CN117731523A - 上肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可穿戴机器人技术领域，提供一种上肢外骨骼机器人，包括：平台、多个驱动机构以及依次连接的背部机构、肩关节机构、大臂机构、肘关节机构、小臂机构和手部机构；平台上设有驱动机构，背部机构与平台连接，多个驱动机构用于驱动肩关节机构和肘关节机构运动；大臂机构具有五个被动自由度，小臂机构具有三个被动自由度，手部机构具有一个被动自由度，以在肩关节机构和肘关节机构的驱动下，大臂机构、小臂机构和手部机构能够自顺应调整。上述的上肢外骨骼机器人，通过增加被动自由度，开发在冗余约束力/力矩作用下产生顺应运动的自顺应机构，消除人机关节轴线不一致引起的冗余力/力矩，实现了外骨骼机器人高效助力与人机柔顺。

Description

上肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及可穿戴机器人技术领域，尤其涉及一种上肢外骨骼机器人。

背景技术

现有的上肢康复外骨骼机器人通常通过开发与人体运动功能生理参数相一致的仿生机构。开发过程中首先对人体关节进行必要的简化，之后通过设计拟人化外骨骼机械结构复现人体简化关节的运动功能。这其中有两方面需要考虑，首先外骨骼关节需要采用相对简单的设计最大化复现人体关节的运动特性，其次，外骨骼机器人结构参数需要与人体参数相一致，以确保外骨骼关节与人体关节转轴或转动中心重合。从机构学角度，人机运动不相容本质上是由于人和外骨骼机器人运动差异导致人机封闭运动链出现“超定”或过约束现象。因此，仿生外骨骼人机运动协调的必要条件是外骨骼机械关节和人体生物关节精确对齐。

然而，这在现实中很难或者说几乎不可能实现。原因如下：1）生物关节具有相当复杂的表面几何形状，并不是理想的 “运动副”，人体运动过程中往往伴随关节轴线的移动；2）人体生理参数在体获取难度很大；3）统计资料表明，个体体征差异和人机穿戴偏差等都会导致人机对应关节轴线偏离。人-外骨骼机器人通过物理交互实现力传递，而人机运动不一致必然导致外骨骼机器人对人体产生冗余约束力/力矩，造成人机物理连接部分产生变形或与人体发生相对移动，容易对患者造成二次伤害。

发明内容

本发明提供一种上肢外骨骼机器人，用以解决现有技术中人机运动不一致造成人机物理连接部分产生变形或与人体发生相对移动，容易对患者造成二次伤害的缺陷。

本发明提供一种上肢外骨骼机器人，包括：平台、多个驱动机构以及依次连接的背部机构、肩关节机构、大臂机构、肘关节机构、小臂机构和手部机构；所述平台上设有多个所述驱动机构，所述平台用于设置于外部物体上，所述背部机构与所述平台连接，多个所述驱动机构用于驱动所述肩关节机构和所述肘关节机构运动，所述肩关节机构用于带动所述大臂机构运动，所述肘关节机构用于带动所述小臂机构和手部机构运动；所述大臂机构具有五个被动自由度，所述小臂机构具有三个被动自由度，所述手部机构具有一个被动自由度，以在所述肩关节机构和所述肘关节机构的驱动下，所述大臂机构、所述小臂机构和所述手部机构能够自顺应调整，以使人机运动相融。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述大臂机构包括：第一连接组件，与所述肩关节机构连接；第一滑动件，与所述第一连接组件滑动连接，以形成所述大臂机构的第一个被动自由度，所述第一滑动件能够转动，以形成所述大臂机构的第二个被动自由度；第一转动组件，与所述第一滑动件连接，所述第一转动组件能够转动，以形成所述大臂机构的第三个被动自由度。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述大臂机构还包括：大臂第一连接件，与所述第一转动组件连接；大臂第二连接件，与所述大臂第一连接件转动连接，以形成所述大臂机构的第四个被动自由度；大臂固定组件，与所述大臂第二连接件连接，所述大臂固定组件能够相对滑动，以形成所述大臂机构的第五个被动自由度。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述小臂机构包括：第二连接组件，与所述肘关节机构连接；第二滑动件，与所述第二连接组件滑动连接，以形成所述小臂机构的第一个被动自由度；第二转动组件，与所述第二滑动件连接，所述第二转动组件可以转动，以形成所述小臂机构的第二个被动自由度。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述小臂机构还包括：第三连接组件，与所述第二转动组件连接；小臂固定组件，与所述第三连接组件连接，所述小臂固定组件能够相对滑动，以形成所述小臂机构的第三个被动自由度。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述肩关节机构包括：第三转动组件，与所述背部机构连接，所述第三转动组件设有第一从动绕线轮，所述第一从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第一从动绕线轮用于带动所述肩关节机构进行内旋或外旋运动；肩关节第一连接板，与所述第三转动组件连接；连杆组件，所述连杆组件的第一端与所述肩关节第一连接板转动连接，所述连杆组件设有第二从动绕线轮，所述第二从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第二从动绕线轮用于带动所述肩关节机构进行外展或内收运动。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述肩关节机构还包括：第四连接组件，所述连杆组件的第二端与所述第四连接组件转动连接；第四转动组件，所述第四转动组件的第一端与所述第四连接组件连接，所述第四转动组件的第二端与所述大臂机构连接，所述第四转动组件设有第三从动绕线轮，所述第三从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第三从动绕线轮用于带动所述肩关节机构进行前屈或后伸运动。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述肘关节机构包括：固定板，与所述大臂机构连接；第五转动组件，所述第五转动组件的两侧分别与所述固定板和所述小臂机构连接，所述第五转动组件设有第四从动绕线轮，所述第四从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第四从动绕线轮用于实现所述肘关节机构的转动运动。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，每个所述驱动机构包括：驱动器；主动绕线轮，所述驱动器的转轴与所述主动绕线轮连接，所述主动绕线轮通过牵引线与所述肩关节机构或所述肘关节机构连接；一对第一线夹，一对所述第一线夹相对设置于所述主动绕线轮的边缘，以固定牵引线；一对限位块，一对所述限位块相对设置，在所述主动绕线轮转动过程中，所述限位块能够与所述第一线夹抵接，以对所述主动绕线轮的转动起到限位作用。

