CN101530367A

CN101530367A - 一种减重步行康复训练机器人

Info

Publication number: CN101530367A
Application number: CN200910082601A
Authority: CN
Inventors: 王人成; 王爱明; 贾晓红; 陈鹍; 程方; 马辰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN101530367B

Abstract

本发明公开了一种减重步行康复训练机器人，包括电动跑步机、部分减重支持系统和外骨骼机械腿及其随动支撑装置，外骨骼机械腿及其随动支撑装置包括：支撑架，与电动跑步机的底座连接；门式支架组件，通过门闩、门轴与支撑架连接；背臀部支撑组件，与门式支架组件连接，用于支撑训练者的背臀部；机械腿组件，通过机械腿支座与背臀部支撑组件连接，机械腿组件包括膝关节驱动器，膝关节驱动器由电机经由谐波减速器减速后带动训练者小腿摆动。本发明采用电机经谐波减速器直接驱动的减重步行训练康复机器人，使其具有反向驱动性；同时避免了电机带丝杠驱动方式带来的电机转动角度与大小腿转角存在非线性关系，减少了角度换算引入的误差。

Description

一种减重步行康复训练机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种减重步行康复训练机器人。

背景技术

减重步行训练(partial body weight support training，PBWST)是20世纪80年代后期融合运动疗法和神经促进技术而出现的康复训练方法，它利用悬吊装置减少体重对患肢的负荷，使支撑能力不足的患者能进行步行训练，由医用跑台带动患者下意识地迈步，可以激活运动皮质和脊髓节律性运动中枢，促进行走功能的恢复。目前PBWST已成为临床常用的治疗手段，被广泛用于脑外伤、脑瘫、帕金森氏病等上下神经元性病变以及下肢骨折、关节成形术后、假肢安装者的康复训练，PBWST使用时通常需要3名治疗师，一名负责支撑患者腰部，两名帮助患者屈膝。

减重步行训练康复机器人是由外骨骼双足步行机械发展而来的，可以分为外骨骼机械腿和牵引机械手两种结构形式。

外骨骼机械腿由髋关节、膝关节和大小腿组成。使用时，外骨骼机械腿穿戴在患者腿上，机械腿带动人腿摆动。瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作于1999年研制成功LOKOMAT减重步行训练康复机器人，2001年推向市场，这是至今唯一能够辅助下肢运动障碍患者在医用跑台上自主进行减重步行训练的产品。LOKOMAT采用电机驱动，4个电机分别安装在机械腿的髋支架和大腿腿杆上，各驱动一套丝杠螺母机构。通过丝杠推动大腿和小腿摆动，完成步行训练。LOKOMAT采用关节角度和人腿与机械腿之间的作用力作为反馈信号。浙江大学也发明了减重步行训练康复机器人，在中国专利CN1973806中公开了多体位外骨骼下肢康复训练机器人，该机器人采用电机驱动，电机经过同步带驱动一套丝杠螺母机构推动大腿和小腿摆动。

LOKOMAT和CN1973806中公开的多体位外骨骼下肢康复训练机器人都是采用电机带丝杠的驱动方式，以膝关节为例来进行说明，膝关节电机驱动的丝杠的两端分别与大小腿杆铰接。这种驱动方式的不足之处主要有：1)机构自锁，当切断电机电源后，人腿不能带动机械腿运动，也就是通常说的不具有反向驱动性，临床上要求这类康复训练机械装置要具有反向驱动性；2)电机的转动角度与大小腿转角的关系和铰接点的具体位置有关，需要进行换算，增加了控制的复杂性和引入误差的环节。为了解决这个问题本发明提出了采用电机经谐波减速器直接驱动的减重步行训练康复机器人。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的缺陷，提供一种具有反向驱动性、控制精度更高减重步行康复训练机器人。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种减重步行康复训练机器人，包括电动跑步机、部分减重支持系统和外骨骼机械腿及其随动支撑装置，所述外骨骼机械腿及其随动支撑装置进一步包括：支撑架，与所述电动跑步机的底座连接；门式支架组件，通过门闩、门轴与所述支撑架连接，用于训练者进出；背臀部支撑组件，与所述门式支架组件连接，用于支撑训练者的背臀部；机械腿组件，通过机械腿支座与所述背臀部支撑组件连接，所述机械腿组件包括膝关节驱动器，所述膝关节驱动器由电机经由谐波减速器减速后带动训练者小腿摆动。

