一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人

1.本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人。


背景技术：

2.腕关节作为连接手部和小臂的环节，在人体完成日常行为中使用最频繁的关节之一，手腕关节的运动功能障碍将直接影响患者的日常生活。在我国，心脑血管疾病一直以来都是国民健康的一大威胁，每年因为心脑血管疾病导致肢体出现运动障碍的病患数量居高不下，各种运动障碍问题给病患们的正常生活造成了极大障碍。患有帕金森和中风的患者经常会出现手腕运动功能障碍现象以及手部不自主运动，尤其会对患者的抓握动作造成极大干扰。近年来，随着机器人研究从理论研究向转化为产品开发，机器人技术逐步落地，产生了许多可改善民生、提高生产实践效率的结合产物。在机器人技术与康复医学相结合的背景下，康复机器人应运而生，为提高老年人和运动功能障碍患者运动能力，改善其生活能力和生活品质，发挥了重要的作用。
3.目前出现的手腕康复机器人主要可分为串联式和并联式两类，串联式腕关节康复机器人具有工作空间大的优点，然而由于串联机器人末端存在累计误差，降低了运动精度；现有的并联式腕关节康复机器人大多采用球面并联机构形式，通过驱动各支链实现动平台的旋转运动，难以做到球面并联机构中心与人体手腕运动中心的协同一致的运动；此外传统并联式腕关节康复机器人存在着运动自由度间耦合性强、运动精度低以及控制难度大的问题，容易造成康复机器人人机相容性较差，容易对手腕造成二次伤害。因此亟需研制一款球面并联机构中心与人体手腕运动中心的协同一致运动、容易控制以及安全性高的手腕外骨骼康复机器人。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的运动精度低、不能保证球面并联机构中心与人体手腕运动中心的协同一致运动、控制难度大以及人机相容性差的缺陷，提供一种运动精度高、球面并联机构中心与人体手腕运动中心的协同一致运动、有零号的人机相容性以及安全性高的人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：包括小臂支撑组件、固定在所述小臂支撑组件上的球心调正组件、与所述球心调正组件转动连接的手腕训练组件以及固定在所述手腕训练组件上的握杆；所述球心调正组件包括：一级动平台以及安装在所述小臂支撑组件和所述一级动平台之间的第二调正支链和两个第一调正支链；所述第一调正支链包括：第一驱动模块、滑动块、第一连杆以及第二连杆；所述第一驱动模块固定在所述小臂支撑组件上，所述滑动块的一端与所述第一驱动模块的输出轴同轴连接，所述滑动块的另一端与所述第一连杆的一端转动连接，所述第一连杆的另一端与所述
第二连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端与所述一级动平台同轴转动连接；所述第一驱动模块输出轴的运动方向与所述小臂支撑组件的上表面平行；所述第二调正支链包括：第二驱动模块、第三连杆、u形块以及第四连杆；所述第二驱动模块固定在所述小臂支撑组件上，所述第三连杆的一端与所述第二驱动模块的输出轴同轴连接，所述第三连杆的另一端与所述u形块的底端固定连接，所述u形块的开口端与所述第四连杆的一端同轴滑动连接，所述第四连杆的另一端与所述一级动平台同轴滑动连接；所述第二驱动模块输出轴的运动方向与所述小臂支撑组件的上表面垂直。
7.进一步地，所述手腕训练组件包括：二级动平台以及呈圆周阵列安装在所述一级动平台和所述二级动平台之间的三条主动支链；所述主动支链包括：驱动电机、第一圆弧杆以及第二圆弧杆；所述第一圆弧杆的一端与所述驱动电机的输出轴同轴连接，所述第一圆弧杆的另一端与第二圆弧杆的一端转动连接，所述第二圆弧杆的另一端与所述二级动平台转动连接。
8.进一步地，所述小臂支撑组件包括中心开设有内筒的支撑箱以及固定在所述支撑箱内侧面的弧形支撑架，所述弧形支撑架位于所述内筒内。
9.进一步地，所述支撑箱的上表面上设置有对所述滑动块限位的限位孔，所述滑动块从所述限位孔中伸出。
