CN110916976B - 一种个性化可穿戴康复机械臂装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种个性化可穿戴康复机械臂装置，该装置包括肩部结构、肘部结构和腕部结构，肩部结构可分别绕第一方向、第二方向和第三方向进行转动，肘部结构包括肘部驱动单元、肘部驱动绳组、第一、第二转动板和肘部壳组，肘部驱动单元设置在肩部结构上，肘部驱动单元通过肘部驱动绳组分别与第一转动板和第二转动板驱动连接以驱动第一转动板和第二转轴板相对转动，腕部结构包括腕部驱动单元、腕部驱动绳组、腕部转动盘和腕部壳组，腕部驱动单元设置在肩部结构上，腕部驱动单元通过腕部驱动绳组与腕部转动盘驱动连接以驱动腕部转动盘相对于腕部壳组转动。本发明的技术方案，可解决现有技术中康复机械臂体积庞大、结构复杂且运动精度低的技术问题。

Description

一种个性化可穿戴康复机械臂装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种康复机械臂装置。

背景技术

在现有技术中，外骨骼式上肢卡康机械臂大多是通用类的，根据不同的患者需求在康复训练时进行尺寸上的调节，但是这种机械臂并不能完全符合每位患者的手臂尺寸，在长度相等的调节时往往根据患者本身的感受来决定关节的放置位置，其坐标与角度势必会有一定程度的误差存在，最后则导致运动精度的降低，从而影响康复训练效果。在康复训练过程中手臂可能会相对与机构出现滑移窜位而发生危险，中风患者本身的脆弱性从而要求所设计康复设备具有一定的特定个性设计以达到理想的康复效果；其次，当前具备的康复机械由于体积庞大，结构复杂，运动精度低且没有对其进行轻量化设计，大多很难真正满足穿戴特征。

发明内容

本发明提供了一种康复机械臂装置，能够解决现有技术中康复机械臂体积庞大、结构复杂且运动精度低的技术问题。

本发明提供了一种康复机械臂装置，康复机械臂装置包括：肩部结构，肩部结构可分别绕第一方向、第二方向和第三方向进行转动，第一方向、第二方向和第三方向彼此呈夹角设置；肘部结构，肘部结构包括肘部驱动单元、肘部驱动绳组、第一转动板、第二转动板和肘部壳组，肘部驱动单元设置在肩部结构上，肘部壳组与肩部结构连接，第一转动板和第二转动板设置在肘部壳组上，肘部驱动单元通过肘部驱动绳组分别与第一转动板和第二转动板驱动连接以驱动第一转动板和第二转动板相对转动；腕部结构，腕部结构包括腕部驱动单元、腕部驱动绳组、腕部转动盘和腕部壳组，腕部驱动单元设置在肩部结构上，腕部壳组与肘部结构连接，腕部驱动单元通过腕部驱动绳组与腕部转动盘驱动连接以驱动腕部转动盘相对于腕部壳组转动。

进一步地，肩部结构包括第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板、第四支撑板、第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、第一柔性传动机构、第二柔性传动机构和第三柔性传动机构，第一驱动单元设置在第一支撑板上，第二驱动单元设置在第二支撑板上，第三驱动单元、肘部驱动单元和腕部驱动单元依次间隔设置在第四支撑板上，第一驱动单元通过第一柔性传动机构与第二支撑板连接，第二驱动单元通过第二柔性传动机构与第三支撑板连接，第三驱动单元通过第三柔性传动机构与第三支撑板连接，第一柔性传动机构、第二柔性传动机构和第三柔性传动机构均用于提高康复机械臂与人体交互的舒适性和安全性。

进一步地，第一柔性传动机构、第二柔性传动机构和第三柔性传动机构的结构均相同，任一柔性传动机构均包括SEA外壳组件、扫臂组件、多个挡块和多个弹簧，SEA外壳组件包括SEA外壳和中轴，中轴与SEA外壳固定连接，扫臂组件包括扫臂环和多个扫臂，中轴设置在扫臂环内部且与扫臂环同心设置，多个扫臂间隔设置在扫臂环的外部周缘，多个挡块沿SEA外壳的周向间隔设置，任意两个相邻的挡块之间均设置一个扫臂，任意两个相邻的扫臂和挡块之间均设置有一个弹簧。

进一步地，肘部结构还包括第一带轮、第二带轮和第一同步带，第一带轮和第二带轮均设置在第四支撑板上，肘部驱动单元与第一带轮驱动连接，第一带轮通过第一同步带与第二带轮驱动连接，肘部驱动绳组与第二带轮连接。

