CN114533496A - 一种肩部康复外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种肩部康复外骨骼机器人，适用于带动患者的肩部实现五自由度的运动。所述肩部康复外骨骼机器人包括：肩胛带机构、球铰机构和底座升降平台；所述肩胛带机构包括第一关节和第二关节，分别控制肩部的上升下降和前伸后缩运动。所述球铰机构包括第三关节、第四关节和第五关节，分别控制肩部的内收外展、内旋外旋和屈曲伸展运动。所述升降平台设置有滑槽，所述滑槽通过螺栓与支撑机架相连接，所述支撑机架通过螺栓与第一关节相连接，从而将整个肩部康复外骨骼机器人固定在升降平台上，以适应不同坐姿肩高的人群，提高肩部康复外骨骼机器人的适应性。该发明能够带动肩部的主动、被动和阻抗三种训练模式，可以满足肩部的基本运动要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种肩部康复外骨骼机器人，属于康复训练机器人领域。
背景技术
脑卒中患者日益增长的趋势造成脑卒中康复医疗师的数量难以满足患者的康复需求。肩部康复机器人的出现改善了此状况，并取得一定的效果。肩部康复医疗机器人具有两大类，分别是末端牵引式和外骨骼式机器人，外骨骼式机器人因其运动范围大、结构紧凑、可满足患者康复需求等优点得到广泛深入的研究。专利号为CN113332098A的专利提供了一种七自由度上肢康复机器人机构，其技术方案为：该机构主要控制肩肘腕的运动，可以给患者带来肩关节的前伸后屈运动、外展内收运动和自旋运动、肘关节的屈伸运动和自旋运动、腕关节的外翻内收运动和桡屈尺屈运动七个自由度的康复训练；专利号为CN113018108A的专利提供了一种五自由度上肢外骨骼康复机器人机构，其技术方案为：该机构主要控制肩肘腕的运动，可以给患者带来肩关节的前屈后伸运动、内收外展运动和旋内旋外运动、肘关节的屈曲伸展运动、腕关节桡屈尺屈运动五个自由度的康复训练。上面的两个专利主要是控制肩肘腕的运动，而没有考虑到肩胛骨所带给肩部的影响，这也是大多数肩部康复外骨骼机器人未考虑到的因素，所以不能很好的实现康复运动。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种带动肩胛带和肩部同时运动的五自由度肩部康复外骨骼机器人。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
肩胛带部件，所述肩胛带部件包括第一关节，所述第一关节与外壳相连，所述外壳上安装有第二关节，所述第二关节连接有平行四边形机构。
球铰部件，所述球铰部件包括第三关节，所述第三关节与所述平行四边形机构相连接，所述第三关节上面还安装有输出轴，所述输出轴的一端连接有第四关节，所述第四关节上面安装有连杆，所述连杆的一端连接有第五关节。
底座升降平台，设置于第一关节的下方。
进一步的，所述第一关节由第一关节电机、第一关节联轴器、第一关节减速器、第一关节输出轴、第一关节固定轴、第一轴承、第二轴承、第一外壳、第二外壳和第三外壳组成的，所述第一关节电机通过螺栓与第二外壳连接，所述第一关节电机的固定端与第一关节固定轴相连接，所述第一关节固定轴与第一轴承的内圈过盈连接，所述第一关节电机的输出端与第一关节联轴器相连接，所述第一关节联轴器另一端与第一关节减速器相连接，所述第一关节减速器与第一外壳和第二外壳通过螺钉相连接，所述第二外壳与第三外壳通过螺钉相连接，所述第一关节减速器的输出端与第一关节输出轴相连接，所述第一关节减速器与第一关节输出轴之间连接有用于限制第一关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第一关节输出轴与第二轴承的内圈过盈连接。
进一步的，所述第二关节由第二关节电机、第二关节联轴器、第二关节减速器、第二关节输出轴、第二关节输入轴、第三外壳和第四外壳组成的，所述第二关节电机通过螺栓与第四外壳连接，所述第四外壳的另一端与第三外壳相连接，所述第二关节电机的输出端与第二关节联轴器相连接，所述第二关节联轴器另一端与第二关节输入轴相连接，所述第二关节输入轴与第二关节减速器的输入端相连接，所述第二关节减速器与第二关节输入轴之间连接有用于限制第二关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第二关节减速器的另一端与第二关节输出轴相连接，所述第二关节输出轴连接有平行四边形机构。
