CN110897830B - 一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，包括肘关节康复模块、腕关节康复模块、臂部护具模块和腕部护具模块，多个臂部护具模块可拆卸的安装在肘关节康复模块上用于将患者上臂和肘关节康复模块连接，帮助患者训练肘部，多个臂部护具模块和腕部护具模块可拆卸的安装在腕关节康复模块上用于将患者前臂、手部和腕关节康复模块连接，帮助患者训练腕部，本发明提供的一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，各个模块可拆卸的连接，使用方便，具有很强的实用性和适用性，且采用气动肌肉作为驱动器，通过绳索以及转向轮的配合实现了肘腕关节单独辅助训练功能和复合辅助训练功能。

Description

一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人。

背景技术

近年来，人口老龄化问题日益严重。据估计，到2025年，我国60岁以上人口总数将达到3亿。随着年龄的增长，肢体各方面机能开始明显下降，身体的灵活性不断降低。此外，许多疼痛和意外伤害会损伤人体关节和肌肉组织，很多患者需要借助手术进行治疗。医学研究表明，术后科学的康复训练有利于肢体损伤患者运动功能的恢复。然而，现阶段专业的护理人员十分缺乏。一方面，护理人员需要为多名术后患者进行康复训练，因此花在同一患者身上的时间十分有限。另一方面，护理人员很容易因为重复的康复操作产生疲劳，影响康复效果。康复机器人可以长时间准确地重复预设运动轨迹，并在辅助训练的过程中不需要医师和护理人员的过多参与。因此，使用机器人进行康复辅助训练可以有效地解决人工辅助训练过程中存在的诸多问题。

传统外骨骼康复机器人机构大多采用电机作为驱动器，采用电机驱动会使机构重量大，柔顺性和安全性较差，少数外骨骼康复机器人机构采用气动或者液压等方式进行驱动，但是液压驱动的方式使得该机构对温度的变化较为敏感，同时该机构也存在效率低、安全性较差的问题。在康复机器人设计与制造方面，现有的机器人大多针对特定需求进行设计，且一旦加工完毕，机器人构型便不再发生改变，无法同时满足不同患者的康复需求，并且在进行腕关节康复的同时，肘关节和肩关节属于闲置状态，同一时间下机器人只能辅助单个患者完成特定的康复训练任务，因此难以同时满足不同患者或同一患者不同康复阶段的辅助训练要求，为了实现必要的康复辅助功能，在机器人设计与制造过程中，机器人容易出现体积过大和成本过高的问题，造成设备资源浪费。

综上所述，传统的电机和液压驱动方式下的机器人无法满足患者康复中柔顺安全这一基本要求，与此同时，在外骨骼机器人设计过程中普遍存在无法满足不同患者康复需求，未考虑设备利用率，设备体积过大，成本过高等问题。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，使用新型驱动器气动肌肉驱动外骨骼康复机器人以此消除传统电机和液压驱动下存在的不利影响，且输出力大、重量轻、安全性和柔顺性高，方便安装与拆卸。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，包括：

肘关节康复模块，包括肘关节拮抗肌肉对、上臂气动肌肉托板、肘部关节转轮和前臂连接杆，所述肘关节拮抗肌肉对安装在所述上臂气动肌肉托板一端，所述肘关节拮抗肌肉对包括肘伸气动肌肉和肘屈气动肌肉，所述上臂气动肌肉托板上设有限制所述肘伸气动肌肉和肘屈气动肌肉伸长长度的肘关节限位板，所述肘部关节转轮通过肘部关节支架安装在所述上臂气动肌肉托板另一端，所述肘伸气动肌肉通过肘伸侧绳索与所述肘部关节转轮的一侧连接，所述肘屈气动肌肉通过肘屈侧绳索与所述肘部关节转轮的另一侧连接，所述前臂连接杆的一端与所述肘部关节转轮固定；

腕关节康复模块，包括前臂气动肌肉托板、腕关节拮抗肌肉对和腕部关节转轮，所述前臂气动肌肉托板的一端与所述前臂连接杆的另一端可拆卸的连接且安装有所述腕关节拮抗肌肉对，所述腕关节拮抗肌肉对包括腕伸气动肌肉和腕屈气动肌肉，所述前臂气动肌肉托板上设有限制所述腕伸气动肌肉和腕屈气动肌肉伸长长度的腕关节限位板，所述腕部关节转轮通过腕部关节支架安装在所述前臂气动肌肉托板的另一端，所述腕伸气动肌肉通过腕伸侧绳索与所述腕部关节转轮的一侧连接，所述腕屈气动肌肉通过腕屈侧绳索与所述腕部关节转轮的另一侧连接；

