重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法，属于医疗器械领域。该机器人包括移动机架、机器人基座、腰部、大臂、中臂、小臂、腕部、末端手柄，具有六个自由度；其中大臂、中臂、小臂内部安装有重力平衡装置，用于平衡机器人连杆自重所产生的负载力矩；中臂、小臂关节驱动电机置于腰部，采用套索传递驱动力矩；各电机内置编码器，用于测量机器人姿态；末端手柄模块安装有六维力传感器，用于测量人机交互力。本发明专利技术减小了电机所需驱动力，提高了机器人末端负载能力，降低了康复机器人的成本，减轻了机器人的自重，套索驱动关节具有柔顺性，提升了人机交互安全性，能实现患者左、右上肢的康复训练，并且不仅限于康复训练应用。

【技术实现步骤摘要】
重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法
本专利技术属于医疗器械领域，涉及一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法。
技术介绍
对于上肢偏瘫患者来说，康复训练是一种必要的辅助治疗手段。传统的医师辅助康复训练护理成本高，康复劳动强度大，并且极依赖于医师的经验与技术。随着我国人口老龄化程度加深，传统的医师辅助康复训练难以满足越老越多上肢偏瘫患者的治疗需求。上肢康复机器人可将康复训练医师从繁重的训练任务中解放出来，减少患者的经济负担，为患者提供有效的康复训练。康复机器人一般分为末端牵引式康复机器人和外骨骼康复机器人，末端牵引式康复机器人一般为多自由度串联机器臂的形式，具有结构简单、易于控制、价格低廉等优点，且在技术方面较为成熟。目前多自由度串联机器人多采用功率较大的电机及减速器以支撑机器人的自重和负载，由于这类电机较为昂贵，质量和尺寸都较大，造成整个机器人成本高，自重和尺寸大，人机交互安全性较差。重力平衡装置一般基于弹性元件，通过势能或者力的计算而设计。重力平衡装置与机器人结合，可平衡机器人自重所产生的扭矩，选取更便宜，质量、尺寸更小的电机，从而降低成本，减小机器人的整体质量与尺寸。目前采用重力平衡装置的康复机器人较少，不能满足康复机器人较高的经济性和人机交互安全性需求，且重力平衡装置一般置于机器人本体之外，增加了结构的复杂性；机器人关节往往采用刚性驱动器驱动，人机交互安全性较差；机器人由于结构限制，往往只能实现单侧患肢的康复训练功能。在专利公布号为CN104626101A的专利技术专利中，公开了一种机器人三维空间重力平衡补偿装置及方法，利用弹簧与绳平衡机器人连杆重力；但是该专利技术将重力平衡装置放置于机器人连杆之外，增加了机器人结构尺寸。在专利公布号为CN102379793的专利技术专利中，公开了一种上肢康复训练机器人，该康复机器人为外骨骼式，有五个关节；但该专利技术将驱动电机置于关节处，自重较大，没有重力平衡装置，电机驱动力矩需求较大。因此，针对上述技术问题，有必要设计一种具有优化结构的采用重力平衡装置的末端牵引式康复机器人。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种主要适用于上肢偏瘫患者的康复训练，成本较低、结构紧凑、质量较轻的可实现重力平衡的末端牵引式上肢康复机器人及工作方法。技术方案：一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人,其特征在于：包括主体结构和重力平衡机构；主体结构包括移动机架、机器人基座、腰部、大臂、中臂、小臂、腕部、末端手柄；上述机器人基座包括安装基座、腰部关节电机、基座外壳、轴承座、圆锥滚子轴承、腰部关节转轴；所述安装基座与移动机架固定连接；腰部关节电机固定安装在安装基座上；基座外壳与安装基座固定连接；轴承座固定安装在基座外壳上方；圆锥滚子轴承外圈安装在轴承座内，内圈安装在腰部关节轴上；腰部关节转轴下端与腰部关节电机的轴固定键连接；上述腰部关节转轴与安装基座垂直；所述腰部