CN111345970A - 一种七自由度上肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，属于康复机械设备技术领域。它包括支撑机构、肩关节训练机构、上臂调节机构、肘关节训练机构、腕关节训练机构以及腕关节调节机构，支撑机构、肩关节训练机构、上臂调节机构、肘关节训练机构、腕关节训练机构以及腕关节调节机构按照顺序相接；通过七个主动自由度以及三个被动自由度的结合使用，保证训练的平稳性、舒适性和精确性，能够适应不同的使用者，适用性强。

Description

一种七自由度上肢外骨骼康复机器人

技术领域

本发明属于康复机械设备技术领域，更具体地说，涉及一种七自由度上肢外骨骼康复机器人。

背景技术

在世界范围内，脑卒中平均年发病率为140/10万-200/10万。国内脑卒中的平均年发病率为185/10万-219/10万，而年平均死亡率为60/10万。虽然大约有78％-88％的脑卒中患者得以生存下来，但是绝大多数患者都遗留有不同程度的功能障碍，其中以运动功能障碍(偏瘫)的发生率最髙。目前在临床上，医师广泛应用的疗法有强制性牵引疗法、反复抗阻力练习以及其他一些借助于简单器械的训练方法等。主要方式局限于康复医师对患者进行手把手、一对一的训练及治疗，患者一直处于被动接受治疗的状态，其自身参与治疗的主动性和积极性不强。治疗效果主要取决于治疗师的技术水平、临床经验、敬业精神以及训练器械等，难以满足高强度、有针对性和重复性的康复训练要求。为了弥补临床医师治疗的不足，国内外医学研究机构相继提出并研发了康复训练机器人技术。

现有康复训练机器人中有披露，中国专利申请号为：201410855081.3，公开日为：2015.04.08的“七自由度外骨骼式上肢康复机器人”，其包括依次相连的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构、重力补偿运动机构、肩关节运动机构、座椅机构。其通过不同机构的衔接实现对人体上肢的主动或被动康复过程；但由于不同人的手臂的差异性很大，而很难能够针对不同人进行康复训练，而在针对不同人进行康复训练时，又需要对机器人进行不断的调试，使用起来过于繁琐，不便于实际使用。

中国专利申请号为：201811208345.0，公开日为：2019.01.11的“一种七自由度的上肢康复机器人”，包括肩内收外展关节、肩屈曲伸展关节、肩内旋外旋关节、肘屈曲伸展关节、腕尺偏桡偏关节、腕屈曲伸展关节、腕内旋外旋关节、上臂伸缩部分、前臂伸缩部分、上臂支持部分、前臂支持部分、手指手腕固定部分和控制部分组成，七个自由度采用串联方式连接。通过将人体手臂放置在上臂支撑部分和下臂支撑部分，各个关节的运转实现对人体手臂的康复训练；但机器人的针对人体手臂长度的调节过于繁琐，当机器人在不同康复人员之间使用时，明显带来不便，影响使用效率。

中国专利申请号为：201720727948.6，公开日为：2018.10.19的“上肢康复机器人及其系统”，其包括底座、支撑杆和上肢训练组件；支撑杆的下端固定安装于底座上，支撑杆的上端与上肢训练组件活动连接；上肢训练组件，支持人体上肢进行七个自由度运动，使得肩肘关节能够在空间范围内进行复合运动和分离运动训练；七个自由度中，四个为电机驱动的旋转自由度，设置为肩关节三个自由度旋转关节和肘关节屈伸旋转关节，其它三个为无动力自由度，设置为高低升降调节关节、肩部旋转调节关节和肘部伸缩调节关节。通过机器人的运转能够实现人体手臂不同方位的健康训练；但人体手臂的长度不一，针对不同人的手臂进行康复训练时，调节过程过于繁琐不便于使用。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有康复训练机器人适用性不强的问题，本发明提供一种七自由度上肢外骨骼康复机器人；通过七个主动自由度以及三个被动自由度的结合使用，保证训练的平稳性、舒适性和精确性，能够适应不同的使用者，适用性强。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，包括支撑机构、肩关节训练机构、上臂调节机构、肘关节训练机构、腕关节训练机构以及腕关节调节机构，所述支撑机构、肩关节训练机构、上臂调节机构、肘关节训练机构、腕关节训练机构以及腕关节调节机构按照顺序相接，所述上臂调节机构包括第一上臂支撑板以及第二上臂支撑板，所述第一上臂支撑板一端与肩关节训练机构相接，另一端与第二上臂支撑板相接，所述第二支撑板上电连接有护臂，所述护臂上设置有第一传感器以及第二传感器。

