[0001] 本发明涉及医疗康复训练器械域，具体是一种基于混合绳索传动的三自由度手腕康复训练机器人及其实施方法。

[0002] 随着人民生活水平的提高，人民对生活的质量要求也越来越高。目前，我国已经进入老龄化时代，而脑卒中是老年人群体当中的病发症之一，脑卒中会造成患者一侧发生偏瘫，这将导致患者的行动困难，尤以手部功能的丧失，导致无法独立解决日常生活问题，这就大大降低了患者的生活质量。同时由于老年人数量较多，这些给社会的稳定发展带来不稳定的因素。现代医学已经证明，针对初发的脑卒中患者和其他由于事故导致的手部功能丧失的患者，及时的介入康复训练，会极大的改善患者的肌体功能，恢复或部分恢复其肢体的运动功能，改善其生活品质，对社会的稳定和谐具有积极的意义。

[0003] 根据康复医学理论，随着患者肌力的增加，可依次进行被动康复训练、助力运动康复训练、主动运动康复训练三个阶段。因此，患者在康复治疗过程中，康复医师需要对患者肌力的大小进行评定，然后制定相应的康复训练方案。但由于康复医师数量较少，患者数量较为庞大，这无疑增加了康复医师的工作强度，且无法更好的满足患者康复训练的要求。因此如何利用现代康复训练器帮助患者的康复训练需求，成为一个亟待解决的问题。

[0004] 对于手腕，可以实现三个自由度方向的运动，其三个自由度的运动名称和运动范围分别是手部的旋内(80～90°)/旋外(80～90°),掌屈(50～60°)/背伸(30～60°)，桡屈(25～30°)/尺屈(30～40°)。因此在对腕部进行康复训练的时候需要考虑这三个自由度方向的运动以及其中两个以上的耦合运动。由于手腕功能对手功能的实现具有重要作用，因此康复训练器如何让手腕取得有效的康复训练效果。如中国专利号为111135016A中所设计的腕部康复训练器，由于其动力装置、驱动装置和执行装置是连接在一起的，导致其电机的负载过大，不利于电机的选型和控制；如中国专利号为105881519B中为了克服绳索与滑轮之间摩擦力不足所导致传递的所力矩不足的问题，该文采用了销子把绳索与滑轮之间固定起来，利用绳索作为传递动力的介质，但是由于绳索与滑轮的固定导致滑轮所能转动的角度受到较大的限制。无法满足手部各关节的运动需求。

[0005] 但以上专利均存在其手部的运动自由度无法满足三个自由度的运动，如无法实现掌屈/背伸、桡屈/尺屈运动，也无法满足手部功能在康复过程中的的被动、助力、主动的训练需求，这就会阻碍患者在康复训练过程中的效果，影响患者的康复速度。

[0045] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

[0046] 如图1至图16所示，一种基于混合绳索传动的三自由度手腕康复训练机器人，包括机架11、设置在机架11上层的托架10，还包括安装在机架11下层的动力单元、与动力单元依次相连的传动单元、安装在机架11上层的执行单元；

[0047] 所述的动力单元包括三组结构相同的动力模块一1、动力模块二2、动力模块三3；

[0048] 所述的传动单元包括三组结构相同的混合绳索传动模块一4、混合绳索传动模块二5、混合绳索传动模块三6；

[0049] 所述的执行单元包括用于带动手腕桡屈/尺屈活动的桡屈/尺屈执行模块7、用于带动手腕掌屈/背伸活动的掌屈/背伸执行模块8、手腕外旋\内旋活动的外旋\内旋执行模块9；

[0050] 三组相同结构的动力模块1、动力模块二2、动力模块三3分别通过三组结构相同的混合绳索传动模块一4、混合绳索传动模块二5、混合绳索传动模块三6，驱动和控制桡屈/尺屈执行模块7、掌屈/背伸执行模块8、外旋\内旋执行模块9的运动，从而带动手腕的运动。

[0051] 动力单元和执行单元分开布置，可以降低执行单元的运动惯性，后期维护方便，用可调节手部动动中心高度位置的模块，不仅能够适应不同手部大小，还能够避免手部在绕中心旋转时产生的滑动现象。

[0052] 所述的动力模块二2包括编码器底座209、安装在机架11下层架的动力底座211、安装在动力底座211上的电机座201、安装在电机座201上的电机二200、通过联轴器一202与电机二200相连的动态扭矩传感器二203、通过联轴器二204与动态扭矩传感器二203另一端连接的轴一207、安装在轴一207的两端的微型立式轴承座205、设置在轴一207中间处的主动带轮二206、安装在编码器底座209上且与轴一207另一端通过联轴器三208相连的编码器二210。

[0053] 与现有的手部康复训练设备相比，可以调整手部相对旋转中心的位置，也能够实现腕部单个自由度或两个自由度、三个自由度的耦合运动轨迹；还可以实现手腕运动范围和阻力大小可调，即可以实现被动、助力和主动康复训练要求，方便布置力矩和位置传感器，可以实时的控制手腕运动力矩和运动范围的大小，作为康复效果评估的依据。

[0054] 所述的混合绳索传动模块二5包括安装在动力模块二2、安装在主动带轮二206上的同步带一501、安装在同步带一501末端的混合绳索连接组件502，采用混合绳索传动，利用带齿形的齿板5021和压板5020把同步带一501、同步带二510、和钢丝绳索503连接在一起，这种传动结构不仅结构简单，能适应远距离传动，既有同步带传动传动更加稳定的优点，也有绳索远距离传动的优点；预紧力不仅小，而且预紧力大小可利用连接套的螺纹旋合深度进行调整。