根据本发明提供的一种上肢外骨骼机器人，所述手部机构包括：手部第一连接件，所述手部第一连接件具有一个弯折部，所述手部第一连接件的第一端与所述小臂机构连接；第一回转件，与所述手部第一连接件的第二端连接；手部第二连接件，所述手部第二连接件具有一个弯折部，所述手部第二连接件的第一端与所述第一回转件连接；握杆，与所述手部第二连接件的第二端连接。

本发明提供的上肢外骨骼机器人，通过将大臂机构设计为具有五个被动自由度，将小臂机械设计为具有三个被动自由度，手部机构设计为具有一个被动自由度，通过增加被动自由度，开发在冗余约束力/力矩作用下产生顺应运动的自顺应机构，消除人机关节轴线不一致引起的冗余力/力矩，实现了外骨骼机器人高效助力与人机柔顺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的上肢外骨骼机器人的爆炸图；

图2是图1中示出的驱动机构的爆炸图；

图3是图1中示出的背部机构的整体图；

图4是图3的爆炸图；

图5是图1中示出的肩关节机构的整体图；

图6是图5的爆炸图；

图7是图1中示出的大臂机构的整体图；

图8是图7的爆炸图；

图9是图1中示出的肘关节机构的整体图；

图10是图9的爆炸图；

图11是图1中示出的小臂机构的整体图；

图12是图11的爆炸图；

图13是图1中示出的手部机构的整体图；

图14是图13的爆炸图；

附图标记：

1：平台；2：驱动机构；3：背部机构；4：肩关节机构；5：大臂机构；6：肘关节机构；7：小臂机构；8：手部机构；

201：驱动器；202：减速器；203：主动绕线轮；204：第一线夹；205：限位块；206：第二回转件；207：安装板；208：第一线架；

301：背部第一连接板；302：背部第二连接板；303：背部连接件；304：背部第三连接板；305：第一编码器；

401：第三回转件；402：第一从动绕线轮；403：第一盖轮；404：肩关节第一连接件；405：肩关节第一连接板；406：第一连杆体；407：第二连杆体；408：第三连杆体；409：第四连杆体；410：肩关节第二连接件；411：第二盖轮；412：第二从动绕线轮；413：肩关节第三连接件；414：肩关节第四连接件；415：肩关节第二连接板；416：第二编码器；417：第四回转件；418：第三从动绕线轮；419：肩关节第五连接件；420：第三编码器；421：第二线夹；422：第三线夹；423：第四线夹；424：第二线架；425：第三线架；426：第四线架；427：滑套；

501：大臂第三连接件；502：大臂第四连接件；503：大臂第五连接件；504：大臂第六连接件；505：第一滑动件；506：第一传感器；507：大臂第七连接件；508：第五回转件；509：大臂第一连接件；510：转轴；511：大臂第二连接件；512：第一弧形块；513：第二弧形块；514：第三弧形块；515：第一销轴；516：第一固定块；

