七自由度外骨骼式上肢康复机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，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。本发明专利技术通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练，包括：腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；前臂的旋内/旋外运动；肘关节的曲屈/伸展运动；肩关节的曲屈/伸展运动、旋内/旋外运动、外摆/内收运动。

【技术实现步骤摘要】
七自由度外骨骼式上肢康复机器人
本专利技术涉及一种机器人，具体地，涉及一种针对上肢偏瘫患者康复训练用的七自由度外骨骼式机器人。
技术介绍
脑卒中，俗称中风，是一种急性脑血管病，具有发病率高、死亡率高、致残率高的特点。近几年，脑卒中的发病率有逐年增加的趋势，成为继外伤、癌肿后第三位死亡原因，继外伤后第二位致残原因。存活的中风病人中，约有3/4有不同程度的运动功能和其他功能残疾，其中运动功能障碍发生率最高，偏瘫给脑卒中患者造成终身残疾，严重者失去生活自理能力和工作能力，靠社会和他人辅助生存，每年花费大量的人力和物力来照顾他们的日常生活，这些主要由社会和家庭承担。运动疗法是在手术与药物之外，最为重要和安全的一种康复治疗方式，并且被证明具有积极的疗效。传统的运动康复训练方式是康复治疗师通过人力协助患者完成一系列的运动，不可避免的存在着诸多弊端，如训练过程体力消耗大，训练效率低，训练效果根据治疗师的不同而参差不齐，无法精确控制训练参数，训练方式机械重复等。通过工业机器人技术与康复训练的结合，能够实现康复医师对康复训练的医学要求，帮助患者实现主动意识与多重刺激相结合的运动再学习。当前外骨骼上肢康复机器人已经应用于临床康复，但鉴于康复运动对外骨骼上肢康复机器人的安全性考虑，再加上外骨骼机器人独特的紧凑结构和康复训练的空间运动要求，基于力学反馈的控制方式对外骨骼机器人在被动运动、助动运动和阻抗运动的应用上提出了更高的设计和控制要求。这也是影响动力辅助在康复机器人领域进展的关键性研究。仅仅通过简单的位置传感确定运动方式，远远满足不了安全性的要求，也影响康复辅助运动的效果。而为保障康复运动更高的安全性，上肢康复机器人需要实时掌握各个关节自由度运动的力学参数，通过对力学参数的采集和运算，反馈到控制系统中，并以此为基准和参考控制外骨骼机器人的辅助运动。经过对现有技术检索发现，中国专利技术专利公开号CN101357097A，名称：五自由度外骨骼式上肢康复机器人，该设计结构包括机器人的安装架，安装架设计有导轨，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂通过旋转轴安装在升降架上，由横肩、上臂、前臂和手柄构成的康复机械臂本体安装在可旋转安装臂上，5个关节自由度，5个驱动电子分别安装在各个关节的转动轴上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部，肘部及腕部，其中，肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检查装置连接电机减速器与执行机构。该机器人为患者提供各关节的单自由度运动与三维多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练。该专利技术可以辅助上肢五个自由度的运动训练，但无法帮助辅助患者进行上肢肩关节的旋内/旋外运动，以及前臂的旋内/旋外，而这两种自由度的运动是结合在上肢复合运动之中的。并且，该专利技术选用的控制电机及力矩传感器致使结构不紧凑，整体重量过大，不利于使用，圆形封闭的机构不利于病患的安全穿戴与脱离，同时，没有考虑到机器人本体及患肢的重力补偿。因此，该机构在辅助上肢进行康复训练时，具有一定的局限性。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，可以通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练，包括：腕关节的屈/伸、外展/内收；前臂的旋内/旋外；肘关节的屈/伸；肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆/内收。