CN110787027A - 一种上肢康复训练外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种上肢康复训练外骨骼机器人，它包括基座、两个肩关节、两个肘关节和两个腕关节；基座两侧镜像布置有一个肩关节、一个肘关节和一个腕关节；肩关节安装在基座上，肘关节安装在肩关节上，腕关节安装在肘关节上；每个所述肩关节包括大臂连杆、第一关节、第二关节和第三关节；所述肘关节包括安装壳体以及放置于安装壳体内的液压缸，安装外壳固装在大臂连杆上，所述液压缸的液压缸体的上端与安装壳体的顶端转动连接，液压缸的活塞杆与腕关节转动连接，腕关节转动安装在安装壳体上。本发明具有结构紧凑，可用于对上肢肌肉受损或偏瘫脑梗等造成的上肢运动功能受限患者进行运动康复治疗，可降低康复训练医护人员的劳动强度。

Description

一种上肢康复训练外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种上肢康复训练外骨骼机器人，属于机器人技术应用领域。

背景技术

将机器人辅助治疗技术引入到人体肌肉受损或偏瘫脑梗等造成的运动功能受限患者的运动康复治疗中，已经逐渐成为国内外机器人领域的研究热点之一。但是在医疗康复机器人、外骨骼助老助残机器人以及多足子母式机器人等研究领域，往往需要人体或其他物体被机器人包含进去。此时，针对机器人某些关节的设计，既要满足基本的运动要求(例如人体的肩关节、髋关节的三个自由度：外展/内收、旋内/旋外、伸展/弯曲)，又要预留出足够的空间供人体穿戴，或放置其他的物品。传统的机器人设计，通常其机构连杆、电机、减速器等部件布置于机器人关节转动轴线上，尤其是当三自由度关节的轴线交于空间的同一点时，结构设计上难以实现对该空间交汇点的回避，存在装载效率不高，扭矩驱动效果不明显，无法真正用于对上肢肌肉受损或偏瘫脑梗等造成的上肢运动功能受限患者进行运动康复治疗。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种上肢康复训练外骨骼机器人，该机器人结构设计上得到优化，三个关节转动轴线在空间中交汇于同一个点，同时总体结构设计布局避开关节轴线的空间交汇点，可用于对上肢肌肉受损或偏瘫脑梗等造成的上肢运动功能受限患者进行运动康复治疗，可降低康复训练医护人员的劳动强度。

本发明的技术方案是：

一种上肢康复训练外骨骼机器人，它包括基座、两个肩关节、两个肘关节和两个腕关节；基座两侧镜像布置有一个肩关节、一个肘关节和一个腕关节；肩关节安装在基座上，肘关节安装在肩关节上，腕关节安装在肘关节上；每个所述肩关节包括大臂连杆、第一关节、第二关节和第三关节；第一关节的驱动装置安装在基座上，第一关节的输出端带动第二关节相对基座在竖直平面内作外展内收运动；第二关节的驱动装置安装在第一关节的输出端上，第二关节的输出机构带动第三关节在水平面内作内外旋转运动；第三关节的驱动装置安装在第二关节上，第三关节的输出机构带动大臂连杆在竖直平面内作伸展弯曲运动；大臂连杆的转轴轴线一、第二关节的转轴轴线二、第三关节的转轴轴线三在空间交汇于同一点；所述肘关节包括安装壳体以及放置于安装壳体内的液压缸，安装外壳固装在大臂连杆上，所述液压缸的液压缸体的上端与安装壳体的顶端转动连接，液压缸的活塞杆与腕关节转动连接，腕关节转动安装在安装壳体上，控制液压缸的活塞杆收缩，带动腕关节作伸展弯曲运动，腕关节由人手被动驱动作内外旋转运动。

进一步地，所述腕关节包括关节小臂、六维力传感器、关节小臂内侧板、关节小臂捆绑固定圆筒、关节内部转筒和手柄；液压缸的活塞杆与关节小臂铰接，关节小臂通过轴承安装在安装外壳底部，关节小臂与关节小臂内侧板直接安装有六维力传感器，关节小臂内侧板的端部空心端盖通过轴承安装在关节小臂捆绑固定圆筒上，关节小臂捆绑固定圆筒外侧套有关节内部转筒且二者有间隙，手柄安装在关节内部转筒端部，关节内部转筒与关节小臂相对转动。