601：第四编码器；602：固定板；603：第六回转件；604：第四从动绕线轮；605：第五线夹；606：第五线架；

701：小臂第一连接件；702：小臂第二连接件；703：小臂第三连接件；704：小臂第四连接件；705：滑条；706：第二滑动件；707：第二固定块；708：小臂第五连接件；709：小臂第六连接件；710：第七回转件；711：小臂第一连接块；712：小臂第二连接块；713：第四弧形块；714：第五弧形块；715：第六弧形块；716：第二销轴。

801：手部第一连接件；802：第一回转件；803：手部第二连接件；804：握杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合图1-图14描述本发明的上肢外骨骼机器人。

在开发外骨骼机器人时，机器人与其所连接的人体肢体之间的物理连接设计是一个关键问题。外骨骼机器人设计特点在于复制人体运动学，但由于关节模型的复杂性导致无法完全复刻，至今在生物力学文献中不可能找到任何一致的人体运动学模型。此外，由于个体差异导致的两个运动链之间的差异似乎是不可避免的。由于多个回路之间的连接，这些不匹配产生运动不相容。如果连接的物体是刚性的，那么由此产生的超静性将导致不可能移动，并出现不可控制的内力。然而，在实际中，刚性不是无限的，并且由于变形可以获得流动性。当外骨骼机器人和人体肢体连接时，由于人体皮肤和骨骼周围组织的刚度较低，这些变形最有可能发生在人机连接处。在实践中，这些力可能很大，为了应对超静性，采用在人机连接处增加被动机制的方法，增加人机连接处的自由度，以提高人机相融性，基于此，本发明提供了如下所述的上肢外骨骼机器人。

如图1所示，在本发明的实施例中，上肢外骨骼机器人包括：平台1、多个驱动机构2、以及依次连接的背部机构3、肩关节机构4、大臂机构5、肘关节机构6、小臂机构7和手部机构8。平台1上设有多个驱动机构2，平台1用于设置于外部物体上，背部机构3与平台1连接，多个驱动机构2用于驱动肩关节机构4和肘关节机构6运动，肩关节机构4用于带动大臂机构5运动，肘关节机构6用于带动小臂机构7和手部机构8 。大臂机构5具有五个被动自由度，小臂机构7具有三个被动自由度，手部机构8具有一个被动自由度，以在肩关节机构4和肘关节机构6的驱动下，大臂机构5、小臂机构7和手部机构8能够自顺应调整，以使人机运动相融。

具体来说，在本实施例中，平台1为光学实验台，平台1可放置于桌子上，平台1上设置有多个驱动机构2，多个驱动机构2分别与肩关节机构4和肘关节机构6连接，用于驱动肩关节机构4进行内旋或外旋运动、外展或内收运动以及前屈或后伸运动，肩关节机构4运动时带动大臂机构5、肘关节机构6、小臂机构7和手部机构8一起进行相应地运动；同时，驱动机构2也用于驱动肘关节机构6转动，以使小臂机构7和手部机构8可相对于大臂机构5进行转动。

进一步地，大臂机构5具有两个滑动自由度和三个转动自由度，在肩关节机构4驱动大臂机构5运动时，五个被动自由度可使大臂机构5进行自顺应调整，以使大臂机构5的运动与人体运动相匹配。小臂机构7具有两个滑动自由度和一个转动自由度，手部机构8具有一个被动自由度，在肘关节机构6驱动小臂机构7和手部机构8运动时，三个被动自由度可使小臂机构7进行自顺应调整，以使小臂机构7的运动与人体运动相匹配。手部机构8也可进行自顺应调整，从而增加了大臂机构5、小臂机构7和手部机构8的灵活性，在人体穿戴外骨骼机器人后，大臂机构5、小臂机构7和手部机构8的运动更加柔性，更加贴合人体结构，实现了人机相融，消除了人机运动不一致导致的外骨骼机器人对人体产生的冗余约束力/力矩，避免了人机运动不一致造成人机物理连接部分产生变形或与人体发生相对移动。

在本实施例中，驱动机构2与肩关节机构4、肘关节机构6通过牵引线连接，将驱动机构2设置在平台1上，平台1放置在桌面上，可减小人体的负重，不需要将驱动机构2背在背上。

本发明实施例提供的上肢外骨骼机器人，通过将大臂机构设计为具有五个被动自由度，将小臂机械设计为具有三个被动自由度，手部机构设计为具有一个被动自由度，通过增加被动自由度，开发在冗余约束力/力矩作用下产生顺应运动的自顺应机构，消除人机关节轴线不一致引起的冗余力/力矩，实现了外骨骼机器人高效助力与人机柔顺。

