专利名称：可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼的制作方法随着现代社会老龄化进程加快，由脑卒中等心脑血管疾病引起的偏瘫患者群体也 越来越引起社会的关注。这类患者需要科学的运动康复训练来提高患侧手臂的运动功能。 传统的康复训练是通过理疗师手动引导患侧手臂来进行的，这种康复训练工作强度大，训 练效果与理疗师的技术熟练程度密切相关，并且很难满足日益增加的患者要求。目前开发 出的针对上肢运动康复训练的外骨骼，或是自由度较少，或是运动范围不够，或是训练模式 少，因此使用范围和康复效果受到限制。
本发明的目的是提供一种适合于偏瘫患者上肢运动康复训练的可穿戴式的7自 由度上肢运动康复训练外骨骼。本发明的可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼包括固定在底座上的支 撑杆和外骨骼训练装置，其中外骨骼训练装置包括肩部内收/外展关节、屈/伸关节、旋内 /旋外关节、肘部屈/伸关节、旋内/旋外关节以及腕部内收/外展关节和屈/伸关节总共 七个旋转关节；肩部内收/外展关节由第一姿态调整块、第二姿态调整块、第一关节转接板、第一驱动 夹板、第一关节驱动电机和第二驱动夹板组成，第一姿态调整块相邻两侧的其中一侧与支 撑杆连接构成移动副，另一侧与第二姿态调整块相邻两侧的其中一侧连接，第二姿态调整 块的另一侧与第一关节转接板固定，第一关节转接板的上下两面分别与第一驱动夹板和第 二驱动夹板相连构成移动副，第一关节驱动电机固定在第二驱动夹板上；肩部屈/伸关节包括第一关节驱动输出杆、第二关节驱动固定杆和第二关节驱动电 机，第一关节驱动输出杆的一端与肩部内收/外展关节中的第一关节驱动电机输出轴连 接，实现动力传递，另一端与第二关节驱动固定杆的一端相连，第二关节驱动电机固定在第 二关节驱动固定杆的另一端；在第一关节驱动输出杆和第一关节驱动电机输出轴连接处安 装第一角度和力矩传感器；肩部旋内/旋外关节包括第二关节驱动输出杆、第三关节滑环上固定板、第三关节滑 环下固定板、第三关节齿轮保护壳、第三关节正齿轮组、第三关节驱动输出杆、第三关节下 滑环、第一限位块、第三关节输出固定杆、第三关节中圈、第三关节上滑环、第二限位块和第 三关节驱动电机，第二关节驱动输出杆上端与肩部屈/伸关节中的第二关节驱动电机输出 轴连接，实现动力传递，第三关节滑环上固定板垂直于第二关节驱动输出杆，其一端与第二 关节驱动输出杆固定，另一端与第三关节上滑环固定，第三关节滑环下固定板垂直于第二 关节驱动输出杆，其一端与第二关节驱动输出杆的下端固定，另一端与第三关节下滑环固定，第一限位块和第二限位块均与第三关节上滑环和第三关节下滑环相连，第三关节中圈 位于第三关节上滑环和第三关节下滑环中间构成转动副，在第三关节驱动输出杆和第三关 节输出固定杆平行于第二关节驱动输出杆，它们的上端对称固定在第三关节中圈内侧，实 现动力传递，第三关节驱动电机固定在第三关节滑环上固定板上，第三关节驱动电机输出 轴连接第三关节正齿轮组中的输入齿轮，第三关节正齿轮组中的输出齿轮固定在第三关节 中圈外侧，在第三关节滑环上固定板和第三关节滑环下固定板之间设有第三关节齿轮保护 壳，在第二关节驱动输出杆和第二关节驱动电机输出轴连接处安装第二角度和力矩传感 器，第三关节中圈和第三关节下滑环连接处安装第三角度和力矩传感器；肘部屈/伸关节包括呈“L”形的第三关节驱动输出调节杆、第四关节驱动固定杆和第 四关节驱动电机，第三关节驱动输出调节杆一端的矩形槽与肩部旋内/旋外关节中的第三 关节驱动输出杆一端连接，构成移动副，第三关节驱动输出调节杆的另一端与第四关节驱 动固定杆上端固定，第四关节驱动固定杆下端固定第四关节驱动电机；肘部旋内/旋外关节包括第四关节驱动输出杆、第五关节滑环上固定板、第五关节滑 环下固定板、第五关节齿轮保护壳、第五关节正齿轮组、第五关节驱动输出杆、第三限位块、 