基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人及方法
专利汇可以提供基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于 串联 弹性 驱动器 的上肢用康复 外骨骼 机器人 及方法，属于医疗器械领域。它包括移动 机架 、高度调节模 块 、肩部上提/下降关节、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、以及手部模块；肩部上提/下降关节通过重 力 平衡机构实现竖直方向的运动；肩部外摆/内收关节、前屈/后伸关节、旋内/旋外关节以及肘部前屈/后伸关节采用串联弹性驱动器驱动；串联弹性驱动器内置 编码器 ，用于测量外骨骼整体 姿态 ；手部模块安装有六维力 传感器 ，用于测量 人机交互 力；本发明具有左上肢和右上肢两种工作模式，降低了医疗康复设备成本，并能针对患者的瘫痪程度执行多种康复策略， 机器人关节 具有柔顺性，提升了训练过程的舒适性和安全性。，下面是基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人及方法专利的具体信息内容。
1.一种基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人，其特征在于，该机器人包括依次连接的移动机架（1）、高度调节模块（2）、肩部上提/下降关节（3）、肩部外摆/内收关节（4）、肩部前屈/后伸关节（5）、肩部旋内/旋外关节（6）、肘部前屈/后伸关节（7）、以及手部模块（8）；
所述移动机架（1）包括控制柜（12）；
所述高度调节模块（2）包括手轮（22）、垂直底座（23）、联轴器（24）、丝杠（25）、移动平台（26）、第一光轴（27）、上轴承座（28）、第二光轴（29）以及下轴承座（210）；所述垂直底座（23）与所述控制柜(12) 相固定，上轴承座（28）和下轴承座（210）固定于所述垂直底座（23）一侧，所述丝杠（25）、第一光轴（27）、以及第二光轴（29）的两端分别安装在上轴承座（28）和下轴承座（210）中，所述手轮（22）通过联轴器（24）与丝杠（25）的一端固定连接，所述移动平台（26）中间开有螺纹孔，并与丝杠（25）相互旋合，移动平台（26）两侧装有分别与第一光轴（27）、第二光轴（29）相配合的滑块；
所述肩部上提/下降关节（3）包括后侧上杆（31）、后侧左杆（32）、后侧下杆（33）、后侧右杆（34）、前侧上杆（35）、前侧左杆（36）、前侧下杆（37）、前侧右杆（38），还包括左上转轴（39）、左下转轴（310）、右下转轴（311）、右上转轴（312）和平衡弹簧（313）；其中后侧上杆（31）、后侧下杆（33）、前侧上杆（35）、前侧下杆（37）相互平行长短一致；后侧左杆（32）、后侧右杆（34）、前侧左杆（36）、前侧右杆（38）相互平行长短一致；左上转轴（39）、左下转轴（310）、右下转轴（311）、右上转轴（312）相互平行长短一致；
其中左上转轴（39）的后端与后侧上杆（31）左端、后侧左杆（32）上端均铰接，左下转轴（310）的后端与后侧左杆（32）的下端、后侧下杆（33）的左端均铰接，右下转轴（311）的后端与后侧下杆（33）的右端、后侧右杆（34）的下端均铰接，右上转轴（312）的后端与后侧右杆（34）的上端、后侧上杆（31）的右端均铰接；左上转轴（39）的前端与前侧上杆（35）左端、前侧左杆（36）上端均铰接，左下转轴（310）的前端与前侧左杆（36）的下端、前侧下杆（37）的左端均铰接，右下转轴（311）的前端与前侧下杆（37）的右端、前侧右杆（38）的下端均铰接，右上转轴（312）的前端与前侧右杆（38）的上端、前侧上杆（35）的右端均铰接；上述平衡弹簧（313）一端连接左上转轴（39），另一端连接右下转轴（311）；后侧左杆（32）和前侧左杆（36）与所述高度调节模块（2）的移动平台（26）固定连接；