进一步的，所述平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆为第三外壳，所述第一连杆与第二连杆交点处由第二关节输出轴、第一推力轴套组成的，所述第一连杆与第四连杆交点处由第一推力轴承、第二推力轴承、第二推力转轴、第二垫圈、第二推力轴承端盖和第二推力轴套组成的，所述第一连杆与第一推力轴承相连接，所述第一推力轴承的另一端与第二推力转轴相连接，所述第二推力转轴的另一端与第二推力轴套相连接，在第二推力转轴与第二推力轴套连接处连接有第二推力轴承、第二垫圈和第二推力轴承端盖；所述第三连杆为第五外壳，所述第三连杆与第二连杆交点处由第三推力轴承、第四推力轴承、第三推力转轴、第三垫圈、第三推力轴承端盖和第三推力轴套组成的，所述第三连杆与第三推力轴承相连接，所述第三推力轴承的另一端与第三推力转轴相连接，所述第三推力转轴的另一端与第三推力轴套相连接，在第三推力转轴与第三推力轴套连接处连接有第四推力轴承、第三垫圈和第三推力轴承端盖；所述第三连杆与第四连杆交点处由第五推力轴承、第六推力轴承、第四推力转轴、第四垫圈、第四推力轴承端盖和第四推力轴套组成的，所述第三连杆与第五推力轴承相连接，所述第五推力轴承的另一端与第四推力转轴相连接，所述第四推力转轴的另一端与第四推力轴套相连接，在第四推力转轴与第四推力轴套连接处连接有第六推力轴承、第四垫圈和第四推力轴承端盖。
所述第二连杆由第一螺杆、第二螺杆、第一调节转轴组成的，所述第一推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第一螺杆相连接，所述第一调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第一螺杆相连接，所述第三推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第二螺杆相连接，所述第一调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第二螺杆相连接；所述第四连杆由第三螺杆、第四螺杆、第二调节转轴组成的，所述第二推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第三螺杆相连接，所述第二调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第三螺杆相连接，所述第四推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第四螺杆相连接，所述第二调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第四螺杆相连接。
所述第二关节输出轴与第一推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位；所述第二推力转轴与第二推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位；所述第三推力转轴与第三推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位；所述第四推力转轴与第四推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位。
进一步的，所述第三关节由第三关节电机、第三关节联轴器、第三关节减速器、第三关节输出轴、第三关节输入轴、第五外壳、第六外壳、第七外壳和第一连杆组成的，所述第三关节电机通过螺栓与第六外壳连接，所述第三关节电机的输出端与第三关节联轴器相连接，所述第三关节联轴器另一端与第三关节输入轴相连接，所述第三关节联轴器另一端与第三关节输入轴相连接，所述第三关节输入轴与第三关节减速器的输入端相连接，所述第三关节减速器与第三关节输入轴之间连接有用于限制第三关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第三关节减速器与第六外壳和第七外壳通过螺钉相连接，所述第五外壳与第六外壳通过螺钉相连接，所述第三关节减速器的另一端与第三关节输出轴相连接，所述第三关节输出轴与第一连杆通过螺钉相连接，所述第一连杆连接有第八外壳。
进一步的，所述第四关节由第四关节电机、第四关节联轴器、第四关节减速器、第四关节输出轴、第四关节输入轴、第八外壳和第二连杆组成的，所述第四关节电机通过螺栓与第七外壳连接，所述第四关节电机的输出端与第四关节联轴器相连接，所述第四关节联轴器另一端与第四关节输入轴相连接，所述第四关节联轴器另一端与第四关节输入轴相连接，所述第四关节输入轴与第四关节减速器的输入端相连接，所述第四关节减速器与第四关节输入轴之间连接有用于限制第四关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第四关节减速器与第七外壳和第一连杆通过螺钉相连接，所述第四关节减速器的另一端与第四关节输出轴相连接，所述第四关节输出轴与第二连杆通过螺钉相连接，所述第二连杆连接有第五关节固定轴。
