重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法

摘要

本发明公开了一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法，属于医疗器械领域。该机器人包括移动机架、机器人基座、腰部、大臂、中臂、小臂、腕部、末端手柄，具有六个自由度；其中大臂、中臂、小臂内部安装有重力平衡装置，用于平衡机器人连杆自重所产生的负载力矩；中臂、小臂关节驱动电机置于腰部，采用套索传递驱动力矩；各电机内置编码器，用于测量机器人姿态；末端手柄模块安装有六维力传感器，用于测量人机交互力。本发明减小了电机所需驱动力，提高了机器人末端负载能力，降低了康复机器人的成本，减轻了机器人的自重，套索驱动关节具有柔顺性，提升了人机交互安全性，能实现患者左、右上肢的康复训练，并且不仅限于康复训练应用。

说明书

技术领域

本发明属于医疗器械领域，涉及一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人及工作方法。

背景技术

对于上肢偏瘫患者来说，康复训练是一种必要的辅助治疗手段。传统的医师辅助康复训练护理成本高，康复劳动强度大，并且极依赖于医师的经验与技术。随着我国人口老龄化程度加深，传统的医师辅助康复训练难以满足越老越多上肢偏瘫患者的治疗需求。上肢康复机器人可将康复训练医师从繁重的训练任务中解放出来，减少患者的经济负担，为患者提供有效的康复训练。

康复机器人一般分为末端牵引式康复机器人和外骨骼康复机器人，末端牵引式康复机器人一般为多自由度串联机器臂的形式，具有结构简单、易于控制、价格低廉等优点，且在技术方面较为成熟。目前多自由度串联机器人多采用功率较大的电机及减速器以支撑机器人的自重和负载，由于这类电机较为昂贵，质量和尺寸都较大，造成整个机器人成本高，自重和尺寸大，人机交互安全性较差。重力平衡装置一般基于弹性元件，通过势能或者力的计算而设计。重力平衡装置与机器人结合，可平衡机器人自重所产生的扭矩，选取更便宜，质量、尺寸更小的电机，从而降低成本，减小机器人的整体质量与尺寸。

目前采用重力平衡装置的康复机器人较少，不能满足康复机器人较高的经济性和人机交互安全性需求，且重力平衡装置一般置于机器人本体之外，增加了结构的复杂性；机器人关节往往采用刚性驱动器驱动，人机交互安全性较差；机器人由于结构限制，往往只能实现单侧患肢的康复训练功能。在专利公布号为CN104626101A的发明专利中，公开了一种机器人三维空间重力平衡补偿装置及方法，利用弹簧与绳平衡机器人连杆重力；但是该发明将重力平衡装置放置于机器人连杆之外，增加了机器人结构尺寸。在专利公布号为CN102379793的发明专利中，公开了一种上肢康复训练机器人，该康复机器人为外骨骼式，有五个关节；但该发明将驱动电机置于关节处，自重较大，没有重力平衡装置，电机驱动力矩需求较大。因此，针对上述技术问题，有必要设计一种具有优化结构的采用重力平衡装置的末端牵引式康复机器人。

发明内容

技术问题：本发明提供一种主要适用于上肢偏瘫患者的康复训练，成本较低、结构紧凑、质量较轻的可实现重力平衡的末端牵引式上肢康复机器人及工作方法。

技术方案：

一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人,其特征在于：

包括主体结构和重力平衡机构；

主体结构包括移动机架、机器人基座、腰部、大臂、中臂、小臂、腕部、末端手柄；

上述机器人基座包括安装基座、腰部关节电机、基座外壳、轴承座、圆锥滚子轴承、腰部关节转轴；所述安装基座与移动机架固定连接；腰部关节电机固定安装在安装基座上；基座外壳与安装基座固定连接；轴承座固定安装在基座外壳上方；圆锥滚子轴承外圈安装在轴承座内，内圈安装在腰部关节轴上；腰部关节转轴下端与腰部关节电机的轴固定键连接；上述腰部关节转轴与安装基座垂直；

所述腰部包括腰部平台、腰部侧板、大臂关节轴、大臂驱动电机、大臂主动齿轮、驱动单元固定板、中臂驱动单元、小臂驱动单元；所述腰部平台与腰部关节转轴上端固定连接；所述腰部侧板固定安装在腰部平台上；大臂关节轴与腰部侧板固定连接，不可转动；大臂驱动电机固定安装在腰部平台上；大臂主动齿轮与大臂驱动电机输出轴固定连接；所述驱动单元固定板与腰部平台固定连接，中臂驱动单元与小臂驱动单元分别固定安装在驱动单元固定板上；上述大臂关节轴与腰部关节转轴垂直；

