CN100588382C - 多功能助残机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能助残机器人。它包括轮椅架、双差动轮驱动机构、腿部推力机构、踏板回转机构、坐椅回转机构和腰带助力机构，轮驱动机构包括双差动轮驱动机构和自由轮辅助机构，双差动轮驱动机构共有两组，分别固定在轮椅两侧的中间位置；自由轮辅助机构由四个自由轮组成，分别布置在轮椅的四角位置；腿部推力机构和坐椅回转机构设置在轮椅架下面，踏板回转机构设置在轮椅架前端，腰带助力机构设置在轮椅架中央。本发明既具有一般轮椅的通用性又能够帮助截瘫患者或行走不便病人进行行走锻炼、有利于残疾人自主进行腿部康复训练并能进行减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练等康复训练功能，起坐、下蹲等生活技能训练。

Description

多功能助残机器人

(一)技术领域

本发明涉及机械领域，具体涉及一种助残康复训练机械。

(二)背景技术

随着科技进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多半有偏瘫或截瘫症状。需要进行康复训练和护理，才能够保证肢体的康复，不至于肌肉老损或坏死。康复机器人技术转化为机器人产品，对于提高患者的康复质量、减轻社会负担具有重要的实际意义。由于各种原因而患有肢体运动障碍的患者人数多，随着生活水平的提高，对康复治疗的需要也会越来越大，康复机器人将有很好的市场前景。康复机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥重要作用。

目前国外研制的相关成果：

闭环力控制式重力支撑系统(CLOSED-LOOP FORCE CONTROLLED BODY WEIGHTSUPPORT SYSTEM)

Publication number：WO03035184

Publication date：2003-05-01

Inventor：GORDON KEITHE；SVENDSEN BJORN；HARKEMA SUSAN；EL-ALAMI SAM

Applicant：UNIV CALIFORNIA(US)

一种重力支撑系统，用于监测和控制步态周期内支撑力的大小，使得获得正常的质心运动和地面反作用力。该系统通过上拉绳连接束具，绳长由装置调节伸长或缩短。另有控制系统检测绳上的负载情况，据此来调节绳的伸长或缩短。该系统与跑步机配合，对病人进行运动训练。

该系统是基于绳的减重系统，借助于跑步机的动力使病人进行下肢锻炼，腿部无任何轴助训练机构，对于截瘫患者无法达到下肢训练的目的。且整个系统较庞大，成本较高，只适用于室内训练，不利于产品开发。

国内研制出了两种相关成果：1、申请号为CN02238860.5的发明名称为中风患者康复机是采用曲轴、链条等组成的往复直线全方位体能功能训练运动器械，是专为腿脚行动不便的非健康人提供的运动方式，采用此康复机可使中风患者人体腿、脚、手臂做上下运动，手指做张合运动。但中风患者康复机是人体以坐姿状态进行下肢康复训练，康复机不能随意移动，只适用于室内训练，且功能相对单一；2、专利申请号为02239834.1的名称为偏瘫助行器是由左、右、后三个侧面支架连接构成的车架，车架底部四角安装四个脚轮，在车架内安装可掀翻的坐垫。其特征是：在左、右两侧支架上对称位置分别竖直连接一个用于腋下支撑与拐杖形状相同的支撑架；前两个脚轮选用具有制动功能的万向轮；车架采用中部窄下部宽形状。在车架前端左、右支架之间安装一个保护杠；底层坐垫中间开一个可供患者大小便的椭圆形的孔。偏瘫助行器主要用于偏瘫患者，无减重措施，且无动力源，车体的移动是人行走带动，能够翻转的坐椅也要依靠人手来进行，腿部无任何辅助训练措施，自动化程度不高。这样给病人独自进行训练带来不便。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有一般轮椅的通用性又能够帮助截瘫患者或行走不便病人进行行走锻炼、有利于残疾人自主进行腿部康复训练并能进行减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练等康复训练功能，起坐、下蹲(坐椅子、坐沙发、上厕所)等生活技能训练的一种多功能助残机器人。

