CN104490565A - 七自由度外骨骼式上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，包括依次相连的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构、重力补偿运动机构、肩关节运动机构、座椅机构。本发明通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练，包括：腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；前臂的旋内/旋外运动；肘关节的曲屈/伸展运动；肩关节的曲屈/伸展运动、旋内/旋外运动、外摆/内收运动。

Description

七自由度外骨骼式上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体地，涉及一种针对上肢偏瘫患者康复训练用的七自由度外骨骼式机器人。

背景技术

脑卒中，俗称中风，是一种急性脑血管病，具有发病率高、死亡率高、致残率高的特点。近几年，脑卒中的发病率有逐年增加的趋势，成为继外伤、癌肿后第三位死亡原因，继外伤后第二位致残原因。存活的中风病人中，约有3/4有不同程度的运动功能和其他功能残疾，其中运动功能障碍发生率最高，偏瘫给脑卒中患者造成终身残疾，严重者失去生活自理能力和工作能力，靠社会和他人辅助生存，每年花费大量的人力和物力来照顾他们的日常生活，这些主要由社会和家庭承担。运动疗法是在手术与药物之外，最为重要和安全的一种康复治疗方式，并且被证明具有积极的疗效。

传统的运动康复训练方式是康复治疗师通过人力协助患者完成一系列的运动，不可避免的存在着诸多弊端，如训练过程体力消耗大，训练效率低，训练效果根据治疗师的不同而参差不齐，无法精确控制训练参数，训练方式机械重复等。

通过工业机器人技术与康复训练的结合，能够实现康复医师对康复训练的医学要求，帮助患者实现主动意识与多重刺激相结合的运动再学习。当前外骨骼上肢康复机器人已经应用于临床康复，但鉴于康复运动对外骨骼上肢康复机器人的安全性考虑，再加上外骨骼机器人独特的紧凑结构和康复训练的空间运动要求，基于力学反馈的控制方式对外骨骼机器人在被动运动、助动运动和阻抗运动的应用上提出了更高的设计和控制要求。这也是影响动力辅助在康复机器人领域进展的关键性研究。仅仅通过简单的位置传感确定运动方式，远远满足不了安全性的要求，也影响康复辅助运动的效果。而为保障康复运动更高的安全性，上肢康复机器人需要实时掌握各个关节自由度运动的力学参数，通过对力学参数的采集和运算，反馈到控制***中，并以此为基准和参考控制外骨骼机器人的辅助运动。

经过对现有技术检索发现，中国发明专利公开号CN101357097A，名称：五自由度外骨骼式上肢康复机器人，该设计结构包括机器人的安装架，安装架设计有导轨，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂通过旋转轴安装在升降架上，由横肩、上臂、前臂和手柄构成的康复机械臂本体安装在可旋转安装臂上，5个关节自由度，5个驱动电子分别安装在各个关节的转动轴上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部，肘部及腕部，其中，肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检查装置连接电机减速器与执行机构。该机器人为患者提供各关节的单自由度运动与三维多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练。

该发明可以辅助上肢五个自由度的运动训练，但无法帮助辅助患者进行上肢肩关节的旋内/旋外运动，以及前臂的旋内/旋外，而这两种自由度的运动是结合在上肢复合运动之中的。并且，该发明选用的控制电机及力矩传感器致使结构不紧凑，整体重量过大，不利于使用，圆形封闭的机构不利于病患的安全穿戴与脱离，同时，没有考虑到机器人本体及患肢的重力补偿。因此，该机构在辅助上肢进行康复训练时，具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，可以通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练，包括：腕关节的屈/伸、外展/内收；前臂的旋内/旋外；肘关节的屈/伸；肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆/内收。

为实现以上目的，本发明提供一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，包括：依次相连的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构、重力补偿运动机构、肩关节运动机构、座椅机构；

所述的前臂和腕关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现前臂的旋内/旋外运动、腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；

所述的肘关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肘关节的曲屈/伸展运动；

所述的上臂运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的旋内/旋外运动；

所述的重力补偿运动机构：根据受力的不同，为连接在一起的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构与上肢提供弹性的支撑；在弹性运动范围内实现肩关节的曲屈/伸展运动，同时提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心；