臂部护具模块，多个臂部护具模块间隔一定距离可拆卸的安装在所述上臂气动肌肉托板的另一侧或所述前臂气动肌肉托板的另一侧；

腕部护具模块，可拆卸的安装在所述腕部关节支架上。

进一步的，每一所述臂部护具模块包括臂部弧形箍圈和臂部粘扣带，所述臂部弧形箍圈可拆卸的安装在所述上臂气动肌肉托板或所述前臂气动肌肉托板上，所述臂部弧形箍圈两侧均设有长条孔，所述臂部粘扣带穿过两个所述长条孔与所述臂部弧形箍圈呈环状结构。

进一步的，所述上臂气动肌肉托板和所述前臂气动肌肉托板上均设有滑槽，所述臂部弧形箍圈上设有可穿设在所述滑槽中的滑动件。

进一步的，所述腕部关节支架为矩形框架结构且一侧通过三角支架固定在所述前臂气动肌肉托板的另一端，所述腕部关节支架内设有自由度转换装置，所述自由度转换装置包括第一旋转轴、第二旋转轴、第三旋转轴和第四旋转轴，所述第一旋转轴竖直方向上下活动的安装在所述腕部关节支架内，所述第一旋转轴自上而下安装有腕部关节转轮、第一直齿轮和第一锥齿轮，所述第二旋转轴竖直方向安装在所述腕部关节支架内且安装有与所述第一直齿轮啮合的第二直齿轮和固定有内收外展旋转件，所述第三旋转轴水平方向设置，一端安装有与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮，中部安装有第三直齿轮，另一端活动安装在所述腕部关节支架内侧，所述第四旋转轴水平方向设置且安装有与所述第三直齿轮啮合的第四直齿轮，所述第四旋转轴两端穿出所述腕部关节支架且分别固定有屈伸旋转件，所述内收外展旋转件和屈伸旋转件可拆卸的安装在腕部护具模块上。

进一步的，所述自由度转换装置还包括切换轴和连接件，所述切换轴竖直方向上下活动安装在所述腕部关节支架中且顶部穿出所述腕部关节支架，所述连接件一端套设在所述切换轴上另一端套设在所述第一旋转轴上。

进一步的，所述肘关节限位板和所述肘部关节支架间设有底部固定在所述上臂气动肌肉托板上的第一工字型支架，所述第一工字型支架内安装有第一工字型转轮和第二工字型转轮，所述肘伸侧绳索卡在第一工字型转轮上，所肘屈侧绳索卡在第二工字型转轮上。

进一步的，所述腕关节限位板和所述腕部关节支架间设有底部固定在所述前臂气动肌肉托板上的第二工字型支架，所述第二工字型支架内安装有第三工字型转轮和第四工字型转轮，所述腕伸侧绳索卡在第三工字型转轮上，所腕屈侧绳索卡在第四工字型转轮上。

进一步的，所述肘伸气动肌肉和所述肘伸侧绳索间设有第一螺纹管箍和第一拉力传感器，所述肘屈气动肌肉和所述肘屈侧绳索间设有第二螺纹管箍和第二拉力传感器，所述肘关节限位板上设有第一限位孔和第二限位孔，所述第一螺纹管箍和第一拉力传感器可通过所述第一限位孔，所述第二螺纹管箍和第二拉力传感器可通过所述第二限位孔。

进一步的，所述腕伸气动肌肉和所述腕伸侧绳索间设有第三螺纹管箍和第三拉力传感器，所述腕屈气动肌肉和所述腕屈侧绳索间设有第四螺纹管箍和第四拉力传感器，所述腕关节限位板上设有第三限位孔和第四限位孔，所述第三螺纹管箍和第三拉力传感器可通过所述第三限位孔，所述第四螺纹管箍和第四拉力传感器可通过所述第四限位孔。

进一步的，所述肘部关节转轮的转轴伸出所述肘部关节转轮且安装有第一角度传感器，所述第一旋转轴顶部穿出腕部关节支架，所述第一旋转轴顶部安装有第二角度传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，气动肌肉属于一种新型的气动元件，具有输出力大、重量轻、安全性和柔顺性高的特点，因此作为驱动器在康复机器人领域具有独特的优势。