本发明的目的是这样实现的：它包括轮椅架、双差动轮驱动机构、腿部推力机构、踏板回转机构、坐椅回转机构和腰带助力机构，轮驱动机构包括双差动轮驱动机构和自由轮辅助机构，双差动轮驱动机构共有两组，分别固定在轮椅两侧的中间位置；自由轮辅助机构由四个自由轮组成，分别布置在轮椅的四角位置；腿部推力机构和坐椅回转机构设置在轮椅架下面，踏板回转机构设置在轮椅架前端，腰带助力机构设置在轮椅架中央。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的双差动轮驱动机构包括直流电机、蜗轮蜗杆减速器、垫板、转轴、链轮和轮子，直流电机与蜗轮蜗杆减速器相连，并且通过垫板与轮椅框架底部相连，转轴与蜗轮蜗杆减速器连接，转轴的一端与差动轮固连；转轴中段固联着链轮，链轮通过链条连接轮椅上的腿部推力机构；

2、所述的腿部推力机构包括大链轮、转动轴、滚动轴承、轴承座、套筒、曲柄、销轴、连杆、摇杆、摇杆座和支撑板；大链轮与转动轴相连，转动轴与轴承座内的轴承连接，端连有大链轮，另一端与曲柄的一端相固结，曲柄末端通过销轴与连杆一端相连，连杆的另一端通过长销轴与摇杆连接，摇杆的另一端通过摇杆座固定在轮椅的扶手下面，相应的轴承座固定在轮椅侧面的短支架上，在摇杆末端的长销轴上连接着支撑板，支撑板与连接轴通过球铰链连接；

3、所述的踏板回转机构包括直流减速电机、电机支撑架、滚动轴承、轴承支撑架和踏板，电机支撑架和轴承支撑架固定在轮椅的底架上，直流电机固定于电机支撑架上，直流电机的输出轴与踏板一端紧固，另一端与滚动轴承相接；

4、所述的坐椅回转机构包括直流减速电机、电机支撑架、一对锥齿轮、轴承座、滚动轴承、支撑轴和支座，电机支撑架固定在轮椅侧面，直流减速电机固定于电机支撑架上，输出轴与小锥齿轮紧固，轴承座固定在轮椅两侧的短支撑架上，轴承座内装有滚动轴承，支撑轴通过轴承固定，支撑轴的一端与大锥齿轮紧固，另一端与坐椅连接，坐椅下面设置有两支座；

5、所述的腰带助力机构包括直流减速电机、电机支撑架、三个过轮、绳、气动弹簧、支座、固定板和腰带，电机支撑架固定在轮椅后面，直流减速电机固定支撑架上，其输出轴与所述三个过轮中的一个相连接，轮椅顶部固定有所述三个过轮中的另外两个过轮，绳通过所述三个过轮绕过轮椅，与支撑板腰带相连，气动弹簧通过支座固定在轮椅的支撑架上，其输出端与固定板球铰链固定，腰带和固定板固定为一体。

本发明是根据人体生理学理论和人机合作机器人原理，借助单片机控制，通过两差动轮的差速转动，来达到预期的规划轨迹，使残疾人可以按照自己的预期目标或方向进行行走锻炼，轮椅上的特定机构模拟人体行走时大腿地运动轨迹，能够给予残疾人下肢一定的辅助力，帮助残疾人顺利进行下肢锻炼。由于具有动力源，残疾人可以方便操控机器人使残疾人到达预期的目标位置，机器人坐椅通过自动控制进行自由翻转，腰带助力机构可以帮助残疾人较灵活的实现站立，坐下等动作，因此多功能助残机器人能实现减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练等康复训练功能，起坐、下蹲(坐椅子、坐沙发、上厕所)等生活技能训练。此助残机器人还具有一般轮椅的通用性，方便了残疾人的日常生活。