所述的肩关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的外摆/内收运动；

所述的座椅机构，提供使用者坐姿使用，限制使用者位置。

优选地，所述的前臂和腕关节运动机构，包括握杆、第一弯杆、第一轴、第一轴承、第二弯杆、第一皮带轮、第一皮带、第二皮带轮、第二轴、第二轴承、联轴器、第一电机座、第二电机座、第三电机座、第一电机、第三弯杆、前臂板、第三轴承、第三轴、第三皮带轮、第二皮带、第四皮带轮、第四轴、圆柱轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第二电机、第四电机座、第五电机座、第六电机座和U形环，其中：握杆尾部***第一弯杆中并紧固；第一弯杆与第一皮带轮通过第一轴紧固，第一轴与第二弯杆间装有第一轴承；第一电机座、第二电机座、第三电机座紧固在第二弯杆上，第一电机固定在第一电机座、第二电机座、第三电机座中，第一电机与第二轴通过联轴器连接，第二轴与第二弯杆间装有第二轴承，第二皮带轮固定在第二轴顶端，第二皮带轮与第一皮带轮之间装有第一皮带；第三弯杆一端与第二弯杆紧固连接、另一端与第三轴紧固，第三轴的一端与第三皮带轮紧固、另一端与前臂板通过第三轴承连接；前臂板***U形环内，并可根据具体长度拖动相对位置进行调整，第四轴与第一锥齿轮之间通过圆柱轴承连接，第一锥齿轮紧固在第四皮带轮中，第四轴的末端固定在U形环槽口中；第三皮带轮与第四皮带轮通过第二皮带连接；第四电机座、第五电机座、第六电机座紧固在前臂板上，第二电机固定在第四电机座、第五电机座、第六电机座中，第二锥齿轮紧固在第二电机上。

更优选地，所述握杆上设有握杆橡胶套，橡胶套根据人手握杆时的手型定制，方便虎口的卡位，并带动手腕运动，握杆橡胶套套紧在握杆上。

优选地，所述的肘关节运动机构，包括第一肘关节板、第二肘关节板、第一肘关节半U形板、第二肘关节半U形板、第一肘关节轴承、第二肘关节轴承、第一肘关节轴、第二肘关节轴、第一肘关节皮带轮、第二肘关节皮带轮、肘关节皮带、肘关节电机座架、第一肘关节电机座、第二肘关节电机座、第三肘关节皮带轮、肘关节电机，其中：第一肘关节板一端与第一肘关节轴的一端紧固；第一肘关节轴的另一端与第一肘关节皮带轮紧固；第一肘关节轴与第一肘关节半U形板通过轴承连接；第二肘关节板一端与第二肘关节轴的一端紧固，第二肘关节轴的另一端与第二肘关节皮带轮紧固；第二肘关节轴与第二肘关节半U形板通过轴承配合连接；第一肘关节半U形板与第二肘关节半U形板对称固定在肘关节电机座架上；第一肘关节电机座、第二肘关节电机座固定在肘关节电机座架上；肘关节电机固定在第一肘关节电机座、第二肘关节电机座中；第三肘关节皮带轮紧固在肘关节电机输出端上；第二肘关节皮带轮与第三肘关节皮带轮通过肘关节皮带连接；当肘关节电机进行翻转切换安装时，固定其上的第三肘关节皮带轮、第一肘关节电机座将通过肘关节皮带与第一肘关节皮带轮连接；

肘关节运动机构的第一肘关节板另一端与前臂与腕关节运动机构的U形环下端紧固，肘关节运动机构的第二肘关节板另一端与前臂与腕关节运动机构的U形环上端紧固，从而实现肘关节运动机构和前臂与腕关节运动机构的连接。

更优选地，所述的第一支撑架部件与第三支撑架部件相对的一侧竖直方向对应位置设置有凹槽、第二支撑架部件与第四支撑架部件相对的一侧竖直方向对应位置也设置有凹槽，第一圆柱杆、第二圆柱杆和第三圆柱杆左、右端部放置于所述凹槽内并通过紧固件夹紧。

更优选地，所述的第一肘关节板、第二肘关节板、第一肘关节半U形板、第二肘关节半U形板上各安装有紧固件，用于在运动时机械安全限位。

优选地，所述的上臂运动机构，包括半圆基座、第一半圆罩板、第二半圆罩板、第一弧形导轨套件、第二弧形导轨套件、上臂板、上臂支撑架、第一架座、第二架座、第一直挡板、第二直挡板、第一U型挡板、第二U型挡板、第一上臂电机座、第二上臂电机座、上臂电机、上臂联轴器、上臂轴承、上臂轴，其中：第一、第二弧形导轨套件的轨道固定在半圆基座两侧上并呈对称镜像排布，第一、第二弧形导轨套件的滑块分别固定在第二、第一半圆罩板上，第一、第二架座分别固定在第一、第二半圆罩板上，上臂支撑架固定在第一架座上，第一U型挡板、第二U型挡板固定在第二、第一半圆罩板上，半圆基座和上臂板紧固，第一、第二上臂电机座紧固在上臂板，上臂电机安置在第一、第二上臂电机座中，上臂电机输出轴与上臂轴通过上臂联轴器相连，上臂轴与半圆基座通过上臂轴承连接；第一直挡板两端分别通过紧固件固定在第一架座和第二架座上端，第二直挡板两端通过紧固件分别固定在第一架座和第二架座下端；