所述肩部外摆/内收关节（4）包括第一盘式驱动电机（41）、第一电机过渡板（42）、第一减速器组（43）、第一减速器端盖（44）、第一驱动输出板（45）以及第一盘式弹性元件（46）；所述第一盘式驱动电机（41）外侧与第一电机过渡板（42）固定连接，第一电机过渡板（42）与第一减速器组（43）的外缘和第一减速器端盖（44）的外缘固定连接；第一盘式驱动电机（41）输出轴通过联轴器与第一减速器组（43）输入轴相连，第一减速器组（43）的输出轴与第一盘式弹性元件（46）固定连接，第一盘式弹性元件（46）的外缘与第一驱动输出板（45）的一端固定连接构成第一转动副（R1），第一驱动输出板（45）的另一端与后侧右杆（34）及前侧右杆（38）固定连接；
所述肩部前屈/后伸关节（5）包括第二盘式驱动电机（51）、第二电机过渡板（52）、第二减速器组（53）、第二减速器端盖（54）、第二驱动输出板（55）、第二盘式弹性元件（56）以及第一上臂杆（57）；所述第二盘式驱动电机（51）外端与第二电机过渡板（52）固定连接，第二电机过渡板（52）与第二减速器组（53）的外缘和第二减速器端盖（54）的外缘固定连接，第二盘式驱动电机（51）输出轴通过联轴器与第二减速器组（53）输入轴相连，第二减速器组（53）的输出轴与第二盘式弹性元件（56）固定连接，第二盘式弹性元件（56）的外缘与第二驱动输出板（55）的一端固定连接构成第二转动副（R2），所述第一上臂杆（57）的一端与第一减速器组（43）外缘固定连接，另一端与第二减速器组（53）外缘固定连接；
所述肩部旋内/旋外关节（6）包括第二上臂杆（61）、弧形支架（62）、弧形齿条（63）、第一弧形滑块（64）、第二弧形滑块（65）、弧形滑块底板（66）、电机挡圈（67）、弹性齿轮（68）、电机支座（69）、圆柱式驱动电机（610）、第三上臂杆（611）、上臂绑带固定板（612）、第一上臂绑带（613）、第二上臂绑带（614）、弧形导轨（615）、第一限位块（616）以及第二限位块（617）；
所述第二上臂杆（61）的一端和第二驱动输出板（55）的通过移动副结构连接并紧固，第二上臂杆（61）的另一端与弧形支架（62）的固定连接，所述弧形齿条（63）、弧形导轨（615）与所述弧形支架（62）相对固定，所述第一弧形滑块（64）和第二弧形滑块（65）安装在弧形导轨（615）上，第一弧形滑块（64）和第二弧形滑块（65）与弧形滑块底板（66）固定连接，所述第三上臂杆（611）的一端的分别与弧形滑块底板（66）和电机支座（69）固定连接，构成第三转动副（R3），所述圆柱式驱动电机（610）固定安装在电机支座（69）上，圆柱式驱动电机（610）的转轴穿过电机支座（69）中部的安装孔后与弹性齿轮（68）连接，所述电机挡圈（67）通过螺栓固定在圆柱式驱动电机（610）的转轴的顶端，弹性齿轮（68）和弧形齿条（63）保持啮合，所述上臂绑带固定板（612）固定安装在第三上臂杆（611）上，所述第一上臂绑带（613）和第二上臂绑带（614）固定在上臂绑带固定板（612）上，所述第一限位块（616）和第二限位块（617）分别固定安装在弧形支架（62）两端；
所述肘部前屈/后伸关节（7）包括第三盘式驱动电机（71）、第三电机过渡板（72）、第三减速器组（73）、第三减速器端盖（74）、第三盘式弹性元件（75）、第一前臂杆（76）、第一前臂绑带（77）、前臂绑带固定板（78）以及第二前臂绑带（79）；所述第三盘式驱动电机（71）外端与第三电机过渡板（72）固定连接，第三电机过渡板（72）与第三减速器组（73）外缘和第三减速器端盖（74）外缘固定连接，第三盘式驱动电机（71）输出轴通过联轴器与第三减速器组（73）输入轴相连，第三减速器组（73）的输出轴与第三盘式弹性元件（75）固定连接，第三盘式弹性元件（75）外缘与第三上臂杆（611）的另一端固定连接，构成第四转动副（R4），所述第一前臂杆（76）的一端与第三减速器组（73）外缘固定连接，所述前臂绑带固定板（78）固定安装在第一前臂杆（76）上，所述第一前臂绑带（77）和第二前臂绑带（79）固定在前臂绑带固定板（78）上；
所述手部模块（8）包括第二前臂杆（81）、六维力传感器（82）、手部弯曲杆（83）以及末端操作手柄（84）；所述第二前臂杆（81）的一端和第一前臂杆（76）通过移动副结构连接并紧固，第二前臂杆（81）的另一端与六维力传感器（82）的外侧固定连接，六维力传感器（82）的内侧与手部弯曲杆（83）的中部固定连接，所述末端操作手柄（84）固定在手部弯曲杆（83）的两端之间。