[0055] 所述的混合绳索连接组件502包括与同步带一501带同步齿的一侧相啮合的齿板5021、压在同步带一501没有齿面的一侧且带挂钩的压板5020、在齿板5021的挂钩上的孔里安装的末端带T形结构的钢丝绳索503、用于穿过钢丝绳索503的导向套一504、与导向套一
504螺纹连接的支架一505、用于钢丝绳索503二次穿过的导向套二508、用于安装导向套二
508的L型支架507、安装在导向套一504与导向套二508的绳索外部的导向管506。

[0056] 调整导向套一504与支架一505、导向套二508和L型支架507的旋合深度，从而调整导向套一504与导向套二508之间的导向管506的长度，从而调整钢丝绳索503的张紧程度；钢丝绳索503的另一端与混合绳索连接组件二509相连，所述的混合绳索连接组件二509与混合绳索连接组件502结构相同，所述混合绳索连接组件二509与同步带二510相连，所述同步带二510与从动带轮二511相连，这样电机二200输出的动力就可以通过混合绳索传动模块二5从主动带轮二206传递到从动带轮二511，从而带动掌屈/背伸执行模块2的转动。

[0057] 所述的压板5020与齿板5021通过螺栓5022相连接；所述的导向套二508的外螺纹与L型支架507的螺纹孔相连。

[0058] 所述的桡屈/尺屈执行模块7包括安装在机架11上层架的平板一704、在平板一704上下两侧均有安装的形外球面带座轴承703、通过螺栓与平板一704相连的轴二701、用于安装轴二701的方形外球面带座轴承703、安装在轴二701端部的从动带轮一702、通过螺栓与平板二706两端连接的支柱板一707、安装在支柱板一707上端的立式外球面轴承座708。

[0059] 所述的掌屈/背伸执行模块2包括平板三801、通过螺栓设置在平板三801两端的支柱板二802、通过螺栓与支柱板二802外侧连接的T型连接杆一803、T型连接杆二804，所述的T型连接杆一803一端装有从动带轮二805，所述的T型连接杆一803、T型连接杆二804分别与立式外球面轴承座708相连接。

[0060] 所述的外旋\内旋执行模块9包括与平板三801连接的支撑板901、与支撑板901一端连接的支柱板三902、与支柱板三902相连的方形外球面带座轴承905、与方形外球面带座轴承905相连的T型连杆三903、与T型连杆三903相连的从动带轮三904相连、通过螺栓与T型连杆三903相连的高度调整板908、与高度调整板908上的腰形孔相连的手部支撑板907、安装在手部支撑板907一侧的背靠背魔术粘扣带906，通过调整螺栓在腰形孔上的位置，即可调整手部支撑板907的高度，即调节了手部支撑板907与T型连杆三903旋转中心的距离。

[0061] 所述的腕桡屈/尺屈执行模块7、掌屈/背伸执行模块8、外旋\内旋执行模块9的旋转中心交于一点，并且与手腕的转动中心重合。

[0062] 利用权利要求1至9中任一项所述的一种基于混合绳索传动的三自由度手腕康复训练机器人的实施方法，其特征在于：其具体步骤如下：

[0063] 步骤一：调整导向套一504与支架一505、导向套二508和L型支架507的旋合深度，从而调整导向套一504与导向套二508之间的导向管506的长度，从而调整钢丝绳索503的张紧程度，从而实现调整主动带轮206与从动带轮511之间的预紧力大小；

[0064] 步骤二：给电机二200上电，利用电机二200通电后自锁的特性，使主动带轮二206固定不动，主动带轮二206经混合绳索传动模块二5与从动带轮二511相连接，因此从动从动带轮二511固定不动，从而锁紧掌屈/背伸执行模块8，此时掌屈/背伸执行模块8固定不动；

[0065] 同理，给电机一100上电，利用电机一100通电后自锁的特性，使主动带轮一106固定不动，主动带轮一106经混合绳索传动模块一4与从动带轮一702相连接，因此从动带轮一702固定不动，从而锁紧桡屈/尺屈执行模块7，此时桡屈/尺屈执行模块7固定不动；

[0066] 给电机三300上电，利用电机三300通电后自锁的特性，使主动带轮三306固定不动，主动带轮三306经混合绳索传动模块三6与从动带轮三304相连接，因此从动带轮三904固定不动，从而锁紧外旋\内旋执行模块9，此时外旋\内旋执行模块9固定不动；

[0067] 步骤三：患者将手部平放在手部支撑板907上，并用带背靠背魔术粘扣带906锁紧，患者的上臂放置在托架10上；

[0068] 步骤四：给电机一100运动信号后，电机一100通过动态扭矩传感器二203带动主动带轮二206和编码器二210运动，主动带轮一206把动力传递给同步带一501，同步带一501经过混合绳索连接组件502把动力传递给钢丝绳索503上，钢丝绳索503再把动力传递给混合绳索连接组件二509，混合绳索连接组件二509再把动力传递给同步带二510，同步带二510把动力传递给从动带轮二511；从动带轮二511带动掌屈/背伸运动执行模块8上的T型连接杆一803转动，从而实现手部的掌屈/背伸运动，同时可以利用编码器二210的反馈角度的大小，实现对关节角度大小的在线监测；同时可通过在软件里设置关节运动的角度值，从而实现关节运动范围大小的调整；

[0069] 步骤五：同理，可以给电机一100、电机三300分别施加运动信号，从而实现手腕桡屈/尺屈、手腕桡屈/尺屈运动，实现腕关节单个自由度的运动；

[0070] 步骤六：也可以对动力单元的电机一100、电机二200和电机三300中的任意两个或三个施加控制信号，实现手腕的复杂空间运动。

[0071] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。