CN104873360A - 一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，包括腕部外摆/内收关节、前屈/后伸关节、旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、外摆/内收关节、旋内/旋外关节、以及套索驱动装置；肩部、肘部以及腕部旋内/旋外关节分别通过套索与固定于支架上的电机相连接，驱动力矩通过套索传递到各关节；腕部外摆/内收关节和前屈/后伸关节采用电机直接驱动；电机内置编码器，用于测量外骨骼整体姿态；腕部安装有六维力传感器，用于测量人机交互力；肩部和肘部安装有平衡弹簧，能实现机构整体的重力平衡。本发明克服了关节质量和惯量过大的问题，实现轻量化设计，有效减小功耗，提升***安全性能，并能实现多模式康复训练。

Description

一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人

技术领域

本发明属于医疗器械领域，涉及一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人。

背景技术

脑卒中又称脑血管意外或中风，是由于脑血管异常所造成的突发性神经功能损害，具有发病率高、死亡率高、致残率高的特点。据国家***统计，脑卒中的发病率和死亡率随年龄增加而迅速上升。目前中国的脑卒中患者总数超过了800万例，每年新发病例120～150万，死亡80～100万，约3/4的幸存者会由于运动神经受损而造成的不同程度的偏瘫，导致运动功能障碍，严重影响生活质量。

脑卒中后偏瘫的治疗和康复已经成为现代康复医学和康复工程的研究热点。研究表明，对偏瘫患者的患侧进行重复性运动训练，有助于恢复中枢神经对肢体运动的支配与控制，增强患者的肌肉力量，改善运动协调性，并能有效够预防肌肉萎缩，骨质疏松等并发症状。传统的临床方法主要包括超早期的基础护理，中期的按摩、推拿，后期的针刺治疗等，这些方法主要以徒手康复治疗为主，治疗效果受到治疗手段和医师个人经验差异的影响，每个医师需按照一对一的治疗模式，反复牵引偏瘫患者进行针对性的康复训练，治疗过程需要耗费大量的精力和体力，护理成本高昂。而且整个训练过程单调重复，患者常常处于被动状态，参与度低，也不能够选择治疗方式和治疗习惯，由于没有实时的反馈和直观数据的采集，医师不容易及时了解其康复程度和效果

上肢康复外骨骼***是将机器人技术引入临床康复医学领域而产生的一种辅助或替代医师完成患肢康复训练的机器人***。上肢康复外骨骼可以穿戴于偏瘫患者外侧，并对其进行准确、持续、有效的上肢恢复训练治疗，解决康复医疗资源紧张和人工训练中存在的问题，同时还可以通过感知***测量得到的人体运动学和生理学数据,帮助康复医师更准确地评估患者病情，为医师改进和优化康复方案提供了客观依据。

在专利号为CN102151215B的发明专利中，公开了一种上肢外骨骼式康复机械臂，由肩部C型外轨道支座、轨道滑块、肩头连接杆、上臂连接杆、前臂连接杆、手腕环形外轨道支座、手腕摆动连杆和手柄构成，可实现7个自由度的运动。但由于该 发明没有设置驱动元件，因此无法独立对患者进行康复训练治疗。

在专利号为CN103948485A的发明专利中，公开了一种外骨骼式上肢康复机器人，由驱动部分、传动部分、执行部分构成，能模拟运动疗法进行康复训练。但是该专利只能完成肘关节前屈/后伸和前臂旋内/旋外两种运动模式，不利于上肢其他关节的康复治疗。

在专利号为CN102119902B的发明专利中，公开了一种可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼。该发明能实现患者上肢任意关节的康复训练，而且可以采集各个关节的运动学和动力学数据。但是，该专利将驱动电机均安装在关节上，使外骨骼整体具有较大的质量、惯量以及体积，增加了***的整体负重、功耗以及对驱动元件的性能要求，降低了控制精度，而且在***故障或异常断电发生的时候会带来患肢坠落的安全隐患。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有优化结构的上肢康复外骨骼机器人，以克服上述缺陷。

发明内容

技术问题：本发明提供一种主要适用于偏瘫患者的上肢康复训练，结构简单、***功耗低、安全性好的基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人。

