[發明專利]穿戴式繩驅動上肢外骨骼康復機器人的仿人臂骨架

有效

• 申請號: 201710546927.9
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN107260488B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 張建斌;李曉峰;李中一;陳偉海
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 李有浩

本發明公開了一種穿戴式繩驅動上肢外骨骼康復機器人的仿人臂骨架，該仿人臂骨架包括有柔性肘關節組件(1)、上臂組件(2)、前臂組件(3)以及與繩子一端固定的繩緊固件，繩子另一端固定在電機輸出軸的線輪上，通過電機牽引繩子運動實現康復者的肩部和肘部基于生物學機理的運動。本發明設計的仿人臂骨架能夠實現康復者的上肢的抬臂、擺臂、轉臂以及肘關節的內屈外伸運動，并能夠提高外骨骼康復機器人的安全性。

技術領域

本發明涉及一種外骨骼機器人機構，更特別地說，是指一種適用于穿戴式繩驅動上肢外骨骼康復機器人的仿人臂骨架。

背景技術

腦卒中、脊髓損傷、腦外傷等中樞神經系統疾病往往造成肢體運動功能障礙，患者部分或者完全喪失日常生活所必需的運動能力。經康復醫學實驗反復驗證，高度可塑的中樞神經組織雖然不能再生，但通過集中性、重復性的任務導向運動訓練能重建相關的神經系統功能回路，同時增強肌力，使患者重獲自主運動能力。常規康復訓練高度依賴理療師，也即理療師的專業知識與經驗、技能水平、以及患者能否堅持長期規律的康復訓練對康復效果起著至關重要的作用。顯然，這樣的康復訓練對于理療師來說在體力和時間上的付出非常大，這種康復待遇和費用也是一般患者不可能享受和承受的。

上肢外骨骼康復機器人穿戴于人的上肢而構成人機一體化系統，兩者進行密切力交互作用。其不僅要滿足人的上肢運動康復訓練的輔助要求，也要保證控制穩定性系統安全，國內外研究者對上肢外骨骼康復機器人的控制策略研究有多種分類標準，如：1)外骨骼機器人運動學/動力學控制，即如何控制外骨骼的運動與動力輸出，實現外骨骼的物理輔助作用以帶動患肢進行運動康復訓練；2)外骨骼機器人基于肢體生理狀態的一體化控制，即通過分析肢生物信號，實現外骨骼控制與上肢需求的協同控制。由于外骨骼一般基于“串聯開鏈機器人”結構設計，因此外骨骼的運動學/動力學控制也大多基于常規機器人模型的PID、力位混合控制和阻抗控制等傳統方法并根據具體系統做部分改進。此外，基于外骨骼康復訓練的人機交互層面較多地引入了虛擬現實技術，提高穿戴者運動訓練的融入度并方便進行任務規劃。

物理治療模式下，應用基于位置的阻抗控制律輸出上肢關節需要的輔助力矩，即設計理想阻抗控制模型將關節速度轉化成其需求的驅動力矩，同時外骨骼結構體并行解算包括重力在內的前饋補償力矩，提高阻抗控制器的控制精度和響應速度。

目前，康復訓練型外骨骼最重要任務是幫助運動功能障礙患者實現集中性、重復性運動訓練，更多地關注于患者實時需求的輔助力水平，在某種程度上對患者運動預測的需求不高。

發明內容

為了解決現有穿戴式繩驅動上肢外骨骼康復機器人中，基于剛性連桿結構的外骨骼難以實現人機關節對準，以及不能配合康復訓練任務來滿足穿戴者的運動需求的技術問題，本發明設計了一種適用于穿戴式繩驅動上肢外骨骼康復機器人的仿人臂骨架。本發明設計的仿人臂骨架能夠實現康復者的上肢的抬臂、擺臂、轉臂以及肘關節的內屈外伸的運動。

本發明設計的一種穿戴式繩驅動上肢外骨骼康復機器人的仿人臂骨架，其包括有肘關節組件(1)、上臂組件(2)、前臂組件(3)和六條繩子(10A～10F)；肘關節組件(1)由肘部上連桿(1A)、肘部下連桿(1B)、肘關節結構體(1C)、關節軸(1D)、深溝球軸承(1E)和肘部端蓋(1F)組成；上臂組件(2)包括有上臂環(2A)、上骨架(2B)、三組跟隨夾板組(21、22、23)、三個T形件(2C、2D、2E)、六個繩緊固件(2F、2G、2H、2I、2J、2K)；前臂組件(3)包括有下臂環(3A)、下骨架(3B)、三組跟隨夾板組(31、32、33)、三個T形件(3C、3D、3E)、二個繩緊固件(3F、3G)。

肘部上連桿(1A)的上端與上臂組件(2)的BA夾板(22A)的下端固定，肘部上連桿(1A)的下端與肘關節結構體(1C)的凸塊(1C1)固定；肘部下連桿(1B)的上端與肘關節結構體(1C)的肘部端蓋(1F)的固定，肘部下連桿(1B)的下端與前臂組件(3)的BB夾板(32A)的上端固定。