CN113633516B - 一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，包括左上肢康复组件及右上肢康复组件，所述的左上肢康复组件及右上肢康复组件均分别包括手部机构、前臂机构、肘关节、上臂机构、肩关节、肩部机构，所述的肘关节与前臂动力传动机构相连以驱动前臂机构动作，所述的肩关节与上臂动力传动机构相连以驱动上臂机构动作，所述的前臂机构与上臂机构之间设有第一限位机构，所述的上臂机构与肩部机构之间设有第二限位机构。由上述技术方案可知，本发明前臂机构和上臂机构分别通过鲍登线与前臂动力传动机构和上臂动力传动机构相连，并通过肘关节的串联弹性驱动器实现肘关节的屈曲和伸展，通过肩关节的串联弹性驱动器实现肩关节的前屈和后伸。

Description

一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，具体涉及一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人。

背景技术

康复机器人的研究最早起始于20世纪60年代，经过几十年的发展，康复机器人已经取得了一些有价值的研究成果，而且有一些康复机器人也已投入到市场上进行售卖。

目前现存的上肢康复机器人多为串联式，串联式上肢康复机器人的设计理论和控制系统相对成熟，但是具有结构尺寸大、误差累积大等缺点。同时多数的上肢康复机器人只能对单上肢进行康复训练，需要两台设备才能实现对双上肢的康复训练，而且两台设备相互独立，不能相互进行通信。为了保护人体安全，每次只能使用一台设备单独对一个上肢进行康复训练，大大降低了康复训练的效率。如：公开号为CN109568082B的专利公布了一种上肢康复机器人及上肢康复训练方法，该发明专利虽然可以实现上肢的主被动康复训练，但是不能实现双上肢协同运动康复训练。公开号为CN111588590A的专利公布了一种六自由度上肢康复训练臂及机器人，该发明专利虽然各部零件不干涉、不接触，增强患者训练的舒适性，但是结构复杂，柔性较差。

所以，进一步研究双上肢的协同康复问题非常具有研究前景。如何为患者提供协同运动康复训练以增加患者双上肢的协调运动能力，如何加快患者上肢的康复速度成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，该康复机器人通过电机驱动左右手的肩关节和肘关节转动，从而实现双上肢针对同一个康复对象的协同康复训练，且具有两个自由度，是一种结构简单、协作效果良好的康复机器人。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括机架，所述的机架上设有结构相同且对称布置的左上肢康复组件及右上肢康复组件，所述的左上肢康复组件及右上肢康复组件均分别包括手部机构、与手部机构相连的前臂机构、通过肘关节与前臂机构相连的上臂机构、通过肩关节与上臂机构相连的肩部机构，所述的肘关节与前臂动力传动机构相连以驱动前臂机构动作，所述的肩关节与上臂动力传动机构相连以驱动上臂机构动作，所述的前臂机构与上臂机构之间设有限制肘关节转动角度的第一限位机构，所述的上臂机构与肩部机构之间设有限制肩关节转动角度的第二限位机构；

所述的肘关节包括肘关节转动支撑轴，所述的肘关节转动支撑轴上依次设有肘关节绕线轮、肘关节串联弹性驱动器及第一调节板，所述的前臂动力传动机构包括肘关节传动轴、驱动肘关节传动轴转动的肘关节电机、固定在肘关节传动轴上的第一绕线轮及第二绕线轮、与第一绕线轮相配合的第一滑轮组、与第二绕线轮相配合的第二滑轮组、依次连接第一绕线轮、第一滑轮组与肘关节绕线轮的第一鲍登线、依次连接第二绕线轮、第二滑轮组与肘关节绕线轮的第二鲍登线，所述的第一鲍登线及第二鲍登线分别驱动肘关节绕线轮正转或反转以带动肘关节串联弹性驱动器实现肘关节的屈曲和伸展，所述的肘关节上设有肘关节传感器；

所述的肩关节包括肩关节转动支撑轴，所述的肩关节转动支撑轴上依次设有肩关节绕线轮、肩关节串联弹性驱动器及第三调节板，所述的上臂动力传动机构包括肩关节传动轴、驱动肩关节传动轴转动的肩关节电机、固定在肩关节传动轴上的第三绕线轮及第四绕线轮、与第三绕线轮相配合的第三滑轮组、与第四绕线轮相配合的第四滑轮组、依次连接第三绕线轮、第三滑轮组与肩关节绕线轮的第三鲍登线、依次连接第四绕线轮、第四滑轮组与肩关节绕线轮的第四鲍登线，所述的第三鲍登线及第四鲍登线分别驱动肩关节绕线轮正转或反转以带动肩关节串联弹性驱动器实现肩关节的前屈和后伸，所述的肩关节上设有肩关节传感器。

所述的前臂机构包括相贴合且形成滑动配合的第一调节板与第二调节板，所述第一调节板的一端与肘关节相连，第一调节板的另一端设有与人体前臂相配合的第一C型卡扣，所述第二调节板的一端与第一调节板通过第一螺栓固定，第二调节板的另一端与手部机构相连；

所述的上臂机构包括相贴合且形成滑动配合的第三调节板与第四调节板，所述第三调节板的一端与肩关节相连，第三调节板的另一端设有与人体上臂相配合的第二C型卡扣，所述第四调节板的一端与第三调节板通过第二螺栓固定，第四调节板的另一端与肘关节相连，且该端固定有肘关节转动支撑盖板，所述的第四调节板与肘关节转动支撑盖板之间形成用于安装肘关节的倒U型结构。

所述的第一调节板与肘关节相连的端部整体呈圆盘状且该圆盘面上设有第一限位块，所述的第四调节板与肘关节相连的端部设有与第一限位块相配合的第二限位块，所述的第一限位块设置一个，所述的第二限位块对称设置两个，所述的第一限位块与第二限位块形成限制肘关节转动角度的第一限位机构；

所述的第三调节板与肩关节相连的端部整体呈圆盘状且该圆盘面上设有第三限位块，所述的肩部机构与肩关节相连的端部设有与第三限位块相配合的第四限位块，所述的第三限位块设置一个，所述的第四限位块设置二个，所述的第三限位块与第四限位块形成限制肩关节转动角度的第二限位机构。