上述中臂驱动单元和小臂驱动单元结构一样，均由驱动电机、驱动滚轮、驱动电机固定板、驱动端预紧挡板组成；所述驱动电机固定板与驱动单元固定板固定连接；驱动电机固定安装在驱动电机固定板上；驱动电机输出轴穿过驱动电机固定板中间的开孔并与驱动滚轮固定连接；驱动滚轮上有环形沟槽；驱动端预紧挡板采用可调节方式安装于驱动电机固定板上，可调节驱动端预紧挡板相对于驱动滚轮轴线的距离；驱动端预紧挡板上开有钢丝索孔；驱动电机输出轴与大臂关节轴平行；

所述大臂包括大臂侧板和大臂从动齿轮；大臂侧板前端与大臂从动齿轮相固定，大臂从动齿轮通过轴承安装于大臂关节轴上，大臂从动齿轮与大臂主动齿轮啮合；

所述中臂包括中臂关节转轴、中臂侧板、中臂负载滚轮、中臂钢丝索、中臂钢丝索套管；中臂侧板前端与大臂侧板末端通过中臂关节轴相连；中臂关节轴可在大臂侧板末端中转动；中臂侧板前端、中臂负载滚轮均和中臂关节轴相固定；中臂钢丝索套管的前端与中臂驱动单元的驱动端预紧挡板相固定，中臂钢丝索套管的末端通过大臂套管固定件与大臂侧板的末端相固定，中臂钢丝索套管的中部通过大臂第一套索导向环支撑于大臂侧板；中臂负载滚轮上具有环形沟槽；中臂钢丝索穿过中臂钢丝索套管，且中臂钢丝索安装在中臂负载滚轮和中臂驱动单元的驱动滚轮的环形沟槽内；且中臂钢丝索两端固定在中臂驱动单元的驱动滚轮上；上述中臂关节转轴与大臂关节轴平行；

所述小臂包括小臂关节转轴、小臂侧板、小臂负载滚轮、小臂钢丝索、小臂钢丝索套管；小臂侧板前端与中臂侧板末端通过小臂关节轴相连；小臂关节轴可在中臂侧板末端中转动；小臂侧板前端、小臂负载滚轮均和小臂关节轴相固定；小臂钢丝索套管的前端与小臂驱动单元的驱动端预紧挡板相固定，小臂钢丝索套管的末端通过中臂套管固定件与中臂侧板的末端相固定，小臂钢丝索套管的中部依次通过大臂第二套索导向环、支撑于大臂侧板，通过中臂套索导向环支撑于中臂侧板；小臂负载滚轮上具有环形沟槽；小臂钢丝索穿过小臂钢丝索套管，且小臂钢丝索安装在小臂负载滚轮和小臂驱动单元的驱动滚轮的环形沟槽内；且小臂钢丝索两端固定在小臂驱动单元的驱动滚轮上；上述小臂关节转轴与中臂关节轴平行；

所述腕部包括前端外壳、末端外壳、前端驱动电机、末端驱动电机；前端驱动电机固定安装于前端外壳，前端驱动电机输出轴固定安装于小臂侧板末端，末端驱动电机固定于前端外壳，末端外壳固定安装于末端驱动电机输出轴；上述前端驱动电机输出轴与小臂关节转轴垂直；末端驱动电机末端驱动电机与前端驱动电机输出轴垂直；

所述末端手柄包括六维力传感器、手柄、绑带固定板、绑带；所述六维力传感器与腕部的末端外壳固定连接；手柄与六维力传感器固定连接；绑带固定板与手柄固定连接；绑带与绑带固定板固定连接，并且使用时绑在使用者上肢；

重力平衡机构包括大臂重力平衡机构、中臂重力平衡机构、小臂重力平衡机构；

所述大臂重力平衡机构包括大臂同步带轮、大臂导向轮组、大臂弹簧槽、大臂拉力绳、大臂弹簧、大臂滑块、大臂同步带；

所述中臂重力平衡机构包括中臂同步带轮、中臂导向轮组、中臂弹簧槽、中臂拉力绳、中臂弹簧、中臂滑块、中臂同步带；

所述小臂重力平衡机构包括小臂同步带轮、小臂侧板、小臂导向轮组、小臂弹簧槽、小臂拉力绳、小臂弹簧、小臂滑块；

大臂同步带轮具有同步带槽，小臂同步带轮具有同步带槽，中臂同步带轮具有与大臂同步带轮的同步带槽直径相等的一号同步带槽，以及与小臂同步带轮的同步带槽直径相等的二号同步带槽；