2.本发明所述的一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，对本机器人进行了模块化设计，将机器人机构划分为肘关节康复模块、腕关节康复模块、臂部护具模块和腕部护具模块，各个模块之间通过可拆卸的进行连接，方便拆装，增加了本装置的实用性和适用度。

3.本发明所述的一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，前臂气动肌肉托板与前臂连接杆固定时，肘关节康复模块和腕关节康复模块成为一个整体，机器人可以为患者同时进行肘关节和腕关节康复训练，关节运动独立，相互之间不发生干扰；前臂气动肌肉托板与前臂连接杆分离时，机器人被拆分成单独的肘关节康复模块和腕关节康复模块，此时机器人可为不同患者进行康复训练。

4.本发明所述的一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，设置两个角度传感器和多个拉力传感器，可以为医师提供患者的实时运动数据，为实现肘关节康复模块和腕关节康复模块的安全运动控制奠定了基础，在提高控制精度以及增加装置安全性的同时也能为下一步康复方案的制定提供依据，可有效提高患者的康复治疗效果。

5.本发明所述的一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，腕关节康复模块中设置自由度转换装置，帮助患者实现腕关节屈伸运动和内外收展运动，进一步帮助患者训练腕关节，且在实现腕关节康复训练的同时，节省了机构空间并降低了成本。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明肘关节康复模块和多个臂部护具模块连接的结构示意图。

图3为本发明腕关节康复模块的结构示意图。

图4为本发明自由度转换装置的结构示意图。

图5为本发明臂部护具模块的结构示意图。

图6为本发明腕部护具模块的结构示意图。

其中：100、肘关节康复模块；110、肘关节拮抗肌肉对；111、肘伸气动肌肉；112、肘屈气动肌肉；113、肘伸侧绳索；114、肘屈侧绳索；120、上臂气动肌肉托板；130、肘部关节转轮；140、前臂连接杆；150、肘关节限位板；160、第一工字型支架；161、第一工字型转轮；162、第二工字型转轮；170、肘部关节支架；

200、腕关节康复模块；210、腕关节拮抗肌肉对；211、腕伸气动肌肉；212、腕屈气动肌肉；213、腕伸侧绳索；214、腕屈侧绳索；220、前臂气动肌肉托板；230、腕部关节转轮；240、腕关节限位板；250、第二工字型支架；251、第三工字型转轮；252、第四工字型转轮；260、自由度转换装置；2601、第一旋转轴；2602、第二旋转轴；2603、第三旋转轴；2604、第四旋转轴；2605、第一直齿轮；2606、第一锥齿轮；2607、第二直齿轮；2608、第二锥齿轮；2609、第三直齿轮；2610、第四直齿轮；2611、切换轴；2612、连接件；2613、内收外展旋转件；2614、屈伸旋转件；270、腕部关节支架；280、三角支架；

300、臂部护具模块；310、臂部弧形箍圈；320、臂部粘扣带；

400、腕部护具模块；410、腕部弧形箍圈；420、第一腕部粘扣带；430、手握件；440、第二腕部粘扣带；

500、拉力传感器；510、第一拉力传感器；520、第二拉力传感器；530、第三拉力传感器；540、第四拉力传感器；

600、角度传感器；610、第一角度传感器；620、第二角度传感器。

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。

参照图1-图6所示，一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，包括肘关节康复模块100、腕关节康复模块200、臂部护具模块300和腕部护具模块400。多个臂部护具模块300可拆卸的安装在肘关节康复模块100上用于将患者上臂和肘关节康复模块100连接，帮助患者训练肘部，多个臂部护具模块300和腕部护具模块400可拆卸的安装在腕关节康复模块200上用于将患者前臂、手部和腕关节康复模块200连接，帮助患者训练腕部。