技术方案：本发明的基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，包括依次连接的腕部外摆/内收关节、腕部前屈/后伸关节、腕部旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、肩部外摆/内收关节、肩部旋内/旋外关节、以及分别与所述腕部旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、肩部外摆/内收关节和肩部旋内/旋外关节连接的套索驱动装置，所述肘部前屈/后伸关节还与肩部旋内/旋外关节连接。腕部外摆/内收关节包括末端操作手柄、六维力传感器、第一关节驱动输出杆、第一关节电机和第一关节法兰盘，末端操作手柄通过螺栓与六维力传感器的顶端固定连接，六维力传感器底端通过螺栓与第一关节驱动输出杆的外端固定连接，第一关节电机通过螺栓与第一关节驱动输出杆的内端固定连接，第一关节电机的转轴通过键和轴端挡圈与第一关节法兰盘的内孔固定连接，使第一关节驱动输出杆和第一关节法兰盘构成第一转动副。腕部前屈/后伸关节包括第二关节驱动输出杆、第二关节法兰盘、第二关节电机、腕部第一调节杆和腕部第二调节杆，第二关节驱动输出杆的一端通过螺栓与第一关节法兰盘的外缘固定连接，另一端通过螺栓与第二关节法兰盘的外缘固 定连接，第二关节电机通过螺栓与腕部第一调节杆固定连接，第二关节电机的转轴通过键和轴端挡圈与第二关节法兰盘的内孔固定连接，使腕部第一调节杆和第二关节法兰盘构成第二转动副，腕部第一调节杆和腕部第二调节杆分别设置有通槽，腕部第一调节杆和腕部第二调节杆的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连。腕部旋内/旋外关节包括第三关节驱动输出环、第三关节负载端钢丝索固定件、第三关节固定环、第三关节套管固定件、第三关节套管和第三关节钢丝索，第三关节驱动输出环的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与腕部第二调节杆的末端固定连接，第三关节固定环通过轴承与第三关节驱动输出环连接，并构成第三转动副，第三关节套管固定件上设置有台阶孔，并通过螺栓与第三关节固定环的外侧固定连接，第三关节套管的一端与第三关节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第三关节负载端钢丝索固定件通过螺栓与第三关节驱动输出环固定连接，第三关节钢丝索的一端嵌入第三关节驱动输出环的环形沟槽，并与第三关节负载端钢丝索固定件固定连接，另一端穿过第三关节套管固定件上的台阶孔和第三关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递。肘部前屈/后伸关节包括前臂杆、通过轴承和轴端挡圈连接在所述前臂杆的第一辅助转轴、第一辅助连杆、第二辅助转轴、第二辅助连杆、第一平衡弹簧、上臂绑带、上臂调节杆、上臂杆、通过轴承和轴端挡圈连接在所述上臂杆的第三辅助转轴、肘部壳体、第四关节套管固定件、第四关节负载滚轮、第四关节钢丝索、第四关节套管、肘部转轴、第二平衡弹簧和平衡调节螺栓，前臂杆的一端通过螺栓同时与第三关节固定环和第三关节套管固定件固定连接，另一端通过键与肘部转轴相连接，肘部转轴通过轴承与肘部壳体相连，并构成第四转动副，第一辅助连杆的一端与第一辅助转轴连接，另一端通过轴承、轴端挡圈、第二辅助转轴与第二辅助连杆的一端连接，第二辅助连杆的另一端与第三辅助转轴连接第二辅助连杆与第二辅助转轴连接的一端同时与第一平衡弹簧底端连接，第一平衡弹簧的顶端与肩部旋内/旋外关节相连接，上臂调节杆和上臂杆的一端分别设置有通槽，上臂调节杆和上臂杆的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连，上臂杆的另一端通过螺栓与肘部壳体的上侧固定连接，所述第四关节负载滚轮的外侧设置有环形沟槽，并通过键和轴端挡圈与肘部转轴固定连接于肘部壳体的外侧，第四关节套管固定件上设置有台阶孔，并通过螺栓与肘部壳体的背侧固定连接，第四关节套管的一端与第四关节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第四关节钢丝索的一端嵌入第四关节负载滚轮的环形沟槽，并与第四关节负载滚 轮固定连接，另一端穿过第四关节套管固定件上的台阶孔和第四关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递，上臂绑带通过螺栓与上臂杆的内侧固定连接，平衡调节螺栓穿过设置于前臂杆中部的通槽，并用螺母旋紧固连，第二平衡弹簧的一端与肘部壳体的底部相连，另一端与平衡调节螺栓相连。肩部前屈/后伸关节包括第五关节负载滚轮、第五关节套管固定件、第五关节套管、第五关节钢丝索、第五关节固定杆和第五关节法兰盘，第五关节负载滚轮的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与上臂调节杆的上端固定连接，第五关节法兰盘的外缘通过螺栓与第五关节固定杆的一端固定连接，其内孔通过轴承与第五关节负载滚轮相连，并构成第五转动副，第五关节套管固定件上设置有台阶孔，并通过螺栓固定在第五关节固定杆的外侧，第五关节套管的一端与第五关节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第五关节钢丝索的一端嵌入第五关节负载滚轮的环形沟槽，并与第五关节负载滚轮固定连接，另一端穿过第五关节套管固定件上的台阶孔和第五关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递。肩部外摆/内收关节包括第六关节负载滚轮、第六关节套管固定件、第六关节套管、第六关节钢丝索、第六关节法兰盘、第六关节固定杆和第六关节调节杆，第六关节负载滚轮的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第五关节固定杆的另一端固定连接，第六关节法兰盘的外缘通过螺栓与第六关节固定杆的下端固定连接，其内孔通过轴承与第六关节负载滚轮相连，并构成第六转动副，第六关节套管固定件上设置有台阶孔，并固定设置在第六关节固定杆的内侧，第六关节套管的一端与第六关节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第六关节钢丝索的一端嵌入第六关节负载滚轮的环形沟槽，并与第六关节负载滚轮固定连接，另一端穿过第六关节套管固定件上的台阶孔和第六关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递，第六关节固定杆的上端和第六关节调节杆的下端分别设置有通槽，第六关节固定杆和第六关节调节杆的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连。肩部旋内/旋外关节包括第七关节负载滚轮、第七关节法兰盘、第七关节固定杆、第七关节套管固定件、第七关节套管和第七关节钢丝索，所述第七关节负载滚轮的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第六关节调节杆的上端固定连接，第七关节负载滚轮的底部设置有带通孔的凸台，并与第一平衡弹簧的顶端相连，所述第七关节法兰盘的外缘通过螺栓与第七关节固定杆固定连接，其内孔通过轴承与第七关节负载滚轮相连，并构成第七转动副，第七关节套管固定件上设置有台阶孔，并固定设置在第七关节固定杆的底侧，第七关节套管的一端与第七关 节套管固定件上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置相连接，第七关节钢丝索的一端嵌入第七关节负载滚轮的环形沟槽，并与第七关节负载滚轮固定连接，另一端穿过第七关节套管固定件上的台阶孔和第七关节套管的内孔后与套索驱动装置相连接，实现动力传递。套索驱动装置包括固定支架和设置在所述固定支架上的第三关节驱动单元、第四关节驱动单元、第五关节驱动单元、第六关节驱动单元、第七关节驱动单元，第三关节驱动单元与第三关节套管和第三关节钢丝索相连，第四关节驱动单元与第四关节套管和第四关节钢丝索相连，第五关节驱动单元与第五关节套管和第五关节钢丝索相连，第六关节驱动单元与第六关节套管和第六关节钢丝索相连，第七关节驱动单元通过螺栓与固定支架固定连接，并与第七关节套管和第七关节钢丝索相连，固定支架的顶部与第七关节固定杆固定连接。第三关节驱动单元包括第三关节电机、第三关节驱动滚轮、第三关节驱动端钢丝索固定件、第三关节预紧挡板、第三关节电机固定板和预紧螺栓，第三关节电机固定安装在第三关节电机固定板上，第三关节电机的转轴穿过第三关节电机固定板中部的安装孔与第三关节驱动滚轮固定连接，第三关节驱动滚轮的外侧设置有环形沟槽，第三关节驱动端钢丝索固定件固定安装在第三关节驱动滚轮侧面，第三关节预紧挡板和第三关节电机固定板分别设置有多个平行对齐的通槽，并用螺母旋紧固连，将两者连接，穿过第三关节预紧挡板外侧面的预紧螺栓的底端抵压在第三关节电机固定板的侧面，并能调节旋进深度，第三关节预紧挡板上设置有台阶孔，第三关节套管的一端与第三关节预紧挡板上的台阶孔相固连，第三关节钢丝索的一端依次穿过第三关节套管的内孔和第三关节预紧挡板上的台阶孔，并嵌入第三关节驱动滚轮的环形沟槽，然后与第三关节驱动端钢丝索固定件固定连接。