所述大臂同步带轮固定安装在大臂关节轴上；大臂同步带轮上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到大臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同，大臂同步带安装在大臂同步带轮的同步带槽和中臂同步带轮的一号同步带槽中，大臂导向轮组与大臂侧板固定连接，并放置在大臂侧板中间对称线两侧；大臂弹簧槽与大臂侧板固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；大臂滑块放置在大臂弹簧槽内，与大臂弹簧槽构成移动副；大臂弹簧末端与大臂滑块固定连接，前端与大臂弹簧槽前端壁面固定连接；大臂拉力绳穿过大臂弹簧槽的穿绳孔，末端与大臂滑块固定连接，前端与大臂同步带轮上的拉力绳安装点固定连接；s₁＝b₁-a₁，k₁＝m₁gl₁/a₁b₁；上述字母含义：大臂弹簧的预压缩量为s₁，大臂弹簧的刚度系数为k₁，大臂拉力绳安装点到大臂关节轴轴线的距离为a₁，大臂导向轮组到大臂关节轴轴线的距离为b₁，大臂重心到大臂关节轴轴线垂直距离为l₁，m₁为大臂质量，g为重力加速度；

所述中臂同步带轮通过中臂轴承安装于中臂关节转轴；中臂同步带轮上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到中臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同；所述中臂同步带安装在中臂同步带的第二同步带槽和小臂同步带轮的同步带槽中；中臂导向轮组与中臂侧板固定连接，并放置在中臂侧板中间对称线两侧；中臂弹簧槽与中臂侧板固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；中臂滑块放置在中臂弹簧槽内，与中臂弹簧槽构成移动副；中臂弹簧末端与中臂滑块固定连接，前端与中臂弹簧槽前端壁面固定连接；中臂拉力绳穿过中臂弹簧槽的穿绳孔，末端与中臂滑块固定连接，前端与中臂同步带轮上的拉力绳安装点固定连接；s₂＝b₂-a₂，k₂＝m₂gl₂/a₂b₂；上述中臂弹簧的预压缩量为s₂，中臂弹簧的刚度系数为k₂，中臂拉力绳安装点到中臂关节转轴轴线的距离为a₂，中臂导向轮组到中臂关节转轴轴线的距离为b₂，中臂重心到中臂关节转轴轴线垂直距离为l₂，m₂为中臂质量，g为重力加速度；

小臂同步带轮通过小臂轴承安装于小臂关节转轴；小臂同步带轮上有一个拉力绳安装点，拉力绳安装点到小臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同；小臂导向轮组与小臂侧板固定连接，并放置在小臂侧板中间对称线两侧；小臂弹簧槽与小臂侧板固定连接，且前端壁面开有穿绳孔；小臂滑块放置在小臂弹簧槽内，与小臂弹簧槽构成移动副；小臂弹簧末端与小臂滑块固定连接，前端与小臂弹簧槽前端壁面固定连接；小臂拉力绳穿过小臂弹簧槽的穿绳孔，末端小臂滑块固定连接，前端与小臂同步带轮上的拉力绳安装点固定连接；s₃＝b₃-a₃，k₃＝m₃gl₃/a₃b₃；上述小臂弹簧的预压缩量为s₃，小臂弹簧的刚度系数为k₃，小臂拉力绳安装点到小臂关节转轴轴线的距离为a₃，小臂导向轮组到小臂关节转轴轴线的距离为b₃，小臂重心到小臂关节转轴轴线垂直距离为l₃，m₃为小臂质量，g为重力加速度。

重力平衡末端牵引式上肢康复机器人的工作方法,其特征在于包括以下过程：腰部关节电机带动腰部平台转动；大臂驱动电机带动大臂相对于腰部的腰部侧板转动；中臂驱动单元通过钢丝索方式带动中臂相对于大臂转动；小臂驱动单元通过钢丝索方式带动小臂相对于中臂转动；前端驱动电机带动腕部相对于小臂转动；末端驱动电机带动末端手柄相对于腕部转动；大臂同步带轮拉力绳为大臂提供有效平衡力，抵消其自重；中臂同步带轮拉力绳为中臂提供有效平衡力，抵消其自重；小臂同步带轮拉力绳为小臂提供有效平衡力，抵消其自重。