参照图1和图2所示，肘关节康复模块100包括肘关节拮抗肌肉对110、上臂气动肌肉托板120、肘部关节转轮130和前臂连接杆140，肘关节拮抗肌肉对110安装在上臂气动肌肉托板120一端，肘关节拮抗肌肉对110包括肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112，上臂气动肌肉托板120上设有限制肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112伸长长度的肘关节限位板150，肘部关节转轮130通过肘部关节支架170安装在上臂气动肌肉托板120另一端，肘伸气动肌肉111通过肘伸侧绳索113与肘部关节转轮130的一侧连接，肘屈气动肌肉112通过肘屈侧绳索114与肘部关节转轮130的另一侧连接，肘伸侧绳索113和肘屈侧绳索114采用软丝钢丝绳制成，前臂连接杆140的一端与肘部关节转轮130固定。在使用过程中，控制肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112收缩，使得肘伸侧绳索113和肘屈侧绳索114拉伸，由于肘伸气动肌肉111通过肘伸侧绳索113与肘部关节转轮130的一侧连接，肘屈气动肌肉112通过肘屈侧绳索114与肘部关节转轮130的另一侧，进而使得肘部关节转轮130和前臂连接杆140在水平面上转动，由于肘部关节转轮130处在患者肘关节处，通过肘部关节转轮130转动可带动患者肘关节转动，从而帮助患者训练肘关节。另外，由于肘关节康复模块100用于康复训练，且人体肘关节的运动范围是有限的，增加肘关节限位板150可以限制肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112伸长长度，保证人体肘关节的运动在正常的范围内。

具体的，肘部关节转轮130上设有第一固定孔和第二固定孔，肘伸侧绳索113一端与肘伸气动肌肉111的接头连接，另一端固定在第一固定孔内，肘屈侧绳索114一端与肘屈气动肌肉112的输出端连接，另一端固定在第二固定孔内。

具体的，肘部关节支架170为“匚”形结构，肘部关节支架170底部固定在上臂气动肌肉托板120另一端，肘部关节转轮130的转轴活动安装在肘部关节支架170内。

参照图1和图3所示，腕关节康复模块200包括前臂气动肌肉托板220、腕关节拮抗肌肉对210和腕部关节转轮230，前臂气动肌肉托板220的一端与前臂连接杆140的另一端可通过螺栓拆卸的连接，前臂气动肌肉托板220的一端安装腕关节拮抗肌肉对210，腕关节拮抗肌肉对210包括腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212，前臂气动肌肉托板220上设有限制腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212伸长长度的腕关节限位板240，腕部关节转轮230通过腕部关节支架270安装在前臂气动肌肉托板220的另一端，腕伸气动肌肉211通过腕伸侧绳索213与腕部关节转轮230的一侧连接，腕屈气动肌肉212通过腕屈侧绳索214与腕部关节转轮230的另一侧连接，腕伸侧绳索213和腕屈侧绳索214采用软丝钢丝绳制成。在使用过程中，控制腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212收缩，使得腕伸侧绳索213和腕屈侧绳索214拉伸，由于腕伸气动肌肉211通过腕伸侧绳索213与腕部关节转轮230的一侧连接，腕屈气动肌肉212通过腕屈侧绳索214与腕部关节转轮230的另一侧，进而使得腕部关节转轮230在竖直面上转动，由于腕部关节转轮230处在患者腕关节处，通过腕部关节转轮230转动可带动患者腕关节转动，从而帮助患者训练腕关节。另外，由于腕关节康复模块200用于康复训练，且人体肘关节的运动范围是有限的增加腕关节限位板240可以限制腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212伸长长度，保证人体肘关节的运动在正常的范围内。

具体的，腕部关节转轮230上设有第三固定孔和第四固定孔，腕伸侧绳索213一端与腕伸气动肌肉211的接头连接，另一端固定在第三固定孔内，腕屈侧绳索214一端与腕屈气动肌肉212的输出端连接，另一端固定在第四固定孔内。

前臂气动肌肉托板220与前臂连接杆140通过螺栓固定时，肘关节康复模块100和腕关节康复模块200成为一个整体，机器人可以为患者同时进行肘关节和腕关节康复训练，关节运动独立，相互之间不发生干扰；前臂气动肌肉托板220与前臂连接杆140通过螺栓分离时，机器人被拆分成单独的肘关节康复模块100和腕关节康复模块200，此时机器人可为不同患者进行康复训练。

参照图5所示，每一臂部护具模块300包括臂部弧形箍圈310和臂部粘扣带320，臂部弧形箍圈310可拆卸的安装在上臂气动肌肉托板120或前臂气动肌肉托板220上，臂部弧形箍圈310两侧均设有长条孔，臂部粘扣带320穿过两个长条孔与臂部弧形箍圈310呈环状结构，臂部粘扣带320可根据患者上臂或前臂的粗细进行调整穿过两个长条孔的长度，使患者上臂或前臂分别与上臂气动肌肉托板120或前臂气动肌肉托板220紧紧固定。