2.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人，其特征在于，所述移动机架（1）还包括推杆（11）、以及万向轮组（13），所述推杆（11）固定在控制柜（12）顶端，所述万向轮组（13）与控制柜（12）底端的四个底角固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第一上臂绑带（613）、第二上臂绑带（614）、第一前臂绑带（77）以及第二前臂绑带（79）均采用柔性材料。
4.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人的工作方
法，其特征在于：
所述肩部外摆/内收关节（4）、肩部前屈/后伸关节（5）、肩部旋内/旋外关节（6）以及肘部前屈/后伸关节（7）通过改变关节角度来实现左上肢和右上肢两种工作模式的切换；
在穿戴时，所述肩部前屈/后伸关节与肘部前屈/后伸关节之间的距离、肘部前屈/后伸关节与手部模块之间的距离根据患者的身材进行调整；
调整好后，所述肩部外摆/内收关节（4）的第一转动副（R1）延长线、肩部前屈/后伸关节（5）的第二转动副（R2）延长线以及肩部旋内/旋外关节（6）的第三转动副（R3）延长线相交于人体肩关节放置点（S）；所述肩部旋内/旋外关节（6）的第三转动副（R3）延长线和肘部前屈/后伸关节（7）的第四转动副（R4）延长线相交于人体肘关节放置点（E）；
通过所述各关节的驱动电机内置的高精度编码器，实时测量机器人的运动学参数，手部模块的六维力传感器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、交互力信息以及患者偏瘫程度，机器人分别针对急性期患者执行被动训练模式，针对恢复期患者执行示教训练模式、助力训练模式，针对后遗症期患者执行主动训练模式、阻抗训练模式。
基于串联弹性驱动器的上肢用康复外骨骼机器人及方法
技术领域
背景技术
发明内容
所述高度调节模块包括手轮、垂直底座、联轴器、丝杠、移动平台、第一光轴、上轴承座、第二光轴以及下轴承座；所述垂直底座与所述控制柜相固定，上轴承座和下轴承座固定于所述垂直底座一侧，所述丝杠、第一光轴、以及第二光轴的两端分别安装在上轴承座和下轴承座中，所述手轮通过联轴器与丝杠的一端固定连接，所述移动平台中间开有螺纹孔，并与丝杠相互旋合，移动平台两侧装有分别与第一光轴、第二光轴相配合的滑块；
所述肩部上提/下降关节包括后侧上杆、后侧左杆、后侧下杆、后侧右杆、前侧上杆、前侧左杆、前侧下杆、前侧右杆，还包括左上转轴、左下转轴、右下转轴、右上转轴和平衡弹簧；
其中后侧上杆、后侧下杆、前侧上杆、前侧下杆相互平行长短一致；后侧左杆、后侧右杆、前侧左杆、前侧右杆相互平行长短一致；左上转轴、左下转轴、右下转轴、右上转轴相互平行长短一致；
其中左上转轴的后端与后侧上杆左端、后侧左杆上端均铰接，左下转轴的后端与后侧左杆的下端、后侧下杆的左端均铰接，右下转轴的后端与后侧下杆的右端、后侧右杆的下端均铰接，右上转轴的后端与后侧右杆的上端、后侧上杆的右端均铰接；左上转轴的前端与前侧上杆左端、前侧左杆上端均铰接，左下转轴的前端与前侧左杆的下端、前侧下杆的左端均铰接，右下转轴的前端与前侧下杆的右端、前侧右杆的下端均铰接，右上转轴的前端与前侧右杆的上端、前侧上杆的右端均铰接；上述平衡弹簧一端连接左上转轴，另一端连接右下转轴；后侧左杆和前侧左杆与所述高度调节模块的移动平台固定连接；
所述肩部外摆/内收关节包括第一盘式驱动电机、第一电机过渡板、第一减速器组、第一减速器端盖、第一驱动输出板以及第一盘式弹性元件；所述第一盘式驱动电机外侧与第一电机过渡板固定连接，第一电机过渡板与第一减速器组的外缘和第一减速器端盖的外缘固定连接；第一盘式驱动电机输出轴通过联轴器与第一减速器组输入轴相连，第一减速器组的输出轴与第一盘式弹性元件固定连接，第一盘式弹性元件的外缘与第一驱动输出板的一端固定连接构成第一转动副，第一驱动输出板的另一端与后侧右杆及前侧右杆固定连接；