其中，所述门式支架组件进一步包括：平行四杆上臂、平行四杆下臂、背臀支撑架和门架组成一个平行四杆机构；平行四杆上臂通过门架上支座与门架铰接，且通过背臀支撑架上支座与背臀支撑架铰接；平行四杆下臂通过门架下支座与门架铰接，且通过背臀支撑架下支座与背臀支撑架铰接；所述门架与所述支撑架连接。

其中，所述门式支架组件还包括：在平行四杆上臂与门架之间设置有弹簧导杆，所述弹簧导杆上端通过平行四杆上臂支座与平行四杆上臂铰接，下端与安装在门架上的弹簧支座铰接；

其中，所述弹簧导杆中间设置有弹簧，所述弹簧的上端顶在所述弹簧导杆凸起的台阶上，下端位于所述弹簧支座凹进的台阶上。

其中，所述背臀部支撑组件进一步包括：

第一背臀支座，安装有背垫，通过背支架滑座、背支架滑座压板和快拆安装在所述背臀支撑架上；

第二背臀支座，安装有臀垫，通过臀支架滑座和快拆安装在所述背臀支撑架上。

其中，所述背臀支撑架上设置有竖直方向的长方槽，所述背支架滑座安装在所述长方槽中。

其中，所述第一背臀支座与所述背支架滑座为滑动连接；所述第二背臀支座与所述臀支架滑座为滑动连接。

其中，所述机械腿支座组件进一步包括：支座架；所述支座架上以上下两排的方式安装有四个支座导轨座；每排的支座导轨座之间设置有水平的支座导轨；每个所述支座导轨上设置有两个支座滑块；左右滑板与所述支座滑块连接，所述左右滑板的左侧滑板与第一螺母连接，左右滑板的右侧滑板与第二螺母连接，所述第一螺母与第二螺母的旋向相反；所述第一螺母和第二螺母安装在一根左右旋丝杆上，所述左右旋丝杆通过支座轴承座固定在支座架上，所述左右旋丝杆一端安装有手轮。

其中，所述机械腿组件进一步包括：髋连接板，其上端固定在左右滑板上，下端固定在髋关节驱动器的上端；所述髋关节驱动器的下端通过套装在一起的第一细腿杆和第一粗腿杆与膝关节驱动器的上端相连；大腿托通过腿托支撑杆和腿托连接器连接在所述第一粗腿杆上；所述膝关节驱动器的下端连接有套装在一起的第二粗腿杆和第二细腿杆，两个小腿托通过腿托支撑杆和腿托连接器分别连接在第二粗腿杆和第二细腿杆上。

其中，所述谐波减速器包括输入刚轮、波发生器和输出刚轮；所述电机的外壳固定在输入刚轮座上，所述输入刚轮固定在输入刚轮座上，输入刚轮座固定在轴承外支座上，轴承外支座与第一粗腿杆连接；电机输出轴与波发生器相连，输出刚轮与输出刚轮座固连，输出刚轮座与轴承外支座相连，输出刚轮座上安装有小腿连接板，小腿连接板与所述第二粗腿杆相连。

上述技术方案具有如下优点：采用电机经谐波减速器直接驱动的减重步行训练康复机器人，使其具有反向驱动性；同时避免了电机带丝杠驱动方式带来的电机转动角度与大小腿转角存在非线性关系，减少了角度换算引入的误差。