上臂气动肌肉托板120和前臂气动肌肉托板220上均设有滑槽，臂部弧形箍圈310上设有可穿设在所述滑槽中的滑动件，滑动件可在滑槽中滑动并选择合适的位置固定，不仅可以匹配不同患者的上臂或前臂长度，且方便拆卸并收纳。本发明中，滑动件为螺栓，滑动件在滑槽中选择合适的位置后通过螺母固定。

参照图1所示，本发明实施例中，两个臂部护具模块300相对于肘关节拮抗肌肉对110设在上臂气动肌肉托板120的另一侧，三个臂部护具模块300相对于腕关节拮抗肌肉对210设在前臂气动肌肉托板220的另一侧，三个臂部护具模块300分别设在前臂气动肌肉托板220的两端和中部，其中一个臂部护具模块300的臂部弧形箍圈310固定在腕部关节支架270底部。

参照图1和图4所示，由于腕关节不仅实现内收外展运动，也可以实现屈伸运动，腕部关节支架270内设有自由度转换装置260。腕部关节支架270为矩形框架结构且一侧通过三角支架280固定在前臂气动肌肉托板220的另一端，三角支架280一端与前臂气动肌肉托板220的另一端固定，另一端与腕部关节支架270固定，自由度转换装置260设在腕部关节支架270内，自由度转换装置260包括第一旋转轴2601、第二旋转轴2602、第三旋转轴2603和第四旋转轴2604，第一旋转轴2601竖直方向上下活动的安装在腕部关节支架270内，第一旋转轴2601自上而下安装有腕部关节转轮230、第一直齿轮2605和第一锥齿轮2606，第二旋转轴2602竖直方向安装在腕部关节支架270内且安装有可与第一直齿轮2605啮合的第二直齿轮2607和固定有内收外展旋转件2613，内收外展旋转件2613可与腕部弧形箍圈410可拆卸的连接，第三旋转轴2603水平方向设置，一端安装有与第一锥齿轮2606啮合的第二锥齿轮2608，中部安装有第三直齿轮2609，另一端活动安装在腕部关节支架270内侧，第四旋转轴2604水平方向设置且安装有与第三直齿轮2609啮合的第四直齿轮2610，第四旋转轴2604两端穿出腕部关节支架270分别固定有屈伸旋转件2614，两个屈伸旋转件2614卡设在腕部护具模块400内侧。使用过程中，向上拉动第一旋转轴2601，使第一直齿轮2605和第二直齿轮2607啮合，第一锥齿轮2606和第二锥齿轮2608上下间隔一段距离，由于腕伸气动肌肉211通过腕伸侧绳索213与腕部关节转轮230的一侧连接，腕屈气动肌肉212通过腕屈侧绳索214与腕部关节转轮230的另一侧，腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212的伸缩运动会带动腕部关节转轮230转动，进而带动第一旋转轴2601和第一直齿轮2605转动，从而带动第二直齿轮2607转动，使内收外展旋转件2613摆动，实现腕关节内收外展运动；向上按压第一旋转轴2601，使第一直齿轮2605和第二直齿轮2606上下间隔一段距离，第一锥齿轮2606和第二锥齿轮2608啮合，由于腕伸气动肌肉211通过腕伸侧绳索213与腕部关节转轮230的一侧连接，腕屈气动肌肉212通过腕屈侧绳索214与腕部关节转轮230的另一侧，腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212的伸缩运动会带动腕部关节转轮230转动，进而带动第一旋转轴2601、第一直齿轮2605和第一锥齿轮2606转动，从而带动第二锥齿轮2608、第三直齿轮2609和第四直齿轮2610转动，使屈伸旋转件2614摆动，实现腕关节屈伸运动。

参照图4所示，自由度转换装置260还包括切换轴2611和连接件2612，切换轴2611竖直方向上下活动安装在腕部关节支架270中且顶部穿出腕部关节支架270，连接件2612一端套设在切换轴2611上另一端套设在第一旋转轴2601上，由于第一旋转轴2601顶部安装有第二角度传感器620，向上拉动和向下按压第一旋转轴2601不方便，因此设置切换轴2611和连接件2612，通过向上拉动或向下按压切换轴2611，可向上拉动或向下按压第一旋转轴2601。连接件2612上设有第一孔，第一孔通过卡簧套设在第一旋转轴2601上，第二孔通过卡簧套设在切换轴2611上。