所述前臂机构的长度可调，所述的第一调节板与第二调节板相贴合的板面固定有第一滑轨，所述的第二调节板上固定有与第一滑轨相配合的第一滑块，所述的第一滑块固定在第二调节板上开设的第一凹槽内，所述的第一调节板上沿第一滑轨设置的方向开设有第一腰形槽；

所述上臂机构的长度可调，所述的第三调节板与第四调节板相贴合的板面固定有第二滑轨，所述的第四调节板上固定有与第二滑轨相配合的第二滑块，所述的第二滑块固定在第四调节板上开设的第二凹槽内，所述的第三调节板上沿第二滑轨设置的方向开设有第二腰形槽，所述的第三调节板在远离第二滑轨的板面上还设有凸起的矩形加强块。

所述的肘关节电机通过第一连接套与肘关节减速器相连，所述的肘关节减速器通过第一联轴器与肘关节传动轴相连；所述的第一滑轮组包括依次布置的第一滑轮、第二滑轮及第三滑轮，所述的第二滑轮组包括依次布置的第四滑轮、第五滑轮及第六滑轮，上述各滑轮分别通过滑轮座与固定在机架顶部的承重板上的第一传动支架相连，且第二滑轮的滑轮座上设有第一传感器，第五滑轮的滑轮座上设有第二传感器；所述第一鲍登线的一端与第一绕线轮固定，第一鲍登线的另一端依次绕经第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮后沿顺时针方向与肘关节绕线轮的第一轮槽相固定，所述第二鲍登线的一端与第二绕线轮固定，第二鲍登线的另一端依次绕经第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮后沿逆时针方向与肘关节绕线轮的第二轮槽相固定。

所述的肩关节电机通过第二连接套与肩关节减速器相连，所述的肩关节减速器通过第二联轴器与肩关节传动轴相连；所述的第三滑轮组包括依次布置的第七滑轮、第八滑轮及第九滑轮，所述的第四滑轮组包括依次布置的第十滑轮、第十一滑轮及第十二滑轮，上述各滑轮分别通过滑轮座与固定在机架顶部的承重板上的第二传动支架相连，且第八滑轮的滑轮座上设有第三传感器，第十一滑轮的滑轮座上设有第四传感器；所述第三鲍登线的一端与第三绕线轮固定，第三鲍登线的另一端依次绕经第七滑轮、第八滑轮、第九滑轮后沿顺时针方向与肩关节绕线轮的第一轮槽相固定，所述第四鲍登线的一端与第四绕线轮固定，第四鲍登线的另一端依次绕经第十滑轮、第十一滑轮、第十二滑轮后沿逆时针方向与肩关节绕线轮的第二轮槽相固定。

所述的肩部机构包括上肢支撑基座，所述上肢支撑基座的一端通过第三螺栓与机架顶部的承重板相固定，所述上肢支撑基座的另一端悬伸在机架外侧且该端固定有肩关节转动支撑基座，所述的肩关节转动支撑基座上固定有肩关节转动支撑盖板，所述的肩关节转动支撑基座上设有第四限位块，所述的肩关节转动支撑基座与肩关节转动支撑盖板之间形成用于安装肩关节的倒U型结构；

所述左上肢康复组件的肩部机构与右上肢康复组件的肩部机构之间的距离可调，所述机架顶部的承重板上设有肩部宽度调节滑轨，所述的上肢支撑基座上设有与肩部宽度调节滑轨相配合的肩部宽度调节滑块，所述的肩部宽度调节滑块固定在上肢支撑基座上开设的第三凹槽内，所述机架顶部的承重板上沿肩部宽度调节滑轨设置的方向开设有第三腰形槽。

所述肘关节转动支撑轴的一端通过轴承与肘关节转动支撑盖板相连，所述肘关节转动支撑轴的另一端通过轴承与第四调节板相连，所述的肘关节绕线轮与肘关节转动支撑轴相固定且同步转动，所述的肘关节转动支撑轴与肘关节转动支撑盖板相连的端部设有肘关节传感器；

所述的肘关节串联弹性驱动器包括与肘关节绕线轮固连的第一输入内壳以及与第一调节板固连的第一输出外壳，所述的第一输出外壳通过轴承与肘关节转动支撑轴相连；所述的第一输入内壳与第一输出外壳相贴合的端面上对称设有第一卡块及第二卡块，所述的第一卡块与第二卡块均为90°的扇形卡块，所述的第一输出外壳上对称设有第一卡槽与第二卡槽，所述的第一卡槽与第二卡槽整体呈弧状，所述的第一卡槽内设有第一弹簧与第二弹簧，所述的第一弹簧与第二弹簧设置的方向相垂直，所述的第二卡槽内设有第三弹簧与第四弹簧，所述的第三弹簧与第四弹簧设置的方向相垂直，且第一弹簧与第三弹簧相平行，第二弹簧与第四弹簧相平行，所述的第一卡块插入第一弹簧与第二弹簧之间的第一卡槽内，且使第一弹簧与第二弹簧处于压缩状态，所述的第二卡块插入第三弹簧与第四弹簧之间的第二卡槽内，且使第三弹簧与第四弹簧处于压缩状态。

所述肩关节转动支撑轴的一端通过轴承与肩关节转动支撑盖板相连，所述肩关节转动支撑轴的另一端通过轴承与肩关节转动支撑基座相连，所述的肩关节绕线轮与肩关节转动支撑轴相固定且同步转动，所述的肩关节转动支撑轴与肩关节转动支撑盖板相连的端部设有肩关节传感器；

