CN112426323B - 一种多自由度上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度上肢康复机器人，包括特制座椅、旋转平台模块、肩关节模块、上臂与肘关节模块、前臂与腕关节模块、手部模块。旋转平台模块包括可旋转平台及安装在平台上的安装柱，肩关节模块安装在安装柱上；所述肩关节模块用以驱动机器人上臂与肘关节模块及末端关节旋转；所述机器人上臂与肘关节模块末端输出部分与机器人前臂相连；所述上臂与肘关节模块用以驱动机器人前臂与腕关节模块及末端关节旋转；所述机器人前臂与腕关节模块末端输出部分与机器人手部模块相连；所述前臂与腕关节模块用以驱动机器人手部模块旋转；所述机器前臂和上臂对应设有柔性绑带。本发明降低了机器人制造成本，降低了机构复杂度，实用性强，利于推广使用。

Description

一种多自由度上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，特别是涉及一种上肢康复机器人。

背景技术

传统康复治疗方式通常由医院康复治疗师辅助患者进行康复训练。这种方式存在的局限性主要有以下几点：

①面对大量需要康复的患者，大型医院康复中心通常人满为患，康复治疗师数量难以满足实际需求。

②辅助患者进行康复训练的过程中，康复治疗师体力消耗大，工作强度大。

③康复治疗师一对一辅助患者进行康复训练往往效率低下，同时占用过多的医疗资源。

④人工辅助患者康复训练的过程中，理疗师难以精确控制训练参数。

⑤康复治疗师依据其自身经验和业务水平辅助患者进行康复训练，导致康复训练的疗效将存在一定差异。

随着科技的不断进步，康复机器人逐渐走进康复医疗市场。相比于传统康复训练方法，康复机器人辅助患者进行康复训练具有以下优势:

①康复机器人可以长时间工作，不受康复治疗师自身体能限制，能够辅助大量患者进行康复训练，将康复治疗师从繁重的体力劳动中解放出来。

②一位康复治疗师可以控制多个康复机器人辅助不同患者进行康复训练，让康复治疗师有更多时间和精力为患者提供高质量服务，有利于优化医疗资源。

③康复机器人可以辅助患者实现较为精准的康复训练，更好地满足患者的康复需求。

④相对于康复治疗师的人力成本而言，推广使用康复机器人，有利于降低康复医疗成本。

⑤康复机器人可以量化康复过程，有利于康复评定。

综上所述，设计研发康复机器人，有利于辅助患者进行康复训练，同时优化医疗资源配置，降低康复成本，对我国健康产业的发展具有重要意义。

目前，上肢康复机器人研究中存在以下问题尚待解决：

1、部分多自由度上肢康复机器人结构较为复杂。部分多自由度上肢康复机器人中，驱动机构数与机器人辅助实现被动训练自由度数相同，这将导致机器人结构较为复杂，不利于实际使用。

2、部分上肢康复机器人总体结构较为笨重，机器人具有一定的轻量化优化设计空间。

3、部分上肢康复机器人运动范围小，辅助患者进行的康复运动种类尚无法满足患者实际需求，关节在运动行程上的安全性有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种上肢康复机器人。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种上肢康复机器人，包括座件、旋转平台模块、肩关节模块、上臂与肘关节模块、前臂与腕关节模块、手部模块，所述旋转平台模块包括可旋转的旋转平台以及安装在所述旋转平台上的安装柱，所述肩关节模块安装在所述安装柱上，所述肩关节模块连接机器上臂的一端用以驱动所述机器上臂旋转，所述机器上臂另一端与所述上臂与肘关节模块相连接，所述上臂与肘关节模块连接机器前臂的一端用以驱动所述机器前臂转动，所述机器前臂的另一端与所述前臂与腕关节模块相连接，所述前臂与腕关节模块与所述手部模块连接，所述机器前臂和所述机器上臂对应设置有前臂绑带和上臂绑带。

作为优选，所述旋转平台包括旋转平台驱动电机、旋转平台盖板、旋转平台底板；所述旋转平台驱动电机以及所述旋转平台安装在所述旋转平台底板上，所述旋转平台驱动电机的输出端连接所述旋转平台，用以驱动所述旋转平台旋转，所述旋转平台安装于所述旋转平台上方，所述安装柱安装在所述旋转平台盖板上；

第一螺钉通过推力球轴承压紧所述旋转平台盖板，所述第一螺钉穿过所述旋转平台中间设置的空心部，底部拧入所述旋转平台底板对应设置的螺纹孔中；

所述旋转平台底板上设置两个机械限位块，分别实现肩关节旋内与旋外康复训练机械限位。

进一步，所述旋转平台盖板通过第二螺钉与所述旋转平台的输出面固定，所述旋转平台底部与旋转平台底板固定，所述安装立柱绕所述旋转平台中心轴线转动时的回转半径大于所述旋转平台输出面的最大半径。