第五关节下滑环、第五关节中圈、第四关节驱动输出固定杆、第四限位块、第五关节上滑环 和第五关节驱动电机，第四关节驱动输出固定杆上端与肩部旋内/旋外关节中的第三关节 输出固定杆下端连接构成转动副，第四关节驱动输出杆上端与肘部屈/伸关节中的第四关 节驱动电机输出轴连接，实现动力传递，第五关节滑环上固定板垂直于第四关节驱动输出 杆，其一端与第四关节驱动输出杆固定，另一端与第五关节上滑环固定，第五关节滑环下固 定板垂直于第四关节驱动输出杆，其一端与第五关节滑环下固定板的下端固定，另一端与 第五关节下滑环固定，第三限位块和第四限位块均与第五关节上滑环和第五关节下滑环相 连，第五关节中圈位于第五关节上滑环和第五关节下滑环中间构成转动副，第五关节驱动 输出杆平行于第四关节驱动输出杆，其上端固定在第五关节中圈内侧，第五关节驱动电机 固定在第五关节滑环上固定板上，第五关节驱动电机输出轴连接第五关节正齿轮组中的输 入齿轮，第五关节正齿轮组中的输出齿轮固定在第五关节中圈外侧，在第五关节滑环上固 定板和第五关节滑环下固定板之间设有第五关节齿轮保护壳，在第四关节驱动输出杆和第 四关节驱动电机输出轴连接处安装第四角度和力矩传感器，第五关节中圈和第五关节下滑 环连接处安装第五角度和力矩传感器；
腕部内收/外展关节和屈/伸关节包括第六关节驱动固定杆、第六关节驱动电机、呈 “L”形的第六关节驱动输出杆、手部固定杆、第七关节驱动输出杆和第七关节驱动电机，第 六关节驱动固定杆一端的矩形槽连接肘部旋内/旋外关节中的第五关节驱动输出杆下端 构成移动副，另一端固定第六关节驱动电机，第六关节驱动电机输出轴与第六关节驱动输 出杆的一端连接，实现动力传递，第六关节驱动输出杆的另一端固定第七关节驱动电机，第 七关节驱动电机输出轴连接第七关节驱动输出杆上端，第七关节驱动输出杆下端固定手部 固定杆，在第六关节驱动输出杆和第六关节驱动电机输出轴连接处安装第六角度和力矩传 感器，第七关节驱动输出杆和第七关节驱动电机输出轴连接处安装第七角度和力矩传感
ο 本发明结构简单，响应速度快。本发明与现有技术相比，具有更多的运动自由度、 能够适应站姿和坐姿训练。外骨骼杆长可以根据患者身材调节，保证穿戴舒适性。关节采
5用限位结构，提高了安全性。关节处的角度和力矩传感器实时采集每个关节的运动学和动 力学数据，方便理疗师后续的分析和制定训练方案，达到最佳康复效果。


图1是可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼的结构示意图； 图2是肩部内收/外展关节的结构示意图3是肩部屈/伸关节的结构示意图； 图4是肩部旋内/旋外关节的结构示意图； 图5是肘部屈/伸关节的结构示意图； 图6是肘部旋内/旋外关节的结构示意图； 图7是腕部内收/外展和屈/伸关节的结构示意图。上述图中标号名称1、支撑杆；2、肩部内收/外展关节；3、肩部屈/伸关节；4、肩 部旋内/旋外关节；5、肘部屈/伸关节；6、肘部旋内/旋外关节；7、腕部内收/外展关节；8、 腕部屈/伸关节；9、第一姿态调整块；10、第二姿态调整块；11、第一驱动夹板；12、第一关 节驱动电机；13、第二驱动夹板；14、第一关节转接板；15、第一关节驱动输出杆；16、第二关 节驱动固定杆；17、第二关节驱动电机；18、第二关节驱动输出杆；19、第三关节滑环上固定 板；20、第三关节滑环下固定板；21、第三关节齿轮保护壳；22、第三关节正齿轮组；23、第三 关节驱动输出杆；24、第三关节下滑环；25、第一限位块；26、第三关节输出固定杆；27、第三 关节中圈；28、第三关节上滑环；29、第二限位块；30、第三关节驱动电机；31、第三关节驱动 输出调节杆；32、第四关节驱动固定杆；33、第四关节驱动电机；34、第四关节驱动输出杆； 35、第五关节滑环上固定板；36、第五关节滑环下固定板；37、第五关节齿轮保护壳；38、第 五关节正齿轮组；39、第五关节驱动输出杆；40、第三限位块；41、第五关节下滑环；42、第五 关节中圈；43、第四关节驱动输出固定杆；44、第四限位块；45、第五关节上滑环；46、第五关 节驱动电机；47、第六关节驱动固定杆；48、第六关节驱动电机；49、第六关节驱动输出杆； 50、手部固定杆；51、第七关节驱动输出杆；52、第七关节驱动电机。