所述的肩关节串联弹性驱动器包括与肩关节绕线轮固连的第二输入内壳以及与第三调节板固连的第二输出外壳，所述的第二输出外壳通过轴承与肩关节转动支撑轴相连；所述的第二输入内壳与第二输出外壳相贴合的端面上对称设有第三卡块及第四卡块，所述的第三卡块与第四卡块均为90°的扇形卡块，所述的第二输出外壳上对称设有第三卡槽与第四卡槽，所述的第三卡槽与第四卡槽整体呈弧状，所述的第三卡槽内设有第五弹簧与第六弹簧，所述的第五弹簧与第六弹簧设置的方向相垂直，所述的第四卡槽内设有第七弹簧与第八弹簧，所述的第七弹簧与第八弹簧设置的方向相垂直，且第五弹簧与第七弹簧相平行，第六弹簧与第八弹簧相平行，所述的第三卡块插入第五弹簧与第六弹簧之间的第三卡槽内，且使第五弹簧与第六弹簧处于压缩状态，所述的第四卡块插入第七弹簧与第八弹簧之间的第四卡槽内，且使第七弹簧与第八弹簧处于压缩状态。

所述的手部机构包括贯穿第二调节板设置的手部固定轴，所述手部固定轴的一端连接有固定握手，所述固定轴的另一端与承重块相连，所述承重块的底部与杠铃连接。

由上述技术方案可知，本发明前臂机构和上臂机构分别通过鲍登线与前臂动力传动机构和上臂动力传动机构相连，并通过肘关节的串联弹性驱动器实现肘关节的屈曲和伸展，通过肩关节的串联弹性驱动器实现肩关节的前屈和后伸。本发明在使用过程中具有协同性好、柔性好、康复效率高、可调节和轻量化等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明前臂动力传动机构、上臂动力传动机构的俯视图。

图3是本发明手部机构的结构示意图。

图4是本发明右上肢康复组件的结构示意图一。

图5是本发明右上肢康复组件的结构示意图二。

图6是本发明上臂机构与肩关节的结构爆炸图。

图7是本发明肩关节的结构爆炸图。

图8是本发明第四调节板的结构示意图。

图9是本发明第一调节板的结构示意图。

图10是本发明第二调节板的结构示意图。

图11是本发明前臂机构与肘关节的结构爆炸图。

图12是本发明肘关节的结构爆炸图。

图13是本发明肩部机构的结构爆炸图。

图14是本发明前臂动力传动机构的分解结构示意图。

图15是本发明第一鲍登线、第二鲍登线的缠绕示意图。

图16是本发明上臂动力传动机构的分解结构示意图。

图17是本发明第三鲍登线、第四鲍登线的缠绕示意图。

上述附图中的标记为：机架1、承重板11、第一传动支架12、第二传动支架13、方型框架体14、升降座椅15、手部机构2、手部固定轴21、固定握手22、承重块23、杠铃24、前臂机构3、第一调节板31、第一限位块311、第二调节板32、第一凹槽321、第一C型卡扣33、第一滑轨34、第一滑块35、第一腰形槽36、肘关节4、肘关节转动支撑轴41、肘关节绕线轮42、肘关节串联弹性驱动器43、第一输入内壳431、第一卡块4311、第二卡块4312、第一输出外壳432、第一卡槽4321、第二卡槽4322、第一弹簧4323、第二弹簧4324、第三弹簧4325、第四弹簧4326、肘关节传感器44、上臂机构5、第三调节板51、第三限位块511、第四调节板52、第二限位块521、第二凹槽522、第二C型卡扣53、肘关节转动支撑盖板54、第二滑轨55、第二滑块56、第二腰形槽57、矩形加强块58、肩关节6、肩关节转动支撑轴61、肩关节绕线轮62、肩关节串联弹性驱动器63、第二输入内壳631、第三卡块6311、第四卡块6312、第二输出外壳632、第三卡槽6321、第四卡槽6322、第五弹簧6323、第六弹簧6324、第七弹簧6325、第八弹簧6326、肩关节传感器64、肩部机构7、上肢支撑基座71、第三凹槽711、肩关节转动支撑基座72、第四限位块721、肩关节转动支撑盖板73、肩部宽度调节滑轨74、肩部宽度调节滑块75、第三腰形槽76、前臂动力传动机构8、肘关节电机81、第一连接套82、肘关节减速器83、第一减速器支撑架831、第一联轴器84、肘关节传动轴85、第一绕线轮851、第二绕线轮852、第一鲍登线86、第二鲍登线87、第一滑轮组88、第一滑轮881、第二滑轮882、第一传感器8821、第三滑轮883、第二滑轮组89、第四滑轮891、第五滑轮892、第二传感器8921、第六滑轮893、上臂动力传动机构9、肩关节电机91、第二连接套92、肩关节减速器93、第二减速器支撑架931、第二联轴器94、肩关节传动轴95、第三绕线轮951、第四绕线轮952、第三鲍登线96、第四鲍登线97、第三滑轮组98、第七滑轮981、第八滑轮982、第三传感器9821、第九滑轮983、第四滑轮组99、第十滑轮991、第十一滑轮992、第四传感器9921、第十二滑轮993。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2所示的一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，包括机架1，机架1上设有结构相同且对称布置的左上肢康复组件及右上肢康复组件，左上肢康复组件及右上肢康复组件均分别包括手部机构2、与手部机构2相连的前臂机构3、通过肘关节4与前臂机构3相连的上臂机构5、通过肩关节6与上臂机构5相连的肩部机构7，肘关节4与前臂动力传动机构8相连以驱动前臂机构3动作，肩关节6与上臂动力传动机构9相连以驱动上臂机构5动作，前臂机构3与上臂机构5之间设有限制肘关节4转动角度的第一限位机构，上臂机构5与肩部机构7之间设有限制肩关节6转动角度的第二限位机构。

进一步的，机架1包括铝合金型材制成的方型框架体14，方型框架体的顶端设有承重板11，机架1的前端还设有升降座椅15。前臂动力传动机构8和上臂动力传动机构9固定在承重板11上，上臂机构5通过肩部机构7与承重板11固定。

进一步的，如图3所示，手部机构2包括贯穿第二调节板32设置的手部固定轴21，手部固定轴21的一端连接有固定握手22，固定轴21的另一端与承重块23相连，承重块23的底部与杠铃24连接。

进一步的，如图4、图5、图9、图10、图11所示，前臂机构3包括相贴合且形成滑动配合的第一调节板31与第二调节板32，第一调节板31的一端与肘关节4相连，第一调节板31的另一端设有与人体前臂相配合的第一C型卡扣33，第二调节板32的一端与第一调节板31通过第一螺栓固定，第二调节板32的另一端与手部机构2相连。