进一步地，所述第一关节的驱动装置包括第一关节转动轴和第一电机减速器；第一关节转动轴转动安装在基座上，第一关节转动轴的一端安装在第一电机减速器的输出端；所述第二关节的输出机构为双级平行四边形远心机构；包括第一级平行四边形长边连杆、第一级平行四边形短边连杆、第二级平行四边形长边连杆、第二级平行四边形弧形连杆；第一级平行四边形长边连杆和第一级平行四边形短边连杆的一端分别与第一关节转动轴转动连接，第二级平行四边形弧形连杆与第一级平行四边形长边连杆转动连接，第二级平行四边形弧形连杆的一端与第一级平行四边形短边连杆的另一端转动连接，第一级平行四边形长边连杆的另一端与第二级平行四边形长边连杆的一端固接，第二级平行四边形长边连杆的一端与第三关节的驱动装置的输出端连接且能相对转动，第二级平行四边形长边连杆的另一端和第二级平行四边形弧形连杆的另一端均与第三关节的输出机构的关节外壳转动连接；第二关节的驱动装置为第二电机减速器；第二电机减速器的输出端与第一级平行四边形长边连杆的一端固接。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明主要针对人体上肢的康复治疗，采用人体小臂和外骨骼机器人的小臂捆绑连接的方式，利用机器人的主动驱动带动患者进行上肢的康复运动训练。本发明采用电驱动和液压驱动相结合的方式，对整个机器人进行肩关节和肘关节的驱动。肩关节的3个自由度的驱动均设计为尽量靠近后背基座；而肘关节的驱动采用液压缸的形式，其质量远小于电机加减速器的驱动方案。本发明选择的电液混合驱动及布局方案，可以最大限度降低机器人运动部件的惯量，提高系统的动态响应性能，适用于人体穿戴式的医疗康复机器人设计应用场合。

整体系统构型设计：每一条机械臂在自由度设计上，主要有肩关节3个自由度、肘关节1个自由度和腕关节的1个自由度。肩关节3自由度的三个转轴轴线在空间中交于同一点，并分别采用放置于后背的伺服电机进行远程驱动。肘关节1自由度采用液压驱动；腕关节的1个自由度为被动驱动。在人体小臂和外骨骼机器人小臂捆绑连接处，安装一个六维力传感器，用于检测人体的上肢运动意图，或实时的反馈外骨骼机器人带动患者运动所提供的关节力矩。

三个关节转动轴线在空间中交汇于同一个点，同时总体结构设计布局避开关节轴线的空间交汇点，从而形成一个空腔结构，便于放置其他的物体。从而便于应用到穿戴式机器人的肩关节和髋关节设计，以及多足子母式机器人中的母机器人载体的设计。整体装置包含3个自由度，第一自由度为“外展/内收”运动，第二自由度为“旋内/旋外”运动，第三自由度为“伸展/弯曲”运动。

整体布局设计将尽可能多的驱动部件放置于关节的基座端，从而减少运动部件的质量，提高系统动态性能。由于驱动设计远离机器人的关节转动轴线，本发明中和具体的构型设计相结合，合理的选择动力传递方案，实现各关节的远程大扭矩驱动效果。针对医疗康复机器人，外骨骼助老助残机器人，多足子母式机器人等特种机器人的研究，采用一种双级平行四边形远心机构来设计三个关节中的“旋内/旋外”关节，从而在运动上等效为一种类似空心球的球关节，非常适合穿戴式机器人的肩关节和髋关节的应用；在多足子母式机器人的母机器人载体设计中，该方案可以大大提高母机器人载体的躯干内部空间，从而提高装载效率。

下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为人穿戴时的一种上肢康复训练外骨骼机器人的总装图；

图2为上肢康复训练外骨骼机器人的立体图；

图3为肩关节设计及布置示意图；

图4为基于双级平行四边形远心机构设计的肩关节原理示意图；

图5为肘关节及腕关节的布置示意图；

图6为肘关节的液压缸示意图；

图7为腕关节的结构示意图；

图8为基于双级平行四边形远心机构的肩关节总装图；

图9为三自由度关节的后视图；

图10为三自由度关节的俯视图；

图11为双级平行四边形远心机构的原理示意图；

图12为第三关节输出机构的传动示意图；

图13为第三关节内部钢丝绳布置方案示意图；

图14为钢丝轮与大臂连杆的扭矩传递方案设计；

图15为钢丝绳夹紧机构示意图；

图16为钢丝绳在钢丝绳夹紧机构内绕线布置图。

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，显然以下所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图4所示，一种上肢康复训练外骨骼机器人，它包括基座1、两个肩关节、两个肘关节和两个腕关节；基座1两侧镜像布置有一个肩关节、一个肘关节D和一个腕关节F；肩关节安装在基座1上，肘关节D安装在肩关节上，腕关节F安装在肘关节D上；