所述肩部前屈/后伸关节包括第二盘式驱动电机、第二电机过渡板、第二减速器组、第二减速器端盖、第二驱动输出板、第二盘式弹性元件以及第一上臂杆；所述第二盘式驱动电机外端与第二电机过渡板固定连接，第二电机过渡板与第二减速器组的外缘和第二减速器端盖的外缘固定连接，第二盘式驱动电机输出轴通过联轴器与第二减速器组输入轴相连，第二减速器组的输出轴与第二盘式弹性元件固定连接，第二盘式弹性元件的外缘与第二驱动输出板的一端固定连接构成第二转动副，所述第一上臂杆的一端与第一减速器组外缘固定连接，另一端与第二减速器组外缘固定连接；
所述肩部旋内/旋外关节包括第二上臂杆、弧形支架、弧形齿条、第一弧形滑块、第二弧形滑块、弧形滑块底板、电机挡圈、弹性齿轮、电机支座、圆柱式驱动电机、第三上臂杆、上臂绑带固定板、第一上臂绑带、第二上臂绑带、弧形导轨、第一限位块以及第二限位块；
所述第二上臂杆的一端和第二驱动输出板的通过移动副结构连接并紧固，第二上臂杆的另一端与弧形支架的固定连接，所述弧形齿条、弧形导轨与所述弧形支架相对固定，所述第一弧形滑块和第二弧形滑块安装在弧形导轨上，第一弧形滑块和第二弧形滑块与弧形滑块底板固定连接，所述第三上臂杆的一端的分别与弧形滑块底板和电机支座固定连接，构成第三转动副，所述圆柱式驱动电机固定安装在电机支座上，圆柱式驱动电机的转轴穿过电机支座中部的安装孔后与弹性齿轮连接，所述电机挡圈通过螺栓固定在圆柱式驱动电机的转轴的顶端，弹性齿轮和弧形齿条保持啮合，所述上臂绑带固定板固定安装在第三上臂杆上，所述第一上臂绑带和第二上臂绑带固定在上臂绑带固定板上，所述第一限位块和第二限位块分别固定安装在弧形支架两端；
所述肘部前屈/后伸关节包括第三盘式驱动电机、第三电机过渡板、第三减速器组、第三减速器端盖、第三盘式弹性元件、第一前臂杆、第一前臂绑带、前臂绑带固定板以及第二前臂绑带；所述第三盘式驱动电机外端与第三电机过渡板固定连接，第三电机过渡板与第三减速器组外缘和第三减速器端盖外缘固定连接，第三盘式驱动电机输出轴通过联轴器与第三减速器组输入轴相连，第三减速器组的输出轴与第三盘式弹性元件固定连接，第三盘式弹性元件外缘与第三上臂杆的另一端固定连接，构成第四转动副，所述第一前臂杆的一端与第三减速器组外缘固定连接，所述前臂绑带固定板固定安装在第一前臂杆上，所述第一前臂绑带和第二前臂绑带固定在前臂绑带固定板上；
所述手部模块包括第二前臂杆、六维力传感器、手部弯曲杆以及末端操作手柄；所述第二前臂杆的一端和第一前臂杆通过移动副结构连接并紧固，第二前臂杆的另一端与六维力传感器的外侧固定连接，六维力传感器的内侧与手部弯曲杆的中部固定连接，所述末端操作手柄固定在手部弯曲杆的两端之间。
图3是本发明中的移动机架与高度调节模块结构示意图；
图4是本发明中的肩部上提/下降关节与外摆/内收关节结构示意图；
图5是本发明中的肩部前屈/后伸关节结构示意图；
图6是本发明中的肩部旋内/旋外关节结构示意图；
图7是本发明中的肘部前屈/后伸关节与手部模块结构示意图。
具体实施方式
32的下端、后侧下杆33的左端均铰接，右下转轴311的后端与后侧下杆33的右端、后侧右杆
34的下端均铰接，右上转轴312的后端与后侧右杆34的上端、后侧上杆31的右端均铰接，左上转轴39的前端与前侧上杆35左端、前侧左杆36上端均铰接，左下转轴310的前端与前侧左杆36的下端、前侧下杆37的左端均铰接，右下转轴311的前端与前侧下杆37的右端、前侧右杆38的下端均铰接，右上转轴312的前端与前侧右杆38的上端、前侧上杆35的右端均铰接；
上述平衡弹簧313一端连接左上转轴39，另一端连接右下转轴311，后侧左杆32和前侧左杆
