一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，由肩部外展内收和屈曲伸展、大臂旋内旋外、肘部屈曲伸展、小臂旋内旋外、腕部外展内收和屈曲伸展七个关节组成。关节采用电机直驱，其中大臂和小臂旋转关节采用齿轮驱动。通过紧固件配合滑动槽实现了臂杆长度和双臂外骨骼间距的无极调节；本发明专利技术拆装方便，自由度配置符合人体生理学，尺寸可调，关节避奇异，支持移动式坐姿和固定式站姿训练，分别采用轮椅和固定安装架来安装外骨骼；单臂外骨骼具备左右手可互换训练的特点，降低了使用成本；针对不同的康复阶段支持被动、主动和抗阻三大训练模式，被动训练支持镜像训练和示教训练，实用性强，可供医疗机构使用。

A 7-DOF exoskeleton rehabilitation robot with interchangeability and singularity avoidance

【技术实现步骤摘要】
一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人
本专利技术属于医疗康复器械领域，特别是一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人。
技术介绍
由于康复训练外骨骼机器人需要适于穿戴，根据对人体上肢关节运动生理学的研究，人体上肢可以分为肩部外展/内收、肩部屈曲/伸展、大臂旋内/旋外、肘部屈曲/伸展、小臂旋内/旋外、腕部外展/内收、腕部屈曲/伸展7自由度多刚体串联运动链，因此外骨骼的关节要尽量严格地与人体上肢进行匹配，关节轴心要相互匹配；此外，偏瘫患者有时需要训练不同的手臂，因此外骨骼需要满足双臂训练的要求；最后，由于机械臂关节之间如果共轴容易引发关节奇异性，这会导致自由度缺失或者关节的速度失控，这样对患者会造成伤害，因此外骨骼需要针对最容易引发关节奇异性的肩关节进行避奇异设计。现存的上肢外骨骼机器人的设计方案很多，大多数较为笨重，固定在固定基座上的，不便于移动。且少有能够支持双臂训练的上肢外骨骼机器人，这不利于市场化的推广。专利申请号201410855081.3公开了一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，将单臂上肢外骨骼安装在固定座椅上，通过皮带轮驱动关节转动，结构复杂，控制精度不如电机直接驱动，也导致了结构上复杂度提高，自由度配置与人体上肢关节匹配性不高，且不支持双臂训练，对于关节避奇异的问题没有提出解决方案。专利申请号201710032680.9公开了一种穿戴式外骨骼上肢康复机器人，其包括6个自由度，采用了绳索驱动，具有轻量化的优点，但是整体机构移动不方便，自由度与人体不匹配，穿戴不方便，不支持双臂训练，且训练模式有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，以便为患者提供更加安全、低成本、多样化的双臂康复训练。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，包括肩关节基座、第一驱动机构、肩关节连杆、第二驱动机构、大臂连杆、第三驱动机构、第一半圆形导轨、第四驱动机构、小臂连杆、第五驱动机构、第二半圆形导轨、第六驱动机构、腕关节连杆、第七驱动机构、手部连杆、握把；所述肩关节基座包括相连接的水平杆、斜杆；所述斜杆与水平杆之间设有夹角，且斜杆向下倾斜；所述肩关节连杆一端通过第一驱动机构与斜杆下端相连；所述第一驱动机构用于驱动肩关节连杆绕斜杆进行外展和内收的运动；所述大臂连杆上端通过第二驱动机构与肩关节连杆另一端相连，所述第二驱动机构用于驱动大臂连杆绕肩关节连杆摆动，从而带动肩关节进行屈曲伸展运动；所述第一半圆形导轨通过第三驱动机构与大臂连杆下端相连；所述第三驱动机构用于驱动第一半圆形导轨转动，从而带动大臂进行内旋和外旋运动；所述小臂连杆后端通过第四驱动机构连接在第一半圆形导轨下端；所述第四驱动机构用于驱动小臂连杆上下摆动，从而带动肘关节进行屈曲伸展运行；所述第二半圆形导轨通过第五驱动机构与小臂连杆前端相连；所述第五驱动机构用于驱动第二半圆形导轨转动，从而带动小臂进行内旋和外旋运动；所述腕关节连杆通过第六驱动机构连接在第二半圆形导轨下端，所述第六驱动机构用于驱动腕关节连杆转动，从而带动腕关节进行外展内收运动；所述手部连杆通过第七驱动机构与腕关节连杆相连，所述第七驱动机构用于驱动手部连杆左右摆动，从而带动腕关节屈曲伸展运动；所述握把固定在手部连杆末端，用于人手握持。