附图说明

图1是本发明实施例的一种减重步行康复训练机器人装置的轴侧图；

图2是本发明实施例的一种外骨骼机械腿及其随动支撑装置轴侧图；

图3是本发明实施例的一种外骨骼机械腿随动支撑装置及其门架组件轴侧图；

图4是本发明实施例的一种外骨骼机械腿背臀部支撑组件轴侧图；

图5是本发明实施例的一种外骨骼机械腿支座组件轴侧图；

图6是本发明实施例的一种外骨骼机械腿组件轴侧图；

图7是本发明实施例的一种外骨骼机械腿膝关节驱动器组件轴侧图。

其中：1、机械腿及其支撑装置；2、电动跑步机；3、部分减重支持系统；11、支撑架；12、机械腿组件；13、机械腿支座组件；14、背臀部支撑组件；15、门式支架组件；121、髋连接板；122、细腿杆123、粗腿杆；124、腿托连接器；125、腿托支撑杆；126、大腿托；127、膝关节驱动器；128、小腿托；129、髋关节驱动器；1271、电机；1272、轴承；1273、输入刚轮；1274、输出刚轮；1275、输出刚轮座；1276、小腿连接板；1277、波发生器；1278、轴承外支座1279、输入刚轮座；1280、电机轴套；131、支座滑块；132、支座导轨座；133、支座导轨；134、丝杆左旋螺母；135、支座轴承座136、左右旋丝杆；137、支座左右滑板；138、支座架139、手轮；140、丝杆右旋螺母；141、背臀支撑架；142、背臀支撑架上支座143、平行四杆上臂；144、平行四杆上臂支座；145、弹簧导杆；146、弹簧；147、平行四杆下臂；148、背臀支撑架下支座1411、背支架滑座压板；1412、背支架滑座；1413、背臀支座；1414、臀支架滑座；1415、快拆；1416、臀垫；1417、背垫；151、门轴；152、门架；153、门架上支座；154、门闩；155、弹簧支座；156、门架下支座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1所示，本发明的减重步行康复训练的机器人装置主要由外骨骼机械腿及其随动支撑装置1、电动跑步机2和部分减重支持系统3构成。在使用时，训练者被吊在部分减重支持系统3的牵引绳上，训练者穿戴机械腿及电动腿支撑装置1站在电动跑步机2上进行步行康复训练。

参考图2所示，机械腿组件12经机械腿支座13、背臀部支撑组件14、门式支架组件15和支撑架11连接，支撑架11与电动跑步机2的底座连接。机械腿组件12的作用是带动训练者的双腿进行步行训练。机械腿支座13的作用是支撑机械腿组件12，并且调整两个机械腿的间距，以适应训练者身体宽度。背臀部支撑组件14的作用是给训练者背臀部提供支撑，并且通过一个平行四杆机构和弹簧，使训练者在步行训练过程中，躯干只能上下运动。门式支架组件15的作用是能够开合，方便训练者进出。

参考图3所示，本发明的外骨骼机械腿及其随动支撑装置通过支撑架11与电动跑步机2的底座连接在一起。门式支架组件15通过门轴151和门闩154安装在支撑架11上，可以打开门闩154，将门式支架绕门轴151转动180度，以便于训练者进出。平行四杆上臂143、平行四杆下臂147、背臀支撑架141和门架152组成一个平行四杆机构，使得训练者身体在行走训练过程中只能做竖直的上下随动。平行四杆上臂143通过门架上支座153与门架152铰接，平行四杆上臂143通过背臀支撑架上支座142与背臀支撑架141铰接。平行四杆下臂147通过门架下支座156与门架152铰接，平行四杆下臂147通过背臀支撑架下支座148与背臀支撑架141铰接。在平行四杆上臂143与门架152之间安装有弹簧146，弹簧146的作用是提供一个平衡力，使机械装置的重量不施加给训练者。弹簧146中间穿过弹簧导杆145，弹簧146的上端顶在弹簧导杆145凸起的台阶上，弹簧146的下端坐在弹簧支座145凹进的台阶上。弹簧导杆145上端通过平行四杆上臂支座144与平行四杆上臂143铰接，下端铰接弹簧支座155，弹簧支座155安装在门架152上。