作为本发明的进一步说明，所述护臂上设有肩关节处以及肘关节处，所述第一传感器和第二传感器分别位于护臂的肩关节处以及肘关节处，所述第一上臂支撑板与第二上臂支撑板之间通过丝杠连接，所述第二上臂支撑板上设置有上臂调节驱动组件，所述上臂调节驱动组件包括第二滑轨、第二滑块、上臂调节电机以及联轴器，所述第二滑轨设置在第二上臂支撑板上，所述第二滑块置于第二滑轨上，所述上臂调节电机置于第二滑块上，并通过联轴器与丝杠相接。

作为本发明的进一步说明，所述支撑机构包括脚轮、底座、肩关节位置调节组件以及悬梁臂，所述脚轮置于底座底部，所述肩关节位置调节组件包括第一滑轨、第一滑块以及固定槽，所述第一滑轨置于底座上，第一滑轨内分布有固定槽，所述第一滑块置于第一滑轨内，第一滑块一端与悬梁臂相接，第一滑块靠近固定槽的一端与固定槽之间卡合连接。

作为本发明的进一步说明，所述肩关节训练机构包括肩两侧运动组件，所述肩两侧运动组件包括肩两侧驱动电机、第一法兰盘以及肩支撑板，所述肩支撑板与悬臂梁相接，所述肩两侧驱动电机通过第一法兰盘安装在肩支撑板的一端。

作为本发明的进一步说明，所述肩关节训练机构还包括肩前后运动组件，所述肩前后运动组件包括肩前后驱动电机以及第二法兰盘，所述肩前后驱动电机通过第二法兰盘安装在肩支撑板远离肩两侧驱动电机的一端。

作为本发明的进一步说明，所述肩关节训练机构还包括肩外旋和内旋运动组件，所述肩外旋和内旋运动组件置于第二上臂支撑板的一端，肩外旋和内旋运动组件包括弧形齿轮轨道、第一导向键、滚珠、主动齿轮、肩外旋和内旋驱动电机、第三法兰盘、滚槽以及导向槽，所述肩外旋和内旋驱动电机通过第三法兰盘安装在第二上臂支撑板上，所述主动齿轮与肩外旋和内旋驱动电机相接，所述弧形齿轮轨道与主动齿轮啮合，弧形齿轮轨道上设置有滚槽以及导向槽，所述导向槽与第一导向键相接，所述第一导向键侧面设置有滚珠，所述滚珠在滚槽内滚动。

作为本发明的进一步说明，所述第二支撑板包括上臂伸缩支撑导向板、主板、丝杠螺纹孔、支撑棒孔、前挡板、齿轮安装凹槽以及后挡板，所述上臂伸缩支撑导向板(321)与主板相接，所述主板靠近第一上臂支撑板的一侧连接有前挡板，所述前挡板设置有丝杠螺纹孔以及支撑棒孔，所述丝杠穿过丝杠螺纹孔，所述后挡板与主板相接，并形成齿轮安装凹槽，所述上臂调节机构还包括支撑棒以及弧形辅助支撑板，所述支撑棒穿过支撑棒孔，支撑棒两端分别连接第一上臂支撑板以及第二上臂支撑板，所述弧形辅助支撑板置于主板一侧。

作为本发明的进一步说明，所述肘关节训练机构包括肘屈和肘伸组件以及前臂内旋和外旋运动组件，所述肘屈和肘伸组件包括肘屈和肘伸驱动电机、第四法兰盘、第一肘支撑板、第二肘支撑板、第三肘支撑板以及第四肘支撑板，所述第一肘支撑板和第二肘支撑板与弧形齿轮轨道相接，所述肘屈和肘伸驱动电机通过第四法兰盘安装在第一肘支撑板的一端，所述第三肘支撑板和第四肘支撑板分别与第一肘支撑板和第二肘支撑板相接，所述第三肘支撑板与肘屈和肘伸驱动电机相接；所述前臂内旋和外旋运动组件包括弧形导轨、第二导向键、皮带、皮带传动箱、前臂内旋和外旋驱动电机以及第五法兰盘，所述弧形导轨一侧分别与第三肘支撑板以及第四肘支撑板相接，所述皮带一端与皮带轮连接，另一端与弧形导轨连接，所述皮带轮置于所述皮带传动箱中，所述第二导向键与滚珠相接，置于皮带传动箱上，第二导向键与弧形导轨相接，所述前臂内旋和外旋驱动电机通过第五法兰盘安装在皮带传动箱上，前臂内旋和外旋驱动电机与皮带轮连接。

