人机相容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人机相容且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，包括肩部高度调节装置、肩胛带前伸后缩装置、肩关节装置、上臂长度调节装置、肘关节装置、前臂长度调节装置、腕关节装置、肩胛带抬升降低装置、肘关节轴线运动补偿装置和机架。本发明专利技术基于人机相容理念，通过主动关节和被动关节的组合设置，将整个人

【技术实现步骤摘要】
人机相容且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人


[0001]本专利技术属于医疗康复器械领域，具体是一种人机相容且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人。

技术介绍

[0002]上肢偏瘫患者的术后康复训练能逐渐恢复患者的上肢运动能力。传统的治疗方式为康复医师一对一辅助患者康复训练，劳动强度高、训练效率低、康复成本高、不利于记录与反馈训练情况以便于及时调整治疗方案。
[0003]康复机器人能辅助或替代康复医师完成对患者的康复训练，工作效率高，康复效果好。目前，上肢康复机器人主要分为末端引导式与外骨骼式。末端引导式能实现上肢多关节的康复训练，结构简单，但无法实现单关节康复训练以及多关节沿特定轨迹训练。外骨骼式为穿戴式结构，基于上肢解剖学配置各关节自由度，机器人关节轴线与上肢关节轴线重合，能实现单关节以及多关节康复训练，是目前研究的热点，但是其结构设计复杂，控制系统设计有一定难度。
[0004]申请号为202020892847.6的专利公开了一种八自由度上肢康复训练臂及装置，其具有八个主动自由度，其中肩关节设置了5个主动自由度。引进一个被动关节使人机肩关节环链为恰约束系统，能够补偿盂肱关节瞬心在空间中的位移，但整个人机闭链系统为过约束系统，肩部控制系统复杂且没考虑肩关节运动的奇异位形。
[0005]目前上肢外骨骼康复机器人存在的缺点：1)上肢康复运动中，机器人与上肢关节轴线不重合，导致人
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机连接处力或力矩过大，容易对患者造成二次伤害。2)大多数机器人构型设计中并未考虑上肢肩胛带的运动，考虑上肢肩胛带运动的构型中肩关节驱动关节数量多，控制复杂。3)肩部构型没有考虑奇异位形或考虑奇异位形的构型肩关节运动空间小，构型设计不合理，机构处于奇异位形时会导致机构的自由度缺失或者关节速度过大对患者造成损伤。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种人机相容且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人。
[0007]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种人机相容且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，该机器人包括肩部高度调节装置、肩胛带前伸后缩装置、肩关节装置、上臂长度调节装置、肘关节装置、前臂长度调节装置、腕关节装置、肩胛带抬升降低装置、肘关节轴线运动补偿装置和机架；
[0008]所述肩部高度调节装置包括电动推杆、肩部直线导轨机构、肩部高度调节架和肩胛带连接直线导轨机构；
[0009]肩部高度调节架通过肩部直线导轨机构滑动安装于机架上，电动推杆为肩部高度调节架滑动的动力；
[0010]所述肩胛带前伸后缩装置包括肩胛带连接板、肩前伸后缩电机、长度可调的锁骨连杆和肩关节连接板；
[0011]肩胛带连接板通过肩胛带连接直线导轨机构滑动安装于肩部高度调节架上，被动补偿上肢运动中盂肱关节转心在人体冠状轴方向的位移；两个长度可调的锁骨连杆相互平行设置构成平行四边形机构，其一端均转动安装于肩胛带连接板上，另一端均与肩关节连接板转动连接；一个长度可调的锁骨连杆通过肩前伸后缩电机与肩胛带连接板转动连接；
[0012]所述肩关节装置包括肩内收外展电机支架、肩内收外展电机、肩内收外展转动支架、肩关节连杆、肩屈伸电机支架、肩屈伸电机、肩屈伸转动支架、肩内旋外旋电机、肩内旋外旋齿圈、肩内旋外旋齿轮和圆弧导轨机构；上臂长度调节装置能够通过直线伸缩实现长度调节，分成固定端和移动端；
[0013]肩内收外展电机支架固定于肩关节连接板上；肩内收外展转动支架通过肩内收外展电机与肩内收外展电机支架转动连接；肩关节连杆的两端分别与肩内收外展转动支架和肩屈伸电机支架固定连接；肩屈伸转动支架通过肩屈伸电机与肩屈伸电机支架转动连接；上臂长度调节装置的固定端或移动端中的一个固定于肩屈伸转动支架上；肩内旋外旋齿圈通过圆弧导轨机构滑动安装于上臂长度调节装置的固定端或移动端中的另一个上；肩内旋外旋电机的壳体固定于上臂长度调节装置的固定端或移动端中的另一个上，输出端固定安装有肩内旋外旋齿轮；肩内旋外旋齿轮与肩内旋外旋齿圈啮合传动连接；肩内收外展电机的旋转轴线、肩屈伸电机的旋转轴线、肩内旋外旋电机的旋转轴线相交于一点，构成等效球窝关节；
[0014]所述肩胛带抬升降低装置包括人机接触半环、压簧一和导杆一；
[0015]导杆一的两端固定于肩内旋外旋齿圈的U形板中；人机接触半环的端部滑动安装于导杆一中；压簧一嵌套于导杆一上，一端与人机接触半环接触或固定连接，另一端与肩内旋外旋齿圈的U形板接触或固定连接；人机接触半环上设置有绑带，用于与人体上臂连接；
[0016]所述肘关节装置包括上臂下支架、肘关节电机和前臂转动支架；所述前臂长度调节装置能够通过直线伸缩实现长度调节，分成固定端和移动端；