更进一步的，前臂机构3的长度可调，第一调节板31与第二调节板32相贴合的板面固定有第一滑轨34，第二调节板32上固定有与第一滑轨34相配合的第一滑块35，第一滑块35固定在第二调节板32上开设的第一凹槽321内，第一调节板31上沿第一滑轨34设置的方向开设有第一腰形槽36。

进一步的，如图4、图5、图6、图7、图8、图12所示，上臂机构5包括相贴合且形成滑动配合的第三调节板51与第四调节板52，第三调节板51的一端与肩关节6相连，第三调节板51的另一端设有与人体上臂相配合的第二C型卡扣53，第四调节板52的一端与第三调节板51通过第二螺栓固定，第四调节板52的另一端与肘关节4相连，且该端固定有肘关节转动支撑盖板54，第四调节板52与肘关节转动支撑盖板54之间形成用于安装肘关节4的倒U型结构。

更进一步的，上臂机构5的长度可调，第三调节板51与第四调节板52相贴合的板面固定有第二滑轨55，第四调节板52上固定有与第二滑轨55相配合的第二滑块56，第二滑块56固定在第四调节板52上开设的第二凹槽522内，第三调节板51上沿第二滑轨55设置的方向开设有第二腰形槽57，第三调节板51在远离第二滑轨55的板面上还设有凸起的矩形加强块58，矩形加强块58可以减小变形，保证刚度。

进一步的，如图13所示，肩部机构7包括上肢支撑基座71，上肢支撑基座71的一端通过第三螺栓与机架1顶部的承重板11相固定，上肢支撑基座71的另一端悬伸在机架1外侧且该端固定有肩关节转动支撑基座72，肩关节转动支撑基座72上固定有肩关节转动支撑盖板73，肩关节转动支撑基座72上设有第四限位块721，肩关节转动支撑基座72与肩关节转动支撑盖板73之间形成用于安装肩关节6的倒U型结构。

左上肢康复组件的肩部机构与右上肢康复组件的肩部机构之间的距离可调，机架1顶部的承重板11上设有肩部宽度调节滑轨74，上肢支撑基座71上设有与肩部宽度调节滑轨74相配合的肩部宽度调节滑块75，肩部宽度调节滑块75固定在上肢支撑基座71上开设的第三凹槽711内，机架1顶部的承重板11上沿肩部宽度调节滑轨74设置的方向开设有第三腰形槽76。

第二调节板32沿第一滑轨34滑动可调节前臂机构3的长度，第四调节板52沿第二滑轨55滑动可调节上臂机构5的长度，上肢支撑基座71沿肩部宽度调节滑轨74滑动可实现肩部宽度尺寸的调节；同时配合升降座椅15可调整患者的肩高问题。

进一步的，第一调节板31与肘关节4相连的端部整体呈圆盘状且该圆盘面上设有第一限位块311，第四调节板52与肘关节4相连的端部设有与第一限位块311相配合的第二限位块521，第一限位块311设置一个，第二限位块521对称设置两个，第一限位块311与第二限位块521形成限制肘关节4转动角度的第一限位机构。

第三调节板51与肩关节6相连的端部整体呈圆盘状且该圆盘面上设有第三限位块511，肩部机构7与肩关节6相连的端部设有与第三限位块511相配合的第四限位块721，第三限位块511设置一个，第四限位块721设置二个，第三限位块511与第四限位块721形成限制肩关节6转动角度的第二限位机构。第一限位机构及第二限位机构都为刚性限位机构。

进一步的，如图12所示，肘关节4包括肘关节转动支撑轴41，肘关节转动支撑轴41上依次设有肘关节绕线轮42、肘关节串联弹性驱动器43及第一调节板31，肘关节4上设有肘关节传感器44。

具体的，肘关节转动支撑轴41的一端通过轴承与肘关节转动支撑盖板54相连，肘关节转动支撑轴41的另一端通过轴承与第四调节板52相连，肘关节绕线轮42与肘关节转动支撑轴41相固定且同步转动，肘关节转动支撑轴41与肘关节转动支撑盖板54相连的端部设有肘关节传感器44。肘关节传感器44主要检测肘关节转动支撑轴41的角位移以及在传动过程中第一鲍登线86与第二鲍登线87的拉力，以便在系统工作时实时将第一鲍登线86与第二鲍登线87的拉力信息反馈给控制系统。

肘关节串联弹性驱动器43包括与肘关节绕线轮42固连的第一输入内壳431以及与第一调节板31固连的第一输出外壳432，第一输出外壳432通过轴承与肘关节转动支撑轴41相连；第一输入内壳431与第一输出外壳432相贴合的端面上对称设有第一卡块4311及第二卡块4312，第一卡块4311与第二卡块4312均为90°的扇形卡块，第一输出外壳432上对称设有第一卡槽4321与第二卡槽4322，第一卡槽4321与第二卡槽4322整体呈弧状，第一卡槽4321内设有第一弹簧4323与第二弹簧4324，第一弹簧4323与第二弹簧4324设置的方向相垂直，第二卡槽4322内设有第三弹簧4325与第四弹簧4326，第三弹簧4325与第四弹簧4326设置的方向相垂直，且第一弹簧4323与第三弹簧4325相平行，第二弹簧4324与第四弹簧4326相平行，第一卡块4311插入第一弹簧4323与第二弹簧4324之间的第一卡槽4321内，且使第一弹簧4323与第二弹簧4324处于压缩状态，第二卡块4312插入第三弹簧4325与第四弹簧4326之间的第二卡槽4322内，且使第三弹簧4325与第四弹簧4326处于压缩状态。

第一卡槽4321与第二卡槽4322的结构相同，下面以第一卡槽4321为例进行说明：第一卡槽4321整体为弧形槽，其外弧面为弧面，其内弧面为直角状，且直角处有倒角，第一卡块4311插入第一卡槽4321后其弧面与第一卡槽4321的外弧面相贴合，其顶点与第一卡槽4321内弧面的直角处相贴合，这样就将第一卡槽4321分隔成两个独立的空间，第一弹簧4323与第二弹簧4324分别位于这两个空间内，且都处于被压缩的状态。