上臂运动机构的第二半圆罩板上的第二架座与肘关节运动机构的肘关节电机座架一端固定连接，从而实现上臂运动机构与肘关节运动机构连接。

优选地，所述的重力补偿运动机构，包括第一支撑杆座、支撑杆、第二支撑杆座、第一支撑架部件、第二支撑架部件、第三支撑架部件、第四支撑架部件、第一圆柱杆、第二圆柱杆、第三圆柱杆、立柱管、旋转座、第一立柱座、第二立柱座；其中：支撑杆的一端与第一支撑杆座相连、另一端与第二支撑杆座相连；第一支撑杆座套在立柱管上并锁紧；第二支撑杆座与第二支撑架部件和第四支撑架部件相连；第二支撑架部件和第四支撑架部件相连并相互配合，第一支撑架部件和第三支撑架部件相连并相互配合，第一圆柱杆、第二圆柱杆和第三圆柱杆分别被第一支撑架部件与第三支撑架部件、第二支撑架部件与第四支撑架部件夹紧；第一支撑架部件和第三支撑架部件与旋转座的一端相连，旋转座的另一端连接立柱管，立柱管的中部和底部分别安装有第一立柱座、第二立柱座，且第一支撑杆座在第一立柱座、第二立柱座之间；

重力补偿运动机构的第一支撑架部件、第二支撑架部件与上臂运动机构的上臂板连接固定，从而实现重力补偿运动机构与上臂运动机构的连接。

优选地，所述的肩关节运动机构，包括肩关节电机、第一肩关节支架、第二肩关节支架、第一肩关节支撑管、万向轮、轮座、第三肩关节支架、第四肩关节支架、第二肩关节支撑管，其中：肩关节电机输出轴与第一肩关节支架的一端紧固；第一肩关节支架的另一端、第二肩关节支架的一端均套在第一肩关节支撑管上并锁紧；轮座拧在第一肩关节支撑管的底部；万向轮紧固在轮座上；第三肩关节支架和第四肩关节支架的一端套在第一肩关节支撑管上、另一端套在第二肩关节支撑管上并锁紧；

重力补偿运动机构的第一立柱座、第二立柱座套在肩关节运动机构的第二肩关节支撑管上并锁紧，从而实现肩关节运动机构与重力补偿运动机构的连接。

优选地，所述的座椅机构，包括座椅架、座椅架平板、坐垫、靠垫、电机架板、座椅轴和电机座，其中：座椅架平板固定在座椅架上；坐垫置于座椅架平板上；靠垫罩在座椅架的靠背上；电机座固定在座椅架一侧；电机架板固定在电机座上；座椅轴的法兰盘固定在座椅架平板上；

肩关节运动机构的肩关节电机放置在座椅机构的电机架板中，肩关节运动机构的第二肩关节支架另一端套在座椅机构的座椅轴上，从而实现肩关节运动机构与座椅机构的连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练，包括：腕关节的屈/伸、外展/内收；前臂的旋内/旋外；肘关节的屈/伸；肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆/内收。采用本发明提高了训练效率、精确了训练参数，而且结构紧凑，利于推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的前臂和腕关节运动机构的结构示意图；

图3是本发明的肘关节运动机构的结构示意图；

图4是本发明的上臂运动机构的结构示意图；

图5是本发明的重力补偿运动机构的结构示意图；

图6是本发明的肩关节运动机构的结构示意图；

图7是本发明的座椅机构的结构示意图；

图中：

前臂和腕关节运动机构1，肘关节运动机构2，上臂运动机构3，重力补偿运动机构4，肩关节运动机构5，座椅机构6；

握杆橡胶套101，握杆102，第一弯杆103，第一轴104，第一轴承105，第二弯杆106，第一皮带轮107，第一皮带108，第二皮带轮109，第二轴110，第二轴承111，联轴器112，第一电机座113，第二电机座114，第三电机座115，第一电机116，第三弯杆117，前臂板118，第三轴承119，第三轴120，第三皮带轮121，第二皮带122，第四皮带轮123，第四轴124，圆柱轴承125，第一锥齿轮126，第二锥齿轮127，第二电机128，第四电机座129，第五电机座130，第六电机座131，挡块132，U形环133；

第一肘关节板201、第二肘关节板202、第一肘关节半U形板203、第二肘关节半U形板204、第一肘关节轴205、第二肘关节轴206、第一肘关节皮带轮207、第二肘关节皮带轮208、肘关节皮带209、第三肘关节皮带轮210、第一肘关节电机座211、第二肘关节电机座212、肘关节电机座架213、肘关节电机214；