每个所述肩关节包括大臂连杆18、第一关节A、第二关节B和第三关节C；第一关节A的驱动装置安装在基座1上，第一关节A的输出端带动第二关节B相对基座在竖直平面内作外展内收运动；第二关节B的驱动装置安装在第一关节A的输出端上，第二关节B的输出机构带动第三关节C在水平面内作内外旋转运动；第三关节C的驱动装置安装在第二关节B上，第三关节C的输出机构带动大臂连杆18在竖直平面内作伸展弯曲运动；大臂连杆18的旋转轴线一4、第二关节B的旋转轴线二2、第三关节C的旋转轴线三3在空间交汇于同一点P；

所述肘关节D包括安装壳体47以及放置于安装壳体47内的液压缸，安装外壳47固装在大臂连杆18上，所述液压缸的液压缸体51的上端与安装壳体47的顶端转动连接，液压缸的活塞杆52与腕关节F转动连接，腕关节F转动安装在安装壳体47上，控制液压缸的活塞杆收缩，带动腕关节F作伸展弯曲运动，腕关节F由人手被动驱动作内外旋转运动。肘关节为单自由度，如图5和图6所示，其“伸展/弯曲”采用液压驱动。液压缸放置于安装壳体47内部，上端铰链50和安装壳体47依靠销轴链接，下端铰链53同样依靠销轴链接和关节小臂121链接。从而控制液压缸的活塞杆52的伸缩，带动关节小臂121绕肘关节转轴轴线104做“伸展/弯曲”运动。如图5所示，当肘关节弯曲到极限位置时，安装壳体47和关节小臂121平行，并达到机械限位处。肘关节D弯曲到极限位置时，大臂上的安装壳体47陷入关节小臂121对应的凹槽中，达到机械限位的效果。

两个肩关节分别是左肩关节和右肩关节，两个肘关节D分别是左肘关节和右肘关节，两个腕关节F分别是左腕关节和右腕关节。整个关节包含3个自由度，第一自由度为“外展/内收”运动，依靠直接安装于基座上的关节转轴直接实现。第二自由度为“旋内/旋外”运动，依靠双平行四边形远心机构实现；双平行四边形远心机构由多连杆组成。第三自由度为“伸展/弯曲”运动，依靠钢丝绳拉动第三关节轴线上的钢丝滑轮转动实现。

如图5和图7所示，所述腕关节F包括关节小臂121、六维力传感器122、关节小臂内侧板123、关节小臂捆绑固定圆筒126、关节内部转筒46和手柄9；

液压缸的活塞杆52与关节小臂121铰接，关节小臂121通过轴承安装在安装外壳47底部，关节小臂121与关节小臂内侧板123直接安装有六维力传感器122，关节小臂内侧板123的端部空心端盖通过轴承安装在关节小臂捆绑固定圆筒126上，关节小臂捆绑固定圆筒126外侧套有关节内部转筒46且二者有间隙，手柄9安装在关节内部转筒46端部，关节内部转筒46与关节小臂121相对转动。

腕关节F的1个自由度“旋内/旋外”为被动驱动，转动轴线如图2中的腕关节转轴轴线105所示。在人体小臂和外骨骼机器人小臂内侧板123捆绑连接处，安装一个六维力传感器122，用以检测人体的上肢运动意图，或实时的反馈外骨骼机器人带动患者运动所提供的关节力矩。具体表现为检测关节小臂内侧板123与关节小臂121之间的交互力。腕关节的1个自由度在结构设计上，表现为关节小臂内侧板123和关节小臂捆绑固定圆筒126之间的一个被动转动自由度。依靠安装轴承57实现。关节小臂捆绑固定圆筒126是和穿戴者具体捆绑使用的零件，其两端分别设计了一圈小孔，用于捆绑穿线。手柄9并不安装在关节小臂捆绑固定圆筒126上，而是安装在腕关节(旋内/旋外)运动关节内部转筒46上。同样，关节内部转筒46和关节小臂121之间也需要设计一个转动自由度，依靠两圈支撑钢珠44现。腕关节设计的最终效果是，人体小臂捆绑在关节小臂捆绑固定圆筒126上，通过安装轴承27和关节小臂内侧板123相连。而手上的紧握手柄9通过钢珠连接到关节小臂121上。从而保证了人体手部及腕部对外骨骼手臂施加的力，不会通过六维力传感器122进行传递。六维力传感器122检测到的力，只是人体小臂与外骨骼机器人关节小臂121之间的干涉力，从而保证了外骨骼机器人以期望的力/力矩，带动患者小臂进行康复训练。其中安装轴承57通过轴承外圈端盖58和轴承内圈端盖29固定。所述六维力传感器122可选用现有技术产品或现有专利文献技术。

