CN113332098B - 一种七自由度上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种七自由度上肢康复机器人，包括肩关节组件、肘关节组件、腕关节组件和机架组件，肩关节组件主要实现三个自由度运动，分别是肩关节的前伸/后屈、外展/内收以及自旋，肘关节组件主要实现两个自由度运动，分别是肘关节的的屈伸和自旋，腕关节组件主要实现两个自由度运动，分别是腕关节的外翻/内收和桡屈/尺屈。本发明从人体结构学考虑，空间布局合理紧凑，穿戴方便，运动范围大，自由度灵活，便于实现单一关节运动和整体上肢的复合运动，可依据不同康复时期的控制要求，调整主动、助力或被动的控制策略，满足不同康复时期患者的训练需求。

Description

一种七自由度上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及康复器材技术领域，尤其是一种七自由度上肢康复机器人。

背景技术

随着全球人口的增长，人口老龄化的问题日益显著。脑卒中，俗称“中风”，是一种老年人群里常见的疾病，它是一种会导致大脑神经系统持续性损伤的急性脑血管疾病。针对中风患者康复治疗的方法，传统的康复方法主要由康复医生对患者进行物理运动训练治疗。目前，也有通过康复机器人对患者进行治疗，但是康复机器人的人性化、智能化以及结构优化上还需要很大的改善。因此，设计合理可靠的康复机构，对患者提高康复效果具有非常重要的现实意义。

国外研究康复机器人较早，技术较为成熟。相比于国内的研究现状，大多仍处于起步和追赶阶段。目前，市场上康复机器人的结构类型主要分为两类：一种为末端牵引式，另一种为外骨骼式。末端牵引式结构简单，但实现的自由度较少，一般受限于平面内运动；外骨骼式从人体结构学考虑，可以实现患肢在空间内的运动。总的来说，自由度设计的越多，上肢康复机器人越灵活，但是结构上会更复杂，操作难度更大。发明专利CN103263338A公布了一种上肢康复机器人，该发明采用类似龙门架式的结构，通过牵引装置控制绳子的角度和力度，从而实现患者肩关节、肘关节的复合运动。但该发明结构上不够轻巧紧凑，单一自由度实现不够方便，对适用场所空间要求高。发明专利CN104287944A公布了一种上肢康复机器人，该发明可实现肩关节的屈伸、展收、平展、内外旋和肘关节的屈伸，共5个自由度。但该发明在穿戴上不够方便，降低了安全稳定性和灵活性。因此，在设计上肢康复机器人时，应合理的选取自由度数目，依据人体结构学选择合适的运动范围，结构上轻巧紧凑，便于穿戴，具备安全稳定性的同时应具有一定的舒适性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种七自由度上肢康复机器人，可实现肩关节的前伸/后屈、外展/内收以及自旋、肘关节的屈伸和自旋以及腕关节的外翻/内收和桡屈/尺屈，共七个方向的自由度运动，可依据不同康复时期的控制要求，调整主动、助力或被动的控制策略。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种七自由度上肢康复机器人，包括肩关节组件、肘关节组件、腕关节组件和机架组件，所述的肩关节组件安装于机架组件上，肘关节组件连接于肩关节组件下部，腕关节组件与肘关节组件下部连接；所述肩关节组件：实现肩关节的前伸/后屈、外展/内收以及自旋三个自由度运动，包括肩关节前伸/后屈机构、肩关节外展/内收机构及肩关节自旋机构；所述肘关节组件：实现肘关节的的屈伸和自旋两个自由度运动，包括肘关节屈伸机构和肘关节自旋机构；所述腕关节组件：实现腕关节的外翻/内收和桡屈/尺屈两个自由度运动，包括腕关节外翻/内收机构和腕关节桡屈/尺屈机构。

具体说，所述肩关节前伸/后屈机构包括C型直齿轮、小直齿轮、电机、联轴器和圆弧导轨，C型直齿轮和圆弧导轨连接，C型直齿轮两边的内侧面开弧形槽，用于放置一组圆弧导轨，圆弧导轨提供支撑和供C型直齿轮转动的作用。小直齿轮与C型直齿轮相连，小直齿轮通过联轴器与电机相连。电机转动小直齿轮，小直齿轮带动C型直齿轮转动，从而实现肩关节前伸/后屈的运动。