参照图1、图3和图6所示，腕部护具模块400可拆卸的安装在腕部关节支架270上，腕部护具模块400包括腕部弧形箍圈410、第一腕部粘扣带420、手握件430和第二腕部粘扣带440。腕部弧形箍圈410和第一腕部粘扣带420构成第一腕部护具，腕部弧形箍圈410两侧均设有长条孔，第一腕部粘扣带420穿过两个长条孔与腕部弧形箍圈410呈环状结构，第一腕部粘扣带420可根据患者腕部粗细进行调整穿过两个长条孔的长度，参照图3所示，本发明中，腕部弧形箍圈410上设有卡槽，内收外展旋转件2613的一端可卡嵌在卡槽中，腕部护具模块400套设在患者腕关节处，当内收外展旋转件2613在水平面上摆动时，可带动腕部弧形箍圈410在水平面上摆动，进而帮助患者训练腕关节。两个手握件430和第二腕部粘扣带440构成第二腕部护具，手握件430为L形，两个手握件430的一端分别通过螺栓固定在两个屈伸旋转件2614上，两个手握件430的另一端通过连杆固定连接，第二腕部粘扣带440缠绕在两个手握件430的另一端呈环状结构，第二腕部粘扣带440可根据患者腕部粗细进行调整穿过两个长条孔的长度。第一腕部护具和第二腕部护具共同保护患者腕关节并分别带动患者腕关节做内收外展运动和屈伸运动。

参照图2所示，肘关节限位板150和肘部关节支架170间设有底部固定在上臂气动肌肉托板120上的第一工字型支架160，第一工字型支架160内安装有第一工字型转轮161和第二工字型转轮162，肘伸侧绳索113卡在第一工字型转轮161上，肘屈侧绳索114卡在第二工字型转轮162上，通过肘伸侧绳索113卡在第一工字型转轮161上，肘屈侧绳索114卡在第二工字型转轮162上，可以限制肘伸侧绳索113和肘屈侧绳索114的移动方向，使肘部关节转轮130正确转动，保证肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112连接的肘伸侧绳索113和肘屈侧绳索114的力总是沿着上臂肌肉伸缩的方向。

参照图3所示，腕关节限位板240和腕部关节支架270间设有底部固定在前臂气动肌肉托板220上的第二工字型支架250，第二工字型支架250内安装有第三工字型转轮251和第四工字型转轮252，腕伸侧绳索213卡在第三工字型转轮251上，腕屈侧绳索214卡在第四工字型转轮252上，通过腕伸侧绳索213卡在第三工字型转轮251上，腕屈侧绳索214卡在第四工字型转轮252上，可以限制腕伸侧绳索213和腕屈侧绳索214的移动方向，使腕部关节转轮230正确转动，保证腕伸气动肌肉211或腕屈气动肌肉212连接的腕伸侧绳索213和腕屈侧绳索214的力总是沿着前臂肌肉伸缩的方向。

本发明包括两个角度传感器600，分别是第一角度传感器610和第二角度传感器620，肘部关节转轮130的转轴伸出肘部关节转轮130且安装有第一角度传感器610，用于测量肘部关节转轮130的旋转角度，可以为医师提供患者的实时运动数据，为实现肘关节康复模块100的安全运动控制奠定了基础，在提高控制精度以及增加装置安全性的同时也能为下一步康复方案的制定提供依据，可有效提高患者的康复治疗效果。

参照图1和图3所示，第一旋转轴2601顶部穿出腕部关节支架270，第一旋转轴2601顶部安装有第二角度传感器620，用于测量腕部关节转轮230的旋转角度，通过第二角度传感器620，可以为医师提供患者的实时运动数据，为实现腕关节康复模块200的安全运动控制奠定了基础，在提高控制精度以及增加装置安全性的同时也能为下一步康复方案的制定提供依据，可有效提高患者的康复治疗效果。