进一步地，肘部驱动绳组包括第一肘部驱动绳和第二肘部驱动绳，肘部壳组包括第一肘部外壳和第二肘部外壳，第一肘部外壳与肩部结构连接，肘部结构还包括肘部连接板、第一回转轴承组、第二回转轴承组、第一滑轮组和第二滑轮组，第一回转轴承组和第二回转轴承组均包括同心设置的内部回转轴承和外部回转轴承，肘部连接板分别与第一肘部外壳和第二肘部外壳连接，第一回转轴承组的内部回转轴承和第二回转轴承组的的内部回转轴承均设置在肘部连接板上，第一滑轮组设置在第一转动板和第二转动板上，第二滑轮组设置在第一回转轴承组的外部回转轴承和第二回转轴承组的外部回转轴承上，第一转动板和第二转动板通过第二滑轮组分别与第一回转轴承组和第二回转轴承组连接，第一肘部驱动绳绕设在第一滑轮组上，第二肘部驱动绳绕设在第二滑轮组上。

进一步地，腕部结构还包括第三带轮、第四带轮和第二同步带，第三带轮和第四带轮均设置在第四支撑板上，腕部驱动单元与第三带轮驱动连接，第三带轮通过第二同步带与第四带轮驱动连接，腕部驱动绳组与第四带轮连接。

进一步地，腕部驱动绳组包括第一腕部驱动绳和第二腕部驱动绳，腕部壳组包括第一导向板、关节板、第二导向板、角型连接板、侧向板组和滑板，腕部结构还包括第一解耦板、第二解耦板、第三滑轮组、第四滑轮组、第一换向线轮、第二换向线轮、滑轮组件和导轨，第一解耦板设置在第一转动板上，第三滑轮组设置在第一解耦板上，第二解耦板设置在第二转动板上，第四滑轮组设置在第二解耦板上，第一导向板与第二肘部外壳固定连接，第二导向板通过关节板与第一导向板连接，角型连接板分别与第二导向板、侧向板组以及滑板连接，第一换向滑轮和第二换向滑轮间隔设置在侧向板组上，第一腕部驱动绳依次通过第三滑轮组、第四滑轮组、第一导向板、第二导向板、第一换向线轮与腕部转动盘的一端连接，第二腕部驱动绳依次通过第三滑轮组、第四滑轮组、第一导向板、第二导向板、第二换向线轮与腕部转动盘的另一端连接，导轨固定设置在腕部转动盘上，滑轮组件设置在导轨和滑板之间，腕部转动盘可相对于滑板转动。

进一步地，腕部结构还包括限位块，限位块设置在腕部转动盘上，限位块用于对腕部转动盘的转动角度进行限制。

进一步地，康复机械臂装置还包括背板、上臂穿戴和前臂穿戴，背板与第一支撑板连接，上臂穿戴分别与第四支撑板和第一肘部外壳连接，前臂穿戴分别与第二肘部外壳和关节板连接。

进一步地，上臂穿戴和前臂穿戴均可采用3D扫描技术和3D打印技术来制成。

应用本发明的技术方案，提供了一种康复机械臂装置，该康复机械臂装置基于人体手臂七自由度简化为肩部的三个自由度、肘部屈伸自由度以及腕部旋内旋外的自由度，机械臂的五个驱动单元均设置在肩部结构上，此种方式可降低整个装置的惯性质量；通过驱动绳组可分别将动力依次传递至肘部和腕部，在肘关节线路设计中，通过上下等量拉拽实现肘关节转动板的线接触式转动，单个驱动源完成对肘关节的控制，进一步保证了驱动的最简化；在腕关节线路设计中，腕部通过腕部转动盘的转动带动患者手腕转动，通过单个驱动源完成对腕关节的控制，此种方式结构紧凑、重量轻且能够提高机械臂的运动精度，进而提高康复机械臂的使用舒适度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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示出了根据本发明的具体实施例提供的康复机械臂装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的肩部结构的结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的肘部结构的正视图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的腕部结构的结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的柔性传动机构的结构示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的回转轴承组的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、肩部结构；101、第一支撑板；102、第二支撑板；103、第三支撑板；104、第四支撑板；105、第一驱动单元；106、第二驱动单元；107、第三驱动单元；108、第一柔性传动机构；109、第二柔性传动机构；110、第三柔性传动机构；100a、SEA外壳组件；1001a、SEA外壳；1002a、中轴；100b、扫臂组件；1001b、扫臂环；1002b、扫臂；100c、挡块；100d、弹簧；20、肘部结构；201、肘部驱动单元；202、肘部驱动绳组；2021、第一肘部驱动绳；2022、第二肘部驱动绳；203、第一转动板；204、第二转动板；205、肘部壳组；2051、第一肘部外壳；2052、第二肘部外壳；206、第一带轮；207、第二带轮；208、第一同步带；209、肘部连接板；210、第一回转轴承组；211、第二回转轴承组；210a、内部回转轴承；210b、外部回转轴承；212、第一滑轮组；213、第二滑轮组；30、腕部结构；301、腕部驱动单元；302、腕部驱动绳组；3021、第一腕部驱动绳；3022、第二腕部驱动绳；303、腕部转动盘；3031、圆盘；3032、握把；304、腕部壳组；3041、第一导向板；3042、关节板；3043、第二导向板；3044、角型连接板；3045、侧向板组；3045a、第一侧向板；3045b、第二侧向板；3046、滑板；305、第三带轮；306、第四带轮；307、第二同步带；308、第一解耦板；309、第三滑轮组；310、第四滑轮组；311、第一换向线轮；312、第二换向线轮；313、滑轮组件；314、导轨；315、限位块；316、第一固定螺栓；317、第二固定螺栓；318、调节螺栓；40、背板；50、上臂穿戴；60、前臂穿戴；70、绳组导线板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图5所示，根据本发明的具体实施例提供了一种康复机械臂装置，该康复机械臂装置包括肩部结构10、肘部结构20和腕部结构30，肩部结构10可分别绕第一方向、第二方向和第三方向进行转动，第一方向、第二方向和第三方向彼此呈夹角设置；肘部结构20包括肘部驱动单元201、肘部驱动绳组202、第一转动板203、第二转动板204和肘部壳组205，肘部驱动单元201设置在肩部结构10上，肘部壳组205与肩部结构10连接，第一转动板203和第二转动板204设置在肘部壳组205上，肘部驱动单元201通过肘部驱动绳组202分别与第一转动板203和第二转动板204驱动连接以驱动第一转动板203和第二转动板相对转动；腕部结构30包括腕部驱动单元301、腕部驱动绳组302、腕部转动盘303和腕部壳组304，腕部驱动单元301设置在肩部结构10上，腕部壳组304与肘部结构20连接，腕部驱动单元301通过腕部驱动绳组302与腕部转动盘303驱动连接以驱动腕部转动盘303相对于腕部壳组304转动。