作为本发明的进一步说明，所述腕关节训练机构包括尺屈和桡屈运动组件以及掌屈和背屈运动组件，所述尺屈和桡屈运动组件包括尺屈和桡屈驱动电机、第六法兰盘、第一腕支撑板以及第二腕支撑板，第一腕支撑板一端与第二腕支撑板相接，第一腕支撑板另一端与皮带传动箱相接，第一腕支撑板与第二腕支撑板相接处通过第六法兰盘安装有尺屈和桡屈驱动电机；所述掌屈和背屈运动组件包括掌屈和背屈驱动电机、第七法兰盘以及第三腕支撑板，第三腕支撑板一端与第二腕支撑板远离第一腕支撑板的一端相接，第二腕支撑板与第三腕支撑板相接处通过第七法兰盘安装有掌屈和背屈驱动电机。

作为本发明的进一步说明，所述腕关节调节机构包括手柄、第三滑轨、挡棒以及锁紧螺母，所述第三滑轨的一端与第三腕支撑板远离第二腕支撑板的一端相接，第三滑轨另一端连接有挡棒，所述手柄与第三滑轨相接，手柄上设置有锁紧螺母。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人共有七个主动自由度以及三个被动自由度，七个主动自由度分别为肩关节三个主动自由度，肘关节两个自由度，腕关节两个自由度；三个被动自由度分别为，调节肩关节位置的自由度，调节上臂伸缩长度的自由度以及调节腕关节轴心手柄位置的自由度，通过七个主动自由度以及三个被动自由度的结合使用，保证训练的平稳性、舒适性和精确性，能够适应不同的使用者；

(2)本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，护臂上设有肩关节处以及肘关节处，通过分别在肩关节处以及肘关节处安装第一传感器以及第二传感器，获取护臂肩关节处和肘关节处的距离信息，通过护臂反应的距离信息实现第一上臂支撑板和第二上臂支撑板距离的调节；

(3)本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，通过第一滑块在第一滑轨中滑动，可实现机器人进行人体手臂训练的相应部件进行位置上相对移动，根据不同使用者的端坐位置进行调整，第一滑轨内的固定槽与第一滑块实现卡合，可在第一滑块靠近固定槽的一侧上设置弹性凸起，能够实现第一滑块相对于第一滑轨的相对位置稳定，以及通过固定槽的数量设置，实现第一滑块滑动位移的精确化，方便在实际训练过程中使用；

(4)本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，利用滚珠在滚槽内滚动，减小导向键在导向槽中的产生有害摩擦，一定程度上增加了导向键的使用寿命；

(5)本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，通过皮带和皮带轮进行传动，一定程度上减少传动过程中产生的刚性摩擦，对于设备本身起到一定保护作用，同时对使用者的康复训练程度进行限制，避免对使用者手臂造成损伤。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人侧面结构示意图；

图2为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人不同于图1的另一侧面结构示意图；

图3为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人去除护臂的整体结构示意图；

图4为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人肩关节训练机构和上臂调节机构的局部结构示意图；

图5为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人第二上臂支撑板的整体结构示意图；

图6为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人去除支撑机构及部分肩关节训练机构的整体结构示意图；

图7为本发明的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人图6的另一方向结构示意图。

附图中：100、支撑机构；110、脚轮；120、底座；130、肩关节位置调节组件；131、第一滑轨；132、第一滑块；133、固定槽；140、悬梁臂；

200、肩关节训练机构；210、肩两侧运动组件；211、肩两侧驱动电机；212、第一法兰盘；213、肩支撑板；220、肩前后运动组件；221、肩前后驱动电机；222、第二法兰盘；230、肩外旋和内旋运动组件；231、弧形齿轮轨道；232、第一导向键；233、主动齿轮；234、肩外旋和内旋驱动电机；235、第三法兰盘；236、滚槽；237、导向槽；

300、上臂调节机构；310、第一上臂支撑板；320、第二上臂支撑板；321、上臂伸缩支撑导向板；322、主板；323、丝杠螺纹孔；324、支撑棒孔；325、前挡板；326、齿轮安装凹槽；327、后挡板；330、支撑棒；340、丝杠；350、弧形辅助支撑板；360、护臂；361、第一传感器；362、第二传感器；370、上臂调节驱动组件；371、第二滑轨；372、第二滑块；373、上臂调节电机；374、联轴器；

400、肘关节训练机构；410、肘屈和肘伸组件；411、肘屈和肘伸驱动电机；412、第四法兰盘；413、第一肘支撑板；414、第二肘支撑板；415、第三肘支撑板；416、第四肘支撑板；420、前臂内旋和外旋运动组件；421、弧形导轨；422、第二导向键；423、皮带；424、皮带传动箱；425、前臂内旋和外旋驱动电机；426、第五法兰盘；

500、腕关节训练机构；510、尺屈和桡屈运动组件；511、尺屈和桡屈驱动电机；512、第六法兰盘；513、第一腕支撑板、514、第二腕支撑板；520、掌屈和背屈运动组件；521、掌屈和背屈驱动电机；522、第七法兰盘；523、第三腕支撑板；