参考图4所示，在背臀支撑架141上有背垫1417和臀垫1416，背垫1417用于支撑训练者的背部，臀垫1416用于支撑训练者的臀部。背垫1417安装在背臀支座1413上，背臀支座1413通过背支架滑座1412、背支架滑座压板1411和快拆1415安装在背臀支撑架141上。背臀支座1413可以在背支架滑座1412上滑动，以调整背垫1417前后的位置。背支架滑座1412可以在背臀支撑架141的长方槽中上下滑动，以调整背垫1417上下的位置。臀垫1416安装在背臀支座1413上，背臀支座1413通过臀支架滑座1414和快拆1415安装在背臀支撑架141上。背臀支座1413可以在臀支架滑座1414上滑动，以调整臀垫1416前后的位置。

参考图5所示，本发明的机械腿支座13通过螺栓固定在背臀部支撑组件14上。支座架138前表面安装支座4个导轨座132及两个水平的支座导轨133，每个导轨上两个支座滑块131。左右滑板137通过螺栓与支座滑块131连接。左右滑板137的左侧滑板通过螺栓与丝杠左旋螺母134连接，左右滑板137的右侧滑板通过螺栓与丝杠右旋螺母140连接。丝杠左旋螺母134和丝杠右旋螺母140安装在一根左右旋丝杆136上。左右旋丝杆136通过支座轴承座135固定在支座架138上。左右旋丝杆136左端安装有手轮139，旋转手轮139就可调节左右滑板137的左侧滑板和右侧滑板的距离，达到调整两个机械腿的间距，以适应训练者身体宽度。

参考图6所示，髋连接板121上端通过螺栓固定在左右滑板137上，髋连接板121下端通过螺栓固定在髋关节驱动器129的上端。髋关节驱动器129的下端通过细腿杆122和粗腿杆123与膝关节驱动器127的上端相连。细腿杆122可以在粗腿杆123中滑动，以适应训练者大腿的长度。大腿托126通过腿托支撑杆125和腿托连接器124连接在粗腿杆123上，大腿托126在上下、前后和左右三个方向上可以滑动，以适应训练者大腿的位置。膝关节驱动器127的下端连接有粗腿杆123和细腿杆122。细腿杆122可以在粗腿杆123中滑动，以适应训练者小腿的长度。两个小腿托128通过腿托支撑杆125和腿托连接器124连接在粗腿杆123和细腿杆122上，两个小腿托128在上下、前后和左右三个方向上可以滑动，以适应训练者小腿的位置。

参考图7所示，本发明的外骨骼机械腿膝关节驱动器由电机1271经由输入刚轮1273、波发生器1277和输出刚轮1274组成的谐波减速器减速后直接带动小腿摆动。电机1271外壳通过螺栓固定在输入刚轮座1279上。输入刚轮1273通过螺栓固定在输入刚轮座1279上。输入刚轮座1279通过螺栓固定在轴承外支座1278上。轴承外支座1278凸耳通过螺栓与大腿上的粗腿杆123连接。电机1271输出轴经电机轴套1280与波发生器1277相连。输出刚轮1274通过螺栓与输出刚轮座1275固连。输出刚轮座1275通过轴承1272与轴承外支座1278相连。在输出刚轮座1275上安装有小腿连接板1276，小腿连接板1276与小腿上的粗腿杆123相连。这样电机1271正反转就可以带动大腿和小腿做屈曲和伸展运动。需要说明的是髋关节驱动器129和膝关节驱动器127主要区别在于限位开关的位置不同，其它结构都是相同的。

本发明的核心构思在于，采用电机经谐波减速器直接驱动的减重步行训练康复机器人，使其具有反向驱动性；同时避免了电机带丝杠驱动方式带来的电机转动角度与大小腿转角存在非线性关系，减少了角度换算引入的误差。