包括腰部平台、腰部侧板、大臂关节轴、大臂驱动电机、大臂主动齿轮、驱动单元固定板、中臂驱动单元、小臂驱动单元；所述腰部平台与腰部关节转轴上端固定连接；所述腰部侧板固定安装在腰部平台上；大臂关节轴与腰部侧板固定连接，不可转动；大臂驱动电机固定安装在腰部平台上；大臂主动齿轮与大臂驱动电机输出轴固定连接；所述驱动单元固定板与腰部平台固定连接，中臂驱动单元与小臂驱动单元分别固定安装在驱动单元固定板上；上述大臂关节轴与腰部关节转轴垂直；上述中臂驱动单元和小臂驱动单元结构一样，均由驱动电机、驱动滚轮、驱动电机固定板、驱动端预紧挡板组成；所述驱动电机固定板与驱动单元固定板固定连接；驱动电机固定安装在驱动电机固定板上；驱动电机输出轴穿过驱动电机固定板中间的开孔并与驱动滚轮固定连接；驱动滚轮上有环形沟槽；驱动端预紧挡板采用可调节方式安装于驱动电机固定板上，可调节驱动端预紧挡板相对于驱动滚轮轴线的距离；驱动端预紧挡板上开有钢丝索孔；驱动电机输出轴与大臂关节轴平行；所述大臂包括大臂侧板和大臂从动齿轮；大臂侧板前端与大臂从动齿轮相固定，大臂从动齿轮通过轴承安装于大臂关节轴上，大臂从动齿轮与大臂主动齿轮啮合；所述中臂包括中臂关节转轴、中臂侧板、中臂负载滚轮、中臂钢丝索、中臂钢丝索套管；中臂侧板前端与大臂侧板末端通过中臂关节轴相连；中臂关节轴可在大臂侧板末端中转动；中臂侧板前端、中臂负载滚轮均和中臂关节轴相固定；中臂钢丝索套管的前端与中臂驱动单元的驱动端预紧挡板相固定，中臂钢丝索套管的末端通过大臂套管固定件与大臂侧板的末端相固定，中臂钢丝索套管的中部通过大臂第一套索导向环支撑于大臂侧板；中臂负载滚轮上具有环形沟槽；中臂钢丝索穿过中臂钢丝索套管，且中臂钢丝索安装在中臂负载滚轮和中臂驱动单元的驱动滚轮的环形沟槽内；且中臂钢丝索两端固定在中臂驱动单元的驱动滚轮上；上述中臂关节转轴与大臂关节轴平行；所述小臂包括小臂关节转轴、小臂侧板、小臂负载滚轮、小臂钢丝索、小臂钢丝索套管；小臂侧板前端与中臂侧板末端通过小臂关节轴相连；小臂关节轴可在中臂侧板末端中转动；小臂侧板前端、小臂负载滚轮均和小臂关节轴相固定；小臂钢丝索套管的前端与小臂驱动单元的驱动端预紧挡板相固定，小臂钢丝索套管的末端通过中臂套管固定件与中臂侧板的末端相固定，小臂钢丝索套管的中部依次通过大臂第二套索导向环、支撑于大臂侧板，通过中臂套索导向环支撑于中臂侧板；小臂负载滚轮上具有环形沟槽；小臂钢丝索穿过小臂钢丝索套管，且小臂钢丝索安装在小臂负载滚轮和小臂驱动单元的驱动滚轮的环形沟槽内；且小臂钢丝索两端固定在小臂驱动单元的驱动滚轮上；上述小臂关节转轴与中臂关节轴平行；所述腕部包括前端外壳、末端外壳、前端驱动电机、末端驱动电机；前端驱动电机固定安装于前端外壳，前端驱动电机输出轴固定安装于小臂侧板末端，末端驱动电机固定于前端外壳，末端外壳固定安装于末端驱动电机输出轴；上述前端驱动电机输出轴与小臂关节转轴垂直；末端驱动电机末端驱动电机与前端驱动电机输出轴垂直；所述末端手柄包括六维力传感器、手柄、绑带固定板、绑带；所述六维力传感器与腕部的末端外壳固定连接；手柄与六维力传感器固定连接；绑带固定板与手柄固定连接；绑带与绑带固定板固定连接，并且使用时绑在使用者上肢；重力平衡机构包括大臂重力平衡机构、中臂重力平衡机构、小臂重力平衡机构；所述大臂重力平衡机构包括大臂同步带轮、大臂导向轮组、大臂弹簧槽、大臂拉力绳、大臂弹簧、大臂滑块、大臂同步带；所述中臂重力平衡机构包括中臂同步带轮、中臂导向轮组、中臂弹簧槽、中臂拉力绳、中臂弹簧、中臂滑块、中臂同步带；所述小臂重力平衡机构包括小臂同步带轮、小臂侧板、小臂导向轮组、小臂弹簧槽、小臂拉力绳、小臂弹簧、小臂滑块；大臂同步带轮具有同步带槽，小臂同步带轮具有同步带槽，中臂同步带轮具有与大臂同步带轮的同步带槽直径相等的一号同步带槽，以及与小臂同步带轮的同步带槽直径相等的二号同步带槽；所述大臂同步带轮固定安装在大臂关节轴上；大臂同步带轮上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