[发明专利]一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人

摘要

本发明公开了一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，包括腕部外摆/内收关节、前屈/后伸关节、旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、外摆/内收关节、旋内/旋外关节、以及套索驱动装置；肩部、肘部以及腕部旋内/旋外关节分别通过套索与固定于支架上的电机相连接，驱动力矩通过套索传递到各关节；腕部外摆/内收关节和前屈/后伸关节采用电机直接驱动；电机内置编码器，用于测量外骨骼整体姿态；腕部安装有六维力传感器，用于测量人机交互力；肩部和肘部安装有平衡弹簧，能实现机构整体的重力平衡。本专利克服了关节质量和惯量过大的问题，实现轻量化设计，有效减小功耗，提升系统安全性能，并能实现多模式康复训练。

主权项

一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，其特征在于，该机器人包括依次连接的腕部外摆/内收关节(1)、腕部前屈/后伸关节(2)、腕部旋内/旋外关节(3)、肘部前屈/后伸关节(4)、肩部前屈/后伸关节(5)、肩部外摆/内收关节(6)、肩部旋内/旋外关节(7)、以及分别与所述腕部旋内/旋外关节(3)、肘部前屈/后伸关节(4)、肩部前屈/后伸关节(5)、肩部外摆/内收关节(6)和肩部旋内/旋外关节(7)连接的套索驱动装置(8)，所述肘部前屈/后伸关节(4)还与肩部旋内/旋外关节(7)连接；所述腕部外摆/内收关节(1)包括末端操作手柄(101)、六维力传感器(102)、第一关节驱动输出杆(103)、第一关节电机(104)和第一关节法兰盘(105)，所述末端操作手柄(101)通过螺栓与六维力传感器(102)的顶端固定连接，所述六维力传感器(102)的底端通过螺栓与第一关节驱动输出杆(103)的外端固定连接，所述第一关节电机(104)通过螺栓与第一关节驱动输出杆(103)的内端固定连接，第一关节电机(104)的转轴通过键和轴端挡圈与第一关节法兰盘(105)的内孔固定连接，使第一关节驱动输出杆(103)和第一关节法兰盘(105)构成第一转动副(J1)；所述腕部前屈/后伸关节(2)包括第二关节驱动输出杆(201)、第二关节法兰盘(202)、第二关节电机(203)、腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)，所述第二关节驱动输出杆(201)的一端通过螺栓与第一关节法兰盘(105)的外缘固定连接，另一端通过螺栓与第二关节法兰盘(202)的外缘固定连接，所述第二关节电机(203)通过螺栓与腕部第一调节杆(204)固定连接，第二关节电机(203)的转轴通过键和轴端挡圈与第二关节法兰盘(202)的内孔固定连接，使腕部第一调节杆(204)和第二关节法兰盘(202)构成第二转动副(J2)；所述腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)分别设置有通槽，腕部第一调节杆(204)和腕部第二调节杆(205)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；所述腕部旋内/旋外关节(3)包括第三关节驱动输出环(301)、第三关节负载端钢丝索固定件(302)、第三关节固定环(303)、第三关节套管固定件(304)、第三关节套管(305)和第三关节钢丝索(306)，所述第三关节驱动输出环(301)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与腕部第二调节杆(205)的末端固定连接，所述第三关节固定环(303)通过轴承与第三关节驱动输出环(301)连接，并构成第三转动副(J3)，所述第三关节套管固定件(304)上设置有台阶孔，并通过螺栓与第三关节固定环(303)的外侧固定连接，所述第三关节套管(305)的一端与第三关节套管固定件(304)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第三关节负载端钢丝索固定件(302)通过螺栓与第三关节驱动输出环(301)固定连接，所述第三关节钢丝索(306