10.进一步地，所述一级动平台的下方固定有第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳，所述第一连接耳与所述第二连接耳之间的夹角为90
°
，所述第二连接耳与所述第三连接耳之间的夹角为135
°
，所述第一连接耳与所述第三连接耳之间的夹角为135
°
。
11.进一步地，两个所述第二连杆分别相对应的与所述第一连接耳和第二连接耳同轴转动连接，所述第四连杆与所述第三连接耳同轴滑动连接。
12.进一步地，所述u形块的开口端以及所述第三连接耳的端部均设置有d形孔，所述第四连杆的一端通过第一d形滑杆与所述u形块的d形孔同轴滑动连接，所述第四连杆的另一端通过第二d形滑杆与所述第三连接耳的d形孔同轴滑动连接。
13.进一步地，所述第一d形滑杆、第二d形滑杆和第四连杆两两垂直。
14.进一步地，所述第一圆弧杆与所述第二圆弧杆的结构相同。
15.更进一步地，所述握杆上套设有橡胶套。
16.本发明的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人的有益效果是：
17.1、本发明的球心调正组件采用运动解耦设计，两个第一调正支链和第二调正支链分别控制一级动平台在x轴向、y轴向和z轴向上的平移运动，球心调正组件能够实现球心在空间中的位置调正，以适应手腕在康复过程中瞬时转动中心的变化过程，具有良好的人机相容性，有效地提高了运动精度。
18.2、本发明通过三个驱动电机驱动一级动平台与二级动平台之间的手腕训练组件的转动，进而带动患者手腕关节的三维运动，从而能够实现手腕关节的屈/伸运动、内收/外展运动及内旋/外旋训练，运动精度高，安全性好。
19.3、本发明采用球心调正组件和手腕训练组件组成的双级并联式手腕康复机构，吸收了串联式和并联式康复机器人的优点，工作空间大，运动精度高。
附图说明
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.图1是本发明实施例的整体结构图；
22.图2是本发明实施例的球心调正组件结构图；
23.图3是本发明实施例的第一调正支链结构图；
24.图4是本发明实施例的第二调正支链结构图；
25.图5是本发明实施例的手腕训练组件结构图；
26.图6是本发明实施例的小臂支撑组件结构图；
27.图7是本发明实施例的一级动平台结构图；
28.图8是本发明实施例的二级动平台结构图。
29.图中:1、握杆，2、小臂支撑组件，21、内筒，22、支撑箱，23、弧形支撑架，24、魔术贴，3、球心调正组件，30、第一调正支链，301、第一驱动模块，302、滑动块，303、第一连杆，304、第二连杆，305、限位孔，31、第二调正支链，311、第二驱动模块，312、第三连杆，313、u形块，314、第四连杆，315、第一d形滑杆，316、第二d形滑杆，32、一级动平台，33、第一连接耳，34、第二连接耳，35、第三连接耳，4、手腕训练组件，41、驱动电机，42、第一圆弧杆，43、第二圆弧杆，44、二级动平台，45、第四连接耳，46、第五连接耳，5、橡胶套。
具体实施方式
30.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
31.需要说明的是，本发明实施例中提到的上、下是以第二驱动模块311的输出轴朝向方向为上，与上相反的方向为下。
32.如图1-图8所示的本发明的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人的具体实施例，包括小臂支撑组件2、固定在小臂支撑组件2上的球心调正组件3、与球心调正组件3转动连接的手腕训练组件4以及固定在手腕训练组件4上的握杆1；球心调正组件3包括：一级动平台32以及安装在小臂支撑组件2和一级动平台32之间的第二调正支链31和两个第一调正支链30；以及动平台32与第一调正支链30转动连接，一级动平台32与第二调正支链31滑动连接；第一调正支链30包括：第一驱动模块301、滑动块302、第一连杆303以及第二连杆304；第一驱动模块301固定在小臂支撑组件2上，,滑动块302的一端与第一驱动模块301的输出轴同轴连接，滑动块302的另一端与第一连杆303的一端转动连接，第一连杆303的另一端与第二连杆304的一端转动连接，第二连杆304的另一端通过转轴与一级动平台32同轴转动连接；转轴通过紧定螺钉与第二连杆304固定连接；第一驱动模块301输出轴的运动方向与小臂支撑组件2的上表面平行，滑动块302与第一连杆303之间形成转动副连接，第一连杆303与第二连杆304之间形成转动副连接，滑动块302呈“回”字形，两个第一调正支链30分别控制一级动平台32在x轴向和y轴向上的平移运动，简化了运动控制，有效地提高了运动精度。
