一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；所述肩背部固定模块包括肩背部固定支架、背包模块、设置在背包模块内的驱动控制模块和电源模块；所述上臂辅助模块包括电机底座、肩部转盘电机、固定连接件、承重支杆、第一转盘底座、直线驱动装置、第一上臂固定套，该装置可用于穿戴者上肢的日常运动辅助训练，能够完成单自由度动作训练及多自由度联动训练，该装置仅利用三个主动驱动单元即实现了肩关节的前屈/后伸、外展/内收和内旋/外旋以及肘关节的屈曲/超伸共四个自由度，能够用于便携的上肢运动辅助。该装置结构简单、穿戴便捷，具有较高的临床意义和实用价值。

A degree of freedom four degree of freedom wearable upper limb motion assist device

The invention relates to a Four-Degree-of-Freedom wearable upper limb motion assistant device, which includes shoulder-back fixing module, upper arm assisting module and forearm assisting module, and the shoulder-back fixing module includes shoulder-back fixing bracket, knapsack module, drive control module and power module arranged in the knapsack module. The upper arm auxiliary module includes a motor base, a shoulder turntable motor, a fixed connector, a load-bearing support rod, a first turntable base, a linear drive device, and a first upper arm fixing sleeve. The device can be used for the daily motion auxiliary training of the upper limb of the wearer, and can complete the single-degree-of-freedom movement training and multi-degree-degree-of-freedom linkage training. Only three active driving units are used to realize four degrees of freedom of shoulder joint flexion/extension, abduction/adduction, internal rotation/external rotation and elbow joint flexion/hyperextension, which can be used for portable upper limb motion assistance. The device has the advantages of simple structure, convenient wearing, and has high clinical significance and practical value.

