一种用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块的

本发明涉及医疗机器人，具体的为一种用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块。背景技术：1、脑卒中是我国成年人致残的主要病因之一，且绝大多数患者患有不同程度的运动功能障碍，这对他们的日常生活造成了严重影响。传统治疗方法为治疗师徒手对患者进行康复训练，但存在着治疗效果易受治疗师经验与状态影响、治疗师数量不足等问题。2、针对这些问题，康复机器人是一个良好的解决方案。上肢康复外骨骼机器人作为其中的一种，能够组合不同的康复轨迹以对上肢上的肩、肘、腕关节进行针对性训练。此外，通过对患者的康复过程进行分析，能够对患者的康复训练给出客观的评价。目前，已有许多企业与单位投入到了上肢康复外骨骼机器人的研究中。3、然而，现有的绝大多数上肢康复外骨骼机器人产品在原理上相似，但在各自的机械结构上却各不相同，并且都使用各自设计定制的零件来加工制造。这增加了上肢康复外骨骼机器人制造和维修成本，也不利于上肢康复外骨骼机器人的产业化发展。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种模块化设计的上肢康复外骨骼机器人肩关节。2、基于上述目的，本发明采用如下技术方案：3、一种用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，包括框架结构，框架结构包括转动连接的摆动框架和伸缩框架，摆动框架和伸缩框架的两个自由端、摆动框架与伸缩框架的连接处均设置有电机单元；摆动框架上设置有与伸缩框架配合的重力平衡装置，伸缩框架的自由端设置有与电机单元配合的穿戴结构；本发明中设置的摆动框架和伸缩框架均为l型框架结构，在框架的两端和连接处分别共设置有三个电机单元，每个电机单元的轴线均指向人体肩关节中心，能够模拟人体肩关节作为球形关节的三个自由度运动，分别进行外展内收、屈曲伸展和内旋外旋三种运动。4、优选地，重力平衡装置包括设置在摆动框架上的滑轮组，滑轮组包括定滑轮组和动滑轮；动滑轮通过滑轮导轨滑动设置在摆动框架上，滑轮导轨竖直设置在摆动框架上；定滑轮组固定设置在滑轮导轨上方，动滑轮上固定连接有平衡绳；平衡绳分别绕过定滑轮组与动滑轮连接有一对弹簧，一对弹簧的另一端均与摆动框架固定连接；伸缩框架上固定连接有连接绳，连接绳的另一端绕过动滑轮固定设置在摆动框架上；定滑轮组设置在动滑轮的上方，使平衡绳从动滑轮的底部绕过，再从定滑轮组的顶部绕过；定滑轮组为两个一组，沿着滑轮导轨的中心轴对称地设置有两组，且每组定滑轮组中的两个定滑轮水平排列；在伸缩框架上，低于滑轮导轨的位置设置有一个销轴，销轴与连接绳的一端固定连接，使连接绳绕过动滑轮之后固定连接到动滑轮下方的销轴上；弹簧作用下对动滑轮提供向上的拉力，而重力作用下伸缩框架下坠，为动滑轮提供向下的拉力，两个拉力形成动态的平衡，能够在机器人意外断电停机时防止关节突然下坠。5、优选地，摆动框架与伸缩框架的连接处设置有转动限位机构，转动限位机构包括与伸缩框架同步转动连接的限位档杆；摆动框架上设置有与限位档杆配合的接近开关，接近开关信号连接有控制器。6、优选地，摆动框架自由端上固定设置有摆动电机单元，摆动电机单元的输出轴与摆动框架同步转动连接；摆动框架与伸缩框架的连接处设置有旋转电机单元，旋转电机单元固定设置在摆动框架上，旋转电机单元的输出轴与伸缩框架同步转动连接；伸缩框架的自由端设置有末端电机单元，末端电机单元固定设置在伸缩框架上，末端电机单元的输出轴与穿戴结构配合连接。7、优选地，伸缩框架包括旋转臂，旋转臂与摆动框架的末端旋转连接；旋转臂的自由端通过调节装置连接有末端电机单元箱体，末端电机单元箱体与旋转臂呈90°连接。8、优选地，调节装置包括固定设置在旋转臂末端的光轴，与光轴平行设置有丝杠；末端电机单元箱体上设置有与光轴和丝杠配合的通孔，光轴与丝杠分别穿过通孔设置；末端电机单元箱体的内部与丝杠配合的固定设置有丝杠螺母，丝杠的末端设置有手轮。