600、腕关节调节机构；610、手柄；620、第三滑轨；630、挡棒；640、锁紧螺母。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

本发明根据人体结构以及康复需要进行设计，使得使用者在使用本发明的七自由度上肢外骨骼康复机器人，能够实现在三维空间内的大范围运动，以及能够实现多个关节之间的复合运动，对于人体的康复训练大有裨益。同时吸取同类产品的不足，针对不同进行康复训练的人进行合理有效的调整，并减少机器人的调整时间，方便产品在实际康复训练中使用。

实施例1

如图1-7所示，本实施例的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，包括支撑机构100、肩关节训练机构200、上臂调节机构300、肘关节训练机构400、腕关节训练机构500以及腕关节调节机构600，支撑机构100、肩关节训练机构200、上臂调节机构300、肘关节训练机构400、腕关节训练机构500以及腕关节调节机构600按照顺序相接，通过多个机构之间的协调以及协同工作，使得使用者能够实现肩关节、肘关节以及腕关节的康复训练。同时适应使用者的个体情况，提高使用效率，缩短使用者的康复周期。

支撑机构100包括脚轮110、底座120、肩关节位置调节组件130以及悬梁臂140。支撑机构100主要为其他机构提供支撑作用，以及为使用者提供良好的支撑，使得使用者在借助机器人进行康复的过程中，不再或减少对其他工具的使用，脚轮110安装在底座120底部，通过脚轮110实现机器人的移动，实现省力搬运，脚轮110可设计成自锁脚轮110，根据需要，需要移动时，可以推动，不需要移动时可进行自锁，在使用过程中若不需要机器人进行移动，也可将脚轮110拆卸。本实施例的底座120，下部形成与脚轮110相接的平面，上部形成平台，供使用者在进行康复训练时端坐，底座120也可根据不同的人体需要设计成其他形状，均不影响机器人的整体使用。底座120上部形成靠背，设置肩关节位置调节组件130，实现位置的调整。肩关节位置调节组件130包括第一滑轨131、第一滑块132以及固定槽133，第一滑轨131设置在底座120靠背上端，第一滑轨131内设置固定槽133，第一滑块132在第一滑轨131内滑动，远离第一滑轨131的一端连接悬梁臂140。通过第一滑块132在第一滑轨131中滑动，可实现机器人进行人体手臂训练的相应部件进行位置上相对移动，根据不同使用者的端坐位置进行调整，第一滑轨131内的固定槽133与第一滑块132实现卡合，可在第一滑块132靠近固定槽133的一侧上设置弹性凸起，能够实现第一滑块132相对于第一滑轨131的相对位置稳定，以及通过固定槽133的数量设置，实现第一滑块132滑动位移的精确化，方便在实际训练过程中使用。悬梁臂140主要实现连接第一滑块132至人体肩部的高度位置，根据需要可设计成不同形状，本实施例的悬梁臂140为“L”形。悬梁臂140的设置，可根据折叠伞手柄610的伸缩结构设计成伸缩悬梁臂140，使得机器人在训练使用过程更为灵活。

肩关节训练机构200包括肩两侧运动组件210、肩前后运动组件220、肩外旋和内旋运动组件230，通过三个运动组件的设置实现肩关节的训练三个自由度，使得使用者在使用过程中，能够实现肩部的两侧、前后以及旋转训练。肩两侧运动组件210包括肩两侧驱动电机211、第一法兰盘212、肩支撑板213，肩支撑板213与悬臂梁相接，肩两侧驱动电机211通过第一法兰盘212安装在肩支撑板213的一端。第一法兰盘212用于安装肩两侧驱动电机211，肩两侧驱动电机211安装在肩支撑板213与悬梁臂140相接处，通过肩两侧驱动电机211的工作，实现使用者肩部向两侧运动，肩支撑板213为使用者的肩部提供倚靠作用，便于对使用者的肩部提供康复训练工作。、

肩前后运动组件220包括肩前后驱动电机221以及第二法兰盘222，本实施例的肩支撑板213整体呈“L”形，远离肩两侧驱动电机211的一侧通过第二法兰盘222安装有肩前后驱动电机221，通过肩前后驱动电机221的工作，实现使用者肩部的前后方向的运动。