进一步的，如图14、图15所示，前臂动力传动机构8包括肘关节传动轴85、驱动肘关节传动轴85转动的肘关节电机81、固定在肘关节传动轴85上的第一绕线轮851及第二绕线轮852、与第一绕线轮851相配合的第一滑轮组88、与第二绕线轮852相配合的第二滑轮组89、依次连接第一绕线轮851、第一滑轮组与肘关节绕线轮42的第一鲍登线86、依次连接第二绕线轮852、第二滑轮组与肘关节绕线轮42的第二鲍登线87，第一鲍登线86及第二鲍登线87分别驱动肘关节绕线轮42正转或反转以带动肘关节串联弹性驱动器43实现肘关节4的屈曲和伸展。

具体的，肘关节电机81通过第一连接套82与肘关节减速器83相连，肘关节减速器83通过第一联轴器84与肘关节传动轴85相连；第一滑轮组88包括依次布置的第一滑轮881、第二滑轮882及第三滑轮883，第二滑轮组89包括依次布置的第四滑轮891、第五滑轮892及第六滑轮893，上述各滑轮分别通过滑轮座与固定在机架1顶部的承重板11上的第一传动支架12相连，且第二滑轮882的滑轮座上设有第一传感器8821，第五滑轮892的滑轮座上设有第二传感器8921；第一鲍登线86的一端与第一绕线轮851固定，第一鲍登线86的另一端依次绕经第一滑轮881、第二滑轮882、第三滑轮883后沿顺时针方向与肘关节绕线轮42的第一轮槽相固定，第二鲍登线87的一端与第二绕线轮852固定，第二鲍登线87的另一端依次绕经第四滑轮891、第五滑轮892、第六滑轮893后沿逆时针方向与肘关节绕线轮42的第二轮槽相固定。

进一步的，如图7所示，肩关节6包括肩关节转动支撑轴61，肩关节转动支撑轴61上依次设有肩关节绕线轮62、肩关节串联弹性驱动器63及第三调节板51，肩关节6上设有肩关节传感器64。

具体的，肩关节转动支撑轴61的一端通过轴承与肩关节转动支撑盖板73相连，肩关节转动支撑轴61的另一端通过轴承与肩关节转动支撑基座72相连，肩关节绕线轮62与肩关节转动支撑轴61相固定且同步转动，肩关节转动支撑轴61与肩关节转动支撑盖板73相连的端部设有肩关节传感器64。肩关节传感器64主要检测肩关节转动支撑轴61的角位移以及在传动过程中第三鲍登线96与第四鲍登线97的拉力，以便在系统工作时实时将第三鲍登线96与第四鲍登线97的拉力信息反馈给控制系统。肩关节传感器64与肘关节传感器44是康复机器人实现自动控制的基础，通过传感器获取机器人的各种运动参数，从而控制机器人完成指定的动作。

肩关节串联弹性驱动器63包括与肩关节绕线轮62固连的第二输入内壳631以及与第三调节板51固连的第二输出外壳632，第二输出外壳632通过轴承与肩关节转动支撑轴61相连；第二输入内壳631与第二输出外壳632相贴合的端面上对称设有第三卡块6311及第四卡块6312，第三卡块6311与第四卡块6312均为90°的扇形卡块，第二输出外壳632上对称设有第三卡槽6321与第四卡槽6322，第三卡槽6321与第四卡槽6322整体呈弧状，第三卡槽6321内设有第五弹簧6323与第六弹簧6324，第五弹簧6323与第六弹簧6324设置的方向相垂直，第四卡槽6322内设有第七弹簧6325与第八弹簧6326，第七弹簧6325与第八弹簧6326设置的方向相垂直，且第五弹簧6323与第七弹簧6325相平行，第六弹簧6324与第八弹簧6326相平行，第三卡块6311插入第五弹簧6323与第六弹簧6324之间的第三卡槽6321内，且使第五弹簧6323与第六弹簧6324处于压缩状态，第四卡块6312插入第七弹簧6325与第八弹簧6326之间的第四卡槽6322内，且使第七弹簧6325与第八弹簧6326处于压缩状态。

进一步的，如图16、图17所示，上臂动力传动机构9包括肩关节传动轴95、驱动肩关节传动轴95转动的肩关节电机91、固定在肩关节传动轴95上的第三绕线轮951及第四绕线轮952、与第三绕线轮951相配合的第三滑轮组98、与第四绕线轮952相配合的第四滑轮组99、依次连接第三绕线轮951、第三滑轮组与肩关节绕线轮62的第三鲍登线96、依次连接第四绕线轮952、第四滑轮组与肩关节绕线轮62的第四鲍登线97，第三鲍登线96及第四鲍登线97分别驱动肩关节绕线轮62正转或反转以带动肩关节串联弹性驱动器63实现肩关节6的前屈和后伸。

具体的，肩关节电机91通过第二连接套92与肩关节减速器93相连，肩关节减速器93通过第二联轴器94与肩关节传动轴95相连；第三滑轮组98包括依次布置的第七滑轮981、第八滑轮982及第九滑轮983，第四滑轮组99包括依次布置的第十滑轮991、第十一滑轮992及第十二滑轮993，上述各滑轮分别通过滑轮座与固定在机架1顶部的承重板11上的第二传动支架13相连，且第八滑轮982的滑轮座上设有第三传感器9821，第十一滑轮992的滑轮座上设有第四传感器9921；第三鲍登线96的一端与第三绕线轮951固定，第三鲍登线96的另一端依次绕经第七滑轮981、第八滑轮982、第九滑轮983后沿顺时针方向与肩关节绕线轮62的第一轮槽相固定，第四鲍登线97的一端与第四绕线轮952固定，第四鲍登线97的另一端依次绕经第十滑轮991、第十一滑轮992、第十二滑轮993后沿逆时针方向与肩关节绕线轮62的第二轮槽相固定。