进一步，所述安装立柱采用铝合金型材制造而成。

进一步，所述旋转平台底板下方铰接若干万向轮。

进一步，所述万向轮设置为4个，分别安装在所述旋转平台底板下方的四角处。

进一步，所述两个机械限位块，分别安装在所述旋转平台盖板的两侧，用以限制所述旋转平台左侧旋转最大角度至45°、右侧旋转最大角度至90°。

进一步，所述安装立柱内部中空。

进一步，所述第二螺钉为内六角螺钉。

进一步，所述安装立柱垂直地支撑在所述旋转平台盖板上。

作为优选，所述肩关节模块包括肩关节连接板，所述肩关节连接板的一端设有肩关节螺栓，其另一端通过肩关节铰制孔用肩关节螺栓与肩关节电机减速器安装板相连，所述机器上臂的一端通过所述肩关节螺栓安装在所述肩关节模块上，所述肩关节电机减速器安装板上安装电机和谐波减速器，所述肩关节电机通过传动机构将动力传输给谐波减速器的波发生器；所述谐波减速器的输出端连接机械臂下一关节，在所述连接板的两侧分别设置肩关节屈曲限位块和肩关节伸展限位块。

进一步，所述传动机构包括第一主动同步带轮，所述第一主动同步带轮通过第一同步带带动第一从动同步带轮运动；所述第一从动同步带轮与肩关节谐波减速器的减速器输入轴相连接，所述第一主动同步带轮以及所述第一从动同步带轮沿径向分别设置有两个第一螺钉孔，紧定螺钉拧入第一螺钉孔分别压紧肩关节电机轴与肩关节谐波减速器输入轴。

进一步，所述第一从动同步带轮上键槽孔与肩关节谐波减速器输入轴的轴进行配合，实现齿轮与轴之间运动与动力的传递。

进一步，所述肩关节谐波减速器输入轴与肩关节谐波减速器的波发生器之间设置第一固定块，所述第一固定块通过第一内六角螺钉分别与所述肩关节谐波减速器的波发生器以及所述肩关节谐波减速器输入轴固定连接，使得所述波发生器与所述肩关节谐波减速器输入轴之间相对位置保持固定。

进一步，所述肩关节电机的电机轴、所述肩关节谐波减速器输入轴之间的轴中心距与所述第一主动同步带轮、所述第一从动同步带轮的传动中心距相等。

进一步，所述肩关节电机通过电机十字沉头螺钉安装在所述肩关节电机减速器安装板上。

进一步，所述肩关节电机减速器安装板与所述肩关节谐波减速器的柔轮通过内六角螺钉相连接。

进一步，在所述肩关节减速器输入轴的轴肩与所述肩关节谐波减速器的波发生器之间安装套筒，使得所述肩关节谐波减速器的波发生器与所述肩关节电机减速器安装板之间存在间隙，用以避免肩关节谐波减速器的波发生器与肩关节电机减速器安装板之间产生摩擦。

进一步，通过所述肩关节电机减速器安装板上的台阶与轴承端盖实现深沟球轴承的轴向位置的固定。

进一步，所述肩关节谐波减速器输入轴通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。

作为优选，所述上臂与肘关节模块，包括上臂与肘关节电机减速器安装板、上臂与肘关节电机、上臂与肘关节谐波减速器，所述机器上臂通过螺钉压紧上臂与肘关节电机减速器安装板，以固定所述机器上臂与所述上臂与肘关节电机减速器安装板之间的相对位置；所述上臂与肘关节电机减速器安装板上安装上臂与肘关节电机和上臂与肘关节谐波减速器，所述上臂与肘关节电机输出轴连接第二主动同步带轮，用以驱动所述第二主动同步带轮运动；所述第二主动同步带轮通过第二同步带带动第二从动同步带轮运动；所述第二从动同步带轮和上臂与肘关节谐波减速器输入轴相连接，用以将动力传输给上臂与肘关节谐波减速器的波发生器；所述上臂与肘关节谐波减速器刚轮与机器前臂相连接，用以驱动机器前臂运动；所述上臂与肘关节电机减速器安装板上分别设置了肘关节屈曲限位块和肘关节伸展限位块，用以分别实现肘关节屈曲运动限位与肘关节伸展运动限位。

进一步，所述第二主动同步带轮以及所述第二从动同步带轮沿径向分别设置有两个第二螺钉孔，第二紧定螺钉拧入第二螺钉孔分别压紧上臂与肘关节电机轴与上臂与肘关节谐波减速器输入轴。

进一步，所述第二从动同步带轮上键槽孔与上臂与肘关节谐波减速器输入轴的轴进行配合，实现齿轮与轴之间的运动及动力传递。

进一步，所述上臂与肘关节谐波减速器的波发生器与上臂与肘关节谐波减速器输入轴之间设置第二固定块，所述第二固定块通过第二内六角螺钉分别与所述上臂与肘关节减速器的波发生器以及所述上臂与肘关节减速器输入轴固定连接。