应用此种配置方式，提供了一种康复机械臂装置，该康复机械臂装置基于人体手臂七自由度简化为肩部的三个自由度、肘部屈伸自由度以及腕部旋内旋外的自由度，机械臂的五个驱动单元均设置在肩部结构上，此种方式可降低整个装置的惯性质量；通过驱动绳组可分别将动力依次传递至肘部和腕部，在肘关节线路设计中，通过上下等量拉拽实现肘关节转动板的线接触式转动，单个驱动源完成对肘关节的控制，进一步保证了驱动的最简化；在腕关节线路设计中，腕部通过腕部转动盘的转动带动患者手腕转动，通过单个驱动源完成对腕关节的控制，此种方式结构紧凑、重量轻且能够提高机械臂的运动精度，进而提高康复机械臂的使用舒适度。

进一步地，在本发明中，为了增加人机交互的舒适性和安全性，可将肩部结构10配置为包括第一支撑板101、第二支撑板102、第三支撑板103、第四支撑板104、第一驱动单元105、第二驱动单元106、第三驱动单元107、第一柔性传动机构108、第二柔性传动机构109和第三柔性传动机构110，第一驱动单元105设置在第一支撑板101上，第二驱动单元106设置在第二支撑板102上，第三驱动单元107、肘部驱动单元201和腕部驱动单元301依次间隔设置在第四支撑板104上，第一驱动单元105通过第一柔性传动机构108与第二支撑板102连接，第二驱动单元106通过第二柔性传动机构109与第三支撑板103连接，第三驱动单元107通过第三柔性传动机构110与第三支撑板103连接，第一柔性传动机构108、第二柔性传动机构109和第三柔性传动机构110均用于提高康复机械臂与人体交互的舒适性和安全性。

应用此种配置方式，第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元均通过与其相对应的柔性传动机构实现动力的输出，柔性传动机构能够保证力输出的连续性，且能够提高穿戴者运动过程中的舒适性和安全性。

进一步地，在本发明中，为了方便实现机械臂的穿戴，康复机械臂装置还包括背板40、上臂穿戴50和前臂穿戴60，背板40与肩部结构10连接，上臂穿戴50分别与肩部结构10和肘部结构20连接，前臂穿戴60分别与肘部结构20和腕部结构30连接。此外，在本发明中，为了提高机械臂穿戴部分的优良贴合性以及轻量化设计，上臂穿戴50和前臂穿戴60均可采用3D扫描技术和3D打印技术来制成。背板40与人体的连接方式以贴合性为目标，以布料尼龙背带的穿戴方式，也包括利用患者身体轮廓信息在内其他材料加工的穿戴方式。

作为本发明的一个具体实施例，如图2所示，第一驱动单元105、第二驱动单元106和第三驱动单元107均可采用舵机、直流电机或交流电机。背板40与第一支撑板101通过螺栓连接，第一支撑板101连接第一驱动单元105后，经第一柔性传动机构108到达第二支撑板102。第二支撑板102与第二驱动单元106固定连接后，第二驱动单元106的输出轴通过第二柔性传动机构109传递至第三支撑板103，第三支撑板103连接第三柔性传动机构110后间接连接到第三驱动单元107，第三驱动单元107固定设置在第四支撑板104上，上臂穿戴50和前臂穿戴60均可利用3D扫描技术获得轮廓实体，进行等强度、轻量化设计后，通过3D打印技术打印出穿戴实体结构。其中，上臂穿戴50和前臂穿戴60经等强度设计和轻质化处理为网状，其形状不局限于椭圆、六角，网孔的设计结果可为圆、三角、矩形、平行四边形。背板40与人体的连接方式以贴合性为目标，以布料穿戴方式，同时包括多种贴合穿戴方式。背板40不局限于“π”性，以力学为基础，也可以“人”“工”“丁”“大”汉字形状设计。

