在移动到位后锁紧，所述同步带二安装在同步带轮A和同步带轮B上；所述连杆A、连杆B、连杆C、连杆D形成的平行四边形机构，所述同步带轮A、同步带B、同步带轮B形成的同步带传动机构，所述套索驱动轮B通过拉线与所述套索驱动单元相连，该套索驱动轮B由套索驱动单元驱动旋转，进而通过所述平行四边形机构和同步带传动机构带动同步带轮转接件绕前臂内旋/外旋转轴中心线同步转动，所述前臂内旋/外旋转轴中心线与人体前臂内旋/外旋转轴中心线在运动范围内重合，且所述前臂内旋/外旋转轴中心线与腕部掌屈/背屈轴线转动垂直相交于点O；所述前臂内旋/外旋限位板的一端固定在内旋/外旋保持架上，另一端位于所述套索驱动轮B的下方；所述套索驱动轮B上分别开设有前臂内旋/外旋限位螺纹孔及用于固定拉线的拉线安装孔，该前臂内旋/外旋限位螺纹孔上安装有随套索驱动轮B转动的螺栓，所述螺栓在转动过程中通过前臂内旋/外旋限位板的另一端进行限位；所述角度编码器B安装在角度编码器支撑板B上，并与所述驱动轮转轴B连接；
所述肘部屈伸运动组件包括与前臂内旋/外旋运动组件连接的肘部屈伸执行臂及与盂肱关节运动组件连接的肘部屈伸支撑臂，该肘部屈伸执行臂通过旋转装置与肘部屈伸支撑臂转动连接；所述旋转装置包括套索驱动轮C、空心轴、拉线及套索安装定位块A，该空心轴安装在肘部屈伸支撑臂上，所述套索驱动轮C转动安装于空心轴上、并与所述肘部屈伸执行臂相连；在所述肘部屈伸支撑臂朝向肘部屈伸执行臂的一面、位于套索驱动轮C的两侧，分别安装有套索安装定位块A，每个所述套索安装定位块A内均穿入有拉线，该拉线由所述套索驱动轮C上绕过，一端通过所述套索安装定位块A定位支撑锁紧，另一端与所述套索驱动单元相连；所述空心轴内侧连接有角度编码器C，该空心轴内部容置有编码器延长套，所述编码器延长套的两端分别与角度编码器C的转轴和套索驱动轮C相连；所述肘部屈伸支撑臂朝向肘部屈伸执行臂的一面开设有限位弧形槽，所述套索驱动轮C上开设有限位螺纹孔，通过限位装置插入该限位弧形槽及限位螺纹孔内进行限位；
所述盂肱关节运动组件包括依次串联的盂肱前伸/后缩关节、盂肱内旋/外旋关节及盂肱外展/内收关节，该盂肱前伸/后缩关节的盂肱前伸/后缩关节旋转轴中心线、盂肱内旋/外旋关节的盂肱内旋/外旋关节旋转轴中心线及盂肱外展/内收关节的盂肱外展/内收旋转轴中心线非垂直相交于盂肱关节运动中心；所述盂肱前伸/后缩关节包括通过旋转装置转动连接的盂肱前伸/后缩执行臂和盂肱前伸/后缩支撑臂，该盂肱前伸/后缩执行臂与所述上臂固定组件相连，所述盂肱内旋/外旋关节包括通过旋转装置转动连接的盂肱内旋/外旋执行臂和盂肱内旋/外旋支撑臂，所述盂肱外展/内收关节包括通过旋转装置转动连接的盂肱外展/内收执行臂和盂肱外展/内收支撑臂，该盂肱外展/内收支撑臂与所述肩胛带运动组件相连；盂肱前伸/后缩支撑臂、盂肱内旋/外旋执行臂、盂肱内旋/外旋支撑臂及盂肱外展/内收执行臂上分别均匀开设有多个螺栓孔，该盂肱内旋/外旋执行臂及盂肱外展/内收执行臂上均设有凹槽，所述盂肱前伸/后缩支撑臂、盂肱内旋/外旋支撑臂通过该凹槽分别与盂肱内旋/外旋执行臂及盂肱外展/内收执行臂插接、并可调整盂肱前伸/后缩支撑臂与盂肱内旋/外旋执行臂之间以及盂肱内旋/外旋支撑臂与盂肱外展/内收执行臂之间的间距，在调整好后通过螺栓插入螺栓孔中固定；各所述旋转装置均与各自的套索驱动单元连接，由各自的所述套索驱动单元提供盂肱关节的前伸/后缩、内旋/外旋及外展/内收的驱动力矩；
所述上臂固定组件包括上臂保持架、软体束缚带、上臂支撑杆及多维力传感器B，该上臂支撑杆的两端分别连接有上臂保持架，两端的所述上臂保持架的一侧均安装在所述上臂支撑杆上开设的导向沟槽内、可在该导向沟槽内移动，并在间距调整好后与所述上臂支撑杆定位锁紧，两端的所述上臂保持架的另一侧内部附着有软体束缚带；在所述上臂支撑杆上安装有用于连接上臂支撑杆和盂肱关节运动组件的多维力传感器B；
所述肩胛带运动组件包括彼此串联的肩胛带前伸/后缩关节及肩胛带上提/下落关节，该肩胛带前伸/后缩关节包括肩胛带伸缩执行臂、肩胛带伸缩支撑臂、旋转装置及肩胛带伸缩摆动臂组件，该肩胛带伸缩执行臂与肩胛带伸缩支撑臂相对设置，并通过两组所述伸缩摆动臂组件相连，形成可伸缩的平行四边形机构；每组伸缩摆动臂组件均包括彼此可伸缩相连的肩胛带伸缩摆动臂A和肩胛带伸缩摆动臂B，两组中的肩胛带伸缩摆动臂A和肩胛带伸缩摆动臂B中的任一个的一端通过所述旋转装置与肩胛带伸缩执行臂或肩胛带伸缩支撑臂转动连接，其余的伸缩摆动臂的一端与肩胛带伸缩执行臂或肩胛带伸缩支撑臂转动连接，所述肩胛带伸缩摆动臂A及肩胛带伸缩摆动臂B的另一端间距可调地相互连接；所述肩胛带上提/下落关节包括肩胛带上提/下落支撑臂及旋转装置，该肩胛带上提/下落支撑臂通过所述旋转装置与肩胛带伸缩支撑臂相连；所述旋转装置与各自的套索驱动单元连接，由各自的所述套索驱动单元提供肩胛带的前伸/后缩以及上提/下落的驱动力矩；
所述肩胛带伸缩执行臂上安装有导轨，该导轨上滑动连接有滑块，所述滑块上安装有沿导轨往复滑动的连接板；
所述套索驱动单元包括动力源、驱动安装架、套索主动轮、扭矩传感器、刹车豆、涨紧调整架、支撑板、导向板、调节螺栓及套索安装定位块B，该动力源安装在驱动安装架上，输出端连接有套索主动轮，所述套索主动轮上安装有两个刹车豆；所述涨紧调整架的一端开有涨紧导向孔，另一端安装有支撑板，该支撑板上设有调节螺栓，所述驱动安装架上延伸有导向板，该导向板由所述涨紧导向孔穿过，所述调节螺栓与导向板抵接；所述涨紧调整架上安装有两个套索安装定位块B，所述套索主动轮上缠绕有两根拉线，每根拉线的一端均固定在一个所述刹车豆上，另一端由一个所述套索安装定位块B穿过后与所述旋转装置连接；所述动力源的输出端安装有扭矩传感器；所述涨紧调整架呈“L”形，所述涨紧导向孔开设在该“L”形的一边，并在该边上开设有用于固定套索安装定位块B的限位槽；所述支撑板固定在该“L”形另一边的端部，在该边上开有槽孔，通过旋拧所述调节螺栓使导向板与涨紧调整架相对移动，进而调整所述涨紧调整架与套索主动轮之间的距离；调整好后的所述导向板通过螺栓插入槽孔中锁紧固定；
所述轮椅基座的座椅下方设置有各所述套索驱动单元的安装平面，在该轮椅基座的背部设置有升降组件安装孔，所述升降组件安装于所述轮椅基座上；所述升降组件包括升降平台、锁紧手柄、导向支撑杆、水平定位块和底部支撑定位块，该升降平台用于安装整个外骨骼式上肢助力机器人，采用手动升降或电动升降方式进行高度调节，所述升降平台上设置有对外骨骼式上肢助力机器人进行左右间距调整、适应不同患者胸锁关节宽度的槽孔与导向键槽；所述锁紧手柄连接于升降平台上，对所述升降平台进行调整后锁紧；所述导向支撑杆用于支撑升降平台及升降调整导向；所述导向支撑杆通过水平定位块和底部支撑定位块固定安装在所述轮椅基座的背部，所述水平定位块可对导向支撑杆进行水平定位及固定，所述底部支撑定位块可对导向支撑杆进行底部支撑。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发采用回转机构和平行四边形机构组合方式设计肩胛带组件，将外骨骼肩胛带的前伸/后缩、上提/下落运动传递到以胸锁关节为中心的前伸/后缩、上提/下落运动，复现人体肩胛带运动功能，解决偏瘫患者肩胛带康复训练问题，同时有效避免人机肩部运动奇异位形，提高人机运动相容性。
