一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人制造技术

一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，它包含基座、肩带模块和肩关节模块；肩带模块和肩关节模块均为镜像互换结构，肩关节模块与肩带模块连接，肩带模块与基座连接，肩关节模块包含转动连接的肩关节上部机构和肩关节下部机构，肩关节上部机构用于实现肩关节下部机构在两个水平方向的补偿位移，肩关节下部机构用于实现竖直方向的补偿位移，基座将动力通过拮抗绳索对传递至肩关节模块，以实现肩关节模块的屈曲伸展、外展内收及内旋外旋。本发明专利技术康复机器人采用被动骨架支撑方式，实现机构关节相对人体关节轴线偏移的补偿，机构符合人体肩部的运动特性，能够满足不同侧肩部运动功能障碍患者的使用需求。动功能障碍患者的使用需求。动功能障碍患者的使用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人


[0001]本专利技术涉及一种外骨骼，具体涉及一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，属于机器人领域。

技术介绍

[0002]当前我国每年新增脑卒中患者中超过半数的脑卒中存活者会出现上肢运动功能障碍的后遗症，肩部作为人体上肢与躯干的过渡连接，是脑卒中患者急需康复的部分。任务导向型的康复训练有助于上肢运动功能障碍患者的肢体功能恢复，目前主流的康复治疗方式分为人工理疗和机械理疗两种。人工理疗是专业康复训练师通过按摩、引导运动等方式缓解患者的肌肉僵硬，并促进神经回路的恢复，但这种方法存在工作强度大效率低下以及成本高昂等不足。而通过康复机器人代替人工进行机械理疗时可以节约人力降低成本，可以弥补人工理疗存在的缺陷。
[0003]现代医学研究表明，任务导向型的康复训练有助于上肢运动功能障碍患者的肢体功能恢复。其原理主要是通过重复的、有目的性的肌肉运动形成神经回路记忆，进而辅助大脑再造神经通路。
[0004]人体肩部骨骼众多，肌肉组织连接复杂，因此研究肩部运动特性时不能孤立看待上肢与躯干连接的单个盂肱关节(肩关节部分)，而需要同时考虑与之相连的胸肩胛关节(肩带部分)。研究表明，肩带部分是肩部盂肱关节的上级关节，因此肩带部分的运动会导致盂肱关节的整体运动，这一运动表现为空间平移。肩关节部分则由于盂肱关节并非标准球面副，除具有的屈曲/伸展、外展/内收以及内/外侧旋三个主要运动自由度外，还存在空间平移运动。如何利用轻量化结构模拟肩部整体的复杂运动形式，提高穿戴舒适性并改善康复效果，成为当前的研究课题。
[0005]目前，国内一些肩部康复外骨骼驱动装置大多只实现了部分肩部运动特性的模拟，即仅考虑了肩带运动和肩关节主要运动，忽略了盂肱关节的空间平移，机构与人体肩部实际运动特性不符，二者关节旋转轴线不重合，导致穿戴舒适性较差，康复效果也不尽人意。
[0006]此外，这些驱动装置在关节处具有复杂的动力传递机构，导致外骨骼整体质量较大体积臃肿，限制了穿戴者的操作活动空间，装置也不易于装卸和携带。另外，目前绝大多数的肩部康复机器人只能适用于一侧肢体的康复，导致具有双侧肢体康复需求的使用者需要额外配备一套对称机构，不同侧肩部运动功能障碍患者的使用需求受限，增加了使用者的康复成本。
[0007]综上，现有的肩部康复机器人存在关节与人体运动特性不符，穿戴舒适性差，装置结构过于复杂，且不具有镜像互换功能。

