本发明专利技术公开了一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，包括腕部外摆/内收关节、前屈/后伸关节、旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、外摆/内收关节、旋内/旋外关节、以及套索驱动装置；肩部、肘部以及腕部旋内/旋外关节分别通过套索与固定于支架上的电机相连接，驱动力矩通过套索传递到各关节；腕部外摆/内收关节和前屈/后伸关节采用电机直接驱动；电机内置编码器，用于测量外骨骼整体姿态；腕部安装有六维力传感器，用于测量人机交互力；肩部和肘部安装有平衡弹簧，能实现机构整体的重力平衡。本发明专利技术克服了关节质量和惯量过大的问题，实现轻量化设计，有效减小功耗，提升系统安全性能，并能实现多模式康复训练。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于医疗器械领域，涉及一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人。
技术介绍
脑卒中又称脑血管意外或中风，是由于脑血管异常所造成的突发性神经功能损害，具有发病率高、死亡率高、致残率高的特点。据国家卫生部统计，脑卒中的发病率和死亡率随年龄增加而迅速上升。目前中国的脑卒中患者总数超过了 800万例，每年新发病例120?150万，死亡80?100万，约3/4的幸存者会由于运动神经受损而造成的不同程度的偏瘫，导致运动功能障碍，严重影响生活质量。脑卒中后偏瘫的治疗和康复已经成为现代康复医学和康复工程的研宄热点。研宄表明，对偏瘫患者的患侧进行重复性运动训练，有助于恢复中枢神经对肢体运动的支配与控制，增强患者的肌肉力量，改善运动协调性，并能有效够预防肌肉萎缩，骨质疏松等并发症状。传统的临床方法主要包括超早期的基础护理，中期的按摩、推拿，后期的针刺治疗等，这些方法主要以徒手康复治疗为主，治疗效果受到治疗手段和医师个人经验差异的影响，每个医师需按照一对一的治疗模式，反复牵引偏瘫患者进行针对性的康复训练，治疗过程需要耗费大量的精力和体力，护理成本高昂。而且整个训练过程单调重复，患者常常处于被动状态，参与度低，也不能够选择治疗方式和治疗习惯，由于没有实时的反馈和直观数据的采集，医师不容易及时了解其康复程度和效果上肢康复外骨骼系统是将机器人技术引入临床康复医学领域而产生的一种辅助或替代医师完成患肢康复训练的机器人系统。上肢康复外骨骼可以穿戴于偏瘫患者外侧，并对其进行准确、持续、有效的上肢恢复训练治疗，解决康复医疗资源紧张和人工训练中存在的问题，同时还可以通过感知系统测量得到的人体运动学和生理学数据，帮助康复医师更准确地评估患者病情，为医师改进和优化康复方案提供了客观依据。在专利号为CN102151215B的专利技术专利中，公开了一种上肢外骨赂式康复机械臂，由肩部C型外轨道支座、轨道滑块、肩头连接杆、上臂连接杆、前臂连接杆、手腕环形外轨道支座、手腕摆动连杆和手柄构成，可实现7个自由度的运动。但由于该专利技术没有设置驱动元件，因此无法独立对患者进行康复训练治疗。在专利号为CN103948485A的专利技术专利中，公开了一种外骨式上肢康复机器人，由驱动部分、传动部分、执行部分构成，能模拟运动疗法进行康复训练。但是该专利只能完成肘关节前屈/后伸和前臂旋内/旋外两种运动模式，不利于上肢其他关节的康复治疗。在专利号为CN102119902B的专利技术专利中，公开了一种可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼。该专利技术能实现患者上肢任意关节的康复训练，而且可以采集各个关节的运动学和动力学数据。但是，该专利将驱动电机均安装在关节上，使外骨骼整体具有较大的质量、惯量以及体积，增加了系统的整体负重、功耗以及对驱动元件的性能要求，降低了控制精度，而且在系统故障或异常断电发生的时候会带来患肢坠落的安全隐患。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有优化结构的上肢康复外骨骼机器人，以克服上述缺陷。
技术实现思路