2.本发明采用串联式三轴线非垂直相交的旋转关节组件来等效人体盂肱关节，解决现有外骨骼无法实现肱骨大范围运动问题，有效避免人—机肩部运动干扰，提高人体肩部康复运动范围。
3.本发明采用平行四边形机构和同步带传动机构串联的方式实现前臂内旋/外旋运动，相比传统的以圆弧导轨的方式或多平行四边形方式，大幅简化关节结构，减小关节体积及重量，利于实现轻量化、模块化设计，避免人机运动干扰。
4.本发明设计腕部掌屈/背屈运动组件，采用软体束缚带与软体靠模对患者手部进行固定，解决了现有上肢康复外骨骼无法针对手部无力患者的腕部康复训练，提高不同肌力等级患者穿戴适用性、舒适性和稳固性。
5.本发明可实现肩部、肘部、腕部等完整上肢的多关节复合运动，并根据患者实际肌力等级给予对应的训练模式，如被动、助力、主动、抗阻等，提高训练过程中患者认知能力参与性，利于脑功能重塑。
6.本发明通过角度编码器、扭矩传感器和多维力传感器等感知系统，可对康复训练过程中人机交互力信息、人体运动学和生理学数据进行实时记录，定量评估患者病情及制定康复训练方案，有效提升康复训练效果，减少并发症产生。
7.本发明采用套索驱动单元为外骨骼运动关节提供扭矩驱动，实现驱动与执行机构的分离，有效减小执行机构的质量和惯量，实现外骨骼轻量化设计，提高系统运动稳定性、安全性和穿戴舒适性。
8.本发明广泛适用于中风、偏瘫等上肢运动功能障碍患者的上肢完整动作助力及康复训练，同时亦可针对单个关节及组合关节进行日常动作助力与康复训练。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明腕部掌屈/背屈运动组件的立体结构示意图；
图3为图2中腕部摆动支撑架下部的局部放大图之一；
图4为图2中腕部摆动支撑架下部的局部放大图之二；
图5为本发明前臂内旋/外旋运动组件的立体结构示意图之一；
图6为本发明前臂内旋/外旋运动组件的立体结构示意图之二；
图7为本发明前臂内旋/外旋运动组件的立体结构示意图之三；
图8为图5中套索驱动轮B处的局部放大图；
图9为本发明肘部屈伸运动组件的立体结构示意图；
图10为本发明旋转装置的结构剖视图；
图11为本发明盂肱关节运动组件的立体结构示意图之一；
图12为本发明盂肱关节运动组件的立体结构示意图之二；
图13为本发明上臂固定组件的立体结构示意图；
图14为本发明肩胛带运动组件一种结构的立体结构示意图；
图15为图5中肩胛带前伸/后缩关节的立体结构示意图；
图16为本发明肩胛带运动组件另一种结构的立体结构示意图；
图17为本发明升降组件的立体结构示意图；
图18为本发明套索驱动单元的立体结构示意图之一；
图19为本发明套索驱动单元的立体结构示意图之二；
图20为图18、图19中涨紧调整架的结构示意图；
图21为本发明轮椅基座的立体结构示意图；
其中：1000为腕部掌屈/背屈运动组件，2000为前臂内旋/外旋运动组件,3000为肘部屈伸运动组件,4000为上臂固定组件,5000为盂肱关节运动组件,6000为肩胛带运动组件,7000为升降组件,8000为套索驱动单元,9000为轮椅基座；
1001为软体束缚带A，1002为软体束缚带B，1003为软体束缚带C，1004为末端辅助手柄，1005为软体靠模，1006为手背靠板，1007为腕部摆动板，1008为润滑轴承，1009为腕部摆动支撑架，1010为多维力传感器A，1011为腕部掌屈/背屈安装座，1012为角度编码器A，1013为角度编码器支撑板A，1014为套索安装定位块A，1015为套索安装定位板，1016为腕部掌屈/背屈限位板，1017为同步带A，1018为拉线，1019为套索驱动轮A，1020为驱动轮转轴A，1021为拉线安装孔，1022为腕部掌屈/背屈限位螺纹孔；
2001为同步带轮转接件，2002为同步带轮A，2003为同步带B，2004为同步带轮B，2005为同步带轮调整杆，2006为同步带轮轴，2007为连杆A，2008为连杆B，2009为连杆C，2010为连杆D，2011为内旋/外旋保持架，2012为套索驱动轮B，2013为驱动轮转轴B，2014为前臂内旋/外旋限位板，2015为角度编码器B，2016为角度编码器支撑板B；
3001肘部屈伸执行臂，3002为套索驱动轮C，3003为编码器延长套，3004为空心轴，3005为肘部屈伸支撑臂，3006为角度编码器C，3007为限位螺纹孔，3008为套索安装定位块A，3009为限位弧形槽；
4001为上臂保持架，4002软体束缚带，4003上臂支撑杆，4004多维力传感器B，J7上臂保持架轴线；
5100为盂肱前伸/后缩关节，5101为盂肱前伸/后缩执行臂，5102为盂肱前伸/后缩支撑臂，5200为盂肱内旋/外旋关节，5201为盂肱内旋/外旋执行臂，5202为盂肱内旋/外旋支撑臂，5300为盂肱外展/内收关节，5301为盂肱外展/内收执行臂，5302为盂肱外展/内收支撑臂；
6100肩胛带前伸/后缩关节，6101肩胛带伸缩执行臂，6102肩胛带伸缩摆动臂A，6103肩胛带伸缩润滑轴承，6104肩胛带转轴，6105肩胛带伸缩摆动臂B，6106肩胛带伸缩支撑臂，6107肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置，6108为连接板，6109为凹槽，6110为螺栓孔，6111为滑块，6112为导轨，6200肩胛带上提/下落关节，6201肩胛带上提/下落执行臂，6202肩胛带上提/下落支撑臂，J8肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置旋转轴中心线，J9肩胛带上提/下落关节旋转轴中心线，K1肩胛带伸缩执行臂等效线；
7001升降平台，7002锁紧手柄，7003导向支撑杆，7004水平定位块，7005底部支撑定位块；