如图2所示，在本发明的实施例中，每个驱动机构2包括：驱动器201、主动绕线轮203、一对第一线夹204和一对限位块205。驱动器201的转轴与主动绕线轮203连接，主动绕线轮203通过牵引线与肩关节机构4或肘关节机构6连接。一对第一线夹204相对设置于主动绕线轮203的边缘，以固定牵引线。一对限位块205相对设置，在主动绕线轮203转动过程中，限位块205能够与第一线夹204抵接，以对主动绕线轮203的转动起到限位作用。

具体来说，主动绕线轮203上缠绕有牵引线，牵引线的另一端与肩关节机构4或肘关节机构6连接，在本发明的实施例中，驱动机构2共有4个，其中，3个驱动机构2分别与肩关节机构4连接，1个驱动机构2与肘关节机构6连接。

每个驱动器201转动时带动主动绕线轮203转动，主动绕线轮203通过牵引线带动肩关节机构4或肘关节机构6运动。主动绕线轮203的边缘处设有一对第一线夹204，第一线夹204呈U形结构，第一线夹204的两端伸入主动绕线轮203的长度越长，对牵引线的压紧力就越大。主动绕线轮203位于一对限位块205之间，一对限位块205之间的距离大于主动绕线轮203的直径，且小于一对第一线夹204之间的距离，即，在本实施例中，驱动器201驱动主动绕线轮203转动时，主动绕线轮203不论沿顺时针方向转动还是逆时针方向转动均只能转动半圈，以使肩关节机构4的运动也不会发生整个圆周方向的运动，以与人体肩关节的运动能力相匹配。

进一步地，在本发明的实施例中，每个驱动机构2还包括：减速器202、第二回转件206、安装板207和第一线架208。

具体来说，驱动器201与减速器202连接，减速器202与主动绕线轮203连接，主动绕线轮203与第二回转件206连接，第二回转件206安装于安装板207上，安装板207上还设有第一线架208，第一线架208用于穿设牵引线，第一线架208的穿线孔内设有滑套，以减小牵引线拉动时的摩擦力。

需要说明的是：在本发明的实施例中，回转件可以为回转环轴承。

如图3和图4所示，在本发明的实施例中，上肢外骨骼机器人还包括背部机构3，背部机构3包括：背部第一连接板301、背部第二连接板302、背部连接件303、背部第三连接板304和第一编码器305。

具体来说，背部第一连接板301包括第一板体和第二板体，第一板体和第二板体垂直连接，第一板体与平台1连接，第二板体上设有多排连接孔。背部第二连接板302与背部第一连接板301的第二板体连接，通过调节连接位置，可调节背部第二连接板302的高度，以适应不同身高的人体使用。背部第三连接板304通过背部连接件303与背部第二连接板302连接，第一编码器305与背部第三连接板304连接。

如图5和图6所示，在本发明的实施例中，肩关节机构4包括：第三转动组件、肩关节第一连接板405和连杆组件。第三转动组件与背部机构3连接，第三转动组件设有第一从动绕线轮402，第一从动绕线轮402通过牵引线与一个驱动机构2连接，第一从动绕线轮402用于带动肩关节机构4进行内旋或外旋运动。肩关节第一连接板405与第三转动组件连接。连杆组件的第一端与肩关节第一连接板405转动连接，连杆组件设有第二从动绕线轮412，第二从动绕线轮412通过牵引线与一个驱动机构2连接，第二从动绕线轮412用于带动肩关节机构4进行外展或内收运动。

肩关节机构4还包括：第四连接组件和第四转动组件，连杆组件的第二端与第四连接组件转动连接。第四转动组件的第一端与第四连接组件连接，第四转动组件的第二端与大臂机构5连接，第四转动组件设有第三从动绕线轮418，第三从动绕线轮418通过牵引线与一个驱动机构2连接，第三从动绕线轮418用于带动肩关节机构4进行前屈或后伸运动。

具体来说，在本实施例中，第三转动组件包括：第三回转件401、第一从动绕线轮402、第一盖轮403和肩关节第一连接件404。第三回转件401的外圈与背部第三连接板304连接，第三回转件401的内圈与第一从动绕线轮402连接，第一盖轮403与第一从动绕线轮402连接，第一盖轮403上设有肩关节第一连接件404，肩关节第一连接件404设有卡槽，肩关节第一连接板405的一端设有凸台，该凸台插设于该卡槽内，并与卡槽连接。