综上，机器人肩关节为3自由度，三个关节转轴轴线在空间中交汇于同一个点，同时总体结构设计布局避开关节轴线的空间交汇点，从而避免穿戴时和人体干涉。三自由度分别为“外展/内收”、“旋内/旋外”及“伸展/弯曲”，采用电机伺服主动驱动。第一转动关节为“外展/内收”，其驱动系统直接安装在控制背包基座上。第二转动关节为“旋内/旋外”，采用基于双平行四边形远心机构的设计方式；其驱动系统安装在第一级平行四边形的一个铰链上，通过控制平行四边形的变形，进而控制肩关节的“旋内/旋外”运动。第三转动关节为“伸展/弯曲”，采用基于钢丝绳传动的远程偏置驱动系统，将驱动电机远置于第二级平行四边形的一个铰链上，通过钢丝绳传动控制肩关节的“伸展/弯曲”运动。肘关节的液压驱动设计：液压缸放置于大臂上的安装壳体内部，上端液压缸体铰链和机械人大臂相对固定，下端活塞杆铰链和小臂连杆链接。从而控制液压缸的伸缩，带动小臂连杆做“伸展/弯曲”运动。肘关节弯曲到极限位置时，大臂上的安装壳体陷入小臂连杆对应的凹槽中，达到机械限位的效果。而对于腕部关节，由于采用人体小臂和外骨骼机器人的小臂捆绑连接的方式，利用机器人的主动驱动带动患者进行上肢的康复运动训练，因此，腕部关节的设计以不干涉人体训练过程中手腕的微小姿态调节为宜。在设计中，只设计了腕关节的“旋内/旋外”自由度，从而使腕部关节绕小臂轴线的旋转不会对小臂的捆绑造成干扰。腕关节的“旋内/旋外”自由度为被动驱动，同时配合患者抓握机器人手臂末端把手的方式和角度，可以满足患者手腕的微动，提高穿戴的舒适性。

较佳地，如图8所示，第一关节A的驱动装置包括第一关节转动轴10和第一电机减速器5；第一关节转动轴10转动安装在基座1上，第一关节转动轴10的一端安装在第一电机减速器5的输出端。如此设置，第一关节A直接安装于基座1上，第一关节转动轴10的转动轴插入基座1对应安装孔，在转动轴的末端与驱动电机及其减速器连接，在第一关节A的带动下用于控制第二关节B和第三关节C一起“外展/内收”运动。

如图10和图11所示，第一关节(外展/内收)转轴轴线二2与转轴轴线三3和转轴轴线一4所形成的的平面存在夹角β，优选地，β为15°或90°。这是为了调节三自由度机器人关节的“旋内/旋外”运动范围而做的特殊设计。在实际应用中，可以设计为其他的角度，如设计为转轴轴线二2与转轴轴线三3和转轴轴线一4所形成的平面垂直。

较佳地，如图8和图9所示，所述第二关节B的输出机构为双级平行四边形远心机构；包括第一级平行四边形长边连杆11、第一级平行四边形短边连杆12、第二级平行四边形长边连杆15、第二级平行四边形弧形连杆13；第一级平行四边形长边连杆11和第一级平行四边形短边连杆12的一端分别与第一关节转动轴10转动连接，第二级平行四边形弧形连杆13与第一级平行四边形长边连杆11转动连接，第二级平行四边形弧形连杆13的一端与第一级平行四边形短边连杆12的另一端转动连接，第一级平行四边形长边连杆11的另一端与第二级平行四边形长边连杆15的一端固接，第二级平行四边形长边连杆15的一端与第三关节C的驱动装置的输出端连接且能相对转动，第二级平行四边形长边连杆15的另一端和第二级平行四边形弧形连杆13的另一端均与第三关节C的输出机构的关节外壳17转动连接；第二关节B的驱动装置为第二电机减速器6；第二电机减速器6的输出端与第一级平行四边形长边连杆11一端固接。图9中上端盖16盖罩在定轴40上。

基于双级平行四边形远心机构的“旋内/旋外”关节及其驱动装置设计：对于第二个关节的“旋内/旋外”运动，其转动轴线为竖直方向，如图8中的转轴轴线三3所示。该自由度的最终效果是，使第三关节C的安装基座，即充当肩关节作用的关节壳体17可以沿着竖直转动轴线3进行旋转运动。采用了如图4所示的双级平行四边形远心机构，第一级平行四边形长边连杆11的轴四84，以及第一级平行四边形短边连杆12上的轴三83之间的连线确定了第二级平行四边形上的弧形连杆13和下弧形连杆14的方位，然后，第二级平行四边形上的末端连杆，即关节壳体17的方位变化也就确定。