9、优选地，穿戴结构包括c型环，末端电机单元箱体内设置有一组销轴结构，c型环穿过销轴结构之间的间隙在末端电机单元箱体内呈滑动连接；c型环的两端分别固定连接有同步带，同步带的中段与末端电机单元的输出轴配合。10、优选地，c型环上设置有滑动被动副，滑动被动副包括设置在c型环两端的一对滑动导轨；滑动导轨与c型环垂直设置，滑动导轨上滑动连接有c形的内环；内环与c型环的开口方向相同，内环的两端分别设置有挂钩，与挂钩配合地设置有绑带；一对滑动导轨的内侧面上沿长度方向设置有一对被动副光轴，内环上设置有套设在被动副光轴上的被动副滑块；被动副光轴的两端均套设有被动副弹簧，被动副弹簧均为压缩弹簧。11、优选地，摆动电机单元顶端沿圆周方向设置有8个标准安装孔位，c型环的两端上对称设置有8个标准安装孔位。12、优选地，电机单元包括无框力矩电机，无框力矩电机中设置有电机主轴；电机主轴的一端连接有编码器，另一端连接有谐波减速器的输入端；谐波减速器的输出端设置有扭矩传感器，谐波减速器的输出端连接有输出轴。13、本发明的有益效果有：14、本发明针对人体肩关节的具体结构特点，设计了以两个l型的框架结构为基础，通过三个电机单元作为驱动的外骨骼肩关节结构，三个电机单元的中心轴均交于一点，使其与人体肩关节中心点重合，即可模拟适配人体肩关节活动，将上肢康复外骨骼机器人中的肩关节部分实现了模块化，降低了上肢康复外骨骼机器人的制造和维修成本；在本发明的首尾两端均设置有标准安装孔位，可以通过标准化的螺栓将其安装到上肢康复外骨骼机器人平台上，进行拆装更换，减少了机器人的装配和维修周期。15、本发明在两个框架结构的连接处设置了重力平衡装置，通过一对弹簧牵引平衡绳，平衡绳穿过定滑轮组与动滑轮连接，动滑轮再通过连接绳与旋转臂连接，实现利用弹簧弹力来平衡旋转臂因重力；当机器人因意外断电导致停机时，便可以利用弹簧来平衡旋转臂乃至后续连接的机械结构与使用者手臂的的自然下坠，减缓乃至阻止关节突然下坠，从而保护了使用者的安全，降低了因故障导致使用者关节受损的风险。16、本发明在伸缩框架中设置了调节机构，通过丝杆来调节框架的长度，即调整末端电机单元与旋转电机单元之间的间距，以调整适配不同臂长的人使用；还在伸缩框架与摆动框架的连接处设置了转动限位机构，通过限位档杆与信号控制的接近开关，能够调节关节的旋转角度，根据使用者的实际情况不同定制合理的旋转角度区间。17、本发明的穿戴结构设置有滑动被动副，使得直接与使用者手臂连接配合的内环部分与c型环之间可以进行一定的滑动位移；在实际佩戴使用时，可以通过滑动被动副减少使用者手臂与c型环之间的摩擦；当使用者手臂与c型环之间出现相对位移时，可以将其转换为内环在滑动被动副上的滑动，从而避免使用者的手臂与穿戴结构之间发生摩擦，有效提高了穿戴舒适度，即便是长时间穿戴锻炼，也不会因此而磨伤使用者手臂皮肤。技术特征：1.一种用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，包括框架结构，其特征在于：所述框架结构包括转动连接的摆动框架和伸缩框架，所述摆动框架和伸缩框架的两个自由端、摆动框架与伸缩框架的连接处均设置有电机单元；所述摆动框架上设置有与所述伸缩框架配合的重力平衡装置，所述伸缩框架的自由端设置有与所述电机单元配合的穿戴结构。2.根据权利要求1所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述重力平衡装置包括设置在所述摆动框架上的滑轮组，所述滑轮组包括定滑轮组和动滑轮；所述动滑轮通过滑轮导轨滑动设置在摆动框架上，所述滑轮导轨竖直设置在所述摆动框架上；所述定滑轮组固定设置在所述滑轮导轨上方，所述动滑轮上固定连接有平衡绳；所述平衡绳分别绕过所述定滑轮组与动滑轮连接有一对弹簧，一对所述弹簧的另一端均与所述摆动框架固定连接；所述伸缩框架上固定连接有连接绳，所述连接绳的另一端绕过所述动滑轮固定设置在所述摆动框架上。3.根据权利要求2所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述摆动框架与伸缩框架的连接处设置有转动限位机构，所述转动限位机构包括与伸缩框架同步转动连接的限位档杆；所述摆动框架上设置有与所述限位档杆配合的接近开关，所述接近开关信号连接有控制器。