进一步的，所述第五关节由第五关节电机、第五关节联轴器、第五关节减速器、第五关节输出轴、第九外壳、第十外壳和第五关节固定轴组成的，所述第五关节电机通过螺栓与第九外壳连接，所述第五关节电机的输出端与第五关节联轴器相连接，所述第五关节联轴器另一端与第五关节输入轴相连接，所述第五关节联轴器另一端与第五关节输入轴相连接，所述第五关节输入轴与第五关节减速器的输入端相连接，所述第五关节减速器与第五关节输入轴之间连接有用于限制第五关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第五关节减速器与第九外壳和第十外壳通过螺钉相连接，所述第五关节减速器的另一端与第五关节固定轴相连接。
进一步的，所述底座升降平台包括升降平台、传动丝杠、丝杠轴套、锥齿轮传动、联轴器、轴承、支撑底板、支撑板、医用脚轮、伸缩节1、伸缩节2、伸缩节3，所述升降平台设置有螺栓孔，与伸缩节1上的螺栓孔相连接，所述升降平台上还设置有滑槽，所述滑槽通过螺栓与支撑机架相连接，所述支撑机架通过螺栓与第一关节相连接，从而将整个肩部康复外骨骼机器人固定在升降平台上；所述伸缩节1两侧设置有滑道，用于限制伸缩节1的位移，所述伸缩节1 的滑道与伸缩节2的滑槽相配合，同时内部设置有与所述丝杠轴套配合的孔道，所述伸缩节1的孔道与丝杆轴套通过螺栓相连接，所述丝杠轴套与丝杠通过螺纹连接从而传递动力，所述伸缩节1的底部设置有凸台，用于限制伸缩节1过度伸长；所述伸缩节2两侧设置有滑道，所述伸缩节2带有滑道的两侧面设置有定位孔，内部装有螺栓，所述伸缩节2的滑道与伸缩节3的滑槽相连接，所述伸缩节2顶部和底部均设有凸台，顶部凸台用于限制伸缩节1完全伸出，底部凸台用于限制伸缩节2全部伸出，所述伸缩节3与支撑底板、支撑板通过螺栓相连接，所述支撑板与医用脚轮通过螺栓相连接。
所述丝杠一端位于伸缩节1的孔道内，另外一端与联轴器相连接，所述联轴器另一端与传动轴相连接，所述传动轴深入到大锥齿轮上，所述大锥齿轮与支撑地板孔内的推力轴承相连接，所述大锥齿轮与小锥齿轮相连接，所述小锥齿轮设置有用来支撑的轴承，所述支撑的轴承与轴承轴套相连接，所述轴承轴套与伸缩节3通过螺栓相连接，所述小锥齿轮位于伸缩节3的侧壁上，所述小锥齿轮设置有键槽，用于连接手轮从而传递动力。
本发明的有益效果是：
1、所设计的两自由度肩胛带机构包含两个转动关节，第二转动关节包含有平行四边形机构。其中，平行四边形机构为长度可调节的螺杆机构，可以适应不同肩宽的患者，还能够解决肩胛带旋转中心偏移和轨迹半径缩短因患者体型和肩部灵活性而各异的问题。在运动中，始终保持平行四边形两运动边在冠状面内的投影长度与锁骨在冠状面内的投影长度保持一致，通过第一关节的转动以及第二关节的长度补偿保证三自由度球铰关节的交点始终与肩部复合体的瞬时转动中心保持一致，从而解决患者与肩部康复外骨骼机器人运动不协调的问题。
2、所设计的肩部康复外骨骼机器人由两自由度肩胛带机构和三自由度球铰机构组成，肩胛带机构能够带动肩部实现前伸后缩和上升下降运动，球铰机构能够带动肩部实现内收外展、内旋外旋和屈曲伸展运动，三自由度球铰机构交于一点。在自由度配置方面，五个主动关节对应五个肩部的基本运动，能够满足患者肩部运动的基本要求，保证了肩部运动康复训练效果，同时提高了患者的舒适性。
3、所设计的肩部康复外骨骼机器人位于人体后背，只与人体在上臂处有一处绑缚，人体坐在普通座椅上便可进行康复训练，提高了穿戴的便利性，所设计的升降平台可以适应不同坐肩高的人群，可提高肩部康复外骨骼机器人的临床应用。
4、所设计的肩部康复外骨骼机器人还可以控制三种不同的训练模式。当患者处于偏袒前期无法进行自主运动的场景时，肩部康复外骨骼机器人能够带动牵引患者的肢体完成预定轨迹的动作，帮助患者及早进行高强度的肢体引导性任务；当患者处于偏袒中后期时，肩部康复外骨骼机器人能够随着患者的手臂运动跟随运动；当患者处于偏袒后期时，需要进行一定强度的肩部肌肉训练，这时肩部康复外骨骼机器人能够处于阻抗模式，协同患者锻炼肩部力量；除此之外，在示教训练模式下，肩部康复外骨骼机器人还应能复现示教者的运动轨迹。这样能够帮助患者及时尽早建立联系，功能性方面满足患者要求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的底座结构示意图；
图3是本发明的五自由度肩部康复外骨骼机器人示意图；
图4是本发明的三自由度球铰机构示意图；
图5是本发明的平行四边形机构示意图；
图6是本发明的第一关节外观示意图；
图7是本发明的去除外壳后第一关节内部结构零件示意图；
图8是本发明的第二关节外观示意图；
图9是本发明的螺杆和外壳连接部分内部结构示意图；
图10是本发明的去除外壳后第二关节内部结构示意图；
图11是本发明的螺杆结构图；
图12是本发明的第三关节外观示意图；
图13是本发明的螺杆和第三关节外壳连接部分内部结构图；
图14是本发明的第三关节去除外壳后内部零件示意图；
图15是本发明的第四关节外观示意图；
图16是本发明的去除外壳后第四关节内部结构示意图；
图17是本发明的第五关节外观示意图；