重力平衡末端牵引式上肢康复机器人的重力平衡原理，其特征在于：所述重力平衡装置能抵消机器人自重产生的负载力矩，减少机器人关节所需驱动力；以大臂为例：设大臂同步带轮拉力绳安装点到关节轴线的距离为a，大臂导向轮组到关节轴线的距离为b，大臂同步带轮拉力绳安装点到大臂导向轮组的距离为c，设z轴方向垂直于地面向上，大臂中间对称线与z轴夹角为θ，大臂中间对称线与大臂拉力绳之间的角度为α，大臂重心到关节轴线距离为l；由于大臂同步带轮不相对其轴线转动，大臂同步带轮拉力绳安装点到关节轴线的垂线始终与z轴平行，能够为大臂提供有效的平衡力；大臂重力平衡弹簧刚度系数为k，始终处于压缩状态，当大臂处于竖直状态时大臂的自重不产生负载力矩，此时大臂重力平衡弹簧压缩量最小且最小压缩量(预压缩量)为s；m为大臂的质量(包括后续结构的质量)，g为重力加速度；大臂的自重所产生的负载力矩T1＝mglsinθ；大臂拉力绳受到的拉力F＝k{s+c-(b-a)}，导向轮组受到拉力绳提供的垂直于大臂连杆向上方向的压力Fsinα＝Fasinθ/c，故大臂受到重力平衡装置提供的平衡力矩T2＝bk{s+c-(b-a)}asinθ/c；若s＝b-a，k＝mgl/ab，则大臂自重所产生的负载力矩与平衡力矩相等，即T1＝T2，大臂关节处电机仅需提供机械臂末端负载所需的力矩；大臂同步带连接了大臂同步带轮和中臂同步带轮，而大臂同步带轮相对于腰部固定不动，中臂同步带轮可绕中臂关节转轴转动，因此中臂同步带轮拉力绳安装点到关节轴线的垂线始终与z轴平行，能够为中臂提供有效平衡力；中臂、小臂的重力平衡同理。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)传统的末端牵引式上肢康复机器人包括大部分串联机器人自重产生的负载力矩较大，往往配置大功率的驱动电机以提供足够的关节驱动力，成本较高、结构尺寸较大。本发明通过在机器人连杆内部设置重力平衡装置补偿机器人自重产生的负载力矩，每个关节只需要较小功率的电机就可以提供足够的关节驱动力，降低了机器人的生产成本，结构紧凑，且由于机器人的重力平衡装置，在系统断电或故障时，可避免出现患肢坠落等安全隐患。

(2)传统的末端牵引式上肢康复机器人包括大部分串联机器人往往将电机布置在机器人关节处，增加了机器人的自重，人机交互安全性较差。本发明将机器人部分关节的驱动电机置于基座处，采用套索传动，减轻了机器人的自重，且套索传动具有柔性，提高了机器人的人机交互安全性。

(3)传统的康复机器人多为固定形式，一般只能实现单侧患肢的康复训练。本发明的上肢康复机器人安装于移动机架上，可自由移动，放置于患者左臂或右臂处，为患者提供所需的康复训练。

(4)传统的上肢康复机器人一般仅限于康复应用，且形式多为外骨骼式康复机器人。本发明为末端牵引式上肢康复机器人，不仅限于偏瘫患者的康复训练，通过在机器人末端安装不同的执行器可以让机器人完成多种工作。

所述驱动电机固定板和驱动端预紧挡板分别设置有两个平行对其的通槽，并用螺母旋紧固连；以此可调节驱动端预紧挡板相对于驱动滚轮轴线的距离，从而调节套索驱动单元中钢丝索的预紧力。

所述大臂侧板、中臂侧板、小臂侧板均由左、右两部分组成；左右两部分通过相应支撑柱固连，使左右两部分作为一个整体运动。

所述中臂负载滚轮和小臂负载滚轮在左右方向上，位于主体结构不同侧，便于套管和钢丝索的走线。

所述大臂重力平衡机构为两组，分别对称位于大臂的左右两侧，为大臂提供足够的平衡力；所述中臂重力平衡机构为两组，分别对称位于中臂的左右两侧，为中臂提供足够的平衡力；所述小臂重力平衡机构为两组，分别对称位于小臂的左右两侧，为小臂提供足够的平衡力。

本发明的优选方案中，患者可通过改变机器人与自身相对位置和末端手柄安装方向实现左右臂的康复训练。本发明的优选方案中，所述绑带采用柔性材料，末端手柄的绑带固定板和绑带可以根据患者的身材进行调整，保证患者上肢的固定以及穿戴的舒适性。本发明的优选方案中，所述中臂驱动单元和小臂驱动单元具有相同的结构，所述中臂、小臂重力平衡方法与大臂相同。本发明的优选方案中，所述各关节的驱动电机均内置高精度编码器，可以实时测量机器人的运动学参数，末端手柄部分的六维力传感器可以实时测量人体手部与康复机器人之间的交互力。

