CN105597280B - 一种主被动混合上肢康复训练外骨骼 - Google Patents
一种主被动混合上肢康复训练外骨骼 Download PDFInfo
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Abstract
一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，本发明的大臂上的肘关节连接座与小臂上的肘关节输出轮固连，外旋轴的一端铰接在肩关节骨架的横架中，外旋轴的另一端与轴承内环连接，主动带轮固装在外旋轴上，同步带的一端套装在主动带轮上，同步带的另一端套装在被动带轮上，被动带轮固装在后背驱动电机的输出轴上，后背驱动电机与后背驱动电机座固连，后背驱动电机座与后背上的弧形连杆固连，后背驱动电机驱动器通过后背驱动电机驱动器托架与后背驱动电机座固连，后背驱动电机驱动器与后背驱动电机电性连接，小臂捆绑机构与小臂上的外骨骼基板铰接，大臂捆绑机构与大臂上的外骨骼上臂铰接。本发明用于康复医学中、大型工程施工中或物料搬运作业中。
Description
技术领域
本发明涉及一种外骨骼机器人，具体涉及一种主被动混合上肢康复训练外骨骼。
背景技术
外骨骼机器人是一种复杂的人机结合的技术，它融合了机械、传感、控制、信息、电子技术以及人工智能等众多科学领域知识，将人的智能和机械动力装置的机械能结合在一起，通过人机物理接触传递力和运动来实现动作辅助和姿态检测等功能，同时依靠传感器与穿戴者实现信息交互。
经过40多年的发展，外骨骼在很多领域都有了越来越普遍的应用。比如，军事上，外骨骼的辅助会使部队在野外作战的持久力增强，外骨骼为士兵提供能量，士兵身上的负重由外骨骼承担，使单兵作战能力大大提高；民用上。外骨骼可以用来搬运东西，在大型工程施工中或者在物料搬运作业中，可以使劳动者耐力更持久；医学上，外骨骼机器人可以广泛应用在康复医学中，患者通过穿戴外骨骼机器人不但可以进行有效的功能康复训练，而且可以通过穿戴者肌电信号控制帮助患者康复肌肉，促进中枢***恢复。在构型上，外骨骼也多种多样，可以采取不同的构型方式，有完美贴合人身的，有软体的，有末端贴合的等等，各有各的优势，在原理上也有着不同，有用液压的，有用气动的，也有用电动的，有一些外骨骼还夹杂着重力平衡，欠驱动等原理。随着社会现代化、工业化进程的进一步深入，机械外骨骼的应用将会涉及到人类生活生产的各个方面，可以预见，机械外骨骼的前景是非常广大的。
在外骨骼设计方面，结构拟人化是它的一个重要特性，也是安全性和舒适性的保障。人体上肢主要包括肩部、肘部和腕部三个生理关节，其能够完成极其复杂精细的运动，如果想完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要数目众多的自由度，但这会导致机构笨重和控制冗余等问题。因此，需要分析人体上肢生理运动形式并作适度简化，获取外骨骼设计可用的运动学模型，同时保证良好的人机运动链相容性。现有的上肢外骨骼机器人大多采用七自由度串联运动学模型，即肩部屈/伸(前后摆)，内收/外展(左右摆)，内旋/外旋(大臂自转)；肘部屈/伸；腕部内旋/外旋、内收/外展、屈/伸。由于肩部内旋/外旋自由度既可以看作在肩关节完成也可以看作在肘关节完成，所以，肩关节和肘关节通常有两种布置办法，第一种是肩关节三个完整自由度加上肘关节单自由度，第二种是肩关节屈/伸，内收/外展自由度加上肘关节屈/伸，绕大臂内旋/外旋自由度。
对于目前有的外骨骼，大多是均是采取主动驱动，但是在人体的运动过程中，有一些能量比如重力势能是往复变化的，但是在主动驱动的过程中，重力势能在升高和降低的过程中，驱动元件均做正功，浪费了重力势能，同时还浪费了驱动元件的出力。而且目前的已有的上肢外骨骼结构均比较复杂，能量利用率极低，并不具有间接性和美观性。有一些利用重力平衡原理的外骨骼，结构却比较复杂，或者并不能完全的实现重力平衡。对于康复训练，在某些情况下，仅仅依靠重力平衡还不够，比如脑卒中患者，刚开始，上肢并没有任何运动能力，需要被动的运动上肢，然后才能逐渐恢复，在能够主动运动的初期，由于出力比较小，在重力平衡作用下平衡上肢重量以后还需要自身输出平衡惯性力的力矩，所以会造成运动速度过于缓慢，影响恢复速度。基于此，本发明设计一种主被动上肢康复训练外骨骼。
发明内容
本发明为解决现有的上肢外骨骼没有任何运动能力，需要被动的运动上肢，然后才能逐渐恢复，在能够主动运动的初期，由于出力比较小，在重力平衡作用下平衡上肢重量以后还需要自身输出平衡惯性力的力矩，从而造成运动速度过于缓慢，影响恢复速度的问题，而提供一种主被动混合上肢康复训练外骨骼。