如图8和图9所示及图12和图13所示，第三关节C的输出机构包括钢丝轮28、钢丝滑轮一29、钢丝滑轮二30、钢丝滑轮三31、钢丝滑轮四32、钢丝滑轮五33、钢丝滑轮六34、钢丝滑轮七35、钢丝滑轮八36、钢丝滑轮九37、钢丝滑轮十38、钢丝滑轮十一39和十一根定轴40；钢丝轮28安装于支撑轴20上且能相对支撑轴20转动，支撑轴20固装在基座壳体17上，钢丝滑轮一29、钢丝滑轮二30、钢丝滑轮三31、钢丝滑轮四32、钢丝滑轮五33、钢丝滑轮六34、钢丝滑轮七35、钢丝滑轮八36、钢丝滑轮九37、钢丝滑轮十38和钢丝滑轮十一39分别转动安装在各自的定轴40上；每根定轴40安装在关节外壳17上；

如图8和图9所示，对于第三关节C，采用驱动前置的传动方案，采用第三电机减速器7，将伺服电机减速器放置于双级平行四边形机构的末端连杆的端部轴五85上，优选地，通过12根钢丝绳传动(钢丝滑轮五33的上半段上6根钢丝绳控制大臂连杆18的伸展运动，钢丝滑轮五33的下半段上6根钢丝绳控制大臂连杆18弯曲运动)，将驱动力传递到第三关节C，从而控制第三关节C的大臂连杆18做“伸展/弯曲”运动。第三关节的驱动扭矩由12跟较细的钢丝并列驱动，其关节的转轴轴线一4和电机驱动的轴五85的轴向垂直，因此，在钢丝绳传递的过程中还需要进行换向处理。采用如图12和图13所示方案，具体如下：

其中多根钢丝绳26的一端与大臂连杆18的在旋转方向的外侧固接，多条钢丝绳26从钢丝轮28的上侧拉出，先通过钢丝滑轮一29和钢丝滑轮二30，然后通过钢丝滑轮三31和钢丝滑轮四32后改变为水平方向，然后绕到钢丝滑轮五33的上半段上，从钢丝滑轮五33的上半段出来后，从外侧绕在固装于轴六86上的上定钢丝滑轮上，从第二级平行四边形长边连杆15内侧进入绕在固装于轴五85上的上定钢丝滑轮上，多根钢丝绳26的另一端固定在轴五85的上定钢丝滑轮上；

另外多根钢丝绳26的一端与大臂连杆18的在旋转方向的内侧固接，多根钢丝绳26从钢丝轮28的下侧拉出，先通过钢丝滑轮四34、钢丝滑轮六36和钢丝滑轮九37，然后通过钢丝滑轮五35、钢丝滑轮十38和钢丝滑轮十一39改变水平方向后，绕在钢丝滑轮五33的下半段上，从钢丝滑轮五33的下半段出来后，从第二级平行四边形长边连杆15外侧依次绕在固装于轴六86和轴五85上的下定钢丝滑轮上，多根钢丝绳26的另一端固定在轴五85的下定钢丝滑轮上，第三关节C的驱动装置为第三电机减速器7，轴五85安装在第三电机减速器7的输出端上。

上述实施方式中，先通过钢丝滑轮29一和钢丝滑轮二30是为了改变垂直向的高度，然后通过钢丝滑轮三31和钢丝滑轮四32后改变为水平方向；先通过钢丝滑轮四34、钢丝滑轮六36和钢丝滑轮九37改变垂直向的高度，然后通过钢丝滑轮五35、钢丝滑轮十38、钢丝滑轮十一39改变水平方向后。如此设计，使得钢丝滑轮组件布置结构紧凑，伸展和弯曲运动能合理的传递扭矩，实现各关节的远程大扭矩驱动效果。

多条钢丝绳26从钢丝轮28的上侧拉出，是指多条钢丝绳26的一端头从如图6所示的钢丝绳进出缺口41处从左侧贴钢丝轮28的轮槽向上拉出，再依次经过其它钢丝滑轮，实现大臂连杆18绕转动轴线4作伸展运动；另外多根钢丝绳26从钢丝轮28的下侧拉出，是指另外多条钢丝绳26的一端头从如图6所示的钢丝绳进出缺口41处从右侧贴钢丝轮28的轮槽向上拉出，再依次经过其它钢丝滑轮，实现大臂连杆18绕转动轴线4作弯曲运动。在进出缺口41处嵌入了上侧楔块99和下侧楔块22，以确保钢丝绳被压紧贴靠大臂连杆18。