本发明的优选方案中，所述腕部外摆/内收关节的转动轴J1延长线、腕部前屈/后伸关节的转动轴J2延长线以及腕部旋内/旋外关节的转动轴J3延长线相交于人体腕关节放置点W。

本发明的优选方案中，所述腕部旋内/旋外关节的转动轴J3延长线、肘部前屈/后伸关节的转动轴J4延长线相交于人体肘关节放置点E。

本发明的优选方案中，所述肩部前屈/后伸关节的转动轴J5延长线、肩部外摆/内收关节的转动轴J6延长线以及肩部旋内/旋外关节的转动轴J7延长线相交于人体肩关节放置点S。

本发明的优选方案中，所述第一辅助连杆和上臂杆保持平行，第二辅助连杆和前臂杆保持平行。

本发明的优选方案中，所述第三关节驱动单元、第四关节驱动单元、第五关节驱动单元、第六关节驱动单元和第七关节驱动单元具有相同的结构。

本发明的优选方案中，所述各关节电机均内置高精度编码器，可以实时测量外骨骼各关节以及整体的运动学参数，腕部安装有六维力传感器，可以实时测量人体手部与外骨骼之间的交互力，结合运动学参数和交互力信息可以实现轨迹跟踪控制，力示教控制，阻抗控制，主动控制等不同康复训练模式。

本发明的优选方案中，所述各关节之间的距离可以根据患者的身材进行调整，以适用于不同患者，保证穿戴的协调性与舒适性。

本发明的优选方案中，所述第一平衡弹簧和第二平衡弹簧的刚度以及安装位置为根据外骨骼的物理参数计算所得，可以实现整体机构的重力平衡，通过调整置于前臂杆的通槽中的平衡调节螺栓的位置可以消除由于关节间距调整所造成的平衡误差。

本发明能辅助偏瘫患者进行上肢肩关节、肘关节和腕关节康复训练，该外骨骼机器人采用套索驱动的形式实现驱动电机与外骨骼的分离，简化整体结构设计，减小运动部件的质量和惯量，并通过添加平衡弹簧实现机构整体的重力平衡，降低***功耗，并能预防由于断电、死机造成的患肢坠落等安全隐患。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)传统的外骨骼机器人直接将驱动部件安装于机器人的运动关节，机构整体笨重，功耗大。本发明通过采用套索驱动的方式实现驱动电机与外骨骼关节的分离，驱动部件可以置于远离外骨骼运动范围的电机支架，有效减小运动关节的质量和惯量，实现轻量化结构设计，并改善***的控制性能和安全性能。

(2)传统的外骨骼机器人并未考虑通过添加平衡机构方式实现外骨骼整体的平衡稳定。本发明通过在外骨骼肘部和肩部添加平衡弹簧的方式实现机构整体的重力平衡，消除重力带来的影响，降低外骨骼在康复训练过程中的功耗，并有效预防由于***故障或异常断电所带来的患肢坠落等安全隐患。

(3)传统的外骨骼机器人只能牵引患肢进行完全被动式的康复训练，训练模式单一，不利于康复效果的提高。本发明通过结合由编码器以及六维力传感器所测得的运动学参数和交互力信息，针对不同瘫痪程度的患者制定多种模式的康复训练控制策略，包括轨迹跟踪控制，力示教控制，阻抗控制，主动控制等，通过合理的模式切换实现训练效果的最大化。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中的腕部外摆/内收关节、前屈/后伸关节和旋内/旋外关节结构示意图。