技术实现思路

[0008]本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复
机器人，该康复机器人采用被动骨架支撑方式，实现机构关节相对人体关节轴线偏移的补偿，机构符合人体肩部的运动特性，采用拉线式的驱动方式，简化驱动装置结构，使其满足轻便需求，并具有镜像互换功能，能够满足不同侧肩部运动功能障碍患者的使用需求。
[0009]一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人包含基座、肩带模块和肩关节模块；肩带模块和肩关节模块均为镜像互换结构，肩关节模块的起始连接端与肩带模块的末尾连接端连接，肩带模块与基座连接，肩带模块具有空间三个方向的平移自由度以及轴线为竖直方向的转动自由度，肩关节模块包含转动连接的肩关节上部机构和肩关节下部机构，肩关节上部机构用于实现肩关节下部机在两个水平方向的补偿位移，肩关节下部机构用于实现竖直方向的补偿位移，基座将动力通过拮抗绳索对传递至肩关节模块，以实现肩关节模块的屈曲伸展、外展内收及内旋外旋。
[0010]进一步地，所述肩带模块包含第一竖直关节上部机构、第一竖直关节下部机构、弹性平移支撑机构、第二竖直关节机构、水平关节机构以及第三竖直关节机构；第一竖直关节上部机构与第一竖直关节下部机构共旋转轴线可拆卸地安装在基座上，弹性平移支撑机构的两侧与第一竖直关节下部机构和第二竖直关节机构转动连接，水平关节机构的两侧分别与第一竖直关节上部机构和第二竖直关节机构转动连接，第二竖直关节机构与第三竖直关节机构可拆卸连接且二者间距可调，肩关节模块安装在第三竖直关节机构的输出端上。
[0011]进一步地，弹性平移支撑机构包含左侧连接件、右侧连接件、支撑基座、支撑杆、弹簧、弹性平移支撑机构直线轴承、弹性平移支撑机构套筒以及两个套筒连接件，左侧连接件和右侧连接件位于支撑基座两侧，左侧连接件和右侧连接件的一端分别与第一竖直关节下部机构十字轴承的左右输出端连接，左侧连接件和右侧连接件的另一端与支撑基座连接，支撑杆插入支撑基座内且二者固定在一起，弹簧套在支撑杆上，弹性平移支撑机构直线轴承套在弹性平移支撑机构套筒内下部，并穿过支撑杆，弹簧的两端分别与支撑基座和弹性平移支撑机构直线轴承相抵，弹性平移支撑机构套筒上部与套筒连接件固接，套筒连接件与第二竖直关节机构转动连接。
[0012]进一步地，基座包括底座、中轴、电机模块、第一基座引线器、第二基座引线器以及基座导线平台；中轴固定在底座后侧边缘中部，六个电机模块固定于底座后侧，用于控制拮抗绳索对将动力传递至肩关节模块，以实现肩关节模块的屈曲伸展、外展内收及内旋外旋，第一基座引线器固定在中轴下部后侧，第二基座引线器固定在中轴下部前侧，基座导线平台固定在中轴顶部。
[0013]本专利技术相比现有技术的有益效果是：
[0014]本专利技术设计的肩部外骨骼康复机器人根据人体肩部关节生理结构，在肩部外骨骼中设计了被动骨架支撑机构，实现关节轴线偏移的补偿，避免肩部人机交互无效作用力的产生，实现了肩部外骨骼的人机相容性设计。
[0015]本专利技术设计的肩部康复外骨骼机器人创新性地使用了拉线式驱动配合被动骨架支撑机构，具有以下特点：首先，能够实现远距离动力传输，并且最大程度地简化了外骨骼穿戴部分传动机构，进一步减小装置运动惯性，提高驱动效率；其次，解决了现有拉线式外骨骼会对人体肩部造成约束力负担的问题，避免骨架支撑机构对人体产生无效作用力，提高了穿戴舒适性。
[0016]本专利技术设计的肩部外骨骼具有补偿人体肩部盂肱关节近似球心空间漂移的作用，
可保证外骨骼肩关节的运动球心与人体肩部盂肱关节近似球心始终保持重合，避免外骨骼机构与人体之间发生运动失配的问题，提高穿戴舒适性。
[0017]本专利技术设计的肩部外骨骼左右对称，具有镜像互换功能，能够做到左右互换，同时适用于不同侧的上肢功能障碍患者，将成本控制在患者可接受范围内，能够尽可能降低成本并提高使用的便利性和利用率。
[0018]本专利技术设计的肩部外骨骼机构具有易于安装拆卸的模块化结构设计，当部分零部件损坏，可以快速便捷地更换。此外，模块化结构设计便于穿脱和装卸，也使得机构的镜像互换更加快速便捷。
[0019]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步地说明：
附图说明
[0020]图1为本专利技术的一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人的立体图；
[0021]图2为肩带模块的装配图；
[0022]图3为图4的爆炸示意图；
[0023]图4为肩关节模块的装配图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，其特征在于：包含基座(1)、肩带模块(2)和肩关节模块(3)；肩带模块(2)和肩关节模块(3)均为镜像互换结构，肩关节模块(3)的起始连接端与肩带模块(2)的末尾连接端连接，肩带模块(2)与基座(1)连接，肩带模块(2)具有空间三个方向的平移自由度以及轴线为竖直方向的转动自由度，肩关节模块(3)包含转动连接的肩关节上部机构(3
‑
1)和肩关节下部机构(3
‑
2)，肩关节上部机构(3
‑
1)用于实现肩关节下部机构(3
‑
2)在两个水平方向的补偿位移，肩关节下部机构(3
‑
2)用于实现竖直方向的补偿位移，基座(1)将动力通过拮抗绳索对传递至肩关节模块(3)，以实现肩关节模块(3)的屈曲伸展、外展内收及内旋外旋。2.根据权利要求1所述一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，其特征在于：所述肩带模块(2)包含第一竖直关节上部机构(2