技术问题:本专利技术提供一种主要适用于偏瘫患者的上肢康复训练，结构简单、系统功耗低、安全性好的基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人。技术方案:本专利技术的基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，包括依次连接的腕部外摆/内收关节、腕部前屈/后伸关节、腕部旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、肩部外摆/内收关节、肩部旋内/旋外关节、以及分别与所述腕部旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、肩部外摆/内收关节和肩部旋内/旋外关节连接的套索驱动装置，所述肘部前屈/后伸关节还与肩部旋内/旋外关节连接。腕部外摆/内收关节包括末端操作手柄、六维力传感器、第一关节驱动输出杆、第一关节电机和第一关节法兰盘，末端操作手柄通过螺栓与六维力传感器的顶端固定连接，六维力传感器底端通过螺栓与第一关节驱动输出杆的外端固定连接，第一关节电机通过螺栓与第一关节驱动输出杆的内端固定连接，第一关节电机的转轴通过键和轴端挡圈与第一关节法兰盘的内孔固定连接，使第一关节驱动输出杆和第一关节法兰盘构成第一转动副。腕部前屈/后伸关节包括第二关节驱动输出杆、第二关节法兰盘、第二关节电机、腕部第一调节杆和腕部第二调节杆，第二关节驱动输出杆的一端通过螺栓与第一关节法兰盘的外缘固定连接，另一端通过螺栓与第二关节法兰盘的外缘固定连接，第二关节电机通过螺栓与腕部第一调节杆固定连接，第二关节电机的转轴通过键和轴端挡圈与第二关节法兰盘的内孔固定连接，使腕部第一调节杆和第二关节法兰盘构成第二转动副，腕部第一调节杆和腕部第二调节杆分别设置有通槽，腕部第一调节杆和腕部第二调节杆的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连。腕部旋内/旋外关节包括第三关节驱动输出环、第三关节负载端钢丝索固定件、第三关节固定环、第三关节套管固定件、第三关节套管和第三关节钢丝索，第三关节驱动输出环的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与腕部第二调节杆的末端固定连接，第三关节固定环通过轴承与第三关节驱动输出环连接，并构成第三转动副，第三关节套管固定件上设置有台阶孔，并通过螺栓与第三关节固定环的外侧固定连接，第三关节套管的一端与第三关节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第三关节负载端钢丝索固定件通过螺栓与第三关节驱动输出环固定连接，第三关节钢丝索的一端嵌入第三关节驱动输出环的环形沟槽，并与第三关节负载端钢丝索固定件固定连接，另一端穿过第三关节套管固定件上的台阶孔和第三关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递。肘部前屈/后伸关节包括前臂杆、通过轴承和轴端挡圈连接在所述前臂杆的第一辅助转轴、第一辅助连杆、第二辅助转轴、第二辅助连杆、第一平衡弹簧、上臂绑带、上臂调节杆、上臂杆、通过轴承和轴端挡圈连接在所述上臂杆的第三辅助转轴、肘部壳体、第四关节套管固定件、第四关节负载滚轮、第四关节钢丝索、第四关节套管、肘部转轴、第二平衡弹簧和平衡调节螺栓，前臂杆的一端通过螺栓同时与第三关节固定环和第三关节套管固定件固定连接，另一端通过键与肘部转轴相连接，肘部转轴通过轴承与肘部壳体相连，并构成第四转动副，第一辅助连杆的一端与第一辅助转轴连接，另一端通过轴承、轴端挡圈、第二辅助转轴与第二辅助连杆的一端连接，第二辅助连杆的另一端与第三辅助转轴连接第二辅助连杆与第二辅助转轴连接的一端同时与第一平衡弹簧底端连接，第一平衡弹簧的顶端与肩部旋内/旋外关节相连接，上臂调节杆和上臂杆的一端分别设置有通槽，上臂调节杆和上臂杆的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连，上臂杆的另一端通过螺栓与肘部壳体的上侧固定连接，所述第四关节负载滚轮的外侧设置有环形沟槽，并通过键和轴端挡圈与肘部转轴固定连接于肘部壳体的外侧，第四关节套管固定件上设置有台阶孔，并通过螺栓与肘部壳体的背侧固定连接，第四关节套管的一端与第四关节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第四关节钢丝索的一端嵌入第四关节负载滚轮的环形沟槽，并与第四关节负载滚轮固定连接，另一端穿过第四关节套管固定件上的台阶孔和第四关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递，上臂绑带通过螺栓与上臂杆的内侧固定连接，平衡调节螺栓穿过设置本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，该机构包括依次连接的腕部外摆/内收关节(1)、腕部前屈/后伸关节(2)、腕部旋内/旋外关节(3)、肘部前屈/后伸关节(4)、肩部前屈/后伸关节(5)、肩部外摆/内收关节(6)、肩部旋内/旋外关节(7)、以及分别与所述腕部旋内/旋外关节(3)、肘部前屈/后伸关节(4)、肩部前屈/后伸关节(5)、肩部外摆/内收关节(6)和肩部旋内/旋外关节(7)连接的套索驱动装置(8)，所述肘部前屈/后伸关节(4)还与肩部旋内/旋外关节(