此外，如图5所示，第一柔性传动机构108、第二柔性传动机构109和第三柔性传动机构110的结构均相同，任一柔性传动机构均包括SEA外壳组件100a、扫臂组件100b、多个挡块100c和多个弹簧100d，SEA外壳组件100a包括SEA外壳1001a和中轴1002a，中轴1002a与SEA外壳1001a固定连接，扫臂组件100b包括扫臂环1001b和多个扫臂1002b，中轴1002a设置在扫臂环1001b内部且与扫臂环1001b同心设置，多个扫臂1002b间隔设置在扫臂环1001b的外部周缘，多个挡块100c沿SEA外壳1001a的周向间隔设置，任意两个相邻的挡块100c之间均设置一个扫臂1002b，任意两个相邻的扫臂1002b和挡块100c之间均设置有一个弹簧100d。

在此种配置方式下，任一驱动单元与SEA外壳1001a连接，驱动单元的输出轴与中轴1002a连接，任一驱动单元驱动SEA外壳组件100a转动，SEA外壳组件100a的转动可通过多个挡块100c和多个弹簧100d带动扫臂组件100b，通过扫臂组件100b以实现动力输出。

作为本发明的一个具体实施例，如图5所示，SEA外壳1001a加工有凹槽和圆孔，挡块100c的底部通过圆孔借助螺栓固定在凹槽内；中轴1002a的一端与SEA外壳1001a固定连接并穿过扫臂组件的中心。扫臂和挡块上加工有通孔，在扫臂和挡块的通孔内固定设置有弹簧导向凸台，弹簧100d的两端分别套在扫臂和挡块的弹簧导向凸台上。弹簧100d包括压缩弹簧、变截距弹簧、圆锥弹簧或渐进弹簧，弹簧两个为一组，三组弹簧100d在SEA外壳的中心的转动中心均匀分布，并两两对称布置在扫臂两侧。

进一步地，在本发明中，为了实现肘部结构的驱动，可将肘部结构20配置为还包括第一带轮206、第二带轮207和第一同步带208，第一带轮206和第二带轮207均设置在第四支撑板104上，肘部驱动单元201与第一带轮206驱动连接，第一带轮206通过第一同步带208与第二带轮207驱动连接，肘部驱动绳组202与第二带轮207连接。在此种配置方式下，肘部驱动单元201可驱动第一带轮206转动，第一带轮206通过第一同步带208带动第二带轮207转动，肘部驱动绳组202与第二带轮207连接，第二带轮207的转动能够带动肘部驱动绳组202运动，进而实现肘部动力输出。

此外，在本发明中，为了实现第一转动板和第二转动板之间的相对转动，可将肘部驱动绳组202配置为包括第一肘部驱动绳2021和第二肘部驱动绳2022，肘部壳组205包括第一肘部外壳2051和第二肘部外壳2052，第一肘部外壳2051与肩部结构10连接，肘部结构20还包括肘部连接板209、第一回转轴承组210、第二回转轴承组211、第一滑轮组212和第二滑轮组213，第一回转轴承组210和第二回转轴承组211均包括同心转动设置的内部回转轴承210a和外部回转轴承210b，肘部连接板209分别与第一肘部外壳2051和第二肘部外壳2052连接，第一回转轴承组210的内部回转轴承210a和第二回转轴承组211的的内部回转轴承210a均设置在肘部连接板209上，第一滑轮组212设置在第一转动板203和第二转动板204上，第二滑轮组213设置在第一回转轴承组210的外部回转轴承210b和第二回转轴承组211的外部回转轴承210b上，第一转动板203和第二转动板204通过第二滑轮组213分别与第一回转轴承组210和第二回转轴承组211连接，第一肘部驱动绳2021绕设在第一滑轮组212上，第二肘部驱动绳2022绕设在第二滑轮组213上。