如图12和图13所示，在钢丝绳传递的过程中进行换向处理布置方式为：钢丝滑轮一29、钢丝滑轮二30、钢丝滑轮六34、钢丝滑轮八36和钢丝滑轮九37的轴线水平布置；钢丝滑轮三31、钢丝滑轮四32、钢丝滑轮五33、钢丝滑轮七35、钢丝滑轮十38和钢丝滑轮十一39的轴线垂直布置。图9中，钢丝滑轮一29采用转轴端盖19封装在关节外壳17上，钢丝滑轮六34、钢丝滑轮八36和钢丝滑轮九37采用总端盖21封装在关节外壳17上。

如图11所示原理简图，结合图8和图9所示，第一关节转动轴10上垂直安装有轴一81和轴二82，第二电机减速器6的输出端与轴一81固接，轴一81相对第一关节转动轴10转动，轴一81的上端与第一级平行四边形长边连杆11固接，第二级平行四边形弧形连杆13的一端和第一级平行四边形短边连杆12均转动安装在轴三83上；第二级平行四边形弧形连杆13与第一级平行四边形长边连杆11均转动安装在轴四84上，第一级平行四边形长边连杆11的另一端与第二级平行四边形长边连杆15的一端均转动安装在轴五85上，轴六86和轴七87安装在关节外壳17上，第二级平行四边形长边连杆15的另一端转动安装在轴六86上，第二级平行四边形弧形连杆13的另一端转动安装在轴七87上。第二级平行四边形弧形连杆13和下弧形连杆14共同转动安装在轴七87上。其中，关节驱动的第二电机减速器6安装在轴一81上；伺服电机通过行星轮减速器进行减速后，将扭矩传递到双级平行四边形远心机构的基座端的轴一81上，伺服电机减速器通过转动带动第一级平行四边形长边连杆11，来改变双级平行四边形远心机构的外形，从而使第二级平行四边形的末端短边指向“旋内/旋外”运动轴线的方向改变，表现为关节壳体17绕着竖直转轴轴线三3旋转，相当于驱动第二关节B转动。

如图14-图16所示，为了确保钢丝绳26稳定可靠实现动力传递，大臂连杆18的在旋转方向的外侧和内侧分别固定有多个钢丝绳夹紧机构；实现从钢丝轮28上侧拉出的钢丝绳的夹紧固定和从钢丝轮28下侧拉出的钢丝绳的夹紧固定。每个所述钢丝绳夹紧机构包括夹紧块23、楔形块24和螺钉25；夹紧块23的一端突起，内设有楔形槽23-1，楔形块24压入楔形槽23-1内；从钢丝轮28的上侧拉出的钢丝绳26的端头以及从钢丝轮28的上侧拉出的钢丝绳26的端头分别穿入各自楔形槽，并顺楔形块槽折弯后引出，夹紧块23的另一端设有与楔形槽贯通的螺纹孔，螺钉25旋拧在螺纹孔内对钢丝绳进行调节预紧。图8所示是钢丝绳夹紧机构示意图。夹紧块23的内部设计有楔形槽，将楔形块24紧紧压入楔形槽，钢丝绳从中穿过绕于楔形块24的槽，从而起到钢丝绳夹紧作用。夹紧块23的设计有螺纹通道，通过一个长的螺钉25的旋入顶压钢丝绳26，进行钢丝绳26的预紧力调节，如图16所示，图中，钢丝绳26在楔形槽内的楔形块槽折弯如钢丝绳楔形弯曲部位27所示。

优选地，第一关节转动轴10的转轴轴线二2与第二关节B的关节外壳17的转轴轴线三3和大臂连杆18的转轴轴线一4所构成的平面的夹角β为15°或90°。进一步确定了是为了调节三自由度机器人关节的“旋内/旋外”运动范围而做的特殊设计。在实际应用中，除了设计为上述角度，也可以设计为其他的角度。第一关节转动轴10的转轴轴线二2与第二关节B的关节外壳17的转轴轴线三3和大臂连杆18的转轴轴线一4交汇于一点P。

如图1和图2所示，所述上肢康复训练外骨骼机器人还包括控制背包200，控制背包200安装在基座1上，控制背包200放置于操作者的后背，内部包含上位机控制系统。控制背包200的左右两侧设计有基座1，基座1设计有两个安装孔，用于安装肩关节。如图2所示，以右臂设计为例。右肩关节(外展/内收)第一关节转动轴10直接安装于基座1的安装孔上。右肩关节(外展/内收)的第二电机减速器6安装于基座1的安装孔的端面。

所述控制背包200用于给第一关节A、第二关节B、第三关节C的电机减速器供电并控制电机减速器动作，给六维力传感器122供电并接收六维力传感器122检测人体上肢信息并实时反馈给第一关节A、第二关节B或第三关节C，或者反馈给第一关节A、第二关节B和第三关节C，实现带动患者运动所提供的关节力矩。