采用C型齿轮的设计，主要为了大臂杆可从C型齿轮的缺口处进行内外的展收运动，紧凑结构的同时又扩大了运动范围；弧形槽口的设计，用于放置圆弧导轨，C型齿轮转动时会受到弧形槽口极限位置的限制，从而起到机械保护的作用。

具体说，所述肩关节外展/内收机构包括行星轮系的内齿圈、行星轮、太阳轮、行星轮架、电机、电机支架、轴承。行星轮系的内齿圈与C型直齿轮的内圈固定连接，电机支架一端带轴与轴承相连，轴承放置于C型直齿轮内圈的轴承座内，电机与电机支架固定连接，行星轮架与电机支架上端固定连接。电机轴与太阳轮进行轴毂连接，太阳轮轴与轴承相连放置于相应C型直齿轮内圈的轴承座内。电机带动太阳轮转，太阳轮转动与之啮合的行星轮，行星轮在内齿圈内转动，带动与行星轮架固定连接的电机支架转动，从而实现肩关节的外展/内收运动。

行星轮系的设计，一方面本身具有减速的作用，另一方面选择合适的齿数模数，可替代与电机相配的减速器或者选用规格较小的减速器型号，使得在有限的空间内可根据需要，选择驱动更大的电机，带动更大的负载。

所述肩关节自旋机构包括自旋支架、齿轮轴、电机、电机座、直齿轮、轴承、联轴器、大臂杆、C型环。自旋支架和肩关节外展/内收机构的电机支架连接，齿轮轴的一端连接轴承放置于电机支架下端的轴承座内，另一端连接轴承放置于自旋支架的轴承座内，齿轮轴一端伸出自旋支架，通过联轴器与大臂杆相连，C型环固定在大臂杆上，电机固定于电机座，电机座和电机支架固定连接，电机输出轴和直齿轮轴毂连接，直齿轮和齿轮轴啮合传动，带动与齿轮轴相连的整个大臂杆的转动，从而实现大臂杆的自旋。

所述肘关节组件包括肘关节屈伸机构和肘关节自旋机构，所述肘关节屈伸机构包括电机、电机连接板、联轴器、蜗杆、蜗轮、屈伸支架、连接轴。电机通过电机连接板固连与大臂杆上，蜗杆通过联轴器与电机输出轴相连，蜗轮与连接轴轴毂连接，连接轴穿过大臂杆下端的轴孔，两端连接屈伸支架的轴孔，使其固定。蜗杆转动蜗轮，从而带动屈伸支架转动，实现肘关节的屈伸。

所述肘关节自旋机构包括自旋支架、直齿轮、齿轮轴、小臂杆、电机、电机支架、C型环。自旋支架与屈伸支架固定连接，齿轮轴与轴承连接置于自旋支架内，齿轮轴通过联轴器与小臂杆相连，C型环固定于小臂杆上，电机通过电机支架连接于屈伸支架上，电机输出轴与直齿轮轴毂连接，直齿轮啮合齿轮轴转动，带动整个小臂杆转动，从而实现肘关节的自旋。

所述腕关节组件包括腕关节外翻/内收机构和腕关节桡屈/尺屈机构；所述腕关节桡屈/尺屈机构包括电机、电机支架、蜗杆、蜗轮、连接轴。电机通过电机支架与小臂杆固定连接，蜗杆与电机输出轴轴毂连接，连接轴与蜗轮轴毂连接放置于小臂杆下端轴孔内。蜗杆与蜗轮啮合转动，从而带动连接轴实现腕关节的桡屈/尺屈。