本发明的移动是通过两差动轮转动来实现的，并且由差动轮转动的速度差来实现机器人运动方向的改变。差动轮布置在机器人的中间位置，可实现机器人的原地转动。自由轮机构主要起支撑作用。双差动轮驱动机构转轴中段的一阶梯是用来和链轮连接，通过链传动，将动力传给轮椅上的腿部推力机构。双差动轮驱动机构共有两组，分别固定在轮椅两侧的中间位置。自由轮辅助机构由四个自由轮组成，分别布置在轮椅的四角位置。自由轮辅助机构主要用于机器人的支撑及辅助转向。腿部推力机构的大链轮与转动轴相连，用来传递由差动轮驱动电机提供的动力，转动轴与轴承座内的轴承连接，一端连有大链轮，另一端再与曲柄的一端相固结，构成曲柄的转动，曲柄末端通过销轴与连杆一端相连，连杆的另一端通过长销轴与摇杆连接，摇杆的另一端通过摇杆座固定在轮椅的扶手下面，相应的轴承座固定在轮椅侧面的短支架上，从而构成了由差动轮的驱动电机驱动的曲柄摇杆机构，在摇杆末端的长销轴上连接着支撑板，支撑板与连接轴是球铰链连接。踏板回转机构的电机支架和轴承支撑架固定在轮椅的底架上，直流电机固定与电机支撑架，直流电机的输出轴与踏板一端紧固，另一端与滚动轴承相接，从而实现了踏板的回转。坐椅回转机构的轴承座固定在轮椅两侧的短支撑架上，轴承座内装有滚动轴承，支撑轴通过轴承固定，可以自由转动，支撑轴的一端与大锥齿轮紧固，另一端与坐椅连接，坐椅下面有两支座进行保护支撑。腰带助力机构的腰带和固定板视为一体。腰带助力机构作用是通过腰部的绳来减轻人行走时手的支撑力，气动弹簧用于病人行走时缓冲和保护。

使用时，残疾人可以独立操作。助残机器人上的操控面板能够控制机器人各个动作。残疾人可以先坐在助残机器人上，此时可以操控机器人，使坐椅放下。当残疾人坐好后，可以进行相关操作，放下绳子，使腰带能够到达残疾人的腰部，随后系好腰带，这样残疾人就可以开始进行行走锻炼了。残疾人进行操作后，使绳将其缓慢提起，此时残疾人也可借助手臂力量慢慢站起，当到达合适位置时(即病人手的支撑不感到费力时)，停止绳的上拉，此时人处于站立状态，可以通过操控面板将坐椅收起，从而给残疾人行走时让开空间。由于腿部的支撑板是球铰链固定，其垂直位置在大腿末端，所以其位置可以随着残疾人的站立自由调整，在必要时，残疾人也可以在坐下时，由人自己进行调整。残疾人进行相关操作，启动机器人，随着机器人的缓慢移动，残疾人可以进行行走锻炼，推力机构也会随着机器人的移动而往复运动，从而给残疾人大腿一定的辅助力，是残疾人顺利的完成下肢锻炼。残疾人可由助残机器人的操作面板控制两差动轮的转动，根据自己的需要控制轮椅运动方向以及运动速度。

当残疾人需要休息时，通过操作面板使坐椅放下，另外，还可以将设置在轮椅两侧的脚踏板放下，这样残疾人可以坐下，并且可以将两腿放在踏板上，此时病人则能操控轮椅方便的到达一些地方，如残疾人需要上厕所，可以使机器人退到便池位置，残疾人操控机器人帮助自己站起来，收起坐椅，让开便池位置，这样残疾人可以坐在便池上了。