康复训练原理：本发明设计的上肢康复训练外骨骼机器人，左右两条机械臂为对称设计，对于偏瘫患者，可以采用健康手臂主动运动，机器人采集健康手臂的运动信息，经过运算施加给另外一条机械臂，从而带动具有运动障碍的手臂做跟随运动。第二种训练方法是采用预定轨迹训练法。预先规划好训练的动作，使用机器人带动患者按照既定的动作完成康复训练。

本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：它包括基座(1)、两个肩关节、两个肘关节和两个腕关节；基座(1)两侧镜像布置有一个肩关节、一个肘关节(D)和一个腕关节(F)；肩关节安装在基座(1)上，肘关节(D)安装在肩关节上，腕关节(F)安装在肘关节(D)上；

每个所述肩关节包括大臂连杆(18)、第一关节(A)、第二关节(B)和第三关节(C)；第一关节(A)的驱动装置安装在基座(1)上，第一关节(A)的输出端带动第二关节(B)相对基座在竖直平面内作外展内收运动；第二关节(B)的驱动装置安装在第一关节(A)的输出端上，第二关节(B)的输出机构带动第三关节(C)在水平面内作内外旋转运动；第三关节(C)的驱动装置安装在第二关节(B)上，第三关节(C)的输出机构带动大臂连杆(18)在竖直平面内作伸展弯曲运动；大臂连杆(18)的转轴轴线一(4)、第二关节(B)的转轴轴线二(2)、第三关节(C)的转轴轴线三(3)在空间交汇于同一点P；

所述肘关节(D)包括安装壳体(47)以及放置于安装壳体(47)内的液压缸，安装外壳(47)固装在大臂连杆(18)上，所述液压缸的液压缸体(51)的上端与安装壳体(47)的顶端转动连接，液压缸的活塞杆(52)与腕关节(F)转动连接，腕关节(F)转动安装在安装壳体(47)上，控制液压缸的活塞杆收缩，带动腕关节(F)作伸展弯曲运动，腕关节(F)由人手被动驱动作内外旋转运动。

2.根据权利要求1所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：所述腕关节(F)包括关节小臂(121)、六维力传感器(122)、关节小臂内侧板(123)、关节小臂捆绑固定圆筒(126)、关节内部转筒(46)和手柄(9)；

液压缸的活塞杆(52)与关节小臂(121)铰接，关节小臂(121)通过轴承安装在安装外壳(47)底部，关节小臂(121)与关节小臂内侧板(123)直接安装有六维力传感器(122)，关节小臂内侧板(123)的端部空心端盖通过轴承安装在关节小臂捆绑固定圆筒(126)上，关节小臂捆绑固定圆筒(126)外侧套有关节内部转筒(46)且二者有间隙，手柄(9)安装在关节内部转筒(46)端部，关节内部转筒(46)与关节小臂(121)相对转动。

3.根据权利要求1或2所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：所述第一关节(A)的驱动装置包括第一关节转动轴(10)和第一电机减速器(5)；第一关节转动轴(10)转动安装在基座(1)上，第一关节转动轴(10)的一端安装在第一电机减速器(5)的输出端；

所述第二关节(B)的输出机构为双级平行四边形远心机构(45)；包括第一级平行四边形长边连杆(11)、第一级平行四边形短边连杆(12)、第二级平行四边形长边连杆(15)、第二级平行四边形弧形连杆(13)；第一级平行四边形长边连杆(11)和第一级平行四边形短边连杆(12)的一端分别与第一关节转动轴(10)转动连接，第二级平行四边形弧形连杆(13)与第一级平行四边形长边连杆(11)转动连接，第二级平行四边形弧形连杆(13)的一端与第一级平行四边形短边连杆(12)的另一端转动连接，第一级平行四边形长边连杆(11)的另一端与第二级平行四边形长边连杆(15)的一端固接，第二级平行四边形长边连杆(15)的一端与第三关节(C)的驱动装置的输出端连接且能相对转动，第二级平行四边形长边连杆(15)的另一端和第二级平行四边形弧形连杆(13)的另一端均与第三关节(C)的输出机构的关节外壳(17)转动连接；第二关节(B)的驱动装置为第二电机减速器(6)；第二电机减速器(6)的输出端与第一级平行四边形长边连杆(11)的一端固接。

4.根据权利要求3所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：所述第三关节(C)的输出机构包括钢丝轮(28)、钢丝滑轮一(29)、钢丝滑轮二(30)、钢丝滑轮三(31)、钢丝滑轮四(32)、钢丝滑轮五(33)、钢丝滑轮六(34)、钢丝滑轮七(35)、钢丝滑轮八(36)、钢丝滑轮九(37)、钢丝滑轮十(38)、钢丝滑轮十一(39)和十一根定轴(40)；