为实现以上目的，本专利技术提供一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，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；所述的前臂和腕关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现前臂的旋内/旋外运动、腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；所述的肘关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肘关节的曲屈/伸展运动；所述的上臂运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的旋内/旋外运动；所述的重力补偿运动机构：根据受力的不同，为连接在一起的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构与上肢提供弹性的支撑；在弹性运动范围内实现肩关节的曲屈/伸展运动，同时提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心；所述的肩关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的外摆/内收运动；所述的座椅机构，提供使用者坐姿使用，限制使用者位置。优选地，所述的前臂和腕关节运动机构，包括握杆、第一弯杆、第一轴、第一轴承、第二弯杆、第一皮带轮、第一皮带、第二皮带轮、第二轴、第二轴承、联轴器、第一电机座、第二电机座、第三电机座、第一电机、第三弯杆、前臂板、第三轴承、第三轴、第三皮带轮、第二皮带、第四皮带轮、第四轴、圆柱轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第二电机、第四电机座、第五电机座、第六电机座和U形环，其中：握杆尾部插入第一弯杆中并紧固；第一弯杆与第一皮带轮通过第一轴紧固，第一轴与第二弯杆间装有第一轴承；第一电机座、第二电机座、第三电机座紧固在第二弯杆上，第一电机固定在第一电机座、第二电机座、第三电机座中，第一电机与第二轴通过联轴器连接，第二轴与第二弯杆间装有第二轴承，第二皮带轮固定在第二轴顶端，第二皮带轮与第一皮带轮之间装有第一皮带；第三弯杆一端与第二弯杆紧固连接、另一端与第三轴紧固，第三轴的一端与第三皮带轮紧固、另一端与前臂板通过第三轴承连接；前臂板插入U形环内，并可根据具体长度拖动相对位置进行调整，第四轴与第一锥齿轮之间通过圆柱轴承连接，第一锥齿轮紧固在第四皮带轮中，第四轴的末端固定在U形环槽口中；第三皮带轮与第四皮带轮通过第二皮带连接；第四电机座、第五电机座、第六电机座紧固在前臂板上，第二电机固定在第四电机座、第五电机座、第六电机座中，第二锥齿轮紧固在第二电机上。更优选地，所述握杆上设有握杆橡胶套，橡胶套根据人手握杆时的手型定制，方便虎口的卡位，并带动手腕运动，握杆橡胶套套紧在握杆上。优选地，所述的肘关节运动机构，包括第一肘关节板、第二肘关节板、第一肘关节半U形板、第二肘关节半U形板、第一肘关节轴承、第二肘关节轴承、第一肘关节轴、第二肘关节轴、第一肘关节皮带轮、第二肘关节皮带轮、肘关节皮带、肘关节电机座架、第一肘关节电机座、第二肘关节电机座、第三肘关节皮带轮、肘关节电机，其中：第一肘关节板一端与第一肘关节轴的一端紧固；第一肘关节轴的另一端与第一肘关节皮带轮紧固；第一肘关节轴与第一肘关节半U形板通过轴承连接；第二肘关节板一端与第二肘关节轴的一端紧固，第二肘关节轴的另一端与第二肘关节皮带轮紧固；第二肘关节轴与第二肘关节半U形板通过轴承配合连接；第一肘关节半U形板与第二肘关节半U形板对称固定在肘关节电机座架上；第一肘关节电机座、第二肘关节电机座固定在肘关节电机座架上；肘关节电机固定在第一肘关节电机座、第二肘关节电机座中；第三肘关节皮带轮紧固在肘关节电机输出端上；第二肘关节皮带轮与第三肘关节皮带轮通过肘关节皮带连接；当肘关节电机进行翻转切换安装时，固定其上的第三肘关节皮带轮、第一肘关节电机座将通过肘关节皮带与第一肘关节皮带轮连接；肘关节运动机构的第一肘关节板另一端与前臂与腕关节运动机构的U形环下端紧固，肘关节运动机构的第二肘关节板另一端与前臂与腕关节运动机构的U形环上端紧固，从而实现肘关节运动机构和前臂与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，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；所述的前臂和腕关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现前臂的旋内/旋外运动、腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；所述的肘关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肘关节的曲屈/伸展运动；所述的上臂运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的旋内/旋外运动；所述的重力补偿运动机构：根据受力的不同，为连接在一起的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构与上肢提供弹性的支撑；在弹性运动范围内实现肩关节的曲屈/伸展运动，同时提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心；所述的肩关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的外摆/内收运动；所述的座椅机构，提供使用者坐姿使用，限制使用者位置。