进一步，所述上臂与肘关节电机的电机轴、所述上臂与肘关节谐波减速器的减速器输入轴之间的轴中心距与所述第二主动同步带轮、所述第二从动同步带轮之间的传动中心距相等。

进一步，所述上臂与肘关节电机通过电机十字沉头螺钉安装在所述上臂与肘关节电机减速器安装板上。

进一步，所述上臂与肘关节电机减速器安装板与所述上臂与肘关节谐波减速器的柔轮通过内六角螺钉相连接。

进一步，在所述上臂与肘关节谐波减速器输入轴的轴肩与所述上臂与肘关节谐波减速器的波发生器之间安装第二套筒，使得所述上臂与肘关节谐波减速器的波发生器与所述上臂与肘关节电机减速器安装板之间存在间隙，用以避免上臂与肘关节谐波减速器的波发生器与上臂与肘关节电机减速器安装板之间产生摩擦。

进一步，通过所述上臂与肘关节电机减速器安装板上的台阶与轴承端盖实现深沟球轴承的轴向位置的固定。

进一步，所述上臂与肘关节谐波减速器输入轴通过键实现轴与上臂与肘关节谐波减速器的波发生器之间周向固定以及扭矩传递。

作为优选，所述前臂与腕关节模块包括前臂与腕关节电机减速器安装板，所述机器前臂通过内六角螺钉使其与前臂与腕关节电机减速器安装板相对位置保持固定；所述前臂与腕关节电机减速器安装板上安装前臂与腕关节电机和前臂与腕关节谐波减速器，所述前臂与腕关节电机连接第三主动同步带轮，用以驱动所述第三主动同步带轮运动，所述第三主动同步带轮通过同步带带动第三从动同步带轮运动；所述第三从动同步带轮与前臂与腕关节谐波减速器输入轴相连接，用以将动力传输给前臂与腕关节谐波减速器的波发生器；在所述前臂与腕关节电机减速器安装板上分别设置腕关节伸展限位块和腕关节屈曲限位块。

进一步，所述第三主动同步带轮以及所述第三从动同步带轮沿径向分别设置有两个第三螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧前臂与腕关节电机轴与前臂与腕关节谐波减速器输入轴。

进一步，所述第三从动同步带轮上键槽孔与前臂与腕关节谐波减速器输入轴上的键槽进行配合，实现齿轮与轴之间的运动及动力传递。

进一步，所述前臂与腕关节谐波减速器的波发生器与前臂与腕关节减速器输入轴之间设置第三固定块，所述第三固定块通过内六角螺钉分别与所述前臂与腕关节谐波减速器的波发生器以及所述前臂与腕关节的谐波减速器输入轴固定连接。

进一步，所述电机的电机轴、所述前臂与腕关节谐波减速器的减速器输入轴之间的轴中心距与所述第三主动同步带轮、所述第三从动同步带轮的传动中心距相等。

进一步，所述前臂与腕关节电机通过十字沉头螺钉安装在所述前臂与腕关节电机减速器安装板上。

进一步，所述前臂与腕关节电机减速器安装板与所述前臂与腕关节谐波减速器的柔轮通过内六角螺钉相连接。

进一步，在所述前臂与腕关节谐波减速器输入轴的轴肩与所述前臂与腕关节谐波减速器的波发生器之间安装第三套筒，使得所述前臂与腕关节谐波减速器的波发生器与所述前臂与腕关节电机减速器安装板之间存在间隙，用以避免前臂与腕关节谐波减速器的波发生器与前臂与腕关节电机减速器安装板之间产生摩擦。

进一步，通过所述前臂与腕关节电机减速器安装板上的台阶与轴承端盖实现深沟球轴承的轴向位置的固定。

进一步，所述前臂与腕关节谐波减速器输入轴通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。

作为优选，所述手部模块包括前臂与腕关节减速器输出连接块、手握杆连接块、手握杆、深沟球轴承端盖、深沟球轴承端盖固定螺钉、深沟球轴承轴向固定挡块；

进一步，所述腕关节减速器输出连接块的一端连接前臂与腕关节谐波减速器，其另一端连接所述手握杆连接块，所述手握杆连接块连接所述手握杆，所述腕关节减速器输出连接块的一侧通过深沟球轴承轴向固定挡块通过十字沉头螺钉与手握杆连接块相连。

进一步，所述深沟球轴承轴向固定挡块通过十字沉头螺钉安装在所述手握杆连接块上。

进一步，所述手握杆一端设置有外螺纹，在所述手握杆连接块的一端并排设置有多个螺纹孔，手握杆上的螺杆或螺钉拧入手握杆连接块上的螺纹孔以使得手握杆与手握杆连接块的相对位置保持固定。

有益效果在于：本发明经过合理地设计，仅仅通过设置三个驱动机构即可实现辅助患者在不同时刻分别进行手臂及手部的各个关节的康复训练。本设计降低了机器人的制造成本，降低了该模块机构复杂度，适应性广，有较强的实用性，利于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的轴测图。