附图说明

图1是本发明中的右上肢训练模式整体结构示意图；

图2是本发明中的左上肢训练模式整体结构示意图；

图3是本发明中的机器人基座结构剖视图；

图4是本发明中的腰部结构示意图；

图5是本发明中的小臂驱动单元结构示意图；

图6是本发明中的大臂、中臂、小臂竖直状态前视图；

图7是本发明中的大臂、中臂、小臂竖直状态剖视图；

图8是本发明中的大臂、中臂、小臂竖直状态左视图；

图9是本发明中的大臂、中臂、小臂竖直状态右视图；

图10是本发明中的腕部和末端手柄结构示意图；

图11是本发明中的重力平衡原理示意图；

图中有：移动机架1、机器人基座2、腰部3、大臂4、中臂5、小臂6、腕部7、末端手柄8；安装基座201、电机固定板202、腰部关节电机203、基座外壳204、轴承座205、圆锥滚子轴承轴承206、腰部关节转轴207；腰部平台301、腰部侧板302、大臂关节轴303、大臂驱动电机304、大臂主动齿轮305、驱动单元固定板306、中臂驱动单元307、小臂驱动单元308，驱动电机3081、驱动滚轮3082、驱动电机固定板3083、驱动端预紧挡板3084、预紧螺栓3085、钢丝索固定件3086；大臂从动齿轮401、大臂同步带轮402、大臂侧板403、大臂导向轮组、大臂弹簧槽405、大臂拉力绳406、大臂弹簧407、大臂滑块408、大臂同步带409、大臂支撑柱410、大臂左侧套索导向环411、大臂右侧套索导向环412、大臂套管固定件413；中臂关节转轴501、中臂轴承502、中臂同步带轮503、中臂侧板504、中臂导向轮组505、中臂弹簧槽506、中臂拉力绳507、中臂弹簧508、中臂滑块509、中臂同步带510、中臂支撑柱511、中臂左侧套索导向环512、中臂套管固定件513、中臂负载滚轮514、中臂钢丝锁515、中臂套管516；小臂关节转轴601、小臂轴承602、小臂同步带轮603、小臂侧板604、小臂导向轮组605、小臂弹簧槽606、小臂拉力绳607、小臂弹簧608、小臂滑块609；前端外壳701、末端外壳702、前端驱动电机703、末端驱动电机704；六维力传感器801、手柄802、绑带固定板803、绑带804。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1至图9所示，一种重力平衡末端牵引式上肢康复机器人，该机构包括移动机架1，机器人基座2、腰部3、大臂4、中臂5、小臂6、腕部7、末端手柄8。

所述移动机架1内含控制柜。

所述机器人基座2包括安装基座201、电机固定板202、腰部关节电机203、基座外壳204、轴承座205、圆锥滚子轴承轴承206、腰部关节转轴207；所述安装基座201与移动机架1固定连接；电机固定板202与安装基座201固定连接；腰部关节电机203固定安装在安装基座201上，并放置在电机固定板202内；基座外壳204与安装基座201固定连接；轴承座205固定安装在基座外壳204上方；圆锥滚子轴承206外圈安装在轴承座205内，内圈安装在腰部关节轴207上；腰部关节转轴207下端与腰部关节电机203的轴固定键连接，上端与腰部平台301固定连接。

所述腰部3包括腰部平台301、腰部侧板302、大臂关节轴303、大臂驱动电机304、大臂主动齿轮305、驱动单元固定板306、中臂驱动单元307、小臂驱动单元308；所述腰部平台301与腰部关节转轴207固定连接，构成转动副；所述腰部侧板302固定安装在腰部平台上；大臂关节轴303与腰部侧板302固定连接，不可转动；大臂驱动电机304固定安装在腰部平台301上；大臂主动齿轮305与大臂驱动电机304轴固定连接；所述驱动单元固定板306与腰部平台301固定连接，中臂驱动单元307与小臂驱动单元308分别固定安装在驱动单元固定板306上，小臂驱动单元308置于中臂驱动单元307的上方；

所述小臂驱动单元308包括驱动电机3081、驱动滚轮3082、驱动电机固定板3083、驱动端预紧挡板3084、预紧螺栓3085、钢丝索固定件3086；所述驱动电机固定板3083与驱动单元固定板306固定连接；驱动电机3081固定安装在驱动电机固定板3083上；驱动电机3081轴穿过驱动电机固定板3083中间的开孔与驱动滚轮3082固定连接；驱动滚轮3082上有环形沟槽；驱动电机固定板3083和驱动端预紧挡板3084分别设置有两个平行对其的通槽，并用螺母旋紧固连；预紧螺栓3085穿过驱动端预紧挡板3084，底端压在驱动电机固定板3083侧面，并能调节旋进深度；驱动端预紧挡板3084上开有钢丝索孔；钢丝索固定件3086与驱动滚轮3082通过螺钉固定连接，用于固定钢丝索末端；所述中臂驱动单元307与小臂驱动单元308结构一致。