图3是本发明中的肘部前屈/后伸关节结构示意图。

图4是本发明中的肩部前屈/后伸关节、外摆/内收关节和旋内/旋外关节结构示意图。

图5是本发明中的套索驱动装置机构示意图。

图6是本发明中的第三关节驱动单元机构示意图。

图中有：腕部外摆/内收关节1、腕部前屈/后伸关节2、腕部旋内/旋外关节3、肘部前屈/后伸关节4、肩部前屈/后伸关节5、肩部外摆/内收关节6、肩部旋内/旋外关节7、套索驱动装置8、末端操作手柄101、六维力传感器102、第一关节驱动输出杆103、第一关节电机104、第一关节法兰盘105、第二关节驱动输出杆201、第二关节法兰盘202、第二关节电机203、腕部第一调节杆204、腕部第二调节杆205、第三关节驱动输出环301、第三关节负载端钢丝索固定件302、第三关节固定环303、第三关节套管固定件304、第三关节套管305、第三关节钢丝索306、前臂杆401、第一辅助转轴402、第一辅助连杆403、第二辅助转轴404、第二辅助连杆405、第一平衡弹簧406、上臂绑带407、上臂调节杆408、上臂杆409、第三辅助转轴410、肘部壳体411、第四关节套管固定件412、第四关节负载滚轮413、第四关节钢丝索414、第四关节套管415、肘部转轴416、第二平衡弹簧417、平衡调节螺栓418、第五关节负载滚轮501、第五关节套管固定件502、第五关节套管503、第五关节钢丝索504、第五关节固定杆505、第五关节法兰盘506、第六关节负载滚轮601、第六关节套管固定件602、第六关节套管603、第六关节钢丝索604、第六关节法兰盘605、第六关节固定杆606和第六关节调节杆607、第七关节负载滚轮701、第七关节法兰盘702、第七关节固定杆703、第七关节套管固定件704、第七关节套管705、第七关节钢丝索706、第三关节驱动单元81、第四关节驱动单元82、第五关节驱动单元83、第六关节驱动单元84、第七关节驱动单元85、固定支架86、第三关节电机811、第三关节驱动滚轮812、第三关节驱动端钢丝索固定件813、第三关节预紧挡板814、第三关节电机固定板815、预紧螺栓816。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1至图6所示，一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，该机构包括依次连接的腕部外摆/内收关节1、腕部前屈/后伸关节2、腕部旋内/旋外关节3、肘部前屈/后伸关节4、肩部前屈/后伸关节5、肩部外摆/内收关节6、肩部旋内/旋外关节7、以及、以及分别与所述腕部旋内/旋外关节3、肘部前屈/后伸关节4、肩部前屈/后伸关节5、肩部外摆/内收关节6和肩部旋内/旋外关节7连接的套索驱动装置8，所述肘部前屈/后伸关节4还与肩部旋内/旋外关节7连接。