33.参见图4，第二调正支链31包括：第二驱动模块311、第三连杆312、u形块313以及第四连杆314；第二驱动模块311竖直固定在小臂支撑组件2上，第三连杆312的一端与第二驱动模块311的输出轴同轴连接，第三连杆312的另一端通过螺栓与u形块313的底端连接，u形
块313的开口端与第四连杆314的一端同轴滑动连接，第四连杆314的另一端与一级动平台32同轴滑动连接；u形块313的开口端以及第三连接耳35的端部均设置有d形孔，第四连杆314的一端通过第一d形滑杆315与u形块313的d形孔同轴滑动连接，第四连杆314的另一端通过第二d形滑杆316与第三连接耳35的d形孔同轴滑动连接，第一d形滑杆315通过紧定螺钉与第四连杆314的一端固定连接，第二d形滑杆316通过紧定螺钉与第四连杆314的另一端固定连接。第二驱动模块311输出轴的运动方向与小臂支撑组件2的上表面垂直，第一驱动模块301和第二驱动模块311可以是液压缸或者是电动推杆，但不局限于这两种；第一d形滑杆315、第二d形滑杆316和第四连杆314两两垂直，第一d形滑杆315与u形块313的d形孔形成滑动副连接，第二调正支链31控制一级动平台32在z轴向上的平移运动。球心调正组件3为2prrr+ppp三平移解耦并联机构，球心调正组件3能够实现球心在空间中的位置调正，以适应手腕在康复过程中瞬时转动中心的变化过程，有效的提高了手腕在屈曲/伸展、桡偏/尺偏以及旋内/旋外运动过程中的人机相容性。球心调正组件3采用运动解耦设计，两个第一调正支链30和第二调正支链31分别控制一级动平台32在x轴向、y轴向和z轴向上的平移运动，简化了运动控制，有效地提高了运动精度。
34.参见图5，手腕训练组件4包括：二级动平台44以及呈圆周阵列安装在一级动平台32和二级动平台44之间的三条主动支链；所述主动支链包括：驱动电机41、第一圆弧杆42以及第二圆弧杆43；第一圆弧杆42的一端与驱动电机41的输出轴同轴连接，第一圆弧杆42的另一端与第二圆弧杆43的一端转动连接，第二圆弧杆43的另一端与二级动平台44转动连接；第一圆弧杆42与一级动平台32转动连接。三个驱动电机41的转轴之间的夹角均为120
°
，手腕训练组件4为3rrr三转动球面并联机构，第一圆弧杆42的两端均设置有圆孔，两个圆孔的轴线相交于同一点，且处于同一平面内；通过手腕训练组件4能够带动手腕关节实现绕球心的三转动运动。通过三个驱动电机41共同驱动二级动平台44带动手腕进行综合运动，更符合人上臂真实的运动轨迹，康复训练效果好，通过三个驱动电机41分别带动患者进行手腕关节的屈/伸、外展/内收及内旋/外旋训练，目前市面上的手腕训练装置带动手腕关节实现三个自由度的训练均采用三个转轴相互垂直的电机分别实现绕三个转轴的转动，事实上，手腕关节的每次运动都不会是单一的转动，是复合转动，本实施例通过三个转轴之间相互夹角为120
°
的驱动电机41共同柔性驱动二级动平台44带动手腕关节进行综合运动，能够更好的进行康复训练。第一圆弧杆42和第二圆弧杆43的结构相同，第一圆弧杆42与第二圆弧杆43首尾相接，可保证第一圆弧杆42与第二圆弧杆43的中心点重合，这样可以大大增加二级动平台44的工作空间，并且使各构件之间的干涉减少到最小。
35.本实施例的的3-rrr三转动球面并联机构形状类似球冠状，通过三个驱动电机41驱动一级动平台32与二级动平台44之间的手腕训练组件4的转动，进而带动手腕关节的三维运动，实现手腕关节的屈/伸运动、内收/外展运动及内旋/外旋运动。