图18是本发明的去除外壳后第五关节内部结构示意图；
图19是本发明的第四关节-第五关节连杆示意图。
图中，1-第一关节，2-第二关节，3-第三关节，4-第四关节，5-第五关节， 6-底座，7-连杆，001-支撑机架，002-升降平台，003-伸缩节1，004-伸缩节2， 005-丝杠轴套，006-丝杠，007-联轴器，008-支撑底板，009-支撑板，010-大锥齿轮，011-推力轴承，012-传动轴，013-医用脚轮，014-轴承端盖，015-手轮，016-轴承轴套，017-深沟球轴承，018-小锥齿轮，019-伸缩节3，101-轴承 1，102-第一关节固定轴，103-第一关节减速器，104-轴承2，105-第一关节联轴器，106-第一关节电机，107-第一关节外壳1，108-第一关节输入轴，109- 第一关节外壳2，201-第二关节电机，202-第二关节外壳1，203-第二关节外壳 2，204-第二关节联轴器，205-第二关节输入轴，206-第二关节减速器，207- 第二关节输出轴，208-左旋螺杆，209-调节转轴，210-推力轴套，211-右旋螺杆，212-推力轴承，213-推力转轴，214推力轴承，215-调整垫片，216-推力轴承端盖，301-第三关节外壳1，302-第三关节外壳2，303-第三关节电机，304- 第三关节外壳3，305-第三关节输出轴，306-第三关节减速器，307-第三关节输入轴，308-第三关节联轴器，309-第三关节电机，310-推力轴承，311-推力转轴，312-推力轴承，313-调整垫片，314-推力轴承端盖，401-第四关节电机， 402-第四关节联轴器，403-第四关节输入轴，404-第四关节减速器，405-第四关节输出轴，406-第四关节外壳1，407-第四关节外壳2，501-第五关节电机， 502-第五关节联轴器，503-第五关节输入轴，504-第五关节减速器；505-第五关节输出轴；506-第五关节外壳1，507-第五关节外壳2，508-末端执行器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利做进一步说明。
一种肩部康复外骨骼机器人，包括五自由度肩部康复外骨骼机器人(图三) 及其底座6。五自由度肩部康复外骨骼机器人又包含三自由度球铰机构和肩胛带机构；肩胛带机构由第一关节1和第二关节2组成，球铰机构由第三关节3,第四关节4,第五关节5组成。
图2是底座的结构示意图，升降平台002的升降由锥齿轮传动以及丝杠传动来实现；小锥齿轮010、大锥齿轮018的转动由手轮015来驱动，通过转动手轮015的方向来控制小锥齿轮010、大锥齿轮018的转动方向因此实现丝杠006 的上下直线运动，以实现平台002的升降。
底座升降平台主要由001-支撑机架，升降平台002，003-伸缩节1，004- 伸缩节2，005-丝杠轴套，006-丝杠，007-联轴器，008-支撑底板，009-支撑板， 010-大锥齿轮，011-推力轴承，012-传动轴，013-医用脚轮，014-轴承端盖， 015-手轮，016-轴承轴套，017-深沟球轴承，018-小锥齿轮，019-伸缩节3组成的；升降平台002上有四个螺栓孔，与伸缩节1-003上的螺栓孔相配合，升降平台002的运动跟随伸缩节1的上下运动，升降平台002上有滑槽，通过螺栓与支撑机架001固定，从而将整个肩部康复外骨骼机器人固定在升降平台002 上；伸缩节1-003顶面封闭，有四个螺纹孔，两侧设有滑道，用于限制伸缩节 1-003的位移，同时内部有与丝杠轴套005配合的孔道，孔道与四个侧面采用加强筋设计，防止因肩部康复外骨骼机器人的姿态位置转变影响丝杠轴套005与丝杠006的配合以及丝杠006的变形，伸缩节1-003的滑道与伸缩节2-004的滑槽配和，伸缩节1-003的孔道与丝杆轴套005螺栓连接，丝杠轴套005与丝杠006螺纹配合传递动力，伸缩节1-003的底部四周设有凸台，限制伸缩节1-003 过度伸长；伸缩节2-004两侧面也设有滑道，滑道与伸缩节3-019的滑槽相配合，其顶部和底部均设有凸台，顶部凸台限制伸缩节1-003完全伸出，底部凸台限制伸缩节2-004全部伸出，此外伸缩节2-004带有滑道的两侧面上有定位孔，内部装有定位螺栓。伸缩节3则是与支撑底板008、支撑板009螺栓连接，且伸缩节3-019上也有四个定位螺栓放置在内壁上，支撑板螺栓连接医用脚轮 013；丝杠006一端位于伸缩节1-003的孔道内，另外一端连接联轴器007，联轴器007一端连接传动轴012，用联轴器007连接传动轴012和丝杠006。传动轴012深入到大锥齿轮010上，大锥齿轮010放置在支撑底板孔内的推力轴承 011上；支撑底板孔四周有加强筋，且为通孔，方便推力轴承011的拆卸；与大锥齿轮010相互配合的小锥齿轮轴018位于伸缩节3的侧壁上，并设有深沟球轴承017进行支撑，轴承放置在轴承轴套016内，轴承轴套016螺栓连接在伸缩节3-019上，轴承端盖014用螺栓连接在轴承轴套016上，用于限制小锥齿轮018的轴向位移；小锥齿轮018上设有键槽，用于连接手轮015传递动力扭矩。