8001为驱动电机，8002为减速机，8004为驱动安装架，8005为套索主动轮，8006为扭矩传感器，8007为刹车豆，8008为涨紧调整架，8009为支撑板，8010为导向板，8011为调节螺栓，8012为槽孔，8013为套索安装定位块B，8014为涨紧导向孔，8015为限位槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明包括用于支撑上肢助力机器人的轮椅基座9000，该轮椅基座9000的两侧结构相同，每侧均包括依次连接的腕部掌屈/背屈运动组件1000、前臂内旋/外旋运动组件2000、肘部屈伸运动组件3000、盂肱关节运动组件5000及肩胛带运动组件6000，其中腕部掌屈/背屈运动组件1000、前臂内旋/外旋运动组件2000及肘部屈伸运动组件3000分别具有带动各自运动组件转动的套索驱动轮，盂肱关节运动组件5000包括依次串联的盂肱前伸/后缩关节5100、盂肱内旋/外旋关节5200及盂肱外展/内收关节5300，肩胛带运动组件6000包括彼此串联的肩胛带前伸/后缩关节6100及肩胛带上提/下落关节6200，盂肱前伸/后缩关节5100与肘部屈伸运动组件3000相连，上臂固定组件4000连接于该盂肱前伸/后缩关节5100，盂肱外展/内收关节5300与肩胛带前伸/后缩关节6100连接，肩胛带上提/下落关节6200与轮椅基座9000相连；盂肱前伸/后缩关节5100、盂肱内旋/外旋关节5200、盂肱外展/内收关节5300、肩胛带前伸/后缩关节6100、肩胛带上提/下落关节6200及腕部掌屈/背屈运动组件1000、前臂内旋/外旋运动组件2000和肘部屈伸运动组件3000各自的套索驱动轮分别通过一个套索驱动单元8000控制，各套索驱动单元8000分别安装在轮椅基座9000上。外骨骼式上肢助力机器人通过各套索驱动单元8000的驱动控制具有腕部的掌屈/背屈、前臂的内旋/外旋、肘部屈伸以及盂肱关节的前伸/后缩、外展/内收、内旋/外旋和肩胛带的上提/下落、前伸/后缩八个自由度。
如图2～4所示，腕部掌屈/背屈运动组件1000包括软体束缚带A1001、软体束缚带B1002、软体束缚带C1003、末端辅助手柄1004、软体靠模1005、手背靠板1006、腕部摆动板1007、润滑轴承1008、腕部摆动支撑架1009、多维力传感器1010、腕部掌屈/背屈安装座1011、角度编码器A1012、角度编码器支撑板A1013、套索安装定位块A1014、套索安装定位板1015、腕部掌屈/背屈限位板1016、同步带A1017、拉线1018、套索驱动轮A1019及驱动轮转轴A1020，软体靠模1005与手背靠板1006固定连接，提高穿戴舒适性；软体束缚带B1002和软体束缚带C1003固定于软体靠模1005的上下边缘，穿戴时软体束缚带B1002和软体束缚带C1003分居大拇指前后两侧，使患者手背部紧贴软体靠模1005。末端辅助手柄1004安装在手背靠板1006的末端，用于辅助患者手指抓握，软体束缚带A1001对末端辅助手柄1004、软体束缚带B1002及患者五个手指进行包络，并固定于手背靠板1006背侧，增强患肢手部稳固性；手背靠板1006通过多维力传感器A1010连接到腕部摆动板1007，手背靠板1006与腕部摆动板1007相对距离可进行调整并锁紧，以便适应不同患者手部尺寸；手背靠板1006上开设槽型孔，多维力传感器A1010与手背靠板1006之间距离调整好后通过螺栓锁紧，进而实现手背靠板1006与腕部摆动板1007相对距离可进行调整。多维力传感器A1010可对人机交互力信息及人体运动学和生理学数据进行检测与记录。腕部摆动板1007通过润滑轴承1008连接到腕部摆动支撑架1009，并可沿腕部掌屈/背屈转轴中心线J1转动，腕部掌屈/背屈转轴中心线J1与人体腕部掌屈/背屈轴线在运动范围内重合。腕部摆动支撑架1009与腕部掌屈/背屈安装座1011、套索安装定位板1015、腕部掌屈/背屈限位板1016固定连接，角度编码器A1012通过角度编码器支撑板A1013固定在套索安装定位板1015上，角度编码器A1012通过同步带A1017连接到驱动轮转轴A1020，且中心距可通过角度编码器支撑板A1013进行微调，用于检测患肢腕部位姿；角度编码器支撑板A1013上开设有槽型孔，角度编码器A1012与驱动轮转轴A1020之间的中心距调整好后，用螺栓将角度编码器支撑板A1013锁紧在套索安装定位板1015上。套索驱动轮A1019和腕部摆动板1007通过平键连接固定安装在驱动轮转轴A1020上，并通过润滑轴承1008连接到腕部摆动支撑架1009。腕部摆动支撑架1009上安装有腕部掌屈/背屈限位板1016，该腕部掌屈/背屈限位板1016的一端固定在腕部摆动支撑架1009上，另一端位于套索驱动轮A1019的下方，且另一端的两侧均为弧形；套索驱动轮A1019上分别开设有腕部掌屈/背屈限位螺纹孔1022及用于固定拉线1018的拉线安装孔1021，该腕部掌屈/背屈限位螺纹孔1022上安装有随套索驱动轮A1019转动的螺栓，螺栓在转动过程中通过腕部掌屈/背屈限位板1016的另一端进行限位。腕部掌屈/背屈安装座1011用于连接前臂内旋/外旋运动组件2000。拉线1018为两根，每根拉线1018的一端均缠绕在套索驱动轮A1019上，另一端分别由套索安装定位板1015及安装在套索安装定位板1015上的套索安装定位块A1014穿过，连接至其中一个套索驱动单元8000。
如图5～8所示，前臂内旋/外旋运动组件2000包括同步带轮转接件2001、同步带轮A2002、同步带B2003、同步带轮B2004、同步带轮调整杆2005、同步带轮轴2006、连杆A2007、连杆B2008、连杆C2009、连杆D2010、内旋/外旋保持架2011、套索驱动轮B2012、驱动轮转轴B2013、腕部内旋/外旋限位板2014、角度编码器B2015及角度编码器支撑板B2016，连杆A2007、连杆B2008、连杆C2009、连杆D2010构成平行四边形机构，用于实现同步带轮转接件2001绕前臂内旋/外旋转轴中心线J2的转动，但同步带轮转接件2001自身无法转动，同步带轮A2002、同步带B2003、同步带轮B2004构成同步带传动机构，用于实现同步带轮转接件2001的自身转动，两套机构串联实现同步带轮转接件2001绕前臂内旋/外旋转轴中心线J2同步转动，前臂内旋/外旋转轴中心线J2与人体前臂内旋/外旋转轴中心线在运动范围内重合，且前臂内旋/外旋转轴中心线J2与腕部掌屈/背屈轴线J1转动垂直相交于点O，符合人体仿生学结构。同步带轮转接件2001与腕部掌屈/背屈安装座1011固定连接，且相对距离可进行调整，以适应不同患者臂长。连杆A2007为“T”形，“T”形一条边的一端通过润滑轴承1008与连杆B2008转动连接，连杆B2008的另一端通过润滑轴承1008与连杆D2010的一端转动连接，同步带轮B2004和连杆C2009的一端通过平键固定连接，并通过润滑轴承1008与“T”形一条边的另一端转动连接，该连杆C2009的另一端及套索驱动轮B2012分别通过平键固定安装于驱动轮转轴B2013上，该驱动轮转轴B2013与连杆D2010的另一端通过润滑轴承1008转动连接；同步带轮转接件2001与腕部掌屈/背屈运动组件1000连接，该同步带轮转接件2001和同步带轮A2002通过平键分别固定安装在同步带轮轴2006上，并通过润滑轴承1008与同步带轮调整杆2005的一端转动连接，该同步带轮调整杆2005的另一端与“T”形连杆A2007的另一条边相连，同步带B2003安装在同步带轮A2002和同步带轮B2004上。同步带轮调整杆2005的另一端通过开设的槽型孔实现与“T”形连杆A2007的另一条边位置可调，进而调整同步带轮A2002与同步带轮B2004之间的中心距离；“T”形连杆A207的另一条边上开设导向槽，同步带轮调整杆2005的另一端在该导向槽内移动，并在移动到位后锁紧。内旋/外旋保持架2011上安装有前臂内旋/外旋限位板2014，该前臂内旋/外旋限位板2014的一端固定在内旋/外旋保持架2011上，另一端位于套索驱动轮B2012的下方，另一端的两侧均为弧形；套索驱动轮B2012上分别开设有前臂内旋/外旋限位螺纹孔及用于固定拉线1018的拉线安装孔，该前臂内旋/外旋限位螺纹孔上安装有随套索驱动轮B2012转动的螺栓，螺栓在转动过程中通过前臂内旋/外旋限位板2014的另一端进行限位。内旋/外旋保持架2011与连杆D2010、前臂内旋/外旋限位板2014、角度编码器支撑板B2016固定连接，角度编码器B2015通过角度编码器支撑板B2016与驱动轮转轴B2013连接，用于检测患肢前臂位姿。内旋/外旋保持架2011用于连接肘部屈伸运动组件3000。