本发明的一种主被动混合上肢康复训练外骨骼包括小臂、大臂、后背、外旋轴、轴承、主动带轮、同步带、被动带轮、后背驱动电机、后背驱动电机座、小臂捆绑机构、大臂捆绑机构、后背驱动电机驱动器和后背驱动电机驱动器托架，大臂上的肘关节连接座与小臂上的肘关节输出轮固连，外旋轴的一端铰接在肩关节骨架的横架中，外旋轴的另一端与轴承内环连接，主动带轮固装在外旋轴上，同步带的一端套装在主动带轮上，同步带的另一端套装在被动带轮上，被动带轮固装在后背驱动电机的输出轴上，后背驱动电机与后背驱动电机座固连，后背驱动电机座与后背上的弧形连杆固连，后背驱动电机驱动器通过后背驱动电机驱动器托架与后背驱动电机座固连，后背驱动电机驱动器与后背驱动电机电性连接，小臂捆绑机构与小臂上的外骨骼基板铰接，大臂捆绑机构与大臂上的外骨骼上臂铰接。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
一、本发明设计了一种用于上肢的主动被动相结合的上肢康复训练外骨骼，利用了重力平衡原理，平衡穿戴者及外骨骼的重力势能，采取主动驱动，平衡康复训练运动过程中的惯性力。该外骨骼采取新型的上肢关节设计，不与人体发生干涉，外骨骼上放置有弹簧，用于补偿肩关节角度的变化引起的重力势能的改变，在上肢运动过程中弹簧由于关节角度变化引起的弹簧长度的变化而引起的弹性势能的变化变化，刚好平衡人体上肢运动过程中上肢的重力势能的变化，达到运动过程中不用克服重力做功目的，使得人体肌肉可以不用输出任何力而使上肢保持任何姿态。本发明用于辅助肩关节及肘关节，共有4个自由度，包括肩关节2自由度，肘关节2自由度，采取了背景中所述的第二种布置办法。本发明可以使得穿戴者上肢不受重力影响，并且能够补偿上肢运动过程中的惯性力，对于上肢受伤的病人，上肢力量薄弱，需要恢复，不得不进行大量运动，便可以利用此种外骨骼，使之能够依靠其微弱的力量进行康复训练，然后逐渐恢复，康复训练过程中，可以调节弹簧平衡的大小以及控制***惯性力补偿大小以便适应康复训练中需要的不同大小的出力。该外骨骼也可用作阻尼器，进行身体训练等。除此之外，该外骨骼还有其他应用，读者可以自由发挥。
二、本发明使得外骨骼既能满足穿戴者上肢的运动自由度，又不会与穿戴者发生干涉。
三、本发明结构简单，重量轻盈，无污染适合康复训练，灵活性高，适应各种类型的需要康复的病人或者也可用于其他用途。
四、利用弹簧平衡重力势能，完全被动，减轻电机负担，使得成本降低，稳定性提高。
五、由于弹簧平衡的作用，使得穿戴者穿上外骨骼以后上肢在任何姿态下均处于平衡位置，所以不需要出力维持姿态。
六、本发明具有调节功能，能够感知穿戴者的上肢的重量，自动调节弹簧挂点，以适应不同的负载，实现实时重力平衡，如果该超过调节范围可用电机辅助调节。
七、电机惯性力补偿，使得穿戴者在康复训练过程中不用克服惯性力，使得康复训练速度加快，适应范围更广。
八、由于电机驱动，可以实现康复训练早期主动带动穿戴者进行康复训练，在后期，也可以充当阻尼器，进行力量恢复，进而完整的辅助整个康复过程。
附图说明
图1是本发明一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的整体结构立体图；
图2是本发明一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的整体结构立体图(与图1的视图角度不同)；
图3是本发明一种主被动混合上肢康复训练外骨骼的整体结构立体图(与图1、图2的视图角度不同)；
图4是小臂A的立体图；
图5是图4的俯视图；
图6是大臂B的立体图；
图7是大臂B的立体图(与图6的视图角度不同)；
图8是大臂B的立体图(与图6、图7的视图角度不同)；
图9是双平行四边形连杆机构的立体图；
图10是后背C的立体图；
图11是小臂A与大臂B的连接关系立体图；
图12是后背驱动电机座J与大臂B连接关系立体图(主动带轮F、同步带G、被动带轮H传动关系立体图)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图12说明本实施方式，本实施方式的包括小臂A、大臂B、后背C、外旋轴D、轴承E、主动带轮F、同步带G、被动带轮H、后背驱动电机I、后背驱动电机座J、小臂捆绑机构K、大臂捆绑机构L、后背驱动电机驱动器P和后背驱动电机驱动器托架Q，