上臂调节机构300包括第一上臂支撑板310、第二上臂支撑板320、支撑棒330、丝杠340、弧形辅助支撑板350、护臂360以及上臂调节驱动组件370。第一上臂支撑板310一端与肩支撑板213相接，另一端与第二上臂支撑板320相接，第一上臂支撑板310靠近使用者的一侧设置卡槽，第二上臂支撑板320与第一上臂支撑板310之间通过丝杠340连接，并通过丝杠340调节第一上臂支撑板310与第二上臂支撑板320的距离，丝杠340两侧分别设置有支撑棒330，支撑棒330连接第一上臂支撑板310与第二上臂支撑板320，支撑板起连接固定作用，在丝杠340调节距离时，支撑棒330裸露在外的长度也发生相应的变化，弧形辅助支撑板350位于第二上臂支撑板320靠近使用者的一侧，用于固定或对使用者的手臂进行限位。

第二上臂支撑板320包括上臂伸缩支撑导向板321、主板322、丝杠螺纹孔323、支撑棒孔324、前挡板325、齿轮安装凹槽326以及后挡板327。上臂伸缩支撑导向板321(321)与主板322相接，主板322靠近第一上臂支撑板310的一侧连接有前挡板325，前挡板325设置有丝杠螺纹孔323以及支撑棒孔324，丝杠340穿过丝杠螺纹孔323，后挡板327与主板322相接，并形成齿轮安装凹槽326。主板322上设置有弧形辅助支撑板350，上臂伸缩导向板穿过第一上臂支撑板310上的卡槽，通过上臂伸缩导向板对丝杠340的调节进行限位，避免出现偏离现象。前挡板325的丝杠螺纹孔323用于丝杠340穿过，支撑棒孔324用于支撑板穿过，支撑棒330在支撑棒孔324中可移动，支撑棒330和丝杠340与第一上臂支撑板310之间均为固定连接。

如图2和4所示，护臂360整体形状与人体手臂形状近似，护臂360采用具备弹性的材料制成，如莱卡面料等，可根据穿戴者的手臂进行调整，使得护臂360适用于穿戴者手臂，护臂360内表面均匀覆盖可通过01.-1.0毫伏的软电路，既可以保证穿戴者的舒适感，又能对穿戴者手臂及逆行刺激，促进手臂血液循环和神经，对使用者康复训练有一定增益作用。护臂360上设有肩关节处以及肘关节处，通过分别在肩关节处以及肘关节处安装第一传感器361以及第二传感器362，获取护臂360肩关节处和肘关节处的距离信息，通过护臂360反应的距离信息实现第一上臂支撑板310和第二上臂支撑板320距离的调节，第一传感器361和第二传感器362均可采用微型传感器。根据护臂360伸缩采用磁信号、声波信号等信息传输方式测得两个传感器之间的距离，护臂360上安装有芯片，如图4所示，护臂360上的方形区域，第一传感器361与第二传感器362均与芯片建立电信号连接，通过芯片将两个传感器之间的距离进行信息处理和信息发送。芯片将距离信息发送给上臂调节驱动组件370进行第一上臂支撑板310和第二上臂支撑板320距离的调节。

上臂调节驱动组件370包括第二滑轨371、第二滑块372、上臂调节电机373以及联轴器374。如图2和4所示，第二上臂支撑板320主板322远离弧形辅助支撑板350的一侧设置有凹槽，凹槽内设置第二滑轨371，第二滑轨371上设置第二滑块372可沿第二滑轨371滑动。第二滑块372上安装有上臂调节驱动电机，上臂调节驱动电机通过联轴器374与丝杠340相接，上臂调节驱动电机与护臂360上的芯片通过导线建立电信号连接，并根据传输的距离信号进行第一上臂支撑板310和第二上臂支撑板320距离的调整。

肩外旋和内旋运动组件230置于第二上臂支撑板320远离第一上臂支撑板310的一端，肩外旋和内旋运动组件230包括弧形齿轮轨道231、第一导向键232、滚珠、主动齿轮233、肩外旋和内旋驱动电机234、第三法兰盘235、滚槽236以及导向槽237，肩外旋和内旋驱动电机234通过第三法兰盘235安装在第二上臂支撑板320上，主动齿轮233与肩外旋和内旋驱动电机234相接，弧形齿轮轨道231与主动齿轮233啮合，弧形齿轮轨道231上设置有滚槽236以及导向槽237，导向槽237与第一导向键232相接，第一导向键232侧面设置有滚珠，滚珠在滚槽236内滚动。利用滚珠在滚槽236内滚动，减小导向键在导向槽237中的产生有害摩擦，一定程度上增加了导向键的使用寿命，利用肩外旋和内旋运动组件230配合工作，能够实现肩部的旋转训练。