本发明的工作原理及工作过程如下：

一、肘关节4与前臂动力传动机构8的连接结构为：肘关节电机81通过第一连接连接套82与肘关节减速器83相连，肘关节减速器83通过第一减速器支撑架831固定在承重板11上，肘关节减速器83通过第一联轴器84与肘关节传动轴85相连，并带动第一绕线轮851、第二绕线轮852转动，第一鲍登线86的一端与第一绕线轮851固定，第一鲍登线86的另一端依次绕经第一滑轮881、第二滑轮882、第三滑轮883后沿顺时针方向与肘关节绕线轮42的第一轮槽相固定，第二鲍登线87的一端与第二绕线轮852固定，第二鲍登线87的另一端依次绕经第四滑轮891、第五滑轮892、第六滑轮893后沿逆时针方向与肘关节绕线轮42的第二轮槽相固定，肘关节绕线轮42通过螺栓与肘关节串联弹性驱动器43的第一输入内壳431固定，第一输入内壳431通过卡块、弹簧、卡槽的配合与第一输入外壳432连接成整体，第一输入外壳432通过螺栓与前臂机构3中的第一调节板31连接。

二、前臂3、肘关节4、前臂动力传动机构8之间的动力传递原理为：肘关节电机81工作，通过肘关节减速器83、第一联轴器84带动肘关节传动轴85转动，从而使第一绕线轮851、第二绕线轮852转动，与第一绕线轮851相连的第一鲍登线86以及与第二绕线轮852相连的第二鲍登线87将动力传递给肘关节绕线轮42，肘关节绕线轮42将动力传递给第一输入内壳431，第一输入内壳431通过第一弹簧4323、第二弹簧4324、第三弹簧4325、第四弹簧4326带动第一输出外壳432同步转动，第一输出外壳432带动第一调节板31运动，从而带动前臂机构3实现屈曲和伸展。

三、肩关节6与上臂动力传动机构9的连接结构为：肩关节电机91通过第二连接连接套92与肩关节减速器93相连，肩关节减速器93通过第二减速器支撑架931固定在承重板11上，肩关节减速器93通过第二联轴器94与肩关节传动轴95相连，并带动第三绕线轮951、第四绕线轮952转动，第三鲍登线96的一端与第三绕线轮951固定，第三鲍登线96的另一端依次绕经第七滑轮981、第八滑轮982、第九滑轮983后沿顺时针方向与肩关节绕线轮62的第一轮槽相固定，第四鲍登线97的一端与第四绕线轮952固定，第四鲍登线97的另一端依次绕经第十滑轮991、第十一滑轮992、第十二滑轮993后沿逆时针方向与肩关节绕线轮62的第二轮槽相固定，肩关节绕线轮62通过螺栓与肩关节串联弹性驱动器63的第二输入内壳631固定，第二输入内壳631通过卡块、弹簧、卡槽的配合与第二输入外壳632连接成整体，第二输入外壳632通过螺栓与上臂机构5中的第四调节板52连接。

四、上臂5、肩关节6、上臂动力传动机构9之间的动力传递原理为：肩关节电机91工作，通过肩关节减速器93、第二联轴器94带动肩关节传动轴95转动，从而使第三绕线轮951、第四绕线轮952转动，与第三绕线轮951相连的第三鲍登线96以及与第四绕线轮952相连的第四鲍登线97将动力传递给肩关节绕线轮62，肩关节绕线轮62将动力传递给第二输入内壳631，第二输入内壳631通过第五弹簧6323、第六弹簧6324、第七弹簧6325、第八弹簧6326带动第二输出外壳632同步转动，第二输出外壳632带动第四调节板52运动，从而带动上臂机构5实现前屈和后伸。

本发明在使用时，可根据患者的具体情况和需求选择单独进行左上肢或右上肢的康复训练，也可以同时进行双上肢的康复训练；同时，患者可根据自身情况选择主动训练或被动训练。本发明通过对患者双上肢的协同康复训练增加患者双上肢的协调运动能力。

本发明的有益效果在于：1）本发明采用柔索结构来牵引双上肢进行协同运动康复训练，且具有两个方向的自由度；2）本发明在机器人驱动和负载之间引入串联弹性驱动器来传递运动和力矩，以此提高机器人的柔性，有优良的弯曲性能、对于复杂的非结构性环境具有非常强的适应能力；3）本发明可同时进行双上肢协同运动康复训练，大大提升康复效率；4）本发明可调节上臂长度、前臂长度、肩部宽度和座椅高度，适应不同康复群体；5）本发明具有结构简单、可靠性高、稳定性强、柔性好和轻量化等特点，且在使用过程中具有协同性好、康复效率高和可调节等优点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：包括机架（1），所述的机架（1）上设有结构相同且对称布置的左上肢康复组件及右上肢康复组件，所述的左上肢康复组件及右上肢康复组件均分别包括手部机构（2）、与手部机构（2）相连的前臂机构（3）、通过肘关节（4）与前臂机构（3）相连的上臂机构（5）、通过肩关节（6）与上臂机构（5）相连的肩部机构（7），所述的肘关节（4）与前臂动力传动机构（8）相连以驱动前臂机构（3）动作，所述的肩关节（6）与上臂动力传动机构（9）相连以驱动上臂机构（5）动作，所述的前臂机构（3）与上臂机构（5）之间设有限制肘关节（4）转动角度的第一限位机构，所述的上臂机构（5）与肩部机构（7）之间设有限制肩关节（6）转动角度的第二限位机构；

所述的肘关节（4）包括肘关节转动支撑轴（41），所述的肘关节转动支撑轴（41）上依次设有肘关节绕线轮（42）、肘关节串联弹性驱动器（43）及第一调节板（31），所述的前臂动力传动机构（8）包括肘关节传动轴（85）、驱动肘关节传动轴（85）转动的肘关节电机（81）、固定在肘关节传动轴（85）上的第一绕线轮（851）及第二绕线轮（852）、与第一绕线轮（851）相配合的第一滑轮组（88）、与第二绕线轮（852）相配合的第二滑轮组（89）、依次连接第一绕线轮（851）、第一滑轮组与肘关节绕线轮（42）的第一鲍登线（86）、依次连接第二绕线轮（852）、第二滑轮组与肘关节绕线轮（42）的第二鲍登线（87），所述的第一鲍登线（86）及第二鲍登线（87）分别驱动肘关节绕线轮（42）正转或反转以带动肘关节串联弹性驱动器（43）实现肘关节（4）的屈曲和伸展，所述的肘关节（4）上设有肘关节传感器（44）；