所述大臂4为对称结构，包括大臂从动齿轮401、大臂同步带轮402、大臂侧板403、大臂导向轮组404、大臂弹簧槽405、大臂拉力绳406、大臂弹簧407、大臂滑块408、大臂同步带409、大臂支撑柱410、大臂左套索导向环411、大臂右侧板套索导向环412、大臂套管固定件413；所述大臂4与腰部3铰接；大臂从动齿轮401与大臂主动齿轮305啮合，与大臂关节轴303通过轴承连接，并与大臂右侧板403-2固定连接；所述大臂同步带轮402固定安装在大臂关节轴303上，大臂同步带轮402上有一个拉力绳安装点与一个同步带槽，拉力绳安装点到大臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同，大臂同步带409安装在大臂同步带轮402外侧的同步带槽中；大臂导向轮组404与大臂侧板403固定连接，并放置在大臂侧板403中间对称线两侧；大臂弹簧槽405与大臂侧板403固定连接，并开有穿绳孔；大臂滑块408放置在大臂弹簧槽405内，与大臂弹簧槽405构成移动副；大臂重力平衡弹簧407一端与大臂滑块408固定连接，另一端与大臂弹簧槽405内侧开孔处固定连接；大臂拉力绳406穿过大臂弹簧槽405的穿绳孔，一端与大臂滑块408固定连接，另一端与大臂同步带轮402上的拉力绳安装点固定连接；大臂支撑柱410两端分别与大臂左403-1、大臂右侧板403-2固定连接；大臂左侧套索导向环411固定安装在大臂左侧板403-1外侧；大臂右侧套索导向环412固定安装在大臂右侧板403-2外侧；大臂套管固定件413固定安装在大臂右侧板403-2末端外侧。

所述中臂5为对称结构，包括中臂关节转轴501、中臂负载滚轮514、中臂钢丝索515、中臂套管516、中臂轴承502、中臂同步带轮503、中臂侧板504、中臂导向轮组505、中臂弹簧槽506、中臂拉力绳507、中臂弹簧508、中臂滑块509、中臂同步带510、中臂支撑柱511、中臂左侧套索导向环512、中臂套管固定件513；所述中臂5与大臂4铰接，大臂4末端通过中臂关节转轴501与中臂5前端相连；中臂负载滚轮514外侧设有环形沟槽，与中臂关节转轴501固定连接；中臂钢丝索515安装在中臂负载滚轮514和中臂驱动单元307驱动滚轮外侧的沟槽内，末端与中臂驱动单元307的钢丝索固定件固定连接，并穿过大臂套管固定件413、中臂驱动单元307驱动端预紧挡板上的钢丝索孔和大臂右侧套索导向环412；中臂套管516套在中臂钢丝索515上，一端与大臂套管固定件413上的钢丝索孔固定连接，另一端与中臂驱动单元307驱动端预紧挡板上的钢丝索孔固定连接；所述中臂同步带轮503上有一个拉力绳安装点，外侧有第一同步带槽和第二同步带槽，中臂同步带轮503通过中臂轴承502与中臂关节转轴501相连，拉力绳安装点到中臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同；所述大臂同步带409一端安装在大臂同步带轮402外侧的同步带槽中，另一侧安装在中臂同步带轮503外侧的第一同步带槽中，大臂同步带轮402外侧的同步带槽与中臂同步带503外侧的第一同步带槽直径相等；所述中臂同步带510安装在中臂同步带503轮外侧的第二同步带槽中；中臂导向轮组505与中臂侧板504固定连接，并放置在中臂侧板504中间对称线两侧；中臂弹簧槽506与中臂侧板504固定连接，并开有穿绳孔；中臂滑块509放置在中臂弹簧槽506内，与中臂弹簧槽506构成移动副；中臂弹簧508一端与中臂滑块509固定连接，另一端与中臂弹簧槽506内侧开孔处固定连接；中臂拉力绳507穿过中臂弹簧槽506的穿绳孔，一端与中臂滑块509固定连接，另一端与中臂同步带轮503上的拉力绳安装点固定连接；中臂支撑柱511两端分别与中臂左侧板504-1、中臂右侧板504-2固定连接；中臂左侧套索导向环512固定安装在中臂左侧板504-1外侧；中臂套管固定件513固定安装在中臂左侧板504-1末端外侧。