到大臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同，大臂同步带安装在大臂同步带轮的同步带槽和中臂同步带轮的一号同步带槽中，大臂导向轮组与大臂侧板固定连接，并放置在大臂侧板中间对称线两侧；大臂弹簧槽与大臂侧板固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；大臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人,其特征在于:包括主体结构和重力平衡机构；主体结构包括移动机架(1)、机器人基座(2)、腰部(3)、大臂(4)、中臂(5)、小臂(6)、腕部(7)、末端手柄(8)；上述机器人基座(2)包括安装基座(201)、腰部关节电机(203)、基座外壳(204)、轴承座(205)、圆锥滚子轴承(206)、腰部关节转轴(207)；所述安装基座(201)与移动机架(1)固定连接；腰部关节电机(203)固定安装在安装基座(201)上；基座外壳(204)与安装基座(201)固定连接；轴承座(205)固定安装在基座外壳(204)上方；圆锥滚子轴承(206)外圈安装在轴承座(205)内，内圈安装在腰部关节轴(207)上；腰部关节转轴(207)下端与腰部关节电机(203)的轴固定键连接；上述腰部关节转轴(207)与安装基座(201)垂直；所述腰部(3)包括腰部平台(301)、腰部侧板(302)、大臂关节轴(303)、大臂驱动电机(304)、大臂主动齿轮(305)、驱动单元固定板(306)、中臂驱动单元(307)、小臂驱动单元(308)；所述腰部平台(301)与腰部关节转轴(207)上端固定连接；所述腰部侧板(302)固定安装在腰部平台上；大臂关节轴(303)与腰部侧板(302)固定连接，不可转动；大臂驱动电机(304)固定安装在腰部平台(301)上；大臂主动齿轮(305)与大臂驱动电机(304)输出轴固定连接；所述驱动单元固定板(306)与腰部平台(301)固定连接，中臂驱动单元(307)与小臂驱动单元(308)分别固定安装在驱动单元固定板(306)上；上述大臂关节轴(303)与腰部关节转轴(207)垂直；上述中臂驱动单元(307)和小臂驱动单元(308)结构一样，均由驱动电机(3081)、驱动滚轮(3082)、驱动电机固定板(3083)、驱动端预紧挡板(3084)组成；所述驱动电机固定板(3083)与驱动单元固定板(306)固定连接；驱动电机(3081)固定安装在驱动电机固定板(3083)上；驱动电机(3081)输出轴穿过驱动电机固定板(3083)中间的开孔并与驱动滚轮(3082)固定连接；驱动滚轮(3082)上有环形沟槽；驱动端预紧挡板(3084)采用可调节方式安装于驱动电机固定板(3083)上，可调节驱动端预紧挡板(3084)相对于驱动滚轮(3082)轴线的距离；驱动端预紧挡板(3084)上开有钢丝索孔；驱动电机(3081)输出轴与大臂关节轴(303)平行；所述大臂(4)包括大臂侧板(403)和大臂从动齿轮(401)；大臂侧板(403)前端与大臂从动齿轮(401)相固定，大臂从动齿轮(401)通过轴承安装于大臂关节轴(303)上，大臂从动齿轮(401)与大臂主动齿轮(305)啮合；所述中臂(5)包括中臂关节转轴(501)、中臂侧板(504)、中臂负载滚轮(514)、中臂钢丝索(515)、中臂钢丝索套管(516)；中臂侧板(504)前端与大臂侧板(403)末端通过中臂关节轴(501)相连；中臂关节轴(501)可在大臂侧板(403)末端中转动；中臂侧板(504)前端、中臂负载滚轮(514)均和中臂关节轴(501)相固定；中臂钢丝索套管(516)的前端与中臂驱动单元(307)的驱动端预紧挡板(3084)相固定，中臂钢丝索套管(516)的末端通过大臂套管固定件(413)与大臂侧板(403)的末端相固定，中臂钢丝索套管(516)的中部通过