图2为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的局部轴测图。

图3为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的旋转模块立体图。

图4为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的旋转模块带凳子的立体示意图。

图5为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的旋转模块零位状态示意图。

图6为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的旋转模块肩关节旋内45°限位示意图。

图7为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的旋转模块肩关节旋外90°限位示意图。

图8为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节模块的立体图。

图9为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节模块的立体图。

图10为本发明例一种上肢康复机器人的肩关节模块的肩关节驱动模块剖视图。

图11为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节屈曲(外展)90°限位状态示意图。

图12为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节伸展(内收)45°限位状态示意图。

图13为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的上臂与肘关节模块的立体图。

图14为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的上臂与肘关节模块的立体图。

图15为本发明实施例一种上肢康复机器人的上臂与肘关节模块驱动部分剖视图。

图16为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节屈曲125°限位状态示意图。

图17为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节伸展0°限位状态示意图。

图18为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的前臂与腕关节模块的立体图。

图19为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的前臂与腕关节模块的立体图。

图20为本发明实施例一种上肢康复机器人的前臂与腕关节模块的肩关节驱动模块剖视图。

图21为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的腕关节屈曲70°限位示意图。

图22为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的腕关节伸展60°限位示意图。

图23为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的手部模块的立体图。

图中，1、旋转平台模块；1-1、脚轮；1-2、旋转平台驱动电机；1-3、旋转平台；1-4-肩关节旋内45°限位块；1-5、旋转平台底板；1-6、肩关节旋外90°限位块；1-7、旋转平台盖板；1-8、螺钉；1-9、推力球轴承；1-10、内六角螺钉；1-11、安装立柱；2、肩关节模块；2-1、连接板；2-2、螺栓；2-3、电机减速器安装板；2-4、肩关节电机；2-5、铰制孔用螺栓；2-6、肩关节谐波减速器；2-7、肩关节屈曲(外展)限位块；2-8、肩关节伸展(内收)限位块；2-9、内六角螺钉；2-10、第一固定块；2-11、内六角螺钉；2-12、内六角螺钉；2-13、第一同步带；2-14、第一主动同步带轮；2-15、肩关节电机轴；2-16、第一从动同步带轮；2-17、减速器输入轴；2-18、十字沉头螺钉；2-19、内六角螺钉；2-20-轴承端盖；2-21、十字沉头螺钉；2-22、深沟球轴承；2-23、第一套筒；3、上臂与肘关节模块；3-2、内六角螺钉；3-3、上臂与肘关节电机减速器安装板；3-4、上臂与肘关节电机；3-5、上臂与肘关节谐波减速器；3-6、内六角螺钉；3-7、肘关节屈曲限位块；3-8、肘关节伸展限位块；3-9、波发生器与输入轴固定块；3-10、内六角螺钉；3-11、内六角螺钉；3-12、第二同步带；3-13、第二主动同步带轮；3-14、上臂与肘关节电机轴；3-15、第二从动同步带轮；3-16、上臂与肘关节减速器输入轴；3-17-、十字沉头螺钉；3-18、内六角螺钉；3-19、轴承端盖；3-20、内六角螺钉；3-21、深沟球轴承；3-22、第二套筒；4、前臂与腕关节模块；4-2、内六角螺钉；4-3、前臂与腕关节电机减速器安装板；4-4、前臂与腕关节电机；4-5、前臂与腕关节谐波减速器；4-6、内六角螺钉；4-7、腕关节伸展限位块；4-8、腕关节屈曲限位块；4-9、波发生器与输入轴固定块；4-10、内六角螺钉；4-11、内六角螺钉；4-12、第三同步带；4-13、第三主动同步带轮；4-14、前臂与腕关节电机轴；4-15、第三从动同步带轮；4-16、前臂与腕关节谐波减速器输入轴；4-17、十字沉头螺钉；4-18、内六角螺钉；4-19、轴承端盖；4-20、深沟球轴承；4-21、第三套筒；5、手部模块；5-1、腕关节减速器输出连接块；5-2、手握杆连接块；5-3、手握杆；5-4-深沟球轴承端盖；5-5、深沟球轴承端盖固定螺钉；5-6、深沟球轴承轴向固定挡块；5-7、十字沉头螺钉；6、座件；7、机器前臂；8、机器上臂；9、前臂绑带；10、上臂绑带。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，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。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

本发明实施例，请参考图1所示，是一种上肢康复机器人，包括座件6、旋转平台模块1、肩关节模块2、上臂与肘关节模块3、前臂与腕关节模块4、手部模块5，所述旋转平台模块1包括可旋转的旋转平台1-3以及安装在所述旋转平台1-3上的安装柱1-11，所述肩关节模块安装在所述安装柱1-11上，所述肩关节模块2连接机器上臂7的一端用以驱动所述机器上臂7旋转，所述机器上臂7另一端与所述上臂与肘关节模块3相连接，所述上臂与肘关节模块3连接机器前臂8的一端用以驱动所述机器前臂8转动，所述机器前臂8的另一端与所述前臂与腕关节模块4相连接，所述前臂与腕关节模块4与所述手部模块5连接，所述机器前臂7和所述机器上臂8对应设置有前臂绑带9和上臂绑带10。

本发明在具体实施时，座件6选择特制的凳子，康复患者坐在特制凳子上，前臂绑带9和上臂绑带10分别对应绑缚人体的前臂和上臂在所述机器前臂7和所述机器上臂8上，接着各个模块工作，以使得满足患者上肢的各个康复动作，起到辅助康复的作用。