腕部外摆/内收关节1包括末端操作手柄101、六维力传感器102、第一关节驱动输出杆103、第一关节电机104和第一关节法兰盘105，末端操作手柄101通过螺栓与六维力传感器102的顶端固定连接，六维力传感器102底端通过螺栓与第一关节驱动输出杆103的外端固定连接，第一关节电机104通过螺栓与第一关节驱动输出杆103的内端固定连接，第一关节电机104的转轴通过键和轴端挡圈与第一关节法兰盘105的内孔固定连接，使第一关节驱动输出杆103和第一关节法兰盘105构成第一转动副J1，实现腕部外摆/内收运动；腕部前屈/后伸关节2包括第二关节驱动输出杆201、第二关节法兰盘202、第二关节电机203、腕部第一调节杆204和腕部第二调节杆205，第二关节驱动输出杆201的一端通过螺栓与第一关节法兰盘105的外缘固定连接，另一端通过螺栓与第二关节法兰盘202的外缘固定连接，第二关节电机203通过螺栓与腕部第一调节杆204固定连接，第二关节电机203的转轴通过键和轴端挡圈与第二关节法兰盘202的内孔固定连接，使腕部第一调节杆204和第二关节法兰盘202构成第二转动副J2，实现腕部前屈/后伸运动，腕部第一调节杆204和腕部第二调节杆205分别设置有通槽，腕部第一调节杆204和腕部第二调节杆205的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；腕部旋内/旋外关节3包括第三关节驱动输出环301、第三关节负载端钢丝索固定件302、第三关节固定环303、第三关节套管固定件304、第三关节套管305和第三关节钢丝索306，第三关节驱动输出环301的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与腕部第二调节杆205的末端固定连接，第三关节固定环303通过轴承与第三关节驱动输出环301连接，并构成第三转动副J3，实现腕部旋内/旋外运动，第三关节套管固定件304上设置有台阶孔，并通过螺栓与第三关节固定环303的外侧固定连接，第三关节套管305的一端与第三关节套管固定件304上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置8相连接，第三关节负载端钢丝索固定件 302通过螺栓与第三关节驱动输出环301固定连接，第三关节钢丝索306的一端嵌入第三关节驱动输出环301的环形沟槽，并与第三关节负载端钢丝索固定件302固定连接，另一端穿过第三关节套管固定件304上的台阶孔和第三关节套管305的内孔后与套索驱动装置8相连接，实现动力传递；肘部前屈/后伸关节4包括前臂杆401、通过轴承和轴端挡圈连接在所述前臂杆401的第一辅助转轴402、第一辅助连杆403、第二辅助转轴404、第二辅助连杆405、第一平衡弹簧406、上臂绑带407、上臂调节杆408、上臂杆409、通过轴承和轴端挡圈连接在所述上臂杆409的第三辅助转轴410、肘部壳体411、第四关节套管固定件412、第四关节负载滚轮413、第四关节钢丝索414、第四关节套管415、肘部转轴416、第二平衡弹簧417和平衡调节螺栓418，前臂杆401的一端通过螺栓与第三关节固定环303和第三关节套管固定件304固定连接，另一端与肘部转轴416连接，肘部转轴416通过轴承与肘部壳体411相连，并构成第四转动副J4，实现肘部前屈/后伸运动，第一辅助连杆403的一端与第一辅助转轴402连接，另一端通过轴承、轴端挡圈、第二辅助转轴404与第二辅助连杆405的一端连接，第二辅助连杆405的另一端与第三辅助转轴410连接，第二辅助连杆405与第二辅助转轴404连接的一端同时与第一平衡弹簧406底端连接，第一平衡弹簧406的顶端与肩部旋内/旋外关节7相连接，上臂调节杆408和上臂杆409的一端分别设置有通槽，上臂调节杆408和上臂杆409的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连，上臂杆409的另一端通过螺栓与肘部壳体411的上侧固定连接，第四关节负载滚轮413的外侧设置有环形沟槽，并通过键和轴端挡圈与肘部转轴416固定连接于肘部壳体411的外侧，第四关节套管固定件412上设置有台阶孔，并通过螺栓与肘部壳体411的背侧固定连接，第四关节套管415的一端与第四关节套管固定件412上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置8相连接，第四关节钢丝索414的一端嵌入第四关节负载滚轮413的环形沟槽，并与第四关节负载滚轮413固定连接，另一端穿过第四关节套管固定件412上的台阶孔和第四关节套管415的内孔后与套索驱动装置8相连接，实现动力传递，上臂绑带407通过螺栓与上臂杆409的内侧固定连接，平衡调节螺栓418穿过设置于前臂杆401中部的通槽，并用螺母旋紧固连，第二平衡弹簧417的一端与肘部壳体411的底部相连，另一端与平衡调节螺栓418相连；肩部前屈/后伸关节5包括第五关节负载滚轮501、第五关节套管固定件502、第五关节套管503、第五关节钢丝索504、第五关节固定杆505和第五关节法兰盘506，第五关节负载滚轮501的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与上臂调节杆408的上端固定 连接，第五关节法兰盘506的外缘通过螺栓与第五关节固定杆505的一端固定连接，其内孔通过轴承与第五关节负载滚轮501相连，并构成第五转动副J5，实现肩部前屈/后伸运动，第五关节套管固定件502上设置有台阶孔，并通过螺栓固定在第五关节固定杆505的外侧，第五关节套管503的一端与第五关节套管固定件502上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置8相连接，第五关节钢丝索504的一端嵌入第五关节负载滚轮501的环形沟槽，并与第五关节负载滚轮501固定连接，另一端穿过第五关节套管固定件502上的台阶孔和第五关节套管503的内孔后与套索驱动装置8相连接，实现动力传递；肩部外摆/内收关节6包括第六关节负载滚轮601、第六关节套管固定件602、第六关节套管603、第六关节钢丝索604、第六关节法兰盘605、第六关节固定杆606和第六关节调节杆607，第六关节负载滚轮601的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第五关节固定杆505的另一端固定连接，第六关节法兰盘605的外缘通过螺栓与第六关节固定杆606的下端固定连接，其内孔通过轴承与第六关节负载滚轮601相连，并构成第六转动副J6，实现肩部外摆/内收运动，第六关节套管固定件602上设置有台阶孔，并固定设置在第六关节固定杆606的内侧，第六关节套管603的一端与第六关节套管固定件602上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置8相连接，第六关节钢丝索604的一端嵌入第六关节负载滚轮601的环形沟槽，并与第六关节负载滚轮601固定连接，另一端穿过第六关节套管固定件602上的台阶孔和第六关节套管603的内孔后与套索驱动装置8相连接，实现动力传递，第六关节固定杆606的上端和第六关节调节杆607的下端分别设置有通槽，第六关节固定杆606和第六关节调节杆607的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；肩部旋内/旋外关节7包括第七关节负载滚轮701、第七关节法兰盘702、第七关节固定杆703、第七关节套管固定件704、第七关节套管705和第七关节钢丝索706，第七关节负载滚轮701的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第六关节调节杆607的上端固定连接，第七关节负载滚轮701的底部设置有带通孔的凸台，并与第一平衡弹簧406的顶端相连，第七关节法兰盘702的外缘通过螺栓与第七关节固定杆703固定连接，其内孔通过轴承与第七关节负载滚轮701相连，并构成第七转动副J7，实现肩部旋内/旋外运动，第七关节套管固定件704上设置有台阶孔，并固定设置在第七关节固定杆703的底侧，第七关节套管705的一端与第七关节套管固定件704上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置8相连接，第七关节钢丝索706的一端嵌入第七关节负载滚轮701的环形沟槽，并与第七关节负载滚轮701固定连接，另一端穿过第七关节套管固 定件704上的台阶孔和第七关节套管705的内孔后与套索驱动装置8相连接，实现动力传递；套索驱动装置8包括固定支架86和设置在所述固定支架86上的第三关节驱动单元81、第四关节驱动单元82、第五关节驱动单元83、第六关节驱动单元84、第七关节驱动单元85，第三关节驱动单元81与第三关节套管305和第三关节钢丝索306相连，第四关节驱动单元82与第四关节套管415和第四关节钢丝索414相连，第五关节驱动单元83与第五关节套管503和第五关节钢丝索504相连，第六关节驱动单元84与第六关节套管603和第六关节钢丝索604相连，第七关节驱动单元85与第七关节套管705和第七关节钢丝索706相连，固定支架86的顶部与第七关节固定杆703固定连接；第三关节驱动单元81包括第三关节电机811、第三关节驱动滚轮812、第三关节驱动端钢丝索固定件813、第三关节预紧挡板814、第三关节电机固定板815和预紧螺栓816，第三关节电机811固定安装在第三关节电机固定板815上，第三关节电机811的转轴穿过第三关节电机固定板815中部的安装孔与第三关节驱动滚轮812固定连接，第三关节驱动滚轮812的外侧设置有环形沟槽，第三关节驱动端钢丝索固定件813固定安装在第三关节驱动滚轮812侧面，第三关节预紧挡板814和第三关节电机固定板815分别设置有多个平行对齐的通槽，并用螺母旋紧固连，将两者连接，穿过第三关节预紧挡板814外侧面的预紧螺栓816的底端抵压在第三关节电机固定板815的侧面，并能调节旋进深度，第三关节预紧挡板814上设置有台阶孔，第三关节套管305的一端与第三关节预紧挡板814上的台阶孔相固连，第三关节钢丝索306的一端依次穿过第三关节套管305的内孔和第三关节预紧挡板814上的台阶孔，并嵌入第三关节驱动滚轮812的环形沟槽，然后与第三关节驱动端钢丝索固定件813固定连接，调节预紧螺栓816的旋进深度可以改变第三关节钢丝索306在第三关节预紧挡板814与第三关节电机固定板815之间的长度，进而改变***预紧力，保证第三关节钢丝索306在传动过程中处于张紧状态，防止出现松弛现象。