如图9、图10所示，肘部屈伸运动组件3000包括与前臂内旋/外旋运动组件2000中内旋/外旋保持架2011连接的肘部屈伸执行臂3001及与盂肱关节运动组件5000连接的肘部屈伸支撑臂3005，该肘部屈伸执行臂3001通过旋转装置与肘部屈伸支撑臂3005转动连接，肘部屈伸执行臂3001和肘部屈伸支撑臂3005绕肘部屈伸转轴中心线J3转动。肘部屈伸执行臂3001设置有导向槽和多组安装孔，准确调整前臂内旋/外旋运动组件2000和肘部屈伸运动组件3000相对位置，保证肘部屈伸转轴中心线J3与人体肘部屈伸转轴中心线在运动范围内重合。旋转装置包括套索驱动轮C3002、润滑轴承1008、编码器延长套3003、空心轴3004、拉线1018、套索安装定位块A3008及角度编码器C3006，该空心轴3004安装在肘部屈伸支撑臂3005上，套索驱动轮C3002通过润滑轴承1008转动安装于空心轴3004上，保证套索驱动轮C3002可相对于空心轴3004进行自由转动，套索驱动轮C3002与肘部屈伸执行臂3001固定连接。在肘部屈伸支撑臂3005朝向肘部屈伸执行臂3001的一面、位于套索驱动轮C3002上方的左右两侧，分别固定安装有套索安装定位块A3008，每个套索安装定位块A3008内均穿入有拉线1018，该拉线1018由套索驱动轮C3002上绕过，一端通过套索安装定位块A3008定位支撑锁紧，另一端与套索驱动单元8000相连。空心轴3004内侧连接有角度编码器C3006，该空心轴3004内部容置有编码器延长套3003，编码器延长套3003的两端分别与角度编码器C3006的转轴和套索驱动轮C3002相连，使角度编码器C3006可实时检测肘部屈伸执行臂3001相对于肘部屈伸支撑臂3005的旋转角度，保证患肢实时处于正确位姿。肘部屈伸支撑臂3005朝向肘部屈伸执行臂3001的一面开设有限位弧形槽3009，套索驱动轮C3002上开设有限位螺纹孔3007，通过限位装置(如螺栓、螺钉、螺纹柱销等)插入该限位弧形槽3009及限位螺纹孔3007内进行限位。肘部屈伸运动组件3000为模块化旋转关节，技术方案适用于机器人其他旋转关节。
如图11、图12所示，盂肱关节运动组件5000包括依次串联的盂肱前伸/后缩关节5100、盂肱内旋/外旋关节5200及盂肱外展/内收关节5300，盂肱前伸/后缩关节5100的盂肱前伸/后缩关节旋转轴中心线J4、盂肱内旋/外旋关节5200的盂肱内旋/外旋关节旋转轴中心线J5及盂肱外展/内收关节5300的盂肱外展/内收旋转轴中心线J6非垂直相交于盂肱关节运动中心O，点O即为人体肩关节放置点。盂肱前伸/后缩关节旋转轴中心线J4通过人体的盂肱关节运动中心O，并与人体矢状面垂直。盂肱内旋/外旋关节5200通过盂肱内旋/外旋执行臂5201与盂肱前伸/后缩关节5100连接，且相对距离可进行调整并锁紧；盂肱内旋/外旋关节旋转轴中心线J5通过人体的盂肱关节运动中心O，与盂肱前伸/后缩关节旋转轴中心线J4之间成60°～80°可调夹角、该夹角朝向人体外侧，盂肱内旋/外旋关节旋转轴中心线J5与人体冠状面成10°～30°可调夹角、该夹角朝向人体后侧。盂肱外展/内收关节5300通过盂肱外展/内收执行臂5301与盂肱内旋/外旋关节5200连接，且相对距离可进行调整并锁紧；盂肱外展/内收关节旋转轴中心线J6通过人体的盂肱关节运动中心O，与盂肱前伸/后缩关节旋转轴中心线J4成60°～80°可调夹角、该夹角朝向人体外侧。孟肱外展/内收支撑臂5302与肩胛带运动组件6000固定连接，盂肱前伸/后缩执行臂5101与上臂固定组件4000中的多维力传感器B4004连接；盂肱前伸/后缩执行臂5101上开设有多个安装孔，可与多维力传感器B4004的相对距离进行调整，并在调整好后进行锁紧。上述所述的夹角均可依据不同患者身体尺寸进行定制调整。
盂肱前伸/后缩关节5100包括通过旋转装置转动连接的盂肱前伸/后缩执行臂5101和盂肱前伸/后缩支撑臂5102，该盂肱前伸/后缩执行臂5101与上臂固定组件4000相连，盂肱内旋/外旋关节5200包括通过旋转装置转动连接的盂肱内旋/外旋执行臂5201和盂肱内旋/外旋支撑臂5202，盂肱外展/内收关节5300包括通过旋转装置转动连接的盂肱外展/内收执行臂5301和盂肱外展/内收支撑臂5302，该盂肱外展/内收支撑臂5302与肩胛带运动组件6000相连。盂肱前伸/后缩支撑臂5102、盂肱内旋/外旋执行臂5201、盂肱内旋/外旋支撑臂5202及盂肱外展/内收执行臂5301上分别均匀开设有多个螺栓孔，该盂肱内旋/外旋执行臂5201及盂肱外展/内收执行臂5301上均设有凹槽，盂肱前伸/后缩支撑臂5102、盂肱内旋/外旋支撑臂5202通过该凹槽分别与盂肱内旋/外旋执行臂5201及盂肱外展/内收执行臂5301插接、并可调整盂肱前伸/后缩支撑臂5102与盂肱内旋/外旋执行臂5201之间以及盂肱内旋/外旋支撑臂5202与盂肱外展/内收执行臂5301之间的间距，在调整好后通过螺栓插入螺栓孔中固定，以适应不同人体盂肱关节尺寸要求。各所述旋转装置均与各自的套索驱动单元8000连接，由各自的套索驱动单元8000提供盂肱关节的前伸/后缩、内旋/外旋及外展/内收的驱动力矩。盂肱关节运动组件5000中各关节的旋转装置与肘部屈伸运动组件3000中的旋转装置结构相同，在此不再赘述。
如图13所示，上臂固定组件4000包括上臂保持架4001、软体束缚带4002、上臂支撑杆4003和多维力传感器B4004，该上臂支撑杆4003的两端分别连接有上臂保持架4001，上臂保持架4001呈半圆形，内侧附着有软体束缚带4002，软体束缚带4002与人体上臂直接接触，可提升患肢穿戴舒适性。上臂保持架4001具备所需的刚度，且上臂保持架轴线J7径向位置可调，保证其上臂保持架轴线J7在活动范围内与人体上臂轴线重合，并保持相对位置稳定。两端的上臂保持架4001的一侧均安装在上臂支撑杆4003上开设的导向沟槽内、可在该导向沟槽内移动，并在间距调整好后与上臂支撑杆4003定位锁紧，以适应不同患者的臂长。在上臂支撑杆4003上安装有用于连接上臂支撑杆4003和盂肱前伸/后缩执行臂5101的多维力传感器B4004，可对康复训练过程中人—机交互力信息、人体运动学和生理学数据进行实时记录，用于患者病情定量评估与多模式康复训练的方案优化。