大臂第一套索导向环(412)支撑于大臂侧板(403)；中臂负载滚轮(514)上具有环形沟槽；中臂钢丝索(515)穿过中臂钢丝索套管(516)，且中臂钢丝索(515)安装在中臂负载滚轮(514)和中臂驱动单元(307)的驱动滚轮(3082)的环形沟槽内；且中臂钢丝索(515)两端固定在中臂驱动单元(307)的驱动滚轮(3082)上；上述中臂关节转轴(501)与大臂关节轴(303)平行；所述小臂包括小臂关节转轴(601)、小臂侧板(604)、小臂负载滚轮(610)、小臂钢丝索(611)、小臂钢丝索套管(612)；小臂侧板(604)前端与中臂侧板(504)末端通过小臂关节轴(601)相连；小臂关节轴(601)可在中臂侧板(504)末端中转动；小臂侧板(604)前端、小臂负载滚轮(610)均和小臂关节轴(601)相固定；小臂钢丝索套管(612)的前端与小臂驱动单元(308)的驱动端预紧挡板(3084)相固定，小臂钢丝索套管(612)的末端通过中臂套管固定件(513)与中臂侧板(604)的末端相固定，小臂钢丝索套管(612)的中部依次通过大臂第二套索导向环(411)、支撑于大臂侧板(403)，通过中臂套索导向环(512)支撑于中臂侧板(504)；小臂负载滚轮(610)上具有环形沟槽；小臂钢丝索...

【技术特征摘要】
1.一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人,其特征在于:包括主体结构和重力平衡机构；主体结构包括移动机架(1)、机器人基座(2)、腰部(3)、大臂(4)、中臂(5)、小臂(6)、腕部(7)、末端手柄(8)；上述机器人基座(2)包括安装基座(201)、腰部关节电机(203)、基座外壳(204)、轴承座(205)、圆锥滚子轴承(206)、腰部关节转轴(207)；所述安装基座(201)与移动机架(1)固定连接；腰部关节电机(203)固定安装在安装基座(201)上；基座外壳(204)与安装基座(201)固定连接；轴承座(205)固定安装在基座外壳(204)上方；圆锥滚子轴承(206)外圈安装在轴承座(205)内，内圈安装在腰部关节轴(207)上；腰部关节转轴(207)下端与腰部关节电机(203)的轴固定键连接；上述腰部关节转轴(207)与安装基座(201)垂直；所述腰部(3)包括腰部平台(301)、腰部侧板(302)、大臂关节轴(303)、大臂驱动电机(304)、大臂主动齿轮(305)、驱动单元固定板(306)、中臂驱动单元(307)、小臂驱动单元(308)；所述腰部平台(301)与腰部关节转轴(207)上端固定连接；所述腰部侧板(302)固定安装在腰部平台上；大臂关节轴(303)与腰部侧板(302)固定连接，不可转动；大臂驱动电机(304)固定安装在腰部平台(301)上；大臂主动齿轮(305)与大臂驱动电机(304)输出轴固定连接；所述驱动单元固定板(306)与腰部平台(301)固定连接，中臂驱动单元(307)与小臂驱动单元(308)分别固定安装在驱动单元固定板(306)上；上述大臂关节轴(303)与腰部关节转轴(207)垂直；上述中臂驱动单元(307)和小臂驱动单元(308)结构一样，均由驱动电机(3081)、驱动滚轮(3082)、驱动电机固定板(3083)、驱动端预紧挡板(3084)组成；所述驱动电机固定板(3083)与驱动单元固定板(306)固定连接；驱动电机(3081)固定安装在驱动电机固定板(3083)上；驱动电机(3081)输出轴穿过驱动电机固定板(3083)中间的开孔并与驱动滚轮(3082)固定连接；驱动滚轮(3082)上有环形沟槽；驱动端预紧挡板(3084)采用可调节方式安装于驱动电机固定板(3083)上，可调节驱动端预紧挡板(3084)相对于驱动滚轮(3082)轴线的距离；驱动端预紧挡板(3084)上开有钢丝索孔；驱动电机(3081)输出轴与大臂关节轴(303)平行；所述大臂(4)包括大臂侧板(403)和大臂从动齿轮(401)；大臂侧板(403