如图2所示，肩部内收/外展关节2由第一姿态调整块9、第二姿态调整块10、第一关 节转接板14、第一驱动夹板11、第一关节驱动电机12和第二驱动夹板13组成，第一姿态调 整块9相邻两侧的其中一侧与支撑杆1连接构成移动副，可以沿支撑杆1上下移动调节高 度来适应不同身材的患者，另一侧与第二姿态调整块10相邻两侧的其中一侧连接，第二姿 态调整块10的另一侧与第一关节转接板14固定，两个姿态调整块组合可以确定外骨骼姿 态，通过不同的调整块组合可以确定站姿和坐姿，第一关节转接板14的上下两面分别与第 一驱动夹板11和第二驱动夹板13相连构成移动副，可以左右移动调节连杆宽度来适应不同身材患者，第一关节驱动电机12固定在第二驱动夹板13上；
见图3，肩部屈/伸关节3包括第一关节驱动输出杆15、第二关节驱动固定杆16和第 二关节驱动电机17，第一关节驱动输出杆15的一端与肩部内收/外展关节2中的第一关节 驱动电机12输出轴连接，实现动力传递，另一端与第二关节驱动固定杆16的一端相连，第 二关节驱动电机17固定在第二关节驱动固定杆16的另一端，在第一关节驱动输出杆15和 第一关节驱动电机12输出轴连接处安装第一角度和力矩传感器；
参照图4，肩部旋内/旋外关节4包括第二关节驱动输出杆18、第三关节滑环上固定板 19、第三关节滑环下固定板20、第三关节齿轮保护壳21、第三关节正齿轮组22、第三关节驱 动输出杆23、第三关节下滑环M、第一限位块25、第三关节输出固定杆沈、第三关节中圈 27、第三关节上滑环观、第二限位块四和第三关节驱动电机30，第二关节驱动输出杆18上 端与肩部屈/伸关节3中的第一关节驱动电机17输出轴连接，实现动力传递，第三关节滑 环上固定板19垂直于第二关节驱动输出杆18，其一端与第二关节驱动输出杆18固定，另一 端与第三关节上滑环观固定，第三关节滑环下固定板20垂直于第二关节驱动输出杆18，其 一端与第二关节驱动输出杆18的下端固定，另一端与第三关节下滑环M固定，第三关节中 圈27位于第三关节上滑环观和第三关节下滑环M中间构成转动副，实现肩部旋内/旋外 运动，第一限位块25和第二限位块四均与第三关节上滑环观和第三关节下滑环M相连， 当第三关节输出杆运动23跟随第三关节中圈27旋转至设定位置时，限位块能够阻止其继 续运动，实现限位功能，第三关节驱动输出杆23和第三关节输出固定杆沈平行于第二关节 驱动输出杆18，它们的上端对称固定在第三关节中圈27内侧，实现动力传递，第三关节驱 动电机30固定在第三关节滑环上固定板19上，第三关节驱动电机30输出轴连接第三关节 正齿轮组22中的输入齿轮，第三关节正齿轮组22中的输出齿轮固定在第三关节中圈27外 侧，在第三关节滑环上固定板19和第三关节滑环下固定板20之间设有第三关节齿轮保护 壳21，在第二关节驱动输出杆18和第二关节驱动电机17输出轴连接处安装第二角度和力 矩传感器，第三关节中圈27和第三关节下滑环M连接处安装第三角度和力矩传感器；
如图5所示，肘部屈/伸关节5包括呈“L”形的第三关节驱动输出调节杆31、第四关节 驱动固定杆32和第四关节驱动电机33，第三关节驱动输出调节杆31 —端的矩形槽与肩部 旋内/旋外关节4中的第三关节驱动输出杆23 —端连接，构成移动副，可以上下移动调节 连杆长度来适应不同臂长患者，第三关节驱动输出调节杆31的另一端与第四关节驱动固 定杆32上端固定，第四关节驱动固定杆32下端固定第四关节驱动电机33 ；