进一步，如图2所示，腕部外摆/内收关节1的转动轴J1延长线、腕部前屈/后伸关节2的转动轴J2延长线以及腕部旋内/旋外关节3的转动轴J3延长线相交于人体腕关节放置点W。

进一步，如图3所示，腕部旋内/旋外关节3的转动轴J3延长线、肘部前屈/后伸关节4的转动轴J4延长线相交于人体肘关节放置点E。

进一步，如图4所示，肩部前屈/后伸关节5的转动轴J5延长线、肩部外摆/内收关节6的转动轴J6延长线以及肩部旋内/旋外关节7的转动轴J7延长线相交于人体肩 关节放置点S。

进一步，如图3所示，在康复运动过程中，第一辅助连杆403和上臂杆409保持平行，第二辅助连杆405和前臂杆401保持平行。

进一步，如图6所示，第三关节驱动单元81、第四关节驱动单元82、第五关节驱动单元83、第六关节驱动单元84和第七关节驱动单元85具有相同的结构；

进一步，各关节电机均内置高精度编码器，可以实时测量外骨骼各关节以及整体的运动学参数，末端操作手柄101安装有六维力传感器102，可以实时测量人体手部与外骨骼之间的交互力，结合运动学参数和交互力信息可以实现轨迹跟踪控制，力示教控制，阻抗控制，主动控制等不同康复训练模式。

进一步，如图1至图4所示，所述各关节之间的距离可以通过改变第一调节杆204和腕部第二调节杆205的相对位置、上臂调节杆408和上臂杆409的相对位置以及第六关节固定杆606和第六关节调节杆607的相对位置来进行调整，以适用于不同身材的患者，保证穿戴的协调性与舒适性。

进一步，如图3、图4所示，所述第一平衡弹簧406和第二平衡弹簧417的刚度以及安装位置为根据外骨骼的物理参数计算所得，可以实现整体机构的重力平衡，通过调整置于前臂杆401的通槽中的平衡调节螺栓418的位置可以消除由于关节间距调整所造成的平衡误差。

上述基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人的工作工程为：患者的手部穿过第三关节驱动输出环301的内孔，并握紧末端操作手柄101。调整腕部第一调节杆204和腕部第二调节杆205的相对位置，使腕部外摆/内收关节1的转动轴延长线、腕部前屈/后伸关节2的转动轴延长线以及腕部旋内/旋外关节3的转动轴延长线相交于人体腕关节放置点。调整第六关节固定杆606和第六关节调节杆607的相对位置，使肩部前屈/后伸关节5的转动轴延长线、肩部外摆/内收关节6的转动轴延长线以及肩部旋内/旋外关节7的转动轴延长线相交于人体肩关节放置点。调整上臂调节杆408和上臂杆409的相对位置，使腕部旋内/旋外关节3的转动轴延长线与肘部前屈/后伸关节4的转动轴延长线相交于人体肘关节放置点。患者上臂贴紧上臂杆409，并通过上臂绑带407与上臂杆409绑紧连接。根据各关节间距，调整平衡调节螺栓418，实现外骨骼整体重力平衡。根据患者瘫痪程度设置康复训练模式，控制***采集、分析、处理各关节编码器以及六维力传感器102的传感信号，并控制套索驱动装置8驱动外骨骼各关节，辅助患者进行康复训练。

本发明的创新之处在于，利用套索驱动的方式实现驱动电机与外骨骼关节分开，有效减小运动关节的质量和惯量，实现轻量化结构设计，改善***的控制性能和安全性能。通过添加平衡弹簧的方式实现机构整体的重力平衡，降低外骨骼在康复训练过程中的功耗，有效预防由于***故障或异常断电所带来的患肢坠落等安全隐患。通过结合人机之间的运动学参数和交互力信息，针对不同瘫痪程度的患者制定多模式康复训练控制策略，通过合理的模式切换实现康复训练效果的最大化。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，该机构包括依次连接的腕部外摆/内收关节(1)、腕部前屈/后伸关节(2)、腕部旋内/旋外关节(3)、肘部前屈/后伸关节(4)、肩部前屈/后伸关节(5)、肩部外摆/内收关节(6)、肩部旋内/旋外关节(7)、以及分别与所述腕部旋内/旋外关节(3)、肘部前屈/后伸关节(4)、肩部前屈/后伸关节(5)、肩部外摆/内收关节(6)和肩部旋内/旋外关节(7)连接的套索驱动装置(8)，所述肘部前屈/后伸关节(4)还与肩部旋内/旋外关节(7)连接；