所述小臂6为对称结构，包括小臂关节转轴601、小臂负载滚轮610、小臂钢丝索611、小臂套管612、小臂轴承602、小臂同步带轮603、小臂侧板604、小臂导向轮组605、小臂弹簧槽606、小臂拉力绳607、小臂弹簧608、小臂滑块609；所述小臂6与中臂5铰接，中臂5末端通过小臂关节转轴601与小臂6前端相连；小臂负载滚轮610外侧设有环形沟槽，与小臂关节转轴601固定连接；小臂钢丝索611安装在小臂负载滚轮610和小臂驱动单元308驱动滚轮3082外侧的沟槽内，末端与小臂驱动单元308的钢丝索固定件3086固定连接，并穿过中臂套管固定件513和小臂驱动单元308驱动端预紧挡板3084上的钢丝索孔、中臂左侧套索导向环512和大臂左侧套索导向环412；小臂套管612套在小臂钢丝索611上，一端与小臂套管固定件513上的钢丝索孔固定连接，另一端与小臂驱动单元308驱动端预紧挡板3084上的钢丝索孔固定连接；所述小臂同步带轮603上有一个拉力绳安装点，外侧有一个同步带槽，小臂同步带轮603通过小臂轴承与小臂关节转轴601相连，拉力绳安装点到小臂关节轴线的垂线方向与重力方向相同；所述中臂同步带510一端安装在中臂同步带轮503外侧的小同步带槽中，另一侧安装在小臂同步带轮603外侧的同步带槽中，中臂同步带轮503外侧的第二同步带槽与小臂同步带轮603外侧的同步带槽直径相等；小臂导向轮组605与小臂侧板604固定连接，并放置在小臂侧板604中间对称线两侧；小臂弹簧槽606与小臂侧板604固定连接，并开有穿绳孔；小臂滑块609放置在小臂弹簧槽606内，与小臂弹簧槽构606成移动副；小臂弹簧608一端与小臂滑块609固定连接，另一端与小臂弹簧槽606内侧开孔处固定连接；小臂拉力绳607穿过小臂弹簧槽606的穿绳孔，一端小臂滑块609固定连接，另一端与小臂同步带轮603上的拉力绳安装点固定连接。

所述腕部7包括前端外壳701、末端外壳702、前端驱动电机703、末端驱动电机704；所述前端外壳701与小臂6末端相连构成转动副；末端外壳702与前端701外壳铰接；前端驱动电机703固定安装在前端外壳701内，电机轴线与第五关节J5轴线共线末端驱动电机704固定安装在腕部前外壳701内，电机轴线与第六关节J6轴共线。

所述末端手柄8包括六维力传感器801、手柄802、绑带固定板803、绑带804；所述六维力传感器801与腕部末端外壳702固定连接；手柄802与六维力传感器801固定连接；绑带固定板803与手柄802固定连接；绑带804与绑带固定板803固定连接，并且使用时绑在使用者上肢。

进一步，如图1、图2所示，患者可通过改变机器人与自身相对位置和末端手柄安装方向实现左右臂的康复训练。

进一步，中臂驱动单元307和小臂驱动单元308具有相同的结构；所述中臂5、小臂6重力平衡方法与大臂4相同。

进一步，如图10所示，绑带804采用柔性材料,绑带固定板803和绑带804可以根据患者的身材进行调整，保证患者上肢的固定以及穿戴的舒适性。

进一步，各关节的驱动电机均内置高精度编码器，可以实时测量机器人的运动学参数，末端手柄8的六维力传感器801可以实时测量人体手部与康复机器人之间的交互力。

如图11所示，所述重力平衡方法，其特征在于：所述大臂4、中臂5、小臂6内部装有重力平衡装置，且重力平衡装置均由同步带轮、导向轮组、弹簧槽、拉力绳、弹簧、滑块组成，能够平衡机器人自重所产生的力矩；以大臂4为例，大臂重力平衡装置包括所述大臂同步带轮402、大臂导向轮组404、大臂弹簧槽405、大臂拉力绳406、大臂弹簧407、大臂滑块408，具体安装方式如上文所述；大臂同步带轮402拉力绳安装点到关节轴线的距离为a，大臂导向轮组404到关节轴线的距离为b，大臂同步带轮402拉力绳安装点到大臂导向轮组404的距离为c，设z轴方向垂直于地面向上，大臂4中间对称线与z轴夹角为θ，大臂4中间对称线与大臂拉力绳406之间的角度为α，大臂重心到关节轴线距离为l；由于大臂同步带轮402与大臂关节轴303固定连接，且大臂关节轴303与腰部侧板302固定连接，大臂同步带轮402拉力绳安装点到关节轴线的垂线始终与z轴平行，能够为大臂提供有效的平衡力；大臂重力平衡弹簧407刚度系数为k，始终处于压缩状态，当大臂4处于竖直状态时大臂4的自重不产生负载力矩，此时大臂重力平衡弹簧407压缩量最小且最小压缩量(预压缩量)为s；m为大臂4的质量(包括后续结构的质量)，大臂4的自重所产生的负载力矩T1＝mglsinθ；大臂拉力绳406受到的拉力F＝k{s+c-(b-a)}，导向轮组404受到拉力绳406提供的垂直于大臂连杆向上方向的压力Fsinα＝Fasinθ/c，故大臂4受到重力平衡装置提供的平衡力矩T2＝bk{s+c-(b-a)}asinθ/c；若s＝b-a，k＝mgl/ab，则大臂4自重所产生的负载力矩与平衡力矩相等，即T1＝T2，大臂4关节处电机仅需提供机械臂末端负载所需的力矩；大臂同步带409连接了大臂同步带轮402和中臂同步带轮503，而大臂同步带轮402相对于腰部3固定不动，中臂同步带轮503可绕中臂关节转轴501转动，因此中臂同步带轮503拉力绳安装点到关节轴线的垂线始终与z轴平行，能够为中臂5提供有效平衡力；中臂5、小臂6的重力平衡同理。