连杆组件包括：第一连杆体406、第二连杆体407、第三连杆体408、第四连杆体409、肩关节第二连接件410、第二盖轮411和第二从动绕线轮412。第一连杆体406的第一端与肩关节第一连接板405连接，连接处靠近凸台。第二连杆体407的第一端也与肩关节第一连接板405连接，第一连杆体406的第二端以及第二连杆体407的第二端均与第三连杆体408的第一端连接。第二连杆体407上设有第二从动绕线轮412，第二从动绕线轮412与第二盖轮411连接。第三连杆体408的第二端与第四转动组件连接，第四连杆体409的第一端与第三连杆体408通过肩关节第二连接件410连接，第四连杆体409的第二端与第四转动组件连接。

第四连接组件包括：肩关节第三连接件413、肩关节第四连接件414和肩关节第二连接板415。第三连杆体408的第二端与肩关节第三连接件413的第一端连接，肩关节第三连接件413的中部设有凹槽，第四连杆体409的第二端插设于该凹槽内，并与肩关节第三连接件413转动连接。肩关节第三连接件413的第二端与肩关节第二连接板415连接，肩关节第二连接板415与肩关节第四连接件414连接。

第四转动组件包括：第二编码器416、第四回转件417和第三从动绕线轮418。第二编码器416设置于肩关节第四连接件414的一侧，第四回转件417设置于肩关节第四连接件414的另一侧，第三从动绕线轮418与第四回转件417的内圈连接。

在本实施例中，共设有三个从动绕线轮，每个从动绕线轮均通过牵引线与一个驱动机构2连接，在驱动机构2的主动绕线轮203转动时，能够带动相应的从动绕线轮转动，以带动肩关节机构4实现不同的运动。具体地，当第一从动绕线轮402转动时，可带动肩关节机构4进行内旋或外旋运动；当第二从动绕线轮412转动时，可带动肩关节机构4进行外展或内收运动；当第三从动绕线轮418转动时，可带动肩关节机构4进行外展或内收运动。在康复训练过程中，可根据康复人员要进行的运动姿态，控制相应的驱动机构2，以使外骨骼机器人带动人体上肢实现相应的运动姿态。

进一步地，在本发明的实施例中，肩关节机构4还包括：肩关节第五连接件419和第三编码器420。肩关节第五连接件419与第一连杆体406的第一端连接，第三编码器420与肩关节第五连接件419连接。

进一步地，肩关节机构4 还包括：第二线夹421、第三线夹422、第四线夹423、第二线架424、第三线架425、第四线架426和滑套427。具体来说，第二线夹421、第三线夹422和第四线夹423的数量均为一对，第二线夹421设于第一从动绕线轮402，用于对缠绕于第一从动绕线轮402上的牵引线进行固定，第三线夹422设于第二从动绕线轮412，用于对缠绕于第二从动绕线轮412上的牵引线进行固定，第四线夹423设于第三从动绕线轮418，用于对缠绕于第三从动绕线轮418上的牵引线进行固定。每个线夹对牵引线的压紧程度可调节。

第二线架424设置于第一盖轮403，用于穿设缠绕于第一从动绕线轮402的牵引线，第三线架425设置于肩关节第一连接板405，用于穿设缠绕于第二从动绕线轮412的牵引线，第四线架426设置于肩关节第四连接件414，用于穿设缠绕于第三从动绕线轮418的牵引线。进一步地，每个线架的穿线孔内设有滑套427，以减小牵引线拉动时的摩擦力。

如图7和图8所示，在本发明的实施例中，大臂机构5包括：第一连接组件、第一滑动件505和第一转动组件。第一连接组件与肩关节机构4连接，第一滑动件505与第一连接组件滑动连接，以形成大臂机构5的第一个被动自由度，第一滑动件505能够转动，以形成大臂机构5的第二个被动自由度。第一转动组件与第一滑动组件连接，第一转动组件能够转动，以形成大臂机构5的第三个被动自由度。

具体来说，第一连接组件包括：依次连接的大臂第三连接件501、大臂第四连接件502、大臂第五连接件503和大臂第六连接件504。大臂第三连接件501与肩关节机构4的第三从动绕线轮418连接。大臂第五连接件503和大臂第六连接件504上均设有多排连接孔，以调节大臂第五连接件503和大臂第六连接件504的连接位置，从而对大臂第五连接件503和大臂第六连接件504连接后的长度进行调节，以适用于不同臂长的康复人员。