36.如图6所示，小臂支撑组件2包括中心开设有内筒21的支撑箱22、固定在支撑箱22内侧面的弧形支撑架23以及设置在弧形支撑架23内侧面上的用来固定小臂的魔术贴24，弧形支撑架23位于内筒21内。利用魔术贴24使弧形支撑架23紧贴患者的小臂，使训练过程更贴合人体的自然规律。支撑箱22可置于桌面上，为了实现对两个滑动块302的限位，支撑箱22的上表面上设置有对滑动块302限位的限位孔305，滑动块302从限位孔305中伸出，能够更好的保证患者的安全，能够有效防止手腕在训练时扭伤手腕，提高了安全性。
37.参见图7和图8，一级动平台32的下方固定有第一连接耳33、第二连接耳34和第三连接耳35，第一连接耳33与第二连接耳34之间的夹角为90
°
，第二连接耳34与第三连接耳35之间的夹角为135
°
，第一连接耳33与第三连接耳35之间的夹角为135
°
。两个第二连杆304分别相对应的与第一连接耳33和第二连接耳34同轴转动连接，第四连杆314与第三连接耳35同轴滑动连接。一级动平台32的上方呈圆周阵列分布有三个第四连接耳45，相邻两个第四连接耳45之间的夹角为120
°
，三个第四连接耳45的末端均开设有旋转副圆孔，三个第四连接耳45的旋转副圆孔的轴线与一级动平台32的轴线相交于一点，三个第一圆弧杆42的一端分别相对应的与三个第四连接耳45通过转动副连接。二级动平台44的下方呈圆周阵列分布有三个第五连接耳46，第五连接耳46的的末端均开设有旋转副圆孔，三个第五连接耳46的旋转副圆孔的轴线与二级动平台44的轴线相交于一点，三个第二圆弧杆43的一端分别相对应的与第一圆弧杆42转动连接，另一端分别相对应的与第五连接耳46通过转动副相连接。
38.如图1所示，握杆1固定在二级动平台44上，为了增加患者在训练时的舒适感，橡胶套5套装在握杆1的中间直杆上。
39.在训练时，患者的手从内筒21中穿出，将患者的小臂通过魔术贴24固定在弧形支撑架23上，使患者的手握住握杆1，通过手腕训练组件4带动患者的手腕关节进行屈/伸运动、内收/外展运动以及内旋/外旋康复训练，球心调正组件3能够适应手腕在康复过程中瞬时转动中心的变化过程，具有良好的人机相容性，提高了运动精度，更加能够保证患者的安全，有效地避免了二次伤害。
40.应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：包括小臂支撑组件(2)、固定在所述小臂支撑组件(2)上的球心调正组件(3)、安装在所述球心调正组件(3)上的手腕训练组件(4)以及两端固定在所述手腕训练组件(4)上的握杆(1)；所述球心调正组件(3)包括：一级动平台(32)以及安装在所述小臂支撑组件(2)和所述一级动平台(32)之间的第二调正支链(31)和两个第一调正支链(30)；所述第一调正支链(30)包括：第一驱动模块(301)、滑动块(302)、第一连杆(303)以及第二连杆(304)；所述第一驱动模块(301)固定在所述小臂支撑组件(2)上，所述滑动块(302)的一端与所述第一驱动模块(301)的输出轴同轴连接，所述滑动块(302)的另一端与所述第一连杆(303)的一端转动连接，所述第一连杆(303)的另一端与所述第二连杆(304)的一端转动连接，所述第二连杆(304)的另一端与所述一级动平台(32)同轴转动连接；所述第一驱动模块(301)输出轴的运动方向与所述小臂支撑组件(2)的上表面平行；所述第二调正支链(31)包括：第二驱动模块(311)、第三连杆(312)、u形块(313)以及第四连杆(314)；所述第二驱动模块(311)固定在所述小臂支撑组件(2)上，所述第三连杆(312)的一端与所述第二驱动模块(311)的输出轴同轴连接，所述第三连杆(312)的另一端与所述u形块(313)的底端固定连接，所述u形块(313)的开口端与所述第四连杆(314)的一端同轴滑动连接，所述第四连杆(314)的另一端与所述一级动平台(32)同轴滑动连接；所述第二驱动模块(311)输出轴的运动方向与所述小臂支撑组件(2)的上表面垂直。2.