设大臂弹簧407的预压缩量为s₁，大臂弹簧407的刚度系数为k₁，大臂拉力绳406安装点到大臂关节轴303轴线的距离为a₁，大臂导向轮组404到大臂关节轴303轴线的距离为b₁，大臂拉力绳406安装点到大臂导向轮组404中心点的距离为c₁，设z轴方向垂直于地面向上，大臂中间对称线与z轴夹角为θ₁，与大臂拉力绳406之间的夹角为α₁，大臂重心到大臂关节轴303轴线垂直距离为l₁，m₁为大臂质量(包括后续结构的质量)，g为重力加速度。大臂自重所产生的负载力矩T_f1＝m₁g>1sinθ₁；大臂拉力绳406受到的拉力F₁＝k₁{s₁+c₁-(b₁-a₁)}，大臂导向轮组404受到大臂拉力绳406提供的垂直于大臂连杆向上方向的压力F₁sinα₁＝F₁a₁sinθ₁/c₁，大臂受到重力平衡装置提供的平衡力矩T_p1＝b₁k₁{s₁+

c₁-(b₁-a₁)}a₁sinθ₁/c₁；若s₁＝b₁-a₁，k₁＝m₁g>1/a₁b₁，则大臂自重所产生的负载力矩与平衡力矩相等，即T_f1＝T_p1。

设中臂弹簧508的预压缩量为s₂，中臂弹簧508的刚度系数为k₂，中臂拉力绳507安装点到中臂关节转轴501轴线的距离为a₂，中臂导向轮组505到中臂关节转轴501轴线的距离为b₂，中臂拉力绳507安装点到中臂导向轮组505中心点的距离为c₂，设z轴方向垂直于地面向上，中臂中间对称线与z轴夹角为θ₂，与中臂拉力绳507之间的夹角为α₂，中臂重心到中臂关节转轴501轴线垂直距离为l₂，m₂为中臂质量(包括后续结构的质量)，g为重力加速度。中臂自重所产生的负载力矩T_f2＝m₂g>2sinθ₂；中臂拉力绳507受到的拉力F₂＝k₂{s₂+c₂-(b₂-a₂)}，中臂导向轮组505受到中臂拉力绳507提供的垂直于中臂连杆向上方向的压力F₂sinα₂＝F₂a₂sinθ₂/c₂，中臂受到重力平衡装置提供的平衡力矩T_p2＝b₂

k₂{s₂+c₂-(b₂-a₂)}a₂sinθ₂/c₂；若s₂＝b₂-a₂，k₂＝m₂g>2/a₂b₂，则中臂自重所产生的负载力矩与平衡力矩相等，即T_f2＝T_p2。

设小臂弹簧608的预压缩量为s₃，小臂弹簧608的刚度系数为k₃，小臂拉力绳607安装点到小臂关节转轴601轴线的距离为a₃，小臂导向轮组605到小臂关节转轴601轴线的距离为b₃，小臂拉力绳607安装点到小臂导向轮组605中心点的距离为c₃，设z轴方向垂直于地面向上，小臂中间对称线与z轴夹角为θ₃，与小臂拉力绳607之间的夹角为α₃，小臂重心到小臂关节转轴601轴线垂直距离为l₃，m₃为小臂质量(包括后续结构的质量)，g为重力加速度。小臂自重所产生的负载力矩T_f3＝m₃g>3sinθ₃；小臂拉力绳受到的拉力F₃＝k₃{s₃+c₃-(b₃-a₃)}，小臂导向轮组605受到小臂拉力绳607提供的垂直于小臂连杆向上方向的压力F₃sinα₃＝F₃a₃sinθ₃/c₃，小臂受到重力平衡装置提供的平衡力矩T_p3＝b₃k₃{s₃+

c₃-(b₃-a₃)}a₃sinθ₃/c₃；若s₃＝b₃-a₃，k₃＝m₃g>3/a₃b₃，则小臂自重所产生的负载力矩与平衡力矩相等，即T_f3＝T_p3。

本发明的创新之处在于，通过在机器人连杆内部设置重力平衡装置补偿机器人自重产生的负载力矩，每个关机只需较小功率电机就可以提供足够的关节驱动力，降低了整个机器人的成本，避免了故障时因重力产生的患肢坠落等安全隐患。部分关节驱动电机布置在基座处，采用套索传动，减轻了机器人自重，增加了机器人柔顺性。利用可移动式机架以及末端手柄的位置调整，方便不同偏瘫侧患者的康复训练。通过更换机器人末端的执行器，还可以让机器人完成其他辅助工作。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。