以下将以各个模块为节点，详细说明本发明实施例中的上肢康复机器人各个模块的辅助康复的功能及其原理。

关于旋转平台模块，本发明实施例中的旋转平台模块不仅要承受机械臂重量，还需辅助患者肩关节实现旋内/旋外康复训练。旋转平台位于机器人底部，需具有足够的重量，以避免机器人整体倾覆。旋转平台体积不能过大，以避免与患者足部发生干涉。

请参考图3所示，由于驱动机器人手臂辅助患者实现肩关节旋内/旋外自由度机构的实际回转半径大于旋转平台最大半径，故本发明实施例中将机械上臂与安装柱1-11相连，安装柱1-11支撑在旋转平台盖板1-7上，旋转平台盖板1-7通过内六角螺钉1-10与旋转平台1-3输出面固定，旋转平台底部与旋转平台底板1-5固定。这种设计可以使得安装柱1-11绕旋转平台中心轴线转动时回转半径大于旋转平台1-3输出面的最大半径。

为了防止载荷引起的旋转平台盖板1-7的倾覆，使用螺钉8通过推力球轴承9压紧旋转平台盖板1-7，螺钉8穿过旋转平台1-3中间空心部分，底部拧入旋转平台底板1-5对应螺纹孔中。

请继续参考图4所示，本发明实施例中支撑机械臂的安装柱1-11选用米思米60-60铝合金型材，该型材采用中空结构设计，重量较轻，整体强度高，价格较为经济实惠。旋转平台底板下配置了脚轮1-1以方便实际使用。在旋转平台的上方还可以设置一个特制凳子，用以方便患者舒适的接受治疗。

为了充分保障患者使用过程中的安全性，设置两个机械限位块，肩关节旋内45°限位块1-4和肩关节旋外90°限位块1-6，分别实现肩关节旋内45°与旋外90°康复训练机械限位，确保患者使用安全。俯视状态下转台不同位置如图4～7所示，分别表示的是零位状态、肩关节旋内45°限位点以及肩关节旋外90°限位点；图中的大方框所示区域为人体在特制凳子上自然坐立区域，小方框所示区域为铝合金型材。

关于肩关节模块，肩关节模块主要由机械臂与立柱连接机构、肩关节驱动机构、肩关节运动限位机构等部分构成。

具体的，请参考图8～图9所示，连接板2-1一端通过螺栓与立柱连接，另外一端通过铰制孔用螺栓2-5与电机减速器安装板2-3连接。肩关节电机2-4和肩关节谐波减速器2-6通过螺钉固定在电机减速器安装板2-3上。肩关节屈曲(外展)限位块2-7与肩关节伸展(内收)限位块2-8分别为肩关节屈曲(外展)90°～135°运动限位块与肩关节伸展(内收)45°～60°运动限位块。实际角度根据限位块的安装角度或者限位块的形状进行合理的选择，本发明实施例优选角度为肩关节屈曲(外展)90°以及肩关节伸展(内收)45°。其中，10为谐波减速器波发生器与减速器输入轴之间的固定块，第一固定块2-10通过内六角螺钉2-11和2-12分别与波发生器以及减速器输入轴2-17固定连接。肩关节电机轴2-15、减速器输入轴2-17之间的轴中心距与同步带传动中心距相等。

将肩关节驱动模块剖开，如图10所示为剖视图。图中十字沉头螺钉2-18为电机4与电机减速器安装板2-3之间的固定螺钉。电机减速器安装板2-3与肩关节谐波减速器2-6的柔轮通过内六角螺钉2-19相连接。

关节驱动模块中，肩关节电机2-4驱动第一主动同步带轮2-14运动，第一主动同步带轮2-14通过同步带13带动第一从动同步带轮2-16运动。主动同步带轮与从动同步带轮齿数相同，传动比为1:1。第一从动同步带轮2-16通过减速器输入轴2-17将动力传输给肩关节谐波减速器2-6的波发生器。第一主动同步带轮2-14、第一从动同步带轮2-16沿径向设置有两个螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧肩关节电机轴2-15与减速器输入轴2-17，且第一从动同步带轮2-16上键槽孔与减速器输入轴2-17进行配合，实现齿轮与轴之间的运动与动力传递。

为了在轴向方向上固定轴的位置以及轴上零部件，本发明实施例中，通过电机减速器安装板2-3上的台阶与轴承端盖2-20实现深沟球轴承2-22轴向位置的固定。实际工作中，肩关节谐波减速器2-6的波发生器将随减速器输入轴2-17同步转动。为了避免波发生器与电机减速器安装板2-3之间产生摩擦，在减速器输入轴2-17的轴肩与波发生器之间安装第三套筒2-23以保证波发生器与电机减速器安装板2-3之间存在一定间隙。减速器输入轴2-17与波发生器固连后，通过轴上轴肩、深沟球轴承2-22、第一套筒2-23实现减速器输入轴2-17的轴向固定，局部设计如图3所示。减速器输入轴2-17通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。