所述腕关节外翻/内收机构包括电机、大直齿轮、小直齿轮、连接杆、手柄、手柄连接板、连接轴。连接杆与大直齿轮固连，穿过腕关节桡屈/尺屈机构的连接轴轴孔与之固连，连接轴内置于连接杆的轴孔内，连接轴与手柄连接板固定连接，电机固定于手柄连接板上端，电机输出轴与小直齿轮轴毂连接，手柄连接板下端与手柄固定连接。电机带动小直齿轮转，大直齿轮因与连接杆固定连接，因而形成小直齿轮带动手柄连接板一起绕大直齿轮转动，实现腕关节的外翻/内收。

所述机架组件包括底座、大支撑杆、小支撑杆、U型杆、电机支撑板、上连接板、下连接板。底座与大支撑杆固定连接，大支撑杆与小支撑杆固定连接，U型杆与小支撑杆固定连接，电机支撑板与U型杆连接，U型杆上端固连上连接板，使其与圆弧导轨上端连接，圆弧导轨下端与下连接板连接，固连于U型杆上。整个机架组件主要起支撑和固定的作用。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明可以实现肩关节的前伸/后屈、外展/内收以及自旋，肘关节的屈伸和自旋，腕关节的外翻/内收和桡屈/尺屈，共七个自由度运动，每个自由度可以单独进行运动，也可以进行自由度的组合实现各个关节间的复合运动，七个自由度的灵活设计可以满足大多数患者的康复要求，适用范围广。

(2)、本发明采用C型齿轮设计，使得整个大臂杆可以从C型齿轮的缺口处进行内外的展收运动，在扩大运动范围的同时使肩关节组件在空间布局上更加合理紧凑。

(3)、本发明的肩关节处行星轮系的设计，不仅能实现肩关节外展/内收的的运动要求，而且行星轮系本身具有减速的作用，选择合适的齿数模数，可替代与电机相配的减速器或者选用规格较小的减速器型号，使得在有限的空间内可根据需要选择驱动更大的电机，带动更大的负载。

(4)、本发明的圆弧导轨在提供支撑与固定的同时，相比普通导轨扩大了C型齿轮在周向上的运动范围，C型齿轮侧面C型槽口的设计，使得C型齿轮在圆弧导轨上运动时会受到极限位置的限制，从而起到机械保护的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明所述肩关节前伸/后屈机构的结构示意图；

图3是本发明所述肩关节外展/内收机构的结构示意图；

图4是本发明所述肩关节自旋机构的结构示意图；

图5是本发明所述肘关节屈伸机构的结构示意图；

图6是本发明所述肘关节自旋机构的结构示意图；

图7是本发明所述腕关节外翻/内收机构的结构示意图；

图8是本发明所述腕关节桡屈/尺屈机构的结构示意图；

图9是本发明所述机架组件的结构示意图。

图中：1-肩关节前伸/后屈机构，2-肩关节外展/内收机构，3-肩关节自旋机构，4-肘关节屈伸机构，5-肘关节自旋机构，6-腕关节外翻/内收机构，7-腕关节桡屈/尺屈机构，8-机架组件，9-C型直齿轮，10-小直齿轮，11-电机，12-联轴器，13-圆弧导轨，14-弧形槽，15-内齿圈，16-太阳轮，17-行星轮，18-行星轮架，19-电机，20-电机支架，21-轴承，22-轴承座，23-自旋支架，24-直齿轮，25-齿轮轴，26-电机座，27-电机，28-轴承，29-联轴器，30-大臂杆，31-C型环，32-电机，33-电机连接板，34-联轴器，35-蜗杆，36-轴孔，37-蜗轮，38-屈伸支架，39-连接轴，40-自旋支架，41-齿轮轴，42-螺钉，43-直齿轮，44-电机支架，45-电机，46-联轴器，47-小臂杆，48-C型环，49-电机，50-电机支架，51-蜗杆，52-蜗轮，53-连接轴，54-电机，55-小直齿轮，56-大直齿轮，57-手柄连接板，58-手柄，59-轴套，60-连接轴，61-底座，62-大支撑杆，63-小支撑杆，64-下连接板，65-电机支撑板，66-U型杆，67-上连接板。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种七自由度上肢康复机器人，包括肩关节组件、肘关节组件、腕关节组件和机架组件；所述肩关节组件与机架组件上端连接，肘关节组件位于肩关节组件下方与肩关节组件连接，腕关节组件位于肘关节组件下方与肘关节组件连接，机架组件置于地面上。