【技术实现步骤摘要】
一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置
本专利技术属于上肢康复机器人
，涉及一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置。
技术介绍
我国中风、偏瘫患者高达上千万人，且发病人数逐年上升，再加上人口老龄化的影响，对康复医疗的需求愈加迫切。现有康复医疗主要依托康复医师的经验技术，但医生人数及技术的影响制约了患者的康复治疗。近年来康复机器人发展迅猛，其应用在一定程度上缓解了这种局限，但随着研究的深入对康复机器人的要求也越来越高。人体上肢运动模式可以被表示为7个自由度，分别是肩关节的外展/内收、前屈/后伸、内旋/外旋；肘关节的屈曲/超伸；前臂的旋前/旋后自由度；以及腕关节的掌屈/背伸、桡偏/尺偏自由度。其中，最常见的四个自由度分别是肩关节的外展/内收、前屈/后伸、内旋/外旋自由度和肘关节的屈曲/超伸自由度。国内外康复治疗设备种类繁多，根据康复训练目的的不同，常常选择不同的自由度。早期的康复治疗设备多为台式，通过单端牵引的方式，利用多个驱动单元实现单个部位的单或多自由度训练，例如美国麻省理工学院和Spaulding康复医院利用五连杆机构研发的2自由度MIT-Manus机器人和英国Reading大学利用升降式摇臂实现的三自由度GENTLE/S等；随着康复设备的发展，出现了关节与人体关节一致的康复外骨骼设备，例如苏黎世理工学院和Balgrist大学医院合作研发的Armin系列和美国华盛顿大学研发的CADEN-7等外骨骼康复治疗设备；近年来康复治疗设备逐渐向系统型、功能型、便携型转变，自由度的控制上也由原来多对一的控制模式逐渐发展为驱动单元与人体运动自由度一一对应(一致)的控制模式，主要表现为单驱动单元控制单关节的单自由度运动，或其组合，例如瑞士Hocoma公司研发的具有重力补偿功能的ArmeoSpring机器人等。这种驱动单元与人体运动自由度一一对应的控制模式虽然基本实现了表征人体上肢运动特性的7个自由度，但较多的驱动单元往往造成机械臂笨重，不利于机械臂的便携可穿戴式设计，增大了控制的复杂度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，通过主动自由度和被动自由度的结合，仅利用三个主动驱动单元就分别实现了上肢运动辅助任务中最主要的四个自由度；利用三个主动驱动单元的联合控制，实现了穿戴者上肢的四自由度运动辅助任务。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；所述肩背部固定模块包括肩背部固定支架、背包模块、设置在背包模块内的驱动控制模块和电源模块；所述上臂辅助模块包括电机底座、肩部转盘电机、固定连接件、承重支杆、第一转盘底座、直线驱动装置、第一上臂固定套，所述前臂辅助模块包括前臂驱动模块及固定模块；所述承重支杆水平设置在人体肩部的上方，内端的底部通过固定连接件连接肩部转盘电机的输出端，可绕其输出轴在水平面内转动，外端的侧面通过第一转盘底座连接直线驱动装置的固定端，直线驱动装置的输出端通过第一单端固定旋转轴或第一吊环与第一上臂固定套上的一点连接。进一步，所述肩背部固定支架包括胸前、肩膀、背后三个基板，胸前、背后两个基板的上端通过肩膀基板连接，胸前、背后两个基板的下端分别通过束缚固定背带进行连接。进一步，上肢运动辅助装置还包括颈肩环扣，所述颈肩环扣通过旋转件连接于肩背部支架背后基板中央上端位置。进一步，所述直线驱动装置为第一电动推杆，所述第一电动推杆的固定端通过第一转盘底座连接于承重支杆。第一电动推杆的输出端通过第一单端固定旋转轴或第一吊环与第一上臂固定套上的一点连接。进一步，所述前臂驱动模块包括第二电动推杆、第二底盘底座，所述固定模块包括第一前臂固定套，所述第二电动推杆的固定端通过第二转盘底座连接第一上臂固定套，第二电动推杆的输出端通过第二单端固定旋转轴或第二吊环与第一前臂固定套上的一点连接。进一步，所述前臂驱动模块包括旋转电机，所述固定模块包括第二上臂固定套、第二前臂固定套、袖套连接件，所述袖套连接件包括转动连接的内侧旋转轴和外侧旋转轴，外侧旋转轴与第二上臂固定套固定连接，内侧旋转轴与第二前臂固定套固定连接，旋转电机固定安装于袖套连接件外侧旋转轴对应位置，旋转电机的输出轴与袖套连接件的内侧旋转轴固定连接。本专利技术的有益效果在于：本专利技术打破了康复训练设备单驱动单元控制单运动部位的单自由度运动的制约，利用旋转电机有效避免了康复装置臂长调节的问题，提供了一种多驱动单元联动的控制模型。通过主动自由度和被动自由度的结合，仅利用三个主动驱动单元就分别实现了上肢运动辅助中最主要的四个自由度；通过三个主动驱动单元的联合控制，即可实现穿戴者上肢的四自由度运动辅助任务。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1a为实施例1的结构示意图；图1b为实施例1的主视图；图1c为实施例1的后视图；图2a为实施例1的穿戴示意图；图2b为实施例1的穿戴主视图；图2c为实施例1的穿戴后视图；图3a为实施例2的结构示意图；图3b为实施例2的主视图；图3c为实施例2的后视图；图4a为实施例2的穿戴示意图；图4b为实施例2的穿戴主视图；图4c为实施例2的穿戴后视图。图中，肩背部固定支架1、背包模块2、驱动控制模块3、电源模块4、束缚固定背带5、颈肩环扣6、旋转件7、电机底座8、肩部转盘电机9、固定连接件10、承重支杆11、第一转盘底座12、第一电动推杆13、第一单端固定旋转轴或第一吊环14、第一上臂固定套15、第二转盘底座16-1、第二电动推杆17-1、第二单端固定旋转轴或第二吊环18-1、第一前臂固定套19-1、第二上臂固定套16-2、袖套连接件17-2、旋转电机18-2、第二前臂固定套19-2。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例1：参阅图1a-1c和2a-2c，本专利技术主要包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；肩背部固定模块包括肩背部固定支架1、背包模块2、设置在背包模块2内的驱动控制模块3和电源模块4，由肩部转盘电机9、第一电动推杆13、第二电动推杆17-1构成最基本结构形式。图中，所述上臂辅助模块包括电机底座8、肩部转盘电机9、固定连接件10、承重支杆11、第一转盘底座12、第一电动推杆13、第一上臂固定套15。第一电动推杆13的输出端通过第一单端固定旋转轴或第一吊环14与第一上臂固定套15上的一点连接。图中，所述前臂辅助模块包括第一前臂固定套19-1以及设置在第一前臂固定套19-1与第一上臂固定套15之间的前臂驱动模块。前臂驱动模块为第二电动推杆17-1，第二电动推杆17-1的固定端通过第二转盘底座16-1连接第一上臂固定套15，第二电动推杆17-1的输出端通过第二单端固定旋转轴或第二吊环18-1与第一前臂固定套上19-1的一点连接。第一单端固定旋转轴或第一吊环14和第二单端固定旋转轴或第二吊环18-1在硬连接情况下采用单端固定旋转轴形式，在软连接情况下也采用吊环连接的形式。肩部转盘电机9通过电机底座8固定在肩背部固定支架1一端的肩膀基板上，肩部转盘电机9输出端通过固定连接件10连接于承重支杆11一端的底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，其特征在于：包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；所述肩背部固定模块包括肩背部固定支架、背包模块、设置在背包模块内的驱动控制模块和电源模块；所述上臂辅助模块包括电机底座、肩部转盘电机、固定连接件、承重支杆、第一转盘底座、直线驱动装置、第一上臂固定套，所述前臂辅助模块包括前臂驱动模块及固定模块；所述承重支杆水平设置在人体肩部的上方，内端的底部通过固定连接件连接肩部转盘电机的输出端，可绕其输出轴在水平面内转动，外端的侧面通过第一转盘底座连接直线驱动装置的固定端，直线驱动装置的输出端通过第一单端固定旋转轴或第一吊环与第一上臂固定套上的一点连接。

【技术特征摘要】
1.一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，其特征在于：包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；所述肩背部固定模块包括肩背部固定支架、背包模块、设置在背包模块内的驱动控制模块和电源模块；所述上臂辅助模块包括电机底座、肩部转盘电机、固定连接件、承重支杆、第一转盘底座、直线驱动装置、第一上臂固定套，所述前臂辅助模块包括前臂驱动模块及固定模块；所述承重支杆水平设置在人体肩部的上方，内端的底部通过固定连接件连接肩部转盘电机的输出端，可绕其输出轴在水平面内转动，外端的侧面通过第一转盘底座连接直线驱动装置的固定端，直线驱动装置的输出端通过第一单端固定旋转轴或第一吊环与第一上臂固定套上的一点连接。2.根据权利要求1所述的一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，其特征在于：所述肩背部固定支架包括胸前、肩膀、背后三个基板，胸前、背后两个基板的上端通过肩膀基板连接，胸前、背后两个基板的下端分别通过束缚固定背带进行连接。3.根据权利要求2所述的一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，其特征在于：上肢运动辅助装置还包括颈肩环扣，所述颈肩环扣通过旋转件连接于肩背部支架背后...

【专利技术属性】
技术研发人员：呼林涛，侯文生，吴小鹰，赵云，肖博文，陈琳，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50