半圆基座301，第一半圆罩板302，第二半圆罩板303，第一弧形导轨套件304，第二弧形导轨套件305，上臂板306，第一上臂电机座307，第二上臂电机座308，上臂电机309，上臂联轴器310，上臂轴承311，上臂轴312，钢丝线313，第一U型挡板314，第二U型挡板315，第一直挡板316，第二直挡板317，上臂支撑架318，第一架座319，第二架座320；

第一支撑杆座401、支撑杆402、第二支撑杆座403、第一支撑架部件404、第二支撑架部件405、第三支撑架部件406、第四支撑架部件407、第一圆柱杆408、第二圆柱杆409、第三圆柱杆410、轴411、立柱管412、旋转座413、轴承414、轴承415、第一立柱座416、轴承417、第二立柱座418，轴承419，支撑轴420和轴承421；

肩关节电机51，第一肩关节支架52，第二肩关节支架53，第一肩关节支撑管54，万向轮55，轮座56，第三肩关节支架57，第四肩关节支架58，第二肩关节支撑管59；

座椅机构6，包括座椅架61、座椅架平板62、坐垫63、靠垫64、电机架板65、座椅轴66和电机座67。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2所示，旋转轴J1为第一轴104的旋转轴线；旋转轴J2为第一电机116旋转轴线；旋转轴J3第三轴120、第三皮带轮121的旋转轴线；旋转轴J4为第四皮带轮123的旋转轴线。

如图3所示，旋转轴J5为肘关节电机214旋转轴线；旋转轴J6为第一肘关节轴205和第二肘关节轴206旋转轴线。

如图4所示，旋转轴J7为上臂电机309旋转轴线；旋转轴J8为半圆基座301、第一半圆罩板302、第二半圆罩板303的圆弧中心轴线。

如图5所示，旋转轴J9为轴414旋转轴线。

如图6所示，旋转轴J10为肩关节电机51旋转轴线。

如图1所示，本实施例提供一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，包括前臂和腕关节运动机构1、肘关节运动机构2、上臂运动机构3、重力补偿运动机构4、肩关节运动机构5和座椅机构6，其中，前臂和腕关节运动机构1与肘关节运动机构2相连，肘关节运动机构2与上臂运动机构3相连，上臂运动机构3与重力补偿运动机构4相连，重力补偿运动机构4与肩关节运动机构5相连，肩关节运动机构5与座椅机构6相连。

所述的前臂和腕关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现前臂的旋内/旋外运动、腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；

所述的肘关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肘关节的曲屈/伸展运动；

所述的上臂运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的旋内/旋外运动；

所述的重力补偿运动机构：根据受力的不同，为连接在一起的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构与上肢提供弹性的支撑；在弹性运动范围内实现肩关节的曲屈/伸展运动，同时提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心；

所述的肩关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的外摆/内收运动；

所述的座椅机构，提供使用者坐姿使用，限制使用者位置。

作为本发明的一个优选实施方式，如图2所示，所述的前臂和腕关节运动机构1包括握杆橡胶套101、握杆102、第一弯杆103、第一轴104、第一轴承105、第二弯杆106、第一皮带轮107、第一皮带108、第二皮带轮109、第二轴110、第二轴承111、联轴器112、第一电机座113、第二电机座114、第三电机座115、第一电机116、第三弯杆117、前臂板118、第三轴承119、第三轴120、第三皮带轮121、第二皮带122、第四皮带轮123、第四轴124、圆柱轴承125、第一锥齿轮126、第二锥齿轮127、第二电机128、第四电机座129、第五电机座130、第六电机座131、挡块132和U形环133，其中：

握杆橡胶套101套紧在握杆102上，握杆102尾部***第一弯杆103中并通过螺纹紧固；第一弯杆103另一端与第一皮带轮107通过第一轴104紧固；第一轴104与第二弯杆106间装有第一轴承105，第一轴104绕旋转轴J1旋转；第一电机座113、第二电机座114、第三电机座115通过螺钉紧固在第二弯杆106上，第一电机116固定在第一电机座113、第二电机座114、第三电机座115中，第一电机座确保轴向定位，但由于此处部件及固定螺钉尺寸较小，需要第二电机座和第三电机座起辅助固定作用，第一电机被镶嵌在电机座中，不会受外力磕碰影响。第一电机116与第二轴110通过联轴器112连接；第二轴110与第二弯杆106间装有第二轴承111，第二轴110绕旋转轴J2旋转；第二皮带轮109固定在第二轴110顶端，第二皮带轮109与第一皮带轮107之间装有第一皮带108；第三弯杆117一端与第二弯杆106通过螺钉紧固、另一端与第三轴120紧固；第三轴120一端与第三皮带轮121紧固、另一端与前臂板118一端通过第三轴承119连接，第三轴120绕旋转轴J3旋转；前臂板118另一端***U形环133内，并可根据具体长度拖动相对位置进行调整；第四轴124与第一锥齿轮126之间通过圆柱轴承125连接，第一锥齿轮126紧固在第四皮带轮123中；第四轴124末端固定在U形环133槽口中，第四轴124绕旋转轴J4旋转；第三皮带轮121与第四皮带轮123通过第二皮带122连接；第四电机座129、第五电机座130、第六电机座131通过螺钉紧固在前臂板118上，第二电机128固定在第四电机座129、第五电机座130、第六电机座131中；第二锥齿轮127紧固在第二电机128上；挡块132固定在前臂板118上，当第三弯杆117随第三轴120绕旋转轴J3旋转时，第三弯杆117被挡块132限定在有限运动范围内，作为机械安全限位机构。