钢丝轮(28)安装于支撑轴(20)上且能相对支撑轴(20)转动，支撑轴(20)固装在基座壳体(17)上，钢丝滑轮一(29)、钢丝滑轮二(30)、钢丝滑轮三(31)、钢丝滑轮四(32)、钢丝滑轮五(33)、钢丝滑轮六(34)、钢丝滑轮七(35)、钢丝滑轮八(36)、钢丝滑轮九(37)、钢丝滑轮十(38)和钢丝滑轮十一(39)分别转动安装在各自的定轴(40)上；每根定轴(40)安装在关节外壳(17)上；

其中多根钢丝绳(26)的一端与大臂连杆18的在旋转方向的外侧固接，多条钢丝绳(26)从钢丝轮(28)的上侧拉出，先通过钢丝滑轮一(29)和钢丝滑轮二(30)，然后通过钢丝滑轮三(31)和钢丝滑轮四(32)后改变为水平方向，然后绕到钢丝滑轮五(33)的上半段上，从钢丝滑轮五(33)的上半段出来后，从外侧绕在固装于轴六(86)上的上定钢丝滑轮上，从第二级平行四边形长边连杆(15)内侧进入绕在固装于轴五(85)上的上定钢丝滑轮上，多根钢丝绳(26)的另一端固定在轴五(85)的上定钢丝滑轮上；

另外多根钢丝绳(26)的一端与大臂连杆(18)的在旋转方向的内侧固接，多根钢丝绳(26)从钢丝轮(28)的下侧拉出，先通过钢丝滑轮四(34)、钢丝滑轮六(36)和钢丝滑轮九(37)，然后通过钢丝滑轮五(35)、钢丝滑轮十(38)和钢丝滑轮十一(39)改变水平方向后，绕在钢丝滑轮五(33)的下半段上，从钢丝滑轮五(33)的下半段出来后，从第二级平行四边形长边连杆(15)外侧依次绕在固装于轴六(86)和轴五(85)上的下定钢丝滑轮上，多根钢丝绳(26)的另一端固定在轴五(85)的下定钢丝滑轮上，第三关节(C)的驱动装置为第三电机减速器(7)，轴五(85)安装在第三电机减速器(7)的输出端上。

5.根据权利要求4所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：第一关节转动轴(10)上垂直安装有轴一(81)和轴二(82)，第二电机减速器(6)的输出端与轴一(81)固接，轴一(81)相对第一关节转动轴(10)转动，轴一(81)的上端与第一级平行四边形长边连杆(11)固接，第二级平行四边形弧形连杆(13)的一端和第一级平行四边形短边连杆(12)均转动安装在轴三(83)上；第二级平行四边形弧形连杆(13)与第一级平行四边形长边连杆(11)均转动安装在轴四(84)上，第一级平行四边形长边连杆(11)的另一端与第二级平行四边形长边连杆(15)的一端均转动安装在轴五(85)上，轴六(86)和轴七(87)安装在关节外壳(17)上，第二级平行四边形长边连杆(15)的另一端转动安装在轴六(86)上，第二级平行四边形弧形连杆(13)的另一端转动安装在轴七(87)上。

6.根据权利要求5所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：大臂连杆(18)的在旋转方向的外侧和内侧分别固定有多个钢丝绳夹紧机构；每个所述钢丝绳夹紧机构包括夹紧块(23)、楔形块(24)和螺钉(25)；夹紧块(23)的一端突起，内设有楔形槽(23-1)，楔形块(24)压入楔形槽(23-1)内；从钢丝轮(28)的上侧拉出的钢丝绳(26)的端头以及从钢丝轮(28)的上侧拉出的钢丝绳(26)的端头分别穿入各自楔形槽，并顺楔形块槽折弯后引出，夹紧块(23)的另一端设有与楔形槽贯通的螺纹孔，螺钉(25)旋拧在螺纹孔内对钢丝绳进行调节预紧。

7.根据权利要求4、5或6所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：钢丝滑轮一(29)、钢丝滑轮二(30)、钢丝滑轮六(34)、钢丝滑轮八(36)和钢丝滑轮九(37)的轴线水平布置；钢丝滑轮三(31)、钢丝滑轮四(32)、钢丝滑轮五(33)、钢丝滑轮七(35)、钢丝滑轮十(38)和钢丝滑轮十一(39)的轴线垂直布置。

8.根据权利要求7所述一种上肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于：第一关节转动轴(10)的转轴轴线二(2)与第二关节(B)的关节外壳(17)的转轴轴线三(3)和大臂连杆(18)的转轴轴线一(4)所构成的平面的夹角(β)为15°或90°。

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