如图14、图15所示，肩胛带运动组件6000包括彼此串联的肩胛带前伸/后缩关节6100及肩胛带上提/下落关节6200，两个关节的轴线垂直相交；肩胛带前伸/后缩关节6100包括肩胛带伸缩执行臂6101、肩胛带伸缩支撑臂6106、旋转装置及肩胛带伸缩摆动臂组件，该肩胛带伸缩执行臂6101与肩胛带伸缩支撑臂6106相对设置，并通过两组伸缩摆动臂组件相连，形成可伸缩的平行四边形机构；每组伸缩摆动臂组件均包括彼此可伸缩相连的肩胛带伸缩摆动臂A6102和肩胛带伸缩摆动臂B6105，两组中的肩胛带伸缩摆动臂A6102和肩胛带伸缩摆动臂B6105中的任一个的一端通过旋转装置与肩胛带伸缩执行臂6101或肩胛带伸缩支撑臂6106转动连接，其余的伸缩摆动臂的一端与肩胛带伸缩执行臂6101或肩胛带伸缩支撑臂6106转动连接。肩胛带上提/下落关节6200包括肩胛带上提/下落支撑臂6202及旋转装置，该肩胛带上提/下落支撑臂6202通过旋转装置与肩胛带伸缩支撑臂6106相连。肩胛带运动组件6000中，肩胛带伸缩摆动臂A6102和肩胛带伸缩摆动臂B6105中的任一个的一端通过旋转装置与肩胛带伸缩执行臂6101或肩胛带伸缩支撑臂6106转动连接，该旋转装置为肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置6107；肩胛带上提/下落支撑臂6202通过旋转装置与肩胛带伸缩支撑臂6106相连，该旋转装置为肩胛带上提/下落模块化旋转装置。肩胛带前伸/后缩关节模块化旋转装置旋转轴中心线J8与上提/下落关节旋转轴中心线J9垂直相交。
肩胛带运动组件6000中的肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置6107和肩胛带上提/下落模块化旋转装置分别与各自的套索驱动单元8000连接，由各自的套索驱动单元8000提供肩胛带的前伸/后缩以及上提/下落的驱动力矩。肩胛带运动组件6000中的肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置6107和肩胛带上提/下落模块化旋转装置与肘部屈伸运动组件3000中的旋转装置结构相同，在此不再赘述。
肩胛带伸缩摆动臂A6102和肩胛带伸缩摆动臂B6105的一端均为圆环状，另一端为长方体。肩胛带伸缩摆动臂A6102及肩胛带伸缩摆动臂B6105的另一端分别均匀开设有多个螺栓孔6110，该肩胛带伸缩摆动臂A6102或肩胛带伸缩摆动臂B6105的另一端上设有凹槽6109，肩胛带伸缩摆动臂A6102及肩胛带伸缩摆动臂B6105的另一端通过该凹槽6109插接、并可调整肩胛带伸缩执行臂6101与肩胛带伸缩支撑臂6106之间的间距，在调整好后通过螺栓插入螺栓孔6110中固定，以适应不同人体肩胛带尺寸要求。本实施例中，肩胛带伸缩摆动臂B6105的另一端沿长度方向开设有凹槽6109，肩胛带伸缩摆动臂A6102的另一端插入该凹槽6109中，肩胛带伸缩摆动臂A6102与肩胛带伸缩摆动臂B6105之间可相对伸缩，并在调整好距离后，用螺栓插入螺栓孔6110中锁紧固定。肩胛带伸缩执行臂6101用于与盂肱关节运动组件5000固定连接。
肩胛带伸缩执行臂等效线K1通过人体盂肱关节运动中心O，肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置旋转轴中心线J8位于人体胸锁关节正后方，利用平行四边形机构等效平移运动特性，将外骨骼肩胛带的前伸/后缩运动传递到以胸锁关节为中心的前伸/后缩运动，复现人体盂肱关节绕胸锁关节前伸/后缩的功能运动。肩胛带上提/下落关节旋转轴中心线J9通过人体胸锁关节运动中心，所述的肩胛带上提/下落关节旋转轴中心线J9与肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置旋转轴中心线J8垂直相交，肩胛带组件采用回转机构和平行四边形机构组合方式设计，将外骨骼肩胛带的前伸/后缩、上提/下落运动传递到以胸锁关节为中心的前伸/后缩、上提/下落运动。
两个肩胛带伸缩摆动臂A6102的一端均通过肩胛带伸缩润滑轴承6103与肩胛带伸缩执行臂6101上设置的两个肩胛带转轴6104转动连接，其中一个肩胛带伸缩摆动臂B6105的一端通过肩胛带伸缩润滑轴承6103与肩胛带伸缩支撑臂6106上设置的肩胛带转轴6104转动连接；另一个肩胛带伸缩摆动臂B6105的一端通过肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置6107与肩胛带伸缩支撑臂6106转动连接。肩胛带伸缩支撑臂6106呈“L”形，该“L”形的一边用于与肩胛带伸缩摆动臂B6105连接，另一边为肩胛带上提/下落执行臂6201，该肩胛带上提/下落执行臂6201通过肩胛带上提/下落模块化旋转装置与肩胛带上提/下落支撑臂6202转动连接。
如图16所示，本发明还可在肩胛带伸缩执行臂6101上固定安装了两根相互平行的导轨6112，该导轨6112上滑动连接有滑块6111，滑块6111上安装有沿导轨6112往复滑动的连接板6108。连接板6108可与盂肱关节运动组件5000中的盂肱外展/内收关节5300固定连接，增加了一个平移自由度。
如图17所示，升降组件7000包括升降平台7001、锁紧手柄7002、导向支撑杆7003、水平定位块7004及底部支撑定位块7005，升降平台7001用于安装整个外骨骼式上肢助力机器人，可采用手动升降或电动升降方式进行高度调节，优选电动自适应调节方式对整个外骨骼式上肢助力机器人进行升降调整，以适应不同患者身高。同时，升降平台7001设置有槽孔与导向键槽，可对外骨骼式上肢助力机器人进行左右间距调整，以适应不同患者胸锁关节宽度。锁紧手柄7002可对升降平台7001调整后进行锁紧。导向支撑杆7003用于支撑升降平台及升降调整导向。导向支撑杆7003通过水平定位块7004和底部支撑定位块7005固定安装在轮椅基座9000背部，水平定位块7004可对导向支撑杆7003进行水平定位及固定，底部支撑定位块7005对导向支撑杆7003进行底部支撑。