肩部康复外骨骼机器人由左右两臂构成，左右两臂镜像对称，因此只对其中一个肩部机构进行分析。
肩部康复外骨骼机器人由五个关节组成，如图3所示。第一关节和第二关节组成肩胛带机构，如图5所示，螺杆和第二关节,第三关节构成平行四边形的四边，分别位于对边，第二关节,第三关节外壳的总长保持不变，故L1,L3的长度不变，平行四边形机构只是改变L2,L4的长度(即第二关节和第三关节的距离)和各边的角度，推力转轴轴套内有螺纹孔，输出轴207和推力转轴轴套210 通过螺钉配合，推力转轴轴套210与螺杆211配合，螺杆分别与推力轴套、调节转轴内螺纹进行配合，两端的螺杆旋向不同，当第二关节电机201输出扭矩带动第二关节输出轴207转动，从而带动推力转轴轴套210转动，从而实现角度的变化；当调节转轴209向一侧转动时，这样可以同时调节两侧螺杆进行伸长或者缩回，由于推力轴套210也是有螺纹与螺杆配合，因此螺杆在移动过程中会带动两侧推力轴套移动，以达到调节第二关节与第三关节距离的功能，满足不同肩宽人的需求。
第三关节,第四关节,第五关节构成球铰机构，球铰机构的轴线汇交于一点 O,各个关节实现各自的运动，并把速度、角度传递到末端执行器实现末端手臂的功能,如图4所示，第三关节输出轴305通过螺栓连接到第四关节的外壳407 上，第四关节、第五关节输出轴亦是采用相同的方法，第四关节输出轴405连接连杆7，将动力传递给连杆，连杆带动第五关节运动，第五关节则是以连杆为机架，使其自身绕轴线转动，完成绑缚带机构的转动。
以下对各个关节进行具体介绍
第一关节(参见图6、图7)，主要由第一关节电机106、第一关节联轴器 105、第一关节输入轴108、第一关节减速器103、第一关节固定轴101、轴承 1-102、轴承2-104、第一关节外壳1-107和第一关节外壳2-109组成的，第一关节电机106通过三个定位螺栓与第一关节外壳2-107固定连接，第一关节电机输出轴108连接第一关节联轴器105，第一关节联轴器105连接第一关节输入轴108，第一关节输入轴108上连接有轴承2-104，第一关节输入轴108又与第一关节减速器输入端内孔配合，第一关节减速器固定端连接有第一关节固定轴101，第一关节固定轴108上连接有轴承1-102，用紧固螺钉限制第一关节减速器输入轴的轴向径向位移，第一关节减速器则是通过双头螺栓与第一关节外壳 1-107和第一关节外壳2-109固定连接。
第二关节(参见图8、图9、图10、图11)，第二关节主要由第二关节电机 201、第二关节联轴器204、第二关节输入轴205、第二关节输出轴207、第二关节减速器206、第二关节外壳1-202、第二关节外壳2-203、推力转轴213组成的，第二关节电机201通过三个定位螺栓与第二关节外壳202固定连接，第二关节电机输出轴205连接第二关节联轴器204内孔，第二关节联轴器204另一端连接第二关节输入轴205，第二关节输入轴205又与第二关节减速器输入端内孔配合，用于传递动力；第二关节减速器206通过双头螺栓与第二关节外壳202 固定，第二关节减速器的输出端固定连接第二关节输出轴207，用于输出动力，此外，第二关节外壳1-202通过三个定位孔用螺栓螺母与第二关节外壳2-203 的连接孔固定连接，将第二关节外壳2-203固定在第二关节外壳1-202上，从而将平行四边形机构的机架边与第二关节保持相对静止状态；第二关节输出轴 207与推力轴套210配合，第二关节输出轴207上设有花键，并且沿轴线方向设有螺纹孔，推力轴套210则与输出轴207上的花键相互配合，并通过螺栓将推力轴套210与输出轴207固定，防止推力轴套210在运动过程中与输出轴207 脱离；同理，对边的推力转轴上也有花键和螺纹孔，并与推力轴套配合，为防止平行四边形在转动过程中推力转轴出现严重磨损，在推力转轴两侧安装推力轴承(212、214)，并安装在第二关节外壳2-203孔上。为防止推力轴承(212、 214)发生轴向位移，因而通过增加调整垫片215以及轴承端盖217进行固定，轴承端盖217通过螺栓与第二关节外壳2-203固定连接。
第二关节包含一个平行四边形机构(参见图5)，其中以第二关节外壳2-203 作为机架边，机架对边则是安装在第三关节外壳301上，两个外壳螺杆连接，螺杆则是由左旋螺杆208和右旋螺栓211分别与调节转轴配合连接，推力轴套孔内有内螺纹，与螺杆相互配合构成平行四边形机构。