所述的肩关节（6）包括肩关节转动支撑轴（61），所述的肩关节转动支撑轴（61）上依次设有肩关节绕线轮（62）、肩关节串联弹性驱动器（63）及第三调节板（51），所述的上臂动力传动机构（9）包括肩关节传动轴（95）、驱动肩关节传动轴（95）转动的肩关节电机（91）、固定在肩关节传动轴（95）上的第三绕线轮（951）及第四绕线轮（952）、与第三绕线轮（951）相配合的第三滑轮组（98）、与第四绕线轮（952）相配合的第四滑轮组（99）、依次连接第三绕线轮（951）、第三滑轮组与肩关节绕线轮（62）的第三鲍登线（96）、依次连接第四绕线轮（952）、第四滑轮组与肩关节绕线轮（62）的第四鲍登线（97），所述的第三鲍登线（96）及第四鲍登线（97）分别驱动肩关节绕线轮（62）正转或反转以带动肩关节串联弹性驱动器（63）实现肩关节（6）的前屈和后伸，所述的肩关节（6）上设有肩关节传感器（64）。

2.根据权利要求1所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述的前臂机构（3）包括相贴合且形成滑动配合的第一调节板（31）与第二调节板（32），所述第一调节板（31）的一端与肘关节（4）相连，第一调节板（31）的另一端设有与人体前臂相配合的第一C型卡扣（33），所述第二调节板（32）的一端与第一调节板（31）通过第一螺栓固定，第二调节板（32）的另一端与手部机构（2）相连；

所述的上臂机构（5）包括相贴合且形成滑动配合的第三调节板（51）与第四调节板（52），所述第三调节板（51）的一端与肩关节（6）相连，第三调节板（51）的另一端设有与人体上臂相配合的第二C型卡扣（53），所述第四调节板（52）的一端与第三调节板（51）通过第二螺栓固定，第四调节板（52）的另一端与肘关节（4）相连，且该端固定有肘关节转动支撑盖板（54），所述的第四调节板（52）与肘关节转动支撑盖板（54）之间形成用于安装肘关节（4）的倒U型结构。

3.根据权利要求2所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述的第一调节板（31）与肘关节（4）相连的端部整体呈圆盘状且该圆盘面上设有第一限位块（311），所述的第四调节板（52）与肘关节（4）相连的端部设有与第一限位块（311）相配合的第二限位块（521），所述的第一限位块（311）设置一个，所述的第二限位块（521）对称设置两个，所述的第一限位块（311）与第二限位块（521）形成限制肘关节（4）转动角度的第一限位机构；

所述的第三调节板（51）与肩关节（6）相连的端部整体呈圆盘状且该圆盘面上设有第三限位块（511），所述的肩部机构（7）与肩关节（6）相连的端部设有与第三限位块（511）相配合的第四限位块（721），所述的第三限位块（511）设置一个，所述的第四限位块（721）设置二个，所述的第三限位块（511）与第四限位块（721）形成限制肩关节（6）转动角度的第二限位机构。

4.根据权利要求2所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述前臂机构（3）的长度可调，所述的第一调节板（31）与第二调节板（32）相贴合的板面固定有第一滑轨（34），所述的第二调节板（32）上固定有与第一滑轨（34）相配合的第一滑块（35），所述的第一滑块（35）固定在第二调节板（32）上开设的第一凹槽（321）内，所述的第一调节板（31）上沿第一滑轨（34）设置的方向开设有第一腰形槽（36）；

所述上臂机构（5）的长度可调，所述的第三调节板（51）与第四调节板（52）相贴合的板面固定有第二滑轨（55），所述的第四调节板（52）上固定有与第二滑轨（55）相配合的第二滑块（56），所述的第二滑块（56）固定在第四调节板（52）上开设的第二凹槽（522）内，所述的第三调节板（51）上沿第二滑轨（55）设置的方向开设有第二腰形槽（57），所述的第三调节板（51）在远离第二滑轨（55）的板面上还设有凸起的矩形加强块（58）。

5.根据权利要求1所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述的肘关节电机（81）通过第一连接套（82）与肘关节减速器（83）相连，所述的肘关节减速器（83）通过第一联轴器（84）与肘关节传动轴（85）相连；所述的第一滑轮组（88）包括依次布置的第一滑轮（881）、第二滑轮（882）及第三滑轮（883），所述的第二滑轮组（89）包括依次布置的第四滑轮（891）、第五滑轮（892）及第六滑轮（893），上述各滑轮分别通过滑轮座与固定在机架（1）顶部的承重板（11）上的第一传动支架（12）相连，且第二滑轮（882）的滑轮座上设有第一传感器（8821），第五滑轮（892）的滑轮座上设有第二传感器（8921）；所述第一鲍登线（86）的一端与第一绕线轮（851）固定，第一鲍登线（86）的另一端依次绕经第一滑轮（881）、第二滑轮（882）、第三滑轮（883）后沿顺时针方向与肘关节绕线轮（42）的第一轮槽相固定，所述第二鲍登线（87）的一端与第二绕线轮（852）固定，第二鲍登线（87）的另一端依次绕经第四滑轮（891）、第五滑轮（892）、第六滑轮（893）后沿逆时针方向与肘关节绕线轮（42）的第二轮槽相固定。

6.根据权利要求1所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述的肩关节电机（91）通过第二连接套（92）与肩关节减速器（93）相连，所述的肩关节减速器（93）通过第二联轴器（94）与肩关节传动轴（95）相连；所述的第三滑轮组（98）包括依次布置的第七滑轮（981）、第八滑轮（982）及第九滑轮（983），所述的第四滑轮组（99）包括依次布置的第十滑轮（991）、第十一滑轮（992）及第十二滑轮（993），上述各滑轮分别通过滑轮座与固定在机架（1）顶部的承重板（11）上的第二传动支架（13）相连，且第八滑轮（982）的滑轮座上设有第三传感器（9821），第十一滑轮（992）的滑轮座上设有第四传感器（9921）；所述第三鲍登线（96）的一端与第三绕线轮（951）固定，第三鲍登线（96）的另一端依次绕经第七滑轮（981）、第八滑轮（982）、第九滑轮（983）后沿顺时针方向与肩关节绕线轮（62）的第一轮槽相固定，所述第四鲍登线（97）的一端与第四绕线轮（952）固定，第四鲍登线（97）的另一端依次绕经第十滑轮（991）、第十一滑轮（992）、第十二滑轮（993）后沿逆时针方向与肩关节绕线轮（62）的第二轮槽相固定。