本发明各旋转装置所连接的各个套索驱动单元8000安装在轮椅基座9000上，本发明的套索驱动单元8000为五个，分别通过拉线1018与盂肱关节运动组件200中的三个旋转装置、肩胛带前伸/后缩模块化旋转装置6107、肩胛带上提/下落模块化旋转装置、肘部屈伸运动组件3000中的旋转装置、腕部掌屈/背屈运动组件1000中的套索驱动轮A1019和前臂内旋/外旋运动组件2000中的套索驱动轮B2012连接，分别为盂肱前伸/后缩关节5100、盂肱内旋/外旋关节5200、盂肱外展/内收关节5300、肩胛带前伸/后缩关节6100、肩胛带上提/下落关节6200、腕部掌屈/背屈运动组件1000、前臂内旋/外旋运动组件2000和肘部屈伸运动组件3000提供远距离驱动扭矩。如图18～20所示，套索驱动单元8000包括动力源、驱动安装架8004、套索主动轮8005、扭矩传感器8006、刹车豆8007、涨紧调整架8008、支撑板8009、导向板8010、调节螺栓8011及套索安装定位块B8013，该动力源包括驱动电机8001和减速机8002，驱动电机8001和减速机8002，优选轻量型大扭矩伺服电机，以减轻系统能量密度，提高便携性。驱动安装架8004可固定在轮椅基座9000上，驱动电机8001与减速机8002连接后固定在驱动安装架8004的一侧，套索主动轮8005位于驱动安装架8004的另一侧，并与减速机8002的输出端相连，由驱动电机8001和减速机8002驱动旋转。套索主动轮8005上安装有两个刹车豆8007，用于套索主动轮8005和拉线1018的固定连接。涨紧调整架8008呈“L”形，该“L”形的一边开有涨紧导向孔8004，另一边的端部固定安装有支撑板8009，该支撑板8009上设有调节螺栓8011。驱动安装架8004上延伸有导向板8010，该导向板8010由涨紧导向孔8014穿过，调节螺栓8011与导向板8010抵接。在“L”形涨紧调整架8008的一边上还开设有两个限位槽8015，每个限位槽8015内均安装一个套索安装定位块B8013；套索主动轮8005上缠绕有两根拉线1018，每根拉线1018的一端均固定在一个刹车豆8007上，另一端由一个套索安装定位块B8013穿过后分别与盂肱前伸/后缩支撑臂5102、盂肱内旋/外旋支撑臂5202、盂肱外展/内收支撑臂5302、肩胛带伸缩支撑臂6016、肩胛带上提/下落支撑臂6202、肘部屈伸支撑臂3005、套索驱动轮A1019或套索驱动轮B2012上的套索安装定位块A1014连接。在“L”形涨紧调整架8008的另一边上开设有槽孔8012，该槽孔8012呈长条形；导向板8010上开设有螺栓孔，通过螺栓穿过槽孔8012后拧紧在螺栓孔内。旋拧调节螺栓8011，使导向板8010与涨紧调整架8008相对移动，进而调整涨紧调整架8008与套索主动轮8005之间的距离。调整过程中，导向板8010上的螺栓始终在槽孔8012内移动、起到导向作用，确保涨紧调整架8008沿直线调整；调整好后，拧紧螺栓固定导向板8010。减速机8002的输出轴上安装有扭矩传感器8006。
套索驱动轮A1019、套索驱动轮B2012和套索主动轮8005上各沿圆周方向开设了两个沟槽，用于容置缠绕的两根拉线1018。
如图20所示，轮椅基座组件9000的座椅下方设置有各套索驱动单元8000的安装平面，用于安装外骨骼助力机器人所需的全部套索驱动单元8000及其他电器设备。轮椅基座9000背部设置有升降组件安装孔，用于固定升降组件7000。轮椅基座9000不仅限于轮椅，也包括其他类似构型的载人轮式移动平台，方便用户移动、搬运。
本发明适用于中风、偏瘫、截瘫等上肢运动功能障碍患者进行上肢日常动作助力与康复训练。

Claims (7)

1.一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：包括用于支撑上肢助力机器人的轮椅基座（9000），该轮椅基座（9000）的两侧结构相同，每侧均包括依次连接的腕部掌屈/背屈运动组件（1000）、前臂内旋/外旋运动组件（2000）、肘部屈伸运动组件（3000）、盂肱关节运动组件（5000）及肩胛带运动组件（6000），其中腕部掌屈/背屈运动组件（1000）、前臂内旋/外旋运动组件（2000）及肘部屈伸运动组件（3000）分别具有带动各自运动组件转动的套索驱动轮，所述盂肱关节运动组件（5000）包括依次串联的盂肱前伸/后缩关节（5100）、盂肱内旋/外旋关节（5200）及盂肱外展/内收关节（5300），所述肩胛带运动组件（6000）包括彼此串联的肩胛带前伸/后缩关节（6100）及肩胛带上提/下落关节（6200），所述盂肱前伸/后缩关节（5100）与肘部屈伸运动组件（3000）相连，上臂固定组件（4000）连接于该盂肱前伸/后缩关节（5100），所述盂肱外展/内收关节（5300）与所述肩胛带前伸/后缩关节（6100）连接，所述肩胛带上提/下落关节（6200）与所述轮椅基座（9000）相连；所述盂肱前伸/后缩关节（5100）、盂肱内旋/外旋关节（5200）、盂肱外展/内收关节（5300）、肩胛带前伸/后缩关节（6100）、肩胛带上提/下落关节（6200）及腕部掌屈/背屈运动组件（1000）、前臂内旋/外旋运动组件（2000）和肘部屈伸运动组件（3000）各自的套索驱动轮分别通过一个套索驱动单元（8000）控制，各所述套索驱动单元（8000）分别安装在轮椅基座（9000）上；所述外骨骼式上肢助力机器人通过各套索驱动单元（8000）的驱动控制具有腕部的掌屈/背屈、前臂的内旋/外旋、肘部屈伸以及盂肱关节的前伸/后缩、外展/内收、内旋/外旋和肩胛带的上提/下落、前伸/后缩八个自由度；
所述肘部屈伸运动组件（3000）包括与前臂内旋/外旋运动组件（2000）连接的肘部屈伸执行臂（3001）及与盂肱关节运动组件（5000）连接的肘部屈伸支撑臂（3005），该肘部屈伸执行臂（3001）通过旋转装置与肘部屈伸支撑臂（3005）转动连接；所述旋转装置包括套索驱动轮C（3002）、空心轴（3004）、拉线（1018）及套索安装定位块A（3008），该空心轴（3004）安装在肘部屈伸支撑臂（3005）上，所述套索驱动轮C（3002）转动安装于空心轴（3004）上、并与所述肘部屈伸执行臂（3001）相连；在所述肘部屈伸支撑臂（3005）朝向肘部屈伸执行臂（3001）的一面、位于套索驱动轮C（3002）的两侧，分别安装有套索安装定位块A（3008），每个所述套索安装定位块A（3008）内均穿入有拉线（1018），该拉线（1018）由所述套索驱动轮C（3002）上绕过，一端通过所述套索安装定位块A（3008）定位支撑锁紧，另一端与所述套索驱动单元（8000）相连；所述空心轴（3004）内侧连接有角度编码器C（3006），该空心轴（3004）内部容置有编码器延长套（3003），所述编码器延长套（3003）的两端分别与角度编码器C（3006）的转轴和套索驱动轮C（3002）相连；所述肘部屈伸支撑臂（3005）朝向肘部屈伸执行臂（3001）的一面开设有限位弧形槽（3009），所述套索驱动轮C（3002）上开设有限位螺纹孔（3007），通过限位装置插入该限位弧形槽（3009）及限位螺纹孔（3007）内进行限位；