本发明的主要特点就在于，通过控制关节驱动器直接可以带动大、小推杆摆动，取消了丝扛与大小腿杆的铰接结构。在电机断电时，人腿可以带动机械腿运动，从而使康复训练机械装置的具有了反向驱动性。

以上所述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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1、一种减重步行康复训练机器人，包括电动跑步机和部分减重支持系统，其特征在于，所述机器人还包括外骨骼机械腿及其随动支撑装置，所述外骨骼机械腿及其随动支撑装置进一步包括：

支撑架，与所述电动跑步机的底座连接；

门式支架组件，通过门闩、门轴与所述支撑架连接，用于训练者进出；

背臀部支撑组件，与所述门式支架组件连接，用于支撑训练者的背臀部；

机械腿组件，通过机械腿支座与所述背臀部支撑组件连接，所述机械腿组件包括膝关节驱动器，所述膝关节驱动器由电机经由谐波减速器减速后带动训练者小腿摆动。

2、如权利要求1所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述门式支架组件进一步包括：

平行四杆上臂、平行四杆下臂、背臀支撑架和门架组成一个平行四杆机构；平行四杆上臂通过门架上支座与门架铰接，且通过背臀支撑架上支座与背臀支撑架铰接；平行四杆下臂通过门架下支座与门架铰接，且通过背臀支撑架下支座与背臀支撑架铰接；所述门架与所述支撑架连接。

3、如权利要求2所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述门式支架组件还包括：

在平行四杆上臂与门架之间设置有弹簧导杆，所述弹簧导杆上端通过平行四杆上臂支座与平行四杆上臂铰接，下端与安装在门架上的弹簧支座铰接。

4、如权利要求3所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述弹簧导杆中间设置有弹簧，所述弹簧的上端顶在所述弹簧导杆凸起的台阶上，下端位于所述弹簧支座凹进的台阶上。

5、如权利要求2所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述背臀部支撑组件进一步包括：

6、如权利要求5所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述背臀支撑架上设置有竖直方向的长方槽，所述背支架滑座安装在所述长方槽中。

7、如权利要求5所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述第一背臀支座与所述背支架滑座为滑动连接；所述第二背臀支座与所述臀支架滑座为滑动连接。

8、如权利要求1所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述机械腿支座组件进一步包括：

支座架；所述支座架上以上下两排的方式安装有四个支座导轨座；每排的支座导轨座之间设置有水平的支座导轨；每个所述支座导轨上设置有两个支座滑块；左右滑板与所述支座滑块连接，所述左右滑板的左侧滑板与第一螺母连接，左右滑板的右侧滑板与第二螺母连接，所述第一螺母与第二螺母的旋向相反；所述第一螺母和第二螺母安装在一根左右旋丝杆上，所述左右旋丝杆通过支座轴承座固定在支座架上，所述左右旋丝杆一端安装有手轮。

9、如权利要求8所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述机械腿组件进一步包括：

髋连接板，其上端固定在左右滑板上，下端固定在髋关节驱动器的上端；所述髋关节驱动器的下端通过套装在一起的第一细腿杆和第一粗腿杆与膝关节驱动器的上端相连；大腿托通过腿托支撑杆和腿托连接器连接在所述第一粗腿杆上；所述膝关节驱动器的下端连接有套装在一起的第二粗腿杆和第二细腿杆，两个小腿托通过腿托支撑杆和腿托连接器分别连接在第二粗腿杆和第二细腿杆上。

10、如权利要求9所述的减重步行康复训练机器人，其特征在于，所述谐波减速器包括输入刚轮、波发生器和输出刚轮；所述电机的外壳固定在输入刚轮座上，所述输入刚轮固定在输入刚轮座上，输入刚轮座固定在轴承外支座上，轴承外支座与第一粗腿杆连接；电机输出轴与波发生器相连，输出刚轮与输出刚轮座固连，输出刚轮座与轴承外支座相连，输出刚轮座上安装有小腿连接板，小腿连接板与所述第二粗腿杆相连。