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)结合技术方案：通过使肩关节基座的斜杆与水平杆之间成一定的夹角能够实现使得肩关节外展内收自由度的转动轴线成与水平面向上30°，这样大臂也要运动到与水平面成30°的角度才能达到奇异构型，因而这种设计可以使奇异构型出现在外骨骼工作空间的边缘，避开运动频繁的工作空间区域，而腕关节由于关节运动范围较小，本身就无法达到奇异构型，因而无需考虑避奇异设计，只在肩关节进行避奇异设计就能够实现外骨骼的避奇异；可以避免在康复训练时，外骨骼达到奇异构型，造成自由度缺失或者关节旋转过快而危害患者安全。(2)通过简单地翻转外骨骼的肩关节、肘关节和腕关节，能够实现右手外骨骼转换为左手外骨骼，即外骨骼既可以用于左手的康复训练，又可以通过转换用于右手外骨骼的康复训练，成为一种可互换上肢外骨骼。(3)本专利技术在使用方面具有多模式的优点，可以通过肩关节基座的套筒设计方便地安装在改装轮椅和支架上，当安装于改装轮椅上时，可以进行坐姿康复训练，当安装于固定支架上，可以进行站姿康复训练，且外骨骼既可以采用双臂外骨骼又可以采用单臂外骨骼；康复训练模式包括被动训练和主动训练，其中被动康复训练包括单关节重复训练模式、自主镜像训练模式和示教训练模式，主动训练包括主动辅助康复训练和渐进式抗阻康复训练。其中自主式镜像训练只能用于双臂外骨骼。附图说明图1为本专利技术一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人本体结构。图2为本专利技术的第一半圆形导轨。图3为本专利技术的第二半圆形导轨。图4为本专利技术的移动式坐姿康复训练示意图。图5为本专利技术的座椅架。图6为本专利技术的固定式站姿康复训练示意图。图7为本专利技术的右上肢外骨骼单臂训练示意图。图8为本专利技术的转换后左上肢外骨骼单臂训练示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。结合图1-3，本专利技术的一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，包括肩关节基座1、第一驱动机构2、肩关节连杆3、第二驱动机构4、大臂连杆5、第三驱动机构7、第一半圆形导轨8、第四驱动机构9、小臂连杆10、第五驱动机构12、第二半圆形导轨13、第六驱动机构14、腕关节连杆15、第七驱动机构16、手部连杆17、握把20；所述肩关节基座1包括相连接的水平杆1-1、斜杆1-2；所述斜杆1-2与水平杆1-1之间设有夹角，且斜杆1-2向下倾斜。优选的实施方式中，斜杆1-2与水平杆1-1之间的夹角为120°，使得肩关节基座1采用了与垂直方向成30°角的设计方案，这样可以使得肩关节外展内收自由度的转动轴线成与水平向上30°，这样大臂也要运动到与水平面成30°的角度才能达到奇异构型，因而这种设计可以使奇异构型出现在外骨骼工作空间的边缘，避开运动频繁的工作空间区域，而腕关节由于关节运动范围较小，本身就无法达到奇异构型，因而无需考虑避奇异设计，只在肩关节进行避奇异设计就能够实现外骨骼的避奇异。通过这种设计，可以避免在康复训练时，外骨骼达到奇异构型，造成自由度缺失或者关节旋转过快而危害患者安全。所述肩关节连杆3一端通过第一驱动机构2与斜杆1-2下端相连；所述第一驱动机构2用于驱动肩关节连杆3绕斜杆1-2进行外展和内收的运动；所述大臂连杆5上端通过第二驱动机构4与肩关节连杆3另一端相连，所述第二驱动机构4用于驱动大臂连杆5绕肩关节连杆3摆动，从而带动肩关节进行屈曲伸展运动；所述第一半圆形导轨8通过紧固件与大臂连杆5下端相连；所述第三驱动机构7用于驱动第一半圆形导轨8转动，从而带动大臂进行内旋和外旋运动；所述小臂连杆10后端通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，包括肩关节基座、第一驱动机构、肩关节连杆、第二驱动机构、大臂连杆、第三驱动机构、第一半圆形导轨、第四驱动机构、小臂连杆、第五驱动机构、第二半圆形导轨、第六驱动机构、腕关节连杆、第七驱动机构、手部连