为了充分保障患者安全，通过设计肩关节屈曲(外展)限位块2-7和肩关节伸展(内收)限位块2-8，分别实现肩关节屈曲(外展)90°与肩关节伸展(内收)45°运动限位。限位状态如图11和图12所示。

关于上臂与腕关节模块，上臂与肘关节模块主要由上臂臂长调整机构、肘关节驱动机构、肘关节运动限位机构等部分构成。

具体的，请参考图13和图14所示，机器上臂8一端通过螺钉与上一关节输出相连，另一端通过内六角螺钉3-2压紧上臂与肘关节电机减速器安装板3-3，以保证机器上臂8与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间位置的固定。肘关节屈曲限位块3-7与肘关节伸展限位块3-8分别为肘关节屈曲125°运动限位块与肘关节伸展0°运动限位块。内六角螺钉3-10与3-11将波发生器与输入轴固定块3-9分别同减速器输入轴3-16、波发生器固定连接。上臂与肘关节上臂与肘关节电机轴3-14、上臂与肘关节减速器输入轴3-16之间的轴中心距与同步带传动中心距相等。将上臂与肘关节驱动模块剖开，如图3所示为剖视图。图中十字沉头螺钉3-17为上臂与肘关节电机3-4与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间的固定螺钉。上臂与肘关节电机减速器安装板3-3与上臂与肘关节谐波减速器3-5的柔轮通过内六角螺钉18相连接。

考虑到不同患者上臂长度不同，通过改变机器上臂8与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间的相对位置来实现该模块长度调节。当模块中内六角螺钉3-2松开时，机器上臂8与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间可发生相对滑动。滑动到合适位置时，拧紧内六角螺钉3-2，此时内六角螺钉3-2将压紧上臂与肘关节电机减速器安装板3-3，较大的压紧力使得机器上臂8与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间位置相对固定，难以发生相对滑动，继而实现上臂长度无级调节。

肘关节驱动机构中，上臂与肘关节电机3-4驱动第二主动同步带轮3-13运动，第二主动同步带轮3-13通过第二同步带3-12带动第二从动同步带轮3-15运动。主动同步带轮与从动同步带轮齿数相同，传动比为1:1。实际上，传动比不仅仅可以是1:1，本实施例只是举例说明，其还可以是其他传动比，具体可根据实际传动需求进行选择。第二从动同步带轮3-15通过上臂与肘关节减速器输入轴3-16将动力传输给上臂与肘关节谐波减速器3-5的波发生器。第二主动同步带轮3-13、第二从动同步带轮3-15沿径向设置有两个螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧上臂与肘关节电机轴3-14与上臂与肘关节减速器输入轴3-16，且第二从动同步带轮3-15上键槽孔与上臂与肘关节减速器输入轴3-16进行配合，实现齿轮与轴之间的运动及动力传递。

上臂与肘关节电机减速器安装板3-3可划分为安装电机、大臂长度调节、安装减速器等三个功能区域。设计中将上臂与肘关节电机减速器安装板3-3视作一个零件。为了满足装配上的可行性，实际加工中将电机安装区域部分与其它部分作为两个零件单独加工，装配时通过螺钉连接为一体。

为了在轴向方向上固定轴的位置以及轴上零部件，本发明实施例中，通过上臂与肘关节电机减速器安装板3-3上的台阶与轴承端盖3-19实现深沟球轴承3-21轴向位置的固定。实际工作中，上臂与肘关节谐波减速器3-5的波发生器将随上臂与肘关节减速器输入轴3-16同步转动。为了避免波发生器与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间产生摩擦，在上臂与肘关节减速器输入轴3-16的轴肩与波发生器之间安装第二套筒2-22以保证波发生器与上臂与肘关节电机减速器安装板3-3之间存在一定间隙。同时上臂与肘关节减速器输入轴3-16同波发生器固连后与轴上轴肩通过深沟球轴承3-21、第二套筒2-22实现上臂与肘关节减速器输入轴3-16的轴向固定，局部设计如图15中的(a)、(b)所示。上臂与肘关节减速器输入轴3-16通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。

为了充分保障患者运动过程中的安全，上臂与肘关节模块通过肘关节屈曲限位块3-7与肘关节伸展限位块3-8，分别实现肘关节屈曲125°与肘关节伸展(屈曲)0°运动限位。限位状态如图16和图17所示。

关于前臂与腕关节模块，前臂与腕关节模块主要由前臂臂长调整机构、腕关节驱动机构、腕关节运动限位机构等部分构成。

具体的，请参考图18和图19所示，机器前臂7一端通过螺钉与肘关节减速器刚轮相连，另一端通过内六角螺钉4-2压紧前臂与腕关节电机减速器安装板3。腕关节伸展限位块4-7与腕关节屈曲限位块4-8分别为腕关节伸展60°运动限位块与腕关节屈曲70°运动限位块。内六角螺钉4-10与4-11将波发生器与输入轴固定块4-9分别同前臂与腕关节谐波减速器输入轴4-16、波发生器固定连接。前臂与腕关节电机轴4-14、前臂与腕关节谐波减速器输入轴4-16之间的轴中心距与同步带轮组传动中心距相等。