【技术特征摘要】
1.一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，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；所述的前臂和腕关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现前臂的旋内/旋外运动、腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；所述的肘关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肘关节的曲屈/伸展运动；所述的上臂运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的旋内/旋外运动；所述的重力补偿运动机构：根据受力的不同，为连接在一起的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构与上肢提供弹性的支撑；在弹性运动范围内实现肩关节的曲屈/伸展运动，同时提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心；所述的肩关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的外摆/内收运动；所述的座椅机构，提供使用者坐姿使用，限制使用者位置；所述的重力补偿运动机构，包括第一支撑杆座、支撑杆、第二支撑杆座、第一支撑架部件、第二支撑架部件、第三支撑架部件、第四支撑架部件、第一圆柱杆、第二圆柱杆、第三圆柱杆、立柱管、旋转座、第一立柱座、第二立柱座；其中：支撑杆的一端与第一支撑杆座相连、另一端与第二支撑杆座相连；第一支撑杆座套在立柱管上并锁紧；第二支撑杆座与第二支撑架部件和第四支撑架部件相连；第二支撑架部件和第四支撑架部件相连并相互配合，第一支撑架部件和第三支撑架部件相连并相互配合，第一圆柱杆、第二圆柱杆和第三圆柱杆分别被第一支撑架部件与第三支撑架部件、第二支撑架部件与第四支撑架部件夹紧；第一支撑架部件和第三支撑架部件与旋转座的一端相连，旋转座的另一端连接立柱管，立柱管的中部和底部分别安装有第一立柱座、第二立柱座，且第一支撑杆座在第一立柱座、第二立柱座之间。2.根据权利要求1所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的前臂和腕关节运动机构，包括握杆、第一弯杆、第一轴、第一轴承、第二弯杆、第一皮带轮、第一皮带、第二皮带轮、第二轴、第二轴承、联轴器、第一电机座、第二电机座、第三电机座、第一电机、第三弯杆、前臂板、第三轴承、第三轴、第三皮带轮、第二皮带、第四皮带轮、第四轴、圆柱轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第二电机、第四电机座、第五电机座、第六电机座和U形环，其中：握杆尾部插入第一弯杆中并紧固；第一弯杆与第一皮带轮通过第一轴紧固，第一轴与第二弯杆间装有第一轴承；第一电机座、第二电机座、第三电机座紧固在第二弯杆上，第一电机固定在第一电机座、第二电机座、第三电机座中，第一电机与第二轴通过联轴器连接，第二轴与第二弯杆间装有第二轴承，第二皮带轮固定在第二轴顶端，第二皮带轮与第一皮带轮之间装有第一皮带；第三弯杆一端与第二弯杆紧固连接、另一端与第三轴紧固，第三轴的一端与第三皮带轮紧固、另一端与前臂板通过第三轴承连接；前臂板插入U形环内，第四轴与第一锥齿轮之间通过圆柱轴承连接，第一锥齿轮紧固在第四皮带轮中，第四轴的末端固定在U形环槽口中；第三皮带轮与第四皮带轮通过第二皮带连接；第四电机座、第五电机座、第六电机座紧固在前臂板上，第二电机固定在第四电机座、第五电机座、第六电机座中，第二锥齿轮紧固在第二电机上。3.根据权利要求1所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的肘关节运动机构，包括第一肘关节板、第二肘关节板、第一肘关节半U形板、第二肘关节半U形板、第一肘关节轴承、第二肘关节轴承、第一肘关节轴、第二肘关节轴、第一肘关节皮带轮、第二肘关节皮带轮、肘关节皮带、肘关节电...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢叻，刘琳，石运永，陆梦迪，王金武，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31