肘关节训练机构400包括肘屈和肘伸组件410以及前臂内旋和外旋运动组件420。主要实现对于肘关节的训练效果。肘屈和肘伸组件410包括肘屈和肘伸驱动电机411、第四法兰盘412、第一肘支撑板413、第二肘支撑板414、第三肘支撑以及第四肘支撑板416。第一肘支撑板413和第二肘支撑板414与弧形齿轮轨道231相接，肘屈和肘伸驱动电机411通过第四法兰盘412安装在第一肘支撑板413的一端，第三肘支撑板415和第四肘支撑板416分别与第一肘支撑板413和第二肘支撑板414相接，第三肘支撑板415与肘屈和肘伸驱动电机411相接。如图6所示，第四法兰盘412为安装肘屈和肘伸驱动电机411提供便利，肘屈和肘伸驱动电机411提供肘部屈伸所需要的动力。

前臂内旋和外旋运动组件420包括弧形导轨421、第二导向键422、皮带423、皮带传动箱424、前臂内旋和外旋驱动电机425以及第五法兰盘426，弧形导轨421一侧分别与第三肘支撑板415以及第四肘支撑板416相接，皮带423一端与皮带423轮连接，另一端与弧形导轨421连接，皮带423轮置于所述皮带传动箱424中，第二导向键422与滚珠相接，置于皮带传动箱424上，第二导向键422与弧形导轨421相接，前臂内旋和外旋驱动电机425通过第五法兰盘426安装在皮带传动箱424上，前臂内旋和外旋驱动电机425与皮带423轮连接。通过皮带423和皮带423轮进行传动，一定程度上减少传动过程中产生的刚性摩擦，对于设备本身起到一定保护作用，同时对使用者的康复训练程度进行限制，避免对使用者手臂造成损伤。弧形导轨421对使用者手臂进行位置的限定，使得机器人更加贴合使用者手臂。

腕关节训练机构500包括尺屈和桡屈运动组件510以及掌屈和背屈运动组件520，尺屈和桡屈运动组件510包括尺屈和桡屈驱动电机511、第六法兰盘512、第一腕支撑板513以及第二腕支撑板514，第一腕支撑板513一端与第二腕支撑板514相接，第一腕支撑板513另一端与皮带传动箱424相接，第一腕支撑板513与第二腕支撑板514相接处通过第六法兰盘512安装有尺屈和桡屈驱动电机511。

掌屈和背屈运动组件520包括掌屈和背屈驱动电机521、第七法兰盘522以及第三腕支撑板523，第三腕支撑板523一端与第二腕支撑板514远离第一腕支撑板513的一端相接，第二腕支撑板514与第三腕支撑板523相接处通过第七法兰盘522安装有掌屈和背屈驱动电机521。通过上述腕关节部件的设置，实现腕关节的灵活运动。

腕关节调节机构600包括手柄610、第三滑轨620、挡棒630以及锁紧螺母640，第三滑轨620的一端与第三腕支撑板523远离第二腕支撑板514的一端相接，第三滑轨620另一端连接有挡棒630，手柄610与第三滑轨620相接，手柄610上设置有锁紧螺母640。手柄610用于使用者抓握，使得使用者在训练过程中，手臂能够稳定的进行训练，手柄610放置在第三滑轨620上，可在第三滑轨620上滑动，对手掌的位置进行调整，以适应不同臂长的使用者，第三滑轨620上设置挡棒630，使得手柄610不至于滑出第三滑轨620，当手柄610的位置调节好后，使用锁紧螺母640对手柄610进行锁紧限位。

综上，本实施例的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人共有七个主动自由度以及三个被动自由度，七个主动自由度分别为肩关节三个主动自由度，肘关节两个自由度，腕关节两个自由度；三个被动自由度分别为，调节肩关节位置的自由度，调节上臂伸缩长度的自由度以及调节腕关节轴心手柄610位置的自由度。

实施例2

本实施例在实施例1的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人的结构基础上，提供一种使用方式。

前期准备工作：第一步，医护人员帮助使用者坐在底座120上，使用肩关节位置调节组件130，使得使用者的肩关节位于肩支撑板213的正下方；第二步，医护人员将使用者的患肢安置在七自由度上肢外骨骼康复机器人手臂上，使用者的手抓住手柄610，根据使用者上臂的长度，使用上臂调节机构300，使得康复机器人上臂尺寸与使用者上臂长度一致，提高患者训练时上臂的舒适感；第三步，根据使用者腕关节的位置，使用腕关节调节机构600，使得康复机器人腕关节轴心位置与使用者腕关节轴心吻合，保证使用者前臂的舒适性。最后通过绑带将使用者手臂固定在康复机器人手臂上，防止患者训练时，发生松动，从而保证训练的平稳性、舒适性和精确性。

七自由度上肢外骨骼康复机器人能够对使用者肩关节、肘关节和腕关节三个上肢重要部位进行康复训练。同时，也可以对使用者局部患病关节进行康复训练，根据患者患病关节的不同，制定相应的康复任务，进行特定的康复训练，实用性和适应性很强。比如说，针对肩关节受损的使用者进行康复训练时，可以设置康复机器人肘关节和腕关节固定，在肩关节工作空间内进行划‘0’字，‘8’字等训练，可以同时对肩关节中的三个关节进行康复治疗。