第三关节主要由第三关节电机303、第三关节联轴器308、第三关节减速器306、第三关节外壳1-301、第三关节外壳2-302、第三关节外壳3-304、第三关节输入轴307、第三关节输出轴305、推力轴承、推力转轴311、调整垫片313 以及推力轴承端盖314组成的。第三关节电机303通过三个定位螺栓固定在第三关节外壳2-302上，第三关节电机输出轴305与第三关节联轴器308一端内孔配合，第三关节联轴器308另外一端内孔与第三关节输入轴307配合，并通过螺栓紧固，第三关节输入轴307通过紧固螺钉固定在第三关节减速器306输入端内孔里，第三关节减速器306固定在第三关节外壳1-301上，减速器输出端与第三关节输出轴305连接，第三关节输出轴305通过轴向方向的螺纹孔和第四关节外壳2-407连接，第三关节外壳1-301与第三关节外壳2-302通过定位孔与连接孔用螺栓连接，两个外壳底端布置有轴承孔，孔内分别依次放入推力轴承310、推力转轴311、推力轴承312、调整垫片313、轴承端盖314，并用螺栓将轴承端盖与第三关节外壳3-304固定连接，两个外壳(301、302)固定连接，共同构成平行四边形机构的机架对边。
第四关节(参见图15、图16)，由第四关节电机401，第四关节联轴器402、第四关节减速器404、第四关节输入轴403、第四关节输出轴405、第四关节外壳1-406、第四关节外壳2-407组成的，第四关节电机401通过三个定位螺栓固定在第四关节外壳1-406上，第四关节电机输出轴与第四关节联轴器403一端内孔配合，第四关节联轴器402另外一端内孔与第四关节输入轴403配合，并通过螺栓紧固，第四关节输入轴403通过紧固螺钉固定在第四关节减速器404 输入端内孔里，第四关节减速器404固定在第四关节外壳2-407上，第四关节减速器输出端与第四关节输出轴405连接，第四关节输出轴405通过轴向方向的螺纹孔和连杆7配合
第五关节(参见图17、图18、图19)，第五关节由第五关节电机501，第五关节联轴器502、第五关节减速器504、第五关节输入轴503、第五关节输出轴505、第五关节外壳1-506、第五关节外壳2-507和末端执行器508组成的，第五关节电机501通过三个定位螺栓固定在第五关节外壳1-506上，第五关节电机输出轴与第五关节联轴器502一端内孔配合，第五关节联轴器502另外一端内孔与第五关节输入轴503配合，并通过螺栓紧固，第五关节输入轴503通过紧固螺钉固定在第五关节减速器504输入端内孔里，第五关节减速器504固定在第五关节外壳507上，第五关节减速器输出端与第五关节输出轴505连接，第五关节输出轴505通过轴向方向的螺纹孔和连杆7连接，第五关节外壳2-507 和末端执行器508通过螺栓连接。
工作原理
手动调节手轮015，通过小锥齿轮018将动力传递给大锥齿轮010，大锥齿轮010通过键槽传递给传动轴012，传动轴连接联轴器007，联轴器007连接丝杠006，丝杠006转动，通过与丝杠006配合的丝杠轴套005便带动伸缩节1-003、伸缩节2-004作上下运动，从而实现底座平台的升降运动；当升降平台处于上升过程时，伸缩节1-003底部凸台触及到伸缩节2-004上的凸台时，便会带动伸缩节2-004的上升，当伸缩节2-004底部的凸台触及到伸缩节3-019时，便会停止上升，此时伸缩节已完全伸出，升降平台002高度达到最大值；反向转动手轮015，伸缩节1-003开始回缩，当伸缩节1-003底部凸台触及到伸缩节2-004内部上的定位螺栓时，便会带动伸缩节2-004的回缩运动，当伸缩节2-004底部的凸台触及伸缩节3的定位螺栓时，便会停止下降，此时伸缩节完全缩回，升降平台002高度达到最小值；上升下降的范围为320mm，可满足99％的患者坐姿肩高调节需求。在调整完患者的坐姿肩高以后，让肩部康复外骨骼机器人进行运动；具体运动过程为：第一关节的输出端固定在机架上，通过第一关节1的转动，从而带动整机转动，实现肩部的上升下降运动；第二关节2是采用平行四边形机构设计，增强了与三自由度球铰机构的连接结构稳定性。第二关节2 中平行于第一关节轴线的边为机架边，与第二关节保持相对静止，其对边则是与第三关节外壳固定，利用平行四边形机构的特性，当第二关节2转动时，将会驱动两条邻边平行作圆弧运动，从而带动三自由度球铰机构实现肩部的前伸后缩运动。第三关节外壳固定在第二关节的平行四边形机构上，第三关节3驱动时，带动第四关节4、第五关节5的转动，实现肩部的内收外展运动；第四关节4与第三关节5通过连杆7相连，第四关节4驱动带动第五关节5的转动，实现肩部的内旋外旋运动；同理，第五关节5通过连杆7与第四关节4相连，实现肩部的屈曲伸展运动。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
肩胛带部件，所述肩胛带部件包括第一关节，所述第一关节与外壳相连，所述外壳上安装有第二关节，所述第二关节连接有平行四边形机构。
球铰部件，所述球铰部件包括第三关节，所述第三关节与所述平行四边形机构相连接，所述第三关节上面还安装有输出轴，所述输出轴的一端连接有第四关节，所述第四关节上面安装有第二连杆，所述第二连杆的一端连接有第五关节。