见图11，大臂B上的肘关节连接座B45与小臂A上的肘关节输出轮A4固连，外旋轴D的一端铰接在肩关节骨架B1的横架B1-2中，外旋轴D的另一端与轴承E内环连接，轴端挡圈M固定外旋轴D的轴向位置，主动带轮F固装在外旋轴D上，同步带G的一端套装在主动带轮F上，同步带G的另一端套装在被动带轮H上，被动带轮H固装在后背驱动电机I的输出轴上，后背驱动电机I与后背驱动电机座J固连，后背驱动电机座J与后背C上的弧形连杆C18固连，后背驱动电机驱动器P通过后背驱动电机驱动器托架Q与后背驱动电机座J固连，后背驱动电机驱动器P与后背驱动电机I电性连接，小臂捆绑机构K与小臂A上的外骨骼基板A8铰接，大臂捆绑机构L与大臂B上的外骨骼上臂B21铰接。小臂A由大臂B带动并绕着穿戴者上臂轴线转动。大臂捆绑机构L与穿戴者捆绑，传递运动及动力。大臂B上的肘关节连接座B45由大臂B上的转向电机B20驱动，肘关节连接座B45带动小臂A绕着穿戴者上臂轴线Z1转动。后背驱动电机I通过主动带轮F带动同步带G转动，从而带动被动带轮H转动，进而使得大臂B上的肩关节骨架B1转动。
具体实施方式二：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的小臂A包括小臂驱动器A1、小臂驱动电机A2、小臂轴承座A3、肘关节输出轮A4、小臂钢丝预紧机构A5、小臂滑槽A7、外骨骼基板A8、小臂驱动电机座A9、小臂减速器A10、肘关节输入轴A11、小臂钢丝绳固定装置A13、肘关节旋转轴A16和小臂钢丝绳A17，小臂驱动器A1固连在外骨骼基板A8的一侧端面上，小臂捆绑机构K铰接在外骨骼基板A8的另一侧端面上，小臂驱动器A1与外骨骼基板A8固连，小臂驱动器A1与小臂驱动电机A2电性连接，小臂驱动电机A2与小臂减速器A10连接，小臂减速器A10通过小臂驱动电机座A9与外骨骼基板A8固连，肘关节输入轴A11支撑在小臂轴承座A3中，小臂轴承座A3与外骨骼基板A8固连，肘关节输入轴A11的输入端与小臂减速器A10的输出端相连，肘关节输入轴A11的输出端与肘关节旋转轴A16铰接，肘关节旋转轴A16与外骨骼基板A8固连，肘关节旋转轴A16和小臂轴承座A3限制了肘关节输入轴A11轴向移动，肘关节输出轮A4与肘关节旋转轴A16铰接，肘关节输出轮A4的上端面设有数个第一钢丝绳槽A4-1，肘关节输入轴A11上设有第一螺旋槽A11-1，小臂钢丝绳A17的一端由小臂钢丝绳固定装置A13固定，小臂钢丝绳固定装置A13固定在肘关节输出轮A4上，小臂钢丝绳A17的另一端缠入肘关节输出轮A4上的第一钢丝绳槽A4-1内，缠至肘关节输出轮A4与肘关节输入轴A11的交接处时缠入第一螺旋槽A11-1中，缠绕三周(具体多少周可以视情况而定)后再缠回肘关节输出轮A4的另一条第一钢丝绳槽A4-1内，小臂钢丝绳A17末端进入小臂钢丝预紧机构A5，小臂钢丝预紧机构A5在小臂滑槽A7内预紧，小臂滑槽A7与肘关节输出轮A4固连。当小臂驱动电机A2转动带动肘关节输入轴A11转动时，拉动小臂钢丝绳A17，从而带动肘关节输出轮A4转动(或者带动外骨骼基板A8转动)。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的与具体实施方式二不同的是小臂A还包括小臂编码器托架A6和小臂编码器A12，小臂编码器托架A6与肘关节输出轮A4固连，小臂编码器A12与小臂编码器托架A6固连。小臂编码器A12用于检测肘关节的旋转角度。此处自由度为肘关节转动自由度，由小臂驱动电机A2驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图6、图7、图8、图9、图11和图12说明本实施方式，本实施方式的大臂B包括肩关节骨架B1、步进电机座B2、步进电机B3、大臂滑槽B4、大臂钢丝预紧机构B5、肩关节输入轴B7、肩关节轴承座B8、肩关节驱动电机座B9、肩关节减速器B10、肩关节驱动电机B11、第一驱动器托架B12、第一驱动器B13、第一转向连杆B14、第二转向连杆B15、编码器B16、第三转向连杆B17、第四转向连杆B18、转向电机座B19、转向电机B20、外骨骼上臂B21、弹簧固定钉B22、铝管固定托架B23、铝管B24、弹簧B25、肩关节驱动器B26、连接钢丝绳B27、钢丝导向机构B28、肩关节轴B29、肩关节钢丝绳B31、肩关节钢丝绳固定装置B32、第一导轨B36、第二导轨B37、丝杠螺母B38、滑块B39、丝杠固定头B40、丝杠轴承座B41、导轨固定座B44、肘关节连接座B45、丝杠B48、转向减速器B49、第一销轴B51、第二销轴B52、第三销轴B53、第四销轴B54、第五销轴B55和第六销轴B56；
