[发明专利]穿戴式绳驱动上肢外骨骼康复机器人的仿人臂骨架

说明书

本发明公开了一种穿戴式绳驱动上肢外骨骼康复机器人的仿人臂骨架，该仿人臂骨架包括有柔性肘关节组件(1)、上臂组件(2)、前臂组件(3)以及与绳子一端固定的绳紧固件，绳子另一端固定在电机输出轴的线轮上，通过电机牵引绳子运动实现康复者的肩部和肘部基于生物学机理的运动。本发明设计的仿人臂骨架能够实现康复者的上肢的抬臂、摆臂、转臂以及肘关节的内屈外伸运动，并能够提高外骨骼康复机器人的安全性。

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人机构，更特别地说，是指一种适用于穿戴式绳驱动上肢外骨骼康复机器人的仿人臂骨架。

背景技术

脑卒中、脊髓损伤、脑外伤等中枢神经系统疾病往往造成肢体运动功能障碍，患者部分或者完全丧失日常生活所必需的运动能力。经康复医学实验反复验证，高度可塑的中枢神经组织虽然不能再生，但通过集中性、重复性的任务导向运动训练能重建相关的神经系统功能回路，同时增强肌力，使患者重获自主运动能力。常规康复训练高度依赖理疗师，也即理疗师的专业知识与经验、技能水平、以及患者能否坚持长期规律的康复训练对康复效果起着至关重要的作用。显然，这样的康复训练对于理疗师来说在体力和时间上的付出非常大，这种康复待遇和费用也是一般患者不可能享受和承受的。

上肢外骨骼康复机器人穿戴于人的上肢而构成人机一体化系统，两者进行密切力交互作用。其不仅要满足人的上肢运动康复训练的辅助要求，也要保证控制稳定性系统安全，国内外研究者对上肢外骨骼康复机器人的控制策略研究有多种分类标准，如：1)外骨骼机器人运动学/动力学控制，即如何控制外骨骼的运动与动力输出，实现外骨骼的物理辅助作用以带动患肢进行运动康复训练；2)外骨骼机器人基于肢体生理状态的一体化控制，即通过分析肢生物信号，实现外骨骼控制与上肢需求的协同控制。由于外骨骼一般基于“串联开链机器人”结构设计，因此外骨骼的运动学/动力学控制也大多基于常规机器人模型的PID、力位混合控制和阻抗控制等传统方法并根据具体系统做部分改进。此外，基于外骨骼康复训练的人机交互层面较多地引入了虚拟现实技术，提高穿戴者运动训练的融入度并方便进行任务规划。

物理治疗模式下，应用基于位置的阻抗控制律输出上肢关节需要的辅助力矩，即设计理想阻抗控制模型将关节速度转化成其需求的驱动力矩，同时外骨骼结构体并行解算包括重力在内的前馈补偿力矩，提高阻抗控制器的控制精度和响应速度。

目前，康复训练型外骨骼最重要任务是帮助运动功能障碍患者实现集中性、重复性运动训练，更多地关注于患者实时需求的辅助力水平，在某种程度上对患者运动预测的需求不高。

发明内容

为了解决现有穿戴式绳驱动上肢外骨骼康复机器人中，基于刚性连杆结构的外骨骼难以实现人机关节对准，以及不能配合康复训练任务来满足穿戴者的运动需求的技术问题，本发明设计了一种适用于穿戴式绳驱动上肢外骨骼康复机器人的仿人臂骨架。本发明设计的仿人臂骨架能够实现康复者的上肢的抬臂、摆臂、转臂以及肘关节的内屈外伸的运动。

本发明设计的一种穿戴式绳驱动上肢外骨骼康复机器人的仿人臂骨架，其包括有肘关节组件(1)、上臂组件(2)、前臂组件(3)和六条绳子(10A～10F)；肘关节组件(1)由肘部上连杆(1A)、肘部下连杆(1B)、肘关节结构体(1C)、关节轴(1D)、深沟球轴承(1E)和肘部端盖(1F)组成；上臂组件(2)包括有上臂环(2A)、上骨架(2B)、三组跟随夹板组(21、22、23)、三个T形件(2C、2D、2E)、六个绳紧固件(2F、2G、2H、2I、2J、2K)；前臂组件(3)包括有下臂环(3A)、下骨架(3B)、三组跟随夹板组(31、32、33)、三个T形件(3C、3D、3E)、二个绳紧固件(3F、3G)。

肘部上连杆(1A)的上端与上臂组件(2)的BA夹板(22A)的下端固定，肘部上连杆(1A)的下端与肘关节结构体(1C)的凸块(1C1)固定；肘部下连杆(1B)的上端与肘关节结构体(1C)的肘部端盖(1F)的固定，肘部下连杆(1B)的下端与前臂组件(3)的BB夹板(32A)的上端固定。