本发明的有益效果在于：

1、通过两差动轮的差速转动，使残疾人通过减重机构，以站立状态，按照自己的预期目标或方向进行行走锻炼：轮椅上的腿部推力机构模拟人体行走时大腿的运动轨迹，能够给予残疾人下肢一定的辅助力，帮助残疾人顺利进行下肢锻炼；机器人坐椅通过自动控制可以自由翻转，腰带助力机构可以帮助残疾人较灵活的实现站立，坐下等动作，因此多功能助残机器人能实现减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练等康复训练功能，起坐、下蹲(坐椅子、坐沙发、上厕所)等生活技能训练；此助残机器人还具有一般轮椅的通用性，方便了残疾人的日常生活；

2、基于绳驱动、轮驱动和腿部推力机构共同作用的综合训练平台：截瘫患者处于站立状态，由机器人的移动带动患者进行行走锻炼，腿部推力机构根据曲柄摇杆原理，利用其摇杆末端轨迹，给予病人行走时一定的辅助力。此机构与驱动轮使用了同一驱动源，当机器人移动时，腿部推力机构随其往复运动，并且可以通过采用不同的控制策略满足180度相位差(即正常人行走时的相位关系)，在几种机构的共同作用下，帮助截瘫患者进行行走锻炼；

3、除控制患者实现行走锻炼、减重训练、下肢关节和肌肉的运动训练外，还具有坐椅子、坐沙发、上厕所等生活技能训练：坐椅回转机构、脚踏板回转机构和绳驱动机构可共患者顺利完成坐下的动作；当病人需要上厕所时，可先使机器人移动至便池上方，通过控制坐椅回转机构，使其翻转收起，让开空间，从而患者可以直接坐在便池上。

本发明可以用于先天性腿部残疾以及由脑血栓后遗症、脊髓损伤、脑性麻痹、肌肉萎缩、意外事故等引起的后天性腿部残障或截瘫患者的腿部训练。

(四)附图说明

图1为本发明多功能助残机器人主视图；

图2为本发明多功能助残机器人吊绳与固定板脱离的状态时的左视图；

图3为多功能助残机器人俯视图。

(五)具体实施方式

下面给出附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

结合图1-3，本实施例包括轮驱动机构，腿部推力机构，踏板回转机构，坐椅回转机构，腰带助力机构。整套机构安装在轮椅架上。轮驱动机构包括双差动轮驱动机构和自由轮辅助机构。

双差动轮驱动机构包括直流电机10、蜗轮蜗杆减速器11、垫板12、转轴13、链轮14和轮子15组成。直流电机10与蜗轮蜗杆减速器11相连，通过一块垫板12来弥补直流电机10与减速器11安装后的高度差，并且通过垫板12与轮椅框架底部相固连，差动轮的转轴通过与减速器固结，将动力传递给差动轮，转轴13一端与差动轮中的销轴紧固连接。另外转轴13中段有一阶梯，用来和小链轮14连接，通过链传动，将动力传给轮椅上的曲柄摇杆机构。双差动轮驱动机构共有两组，分别固定在轮椅两侧的中间位置。

自由轮辅助机构由四个自由轮组成，分别布置在轮椅的四角位置。自由轮辅助机构主要用于机器人的支撑及辅助转向。

结合图3，踏板回转机构包括转轴30、轴承支撑架31、踏板32、电机支撑架33和直流减速电机34。电机支架33和轴承支撑架31固定在轮椅的底架上，直流减速电机34固定与电机支撑架33，直流减速电机34的输出轴与踏板32一端固结，踏板32另一端与转轴30的一端紧固，转轴30的另一端与滚动轴承连接完成轴向固定，从而实现了踏板32的回转。