作为本发明的一个具体实施例，如图3所示，肘部关节转动方式为线绳等量拉拽驱动，线绳的缠绕次数可根所需传动力矩决定，缠绕次数和力矩有2的N次方数值关系。肘部驱动绳组202的关节外部分有物料包络，线绳在包络材料中滑动，包络材料结构可避免线绳的碰撞和错缠。第一转动板203和第二转动板204的一侧与第一滑轮组212固定连接，第一转动板203和第二转动板204的另一侧通过紧定螺钉分别与第一回转轴承组210和第二回转轴承组211的外部回转轴承210b连接，第一回转轴承组210和第二回转轴承组211的内部回转轴承210a与肘部连接板209连接。第一肘部驱动绳2021和第二肘部驱动绳2022与第二带轮207相连接，肘部驱动单元201可驱动第一带轮206转动，第一带轮206通过第一同步带208带动第二带轮207转动，第二带轮207的转动能够带动第一肘部驱动绳2021和第二肘部驱动绳2022进行拉伸和收缩，第一肘部驱动绳2021绕设在第一滑轮组212上，第一肘部驱动绳2021带动第一滑轮组212运动，第二肘部驱动绳绕设在第二滑轮组213，第二肘部驱动绳2022可带动第二滑轮组213运动，第一肘部驱动绳2021和第一肘部驱动绳2021通过驱动第一滑轮组212和第二滑轮组213运动可实现第一转动板和第二转动板之间的相对转动。第一转动板和第二转动板、第一肘部外壳2051和第二肘部外壳2052均为镜像结构，保证了转动的连续性，第一转动板和第二转动板的特征也在于外轮廓由1/4圆弧与矩形两直角边过渡，保证了肘关节的转动范围为180°，圆弧部分为转动部分，矩形边部分为限位部分。

进一步地，在本发明中，为了实现腕部结构的驱动，可将腕部结构30配置为还包括第三带轮305、第四带轮306和第二同步带307，第三带轮305和第四带轮306均设置在第四支撑板104上，腕部驱动单元301与第三带轮305驱动连接，第三带轮305通过第二同步带307与第四带轮306驱动连接，腕部驱动绳组302与第四带轮306连接。在此种配置方式下，腕部驱动单元301可驱动第三带轮305转动，第三带轮305通过第二同步带307带动第四带轮306转动，腕部驱动绳组302与第四带轮306连接，第四带轮306的转动能够带动腕部驱动绳组302运动，进而实现肘部动力输出。

此外，在本发明中，为了实现腕部转动盘303的转动，可将腕部驱动绳组302配置为包括第一腕部驱动绳3021和第二腕部驱动绳3022，腕部壳组304包括第一导向板3041、关节板3042、第二导向板3043、角型连接板3044、侧向板组3045和滑板3046，腕部结构30还包括第一解耦板308、第二解耦板、第三滑轮组309、第四滑轮组310、第一换向线轮311、第二换向线轮312、滑轮组件313和导轨314，第一解耦板308设置在第一转动板203上，第三滑轮组309设置在第一解耦板308上，第二解耦板设置在第二转动板204上，第四滑轮组310设置在第二解耦板上，第一导向板3041与第二肘部外壳2052固定连接，第二导向板3043通过关节板3042与第一导向板3041连接，角型连接板3044分别与第二导向板3043、侧向板组3045以及滑板3046连接，第一换向滑轮和第二换向滑轮间隔设置在侧向板组3045上，第一腕部驱动绳3021依次通过第三滑轮组309、第四滑轮组310、第一导向板3041、第二导向板3043、第一换向线轮311与腕部转动盘303的一端连接，第二腕部驱动绳3022依次通过第三滑轮组309、第四滑轮组310、第一导向板3041、第二导向板3043、第二换向线轮312与腕部转动盘303的另一端连接，导轨314固定设置在腕部转动盘303上，滑轮组件313设置在导轨314和滑板3046之间，腕部转动盘303可相对于滑板3046转动。

进一步地，在本发明中，为了限制腕部转动盘的转动角度，可将腕部结构30配置为还包括限位块315，限位块315设置在腕部转动盘303上，限位块315用于对腕部转动盘303的转动角度进行限制。

作为本发明的一个具体实施例，如图4所示，第一腕部驱动绳3021和第二腕部驱动绳3022与第四带轮306连接，第一腕部驱动绳3021和第二腕部驱动绳3022的关节外部分有物料包络，线绳在包络材料中滑动，包络材料结构可避免线绳的碰撞和错缠。腕部驱动单元301可驱动第三带轮305转动，第三带轮305通过第二同步带307带动第四带轮306转动，第四带轮306的转动能够带动腕部驱动绳组302运动，第一腕部驱动绳3021和第二腕部驱动绳3022在第一解耦板308和第二解耦板处进行解耦后依次经过第一导向板3041、关节板3042、第二导向板3043、第一换向线轮311、第二换向线轮312并与腕部转动盘303的两端连接，腕部转动盘303的端部处设置有调节螺栓318，调节螺栓318用于调节驱动绳的松紧。侧向板组3045包括第一侧向板3045a和第二侧向板3045b，第一侧向板3045a和第二侧向板3045b分别与角型连接板3044固定连接。腕部转动盘303包括圆盘3031和握把3032，圆盘3031为大于180°设计，握把3032通过第二固定螺栓317固定设置在圆盘3031上，导轨314通过第一固定螺栓316固定设置在圆盘3031，限位块315通过螺栓连接到圆盘3031上，组成腕部的肢体训练部分。作为本发明的其他实施例，也可使得圆盘3031连接关节板3042，握把3032与滑板3046相连接。

进一步地，在本发明中，为了实现对驱动绳组的导向，在肩部结构10和肘部结构20之间还设置有绳组导线板70，绳组导向板70用于分别对肘部驱动绳组202和腕部驱动绳组302进行驱动。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图6对本发明所提供的康复机械臂装置进行详细说明。