肩关节骨架B1的竖架B1-1上的外侧端面上设有数个第二钢丝绳槽B1-3，肩关节骨架B1的竖架B1-1上的内侧端面上固装有丝杠轴承座B41和导轨固定座B44，丝杠固定头B40与丝杠轴承座B41铰接，丝杠B48的输出端与丝杠固定头B40固连，丝杠B48的输入端与步进电机B3连接，步进电机B3固定在步进电机座B2上，步进电机座B2固定在肩关节骨架B1上，丝杠螺母B38与丝杠B48螺纹连接，步进电机B3驱动丝杠B48使得丝杠螺母B38沿丝杠B48移动，丝杠螺母B38与滑块B39固连，滑块B39套装在第一导轨B36和第二导轨B37上，第一导轨B36和第二导轨B37均为光轴且起导向作用，滑块B39可以在第一导轨B36和第二导轨B37上滑动，第一导轨B36和第二导轨B37的一端与导轨固定座B44固连，第一导轨B36和第二导轨B37的另一端与肩关节骨架B1的横架B1-2固连，外骨骼上臂B21与肩关节轴B29铰接，外骨骼上臂B21与肩关节骨架B1构成旋转关节，外骨骼上臂B21绕肩关节轴B29旋转(即绕着肩关节骨架B1旋转)；
肩关节驱动器B26固连在外骨骼上臂B21的上端面上，大臂捆绑机构L固连在外骨骼上臂B21的下端面上，见图7，肩关节驱动器B26与肩关节驱动电机B11电性连接，肩关节驱动电机B11与肩关节减速器B10连接，肩关节减速器B10通过肩关节驱动电机座B9与外骨骼上臂B21固连，肩关节输入轴B7支撑在肩关节轴承座B8中，肩关节轴承座B8与外骨骼上臂B21固连，肩关节输入轴B7的输入端与肩关节减速器B10的输出端相连，肩关节输入轴B7的输出端与肩关节轴B29铰接，肩关节轴B29与肩关节骨架B1固连，肩关节轴B29和肩关节轴承座B8限制了肩关节输入轴B7轴向移动，肩关节输入轴B7上设有第二螺旋槽B7-1；
肩关节钢丝绳B31的一端由肩关节钢丝绳固定装置B32固定，肩关节钢丝绳固定装置B32固定在肩关节骨架B1上，肩关节钢丝绳B31的另一端缠入肩关节骨架B1上的第二钢丝绳槽B1-3内，缠至肩关节骨架B1与肩关节输入轴B7的交接处时缠入第二螺旋槽B7-1中，缠绕三周(具体多少周可以视情况而定)，然后再缠回肩关节骨架B1的另一条第二钢丝绳槽B1-3内，肩关节钢丝绳K2末端进入大臂钢丝预紧机构B5，大臂钢丝预紧机构B5在大臂滑槽B4内预紧，大臂滑槽B4与肩关节骨架B1固连，当肩关节驱动电机B11转动带动肩关节输入轴B7转动时，拉动肩关节钢丝绳B31，从而带动肩关节骨架B1转动(或者带动外骨骼上臂B21转动)；
铝管固定托架B23套装在铝管B24上，铝管固定托架B23固定在外骨骼上臂B21上，弹簧B25通过弹簧固定钉B22固定在铝管B24内，钢丝导向机构B28与外骨骼上臂B21固连，连接钢丝绳B27的一端与弹簧B25相连，连接钢丝绳B27的另一端绕过钢丝导向机构B28与滑块B39相连，实现重力平衡，当穿戴者穿戴外骨骼运动时，外骨骼上臂B21与肩关节骨架B1的相对角度发生变化，则穿戴者与外骨骼构成的***的重力势能发生改变，同时弹簧B25的伸长量也发生改变，使得弹簧B25弹性势能发生改变，弹簧B25弹性势能的改变正好补偿外骨骼与穿戴者构成的***，由于外骨骼上臂B21与肩关节骨架B1发生相对转动所引起的重力势能的变化，实现重力平衡。当负载发生变化时，可以调节步进电机B3，调节滑块B39的位置，从而改变弹簧B25的伸长量，再一次实现重力平衡。调节丝杠螺母B38的位置，通过滑块B39拉动连接钢丝绳B27，从而改变弹簧B25的初始伸长量；
转向电机B20与转向减速器B49连接，转向减速器B49与转向电机座B19固接，转向电机座B19与外骨骼上臂B21的末端固接，转向电机座B19上有长孔B19-1，该长孔B19-1用来调节与外骨骼上臂B21的连接位置以便调节上臂长度适应不同身高的穿戴者，第三转向连杆B17的一端与转向减速器B49输出轴固连，第三转向连杆B17的另一端与第一销轴B51铰接，第二转向连杆B15的中部与第二销轴B52铰接，第二转向连杆B15的一端与第一销轴B51铰接，第二转向连杆B15的另一端与第三销轴B53铰接，第四转向连杆B18的中部与第二销轴B52铰接，第四转向连杆B18的一端与第四销轴B54铰接，第四转向连杆B18的另一端第五销轴B55铰接，第四销轴B54与转向电机座B19铰接，第一转向连杆B14的一端与第五销轴B55铰接，第一转向连杆B14的另一端与第六销轴B56铰接，第三销轴B53和第六销轴B56均与肘关节连接座B45铰接，编码器B16安装在第一销轴B51上且与第二转向连杆B15固连，编码器B16用于检测转角大小，此处自由度为肘关节外旋自由度，由转向电机B20驱动。第三转向连杆B17、第四转向连杆B18、第二转向连杆B15和转向电机座B19构成第一平行四边形连杆机构；第二转向连杆B15、第四转向连杆B18、第一转向连杆B14和肘关节连接座B45构成第二平行四边形连杆机构；第一平行四边形连杆机构与第二平行四边形连杆机构为双平行四边形连杆机构。当转向电机座B19固定时，转向电机B20驱动转向减速器B49转动，转向减速器B49带动第三转向连杆B17摆动，通过双平行四边形连杆机构带动肘关节连接座B45绕着穿戴者上臂轴线转动。第一驱动器B13通过第一驱动器托架B12固定在外骨骼上臂B21上。