[发明专利]一种主被动混合上肢康复训练外骨骼

说明书

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，促进中枢系统恢复。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：