)的一端嵌入第三关节驱动输出环(301)的环形沟槽，并与第三关节负载端钢丝索固定件(302)固定连接，另一端穿过第三关节套管固定件(304)上的台阶孔和第三关节套管(305)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；所述肘部前屈/后伸关节(4)包括前臂杆(401)、通过轴承和轴端挡圈连接在所述前臂杆(401)的第一辅助转轴(402)、第一辅助连杆(403)、第二辅助转轴(404)、第二辅助连杆(405)、第一平衡弹簧(406)、上臂绑带(407)、上臂调节杆(408)、上臂杆(409)、通过轴承和轴端挡圈连接在所述上臂杆(409)的第三辅助转轴(410)、肘部壳体(411)、第四关节套管固定件(412)、第四关节负载滚轮(413)、第四关节钢丝索(414)、第四关节套管(415)、肘部转轴(416)、第二平衡弹簧(417)和平衡调节螺栓(418)，所述前臂杆(401)的一端通过螺栓同时与第三关节固定环(303)和第三关节套管固定件(304)固定连接，另一端与肘部转轴(416)连接，所述肘部转轴(416)通过轴承与肘部壳体(411)相连，并构成第四转动副(J4)，所述第一辅助连杆(403)的一端与第一辅助转轴(402)连接，另一端通过轴承、轴端挡圈、第二辅助转轴(404)与第二辅助连杆(405)的一端连接，第二辅助连杆(405)的另一端与第三辅助转轴(410)连接，所述第二辅助连杆(405)与第二辅助转轴(404)连接的一端同时与第一平衡弹簧(406)底端连接，所述第一平衡弹簧(406)的顶端与肩部旋内/旋外关节(7)相连接，所述上臂调节杆(408)和上臂杆(409)的一端分别设置有通槽，上臂调节杆(408)和上臂杆(409)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连，所述上臂杆(409)的另一端通过螺栓与肘部壳体(411)的上侧固定连接，所述第四关节负载滚轮(413)的外侧设置有环形沟槽，并通过键和轴端挡圈与肘部转轴(416)固定连接于肘部壳体(411)的外侧，所述第四关节套管固定件(412)上设置有台阶孔，并通过螺栓与肘部壳体(411)的背侧固定连接，所述第四关节套管(415)的一端与第四关节套管固定件(412)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第四关节钢丝索(414)的一端嵌入第四关节负载滚轮(413)的环形沟槽，并与第四关节负载滚轮(413)固定连接，另一端穿过第四关节套管固定件(412)上的台阶孔和第四关节套管(415)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；所述肩部前屈/后伸关节(5)包括第五关节负载滚轮(501)、第五关节套管固定件(502)、第五关节套管(503)、第五关节钢丝索(504)、第五关节固定杆(505)和第五关节法兰盘(506)，所述第五关节负载滚轮(501)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与上臂调节杆(408)的上端固定连接，所述第五关节法兰盘(506)的外缘通过螺栓与第五关节固定杆(505)的一端固定连接，其内孔通过轴承与第五关节负载滚轮(501)相连，并构成第五转动副(J5)，所述第五关节套管固定件(502)上设置有台阶孔，并通过螺栓固定在第五关节固定杆(505)的外侧，所述第五关节套管(503)的一端与第五关节套管固定件(502)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第五关节钢丝索(504)的一端嵌入第五关节负载滚轮(501)的环形沟槽，并与第五关节负载滚轮(501)固定连接，另一端穿过第五关节套管固定件(502)上的台阶孔和第五关节套管(503)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；所述肩部外摆/内收关节(6)包括第六关节负载滚轮(601)、第六关节套管固定件(602)、第六关节套管(603)、第六关节钢丝索(604)、第六关节法兰盘(605)、第六关节固定杆(606)和第六关节调节杆(607)，所述第六关节负载滚轮(601)