当转向电机B20转动时，带动肘关节连接座B45及其所固连的小臂A绕着穿戴者上臂轴线转动。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图6和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同的是大臂B还包括肩关节编码器B6和肩关节编码器托架B30，肩关节编码器托架B30与肩关节骨架B1固连，肩关节编码器B6与肩关节编码器托架B30固连。肩关节编码器B6用于检测肩关节的旋转角度。此处自由度为肩关节前后摆动自由度，由肩关节驱动电机B11驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同的是的大臂B还包括弹簧固定机构B43，弹簧固定机构B43设置在铝管固定托架B23上。弹簧固定机构B43是在安装时用于固定弹簧B25以方便安装，安装好了以后将弹簧固定机构B43卸下。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图10说明本实施方式，本实施方式的后背C包括脊骨C1、固定架C2、外骨骼腰部C3、外骨骼背部C4、第一后背连杆C5、连接块C6、第三后背连杆C7、弧形连杆C18、第四后背连杆C19、弹簧C20和第二后背连杆C21，脊骨C1的一端与固定架C2和外骨骼腰部C3固连，脊骨C1的另一端与外骨骼背部C4连接，脊骨C1与外骨骼背部C4可以调节连接的位置以适应不同身材的穿戴者，外骨骼背部C4和外骨骼腰部C3与穿戴者相捆绑，连接块C6与外骨骼腰部C4固连，第一后背连杆C5的一端与连接块C6铰接，第一后背连杆C5的另一端与第二后背连杆C21连接，第二后背连杆C21的另一端与弧形连杆C18铰接，第一后背连杆C5与第二后背连杆C21可以调节连接的位置长度；第三后背连杆C7与第一后背连杆C5平行设置，第三后背连杆C7的一端与连接块C6铰接，第三后背连杆C7的另一端与第四后背连杆C19连接，第四后背连杆C19的另一端与弧形连杆C18铰接，第三后背连杆C7与第四后背连杆C19可以调节连接的位置长度；连接块C6、第一后背连杆C5、第二后背连杆C21、第三后背连杆C7、第四后背连杆C19和弧形连杆C18构成第三平行四边形连杆机构，第三平行四边形连杆机构使得弧形连杆C18始终保持竖直，同时使得肩关节可以绕着锁骨关节转动，此自由度为锁骨关节自由度；弹簧C20的一端与第三后背连杆C7连接，弹簧C20的另一端与第二后背连杆C21连接，当第三后背连杆C7和第二后背连杆C21的自由度角度发生变化时，弹簧C20长度发生变化，弹性势能产生变化，补偿该角度变化所引起的重力势能的变化实现重力平衡。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五或六相同。
具体实施方式八：结合图4说明本实施方式，本实施方式的小臂捆绑机构K和大臂捆绑机构L均由第一铰接座K1、第二铰接座K2、固定板K3和两个捆绑环K4组成，第一铰接座K1和第二铰接座K2设置在固定板K3的一侧端面上，两个捆绑环K4设置在固定板K3的另一侧端面上，第一铰接座K1与第二铰接座K2铰接，固定板K3与其中一个铰接座固连，两个捆绑环K4同轴设置，且两个捆绑环K4均与固定板K3连接。小臂捆绑机构K和大臂捆绑机构L用于与穿戴者捆绑，第一铰接座K1与第二铰接座K2之间有转动自由度，可以调节捆绑的角度，外骨骼基板A8上和外骨骼上臂B21上均设有多个轴孔，可以调节捆绑的位置。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图10和图12说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三、五、六或八不同的是外骨骼还包括后背编码器U和后背编码器托架V，后背编码器托架V与后背驱动电机座J固连，后背编码器U与后背编码器托架V固连。后背编码器U用于检测后背驱动电机I的转角。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五、六或八相同。
具体实施方式十：结合图10和图12说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九不同的是外骨骼还包括调节轴S和张紧轮T，张紧轮T固装在调节轴S上，调节轴S安装在后背驱动电机座J上。调节轴S与后背驱动电机座J的连接位置可以改变用以预紧同步带G。张紧轮T起预紧的作用，此自由度为肩关节外旋自由度，由后背驱动电机I驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。
本发明的工作原理及运转过程：