[0017]上臂下支架固定在肩内旋外旋齿圈上；前臂转动支架通过肘关节电机与上臂下支架转动连接；前臂长度调节装置的固定端或移动端中的一个固定于前臂转动支架上；
[0018]所述肘关节轴线运动补偿装置包括导杆二、压簧二、前臂连接板和直线轴承；
[0019]导杆二的两端固定于前臂长度调节装置的固定端或移动端中的另一个内；前臂连接板通过直线轴承滑动安装于导杆二上；压簧二嵌套于导杆二上，一端与前臂长度调节装置的固定端或移动端中的另一个接触或固定连接，另一端与直线轴承接触或固定连接；
[0020]所述腕关节装置包括前臂下支架、腕屈伸电机、腕屈伸转动支架、前臂内旋外旋电机、腕转动支架、腕部直线导轨机构和末端手柄；
[0021]前臂下支架固定于前臂连接板上；腕屈伸转动支架通过腕屈伸电机转动安装于前臂下支架上；腕转动支架通过前臂内旋外旋电机转动安装于腕屈伸转动支架上；末端手柄通过腕部直线导轨机构滑动安装于腕转动支架上；末端手柄上安装有绑带，用于与人体手部连接。
[0022]与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：
[0023](1)本专利技术基于人机相容理念，通过主动关节和被动关节的组合设置，将整个人
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机系统设计为一个恰约束系统，机器人与患者上肢形成两个恰约束环链即人
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机肩关节恰约束环链、人
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机肘前臂腕关节恰约束环链，能够补偿在上肢穿戴和运动中人
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机关节轴线偏差即肩关节转心、肘关节轴线和腕关节轴线的位移，降低了人
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机连接处的力与力矩，保证人机运动相容，避免对患者造成伤害，能够实现肩胛带、肩关节、肘关节、前臂、腕关节的单关节与多关节全方位康复训练，支持主动、被动、阻抗三种康复训练模式，同时保证患者康复训练中的安全性。
[0024](2)针对肩关节运动中的奇异位形，本专利技术通过偏置肩关节内收外展轴线在空间中的方位(即偏置肩内收外展电机的旋转轴线在空间中的角度)，在保证肩关节屈伸角度以及整个构型的可操作度最大的情况下，将肩关节等效为球窝关节构型中的奇异点移动到肩关节工作空间边缘，从结构设计上保证了在肩关节运动空间中不存在奇异点，避免当机构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人机相容且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，该机器人包括肩部高度调节装置、肩胛带前伸后缩装置、肩关节装置、上臂长度调节装置、肘关节装置、前臂长度调节装置、腕关节装置、肩胛带抬升降低装置、肘关节轴线运动补偿装置和机架；所述肩部高度调节装置包括电动推杆、肩部直线导轨机构、肩部高度调节架和肩胛带连接直线导轨机构；肩部高度调节架通过肩部直线导轨机构滑动安装于机架上，电动推杆为肩部高度调节架滑动的动力；所述肩胛带前伸后缩装置包括肩胛带连接板、肩前伸后缩电机、长度可调的锁骨连杆和肩关节连接板；肩胛带连接板通过肩胛带连接直线导轨机构滑动安装于肩部高度调节架上，被动补偿上肢运动中盂肱关节转心在人体冠状轴方向的位移；两个长度可调的锁骨连杆相互平行设置构成平行四边形机构，其一端均转动安装于肩胛带连接板上，另一端均与肩关节连接板转动连接；一个长度可调的锁骨连杆通过肩前伸后缩电机与肩胛带连接板转动连接；所述肩关节装置包括肩内收外展电机支架、肩内收外展电机、肩内收外展转动支架、肩关节连杆、肩屈伸电机支架、肩屈伸电机、肩屈伸转动支架、肩内旋外旋电机、肩内旋外旋齿圈、肩内旋外旋齿轮和圆弧导轨机构；上臂长度调节装置能够通过直线伸缩实现长度调节，分成固定端和移动端；肩内收外展电机支架固定于肩关节连接板上；肩内收外展转动支架通过肩内收外展电机与肩内收外展电机支架转动连接；肩关节连杆的两端分别与肩内收外展转动支架和肩屈伸电机支架固定连接；肩屈伸转动支架通过肩屈伸电机与肩屈伸电机支架转动连接；上臂长度调节装置的固定端或移动端中的一个固定于肩屈伸转动支架上；肩内旋外旋齿圈通过圆弧导轨机构滑动安装于上臂长度调节装置的固定端或移动端中的另一个上；肩内旋外旋电机的壳体固定于上臂长度调节装置的固定端或移动端中的另一个上，输出端固定安装有肩内旋外旋齿轮；肩内旋外旋齿轮与肩内旋外旋齿圈啮合传动连接；肩内收外展电机的旋转轴线、肩屈伸电机的旋转轴线、肩内旋外旋电机的旋转轴线相交于一点，构成等效球窝关节；所述肩胛带抬升降低装置包括人机接触半环、压簧一和导杆一；导杆一的两端固定于肩内旋外旋齿圈的U形板中；人机接触半环的端部滑动安装于导杆一中；压簧一嵌套于导杆一上，一端与人机接触半环接触或固定连接，另一端与肩内旋外旋齿圈的U形板接触或固定连接；人机接触半环上设置有绑带，用于与人体上臂连接；所述肘关节装置包括上臂下支架、肘关节电机和前臂转动支架；所述前臂长度调节装置能够通过直线伸缩实现长度调节，分成固定端和移动端；上臂下支架固定在肩内旋外旋齿圈上；前臂转动支架通过肘关节电机与上臂下支架转动连接；前臂长度调节装置的固定端或移动端中的一个固定于前臂转动支架上；所述肘关节轴线运动补偿装置包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张争艳，申文豹，郭士杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：