所述腕部外摆/内收关节(1)包括末端操作手柄(101)、六维力传感器(102)、第一关节驱动输出杆(103)、第一关节电机(104)和第一关节法兰盘(105)，所述末端操作手柄(101)通过螺栓与六维力传感器(102)的顶端固定连接，所述六维力传感器(102)的底端通过螺栓与第一关节驱动输出杆(103)的外端固定连接，所述第一关节电机(104)通过螺栓与第一关节驱动输出杆(103)的内端固定连接，第一关节电机(104)的转轴通过键和轴端挡圈与第一关节法兰盘(105)的内孔固定连接，使第一关节驱动输出杆(103)和第一关节法兰盘(105)构成第一转动副(J1)；

所述腕部前屈/后伸关节(2)包括第二关节驱动输出杆(201)、第二关节法兰盘(202)、第二关节电机(203)、腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)，所述第二关节驱动输出杆(201)的一端通过螺栓与第一关节法兰盘(105)的外缘固定连接，另一端通过螺栓与第二关节法兰盘(202)的外缘固定连接，所述第二关节电机(203)通过螺栓与腕部第一调节杆(204)固定连接，第二关节电机(203)的转轴通过键和轴端挡圈与第二关节法兰盘(202)的内孔固定连接，使腕部第一调节杆(204)和第二关节法兰盘(202)构成第二转动副(J2)；所述腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)分别设置有通槽，腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；

所述腕部旋内/旋外关节(3)包括第三关节驱动输出环(301)、第三关节负载端钢丝索固定件(302)、第三关节固定环(303)、第三关节套管固定件(304)、第三关节套管(305)和第三关节钢丝索(306)，所述第三关节驱动输出环(301)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与腕部第二调节杆(205)的末端固定连接，所述第三关节固定环(303)通过轴承与第三关节驱动输出环(301)连接，并构成第三转动副(J3)，所述第三关节套管固定件(304)上设置有台阶孔，并通过螺栓与第三关节固定环(303)的外侧固定连接，所述第三关节套管(305)的一端与第三关节套管固定件(304)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第三关节负载端钢丝索固定件(302)通过螺栓与第三关节驱动输出环(301)固定连接，所述第三关节钢丝索(306)的一端嵌入第三关节驱动输出环(301)的环形沟槽，并与第三关节负载端钢丝索固定件(302)固定连接，另一端穿过第三关节套管固定件(304)上的台阶孔和第三关节套管(305)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；

所述肘部前屈/后伸关节(4)包括前臂杆(401)、通过轴承和轴端挡圈连接在所述前臂杆(401)的第一辅助转轴(402)、第一辅助连杆(403)、第二辅助转轴(404)、第二辅助连杆(405)、第一平衡弹簧(406)、上臂绑带(407)、上臂调节杆(408)、上臂杆(409)、通过轴承和轴端挡圈连接在所述上臂杆(409)的第三辅助转轴(410)、肘部壳体(411)、第四关节套管固定件(412)、第四关节负载滚轮(413)、第四关节钢丝索(414)、第四关节套管(415)、肘部转轴(416)、第二平衡弹簧(417)和平衡调节螺栓(418)，所述前臂杆(401)的一端通过螺栓同时与第三关节固定环(303)和第三关节套管固定件(304)固定连接，另一端与肘部转轴(416)连接，所述肘部转轴(416)通过轴承与肘部壳体(411)相连，并构成第四转动副(J4)，所述第一辅助连杆(403)的一端与第一辅助转轴(402)连接，另一端通过轴承、轴端挡圈、第二辅助转轴(404)与第二辅助连杆(405)的一端连接，第二辅助连杆(405)的另一端与第三辅助转轴(410)连接，所述第二辅助连杆(405)与第二辅助转轴(404)连接的一端同时与第一平衡弹簧(406)底端连接，所述第一平衡弹簧(406)的顶端与肩部旋内/旋外关节(7)相连接，所述上臂调节杆(408)和上臂杆(409)的一端分别设置有通槽，上臂调节杆(408)和上臂杆(409)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连，所述上臂杆(409)的另一端通过螺栓与肘部壳体(411)的上侧固定连接，所述第四关节负载滚轮(413)的外侧设置有环形沟槽，并通过键和轴端挡圈与肘部转轴(416)固定连接于肘部壳体(411)的外侧，所述第四关节套管固定件(412)上设置有台阶孔，并通过螺栓与肘部壳体(411)的背侧固定连接，所述第四关节套管(415)的一端与第四关节套管固定件(412)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第四关节钢丝索(414)的一端嵌入第四关节负载滚轮(413)的环形沟槽，并与第四关节负载滚轮(413)固定连接，另一端穿过第四关节套管固定件(412)上的台阶孔和第四关节套管(415)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；

所述肩部前屈/后伸关节(5)包括第五关节负载滚轮(501)、第五关节套管固定件(502)、第五关节套管(503)、第五关节钢丝索(504)、第五关节固定杆(505)和第五关节法兰盘(506)，所述第五关节负载滚轮(501)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与上臂调节杆(408)的上端固定连接，所述第五关节法兰盘(506)的外缘通过螺栓与第五关节固定杆(505)的一端固定连接，其内孔通过轴承与第五关节负载滚轮(501)相连，并构成第五转动副(J5)，所述第五关节套管固定件(502)上设置有台阶孔，并通过螺栓固定在第五关节固定杆(505)的外侧，所述第五关节套管(503)的一端与第五关节套管固定件(502)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第五关节钢丝索(504)的一端嵌入第五关节负载滚轮(501)的环形沟槽，并与第五关节负载滚轮(501)固定连接，另一端穿过第五关节套管固定件(502)上的台阶孔和第五关节套管(503)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；

