[发明专利]一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置

说明书

本发明涉及一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；所述肩背部固定模块包括肩背部固定支架、背包模块、设置在背包模块内的驱动控制模块和电源模块；所述上臂辅助模块包括电机底座、肩部转盘电机、固定连接件、承重支杆、第一转盘底座、直线驱动装置、第一上臂固定套，该装置可用于穿戴者上肢的日常运动辅助训练，能够完成单自由度动作训练及多自由度联动训练，该装置仅利用三个主动驱动单元即实现了肩关节的前屈/后伸、外展/内收和内旋/外旋以及肘关节的屈曲/超伸共四个自由度，能够用于便携的上肢运动辅助。该装置结构简单、穿戴便捷，具有较高的临床意义和实用价值。

技术领域

本发明属于上肢康复机器人技术领域，涉及一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置。

背景技术

我国中风、偏瘫患者高达上千万人，且发病人数逐年上升，再加上人口老龄化的影响，对康复医疗的需求愈加迫切。现有康复医疗主要依托康复医师的经验技术，但医生人数及技术的影响制约了患者的康复治疗。近年来康复机器人发展迅猛，其应用在一定程度上缓解了这种局限，但随着研究的深入对康复机器人的要求也越来越高。

人体上肢运动模式可以被表示为7个自由度，分别是肩关节的外展/内收、前屈/后伸、内旋/外旋；肘关节的屈曲/超伸；前臂的旋前/旋后自由度；以及腕关节的掌屈/背伸、桡偏/尺偏自由度。其中，最常见的四个自由度分别是肩关节的外展/内收、前屈/后伸、内旋/外旋自由度和肘关节的屈曲/超伸自由度。

国内外康复治疗设备种类繁多，根据康复训练目的的不同，常常选择不同的自由度。早期的康复治疗设备多为台式，通过单端牵引的方式，利用多个驱动单元实现单个部位的单或多自由度训练，例如美国麻省理工学院和Spaulding康复医院利用五连杆机构研发的2自由度MIT-Manus机器人和英国Reading大学利用升降式摇臂实现的三自由度GENTLE/S等；随着康复设备的发展，出现了关节与人体关节一致的康复外骨骼设备，例如苏黎世理工学院和Balgrist大学医院合作研发的Armin系列和美国华盛顿大学研发的CADEN-7等外骨骼康复治疗设备；近年来康复治疗设备逐渐向系统型、功能型、便携型转变，自由度的控制上也由原来多对一的控制模式逐渐发展为驱动单元与人体运动自由度一一对应(一致)的控制模式，主要表现为单驱动单元控制单关节的单自由度运动，或其组合，例如瑞士Hocoma公司研发的具有重力补偿功能的Armeo Spring机器人等。

这种驱动单元与人体运动自由度一一对应的控制模式虽然基本实现了表征人体上肢运动特性的7个自由度，但较多的驱动单元往往造成机械臂笨重，不利于机械臂的便携可穿戴式设计，增大了控制的复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，通过主动自由度和被动自由度的结合，仅利用三个主动驱动单元就分别实现了上肢运动辅助任务中最主要的四个自由度；利用三个主动驱动单元的联合控制，实现了穿戴者上肢的四自由度运动辅助任务。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自由度优化的四自由度穿戴式上肢运动辅助装置，包括肩背部固定模块、上臂辅助模块和前臂辅助模块；所述肩背部固定模块包括肩背部固定支架、背包模块、设置在背包模块内的驱动控制模块和电源模块；所述上臂辅助模块包括电机底座、肩部转盘电机、固定连接件、承重支杆、第一转盘底座、直线驱动装置、第一上臂固定套，所述前臂辅助模块包括前臂驱动模块及固定模块；所述承重支杆水平设置在人体肩部的上方，内端的底部通过固定连接件连接肩部转盘电机的输出端，可绕其输出轴在水平面内转动，外端的侧面通过第一转盘底座连接直线驱动装置的固定端，直线驱动装置的输出端通过第一单端固定旋转轴或第一吊环与第一上臂固定套上的一点连接。

进一步，所述肩背部固定支架包括胸前、肩膀、背后三个基板，胸前、背后两个基板的上端通过肩膀基板连接，胸前、背后两个基板的下端分别通过束缚固定背带进行连接。