大臂第五连接件503内设有滑杆，第一滑动件505可沿该滑杆滑动，第一固定块516设置于滑杆的一端，以对第一滑动件505的滑动行程起到限位的作用。进一步地，在本实施例中，第一滑动件505包括：滑动部、连接部和转动部，其中，滑动部为圆弧形结构，滑动部与滑杆配合滑动，使大臂机构5具有第一个滑动自由度。转动部通过连接部与圆弧形滑块连接，转动部可转动，以带动第一转动组件转动，使大臂机构5具有沿转动部圆周方向转动的第一个转动自由度。

第一转动组件包括：依次连接的第一传感器506、大臂第七连接件507和第五回转件508。第一传感器506还与第一滑动件505的转动部连接。第五回转件508可转动，以使大臂机构5具有沿第五回转件508的圆周方向转动的第二个转动自由度。

进一步地，大臂机构5还包括：大臂第一连接件509、大臂第二连接件511和大臂固定组件。大臂第一连接件509与第一转动组件连接，大臂第二连接件511与大臂第一连接件509转动连接，以形成大臂机构5的第四个被动自由度。大臂固定组件与大臂第二连接件511连接，大臂固定组件能够相对滑动，以形成大臂机构5的第五个被动自由度。

具体来说，大臂第一连接件509包括第一连接部、第二连接部和第三连接部，第一连接部与第五回转件508连接，第二连接部与第一连接部垂直设置且连接，第三连接部与第二连接部垂直设置且连接，其中，第三连接部为转轴510。大臂第二连接件511的一侧与该转轴510转动连接，形成大臂机构5的第三个转动自由度，大臂第二连接件511的另一侧与大臂固定组件连接。

大臂固定组件包括：第一弧形块512、第二弧形块513、一对第三弧形块514和一对第一销轴515。第一弧形块512与大臂第二连接件511连接，第二弧形块513与第一弧形块512滑动连接，形成大臂机构5的第二个滑动自由度。具体地，第二弧形块513朝向第一弧形块512的一侧设有滑槽，第一弧形块512嵌设于该滑槽内，二者可发生与第一滑动件505滑动方向相垂直的滑动运动。一对第三弧形块514通过第一销轴515连接于第二弧形块513的两侧。一对第三弧形块514和第二弧形块513用于固定于人体的大臂上。进一步地，通过调节第三弧形块514与第二弧形块513之间的角度，可对第二弧形块513和第三弧形块514围设成的空间尺寸进行调节，以适配不同大臂维度的康复人员。

在本实施例中，以人体穿戴上肢外雇机器人后，人体的大臂处于竖直状态为例，此时，大臂第三连接件501和大臂第四连接件502处于竖直状态，第一滑动件505可发生纵向的往复滑动，同时，第一滑动件505还可发生沿自身圆周方向的旋转运动；第五回转件508可发生沿自身圆周方向的旋转运动；大臂第二连接件511可发生向上或向下的转动；第二弧形块513可发生左右方向的滑动，从而在肩关节机构4驱动大臂机构5运动时，大臂机构5可根据人体大臂的运动进行自顺应调整。

如图9和图10所示，在本发明的实施例中，肘关节机构6包括：固定板602和第五转动组件。固定板602与大臂机构5连接，第五转动组件的两端分别与固定板602和小臂机构7连接，第五转动组件设有第四从动绕线轮604，第四从动绕线轮604通过牵引线与一个驱动机构2连接，第四从动绕线轮604用于实现肘关节机构6的转动运动。

具体来说，第五转动组件包括：第六回转件603和第四从动绕线轮604，固定板602与大臂机构5的大臂第六连接件504连接，第六回转件603的外圈与固定板602连接，第六回转件603的内圈与第四从动绕线轮604连接。第四从动绕线轮604通过牵引线与一个驱动机构2连接，在驱动机构2的主动绕线轮203转动时，可带动第四从动绕线轮604转动，进而带动小臂机构7转动。

进一步地，在本发明的实施例中，肘关节机构6还包括：第四编码器601、一对第五线夹605和一对第五线架606。第四编码器601与第六回转件603分别设置于固定板602的两侧，第四从动绕线轮604上设有一对第五线夹605，第五线夹605用于对缠绕于第四从动绕线轮604上的牵引线进行固定。第五线架606设置于固定板602上，第五线架606用于穿设缠绕于第四从动绕线轮604上的牵引线。进一步地，第五线架606的过线孔内也设有滑套。