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第五关节固定杆(505)的另一端固定连接，所述第六关节法兰盘(605)的外缘通过螺栓与第六关节固定杆(606)的下端固定连接，其内孔通过轴承与第六关节负载滚轮(601)相连，并构成第六转动副(J6)，所述第六关节套管固定件(602)上设置有台阶孔，并固定设置在第六关节固定杆(606)的内侧，所述第六关节套管(603)的一端与第六关节套管固定件(602)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第六关节钢丝索(604)的一端嵌入第六关节负载滚轮(601)的环形沟槽，并与第六关节负载滚轮(601)固定连接，另一端穿过第六关节套管固定件(602)上的台阶孔和第六关节套管(603)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接，所述第六关节固定杆(606)的上端和第六关节调节杆(607)的下端分别设置有通槽，第六关节固定杆(606)和第六关节调节杆(607)的通槽水平对齐后穿过螺栓，构成一个移动副，然后用螺母旋紧固连；所述肩部旋内/旋外关节(7)包括第七关节负载滚轮(701)、第七关节法兰盘(702)、第七关节固定杆(703)、第七关节套管固定件(704)、第七关节套管(705)和第七关节钢丝索(706)，所述第七关节负载滚轮(701)的外侧设置有环形沟槽，并通过螺栓与第六关节调节杆(607)的上端固定连接，第七关节负载滚轮(701)的底部设置有带通孔的凸台，并与第一平衡弹簧(406)的顶端相连，所述第七关节法兰盘(702)的外缘通过螺栓与第七关节固定杆(703)固定连接，其内孔通过轴承与第七关节负载滚轮(701)相连，并构成第七转动副(J7)，所述第七关节套管固定件(704)上设置有台阶孔，并固定设置在第七关节固定杆(703)的底侧，所述第七关节套管(705)的一端与第七关节套管固定件(704)上的台阶孔相固连，另一端与套索驱动装置(8)相连接，所述第七关节钢丝索(706)的一端嵌入第七关节负载滚轮(701)的环形沟槽，并与第七关节负载滚轮(701)固定连接，另一端穿过第七关节套管固定件(704)上的台阶孔和第七关节套管(705)的内孔后与套索驱动装置(8)相连接；所述套索驱动装置(8)包括固定支架(86)和设置在所述固定支架(86)上的第三关节驱动单元(81)、第四关节驱动单元(82)、第五关节驱动单元(83)、第六关节驱动单元(84)、第七关节驱动单元(85)，所述第三关节驱动单元(81)与第三关节套管(305)和第三关节钢丝索(306)相连，所述第四关节驱动单元(82)与第四关节套管(415)和第四关节钢丝索(414)相连，所述第五关节驱动单元(83)与第五关节套管(503)和第五关节钢丝索(504)相连，所述第六关节驱动单元(84)与第六关节套管(603)和第六关节钢丝索(604)相连，所述第七关节驱动单元(85)与第七关节套管(705)和第七关节钢丝索(706)相连，所述固定支架(86)的顶部与第七关节固定杆(703)固定连接；所述第三关节驱动单元(81)包括第三关节电机(811)、第三关节驱动滚轮(812)、第三关节驱动端钢丝索固定件(813)、第三关节预紧挡板(814)、第三关节电机固定板(815)和预紧螺栓(816)，所述第三关节电机(811)固定安装在第三关节电机固定板(815)上，第三关节电机(811)的转轴穿过第三关节电机固定板(815)中部的安装孔后与第三关节驱动滚轮(812)固定连接，所述第三关节驱动滚轮(812)的外侧设置有环形沟槽，所述第三关节驱动端钢丝索固定件(813)固定安装在第三关节驱动滚轮(812)侧面，所述第三关节预紧挡板(814)和第三关节电机固定板(815)分别设置有多个平行对齐的通槽，并用螺母旋紧固连，将两者连接，穿过第三关节预紧挡板(814)外侧面的预紧螺栓(816)的底端抵压在第三关节电机固定板(815)的侧面，并能调节旋进深度，第三关节预紧挡板(814)上设置有台阶孔，第三关节套管(305)的一端与第三关节预紧挡板(814)上的台阶孔相固连，第三关节钢丝索(306)的一端依次穿过第三关节套管(305)的内孔和第三关节预紧挡板(814)上的台阶孔，并嵌入第三关节驱动滚轮(812)的环形沟槽，然后与第三关节驱动端钢丝索固定件(813)固定连接。