本发明中，设有多个拉力传感器500，多个拉力传感器500包括第一拉力传感器510、第二拉力传感器520、第三拉力传感器530和第四拉力传感器540。

肘伸气动肌肉111和肘伸侧绳索113间设有第一拉力传感器510，第一拉力传感器510通过第一螺纹管箍安装在肘伸气动肌肉111上，肘屈气动肌肉112和肘屈侧绳索114间设有第二拉力传感器520，第二拉力传感器520通过第二螺纹管箍安装在肘屈气动肌肉112上，肘关节限位板150上设有第一限位孔和第二限位孔，第一螺纹管箍和第一拉力传感器510可通过第一限位孔，肘伸气动肌肉111不能通过第一限位孔，第二螺纹管箍和第二拉力传感器520可通过第二限位孔，肘屈气动肌肉112不能通过第二限位孔，使得肘关节限位板150可以限制肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112的伸长长度，但不能限制第一拉力传感器510、第一螺纹管箍、第二拉力传感器520和第二螺纹管箍的移动，进而使得第一拉力传感器510和第二拉力传感器520可以准确测量肘伸气动肌肉111和肘屈气动肌肉112的拉力。通过设置第一拉力传感器510和第二拉力传感器520，可以为医师提供患者的实时运动数据，为实现肘关节康复模块100的安全运动控制奠定了基础，在提高控制精度以及增加装置安全性的同时也能为下一步康复方案的制定提供依据，可有效提高患者的康复治疗效果。

腕伸气动肌肉211和腕伸侧绳索213间设有第三拉力传感器530，第三拉力传感器530通过第三螺纹管箍安装在腕伸气动肌肉211上，腕屈气动肌肉212和腕屈侧绳索214间设有第四拉力传感器540，第四拉力传感器540通过第四螺纹管箍安装在腕屈气动肌肉212上，腕关节限位板240上设有第三限位孔和第四限位孔，第三螺纹管箍和第三拉力传感器530可通过第三限位孔，腕伸气动肌肉211不能通过第三限位孔，第四螺纹管箍和第四拉力传感器540可通过第四限位孔，腕屈气动肌肉212不能通过第四限位孔，使得腕关节限位板240可以限制腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212的伸长长度，但不能限制第三拉力传感器530、第三螺纹管箍、第四拉力传感器540和第四螺纹管箍的移动，进而使得第三拉力传感器530和第四拉力传感器540可以准确测量腕伸气动肌肉211和腕屈气动肌肉212的拉力。通过设置第三拉力传感器530和第四拉力传感器540，可以为医师提供患者的实时运动数据，为实现肘关节康复模块100的安全运动控制奠定了基础，在提高控制精度以及增加装置安全性的同时也能为下一步康复方案的制定提供依据，可有效提高患者的康复治疗效果。

本发明采用气动肌肉作为驱动器，通过绳索以及转向轮的配合实现了肘腕关节单独辅助训练功能和复合辅助训练功能，在增加功率-重量比的同时确保了装置的柔顺性和安全性。考虑到不同患者的肢体和需求差异以及设备利用率问题，对本机器人进行了模块化设计，将机器人机构划分为肘关节康复模块100、腕关节康复模块200、臂部护具模块300和腕部护具模块400，各个模块之间通过可拆卸的进行连接，增加了本装置的实用性和适用度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于，包括：

肘关节康复模块，包括肘关节拮抗肌肉对、上臂气动肌肉托板、肘部关节转轮和前臂连接杆，所述肘关节拮抗肌肉对安装在所述上臂气动肌肉托板一端，所述肘关节拮抗肌肉对包括肘伸气动肌肉和肘屈气动肌肉，所述上臂气动肌肉托板上设有限制所述肘伸气动肌肉和肘屈气动肌肉伸长长度的肘关节限位板，所述肘部关节转轮通过肘部关节支架安装在所述上臂气动肌肉托板另一端，所述肘伸气动肌肉通过肘伸侧绳索与所述肘部关节转轮的一侧连接，所述肘屈气动肌肉通过肘屈侧绳索与所述肘部关节转轮的另一侧连接，所述前臂连接杆的一端与所述肘部关节转轮固定；

腕关节康复模块，包括前臂气动肌肉托板、腕关节拮抗肌肉对和腕部关节转轮，所述前臂气动肌肉托板的一端与所述前臂连接杆的另一端可拆卸的连接且安装有所述腕关节拮抗肌肉对，所述腕关节拮抗肌肉对包括腕伸气动肌肉和腕屈气动肌肉，所述前臂气动肌肉托板上设有限制所述腕伸气动肌肉和腕屈气动肌肉伸长长度的腕关节限位板，所述腕部关节转轮通过腕部关节支架安装在所述前臂气动肌肉托板的另一端，所述腕伸气动肌肉通过腕伸侧绳索与所述腕部关节转轮的一侧连接，所述腕屈气动肌肉通过腕屈侧绳索与所述腕部关节转轮的另一侧连接；