杆、握把；/n所述肩关节基座包括相连接的水平杆、斜杆；所述斜杆与水平杆之间设有夹角，且斜杆向下倾斜；所述肩关节连杆一端通过第一驱动机构与斜杆下端相连；所述第一驱动机构用于驱动肩关节连杆绕斜杆进行外展和内收的运动；所述大臂连杆上端通过第二驱动机构与肩关节连杆另一端相连，所述第二驱动机构用于驱动大臂连杆绕肩关节连杆摆动，从而带动肩关节进行屈曲伸展运动；所述第一半圆形导轨通过第三驱动机构与大臂连杆下端相连；所述第三驱动机构用于驱动第一半圆形导轨转动，从而带动大臂进行内旋和外旋运动；所述小臂连杆后端通过第四驱动机构连接在第一半圆形导轨下端；所述第四驱动机构用于驱动小臂连杆上下摆动，从而带动肘关节进行屈曲伸展运行；所述第二半圆形导轨通过第五驱动机构与小臂连杆前端相连；所述第五驱动机构用于驱动第二半圆形导轨转动，从而带动小臂进行内旋和外旋运动；所述腕关节连杆通过第六驱动机构连接在第二半圆形导轨下端，所述第六驱动机构用于驱动腕关节连杆转动，从而带动腕关节进行外展内收运动；所述手部连杆通过第七驱动机构与腕关节连杆相连，所述第七驱动机构用于驱动手部连杆左右摆动，从而带动腕关节屈曲伸展运动；所述握把固定在手部连杆末端，用于人手腕握持。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，包括肩关节基座、第一驱动机构、肩关节连杆、第二驱动机构、大臂连杆、第三驱动机构、第一半圆形导轨、第四驱动机构、小臂连杆、第五驱动机构、第二半圆形导轨、第六驱动机构、腕关节连杆、第七驱动机构、手部连杆、握把；
所述肩关节基座包括相连接的水平杆、斜杆；所述斜杆与水平杆之间设有夹角，且斜杆向下倾斜；所述肩关节连杆一端通过第一驱动机构与斜杆下端相连；所述第一驱动机构用于驱动肩关节连杆绕斜杆进行外展和内收的运动；所述大臂连杆上端通过第二驱动机构与肩关节连杆另一端相连，所述第二驱动机构用于驱动大臂连杆绕肩关节连杆摆动，从而带动肩关节进行屈曲伸展运动；所述第一半圆形导轨通过第三驱动机构与大臂连杆下端相连；所述第三驱动机构用于驱动第一半圆形导轨转动，从而带动大臂进行内旋和外旋运动；所述小臂连杆后端通过第四驱动机构连接在第一半圆形导轨下端；所述第四驱动机构用于驱动小臂连杆上下摆动，从而带动肘关节进行屈曲伸展运行；所述第二半圆形导轨通过第五驱动机构与小臂连杆前端相连；所述第五驱动机构用于驱动第二半圆形导轨转动，从而带动小臂进行内旋和外旋运动；所述腕关节连杆通过第六驱动机构连接在第二半圆形导轨下端，所述第六驱动机构用于驱动腕关节连杆转动，从而带动腕关节进行外展内收运动；所述手部连杆通过第七驱动机构与腕关节连杆相连，所述第七驱动机构用于驱动手部连杆左右摆动，从而带动腕关节屈曲伸展运动；所述握把固定在手部连杆末端，用于人手腕握持。


2.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述握把上还设有六维力传感器，用于检测人手力和力矩的大小。


3.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述第一半圆形导轨内侧也设有六维力传感器。


4.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述第三驱动机构包括带编码器的驱动电机、齿轮和谐波减速器；所述第一半圆形导轨包括上级固定导轨、下级转动导轨；所述上级固定导轨与大臂连杆下端固定；所述下级转动导轨可沿上级固定导轨转动；所述下级转动导轨上设有被动齿；所述旋转电机和谐波减速器下级转动导轨相连；旋转电机通过减速器与齿轮相连，齿轮与被动齿啮合。


5.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述大臂连杆沿竖直方向设有滑动槽，所述上级固定导轨通过紧固件与大臂连杆的滑动槽固定。


6.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述第五驱动机构包括带编码器的驱动电机、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩平，徐辉，田杨，韩帅帅，郭一达，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32