如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种康复机械臂装置，该康复机械臂装置包括肩部结构10、肘部结构20、腕部结构30、背板40、上臂穿戴50、前臂穿戴60和绳组导线板70，整个康复机械臂装置根据仿生原理具有5个自由度，肩部结构可分别绕第一方向、第二方向和第三方向进行转动，第一方向、第二方向和第三方向彼此相互垂直，因此，肩部可实现俯仰、横滚、偏航三个自由度，俯仰、横滚、偏航三个自由度分别由第一驱动单元105、第二驱动单元106和第三驱动单元107连接柔性传动机构后间接传动。第一驱动单元105、第二驱动单元106和第三驱动单元107均采用舵机，第一驱动单元105、第二驱动单元106和第三驱动单元107的主舵盘与对应的柔性传动机构的SEA外壳组件100a相连，经周向布置的弹簧100d带动连接在扫臂组件100b的运动输出部分。肘部驱动单元201和腕部驱动单元301均采用舵机，肘部驱动单元201经第一带轮206、第一同步带208将运动输出到第二带轮207，第二带轮207的转动带轮肘部驱动绳组202的拉伸和收缩，进一步实现肘部屈伸自由度。腕部驱动单元301经经第三带轮305、第二同步带307将运动输出到第四带轮306，第四带轮306的转动带轮腕部驱动绳组302的拉伸和收缩，进一步实现腕部旋内旋外自由度。

如图1和图2所示，第一驱动单元105经螺栓连接在背板40，并为第一驱动单元105提高支撑刚度，背板40同时与第一支撑板101相连接。第二驱动单元106经螺栓与第二支撑板102固定连接后，经第二柔性传动机构109与第三支撑板103连接，第三支撑板103通过第三柔性传动机构107与第四支撑板104连接，第四支撑板104上设置有第三驱动单元107、肘部驱动单元201和腕部驱动单元301，肘部驱动单元201通过第一带轮206、第一同步带208和第二带轮207将运动传递至肘部驱动绳组，腕部驱动单元301通过第三带轮305、第二同步带307和第四带轮306将运动传递至腕部驱动绳组302。

如图3所示，第一腕部驱动绳3021和第二腕部驱动绳3022依次经过第三滑轮组309、第四滑轮组310、第一解耦板308和第二解耦板按照图示线路完成与肘部运动的解耦处理。第一腕部驱动绳3021和第二腕部驱动绳3022在第二肘部外壳2052输出，经第一导向板3041、关节板3042、第二导向板3043、第一换向线轮311和第二换向线轮312传动到腕部转动盘303。

如图3所示，患者手部与握把3032相连，圆盘3031经滑板3046、滑轮组件313、导轨314上输出转动从而带动患者腕部旋内旋外；限位块315为转动限位，保证腕部康复运动的实现。

如图1、图2和图4所示，肘部驱动单元201经带轮机构将运动输出到肘部，第二带轮207的转动带动第一肘部驱动绳2021和第二肘部驱动绳2022，第一肘部驱动绳2021和第二肘部驱动绳2022通过拉拽方式使得第一转动板203和第二转动板204输出转动运动。

如图1所示，由患者手臂轮廓生成的前臂穿戴60、上臂穿戴50，均经等强度、轻量化机构设计，前臂穿戴60、上臂穿戴50利用3D扫描技术获得轮廓实体，进行等强度、轻量化设计后，通过3D打印技术打印出穿戴实体结构，实体结构可由一整体、两合一、多合一及多种实体形成方式，所述实体获得方式不限于3D打印，包括铸造、粉末冶金及多种方式。在本实施例中，其为二半轮廓经转动合页相连接以便于穿戴。前臂穿戴60经螺栓与关节板3042、第二肘部外壳2052固连；上臂穿戴50经螺栓与第四支撑板104、第一肘部外壳2051固连，分别充当康复机械臂上、下连杆部分。

在本实施例所提供的康复机械臂装置中，其在设计时考虑了个性化针对性设计，其中前臂穿戴60、上臂穿戴50、背板40的穿戴都含有患者的身体信息；整个康复训练系统含有患者日常生活中必须的五个自由度，充分保证患者的日常康复训练运动。肘部、腕部驱动通过单个舵机实现，运动经特殊线路完成去耦处理，提高了康复训练的精度。

本发明可实现患者康复训练运动的重复可行性。整个康复系统通过驱动远置、轻量化设计将机械臂的穿戴性特征明确化；患者通过前臂穿戴60、上臂穿戴50、背板40实现了装置的良好贴合性，肘部结构和腕部结构经过轻质设计以及第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、肘部驱动单元和腕部驱动单元位置设计降低了整个装置的惯性质量；肩部驱动单元添加了柔性传动机构，并利用腕部结构中限位块提高增加人机交互过程的舒适性和安全性。