4.根据权利要求1所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述摆动框架自由端上固定设置有摆动电机单元，所述摆动电机单元的输出轴与所述摆动框架同步转动连接；所述摆动框架与伸缩框架的连接处设置有旋转电机单元，所述旋转电机单元固定设置在所述摆动框架上，旋转电机单元的输出轴与所述伸缩框架同步转动连接；所述伸缩框架的自由端设置有末端电机单元，所述末端电机单元固定设置在所述伸缩框架上，末端电机单元的输出轴与所述穿戴结构配合连接。5.根据权利要求4所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述伸缩框架包括旋转臂，所述旋转臂与摆动框架的末端旋转连接；所述旋转臂的自由端通过调节装置连接有末端电机单元箱体，所述末端电机单元箱体与旋转臂呈90°连接。6.根据权利要求5所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述调节装置包括固定设置在所述旋转臂末端的光轴，与所述光轴平行设置有丝杠；所述末端电机单元箱体上设置有与所述光轴和丝杠配合的通孔，所述光轴与丝杠分别穿过所述通孔设置；所述末端电机单元箱体的内部与所述丝杠配合的固定设置有丝杠螺母，所述丝杠的末端设置有手轮。7.根据权利要求6所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述穿戴结构包括c型环，所述末端电机单元箱体内设置有一组销轴结构，所述c型环穿过所述销轴结构之间的间隙在末端电机单元箱体内呈滑动连接；所述c型环的两端分别固定连接有同步带，所述同步带的中段与所述末端电机单元的输出轴配合。8.根据权利要求7所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述c型环上设置有滑动被动副，所述滑动被动副包括设置在c型环两端的一对滑动导轨；所述滑动导轨与c型环垂直设置，所述滑动导轨上滑动连接有c形的内环；所述内环与c型环的开口方向相同，内环的两端分别设置有挂钩，与所述挂钩配合地设置有绑带；一对所述滑动导轨的内侧面上沿长度方向设置有一对被动副光轴，所述内环上设置有套设在被动副光轴上的被动副滑块；所述被动副光轴的两端均套设有被动副弹簧，所述被动副弹簧均为压缩弹簧。9.根据权利要求8所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述摆动电机单元顶端沿圆周方向设置有8个标准安装孔位，所述c型环的两端上对称设置有8个标准安装孔位。10.根据权利要求1所述的用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，其特征在于：所述电机单元包括无框力矩电机，所述无框力矩电机中设置有电机主轴；所述电机主轴的一端连接有编码器，另一端连接有谐波减速器的输入端；所述谐波减速器的输出端设置有扭矩传感器，所述谐波减速器的输出端连接有输出轴。技术总结本发明涉及医疗机器人技术领域，具体的为一种用于上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块，包括一对旋转链接的L型框架结构，在框架结构的末端与连接处分别设置有三个电机单元；电机单元的中轴线交于一点，分别用于控制框架的摆动、框架之间的旋转以及C型环的转动，分别对应了肩关节的三个自由度运动；本发明设置了重力平衡装置，可以避免在机器人突然断电停机时使用者手臂突然下坠导致受伤的风险；在C型环处设置了滑动被动副结构有效提高了穿戴舒适度；整合了肩关节各个功能形成完整的肩关节模块，并通过标准化的安装孔位可以与现有的上肢康复外骨骼机器人进行配合安装使用，降低了机器人的制造与维护成本。技术研发人员：沈南燕,李静,毛嘉伟受保护的技术使用者：上海上智优卓机器人科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/16