底座升降平台，设置于第一关节的下方。
2.根据权利要求1所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第一关节由第一关节电机、第一关节联轴器、第一关节减速器、第一关节输出轴、第一关节固定轴、第一轴承、第二轴承、第一外壳、第二外壳和第三外壳组成的，所述第一关节电机通过螺栓与第二外壳连接，所述第一关节电机的固定端与第一关节固定轴相连接，所述第一关节固定轴与第一轴承的内圈过盈连接，所述第一关节电机的输出端与第一关节联轴器相连接，所述第一关节联轴器另一端与第一关节减速器相连接，所述第一关节减速器与第一外壳和第二外壳通过螺钉相连接，所述第二外壳与第三外壳通过螺钉相连接，所述第一关节减速器的输出端与第一关节输出轴相连接，所述第一关节减速器与第一关节输出轴之间连接有用于限制第一关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第一关节输出轴与第二轴承的内圈过盈连接。
3.根据权利要求1所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第二关节由第二关节电机、第二关节联轴器、第二关节减速器、第二关节输出轴、第二关节输入轴、第三外壳和第四外壳组成的。所述第二关节电机通过螺栓与第四外壳连接，所述第四外壳的另一端与第三外壳相连接，所述第二关节电机的输出端与第二关节联轴器相连接，所述第二关节联轴器另一端与第二关节输入轴相连接，所述第二关节输入轴与第二关节减速器的输入端相连接，所述第二关节减速器与第二关节输入轴之间连接有用于限制第二关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第二关节减速器的另一端与第二关节输出轴相连接，所述第二关节输出轴连接有平行四边形机构。
4.根据权利要求3所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述平行四边形机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆为第三外壳，所述第一连杆与第二连杆交点处由第二关节输出轴、第一推力轴套组成的，所述第一连杆与第四连杆交点处由第一推力轴承、第二推力轴承、第二推力转轴、第二垫圈、第二推力轴承端盖和第二推力轴套组成的，所述第一连杆与第一推力轴承相连接，所述第一推力轴承的另一端与第二推力转轴相连接，所述第二推力转轴的另一端与第二推力轴套相连接，在第二推力转轴与第二推力轴套连接处连接有第二推力轴承、第二垫圈和第二推力轴承端盖；所述第三连杆为第五外壳，所述第三连杆与第二连杆交点处由第三推力轴承、第四推力轴承、第三推力转轴、第三垫圈、第三推力轴承端盖和第三推力轴套组成的，所述第三连杆与第三推力轴承相连接，所述第三推力轴承的另一端与第三推力转轴相连接，所述第三推力转轴的另一端与第三推力轴套相连接，在第三推力转轴与第三推力轴套连接处连接有第四推力轴承、第三垫圈和第三推力轴承端盖；所述第三连杆与第四连杆交点处由第五推力轴承、第六推力轴承、第四推力转轴、第四垫圈、第四推力轴承端盖和第四推力轴套组成的，所述第三连杆与第五推力轴承相连接，所述第五推力轴承的另一端与第四推力转轴相连接，所述第四推力转轴的另一端与第四推力轴套相连接，在第四推力转轴与第四推力轴套连接处连接有第六推力轴承、第四垫圈和第四推力轴承端盖。
所述第二连杆由第一螺杆、第二螺杆、第一调节转轴组成的，所述第一推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第一螺杆相连接，所述第一调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第一螺杆相连接，所述第三推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第二螺杆相连接，所述第一调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第二螺杆相连接；所述第四连杆由第三螺杆、第四螺杆、第二调节转轴组成的，所述第二推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第三螺杆相连接，所述第二调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第三螺杆相连接，所述第四推力轴套设置有内螺纹，通过内螺纹与第四螺杆相连接，所述第二调节转轴设置有内螺纹，通过内螺纹与第四螺杆相连接。