36与所述高度调节模块2的移动平台26固定连接；肩部外摆/内收关节4包括第一盘式驱动电机41、第一电机过渡板42、第一减速器组43、第一减速器端盖44、第一驱动输出板45以及第一盘式弹性元件46，第一盘式驱动电机41外侧与第一电机过渡板42固定连接，第一电机过渡板42与第一减速器组43的外缘和第一减速器端盖44的外缘固定连接，第一盘式驱动电机41输出轴通过联轴器与第一减速器组43输入轴相连，第一减速器组43的输出轴与第一盘式弹性元件46固定连接，第一盘式弹性元件46的外缘与第一驱动输出板45的一端固定连接构成第一转动副R1，实现肩部外摆/内收运动，第一盘式驱动电机41、第一电机过渡板42、第一减速器组43、第一减速器端盖44、以及第一盘式弹性元件46组成第一串联弹性驱动器，使肩部外摆/内收关节4具有柔顺性，第一驱动输出板45的另一端与后侧右杆34及前侧右杆38固定连接；肩部前屈/后伸关节5包括第二盘式驱动电机51、第二电机过渡板52、第二减速器组53、第二减速器端盖54、第二驱动输出板55、第二盘式弹性元件56以及第一上臂杆57，第二盘式驱动电机51外端与第二电机过渡板52固定连接，第二电机过渡板52与第二减速器组
53的外缘和第二减速器端盖54的外缘固定连接，第二盘式驱动电机51输出轴通过联轴器与第二减速器组53输入轴相连，第二减速器组53的输出轴与第二盘式弹性元件56固定连接，第二盘式弹性元件56的外缘与第二驱动输出板55的一端固定连接构成第二转动副R2，实现肩部前屈/后伸运动，第二盘式驱动电机51、第二电机过渡板52、第二减速器组53、第二减速器端盖54、以及第二盘式弹性元件56组成第二串联弹性驱动器，使肩部前屈/后伸关节5具有柔顺性，第一上臂杆57的一端与第一减速器组43外缘固定连接，另一端与第二减速器组
53外缘固定连接；所述肩部旋内/旋外关节6包括第二上臂杆61、弧形支架62、弧形齿条63、第一弧形滑块64、第二弧形滑块65、弧形滑块底板66、电机挡圈67、弹性齿轮68、电机支座
69、圆柱式驱动电机610、第三上臂杆611、上臂绑带固定板612、第一上臂绑带613、第二上臂绑带614、弧形导轨615、第一限位块616、以及第二限位块617，第二上臂杆61的一端和第二驱动输出板55的通过移动副结构连接并紧固，第二上臂杆61的另一端与弧形支架62的固定连接，弧形齿条63、弧形导轨615与所述弧形支架62相对固定，第一弧形滑块64和第二弧形滑块65安装在弧形导轨615上，第一弧形滑块64和第二弧形滑块65与弧形滑块底板66固定连接，第三上臂杆611的一端的分别与弧形滑块底板66和电机支座69固定连接，构成第三转动副R3，实现肩部旋内/旋外运动，弹性齿轮68和圆柱式驱动电机610组成第三串联弹性驱动器，使肩部旋内/旋外关节6具有柔顺性，圆柱式驱动电机610固定安装在电机支座69上，圆柱式驱动电机610的转轴穿过电机支座69中部的安装孔后与弹性齿轮68连接，电机挡圈
67通过螺栓固定在圆柱式驱动电机610的转轴的顶端，弹性齿轮68和弧形齿条63保持啮合，上臂绑带固定板612固定安装在第三上臂杆611上，第一上臂绑带613和第二上臂绑带614固定在上臂绑带固定板612上，第一限位块616和第二限位块617分别固定安装在弧形支架62两端；肘部前屈/后伸关节7包括第三盘式驱动电机71、第三电机过渡板72、第三减速器组
73、第三减速器端盖74、第三盘式弹性元件75、第一前臂杆76、第一前臂绑带77、前臂绑带固定板78以及第二前臂绑带79，第三盘式驱动电机71外端与第三电机过渡板72固定连接，第三电机过渡板72与第三减速器组73外缘和第三减速器端盖74外缘固定连接，第三盘式驱动电机71输出轴通过联轴器与第三减速器组73输入轴相连，第三减速器组73的输出轴与第三盘式弹性元件75固定连接，第三盘式弹性元件75外缘与第三上臂杆611的另一端固定连接，构成第四转动副R4，实现肘部前屈/后伸运动，第三盘式驱动电机71、第三电机过渡板72、第三减速器组73、第三减速器端盖74、以及第三盘式弹性元件75组成第四串联弹性驱动器，使肘部前屈/后伸关节7具有柔顺性，第一前臂杆76的一端与第三减速器组73外缘固定连接，前臂绑带固定板78固定安装在第一前臂杆76上，第一前臂绑带77和第二前臂绑带79固定在前臂绑带固定板78上；手部模块8包括第二前臂杆81、六维力传感器82、手部弯曲杆83以及末端操作手柄84，第二前臂杆81的一端和第一前臂杆76通过移动副结构连接并紧固，第二前臂杆81的另一端与六维力传感器82的外侧固定连接，六维力传感器82的内侧与手部弯曲杆83的中部固定连接，末端操作手柄84固定在手部弯曲杆83的两端之间。
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