[发明专利]一种绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人及其使用方法

权利要求书

1.一种绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人，其特征在于：包括肩部模块、上臂模块、前臂模块、柔性护甲和驱动背包，所述柔性护甲穿戴于使用者的躯干部分，柔性护甲上对于人体相应位置处分别设有对应的肩带、腰带和胸带，肩部模块固定于柔性护甲的肩部位置，上臂模块穿戴于使用者的上臂位置处，前臂模块穿戴于使用者的前臂位置处，且上臂模块与前臂模块之间通过绳索组件连接，所述驱动背包设置于柔性护甲上，驱动背包中设置有电源控制模块和若干电机，各电机转轴处均设有驱动轮用以收紧或放松对应的绳索组件；

其中，肩部模块、上臂模块和前臂模块均安装有姿态传感器和拉力传感器，姿态传感器实时检测手臂姿态以建立控制模型，拉力传感器实时检测绳索张力，结合姿态信息，控制电机输出，完成对使用者的辅助运动。

2.根据权利要求1所述的绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述肩部模块穿过柔性护甲的肩带以固定于使用者肩膀，肩部模块一侧设有肩部第一绳索连接点、肩部第二绳索连接点和肩部第三绳索连接点，通过这三个连接点固定套索和绳索连接上臂模块。

3.根据权利要求1所述的绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述上臂模块整体呈环形结构，上臂模块穿戴于使用者上臂处，上臂模块上设有上臂第一绳索连接点、上臂第二绳索连接点、上臂第三绳索连接点和上臂第四绳索连接点，这四个连接点固定套索绳索连接前臂模块；所述上臂模块两侧左右两侧分别安装有两组支撑连杆，通过支撑连杆和扎带与前臂模块相连，每组支撑连杆均包括两根支撑连杆，各个支撑连杆的转动轴心与使用者肘关节转动中心重合。

4.根据权利要求1所述的绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述前臂模块整体呈椭圆环形结构，前臂模块穿戴于使用者前臂上，前臂模块上设有前臂绳索连接点，通过该连接点和绳索连接于上臂模块。

5.根据权利要求1所述的绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述电机共有五个，各个电机分别对应连接一个驱动绳索，第一驱动绳索、第二驱动绳索和第三驱动绳索的一端分别固定于对应电机，且第一驱动绳索、第二驱动绳索和第三驱动绳索的另一端分别依次经过固定在驱动背包和肩部第一绳索连接点、肩部第二绳索连接点和肩部第三绳索连接点之间的套索(26)，然后分别固定在上臂第一绳索连接点、上臂第二绳索连接点和上臂第三绳索连接点上，用以完成肩关节内收/外展、屈/伸自由度的控制；

第四驱动绳索的一端固定于对应的电机上，第四驱动绳索的另一端依次经过固定在驱动背包和上臂第四绳索连接点之间的套索，然后固定在前臂绳索连接点上，用以控制肘关节屈/伸自由度的运动。

6.一种绳索驱动可穿戴式上肢康复训练机器人的使用方法，其特征在于：步骤为：

(1)使用者穿戴好柔性护甲，肩部模块与肩部贴合，上臂模块及前臂模块分别套入使用者手臂，驱动背包安装在胸带上，启动电源；

(2)首先根据人体平均参数表结合使用者身高体重信息，计算使用者上臂、前臂及手部的长度及质量，进入训练或辅助模式，选择辅助等级，控制器(安装于电源控制模块，并采用STM32作为控制核心)根据辅助运动模式辅助使用者手臂运动；控制器采集姿态传感器和拉力传感器数据，并根据所获取的拉力及姿态数据分别四个直流电机做出响应；

(3)使用过程中，姿态传感器实时检测手臂姿态信息，根据前述各部分质量，计算各绳索受到人体手臂重力作用对各绳索造成的理论张力，公式为：

M×J＝F

其中，M为手臂各部分自身重力向量，J为与手臂姿态相关的手臂重力-绳索张力雅克比变换矩阵，F为绳索张力向量；

(4)拉力传感器实时测出张力实际值，与理论值进行比较，反向推出使用者各关节主动力大小及方向，公式为：

F`×J^-1＝T

其中，F`是绳索张力实际值与理论值之差，J^-1是雅克比矩阵逆矩阵，T为各关节主动力矩向量，从而控制直流电机运行通过对应绳索带动患者肢体向意图运动方向运动。