如图1-3所示，腿部推力机构包括大链轮40、转动轴41、曲柄42、连杆43、摇杆44、摇杆座45和支撑板46。曲柄摇杆机构采用对称方式布置在轮椅两侧。大链轮40与转动轴41固连，用来传递由差动轮驱动电机提供的动力，转动轴41由轴承座内的轴承定位，并能自由转动。转动轴41再与曲柄42的一端相固结，构成曲柄42的转动，曲柄41末端通过销轴与连杆43一端相连，连杆43和曲柄42可以自由相对转动。连杆43的另一端通过销轴与摇杆44连接，摇杆44的另一端通过摇杆座45固定在轮椅的扶手下面，相应的轴承座固定在轮椅侧面的短支架上，从而构成了由差动轮的驱动电机驱动的曲柄摇杆机构，在摇杆末端的销轴上连接着支撑板46，支撑板46与连接轴是球铰链连接，即支撑板46可以相对连接轴自由转动。连接轴和销轴是铰链连接，从而支撑板、连接轴可以相对销轴转动。腿步推力机构的动力是由双差动轮的驱动电机提供的，通过链传动传递动力。由于采用单片机控制，能够保证180度相位关系，即人行走时的两腿的相位关系。采用曲柄摇杆机构，利用摇杆末端的弧线轨迹模拟人行走时大腿的轨迹，从而实现对病人行走时的推动辅助力。

结合图1-3，坐椅回转机构包括直流减速电机50、电机支撑架51、大伞齿轮52、小伞齿轮53、支撑轴54、支撑轴55和坐椅56。坐椅56采用单侧驱动，双侧支撑。电机支撑架51固定在轮椅一侧，直流减速电机50固定于电机支架51，输出轴与小齿轮53紧配合，轴承座固定在轮椅两侧的短支撑架上，轴承座内装有滚动轴承，支撑轴54通过轴承固定，可以自由转动，支撑轴54的一端与大齿轮52紧配合，另一端与坐椅56紧配合，坐椅下面有两支座进行保护。在轮椅的另一侧固定有轴承座，支撑轴55通过轴承座内的轴承定位并实现转动，支撑轴55的伸出部分与坐椅56紧配合，这样实现了坐椅56的双侧支撑，单侧驱动。

结合图1-3，腰带助力机构包括直流减速电机60、电机支撑架61、过轮62-64、绳65、气动弹簧66、支座67、固定板68和腰带69。电机支撑架61固定在轮椅背后，直流减速电机60固定在电机支撑架61上，其输出轴与过轮62连接，另外轮椅顶部固定有两过轮63、64，绳65通过三个过轮绕过轮椅，与支撑板腰带69相连，气动弹簧66通过支座67固定在轮椅的支撑架上，其输出端与固定板68球铰链固定，腰带69和固定板68视为一体。

使用时，残疾人0可以独立操作。助残机器人上的操控面板能够控制机器人各个动作。残疾人0可以先坐在助残机器人上，此时可以操控机器人，使坐椅56放下，当残疾人坐好后，可以进行相关操作，放下绳子65，使腰带69能够到达病人的腰部，随后系好腰带69，这样残疾人就可以开始进行行走锻炼了。残疾人0进行操作后，使绳65将其缓慢提起，此时病人也可借助手臂力量慢慢站起，当到达合适位置时(即病人手的支撑不感到费力时)，使绳65的停止上拉，此时人处于站立状态，可以通过操控面板将坐椅56收起，从而给病人行走时让开空间。由于腿部的支撑板46是球铰链固定，其垂直位置在大腿末端，所以其位置可以随着病人的站立自由调整，在必要时，病人也可以在坐下时，由病人自己进行调整。病人进行相关操作，启动机器人，随着机器人的缓慢移动，病人可以进行行走锻炼，推力机构也会随着机器人的移动而往复运动，从而给病人大腿一定的辅助力，是病人顺利的完成下肢锻炼。残疾人可由助残机器人的操作面板控制两差动轮的转动，根据自己的需要控制轮椅前进方向以及运动速度。残疾人可由轮椅上的操作面板控制两差动轮的运转，根据自己的需要控制助残机器人运动方向及运动速度。