7.根据权利要求1所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述的肩部机构（7）包括上肢支撑基座（71），所述上肢支撑基座（71）的一端通过第三螺栓与机架（1）顶部的承重板（11）相固定，所述上肢支撑基座（71）的另一端悬伸在机架（1）外侧且该端固定有肩关节转动支撑基座（72），所述的肩关节转动支撑基座（72）上固定有肩关节转动支撑盖板（73），所述的肩关节转动支撑基座（72）上设有第四限位块（721），所述的肩关节转动支撑基座（72）与肩关节转动支撑盖板（73）之间形成用于安装肩关节（6）的倒U型结构；

所述左上肢康复组件的肩部机构与右上肢康复组件的肩部机构之间的距离可调，所述机架（1）顶部的承重板（11）上设有肩部宽度调节滑轨（74），所述的上肢支撑基座（71）上设有与肩部宽度调节滑轨（74）相配合的肩部宽度调节滑块（75），所述的肩部宽度调节滑块（75）固定在上肢支撑基座（71）上开设的第三凹槽（711）内，所述机架（1）顶部的承重板（11）上沿肩部宽度调节滑轨（74）设置的方向开设有第三腰形槽（76）。

8.根据权利要求2所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述肘关节转动支撑轴（41）的一端通过轴承与肘关节转动支撑盖板（54）相连，所述肘关节转动支撑轴（41）的另一端通过轴承与第四调节板（52）相连，所述的肘关节绕线轮（42）与肘关节转动支撑轴（41）相固定且同步转动，所述的肘关节转动支撑轴（41）与肘关节转动支撑盖板（54）相连的端部设有肘关节传感器（44）；

所述的肘关节串联弹性驱动器（43）包括与肘关节绕线轮（42）固连的第一输入内壳（431）以及与第一调节板（31）固连的第一输出外壳（432），所述的第一输出外壳（432）通过轴承与肘关节转动支撑轴（41）相连；所述的第一输入内壳（431）与第一输出外壳（432）相贴合的端面上对称设有第一卡块（4311）及第二卡块（4312），所述的第一卡块（4311）与第二卡块（4312）均为90°的扇形卡块，所述的第一输出外壳（432）上对称设有第一卡槽（4321）与第二卡槽（4322），所述的第一卡槽（4321）与第二卡槽（4322）整体呈弧状，所述的第一卡槽（4321）内设有第一弹簧（4323）与第二弹簧（4324），所述的第一弹簧（4323）与第二弹簧（4324）设置的方向相垂直，所述的第二卡槽（4322）内设有第三弹簧（4325）与第四弹簧（4326），所述的第三弹簧（4325）与第四弹簧（4326）设置的方向相垂直，且第一弹簧（4323）与第三弹簧（4325）相平行，第二弹簧（4324）与第四弹簧（4326）相平行，所述的第一卡块（4311）插入第一弹簧（4323）与第二弹簧（4324）之间的第一卡槽（4321）内，且使第一弹簧（4323）与第二弹簧（4324）处于压缩状态，所述的第二卡块（4312）插入第三弹簧（4325）与第四弹簧（4326）之间的第二卡槽（4322）内，且使第三弹簧（4325）与第四弹簧（4326）处于压缩状态。

9.根据权利要求7所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述肩关节转动支撑轴（61）的一端通过轴承与肩关节转动支撑盖板（73）相连，所述肩关节转动支撑轴（61）的另一端通过轴承与肩关节转动支撑基座（72）相连，所述的肩关节绕线轮（62）与肩关节转动支撑轴（61）相固定且同步转动，所述的肩关节转动支撑轴（61）与肩关节转动支撑盖板（73）相连的端部设有肩关节传感器（64）；

所述的肩关节串联弹性驱动器（63）包括与肩关节绕线轮（62）固连的第二输入内壳（631）以及与第三调节板（51）固连的第二输出外壳（632），所述的第二输出外壳（632）通过轴承与肩关节转动支撑轴（61）相连；所述的第二输入内壳（631）与第二输出外壳（632）相贴合的端面上对称设有第三卡块（6311）及第四卡块（6312），所述的第三卡块（6311）与第四卡块（6312）均为90°的扇形卡块，所述的第二输出外壳（632）上对称设有第三卡槽（6321）与第四卡槽（6322），所述的第三卡槽（6321）与第四卡槽（6322）整体呈弧状，所述的第三卡槽（6321）内设有第五弹簧（6323）与第六弹簧（6324），所述的第五弹簧（6323）与第六弹簧（6324）设置的方向相垂直，所述的第四卡槽（6322）内设有第七弹簧（6325）与第八弹簧（6326），所述的第七弹簧（6325）与第八弹簧（6326）设置的方向相垂直，且第五弹簧（6323）与第七弹簧（6325）相平行，第六弹簧（6324）与第八弹簧（6326）相平行，所述的第三卡块（6311）插入第五弹簧（6323）与第六弹簧（6324）之间的第三卡槽（6321）内，且使第五弹簧（6323）与第六弹簧（6324）处于压缩状态，所述的第四卡块（6312）插入第七弹簧（6325）与第八弹簧（6326）之间的第四卡槽（6322）内，且使第七弹簧（6325）与第八弹簧（6326）处于压缩状态。

10.根据权利要求2所述的柔索牵引双上肢协同运动康复机器人，其特征在于：所述的手部机构（2）包括贯穿第二调节板（32）设置的手部固定轴（21），所述手部固定轴（21）的一端连接有固定握手（22），所述固定轴（21）的另一端与承重块（23）相连，所述承重块（23）的底部与杠铃（24）连接。

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