为更好的使用七自由度上肢外骨骼康复机器人，可基于阻抗控制算法进行康复机器人控制算法设计，使得康复机器人能够对与使用者产生的交互力迅速做出响应，实现柔性控制，避免对患者的二次伤害。

利用上层PC机、运动控制卡和七个底层控制器可实现对七自由度上肢外骨骼康复机器人的控制。其中上层PC机主要完成运动规划、姿态生成等上层功能，运动控制卡负责从PC机接收运动数据并协调各底层关节运动，底层控制器负责控制和驱动关节电机按运动指令运动。

选择具有传输速度快、即插即用特点的USB总线作为运动控制卡与PC机之间的通信接口，以满足运动控制卡与PC间有大量数据需要实时交换的要求；采用CAN总线作为康复机器人分布式控制体系底层模块间的通信接口，有效地支持多关节实时控制。

七自由度上肢外骨骼康复机器人关节驱动模块由直流电机、谐波减速器、光电编码器和关节力矩传感器组成。直流电机和谐波减速器组成驱动单元，根据运动控制卡下达的控制指令，对关节进行实时控制。光电编码器负责检测关节电机输出的位移、速度和加速度，关节力矩传感器负责检测关节的输出力矩，检测数据反馈给上位机，形成闭环控制。

Claims (10)

1.一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：包括支撑机构(100)、肩关节训练机构(200)、上臂调节机构(300)、肘关节训练机构(400)、腕关节训练机构(500)以及腕关节调节机构(600)，所述支撑机构(100)、肩关节训练机构(200)、上臂调节机构(300)、肘关节训练机构(400)、腕关节训练机构(500)以及腕关节调节机构(600)按照顺序相接，所述上臂调节机构(300)包括第一上臂支撑板(310)以及第二上臂支撑板(320)，所述第一上臂支撑板(310)一端与肩关节训练机构(200)相接，另一端与第二上臂支撑板(320)相接，所述第二支撑板上电连接有护臂(360)，所述护臂(360)上设置有第一传感器(361)以及第二传感器(362)。

2.根据权利要求1所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述护臂(360)上设有肩关节处以及肘关节处，所述第一传感器(361)和第二传感器(362)分别位于护臂(360)的肩关节处以及肘关节处，所述第一上臂支撑板(310)与第二上臂支撑板(320)之间通过丝杠(340)连接，所述第二上臂支撑板(320)上设置有上臂调节驱动组件(370)，所述上臂调节驱动组件(370)包括第二滑轨(371)、第二滑块(372)、上臂调节电机(373)以及联轴器(374)，所述第二滑轨(371)设置在第二上臂支撑板(320)上，所述第二滑块(372)置于第二滑轨(371)上，所述上臂调节电机(373)置于第二滑块(372)上，并通过联轴器(374)与丝杠(340)相接。

3.根据权利要求1所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述支撑机构(100)包括脚轮(110)、底座(120)、肩关节位置调节组件(130)以及悬梁臂(140)，所述脚轮(110)置于底座(120)底部，所述肩关节位置调节组件(130)包括第一滑轨(131)、第一滑块(132)以及固定槽(133)，所述第一滑轨(131)置于底座(120)上，第一滑轨(131)内分布有固定槽(133)，所述第一滑块(132)置于第一滑轨(131)内，第一滑块(132)一端与悬梁臂(140)相接，第一滑块(132)靠近固定槽(133)的一端与固定槽(133)之间卡合连接。

4.根据权利要求3所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述肩关节训练机构(200)包括肩两侧运动组件(210)，所述肩两侧运动组件(210)包括肩两侧驱动电机(211)、第一法兰盘(212)以及肩支撑板(213)，所述肩支撑板(213)与悬臂梁相接，所述肩两侧驱动电机(211)通过第一法兰盘(212)安装在肩支撑板(213)的一端。

5.根据权利要求4所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述肩关节训练机构(200)还包括肩前后运动组件(220)，所述肩前后运动组件(220)包括肩前后驱动电机(221)以及第二法兰盘(222)，所述肩前后驱动电机(221)通过第二法兰盘(222)安装在肩支撑板(213)远离肩两侧驱动电机(211)的一端。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述肩关节训练机构(200)还包括肩外旋和内旋运动组件(230)，所述肩外旋和内旋运动组件(230)置于第二上臂支撑板(320)的一端，肩外旋和内旋运动组件(230)包括弧形齿轮轨道(231)、第一导向键(232)、滚珠、主动齿轮(233)、肩外旋和内旋驱动电机(234)、第三法兰盘(235)、滚槽(236)以及导向槽(237)，所述肩外旋和内旋驱动电机(234)通过第三法兰盘(235)安装在第二上臂支撑板(320)上，所述主动齿轮(233)与肩外旋和内旋驱动电机(234)相接，所述弧形齿轮轨道(231)与主动齿轮(233)啮合，弧形齿轮轨道(231)上设置有滚槽(236)以及导向槽(237)，所述导向槽(237)与第一导向键(232)相接，所述第一导向键(232)侧面设置有滚珠，所述滚珠在滚槽(236)内滚动。