所述肩部外摆/内收关节(6)包括第六关节负载滚轮(601)、第六关节套管固定件(602)、第六关节套管(603)、第六关节钢丝索(604)、第六关节法兰盘(605)、第六关节固定杆(606)和第六关节调节杆(607)，所述第六关节负载滚轮(601)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第五关节固定杆(505)的另一端固定连接，所述第六关节法兰盘(605)的外缘通过螺栓与第六关节固定杆(606)的下端固定连接，其内孔通过轴承与第六关节负载滚轮(601)相连，并构成第六转动副(J6)，所述第六关节套管固定件(602)上设置有台阶孔，并固定设置在第六关节固定杆(606)的内侧，所述第六关节套管(603)的一端与第六关节套管固定件(602)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第六关节钢丝索(604)的一端嵌入第六关节负载滚轮(601)的环形沟槽，并与第六关节负载滚轮(601)固定连接，另一端穿过第六关节套管固定件(602)上的台阶孔和第六关节套管(603)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接，所述第六关节固定杆(606)的上端和第六关节调节杆(607)的下端分别设置有通槽，第六关节固定杆(606)和第六关节调节杆(607)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；

所述肩部旋内/旋外关节(7)包括第七关节负载滚轮(701)、第七关节法兰盘(702)、第七关节固定杆(703)、第七关节套管固定件(704)、第七关节套管(705)和第七关节钢丝索(706)，所述第七关节负载滚轮(701)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第六关节调节杆(607)的上端固定连接，第七关节负载滚轮(701)的底部设置有带通孔的凸台，并与第一平衡弹簧(406)的顶端相连，所述第七关节法兰盘(702)的外缘通过螺栓与第七关节固定杆(703)固定连接，其内孔通过轴承与第七关节负载滚轮(701)相连，并构成第七转动副(J7)，所述第七关节套管固定件(704)上设置有台阶孔，并固定设置在第七关节固定杆(703)的底侧，所述第七关节套管(705)的一端与第七关节套管固定件(704)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第七关节钢丝索(706)的一端嵌入第七关节负载滚轮(701)的环形沟槽，并与第七关节负载滚轮(701)固定连接，另一端穿过第七关节套管固定件(704)上的台阶孔和第七关节套管(705)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；

所述套索驱动装置(8)包括固定支架(86)和设置在所述固定支架(86)上的第三关节驱动单元(81)、第四关节驱动单元(82)、第五关节驱动单元(83)、第六关节驱动单元(84)、第七关节驱动单元(85)，所述第三关节驱动单元(81)与第三关节套管(305)和第三关节钢丝索(306)相连，所述第四关节驱动单元(82)与第四关节套管(415)和第四关节钢丝索(414)相连，所述第五关节驱动单元(83)与第五关节套管(503)和第五关节钢丝索(504)相连，所述第六关节驱动单元(84)与第六关节套管(603)和第六关节钢丝索(604)相连，所述第七关节驱动单元(85)与第七关节套管(705)和第七关节钢丝索(706)相连，所述固定支架(86)的顶部与第七关节固定杆(703)固定连接；

所述第三关节驱动单元(81)包括第三关节电机(811)、第三关节驱动滚轮(812)、第三关节驱动端钢丝索固定件(813)、第三关节预紧挡板(814)、第三关节电机固定板(815)和预紧螺栓(816)，所述第三关节电机(811)固定安装在第三关节电机固定板(815)上，第三关节电机(811)的转轴穿过第三关节电机固定板(815)中部的安装孔后与第三关节驱动滚轮(812)固定连接，所述第三关节驱动滚轮(812)的外侧设置有环形沟槽，所述第三关节驱动端钢丝索固定件(813)固定安装在第三关节驱动滚轮(812)侧面，所述第三关节预紧挡板(814)和第三关节电机固定板(815)分别设置有多个平行对齐的通槽，并用螺母旋紧固连，将两者连接，穿过第三关节预紧挡板(814)外侧面的预紧螺栓(816)的底端抵压在第三关节电机固定板(815)的侧面，并能调节旋进深度，第三关节预紧挡板(814)上设置有台阶孔，第三关节套管(305)的一端与第三关节预紧挡板(814)上的台阶孔相固连，第三关节钢丝索(306)的一端依次穿过第三关节套管(305)的内孔和第三关节预紧挡板(814)上的台阶孔，并嵌入第三关节驱动滚轮(812)的环形沟槽，然后与第三关节驱动端钢丝索固定件(813)固定连接。

2.按照权利要求1所述的一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述腕部外摆/内收关节(1)的转动轴(J1)延长线、腕部前屈/后伸关节(2)的转动轴(J2)延长线以及腕部旋内/旋外关节(3)的转动轴(J3)延长线相交于人体腕关节放置点(W)。

3.按照权利要求1所述的一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述腕部旋内/旋外关节(3)的转动轴(J3)延长线、肘部前屈/后伸关节(4)的转动轴(J4)延长线相交于人体肘关节放置点(E)。

4.按照权利要求1所述的一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述肩部前屈/后伸关节(5)的转动轴(J5)延长线、肩部外摆/内收关节(6)的转动轴(J6)延长线以及肩部旋内/旋外关节(7)的转动轴(J7)延长线相交于人体肩关节放置点(S)。

5.按照权利要求1所述的一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第一辅助连杆(403)和上臂杆(409)保持平行，所述第二辅助连杆(405)和前臂杆(401)保持平行。

6.按照权利要求1所述的一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第三关节驱动单元(81)、第四关节驱动单元(82)、第五关节驱动单元(83)、第六关节驱动单元(84)和第七关节驱动单元(85)具有相同的结构。