本实施例中，在第一电机116与第二电机128的带动下，所述的前臂和腕关节运动机构1可以实现前臂和腕关节共三个自由度的被动运动：

1、前臂的旋内/旋外运动：第一电机116绕旋转轴J2旋转，在第一电机116的带动下，第二皮带轮109通过第一皮带108带动第一皮带轮107转动，从而带动第一轴104绕旋转轴J1旋转，即实现前臂绕旋转轴J1旋转；

2、腕关节的曲屈/伸展运动：第一电机116带动握把102绕旋转轴J1旋转，当握把102与旋转轴J3处于同一平面并固定在该角度时，第二电机128旋转，通过第一锥齿轮126与第二锥齿轮127啮合传动，带动第四皮带轮123旋转，第四皮带轮123通过第二皮带122带动第三皮带轮121、第三轴120、第三弯杆117绕旋转轴J3旋转，

3、腕关节的内收/外展运动：第一电机116带动握把102绕J1旋转，当握把102与旋转轴J3垂直并固定在该角度时，第二电机128带动腕关节绕旋转轴J3旋转。

作为本发明的一个优选实施方式，如图3所示，所述的肘关节运动机构2包括第一肘关节板201、第二肘关节板板202、第一肘关节半U形板203、第二肘关节半U形板204、第一肘关节轴205、第二肘关节轴206、第一肘关节皮带轮207、第二肘关节皮带轮208、肘关节皮带209、第三肘关节皮带轮210、第一肘关节电机座211、第二肘关节电机座212、肘关节电机座架213和肘关节电机214，其中：

第一肘关节板201一端与第一肘关节轴205的一端紧固；第一肘关节轴205的另一端与第一肘关节皮带轮207紧固；第一肘关节轴205与第一肘关节半U形板203通过轴承配合连接；第二肘关节板202一端与第二肘关节轴206的一端紧固，第二肘关节轴206的另一端与第二肘关节皮带轮208紧固；第二肘关节轴206与第二肘关节半U形板204通过轴承配合连接；第一肘关节半U形板203与第二肘关节半U形板204对称固定在肘关节电机座架213上；第一肘关节电机座211、第二肘关节电机座212固定在肘关节电机座架213上；肘关节电机214固定在第一肘关节电机座211、第二肘关节电机座212中；第三肘关节皮带轮210紧固在肘关节电机214输出端上；第二肘关节皮带轮208与第三肘关节皮带轮210通过肘关节皮带209连接。当肘关节电机214进行翻转切换安装时，固定其上的第三肘关节皮带轮210、第一肘关节电机座211将通过肘关节皮带209与第一肘关节皮带轮207连接；第一肘关节电机座起轴向定位作用，第二肘关节电机座辅助定位，保证肘关节电机镶嵌在两个电机座中，不受外力影响。

肘关节运动机构中2的第一肘关节板201另一端与前臂与腕关节运动机构1中的U形环133下端通过螺钉紧固；肘关节运动机构中的第二肘关节板202另一端与前臂与腕关节运动机构1中的U形环133上端通过螺钉紧固，通过这种方式实现了肘关节运动机构2和前臂与腕关节运动机构1的连接。

本实施例中，所述肘关节电机214轴绕旋转轴J5带动第三肘关节皮带轮210旋转，通过肘关节皮带209传动，第一肘关节板201和第二肘关节板202绕J6轴旋转，所述肘关节运动机构2可以实现肘关节的曲屈/伸展运动，即肘关节绕旋转轴J6旋转。

本实施例中，所述的第一肘关节板201、第二肘关节板202、第一肘关节半U形板203、第二肘关节半U形板204上各安装有紧固螺钉，在运动时，做机械安全限位用。

作为本发明的一个优选实施方式，如图4所示，所述的上臂运动机构3包括半圆基座301、第一半圆罩板302、第二半圆罩板303、第一弧形导轨套件304、第二弧形导轨套件305、上臂板306、第一上臂电机座307、第二上臂电机座308、上臂电机309、上臂联轴器310、上臂轴承311、上臂轴312、钢丝线313、第一U型挡板314、第二U型挡板315、第一直挡板316、第二直挡板317、上臂支撑架318、第一架座319和第二架座320，其中：