所述盂肱关节运动组件（5000）包括依次串联的盂肱前伸/后缩关节（5100）、盂肱内旋/外旋关节（5200）及盂肱外展/内收关节（5300），该盂肱前伸/后缩关节（5100）的盂肱前伸/后缩关节旋转轴中心线（J4）、盂肱内旋/外旋关节（5200）的盂肱内旋/外旋关节旋转轴中心线（J5）及盂肱外展/内收关节（5300）的盂肱外展/内收旋转轴中心线（J6）非垂直相交于盂肱关节运动中心（O）；所述盂肱前伸/后缩关节（5100）包括通过旋转装置转动连接的盂肱前伸/后缩执行臂（5101）和盂肱前伸/后缩支撑臂（5102），该盂肱前伸/后缩执行臂（5101）与所述上臂固定组件（4000）相连，所述盂肱内旋/外旋关节（5200）包括通过旋转装置转动连接的盂肱内旋/外旋执行臂（5201）和盂肱内旋/外旋支撑臂（5202），所述盂肱外展/内收关节（5300）包括通过旋转装置转动连接的盂肱外展/内收执行臂（5301）和盂肱外展/内收支撑臂（5302），该盂肱外展/内收支撑臂（5302）与所述肩胛带运动组件（6000）相连；盂肱前伸/后缩支撑臂（5102）、盂肱内旋/外旋执行臂（5201）、盂肱内旋/外旋支撑臂（5202）及盂肱外展/内收执行臂（5301）上分别均匀开设有多个螺栓孔，该盂肱内旋/外旋执行臂（5201）及盂肱外展/内收执行臂（5301）上均设有凹槽，所述盂肱前伸/后缩支撑臂（5102）、盂肱内旋/外旋支撑臂（5202）通过该凹槽分别与盂肱内旋/外旋执行臂（5201）及盂肱外展/内收执行臂（5301）插接、并可调整盂肱前伸/后缩支撑臂（5102）与盂肱内旋/外旋执行臂（5201）之间以及盂肱内旋/外旋支撑臂（5202）与盂肱外展/内收执行臂（5301）之间的间距，在调整好后通过螺栓插入螺栓孔中固定；各所述旋转装置均与各自的套索驱动单元（8000）连接，由各自的所述套索驱动单元（8000）提供盂肱关节的前伸/后缩、内旋/外旋及外展/内收的驱动力矩；
所述套索驱动单元（8000）包括动力源、驱动安装架（8004）、套索主动轮（8005）、扭矩传感器（8006）、刹车豆（8007）、涨紧调整架（8008）、支撑板（8009）、导向板（8010）、调节螺栓（8011）及套索安装定位块B（8013），该动力源安装在驱动安装架（8004）上，输出端连接有套索主动轮（8005），所述套索主动轮（8005）上安装有两个刹车豆（8007）；所述涨紧调整架（8008）的一端开有涨紧导向孔（8014），另一端安装有支撑板（8009），该支撑板（8009）上设有调节螺栓（8011），所述驱动安装架（8004）上延伸有导向板（8010），该导向板（8010）由所述涨紧导向孔（8014）穿过，所述调节螺栓（8011）与导向板（8010）抵接；所述涨紧调整架（8008）上安装有两个套索安装定位块B（8013），所述套索主动轮（8005）上缠绕有两根拉线（1018），每根拉线（1018）的一端均固定在一个所述刹车豆（8007）上，另一端由一个所述套索安装定位块B（8013）穿过后与所述旋转装置连接；所述动力源的输出端安装有扭矩传感器（8006）；所述涨紧调整架（8008）呈“L”形，所述涨紧导向孔（8014）开设在该“L”形的一边，并在该边上开设有用于固定套索安装定位块B（8013）的限位槽（8015）；所述支撑板（8009）固定在该“L”形另一边的端部，在该边上开有槽孔（8012），通过旋拧所述调节螺栓（8011）使导向板（8010）与涨紧调整架（8008）相对移动，进而调整所述涨紧调整架（8008）与套索主动轮（8005）之间的距离；调整好后的所述导向板（8010）通过螺栓插入槽孔（8012）中锁紧固定。
2.根据权利要求1所述轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：所述腕部掌屈/背屈运动组件（1000）包括软体束缚带A（1001）、软体束缚带B（1002）、软体束缚带C（1003）、末端辅助手柄（1004）、软体靠模（1005）手背靠板（1006）、腕部摆动板（1007）、腕部摆动支撑架（1009）、多维力传感器（1010）、腕部掌屈/背屈安装座（1011）、角度编码器A（1012）、角度编码器支撑板A（1013）、套索安装定位块A（1014）、套索安装定位板（1015）、腕部掌屈/背屈限位板（1016）、同步带A（1017）、拉线（1018）、套索驱动轮A（1019）及驱动轮转轴A（1020），该手背靠板（1006）与手掌接触的一侧安装有软体靠模（1005），所述软体束缚带B（1002）与软体束缚带C（1003）的两端分别固定于该软体靠模（1005）的上下边缘，所述手背靠板（1006）的另一侧通过多维力传感器（1010）与腕部摆动板（1007）相连，该多维力传感器（1010）通过在手背靠板（1006）上开设有槽型孔实现位置可调，进而实现该手背靠板（1006）与腕部摆动板（1007）之间相对距离的调整，并在调整好后锁紧于所述手背靠板（1006）；所述手背靠板（1006）上分别安装有末端辅助手柄（1004）及软体束缚带A（1001），该末端辅助手柄（1004）安装在所述手背靠板（0106）的末端，所述软体束缚带A（1001）的两端均固定于手背靠板（1006）的背侧，并对所述软体束缚带B（1002）、末端辅助手柄（1004）及患者五个手指进行包络；所述腕部摆动支撑架（1009）的一端与腕部摆动板（1007）的一端转动连接，该腕部摆动板（1007）的另一端与所述套索驱动轮A（1019）连动、且与所述驱动轮转轴A（1020）固接，所述腕部摆动支撑架（1009）的另一端与该驱动轮转轴A（1020）转动连接；所述腕部摆动支撑架（1009）上安装有套索安装定位板（1015），角度编码器A（1012）通过角度编码器支撑板A（1013）安装在该套索安装定位板（1015）上，角度编码器支撑板A（1013）通过其上开设的槽型孔实现在套索安装定位板（1015）上的安装位置可调，进而实现所述角度编码器A（1012）与驱动轮转轴A（1020）之间中心距的调整，并在调整好后锁紧于所述套索安装定位板（1015）；所述角度编码器A（1012）通过同步带A（1017）与驱动轮转轴A（1020）相连，所述套索驱动轮A（1019）通过拉线（1018）与所述套索驱动单元（8000）相连，该拉线（118）分别由套索安装定位板（115）及安装在套索安装定位板（1015）上的套索安装定位块A（1014）穿过；所述腕部摆动支撑架（1009）上安装有腕部掌屈/背屈限位板（1016），该腕部掌屈/背屈限位板（1016）的一端固定在腕部摆动支撑架（1009）上，另一端位于所述套索驱动轮A（1019）的下方；所述套索驱动轮A（1019）上分别开设有腕部掌屈/背屈限位螺纹孔（1022）及用于固定拉线（1018）的拉线安装孔（1021），该腕部掌屈/背屈限位螺纹孔（1022）上安装有随套索驱动轮A（1019）转动的螺栓，所述螺栓在转动过程中通过腕部掌屈/背屈限位板（1016）的另一端进行限位；所述套索驱动轮A（1019）由套索驱动单元（8000）驱动旋转，进而通过所述腕部摆动板（1007）带动手背靠板（1006）进行掌屈/背屈；所述腕部摆动支撑架（1009）安装有腕部掌屈/背屈安装座（1011），所述腕部掌屈/背屈运动组件（100）通过该腕部掌屈/背屈安装座（1011）与前臂内旋/外旋运动组件（2000）连接。