臂部护具模块，多个臂部护具模块间隔一定距离可拆卸的安装在所述上臂气动肌肉托板的另一侧或所述前臂气动肌肉托板的另一侧；

腕部护具模块，可拆卸的安装在所述腕部关节支架上，所述腕部关节支架为矩形框架结构且一侧通过三角支架固定在所述前臂气动肌肉托板的另一端，所述腕部关节支架内设有自由度转换装置，所述自由度转换装置包括第一旋转轴、第二旋转轴、第三旋转轴和第四旋转轴，所述第一旋转轴竖直方向上下活动的安装在所述腕部关节支架内，所述第一旋转轴自上而下安装有腕部关节转轮、第一直齿轮和第一锥齿轮，所述第二旋转轴竖直方向安装在所述腕部关节支架内且安装有与所述第一直齿轮啮合的第二直齿轮和固定有内收外展旋转件，所述第三旋转轴水平方向设置，一端安装有与所述第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮，中部安装有第三直齿轮，另一端活动安装在所述腕部关节支架内侧，所述第四旋转轴水平方向设置且安装有与所述第三直齿轮啮合的第四直齿轮，所述第四旋转轴两端穿出所述腕部关节支架且分别固定有屈伸旋转件，所述内收外展旋转件和屈伸旋转件可拆卸的安装在腕部护具模块上。

2.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：每一所述臂部护具模块包括臂部弧形箍圈和臂部粘扣带，所述臂部弧形箍圈可拆卸的安装在所述上臂气动肌肉托板或所述前臂气动肌肉托板上，所述臂部弧形箍圈两侧均设有长条孔，所述臂部粘扣带穿过两个所述长条孔与所述臂部弧形箍圈呈环状结构。

3.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述上臂气动肌肉托板和所述前臂气动肌肉托板上均设有滑槽，所述臂部弧形箍圈上设有可穿设在所述滑槽中的滑动件。

4.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述自由度转换装置还包括切换轴和连接件，所述切换轴竖直方向上下活动安装在所述腕部关节支架中且顶部穿出所述腕部关节支架，所述连接件一端套设在所述切换轴上另一端套设在所述第一旋转轴上。

5.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述肘关节限位板和所述肘部关节支架间设有底部固定在所述上臂气动肌肉托板上的第一工字型支架，所述第一工字型支架内安装有第一工字型转轮和第二工字型转轮，所述肘伸侧绳索卡在第一工字型转轮上，所述 肘屈侧绳索卡在第二工字型转轮上。

6.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述腕关节限位板和所述腕部关节支架间设有底部固定在所述前臂气动肌肉托板上的第二工字型支架，所述第二工字型支架内安装有第三工字型转轮和第四工字型转轮，所述腕伸侧绳索卡在第三工字型转轮上，所述 腕屈侧绳索卡在第四工字型转轮上。

7.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述肘伸气动肌肉和所述肘伸侧绳索间设有第一螺纹管箍和第一拉力传感器，所述肘屈气动肌肉和所述肘屈侧绳索间设有第二螺纹管箍和第二拉力传感器，所述肘关节限位板上设有第一限位孔和第二限位孔，所述第一螺纹管箍和第一拉力传感器可通过所述第一限位孔，所述第二螺纹管箍和第二拉力传感器可通过所述第二限位孔。

8.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述腕伸气动肌肉和所述腕伸侧绳索间设有第三螺纹管箍和第三拉力传感器，所述腕屈气动肌肉和所述腕屈侧绳索间设有第四螺纹管箍和第四拉力传感器，所述腕关节限位板上设有第三限位孔和第四限位孔，所述第三螺纹管箍和第三拉力传感器可通过所述第三限位孔，所述第四螺纹管箍和第四拉力传感器可通过所述第四限位孔。

9.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的模块化外骨骼肘腕康复机器人，其特征在于：所述肘部关节转轮的转轴伸出所述肘部关节转轮且安装有第一角度传感器，所述第一旋转轴顶部穿出腕部关节支架，所述第一旋转轴顶部安装有第二角度传感器。

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