将前臂与腕关节模块剖开，如图20所示为剖视图。图中十字沉头螺钉4-17为电机4-4与前臂与腕关节电机减速器安装板4-3之间的固定螺钉。前臂与腕关节电机减速器安装板3与前臂与腕关节谐波减速器5的柔轮通过内六角螺钉18相连接。

关节驱动模块中，前臂与腕关节电机4-4驱动第三主动同步带轮4-13运动，第三主动同步带轮4-13通过第三同步带4-12带动第三从动同步带轮4-15运动。第三主动同步带轮4-13与从第三动同步带轮4-15齿数相同，传动比为1:1。实际上，传动比不仅仅可以是1:1，本实施例只是举例说明，其还可以是其他传动比，具体可根据实际传动需求进行选择。第三从动同步带轮4-15通过前臂与腕关节谐波减速器输入轴4-16将动力传输给谐波减速器4-5的波发生器。第三主动同步带轮4-13、第三从动同步带轮4-15沿径向设置有两个螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧前臂与腕关节电机轴4-14与减速器输入轴4-16，且第三从动同步带轮4-15上键槽孔与前臂与腕关节谐波减速器输入轴4-16上的键槽进行配合，实现齿轮与轴之间的动力传递。

为了在轴向方向上固定轴的位置以及轴上零部件，本发明实施例中，通过前臂与腕关节电机减速器安装板4-3上的台阶与轴承端盖4-19实现深沟球轴承4-20轴向位置的固定。实际工作中，谐波减速器4-5的波发生器将随前臂与腕关节谐波减速器输入轴4-16同步转动。为了避免波发生器与电机减速器安装板4-3之间产生摩擦，在前臂与腕关节下拨减速器输入轴4-16的轴肩与波发生器之间安装套筒4-21以保证波发生器与电机减速器安装板4-3之间存在一定间隙。前臂与腕关节下拨减速器输入轴4-16及轴上轴肩通过深沟球轴承4-20、第三套筒4-21实现前臂与腕关节谐波减速器输入轴4-16的轴向固定，局部设计如图3所示。减速器输入轴16通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。

为了充分保障患者运动过程中的安全，前臂与腕关节模块通过腕关节伸展限位块4-7与腕关节屈曲限位块4-8，分别实现腕关节伸展60°与腕关节屈曲70°运动限位。限位状态如图21和图22所示。相比于腕关节屈曲/伸展运动范围，腕关节内收/外展运动范围则较小。考虑到机器人腕关节零件尺寸相对较小，不利于设置较为复杂的限位机构，且患者与机器人之间的连接具有一定柔性，对于腕关节内收/外展自由度位置限制可以通过程序来实现。

关于手部模块，包括腕关节减速器输出连接块5-1、手握杆连接块5-2、手握杆5-3、深沟球轴承端盖5-4、深沟球轴承端盖固定螺钉5-5、深沟球轴承轴向固定挡块5-6、十字沉头螺钉5-7；

所述腕关节减速器输出连接块5-1的一端用于连接腕关节谐波减速器，其另一端连接所述手握杆连接块5-2，所述手握杆连接块5-2的一侧设置有多个螺纹孔，手握杆5-3的一端设置有外螺纹，手握杆5-3通过螺杆或螺钉与手握杆连接块5-2的位置保持相对固定。关节减速器输出连接块5-1的一侧通过所述深沟球轴承端盖固定螺钉5-5安装所述深沟球轴承端盖5-4，所述手握杆连接块5-2的一侧通过十字沉头螺钉5-7连接所述深沟球轴承轴向固定挡块5-6。

具体实施时，腕关节减速器输出连接块5-1通过螺钉与腕关节谐波减速器的刚轮相连接，带动手部模块实现手腕屈曲/伸展或内收/外展被动训练。患者进行康复训练时，手部握住手握杆5-3并转动前臂将可实现前臂旋内/旋外主动训练。对于部分无抓握能力的患者，可通过绑带将患者手部与手握杆5-3连接绑定。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种上肢康复机器人，其特征在于，包括特制康复座椅、旋转平台模块、肩关节模块、上臂与肘关节模块、前臂与腕关节模块、手部模块；所述旋转平台模块包括可旋转的旋转平台以及安装在所述旋转平台上的安装柱，所述肩关节模块安装在所述安装柱上，所述肩关节模块连接机器上臂的一端用以驱动所述机器上臂及末端关节旋转，所述机器上臂另一端与所述上臂与肘关节模块相连接，所述上臂与肘关节模块连接机器前臂的一端用以驱动所述机器前臂转动，所述机器前臂的另一端与所述前臂与腕关节模块相连接，所述前臂与腕关节模块与所述手部模块连接，所述机器前臂和所述机器上臂对应设置有前臂绑带和上臂绑带；