本发明可以实现腕关节的康复训练运动。可利用前臂穿戴60、第一导向板3041、关节板3042、第二导向板3043、侧向板组3045、角型连接板3044、第一换向线轮311、第二换向线轮312、腕部转动盘303、导轨314、滑轮组件313、滑板3046组成的腕部单关节康复训练系统。

本发明也可实现肘关节的康复训练运动。可利用上臂穿戴50、第一肘部外壳2051、第一转动板203、第二肘部外壳2052、第一滑轮组212、第二滑轮组213、第二转动板204、第一回转轴承组210和第二回转轴承组211实现肘部单关节康复训练。

综上所述，本发明提供了一种采用3D扫描、3D打印、线驱动、SEA柔性传动机构设计的康复机械臂装置，以实现穿戴机械臂的结构轻量化、个性化、柔顺化，以实现中风患者训练过程中的运动准确性，提高了运动精度。再者，利用柔性传动机构以增加人机康复训练的交互安全性，穿戴部分的优良贴合性和机械臂整体的轻量化设计提高中风患者康复训练效果，提高了整个康复系统的舒适性、安全性、实用性。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种康复机械臂装置，其特征在于，所述康复机械臂装置包括：

肩部结构(10)，所述肩部结构(10)可分别绕第一方向、第二方向和第三方向进行转动，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向彼此呈夹角设置；

肘部结构(20)，所述肘部结构(20)包括肘部驱动单元(201)、肘部驱动绳组(202)、第一转动板(203)、第二转动板(204)和肘部壳组(205)，所述肘部驱动单元(201)设置在所述肩部结构(10)上，所述肘部壳组(205)与所述肩部结构(10)连接，所述第一转动板(203)和所述第二转动板(204)设置在所述肘部壳组(205)上，所述肘部驱动单元(201)通过所述肘部驱动绳组(202)分别与所述第一转动板(203)和所述第二转动板(204)驱动连接以驱动所述第一转动板(203)和所述第二转动板相对转动；

腕部结构(30)，所述腕部结构(30)包括腕部驱动单元(301)、腕部驱动绳组(302)、腕部转动盘(303)和腕部壳组(304)，所述腕部驱动单元(301)设置在所述肩部结构(10)上，所述腕部壳组(304)与所述肘部结构(20)连接，所述腕部驱动单元(301)通过所述腕部驱动绳组(302)与所述腕部转动盘(303)驱动连接以驱动所述腕部转动盘(303)相对于所述腕部壳组(304)转动；

所述肘部结构(20)还包括第一带轮(206)、第二带轮(207)和第一同步带(208)，所述第一带轮(206)和第二带轮(207)均设置在第四支撑板(104)上，所述肘部驱动单元(201)与所述第一带轮(206)驱动连接，所述第一带轮(206)通过所述第一同步带(208)与所述第二带轮(207)驱动连接，所述肘部驱动绳组(202)与所述第二带轮(207)连接；

所述肩部结构(10)包括第一支撑板(101)、第二支撑板(102)、第三支撑板(103)、第四支撑板(104)、第一驱动单元(105)、第二驱动单元(106)、第三驱动单元(107)、第一柔性传动机构(108)、第二柔性传动机构(109)和第三柔性传动机构(110)，所述第一驱动单元(105)设置在所述第一支撑板(101)上，所述第二驱动单元(106)设置在所述第二支撑板(102)上，所述第三驱动单元(107)、所述肘部驱动单元(201)和所述腕部驱动单元(301)依次间隔设置在所述第四支撑板(104)上，所述第一驱动单元(105)通过所述第一柔性传动机构(108)与所述第二支撑板(102)连接，所述第二驱动单元(106)通过所述第二柔性传动机构(109)与所述第三支撑板(103)连接，所述第三驱动单元(107)通过所述第三柔性传动机构(110)与所述第三支撑板(103)连接，所述第一柔性传动机构(108)、所述第二柔性传动机构(109)和所述第三柔性传动机构(110)均用于提高所述康复机械臂与人体交互的舒适性和安全性；

所述肘部驱动绳组(202)包括第一肘部驱动绳(2021)和第二肘部驱动绳(2022)，所述肘部壳组(205)包括第一肘部外壳(2051)和第二肘部外壳(2052)，所述第一肘部外壳(2051)与所述肩部结构(10)连接，所述肘部结构(20)还包括肘部连接板(209)、第一回转轴承组(210)、第二回转轴承组(211)、第一滑轮组(212)和第二滑轮组(213)，所述第一回转轴承组(210)和所述第二回转轴承组(211)均包括同心设置的内部回转轴承(210a)和外部回转轴承(210b)，所述肘部连接板(209)分别与所述第一肘部外壳(2051)和所述第二肘部外壳(2052)连接，所述第一回转轴承组(210)的内部回转轴承(210a)和所述第二回转轴承组(211)的的内部回转轴承(210a)均设置在所述肘部连接板(209)上，所述第一滑轮组(212)设置在所述第一转动板(203)和所述第二转动板(204)上，所述第二滑轮组(213)设置在所述第一回转轴承组(210)的外部回转轴承(210b)和所述第二回转轴承组(211)的外部回转轴承(210b)上，所述第一转动板(203)和所述第二转动板(204)通过所述第二滑轮组(213)分别与所述第一回转轴承组(210)和所述第二回转轴承组(211)连接，所述第一肘部驱动绳(2021)绕设在所述第一滑轮组(212)上，所述第二肘部驱动绳(2022)绕设在所述第二滑轮组(213)上。