第一后背连杆C5、连接块C6、第三后背连杆C7、弧形连杆C18、第四后背连杆C19、弹簧C20和第二后背连杆C21构成锁骨关节；
肩关节骨架B1、步进电机座B2、步进电机B3、大臂钢丝预紧机构B5、肩关节输入轴B7、肩关节轴承座B8、肩关节驱动电机座B9、肩关节减速器B10、肩关节驱动电机B11、肩关节轴B29和、肩关节钢丝绳B31构成肩关节；
肘关节输出轮A4、小臂钢丝预紧机构A5、外骨骼基板A8、小臂驱动电机座A9、小臂减速器A10、肘关节输入轴A11、小臂钢丝绳固定装置A13、肘关节旋转轴A16和小臂钢丝绳A17构成肘关节；
当小臂驱动电机A2转动带动肘关节输入轴A11转动时，拉动小臂钢丝绳A17，从而带动肘关节输出轮A4转动，转向电机B20通过双平行四边形连杆机构驱动肘关节绕着大臂捆绑机构L的上臂轴线Z1转动(也是穿戴者上臂的骨骼轴线，见图5和图7)，肩关节驱动电机B11驱动肩关节前后摆动自由度，后背驱动电机I驱动肩关节内旋外旋自由度。锁骨关节自由度没有电机驱动。
当肩关节前后自由度摆动时，肩关节角度(肩关节骨架B1与外骨骼上臂B21的夹角)引发弹簧B25长度改变，进而引起弹簧B25弹性势能改变，刚好补偿肩关节前后摆动角度变化引起的穿戴者上肢及外骨骼构成的***的重力势能的改变，实现重力平衡；当肩关节内外旋转自由度转动时(即肩关节骨架B1绕着后背驱动电机驱动器P旋转时)，外骨骼重力势能不发生改变。
当锁骨关节转动时，外骨骼的位置发生变化，引起重力势能的改变，此时弹簧B25长度也相应发生变化，弹簧B25弹性势能改变，刚好补偿重力势能发生的改变，实现重力平衡。
所以本发明可以实现被动的重力平衡，使得穿戴者上肢与外骨骼构成的***在运动时重力势能不发生改变，从而不用克服重力势能做功，但是由于运动过程中有速度的改变，造成加速度，引起惯性力，所以，小臂驱动电机A2、肩关节驱动电机B11、转向电机B20和后背驱动电机I的作用可以起到补偿惯性力的作用，同时，如果负载范围超过外骨骼弹簧***所能平衡的范围，可以利用电机出力辅助平衡，达到重力平衡的效果。
当外骨骼***运动时，各个关节编码器检测角度值，通过差分滤波得到加速度信号，计算惯性力，通过电机施加惯性力，从而使得穿戴者不用出惯性力即可轻盈的带动外骨骼运动，达到康复训练的效果。
Claims (9)
1.一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，所述外骨骼包括小臂(A)、大臂(B)、后背(C)、外旋轴(D)、轴承(E)、主动带轮(F)、同步带(G)、被动带轮(H)、后背驱动电机(I)、后背驱动电机座(J)、小臂捆绑机构(K)、大臂捆绑机构(L)、后背驱动电机驱动器(P)和后背驱动电机驱动器托架(Q)，大臂(B)上的肘关节连接座(B45)与小臂(A)上的肘关节输出轮(A4)固连，外旋轴(D)的一端铰接在肩关节骨架(B1)的横架(B1-2)中，外旋轴(D)的另一端与轴承(E)内环连接，主动带轮(F)固装在外旋轴(D)上，同步带(G)的一端套装在主动带轮(F)上，同步带(G)的另一端套装在被动带轮(H)上，被动带轮(H)固装在后背驱动电机(I)的输出轴上，后背驱动电机(I)与后背驱动电机座(J)固连，后背驱动电机座(J)与后背(C)上的弧形连杆(C18)固连，后背驱动电机驱动器(P)通过后背驱动电机驱动器托架(Q)与后背驱动电机座(J)固连，后背驱动电机驱动器(P)与后背驱动电机(I)电性连接，小臂捆绑机构(K)与小臂(A)上的外骨骼基板(A8)铰接，大臂捆绑机构(L)与大臂(B)上的外骨骼上臂(B21)铰接，
其特征在于：所述小臂(A)包括小臂驱动器(A1)、小臂驱动电机(A2)、小臂轴承座(A3)、肘关节输出轮(A4)、小臂钢丝预紧机构(A5)、小臂滑槽(A7)、外骨骼基板(A8)、小臂驱动电机座(A9)、小臂减速器(A10)、肘关节输入轴(A11)、小臂钢丝绳固定装置(A13)、肘关节旋转轴(A16)和小臂钢丝绳(A17)，小臂驱动器(A1)固连在外骨骼基板(A8)的一侧端面上，小臂捆绑机构(K)铰接在外骨骼基板(A8)的另一侧端面上，小臂驱动器(A1)与外骨骼基板(A8)固连，小臂驱动器(A1)与小臂驱动电机(A2)电性连接，小臂驱动电机(A2)与小臂减速器(A10)连接，小臂减速器(A10)通过小臂驱动电机座(A9)与外骨骼基板(A8)固连，肘关节输入轴(A11)支撑在小臂轴承座(A3)中，小臂轴承座(A3)与外骨骼基板(A8)固连，肘关节输入轴(A11)的输入端与小臂减速器(A10)的输出端相连，肘关节输入轴(A11)的输出端与肘关节旋转轴(A16)铰接，肘关节旋转轴(A16)与外骨骼基板(A8)固连，肘关节输出轮(A4)与肘关节旋转轴(A16)铰接，肘