所述肩关节组件包括肩关节前伸/后屈机构1、肩关节外展/内收机构2以及肩关节自旋机构3；所述肘关节组件包括肘关节屈伸机构4和肘关节自旋机构5；所述腕关节组件包括腕关节外翻/内收机构6和腕关节桡屈/尺屈机构7，上述各机构和机架组件8组成上肢康复机器人整体结构。

如图2所示，所述肩关节前伸/后屈机构1包括C型直齿轮9、小直齿轮10、电机11、联轴器12和圆弧导轨13。C型直齿轮9和圆弧导轨13连接，C型直齿轮9两边的内侧面开弧形槽14，用于放置一组圆弧导轨13，圆弧导轨13双侧放置提供支撑和轴向定位C型直齿轮9的作用，C型直齿轮9可在圆弧导轨13上转动。小直齿轮10与C型直齿轮9相连，小直齿轮10通过联轴器12与电机11相连。电机11转动小直齿轮10，小直齿轮10带动C型直齿轮9转动，从而实现肩关节的前伸/后屈运动。

如图3所示，所述肩关节外展/内收机构2包括行星轮系的内齿圈15、太阳轮16、行星轮17、行星轮架18、电机19、电机支架20、轴承21。行星轮系的内齿圈15的外侧与C型直齿轮9的内侧固定连接，电机支架20一端带轴与轴承21相连，轴承21成对使用，放置于C型直齿轮9内侧的对应轴承座22内，电机19与电机支架20固定连接，行星轮架18与电机支架20上端固定连接。电机19的电机轴与太阳轮16进行轴毂连接，太阳轮的另一端轴与对应的轴承21相连放置于相应C型直齿轮内圈的轴承座22内。电机19带动太阳轮16转，太阳轮16转动与之啮合的行星轮17，行星轮17在内齿圈15内转动，带动与行星轮架18固定连接的电机支架20转动，从而实现肩关节的外展/内收运动。

如图4所示，所述肩关节自旋机构3包括自旋支架23、直齿轮24、齿轮轴25、电机座26、电机27、轴承28、联轴器29、大臂杆30、C型环31。自旋支架23和肩关节外展/内收机构2的电机支架20连接，轴承28成对使用，齿轮轴25的一端连接轴承28放置于电机支架20下端的轴承座内，另一端连接轴承28对应放置于自旋支架23的轴承座内，齿轮轴25一端伸出自旋支架23下端的轴孔，通过联轴器29与大臂杆30相连，自旋支架23可通过螺钉与电机支架20连接以便拆装，C型环31固定在大臂杆30上，C型环上配有环扣，用于连接粘扣带以便固定大臂杆30，电机27固定于电机座26上，电机座26和电机支架20固定连接，电机27输出轴和直齿轮24轴毂连接，直齿轮24和齿轮轴25啮合传动，带动与齿轮轴25相连的整个大臂杆30的转动，从而实现肩关节的自旋。

如图5所示，所述肘关节屈伸机构4包括电机32、电机连接板33、联轴器34、蜗杆35、蜗轮37、屈伸支架38、连接轴39。电机32通过电机连接板33与大臂杆30固定连接，蜗杆35通过联轴器34与电机32输出轴相连，蜗轮37与连接轴39轴毂连接，连接轴39穿过大臂杆30下端的轴孔，连接轴39的一端铣小端面与屈伸支架38的轴孔36过盈配合，小端面的作用主要是使连接轴39与屈伸支架38固定，使得蜗杆35转动蜗轮37，从而带动与连接轴39固连的屈伸支架38转动，实现肘关节的屈伸运动。