7)连接；所述腕部外摆/内收关节(1)包括末端操作手柄(101)、六维力传感器(102)、第一关节驱动输出杆(103)、第一关节电机(104)和第一关节法兰盘(105)，所述末端操作手柄(101)通过螺栓与六维力传感器(102)的顶端固定连接，所述六维力传感器(102)的底端通过螺栓与第一关节驱动输出杆(103)的外端固定连接，所述第一关节电机(104)通过螺栓与第一关节驱动输出杆(103)的内端固定连接，第一关节电机(104)的转轴通过键和轴端挡圈与第一关节法兰盘(105)的内孔固定连接，使第一关节驱动输出杆(103)和第一关节法兰盘(105)构成第一转动副(J1)；所述腕部前屈/后伸关节(2)包括第二关节驱动输出杆(201)、第二关节法兰盘(202)、第二关节电机(203)、腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)，所述第二关节驱动输出杆(201)的一端通过螺栓与第一关节法兰盘(105)的外缘固定连接，另一端通过螺栓与第二关节法兰盘(202)的外缘固定连接，所述第二关节电机(203)通过螺栓与腕部第一调节杆(204)固定连接，第二关节电机(203)的转轴通过键和轴端挡圈与第二关节法兰盘(202)的内孔固定连接，使腕部第一调节杆(204)和第二关节法兰盘(202)构成第二转动副(J2)；所述腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)分别设置有通槽，腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；所述腕部旋内/旋外关节(3)包括第三关节驱动输出环(301)、第三关节负载端钢丝索固定件(302)、第三关节固定环(303)、第三关节套管固定件(304)、第三关节套管(305)和第三关节钢丝索(306)，所述第三关节驱动输出环(301)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与腕部第二调节杆(205)的末端固定连接，所述第三关节固定环(303)通过轴承与第三关节驱动输出环(301)连接，并构成第三转动副(J3)，所述第三关节套管固定件(304)上设置有台阶孔，并通过螺栓与第三关节固定环(303)的外侧固定连接，所述第三关节套管(305)的一端与第三关节套管固定件(304)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第三关节负载端钢丝索固定件(302)通过螺栓与第三关节驱动输出环(301)固定连接，所述第三关节钢丝索(306)的一端嵌入第三关节驱动输出环(301)的环形沟槽，并与第三关节负载端钢丝索固定件(302)固定连接，另一端穿过第三关节套管固定件(304)上的台阶孔和第三关节套管(305)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；所述肘部前屈/后伸关节(4)包括前臂杆(401)、通过轴承和轴端挡圈连接在所述前臂杆(401)的第一辅助转轴(402)、第一辅助连杆(403)、第二辅助转轴(404)、第二辅助连杆(405)、第一平衡弹簧(406)、上臂绑带(407)、上臂调节杆(408)、上臂杆(409)、通过轴承和轴端挡圈连接在所述上臂杆(409)的第三辅助转轴(410)、肘部壳体(411)、第四关节套管固定件(412)、第四关节负载滚轮(413)、第四关节钢丝索(414)、第四关节套管(415)、肘部转轴(416)、第二平衡弹簧(417)和平衡调节螺栓(418)，所述前臂杆(401)的一端通过螺栓同时与第三关节固定环(303)和第三关节套管固定件(304)固定连接，另一端与肘部转轴(416)连接，所述肘部转轴(416)通过轴承与肘部壳体(411)相连，并构成第四转动副(J4)，所述第一辅助连杆(403)的一端与第一辅助转轴(402)连接，另一端通过轴承、轴端挡圈、第二辅助转轴(404)与第二辅助连杆(405)的一端连接，第二辅助连杆(405)的另一端与第三辅助转轴(410)连接，所述第二辅助连杆(405)与第二辅助转轴(404)连接的一端同时与第一平衡弹簧(406)底端连接，所述第一平衡弹簧(406)的顶端与肩部旋内/旋外关节(7)相连接，所述上臂调节杆(408)和上臂杆(409)的一端分别设置有通槽，上臂调节杆(408)和上臂杆(409)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王兴松，吴青聪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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