第一、第二弧形导轨套件304、305的轨道通过螺钉固定在半圆基座301两侧上并呈对称镜像排布；第一、第二弧形导轨套件304、305的滑块分别固定在第二、第一半圆罩板303、302上；第一、第二架座319、320分别固定在第一、第二半圆罩板302、303上；上臂支撑架318通过螺钉固定在第一架座319上；第一U型挡板314、第二U型挡板315通过螺钉固定在第二、第一半圆罩板303、302上；半圆基座301和上臂板306通过螺钉紧固；第一、第二上臂电机座307、308通过螺钉紧固在上臂板306上；上臂电机309安置在第一、第二上臂电机座307、308中；上臂电机309输出轴与上臂轴312通过上臂联轴器310相连；上臂轴312与半圆基座301通过上臂轴承311连接；第一直挡板316两端分别通过螺钉固定在第一架座319和第二架座320上段，第二直挡板317两端通过螺钉分别固定在第一架座319和第二架座320下端。

本实施例中，所述的上臂运动机构3可以实现：在上臂电机309的带动下，上臂轴312绕旋转轴J7旋转，通过钢丝线313带动肩关节的旋内/旋外运动：即上臂绕旋转轴J8旋转。

作为本发明的一个优选实施方式，如图5所示，所述的重力补偿运动机构4包括第一支撑杆座401、支撑杆402、第二支撑杆座403、第一支撑架部件404、第二支撑架部件405、第三支撑架部件406、第四支撑架部件407、第一圆柱杆408、第二圆柱杆409、第三圆柱杆410、轴411、立柱管412、旋转座413、轴414、轴承415、第一立柱座416、轴承417、第二立柱座418，轴承419，支撑轴420和轴承421，其中：

支撑杆402的一端与第一支撑杆座401通过轴承421与轴420相连、另一端与第二支撑杆座403通过轴相连；第一支撑杆座401套在立柱管412上并锁紧；第二支撑杆座403与第二支撑架部件405和第四支撑架部件407通过螺栓相连；第二支撑架部件405和第四支撑架部件407通过螺栓相连；第一支撑架部件404和第三支撑架部件406通过螺栓相连；第一圆柱杆408、第二圆柱杆409和第三圆柱杆410分别被第一支撑架部件404与第三支撑架部件406、第二支撑架部件405与第四支撑架部件407通过螺栓夹紧；第一支撑架部件404和第三支撑架部件406与旋转座413的一端通过螺栓相连；旋转座413的另一端通过轴411连接立柱管412；轴411与旋转座413通过轴承414、轴承415衔接，旋转座413可以绕轴411的轴线转动；立柱管412的中部和底部分别安装有第一立柱座416、第二立柱座418，且第一支撑杆座401在第一立柱座416、第二立柱座418之间；第一立柱座416、第二立柱座418与立柱管412分别通过轴承417、轴承419衔接，第一立柱座416、第二立柱座418可以绕立柱管412的轴线转动；

重力补偿运动机构4的第一支撑架部件404、第二支撑架部件405的侧面与上臂运动机构3的上臂板306通过螺栓连接固定，从而实现重力补偿运动机构4与上臂运动机构3的连接。

本实施例中，所述的第一支撑架部件404与第三支撑架部件406相对的一侧竖直方向对应位置设置有凹槽、第二支撑架部件405与第四支撑架部件407相对的一侧竖直方向对应位置也设置有凹槽，所述第一圆柱杆408、第二圆柱杆409和第三圆柱杆410左、右端部放置于所述凹槽内并夹紧。

本实施例中，所述的重力补偿运动机构4可以实现三个作用：

1、根据受力的不同，为前臂和腕关节运动机构1、肘关节运动机构2、上臂运动机构3与上肢提供弹性的支撑；

2、在弹性运动范围内，实现肩关节的曲屈/伸展运动：肩关节绕旋转轴J9旋转；

3、同时，重力补偿运动机构4的立柱管412的自旋，提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心。

本实施例中，相连在一起的所述前臂和腕关节运动机构1、肘关节运动机构2、上臂运动机构3，可以绕第二圆柱杆409翻转180度，为左右上肢互换提供改变。

作为本发明的一个优选实施方式，如图6所示，所述的肩关节机构5包括：肩关节电机51、第一肩关节支架52、第二肩关节支架53、第一肩关节支撑管54、万向轮55、轮座56、第三肩关节支架57、第四肩关节支架58和第二肩关节支撑管59，其中：