当残疾人需要休息时，通过操作面板先使机器人停止，并且回到初始状态(摇杆44回到铅锤位置)，再使坐椅56放下，另外，可以将设置在机器人两侧的脚踏板32放下，这样病人可以坐在坐椅上，并且可以将两腿放在踏板32上，此时残疾人则能操控助残机器人方便的到达一些地方，方便了残疾人的日常生活。如残疾人需要上厕所，可以使机器人退到便池位置，残疾人操控机器人帮助自己站起来，收起坐椅56，让开便池位置，残疾人就可以坐在便池上了。

Claims (6)

1.一种多功能助残机器人，它包括轮椅架和驱动机构，其特征在于它还包括腿部推力机构、踏板回转机构、坐椅回转机构和腰带助力机构，所述的驱动机构包括双差动轮驱动机构和自由轮辅助机构，双差动轮驱动机构共有两组，分别固定在轮椅两侧的中间位置；自由轮辅助机构由四个自由轮组成，分别布置在轮椅的四角位置；腿部推力机构和坐椅回转机构设置在轮椅架下面，踏板回转机构设置在轮椅架前端，腰带助力机构设置在轮椅架中央。

2.根据权利要求1所述的多功能助残机器人，其特征在于所述的双差动轮驱动机构包括直流电机、蜗轮蜗杆减速器、垫板、转轴、链轮和轮子，直流电机与蜗轮蜗杆减速器相连，并且通过垫板与轮椅框架底部相连，转轴与蜗轮蜗杆减速器连接，转轴的一端与差动轮固连；转轴中段固联着链轮，链轮通过链条连接轮椅上的腿部推力机构。

3.根据权利要求2所述的多功能助残机器人，其特征在于所述的腿部推力机构包括大链轮、转动轴、滚动轴承、轴承座、套筒、曲柄、销轴、连杆、摇杆、摇杆座和支撑板；大链轮与转动轴相连，转动轴与轴承座内的轴承连接，一端连有大链轮，另一端与曲柄的一端相固结，曲柄末端通过销轴与连杆一端相连，连杆的另一端通过长销轴与摇杆连接，摇杆的另一端通过摇杆座固定在轮椅的扶手下面，相应的轴承座固定在轮椅侧面的短支架上，在摇杆末端的长销轴上连接着支撑板，支撑板与连接轴通过球铰链连接。

4.根据权利要求3所述的多功能助残机器人，其特征在于所述的踏板回转机构包括直流减速电机、电机支撑架、滚动轴承、轴承支撑架和踏板，电机支撑架和轴承支撑架固定在轮椅的底架上，直流电机固定于电机支撑架上，直流电机的输出轴与踏板一端紧固，另一端与滚动轴承相接。

5.根据权利要求4所述的多功能助残机器人，其特征在于所述的坐椅回转机构包括直流减速电机、电机支撑架、一对锥齿轮、轴承座、滚动轴承、支撑轴和支座，电机支撑架固定在轮椅侧面，直流减速电机固定于电机支撑架上，输出轴与小锥齿轮紧固，轴承座固定在轮椅两侧的短支撑架上，轴承座内装有滚动轴承，支撑轴通过轴承固定，支撑轴的一端与大锥齿轮紧固，另一端与坐椅连接，坐椅下面设置有两支座。

6.根据权利要求5所述的多功能助残机器人，其特征在于所述的腰带助力机构包括直流减速电机、电机支撑架、三个过轮、绳、气动弹簧、支座、固定板和腰带，电机支撑架固定在轮椅后面，直流减速电机固定支撑架上，其输出轴与所述三个过轮中的一个相连接，轮椅顶部固定有所述三个过轮中的另外两个过轮，绳通过所述三个过轮绕过轮椅，与支撑板腰带相连，气动弹簧通过支座固定在轮椅的支撑架上，其输出端与固定板球铰链固定，腰带和固定板固定为一体。

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