见图6，肘部旋内/旋外关节6包括第四关节驱动输出杆34、第五关节滑环上固定板 35、第五关节滑环下固定板36、第五关节齿轮保护壳37、第五关节正齿轮组38、第五关节驱 动输出杆39、第三限位块40、第五关节下滑环41、第五关节中圈42、第四关节驱动输出固定 杆43、第四限位块44、第五关节上滑环45和第五关节驱动电机46，第四关节驱动输出杆34 上端与肘部屈/伸关节5中的第四关节驱动电机32输出轴连接，实现动力传递，第四关节 驱动输出固定杆43上端与肩部旋内/旋外关节4中的第三关节输出固定杆沈下端连接构 成转动副，与第四关节驱动输出杆34构成并联机构，实现运动辅助功能，第五关节滑环上 固定板35垂直于第四关节驱动输出杆34，其一端与第四关节驱动输出杆34固定，另一端与 第五关节上滑环45固定，第五关节滑环下固定板36垂直于第四关节驱动输出杆34，其一端 与第五关节滑环下固定板36的下端固定，另一端与第五关节下滑环41固定，第五关节中圈42位于第五关节上滑环45和第五关节下滑环41中间构成转动副，实现肘部旋内/旋外运 动，第三限位块40和第四限位块44均与第五关节上滑环45和第五关节下滑环41相连，， 当第五关节驱动输出杆39跟随第五关节中圈42运动至设定位置时，限位块能够阻止其继 续运动，实现限位功能，第五关节驱动输出杆39平行于第四关节驱动输出杆34，其上端固 定在第五关节中圈42内侧，跟随第五关节中圈42运动，实现动力传递，第五关节驱动电机 46固定在第五关节滑环上固定板35上，第五关节驱动电机46输出轴连接第五关节正齿轮 组38中的输入齿轮，第五关节正齿轮组38中的输出齿轮固定在第五关节中圈42外侧，在 第五关节滑环上固定板35和第五关节滑环下固定板36之间设有第五关节齿轮保护壳37， 在第四关节驱动输出杆34和第四关节驱动电机32输出轴连接处安装第四角度和力矩传感 器，第五关节中圈42和第五关节下滑环41连接处安装第五角度和力矩传感器；；
参照图7，腕部内收/外展关节7和屈/伸关节8包括第六关节驱动固定杆47、第六关 节驱动电机48、呈“L”形的第六关节驱动输出杆49、手部固定杆50、第七关节驱动输出杆 51和第七关节驱动电机52，第六关节驱动固定杆47 —端的矩形槽连接肘部旋内/旋外关 节6中的第五关节驱动输出杆39下端构成移动副，可以上下移动调节连杆长度来适应不同 臂长患者，另一端固定第六关节驱动电机48，第六关节驱动电机48输出轴与第六关节驱动 输出杆49的一端连接，实现动力传递，第六关节驱动输出杆49的另一端固定第七关节驱动 电机52，第七关节驱动电机52输出轴连接第七关节驱动输出杆51上端，第七关节驱动输出 杆51下端固定手部固定杆50，在第六关节驱动输出杆49和第六关节驱动电机48输出轴连 接处安装第六角度和力矩传感器，第七关节驱动输出杆51和第七关节驱动电机52输出轴 连接处安装第七角度和力矩传感器。 使用时，患者上臂和前臂依次进入肩部旋内/旋外关节的第三关节旋转中圈和肘 部旋内/旋外关节的第五关节旋转中圈，手部固定在手部固定杆50的柔性绑带上，用柔性 绑带保证穿戴舒适性。在每个关节电机输出轴与驱动输出杆连接处安装角度和力矩传感 器。可方便检测关节运动学和动力学参数。


本发明的可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼包括固定在底座上的支撑杆和外骨骼训练装置，其中外骨骼训练装置由肩部内收/外展关节、屈/伸关节、旋内/旋外关节、肘部屈/伸关节、旋内/旋外关节以及腕部内收/外展关节和屈/伸关节总共七个旋转关节串联而成。采用电机直接驱动关节，其中肩部和肘部两个旋转关节加了一级正齿轮组，结构简单，响应速度快。本发明与现有技术相比，具有更多的运动自由度、能够适应站姿和坐姿训练。外骨骼杆长可以根据患者身材调节，保证穿戴舒适性。关节采用限位结构，提高了安全性。关节处的角度和力矩传感器实时采集每个关节的运动学和动力学数据，方便理疗师后续的分析和制定训练方案，达到最佳康复效果。