2.根据权利要求1所述的康复机械臂装置，其特征在于，所述第一柔性传动机构(108)、所述第二柔性传动机构(109)和所述第三柔性传动机构(110)的结构均相同，任一所述柔性传动机构均包括SEA外壳组件(100a)、扫臂组件(100b)、多个挡块(100c)和多个弹簧(100d)，所述SEA外壳组件(100a)包括SEA外壳(1001a)和中轴(1002a)，所述中轴(1002a)与所述SEA外壳(1001a)固定连接，所述扫臂组件(100b)包括扫臂环(1001b)和多个扫臂(1002b)，所述中轴(1002a)设置在所述扫臂环(1001b)内部且与所述扫臂环(1001b)同心设置，多个扫臂(1002b)间隔设置在所述扫臂环(1001b)的外部周缘，多个所述挡块(100c)沿所述SEA外壳(1001a)的周向间隔设置，任意两个相邻的所述挡块(100c)之间均设置一个所述扫臂(1002b)，任意两个相邻的所述扫臂(1002b)和所述挡块(100c)之间均设置有一个所述弹簧(100d)。

3.根据权利要求1或2所述的康复机械臂装置，其特征在于，所述腕部结构(30)还包括第三带轮(305)、第四带轮(306)和第二同步带(307)，所述第三带轮(305)和第四带轮(306)均设置在所述第四支撑板(104)上，所述腕部驱动单元(301)与所述第三带轮(305)驱动连接，所述第三带轮(305)通过所述第二同步带(307)与所述第四带轮(306)驱动连接，所述腕部驱动绳组(302)与所述第四带轮(306)连接。

4.根据权利要求3所述的康复机械臂装置，其特征在于，所述腕部驱动绳组(302)包括第一腕部驱动绳(3021)和第二腕部驱动绳(3022)，所述腕部壳组(304)包括第一导向板(3041)、关节板(3042)、第二导向板(3043)、角型连接板(3044)、侧向板组(3045)和滑板(3046)，所述腕部结构(30)还包括第一解耦板(308)、第二解耦板、第三滑轮组(309)、第四滑轮组(310)、第一换向线轮(311)、第二换向线轮(312)、滑轮组件(313)和导轨(314)，所述第一解耦板(308)设置在所述第一转动板(203)上，所述第三滑轮组(309)设置在所述第一解耦板(308)上，所述第二解耦板设置在所述第二转动板(204)上，所述第四滑轮组(310)设置在所述第二解耦板上，所述第一导向板(3041)与所述第二肘部外壳(2052)固定连接，所述第二导向板(3043)通过所述关节板(3042)与所述第一导向板(3041)连接，所述角型连接板(3044)分别与所述第二导向板(3043)、所述侧向板组(3045)以及所述滑板(3046)连接，所述第一换向滑轮和所述第二换向滑轮间隔设置在所述侧向板组(3045)上，所述第一腕部驱动绳(3021)依次通过所述第三滑轮组(309)、所述第四滑轮组(310)、所述第一导向板(3041)、所述第二导向板(3043)、所述第一换向线轮(311)与所述腕部转动盘(303)的一端连接，所述第二腕部驱动绳(3022)依次通过所述第三滑轮组(309)、所述第四滑轮组(310)、所述第一导向板(3041)、所述第二导向板(3043)、所述第二换向线轮(312)与所述腕部转动盘(303)的另一端连接，所述导轨(314)固定设置在所述腕部转动盘(303)上，所述滑轮组件(313)设置在所述导轨(314)和所述滑板(3046)之间，所述腕部转动盘(303)可相对于所述滑板(3046)转动。

5.根据权利要求4所述的康复机械臂装置，其特征在于，所述腕部结构(30)还包括限位块(315)，所述限位块(315)设置在所述腕部转动盘(303)上，所述限位块(315)用于对所述腕部转动盘(303)的转动角度进行限制。

6.根据权利要求5所述的康复机械臂装置，其特征在于，所述康复机械臂装置还包括背板(40)、上臂穿戴(50)和前臂穿戴(60)，所述背板(40)与所述第一支撑板(101)连接，所述上臂穿戴(50)分别与所述第四支撑板(104)和所述第一肘部外壳(2051)连接，所述前臂穿戴(60)分别与所述第二肘部外壳(2052)和所述关节板(3042)连接。

7.根据权利要求6所述的康复机械臂装置，其特征在于，所述上臂穿戴(50)和前臂穿戴(60)均可采用3D扫描技术和3D打印技术来制成。

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