肩关节电机51的输出轴与第一肩关节支架52的一端紧固；第一肩关节支架52的另一端、第二肩关节支架53的一端均套在第一肩关节支撑管54上并通过螺栓锁紧；轮座56通过螺纹拧在第一肩关节支撑管54的底部；万向轮55通过螺钉紧固在轮座56上；第三肩关节支架57和第四肩关节支架58的一端套在第一肩关节支撑管54上、另一端套在第二肩关节支撑管59上并通过螺栓锁紧；

重力补偿运动机构4的第一立柱座416、第二立柱座418套在肩关节运动机构5的第二肩关节支撑管59上并锁紧，从而实现所述肩关节运动机构5与所述重力补偿运动机构4的连接。

本实施例中，所述的肩关节机构5可以实现：肩关节电机51绕旋转轴J10旋转，带动肩关节的外摆/内收运动，此时肩关节在水平面上绕旋转轴J10旋转。

作为本发明的一个优选实施方式，如图7所示，所述的座椅机构6包括座椅架61、座椅架平板62、坐垫63、靠垫64、电机架板65，座椅轴66和电机座67，其中：

座椅架平板62固定在座椅架61上；坐垫63置于座椅架平板62上；靠垫64罩在座椅架61的靠背上；电机座67固定在座椅架61一侧，电机架板65通过螺钉固定在电机座67上；座椅轴66的法兰盘通过螺钉固定在座椅架平板62上；

肩关节运动机构的肩关节电机51放置在电机架板65中，肩关节运动机构5的第二肩关节支架53另一端套在座椅轴66上，从而实现所述肩关节运动机构5与所述座椅机构6的连接。

本实施例中，所述的座椅机构6的作用：提供使用者坐姿使用，限制使用者位置，定位肩关节在旋转轴J10上。

综上，本发明通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练，包括：腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；前臂的旋内/旋外运动；肘关节的曲屈/伸展运动；肩关节的曲屈/伸展运动、旋内/旋外运动、外摆/内收运动。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是、本发明并不局限于上述特定实施方式、本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改、这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，包括依次相连的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构、重力补偿运动机构、肩关节运动机构、座椅机构；

所述的前臂和腕关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现前臂的旋内/旋外运动、腕关节的曲屈/伸展运动、腕关节的内收/外展运动；

所述的肘关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肘关节的曲屈/伸展运动；

所述的上臂运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的旋内/旋外运动；

所述的重力补偿运动机构：根据受力的不同，为连接在一起的前臂和腕关节运动机构、肘关节运动机构、上臂运动机构与上肢提供弹性的支撑；在弹性运动范围内实现肩关节的曲屈/伸展运动，同时提供一个被动自由度，辅助肩关节自适应其不定的轴心；

所述的肩关节运动机构，辅助偏瘫患者对上肢患肢实现肩关节的外摆/内收运动；

所述的座椅机构，提供使用者坐姿使用，限制使用者位置。

2.根据权利要求1所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的前臂和腕关节运动机构，包括握杆、第一弯杆、第一轴、第一轴承、第二弯杆、第一皮带轮、第一皮带、第二皮带轮、第二轴、第二轴承、联轴器、第一电机座、第二电机座、第三电机座、第一电机、第三弯杆、前臂板、第三轴承、第三轴、第三皮带轮、第二皮带、第四皮带轮、第四轴、圆柱轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第二电机、第四电机座、第五电机座、第六电机座和U形环，其中：握杆尾部***第一弯杆中并紧固；第一弯杆与第一皮带轮通过第一轴紧固，第一轴与第二弯杆间装有第一轴承；第一电机座、第二电机座、第三电机座紧固在第二弯杆上，第一电机固定在第一电机座、第二电机座、第三电机座中，第一电机与第二轴通过联轴器连接，第二轴与第二弯杆间装有第二轴承，第二皮带轮固定在第二轴顶端，第二皮带轮与第一皮带轮之间装有第一皮带；第三弯杆一端与第二弯杆紧固连接、另一端与第三轴紧固，第三轴的一端与第三皮带轮紧固、另一端与前臂板通过第三轴承连接；前臂板***U形环内，第四轴与第一锥齿轮之间通过圆柱轴承连接，第一锥齿轮紧固在第四皮带轮中，第四轴的末端固定在U形环槽口中；第三皮带轮与第四皮带轮通过第二皮带连接；第四电机座、第五电机座、第六电机座紧固在前臂板上，第二电机固定在第四电机座、第五电机座、第六电机座中，第二锥齿轮紧固在第二电机上。