‑
1)、第一竖直关节下部机构(2
‑
2)、弹性平移支撑机构(2
‑
3)、第二竖直关节机构(2
‑
4)、水平关节机构(2
‑
5)以及第三竖直关节机构(2
‑
6)；第一竖直关节上部机构(2
‑
1)与第一竖直关节下部机构(2
‑
2)共旋转轴线可拆卸地安装在基座(1)上，弹性平移支撑机构(2
‑
3)的两侧与第一竖直关节下部机构(2
‑
2)和第二竖直关节机构(2
‑
4)转动连接，水平关节机构(2
‑
5)的两侧分别与第一竖直关节上部机构(2
‑
1)和第二竖直关节机构(2
‑
4)转动连接，第二竖直关节机构(2
‑
4)与第三竖直关节机构(2
‑
6)可拆卸连接且二者间距可调，肩关节模块(3)安装在第三竖直关节机构(2
‑
6)的输出端上。3.根据权利要求2所述一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，其特征在于：弹性平移支撑机构(2
‑
3)包含左侧连接件(2
‑
31)、右侧连接件(2
‑
32)、支撑基座(2
‑
33)、支撑杆(2
‑
34)、弹簧(2
‑
35)、弹性平移支撑机构直线轴承(2
‑
36)、弹性平移支撑机构套筒(2
‑
37)以及两个套筒连接件(2
‑
38)，左侧连接件(2
‑
31)和右侧连接件(2
‑
32)位于支撑基座(2
‑
33)两侧，左侧连接件(2
‑
31)和右侧连接件(2
‑
32)的一端分别与第一竖直关节下部机构十字轴承(2
‑
24)的左右输出端连接，左侧连接件(2
‑
31)和右侧连接件(2
‑
32)的另一端与支撑基座(2
‑
33)连接，支撑杆(2
‑
34)插入支撑基座(2
‑
33)内且二者固定在一起，弹簧(2
‑
35)套在支撑杆(2
‑
34)上，弹性平移支撑机构直线轴承(2
‑
36)套在弹性平移支撑机构套筒(2
‑
37)内下部，并穿过支撑杆(2
‑
34)，弹簧(2
‑
35)的两端分别与支撑基座(2
‑
33)和弹性平移支撑机构直线轴承(2
‑
36)相抵，弹性平移支撑机构套筒(2
‑
37)上部与套筒连接件(2
‑
38)固接，套筒连接件(2
‑
38)与第二竖直关节机构(2
‑
4)转动连接。4.根据权利要求2所述一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，其特征在于：第二竖直关节机构(2
‑
4)包含第二竖直关节机构旋转件(2
‑
41)、第二竖直关节机构前杆(2
‑
46)、两个第二竖直关节机构中轴端盖(2
‑
42)、第二竖直关节机构中轴(2
‑
43)、两个第二竖直关节机构推力球轴承(2
‑
44)和两个第二竖直关节机构深沟球轴承(2
‑
45)，两个第二竖直关节机构推力球轴承(2
‑
44)分别安装在第二竖直关节机构旋转件(2
‑
41)上下内表面的凹槽中，两个第二竖直关节机构深沟球轴承(2
‑
45)分别安装在第二竖直关节机构前杆(2
‑
46)的上下凹槽中，第二竖直关节机构中轴(2
‑
43)穿过该四个轴承，第二竖直关节机构旋转件(2
‑
41)上下外表面与第二竖直关节机构中轴(2
‑
43)的上下端面分别通过第二竖直关节机构中轴端盖(2
‑
42)由螺栓配合固接，第二竖直关节机构旋转件(2
‑
41)分别与弹性平移支撑机构(2
‑
3)和水平关节机构(2
‑
5)转动连接，第二竖直关节机构前杆(2
‑
46)与第三竖直关节机构(2
‑
6)可拆卸连接且二者间距可调。
5.根据权利要求4所述一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，其特征在于：第三竖直关节机构(2
‑
6)包含肩关节支撑基座(2
‑
61)、第三竖直关节机构推力球轴承(2
‑
62)、第三竖直关节机构深沟球轴承(2
‑
63)、第三竖直关节机构中轴端盖(2
‑
64)以及第三竖直关节机构后杆(2
‑
65)；第三竖直关节机构推力球轴承(2
‑
62)和第三竖直关节机构深沟球轴承(2
‑
63)分别安装在第三竖直关节机构后杆(2
‑
65)的上下端的凹槽内，肩关节支撑基座(2
‑
61)的中轴穿过该两个轴承，肩关节支撑基座(2
‑
61)的中轴的下端面与第三竖直关节机构中轴端盖(2
‑
64)由螺栓配合固定，第三竖直关节机构后杆(2
‑
65)与第二竖直关节机构前杆(2
‑
46)对接面为锯齿状配合，且二者可拆卸连接并间距可调。6.根据权利要求2或5所述一种基于绳索驱动的模块化肩部外骨骼康复机器人，其特征在于：肩关节上部机构(3
‑
1)包含肩关节支撑平台(3
‑
11)、肩关节右侧支架(3
‑
12)、肩关节左侧支架(3
‑
13)、肩关节补偿定位架(3
‑
14)、肩关节补偿套筒(3
‑
15)、圆弧滑槽滚轮(3
‑
16)和圆弧滑槽(3
‑
17)；圆弧滑槽(3
‑
17)的下部与肩关节下部机构(3
‑
2)转动连接，圆弧滑槽(3
‑
17)的内外表面各设有圆弧滑槽滚轮(3
‑
16)，圆弧滑槽滚轮(3
‑
16)的滚轮中轴两端分别穿过肩关节右侧支架(3
‑
12)和肩关节左侧支架(3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福海，傅彦博，杨磊，付宜利，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：