关节输出轮(A4)的上端面设有数个第一钢丝绳槽(A4-1)，肘关节输入轴(A11)上设有第一螺旋槽(A11-1)，小臂钢丝绳(A17)的一端由小臂钢丝绳固定装置(A13)固定，小臂钢丝绳固定装置(A13)固定在肘关节输出轮(A4)上，小臂钢丝绳(A17)的另一端缠入肘关节输出轮(A4)上的第一钢丝绳槽(A4-1)内，缠至肘关节输出轮(A4)与肘关节输入轴(A11)的交接处时缠入第一螺旋槽(A11-1)中，缠绕三周后再缠回肘关节输出轮(A4)的另一条第一钢丝绳槽(A4-1)内，小臂钢丝绳(A17)末端进入小臂钢丝预紧机构(A5)，小臂钢丝预紧机构(A5)在小臂滑槽(A7)内预紧，小臂滑槽(A7)与肘关节输出轮(A4)固连。
2.根据权利要求1所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述小臂(A)还包括小臂编码器托架(A6)和小臂编码器(A12)，小臂编码器托架(A6)与肘关节输出轮(A4)固连，小臂编码器(A12)与小臂编码器托架(A6)固连。
3.根据权利要求1或2所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述大臂(B)包括肩关节骨架(B1)、步进电机座(B2)、步进电机(B3)、大臂滑槽(B4)、大臂钢丝预紧机构(B5)、肩关节输入轴(B7)、肩关节轴承座(B8)、肩关节驱动电机座(B9)、肩关节减速器(B10)、肩关节驱动电机(B11)、第一驱动器托架(B12)、第一驱动器(B13)、第一转向连杆(B14)、第二转向连杆(B15)、编码器(B16)、第三转向连杆(B17)、第四转向连杆(B18)、转向电机座(B19)、转向电机(B20)、外骨骼上臂(B21)、弹簧固定钉(B22)、铝管固定托架(B23)、铝管(B24)、弹簧(B25)、肩关节驱动器(B26)、连接钢丝绳(B27)、钢丝导向机构(B28)、肩关节轴(B29)、肩关节钢丝绳(B31)、肩关节钢丝绳固定装置(B32)、第一导轨(B36)、第二导轨(B37)、丝杠螺母(B38)、滑块(B39)、丝杠固定头(B40)、丝杠轴承座(B41)、导轨固定座(B44)、肘关节连接座(B45)、丝杠(B48)、转向减速器(B49)、第一销轴(B51)、第二销轴(B52)、第三销轴(B53)、第四销轴(B54)、第五销轴(B55)和第六销轴(B56)；
肩关节骨架(B1)的竖架(B1-1)上的外侧端面上设有数个第二钢丝绳槽(B1-3)，肩关节骨架(B1)的竖架(B1-1)上的内侧端面上固装有丝杠轴承座(B41)和导轨固定座(B44)，丝杠固定头(B40)与丝杠轴承座(B41)铰接，丝杠(B48)的输出端与丝杠固定头(B40)固连，丝杠(B48)的输入端与步进电机(B3)连接，步进电机(B3)固定在步进电机座(B2)上，步进电机座(B2)固定在肩关节骨架(B1)上，丝杠螺母(B38)与丝杠(B48)螺纹连接，丝杠螺母(B38)与滑块(B39)固连，滑块(B39)套装在第一导轨(B36)和第二导轨(B37)上，第一导轨(B36)和第二导轨(B37)的一端与导轨固定座(B44)固连，第一导轨(B36)和第二导轨(B37)的另一端与肩关节骨架(B1)的横架(B1-2)固连，外骨骼上臂(B21)与肩关节轴(B29)铰接；
肩关节驱动器(B26)固连在外骨骼上臂(B21)的上端面上，大臂捆绑机构(L)固连在外骨骼上臂(B21)的下端面上，肩关节驱动器(B26)与肩关节驱动电机(B11)电性连接，肩关节驱动电机(B11)与肩关节减速器(B10)连接，肩关节减速器(B10)通过肩关节驱动电机座(B9)与外骨骼上臂(B21)固连，肩关节输入轴(B7)支撑在肩关节轴承座(B8)中，肩关节轴承座(B8)与外骨骼上臂(B21)固连，肩关节输入轴(B7)的输入端与肩关节减速器(B10)的输出端相连，肩关节输入轴(B7)的输出端与肩关节轴(B29)铰接，肩关节轴(B29)与肩关节骨架(B1)固连，肩关节输入轴(B7)上设有第二螺旋槽(B7-1)；
肩关节钢丝绳(B31)的一端由肩关节钢丝绳固定装置(B32)固定，肩关节钢丝绳固定装置(B32)固定在肩关节骨架(B1)上，肩关节钢丝绳(B31)的另一端缠入肩关节骨架(B1)上的第二钢丝绳槽(B1-3)内，缠至肩关节骨架(B1)与肩关节输入轴(B7)的交接处时缠入第二螺旋槽(B7-1)中，缠绕三周，然后再缠回肩关节骨架(B1)的另一条第二钢丝绳槽(B1-3)内，肩关节钢丝绳(K2)末端进入大臂钢丝预紧机构(B5)，大臂钢丝预紧机构(B5)在大臂滑槽(B4)内预紧，大臂滑槽(B4)与肩关节骨架(B1)固连；