如图11和图12所示，在本发明的实施例中，小臂机构包括：第二连接组件、第二滑动件706和第二转动组件。第二连接组件与肘关节机构6连接，第二滑动件706与第二连接组件滑动连接，以形成小臂机构7的第一个被动自由度。第二转动组件与第二滑动件706 连接，第二转动组件可以转动，以形成小臂机构7的第二个被动自由度。

具体来说，第二连接组件包括：依次连接的小臂第一连接件701、小臂第二连接件702、小臂第三连接件703和小臂第四连接件704。小臂第一连接件701与肘关节机构6的第四从动绕线轮604连接，以在第四从动绕线轮604转动时，可带动小臂机构7转动。小臂第三连接件703和小臂第四连接件704上设有多排连接孔，通过调节小臂第三连接件703和小臂第四连接件704的连接位置，可对小臂第三连接件703和小臂第四连接件704连接后的长度进行调节。小臂第三连接件703设有凹槽，滑条705设置于该凹槽内，第二固定块707设置于滑条705的一端。第二滑动件706与滑条705配合滑动，形成小臂机构7的第一个滑动自由度，第二固定块707用于对第二滑动件706的滑动行程起到限位的作用。

第二转动组件包括：小臂第五连接件708、小臂第六连接件709和第七回转件710。小臂第五连接件708与第二滑动件706连接，小臂第六连接件709与小臂第五连接件708连接，第七回转件710与小臂第六连接件709连接，第七回转件710可转动，形成小臂机构7的转动自由度。

进一步地，小臂机构7还包括：第三连接组件和小臂固定组件。第三连接组件与第二转动组件连接，小臂固定组件与第三连接组件连接，小臂固定组件能够相对滑动，以形成小臂机构7的第三个被动自由度。

具体来说，第三连接组件包括：小臂第一连接块711和小臂第二连接块712，小臂第一连接块711与第七回转件710连接，第七回转件710转动时可带动小臂第一连接块711转动，小臂第一连接块711与小臂第二连接块712连接。

小臂固定组件包括：第四弧形块713、第五弧形块714、一对第六弧形块715和一对第二销轴716。第四弧形块713与小臂第二连接块712连接，第五弧形块714朝向第四弧形块713的表面设有滑槽，第四弧形块713嵌设于该滑槽内，二者可相对滑动。一对第六弧形块715分别与第五弧形块714的两侧通过一对第二销轴716转动连接，第四弧形块713、第五弧形块714和第六弧形块715用于固定于人体的小臂处，且通过调节第六弧形块715与第五弧形块714之间的角度，可对夹持范围进行调节，以使小臂机构7可穿戴于不同维度的小臂上。

在本实施例中，以人体穿戴上肢外骨骼机器人后人体小臂处于竖直状态为例，在第四从动绕线轮604转动时，带动小臂机构7转动，小臂机构7转动时，人体小臂进行相应的运动，在人体小臂运动过程中，第二滑动件706可沿竖直方向进行滑动，第七回转件710可沿自身的圆周方向转动，第五弧形块714可发生左右方向的滑动，从而对小臂机构7进行自顺应调节，以使人机运动相融。

如图13和图14所示，在本发明的实施例中，手部机构8包括：手部第一连接件801、第一回转件802、手部第二连接件803和握杆804。手部第一连接件801具有一个弯折部，手部第一连接件801的第一端与小臂机构7连接，第一回转件802与手部第一连接件801的第二端连接，手部第二连接件803具有一个弯折部，手部第二连接件803的第一端与第一回转件802连接。握杆804与手部第二连接件803的第二端连接。

具体来说，手部第一连接件801和手部第二连接件803均为L形结构，手部第一连接件801的第二端通过第一回转件802与手部第二连接件803连接，握杆804用于人体在穿戴外骨骼机器人后将握杆804握在手里。

当肘关节机构6的第四从动绕线轮604转动时，带动小臂机构7和手部机构8转动，通过设置第一回转件802，握杆804可在人体手部转动时自顺应转动，以使手部的人机运动相融。

本发明实施例提供的上肢外骨骼机器人，通过设置平台，可将驱动机构设置于人体外部，减轻了人体的负重；通过在肩关节机构设置三个从动绕线轮，可驱动肩关节机构进行外旋/内旋运动、外展/内收运动以及前屈/后伸运动，从而带动大臂机构进行相应的运动，在大臂机构运动过程中，五个被动自由度可自顺应调整大臂机构，使人机运动相融；通过在肘关节机构设置从动绕线轮，可驱动小臂机构和手部机构转动，在小臂机构和手部机构转动过程中，小臂机构的三个被动自由度以及手部机构的一个被动自由度，可自顺应调整小臂机构和手部机构，从而实现人机运动相融，避免了人机运动不一致导致的外骨骼机器人对人体产生冗余约束力/力矩。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种上肢外骨骼机器人，其特征在于，包括：平台、多个驱动机构以及依次连接的背部机构、肩关节机构、大臂机构、肘关节机构、小臂机构和手部机构；