7.根据权利要求6所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述第二支撑板包括上臂伸缩支撑导向板(321)、主板(322)、丝杠螺纹孔(323)、支撑棒孔(324)、前挡板(325)、齿轮安装凹槽(326)以及后挡板(327)，所述上臂伸缩支撑导向板(321)与主板(322)相接，所述主板(322)靠近第一上臂支撑板(310)的一侧连接有前挡板(325)，所述前挡板(325)设置有丝杠螺纹孔(323)以及支撑棒孔(324)，所述丝杠(340)穿过丝杠螺纹孔(323)，所述后挡板(327)与主板(322)相接，并形成齿轮安装凹槽(326)，所述上臂调节机构(300)还包括支撑棒(330)以及弧形辅助支撑板(350)，所述支撑棒(330)穿过支撑棒孔(324)，支撑棒(330)两端分别连接第一上臂支撑板(310)以及第二上臂支撑板(320)，所述弧形辅助支撑板(350)置于主板(322)一侧。

8.根据权利要求7所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述肘关节训练机构(400)包括肘屈和肘伸组件(410)以及前臂内旋和外旋运动组件(420)，所述肘屈和肘伸组件(410)包括肘屈和肘伸驱动电机(411)、第四法兰盘(412)、第一肘支撑板(413)、第二肘支撑板(414)、第三肘支撑板(415)以及第四肘支撑板(416)，所述第一肘支撑板(413)和第二肘支撑板(414)与弧形齿轮轨道(231)相接，所述肘屈和肘伸驱动电机(411)通过第四法兰盘(412)安装在第一肘支撑板(413)的一端，所述第三肘支撑板(415)和第四肘支撑板(416)分别与第一肘支撑板(413)和第二肘支撑板(414)相接，所述第三肘支撑板(415)与肘屈和肘伸驱动电机(411)相接；所述前臂内旋和外旋运动组件(420)包括弧形导轨(421)、第二导向键(422)、皮带(423)、皮带传动箱(424)、前臂内旋和外旋驱动电机(425)以及第五法兰盘(426)，所述弧形导轨(421)一侧分别与第三肘支撑板(415)以及第四肘支撑板(416)相接，所述皮带(423)一端与皮带(423)轮连接，另一端与弧形导轨(421)连接，所述皮带(423)轮置于所述皮带传动箱(424)中，所述第二导向键(422)与滚珠相接，置于皮带传动箱(424)上，第二导向键(422)与弧形导轨(421)相接，所述前臂内旋和外旋驱动电机(425)通过第五法兰盘(426)安装在皮带传动箱(424)上，前臂内旋和外旋驱动电机(425)与皮带(423)轮连接。

9.根据权利要求8所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述腕关节训练机构(500)包括尺屈和桡屈运动组件(510)以及掌屈和背屈运动组件(520)，所述尺屈和桡屈运动组件(510)包括尺屈和桡屈驱动电机(511)、第六法兰盘(512)、第一腕支撑板(513)以及第二腕支撑板(514)，第一腕支撑板(513)一端与第二腕支撑板(514)相接，第一腕支撑板(513)另一端与皮带传动箱(424)相接，第一腕支撑板(513)与第二腕支撑板(514)相接处通过第六法兰盘(512)安装有尺屈和桡屈驱动电机(511)；所述掌屈和背屈运动组件(520)包括掌屈和背屈驱动电机(521)、第七法兰盘(522)以及第三腕支撑板(523)，第三腕支撑板(523)一端与第二腕支撑板(514)远离第一腕支撑板(513)的一端相接，第二腕支撑板(514)与第三腕支撑板(523)相接处通过第七法兰盘(522)安装有掌屈和背屈驱动电机(521)。

10.根据权利要求9所述的一种七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述腕关节调节机构(600)包括手柄(610)、第三滑轨(620)、挡棒(630)以及锁紧螺母(640)，所述第三滑轨(620)的一端与第三腕支撑板(523)远离第二腕支撑板(514)的一端相接，第三滑轨(620)另一端连接有挡棒(630)，所述手柄(610)与第三滑轨(620)相接，手柄(610)上设置有锁紧螺母(640)。

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