所述前臂与腕关节模块包括前臂与腕关节电机减速器安装板，所述机器前臂通过内六角螺钉使其与前臂与腕关节电机减速器安装板相对位置保持固定；所述前臂与腕关节电机减速器安装板上安装前臂与腕关节电机和前臂与腕关节谐波减速器，所述前臂与腕关节电机连接第三主动同步带轮，用以驱动所述第三主动同步带轮运动，所述第三主动同步带轮通过同步带带动第三从动同步带轮运动；所述第三从动同步带轮与前臂与腕关节谐波减速器输入轴相连接，用以将动力传输给前臂与腕关节谐波减速器的波发生器；在所述前臂与腕关节电机减速器安装板上分别设置腕关节伸展限位块和腕关节屈曲限位块；

所述手部模块，包括前臂与腕关节减速器输出连接块、手握杆连接块、手握杆、深沟球轴承端盖、深沟球轴承端盖固定螺钉、深沟球轴承轴向固定挡块；

所述腕关节减速器输出连接块的一端连接前臂与腕关节谐波减速器，其另一端连接所述手握杆连接块，所述手握杆连接块连接所述手握杆，所述腕关节减速器输出连接块的一侧通过深沟球轴承轴向固定挡块通过十字沉头螺钉与手握杆连接块相连；

所述旋转平台包括旋转平台驱动电机、旋转平台盖板、旋转平台底板；所述旋转平台驱动电机以及所述旋转平台盖板安装在所述旋转平台底板上，所述旋转平台驱动电机的输出端连接所述旋转平台，用以驱动所述旋转平台旋转，所述旋转平台安装于所述旋转平台上方，所述安装柱安装在所述旋转平台盖板上；

第一螺钉通过推力球轴承压紧所述旋转平台盖板，所述第一螺钉穿过所述旋转平台中间设置的空心部，底部拧入所述旋转平台底板对应设置的螺纹孔中；

所述旋转平台底板上设置两个机械限位块，分别实现肩关节旋内与旋外康复训练机械限位；

所述旋转平台盖板通过第二螺钉与所述旋转平台的输出面固定，所述旋转平台底部与旋转平台底板固定，所述安装立柱绕所述旋转平台中心轴线转动时的回转半径大于所述旋转平台输出面的最大半径。

2.根据权利要求1所述的上肢康复机器人，其特征在于，所述肩关节模块包括肩关节连接板，所述肩关节连接板的一端设有肩关节螺栓，其另一端通过肩关节铰制孔用肩关节螺栓与肩关节电机减速器安装板相连，所述机器上臂的一端通过所述肩关节螺栓安装在所述肩关节模块上，所述肩关节电机减速器安装板上安装电机和谐波减速器，所述肩关节电机通过传动机构将动力传输给谐波减速器的波发生器；所述谐波减速器的输出端连接机械臂下一关节，在所述连接板的两侧分别设置肩关节屈曲限位块和肩关节伸展限位块。

3.根据权利要求2所述的上肢康复机器人，其特征在于，所述传动机构包括第一主动同步带轮，所述第一主动同步带轮通过第一同步带带动第一从动同步带轮运动；所述第一从动同步带轮与肩关节谐波减速器的减速器输入轴相连接，所述第一主动同步带轮以及所述第一从动同步带轮沿径向分别设置有两个第一螺钉孔，紧定螺钉拧入第一螺钉孔分别压紧肩关节电机轴与肩关节谐波减速器输入轴。

4.根据权利要求3所述的上肢康复机器人，其特征在于，所述肩关节谐波减速器输入轴与肩关节谐波减速器的波发生器之间设置第一固定块，所述第一固定块通过第一内六角螺钉分别与所述肩关节谐波减速器的波发生器以及所述肩关节谐波减速器输入轴固定连接，使得所述波发生器与所述肩关节谐波减速器输入轴之间相对位置保持固定。

5.根据权利要求1所述的上肢康复机器人，其特征在于，所述上臂与肘关节模块，包括上臂与肘关节电机减速器安装板、上臂与肘关节电机、上臂与肘关节谐波减速器，所述机器上臂通过螺钉压紧上臂与肘关节电机减速器安装板，以固定所述机器上臂与所述上臂与肘关节电机减速器安装板之间的相对位置；所述上臂与肘关节电机减速器安装板上安装上臂与肘关节电机和上臂与肘关节谐波减速器，所述上臂与肘关节电机输出轴连接第二主动同步带轮，用以驱动所述第二主动同步带轮运动；所述第二主动同步带轮通过第二同步带带动第二从动同步带轮运动；所述第二从动同步带轮和上臂与肘关节谐波减速器输入轴相连接，用以将动力传输给上臂与肘关节谐波减速器的波发生器；上臂与肘关节谐波减速器刚轮与机器前臂相连接，用以驱动机器前臂运动；所述上臂与肘关节电机减速器安装板上分别设置了肘关节屈曲限位块和肘关节伸展限位块，用以分别实现肘关节屈曲运动限位与肘关节伸展运动限位。

6.根据权利要求5所述的上肢康复机器人，其特征在于，所述上臂与肘关节谐波减速器的波发生器与上臂与肘关节谐波减速器输入轴之间设置第二固定块，所述第二固定块通过第二内六角螺钉分别与所述上臂与肘关节减速器的波发生器以及所述上臂与肘关节减速器输入轴固定连接。