所述第二关节输出轴与第一推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位；所述第二推力转轴与第二推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位；所述第三推力转轴与第三推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位；所述第四推力转轴与第四推力轴套通过花键相连接，并且在轴线方向设置有螺纹孔，通过螺钉进一步限制其定位。
5.根据权利要求1所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第三关节由第三关节电机、第三关节联轴器、第三关节减速器、第三关节输出轴、第三关节输入轴、第五外壳、第六外壳、第七外壳和第一连杆组成的，所述第三关节电机通过螺栓与第六外壳连接，所述第三关节电机的输出端与第三关节联轴器相连接，所述第三关节联轴器另一端与第三关节输入轴相连接，所述第三关节联轴器另一端与第三关节输入轴相连接，所述第三关节输入轴与第三关节减速器的输入端相连接，所述第三关节减速器与第三关节输入轴之间连接有用于限制第三关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第三关节减速器与第六外壳和第七外壳通过螺钉相连接，所述第五外壳与第六外壳通过螺钉相连接，所述第三关节减速器的另一端与第三关节输出轴相连接，所述第三关节输出轴与第一连杆通过螺钉相连接，所述第一连杆连接有第八外壳。
6.根据权利要求1所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第四关节由第四关节电机、第四关节联轴器、第四关节减速器、第四关节输出轴、第四关节输入轴、第八外壳和第二连杆组成的，所述第四关节电机通过螺栓与第七外壳连接，所述第四关节电机的输出端与第四关节联轴器相连接，所述第四关节联轴器另一端与第四关节输入轴相连接，所述第四关节联轴器另一端与第四关节输入轴相连接，所述第四关节输入轴与第四关节减速器的输入端相连接，所述第四关节减速器与第四关节输入轴之间连接有用于限制第四关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第四关节减速器与第七外壳和第一连杆通过螺钉相连接，所述第四关节减速器的另一端与第四关节输出轴相连接，所述第四关节输出轴与第二连杆通过螺钉相连接，所述第二连杆连接有第五关节固定轴。
7.根据权利要求1所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第五关节由第五关节电机、第五关节联轴器、第五关节减速器、第五关节输出轴、第九外壳、第十外壳和第五关节固定轴组成的，所述第五关节电机通过螺栓与第九外壳连接，所述第五关节电机的输出端与第五关节联轴器相连接，所述第五关节联轴器另一端与第五关节输入轴相连接，所述第五关节联轴器另一端与第五关节输入轴相连接，所述第五关节输入轴与第五关节减速器的输入端相连接，所述第五关节减速器与第五关节输入轴之间连接有用于限制第五关节减速器轴向径向位移的螺钉，所述第五关节减速器与第九外壳和第十外壳通过螺钉相连接，所述第五关节减速器的另一端与第五关节固定轴相连接。
8.根据权利要求1所述的肩部康复外骨骼机器人，其特征在于，所述底座升降平台包括升降平台、传动丝杠、丝杠轴套、锥齿轮传动、联轴器、轴承、支撑底板、支撑板、医用脚轮、伸缩节1、伸缩节2、伸缩节3、支撑机架。所述升降平台设置有螺栓孔，与伸缩节1上的螺栓孔相连接，所述升降平台上还设置有滑槽，所述滑槽通过螺栓与支撑机架相连接，所述支撑机架通过螺栓与第一关节相连接，从而将整个肩部康复外骨骼机器人固定在升降平台上；所述伸缩节1两侧设置有滑道，用于限制伸缩节1的位移，所述伸缩节1的滑道与伸缩节2的滑槽相配合，同时内部设置有与所述丝杠轴套配合的孔道，所述伸缩节1的孔道与丝杆轴套通过螺栓相连接，所述丝杠轴套与丝杠通过螺纹连接从而传递动力，所述伸缩节1的底部设置有凸台，用于限制伸缩节1过度伸长；所述伸缩节2两侧设置有滑道，所述伸缩节2带有滑道的两侧面设置有定位孔，内部装有螺栓，所述伸缩节2的滑道与伸缩节3的滑槽相连接，所述伸缩节2顶部和底部均设有凸台，顶部凸台用于限制伸缩节1完全伸出，底部凸台用于限制伸缩节2全部伸出，所述伸缩节3与支撑底板、支撑板通过螺栓相连接，所述支撑板与医用脚轮通过螺栓相连接。
9.所述丝杠一端位于伸缩节1的孔道内，另外一端与联轴器相连接，所述联轴器另一端与传动轴相连接，所述传动轴深入到大锥齿轮上，所述大锥齿轮与支撑地板孔内的推力轴承相连接，所述大锥齿轮与小锥齿轮相连接，所述小锥齿轮设置有用来支撑的轴承，所述支撑的轴承与轴承轴套相连接，所述轴承轴套与伸缩节3通过螺栓相连接，所述小锥齿轮位于伸缩节3的侧壁上，所述小锥齿轮设置有键槽，用于连接手轮从而传递动力。
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