所述平台上设有多个所述驱动机构，所述平台用于设置于外部物体上，所述背部机构与所述平台连接，多个所述驱动机构用于驱动所述肩关节机构和所述肘关节机构运动，所述肩关节机构用于带动所述大臂机构运动，所述肘关节机构用于带动所述小臂机构和手部机构运动；

所述大臂机构具有五个被动自由度，所述小臂机构具有三个被动自由度，所述手部机构具有一个被动自由度，以在所述肩关节机构和所述肘关节机构的驱动下，所述大臂机构、所述小臂机构和所述手部机构能够自顺应调整，以使人机运动相融。

2.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大臂机构包括：

第一连接组件，与所述肩关节机构连接；

第一滑动件，与所述第一连接组件滑动连接，以形成所述大臂机构的第一个被动自由度，所述第一滑动件能够转动，以形成所述大臂机构的第二个被动自由度；

第一转动组件，与所述第一滑动件连接，所述第一转动组件能够转动，以形成所述大臂机构的第三个被动自由度。

3.根据权利要求2所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大臂机构还包括：

大臂第一连接件，与所述第一转动组件连接；

大臂第二连接件，与所述大臂第一连接件转动连接，以形成所述大臂机构的第四个被动自由度；

大臂固定组件，与所述大臂第二连接件连接，所述大臂固定组件能够相对滑动，以形成所述大臂机构的第五个被动自由度。

4.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小臂机构包括：

第二连接组件，与所述肘关节机构连接；

第二滑动件，与所述第二连接组件滑动连接，以形成所述小臂机构的第一个被动自由度；

第二转动组件，与所述第二滑动件连接，所述第二转动组件可以转动，以形成所述小臂机构的第二个被动自由度。

5.根据权利要求4所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小臂机构还包括：

第三连接组件，与所述第二转动组件连接；

小臂固定组件，与所述第三连接组件连接，所述小臂固定组件能够相对滑动，以形成所述小臂机构的第三个被动自由度。

6.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述肩关节机构包括：

第三转动组件，与所述背部机构连接，所述第三转动组件设有第一从动绕线轮，所述第一从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第一从动绕线轮用于带动所述肩关节机构进行内旋或外旋运动；

肩关节第一连接板，与所述第三转动组件连接；

连杆组件，所述连杆组件的第一端与所述肩关节第一连接板转动连接，所述连杆组件设有第二从动绕线轮，所述第二从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第二从动绕线轮用于带动所述肩关节机构进行外展或内收运动。

7.根据权利要求6所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述肩关节机构还包括：

第四连接组件，所述连杆组件的第二端与所述第四连接组件转动连接；

第四转动组件，所述第四转动组件的第一端与所述第四连接组件连接，所述第四转动组件的第二端与所述大臂机构连接，所述第四转动组件设有第三从动绕线轮，所述第三从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第三从动绕线轮用于带动所述肩关节机构进行前屈或后伸运动。

8.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述肘关节机构包括：

固定板，与所述大臂机构连接；

第五转动组件，所述第五转动组件的两侧分别与所述固定板和所述小臂机构连接，所述第五转动组件设有第四从动绕线轮，所述第四从动绕线轮通过牵引线与一个所述驱动机构连接，所述第四从动绕线轮用于实现所述肘关节机构的转动运动。

9.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，每个所述驱动机构包括：

驱动器；

主动绕线轮，所述驱动器的转轴与所述主动绕线轮连接，所述主动绕线轮通过牵引线与所述肩关节机构或所述肘关节机构连接；

一对第一线夹，一对所述第一线夹相对设置于所述主动绕线轮的边缘，以固定牵引线；

一对限位块，一对所述限位块相对设置，在所述主动绕线轮转动过程中，所述限位块能够与所述第一线夹抵接，以对所述主动绕线轮的转动起到限位作用。

10.根据权利要求1所述的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述手部机构包括：

手部第一连接件，所述手部第一连接件具有一个弯折部，所述手部第一连接件的第一端与所述小臂机构连接；

第一回转件，与所述手部第一连接件的第二端连接；

手部第二连接件，所述手部第二连接件具有一个弯折部，所述手部第二连接件的第一端与所述第一回转件连接；

握杆，与所述手部第二连接件的第二端连接。