根据权利要求1所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述手腕训练组件(4)包括：二级动平台(44)以及呈圆周阵列安装在所述一级动平台(32)和所述二级动平台(44)之间的三条主动支链；所述主动支链包括：驱动电机(41)、第一圆弧杆(42)以及第二圆弧杆(43)；所述第一圆弧杆(42)的一端与所述驱动电机(41)的输出轴同轴连接，所述第一圆弧杆(42)的另一端与第二圆弧杆(43)的一端转动连接，所述第二圆弧杆(43)的另一端与所述二级动平台(44)转动连接。3.根据权利要求1所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述小臂支撑组件(2)包括中心开设有内筒(21)的支撑箱(22)以及固定在所述支撑箱(22)内侧面上的弧形支撑架(23)，所述弧形支撑架(23)位于所述内筒(21)内。4.根据权利要求3所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述支撑箱(22)的上表面上设置有对所述滑动块(302)限位的限位孔(305)，所述滑动块(302)从所述限位孔(305)中伸出。5.根据权利要求1所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述一级动平台(32)的下方固定有第一连接耳(33)、第二连接耳(34)和第三连接耳(35)，所述第一连接耳(33)与所述第二连接耳(34)之间的夹角为90
°
，所述第二连接耳(34)与所述第三连接耳(35)之间的夹角为135
°
，所述第一连接耳(33)与所述第三连接耳(35)之间的夹角为135
°
。6.根据权利要求5所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：两个所述第二连杆(304)分别相对应的与所述第一连接耳(33)和第二连接耳(34)同轴转动连接，所述第四连杆(314)与所述第三连接耳(35)同轴滑动连接。7.根据权利要求6所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述u形块(313)的开口端以及所述第三连接耳(35)的末端均设置有d形孔，所述第四
连杆(314)的一端通过第一d形滑杆(315)与所述u形块(313)的d形孔同轴滑动连接，所述第四连杆(314)的另一端通过第二d形滑杆(316)与所述第三连接耳(35)的d形孔同轴滑动连接。8.根据权利要求7所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述第一d形滑杆(315)、第二d形滑杆(316)和第四连杆(314)两两垂直。9.根据权利要求2所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述第一圆弧杆(42)与所述第二圆弧杆(43)的结构相同。10.根据权利要求2所述的一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人，其特征在于：所述握杆(1)固定在所述二级动平台(44)上，所述握杆(1)上套设有橡胶套(5)。

技术总结
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种人机相容的双级并联式手腕外骨骼康复机器人。本发明包括小臂支撑组件、球心调正组件、手腕训练组件以及握杆；球心调正组件包括：两个第一调正支链、第二调正支链以及一级动平台；第一调正支链包括：第一驱动模块、滑动块、第一连杆、第二连杆；第二调正支链包括：第二驱动模块、第三连杆、U形块、第四连杆；手腕训练组件包括：二级动平台以及呈圆周阵列安装在一级动平台和二级动平台之间三条主动支链。本发明的球心调正组件采用运动解耦设计，球心调正组件能够实现球心在空间中的位置调正，以适应手腕在康复过程中瞬时转动中心的变化过程，具有良好的人机相容性，有效地提高了运动精度。有效地提高了运动精度。有效地提高了运动精度。


技术研发人员：王洪波 陆海霞 田俊杰 王立鹏 田宇 张学泽 蒋金磊 周昊宇
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/3/8