3.根据权利要求1所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的肘关节运动机构，包括第一肘关节板、第二肘关节板、第一肘关节半U形板、第二肘关节半U形板、第一肘关节轴承、第二肘关节轴承、第一肘关节轴、第二肘关节轴、第一肘关节皮带轮、第二肘关节皮带轮、肘关节皮带、肘关节电机座架、第一肘关节电机座、第二肘关节电机座、第三肘关节皮带轮、肘关节电机，其中：第一肘关节板一端与第一肘关节轴的一端紧固；第一肘关节轴的另一端与第一肘关节皮带轮紧固；第一肘关节轴与第一肘关节半U形板通过轴承连接；第二肘关节板一端与第二肘关节轴的一端紧固，第二肘关节轴的另一端与第二肘关节皮带轮紧固；第二肘关节轴与第二肘关节半U形板通过轴承配合连接；第一肘关节半U形板与第二肘关节半U形板对称固定在肘关节电机座架上；第一肘关节电机座、第二肘关节电机座固定在肘关节电机座架上；肘关节电机固定在第一肘关节电机座、第二肘关节电机座中，第三肘关节皮带轮紧固在肘关节电机输出端上；第二肘关节皮带轮与第三肘关节皮带轮通过肘关节皮带连接；当肘关节电机进行翻转切换安装时，固定其上的第三肘关节皮带轮、第一肘关节电机座将通过肘关节皮带与第一肘关节皮带轮连接。

4.根据权利要求3所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的第一支撑架部件与第三支撑架部件相对的一侧竖直方向对应位置设置有凹槽、第二支撑架部件与第四支撑架部件相对的一侧竖直方向对应位置也设置有凹槽，第一圆柱杆、第二圆柱杆和第三圆柱杆左、右端部放置于所述凹槽内并通过紧固件夹紧。

5.根据权利要求3所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的第一肘关节板、第二肘关节板、第一肘关节半U形板、第二肘关节半U形板上各安装有紧固件，用于在运动时机械安全限位。

6.根据权利要求3所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的上臂运动机构，包括半圆基座、第一半圆罩板、第二半圆罩板、第一弧形导轨套件、第二弧形导轨套件、上臂板、上臂支撑架、第一架座、第二架座、第一直挡板、第二直挡板、第一U型挡板、第二U型挡板、第一上臂电机座、第二上臂电机座、上臂电机、上臂联轴器、上臂轴承、上臂轴，其中：第一、第二弧形导轨套件的轨道固定在半圆基座两侧上并呈对称镜像排布，第一、第二弧形导轨套件的滑块分别固定在第二、第一半圆罩板上，第一、第二架座分别固定在第一、第二半圆罩板上，上臂支撑架固定在第一架座上，第一U型挡板、第二U型挡板固定在第二、第一半圆罩板上，半圆基座和上臂板紧固，第一、第二上臂电机座紧固在上臂板，上臂电机安置在第一、第二上臂电机座中，上臂电机输出轴与上臂轴通过上臂联轴器相连，上臂轴与半圆基座通过上臂轴承连接；第一直挡板两端分别通过紧固件固定在第一架座和第二架座上端，第二直挡板两端通过紧固件分别固定在第一架座和第二架座下端。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的重力补偿运动机构，包括第一支撑杆座、支撑杆、第二支撑杆座、第一支撑架部件、第二支撑架部件、第三支撑架部件、第四支撑架部件、第一圆柱杆、第二圆柱杆、第三圆柱杆、立柱管、旋转座、第一立柱座、第二立柱座；其中：支撑杆的一端与第一支撑杆座相连、另一端与第二支撑杆座相连；第一支撑杆座套在立柱管上并锁紧；第二支撑杆座与第二支撑架部件和第四支撑架部件相连；第二支撑架部件和第四支撑架部件相连并相互配合，第一支撑架部件和第三支撑架部件相连并相互配合，第一圆柱杆、第二圆柱杆和第三圆柱杆分别被第一支撑架部件与第三支撑架部件、第二支撑架部件与第四支撑架部件夹紧；第一支撑架部件和第三支撑架部件与旋转座的一端相连，旋转座的另一端连接立柱管，立柱管的中部和底部分别安装有第一立柱座、第二立柱座，且第一支撑杆座在第一立柱座、第二立柱座之间。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的肩关节运动机构，包括肩关节电机、第一肩关节支架、第二肩关节支架、第一肩关节支撑管、万向轮、轮座、第三肩关节支架、第四肩关节支架、第二肩关节支撑管，其中：肩关节电机输出轴与第一肩关节支架的一端紧固；第一肩关节支架的另一端、第二肩关节支架的一端均套在第一肩关节支撑管上并锁紧；轮座拧在第一肩关节支撑管的底部；万向轮紧固在轮座上；第三肩关节支架和第四肩关节支架的一端套在第一肩关节支撑管上、另一端套在第二肩关节支撑管上并锁紧。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述的座椅机构，包括座椅架、座椅架平板、坐垫、靠垫、电机架板、座椅轴和电机座，其中：座椅架平板固定在座椅架上；坐垫置于座椅架平板上；靠垫罩在座椅架的靠背上；电机座固定在座椅架一侧；电机架板固定在电机座上；座椅轴的法兰盘固定在座椅架平板上。