3.根据权利要求1所述轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：所述前臂内旋/外旋运动组件（2000）包括同步带轮转接件（2001）、同步带轮A（2002）、同步带B（2003）、同步带轮B（2004）、同步带轮调整杆（2005）、同步带轮轴（2006）、连杆A（2007）、连杆B（2008）、连杆C（2009）、连杆D（2010）、内旋/外旋保持架（2011）、套索驱动轮B（2012）、驱动轮转轴B（2013）、前臂内旋/外旋限位板（2014）、角度编码器B（2015）及角度编码器支撑板B（2016），该内旋/外旋保持架（2011）的一端位置可调地与所述肘部屈伸运动组件（3000）连接，另一端分别固接有连杆D（2010）、前臂内旋/外旋限位板（2014）和角度编码器支撑板B（2016），所述连杆A（2007）为“T”形，该“T”形一条边的一端与连杆B（2008）转动连接，该连杆B（2008）的另一端与所述连杆D（2010）的一端转动连接，所述同步带轮B（2004）和连杆C（2009）的一端固定连接，并与所述“T”形一条边的另一端转动连接，该连杆C（2009）的另一端及套索驱动轮B（2012）分别固接于驱动轮转轴B（2013）上，该驱动轮转轴B（2013）与所述连杆D（2010）的另一端转动连接；所述同步带轮转接件（2001）与腕部掌屈/背屈运动组件（1000）连接，该同步带轮转接件（2001）和同步带轮A（2002）分别固定安装在同步带轮轴（2006）上，并与所述同步带轮调整杆（2005）的一端转动连接，该同步带轮调整杆（2005）的另一端通过开设的槽型孔实现与“T”形连杆A（2007）的另一条边位置可调地相连，进而调整所述同步带轮A（2002）与同步带轮B（2004）之间的中心距离；“T”形所述连杆A（2007）的另一条边上开设导向槽，所述同步带轮调整杆（2005）的另一端在该导向槽内移动，并在移动到位后锁紧，所述同步带B（2003）安装在同步带轮A（2002）和同步带轮B（2004）上；所述连杆A（2007）、连杆B（2008）、连杆C（2009）、连杆D（2010）形成的平行四边形机构，所述同步带轮A（2002）、同步带B（2003）、同步带轮B（2004）形成的同步带传动机构，所述套索驱动轮B（2012）通过拉线（1018）与所述套索驱动单元（8000）相连，该套索驱动轮B（2012）由套索驱动单元（8000）驱动旋转，进而通过所述平行四边形机构和同步带传动机构带动同步带轮转接件（2001）绕前臂内旋/外旋转轴中心线（J2）同步转动，所述前臂内旋/外旋转轴中心线（J2）与人体前臂内旋/外旋转轴中心线在运动范围内重合，且所述前臂内旋/外旋转轴中心线（J2）与腕部掌屈/背屈轴线（J1）转动垂直相交于点O；所述前臂内旋/外旋限位板（2014）的一端固定在内旋/外旋保持架（2011）上，另一端位于所述套索驱动轮B（2012）的下方；所述套索驱动轮B（2012）上分别开设有前臂内旋/外旋限位螺纹孔及用于固定拉线（1018）的拉线安装孔，该前臂内旋/外旋限位螺纹孔上安装有随套索驱动轮B（2012）转动的螺栓，所述螺栓在转动过程中通过前臂内旋/外旋限位板（2014）的另一端进行限位；所述角度编码器B（2015）安装在角度编码器支撑板B（2016）上，并与所述驱动轮转轴B（2013）连接。
4.根据权利要求1所述轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：所述上臂固定组件（4000）包括上臂保持架（4001）、软体束缚带（4002）、上臂支撑杆（4003）及多维力传感器B（4004），该上臂支撑杆（4003）的两端分别连接有上臂保持架（4001），两端的所述上臂保持架（4001）的一侧均安装在所述上臂支撑杆（4003）上开设的导向沟槽内、可在该导向沟槽内移动，并在间距调整好后与所述上臂支撑杆（4003）定位锁紧，两端的所述上臂保持架（4001）的另一侧内部附着有软体束缚带（4002）；在所述上臂支撑杆（4003）上安装有用于连接上臂支撑杆（4003）和盂肱关节运动组件（5000）的多维力传感器B（4004）。
5.根据权利要求1所述轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：所述肩胛带运动组件（6000）包括彼此串联的肩胛带前伸/后缩关节（6100）及肩胛带上提/下落关节（6200），该肩胛带前伸/后缩关节（6100）包括肩胛带伸缩执行臂（6101）、肩胛带伸缩支撑臂（6106）、旋转装置及肩胛带伸缩摆动臂组件，该肩胛带伸缩执行臂（6101）与肩胛带伸缩支撑臂（6106）相对设置，并通过两组所述伸缩摆动臂组件相连，形成可伸缩的平行四边形机构；每组伸缩摆动臂组件均包括彼此可伸缩相连的肩胛带伸缩摆动臂A（6102）和肩胛带伸缩摆动臂B（6105），两组中的肩胛带伸缩摆动臂A（6102）和肩胛带伸缩摆动臂B（6105）中的任一个的一端通过所述旋转装置与肩胛带伸缩执行臂（6101）或肩胛带伸缩支撑臂（6106）转动连接，其余的伸缩摆动臂的一端与肩胛带伸缩执行臂（6101）或肩胛带伸缩支撑臂（6106）转动连接，所述肩胛带伸缩摆动臂A（6102）及肩胛带伸缩摆动臂B（6105）的另一端间距可调地相互连接；所述肩胛带上提/下落关节（6200）包括肩胛带上提/下落支撑臂（6202）及旋转装置，该肩胛带上提/下落支撑臂（6202）通过所述旋转装置与肩胛带伸缩支撑臂（6106）相连；所述旋转装置与各自的套索驱动单元（8000）连接，由各自的所述套索驱动单元（8000）提供肩胛带的前伸/后缩以及上提/下落的驱动力矩。
6.根据权利要求5所述轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：所述肩胛带伸缩执行臂（6101）上安装有导轨（6112），该导轨（6112）上滑动连接有滑块（6111），所述滑块（6111）上安装有沿导轨（6112）往复滑动的连接板（6108）。
7.根据权利要求1所述轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，其特征在于：所述轮椅基座（9000）的座椅下方设置有各所述套索驱动单元（8000）的安装平面，在该轮椅基座（9000）的背部设置有升降组件安装孔，所述升降组件（7000）安装于所述轮椅基座（9000）上；所述升降组件（7000）包括升降平台（7001）、锁紧手柄（7002）、导向支撑杆（7003）、水平定位块（7004）和底部支撑定位块（7005），该升降平台（7001）用于安装整个外骨骼式上肢助力机器人，采用手动升降或电动升降方式进行高度调节，所述升降平台（7001）上设置有对外骨骼式上肢助力机器人进行左右间距调整、适应不同患者胸锁关节宽度的槽孔与导向键槽；所述锁紧手柄（7002）连接于升降平台（7001）上，对所述升降平台（7001）进行调整后锁紧；所述导向支撑杆（7003）用于支撑升降平台（7001）及升降调整导向；所述导向支撑杆（7003）通过水平定位块（7004）和底部支撑定位块（7005）固定安装在所述轮椅基座（9000）的背部，所述水平定位块（7004）可对导向支撑杆（7003）进行水平定位及固定，所述底部支撑定位块（7005）可对导向支撑杆（7003）进行底部支撑。
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