如图6所示，所述肘关节自旋机构5包括自旋支架40、齿轮轴41、螺钉42、直齿轮43、电机支架44、电机45、联轴器46、小臂杆47、C型环48。所述自旋支架40与屈伸支架38通过螺钉42固定连接，齿轮轴41两端与轴承连接置于自旋支架40内，齿轮轴41下端伸出自旋支架40的轴孔，通过联轴器46与小臂杆47相连，C型环48固定于小臂杆47上，C型环上配有环扣，用于连接粘扣带以便固定小臂杆47，电机45通过电机支架44连接于屈伸支架38上，电机45输出轴与直齿轮43轴毂连接，直齿轮43啮合齿轮轴41转动，带动整个小臂杆47转动，从而实现肘关节的自旋运动。

如图7所示，所述腕关节桡屈/尺屈机构6包括电机49、电机支架50、蜗杆51、蜗轮52、连接轴53。电机49通过电机支架50与小臂杆47固定连接，蜗杆51与电机49输出轴轴毂连接，连接轴53与蜗轮52轴毂连接放置于小臂杆47下端轴孔内，蜗杆51与蜗轮52啮合转动，从而带动连接轴53实现腕关节的桡屈/尺屈。

如图8所示，所述腕关节外翻/内收机构7包括电机54、小直齿轮55、大直齿轮56、手柄连接板57、手柄58、轴套59、连接轴60。轴套59与大直齿轮56固连，轴套59穿过连接轴53的轴孔与之固连，连接方式可采用对连接轴53的轴孔攻丝，轴套59外表面相应位置车螺纹的方式实现装配固定，亦可在轴套59一侧车轴肩，另一侧车螺纹，形成小端面配合螺母固定，连接轴60穿于轴套59的轴孔内，连接轴60与手柄连接板57固定连接，电机54固定于手柄连接板57上端，电机54输出轴与小直齿轮55轴毂连接，手柄连接板57下端与手柄58固定连接。大直齿轮56固定不动，小直齿轮55绕大直齿轮56转，带动与电机54固连的手柄连接板57一起绕大直齿轮56转动，从而实现腕关节的外翻/内收。

如图9所示，所述机架组件8包括底座61、大支撑杆62、小支撑杆63、下连接板64、电机支撑板65、U型杆66、上连接板67。底座61与大支撑杆62固定连接，大支撑杆62与小支撑杆63固定连接，U型杆66与小支撑杆63固定连接，电机支撑板65与U型杆66连接，U型杆66上端固连上连接板67，使其与圆弧导轨13上端连接，圆弧导轨13下端与下连接板64连接，固连于U型杆66上，下连接板64和上连接板67上都有对应的通孔，用螺栓与圆弧导轨13固定，整个机架组件8主要起支撑和固定的作用。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种七自由度上肢康复机器人，包括肩关节组件、肘关节组件、腕关节组件和机架组件，其特征是：所述的肩关节组件安装于机架组件上，肘关节组件连接于肩关节组件下部，腕关节组件与肘关节组件下部连接；

所述肩关节组件：实现肩关节的前伸/后屈、外展/内收以及自旋三个自由度运动，包括肩关节前伸/后屈机构、肩关节外展/内收机构及肩关节自旋机构；

所述的肩关节前伸/后屈机构包括C型直齿轮、小直齿轮、电机、联轴器和圆弧导轨，C型直齿轮和圆弧导轨连接，C型直齿轮两边的内侧面开设有用于放置一组圆弧导轨的弧形槽，C型直齿轮可在圆弧导轨上转动，所述的弧形槽控制C型直齿轮在圆弧导轨上运动的极限位置，小直齿轮与C型直齿轮相连，小直齿轮通过联轴器与电机相连，电机驱动小直齿轮转动而带动C型直齿轮转动，实现肩关节前伸/后屈的运动；

所述的肩关节外展/内收机构包括行星轮系的内齿圈、行星轮、太阳轮、行星轮架、电机、电机支架及轴承，行星轮系的内齿圈与C型直齿轮的内圈固定连接，电机支架一端带轴与轴承相连，轴承放置于C型直齿轮内圈的轴承座内，电机与电机支架固定连接，行星轮架与电机支架上端固定连接，电机轴与太阳轮轴毂连接，太阳轮轴与轴承相连放置于相应C型直齿轮内圈的轴承座内，电机带动太阳轮转，太阳轮与行星轮啮合传动，行星轮沿内齿圈转动带动与行星轮架固定连接的电机支架转动，实现肩关节的外展/内收运动；