)前端与大臂从动齿轮(401)相固定，大臂从动齿轮(401)通过轴承安装于大臂关节轴(303)上，大臂从动齿轮(401)与大臂主动齿轮(305)啮合；所述中臂(5)包括中臂关节转轴(501)、中臂侧板(504)、中臂负载滚轮(514)、中臂钢丝索(515)、中臂钢丝索套管(516)；中臂侧板(504)前端与大臂侧板(403)末端通过中臂关节轴(501)相连；中臂关节轴(501)可在大臂侧板(403)末端中转动；中臂侧板(504)前端、中臂负载滚轮(514)均和中臂关节轴(501)相固定；中臂钢丝索套管(516)的前端与中臂驱动单元(307)的驱动端预紧挡板(3084)相固定，中臂钢丝索套管(516)的末端通过大臂套管固定件(413)与大臂侧板(403)的末端相固定，中臂钢丝索套管(516)的中部通过大臂第一套索导向环(412)支撑于大臂侧板(403)；中臂负载滚轮(514)上具有环形沟槽；中臂钢丝索(515)穿过中臂钢丝索套管(516)，且中臂钢丝索(515)安装在中臂负载滚轮(514)和中臂驱动单元(307)的驱动滚轮(3082)的环形沟槽内；且中臂钢丝索(515)两端固定在中臂驱动单元(307)的驱动滚轮(3082)上；上述中臂关节转轴(501)与大臂关节轴(303)平行；所述小臂包括小臂关节转轴(601)、小臂侧板(604)、小臂负载滚轮(610)、小臂钢丝索(611)、小臂钢丝索套管(612)；小臂侧板(604)前端与中臂侧板(504)末端通过小臂关节轴(601)相连；小臂关节轴(601)可在中臂侧板(504)末端中转动；小臂侧板(604)前端、小臂负载滚轮(610)均和小臂关节轴(601)相固定；小臂钢丝索套管(612)的前端与小臂驱动单元(308)的驱动端预紧挡板(3084)相固定，小臂钢丝索套管(612)的末端通过中臂套管固定件(513)与中臂侧板(604)的末端相固定，小臂钢丝索套管(612)的中部依次通过大臂第二套索导向环(411)、支撑于大臂侧板(403)，通过中臂套索导向环(512)支撑于中臂侧板(504)；小臂负载滚轮(610)上具有环形沟槽；小臂钢丝索(611)穿过小臂钢丝索套管(612)，且小臂钢丝索(611)安装在小臂负载滚轮(610)和小臂驱动单元(308)的驱动滚轮(3082)的环形沟槽内；且小臂钢丝索(611)两端固定在小臂驱动单元(308)的驱动滚轮(3082)上；上述小臂关节转轴(601)与中臂关节轴(501)平行；所述腕部(7)包括前端外壳(701)、末端外壳(702)、前端驱动电机(703)、末端驱动电机(704)；前端驱动电机(703)固定安装于前端外壳(701)，前端驱动电机(703)输出轴固定安装于小臂侧板(604)末端，末端驱动电机(704)固定于前端外壳(701)，末端外壳(702)固定安装于末端驱动电机(704)输出轴；上述前端驱动电机(703)输出轴与小臂关节转轴(601)垂直；末端驱动电机(704)末端驱动电机(704)与前端驱动电机(703)输出轴垂直；所述末端手柄(8)包括六维力传感器(801)、手柄(802)、绑带固定板(803)、绑带(804)；所述六维力传感器(801)与腕部的末端外壳(702)固定连接；手柄(802)与六维力传感器(801)固定连接；绑带固定板(803)与手柄(802)固定连接；绑带(804)与绑带固定板(803)固定连接，并且使用时绑在使用者上肢；重力平衡机构包括大臂重力平衡机构、中臂重力平衡机构、小臂重力平衡机构；所述大臂重力平衡机构包括大臂同步带轮(402)、大臂导向轮组(404)、大臂弹簧槽(405)、大臂拉力绳(406)、大臂弹簧(407)、大臂滑块...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴青聪，谢宇珅，吴洪涛，陈柏，邵子宴，陆龙海，张玉明，刘焕瑞，曹燕飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32