铝管固定托架(B23)套装在铝管(B24)上，铝管固定托架(B23)固定在外骨骼上臂(B21)上，弹簧(B25)通过弹簧固定钉(B22)固定在铝管(B24)内，钢丝导向机构(B28)与外骨骼上臂(B21)固连，连接钢丝绳(B27)的一端与弹簧(B25)相连，连接钢丝绳(B27)的另一端绕过钢丝导向机构(B28)与滑块(B39)相连；
转向电机(B20)与转向减速器(B49)连接，转向减速器(B49)与转向电机座(B19)固接，转向电机座(B19)与外骨骼上臂(B21)的末端固接，转向电机座(B19)上有长孔(B19-1)，第三转向连杆(B17)的一端与转向减速器(B49)输出轴固连，第三转向连杆(B17)的另一端与第一销轴(B51)铰接，第二转向连杆(B15)的中部与第二销轴(B52)铰接，第二转向连杆(B15)的一端与第一销轴(B51)铰接，第二转向连杆(B15)的另一端与第三销轴(B53)铰接，第四转向连杆(B18)的中部与第二销轴(B52)铰接，第四转向连杆(B18)的一端与第四销轴(B54)铰接，第四转向连杆(B18)的另一端第五销轴(B55)铰接，第四销轴(B54)与转向电机座(B19)铰接，第一转向连杆(B14)的一端与第五销轴(B55)铰接，第一转向连杆(B14)的另一端与第六销轴(B56)铰接，第三销轴(B53)和第六销轴(B56)均与肘关节连接座(B45)铰接，编码器(B16)安装在第一销轴(B51)上且与第二转向连杆(B15)固连，第一驱动器(B13)通过第一驱动器托架(B12)固定在外骨骼上臂(B21)上。
4.根据权利要求3所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述大臂(B)还包括肩关节编码器(B6)和肩关节编码器托架(B30)，肩关节编码器托架(B30)与肩关节骨架(B1)固连，肩关节编码器(B6)与肩关节编码器托架(B30)固连。
5.根据权利要求4所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述大臂(B)还包括弹簧固定机构(B43)，弹簧固定机构(B43)设置在铝管固定托架(B23)上。
6.根据权利要求1、2或5所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述后背(C)包括脊骨(C1)、固定架(C2)、外骨骼腰部(C3)、外骨骼背部(C4)、第一后背连杆(C5)、连接块(C6)、第三后背连杆(C7)、弧形连杆(C18)、第四后背连杆(C19)、弹簧(C20)和第二后背连杆(C21)，脊骨(C1)的一端与固定架(C2)和外骨骼腰部(C3)固连，脊骨(C1)的另一端与外骨骼背部(C4)连接，外骨骼背部(C4)和外骨骼腰部(C3)与穿戴者相捆绑，连接块(C6)与外骨骼腰部(C4)固连，第一后背连杆(C5)的一端与连接块(C6)铰接，第一后背连杆(C5)的另一端与第二后背连杆(C21)连接，第二后背连杆(C21)的另一端与弧形连杆(C18)铰接，第三后背连杆(C7)与第一后背连杆(C5)平行设置，第三后背连杆(C7)的一端与连接块(C6)铰接，第三后背连杆(C7)的另一端与第四后背连杆(C19)连接，第四后背连杆(C19)的另一端与弧形连杆(C18)铰接，弹簧(C20)的一端与第三后背连杆(C7)连接，弹簧(C20)的另一端与第二后背连杆(C21)连接。
7.根据权利要求6所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述小臂捆绑机构(K)和大臂捆绑机构(L)均由第一铰接座(K1)、第二铰接座(K2)、固定板(K3)和两个捆绑环(K4)组成，第一铰接座(K1)和第二铰接座(K2)设置在固定板(K3)的一侧端面上，两个捆绑环(K4)设置在固定板(K3)的另一侧端面上，第一铰接座(K1)与第二铰接座(K2)铰接，固定板(K3)与其中一个铰接座固连，两个捆绑环(K4)同轴设置，且两个捆绑环(K4)均与固定板(K3)连接。
8.根据权利要求1、2或5所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述外骨骼还包括后背编码器(U)和后背编码器托架(V)，后背编码器托架(V)与后背驱动电机座(J)固连，后背编码器(U)与后背编码器托架(V)固连。
9.根据权利要求8所述一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，其特征在于：所述外骨骼还包括调节轴(S)和张紧轮(T)，张紧轮(T)固装在调节轴(S)上，调节轴(S)安装在后背驱动电机座(J)上。
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