所述的肩关节自旋机构包括自旋支架、齿轮轴、电机、电机座、直齿轮、轴承、联轴器、大臂杆及C型环，自旋支架和肩关节外展/内收机构的电机支架连接，齿轮轴的一端连接轴承放置于电机支架下端的轴承座内、另一端连接轴承放置于自旋支架的轴承座内，齿轮轴一端伸出自旋支架并通过联轴器与大臂杆相连，所述的大臂杆从C型直齿轮的缺口处向下伸出而进行内外的展收运动，C型环固定在大臂杆上，C型环上配有用于连接粘扣带以便固定大臂杆的环扣，电机固定于电机座，电机座和电机支架固定连接，电机输出轴和直齿轮轴毂连接，直齿轮和齿轮轴啮合传动，带动与齿轮轴相连的整个大臂杆的转动而实现大臂杆的自旋；

所述肘关节组件：实现肘关节的的屈伸和自旋两个自由度运动，包括肘关节屈伸机构和肘关节自旋机构；

所述腕关节组件：实现腕关节的外翻/内收和桡屈/尺屈两个自由度运动，包括腕关节外翻/内收机构和腕关节桡屈/尺屈机构。

2.如权利要求1所述的七自由度上肢康复机器人，其特征是：所述的所述肘关节屈伸机构包括电机、电机连接板、联轴器、蜗杆、蜗轮、屈伸支架、连接轴；电机通过电机连接板固连于大臂杆上，蜗杆通过联轴器与电机输出轴相连，蜗轮与连接轴轴毂连接，连接轴穿过大臂杆下端的轴孔与屈伸支架过盈配合固定，蜗杆与蜗轮啮合传动带动屈伸支架转动而实现肘关节的屈伸。

3.如权利要求2所述的七自由度上肢康复机器人，其特征是：所述肘关节自旋机构包括自旋支架、直齿轮、齿轮轴、小臂杆、电机、电机支架、C型环，自旋支架与屈伸支架固定连接，齿轮轴与轴承连接置于自旋支架内，齿轮轴通过联轴器与小臂杆相连，C型环固定于小臂杆上，电机通过电机支架连接于屈伸支架上，电机输出轴与直齿轮轴毂连接，直齿轮啮合齿轮轴转动，带动小臂杆转动而实现肘关节的自旋。

4.如权利要求3所述的七自由度上肢康复机器人，其特征是：所述的所述腕关节桡屈/尺屈机构包括电机、电机支架、蜗杆、蜗轮、连接轴，电机通过电机支架与小臂杆固定连接，蜗杆与电机输出轴轴毂连接，连接轴与蜗轮轴毂连接放置于小臂杆下端轴孔内，蜗杆与蜗轮啮合转动，从而带动连接轴实现腕关节的桡屈/尺屈。

5.如权利要求4所述的七自由度上肢康复机器人，其特征是：所述的所述腕关节外翻/内收机构包括电机、大直齿轮、小直齿轮、轴套、手柄、手柄连接板、连接轴，轴套与大直齿轮固连并穿过腕关节桡屈/尺屈机构的连接轴轴孔与之固连，连接轴内置于轴套的轴孔内，连接轴与手柄连接板固定连接，电机固定于手柄连接板上端，电机输出轴与小直齿轮轴毂连接，手柄连接板下端与手柄固定连接，电机驱动小直齿轮转动带动手柄连接板一起绕大直齿轮转动，实现腕关节的外翻/内收。

6.如权利要求5所述的七自由度上肢康复机器人，其特征是：所述的所述机架组件包括底座、大支撑杆、小支撑杆、U型杆、电机支撑板、上连接板、下连接板，底座与大支撑杆固定连接，大支撑杆与小支撑杆固定连接，U型杆与小支撑杆固定连接，电机支撑板与U型杆连接，U型杆上端固连上连接板使上连接板与圆弧导轨上端连接，圆弧导轨下端与下连接板连接，固连于U型杆上。

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