CN102327173B - 外骨骼可穿戴下肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人，包括脚部外骨骼、踝关节外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、大腿外骨骼、髋关节外骨骼及腰部外骨骼，其中，踝关节外骨骼与脚部外骨骼相连，小腿外骨骼与踝关节外骨骼相连，膝关节外骨骼与小腿外骨骼相连，大腿外骨骼与膝关节外骨骼相连，髋关节外骨骼与大腿外骨骼相连，腰部外骨骼与髋关节外骨骼相连。使用谐波减速器传动及盘式电机，实现0回转误差以及驱动与患者关节的良好贴合，本发明可以通过固定于患者背后的电池驱动，解决了传统康复装置活动范围受限的问题，具有便携的特性。

Description

外骨骼可穿戴下肢康复机器人

技术领域

本发明涉及的是一种医疗康复系统，具体是一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人。

技术背景

康复医学是一门研究残疾人及患者康复的医学应用学科，其目的在于通过物理疗法，运动疗法，生活训练，技能训练，言语训练和心理咨询等多种手段使病伤残者尽快的得到最大限度的恢复，使身体残留部分的功能得到最充分的发挥，达到最大可能的生活自理，劳动和工作的能力，为病伤残者重返社会打下基础。据统计，目前我国由于中风、脊髓损伤以及各种事故引起的肢体功能障碍患者有877万人，而其中半数以上可以通过训练改善肢体功能。传统的康复训练是首先是从专业医生手把手的指导下开始，而后由病人的健康上肢或其家属、护士人工对病人患肢进行反复牵引。随着科学技术的发展，医疗机器人技术得到快速发展，康复机器人就是机器人技术在康复医疗方面的新应用。由于机器人不存在疲倦问题，能够满足不同患者的训练强度要求，因而更加适合于患者单独进行康复训练。

中国发明专利公开号：CN101623547，名称：截瘫患者用下肢康复医疗机器人。它包括底座、康复下肢训练装置、计算机控制系统。该机器人结合康复学理论和人机合作机器人原理，集主动、被动、助力、主从训练为一体，可用于心脑血管疾病致瘫或因意外事故及自然灾害等所造成的截瘫患者进行下肢及相关关节康复训练。但是不具备便携的特性，无法让患者对于特定关节训练同时训练协调性，使用范围受限。

中国发明专利公开号：CN201888908，名称：步态训练康复机器人。它利用跑步机履带实现类似行走的步态分析和训练环境。但是由于不是真实的便携，无法完成上下楼梯，转弯行走，坐下，躺下等复杂动作。本发明具有便携性，可以辅助患者进行真实的行动与训练。

中国发明专利公开号：CN102068367，名称：下肢多训练模式康复机器人。采用链式传动，存在回转误差大，机构复杂，关节贴合不良等不利因素。本发明使用谐波减速器，排除了齿轮链条等复杂的传动机构，使得关节与驱动贴合良好，并且消除了回转误差。

中国发明专利公开号：CN1593861，名称：一种可穿戴式的柔性外骨骼机械手。由肩部大3RPS并联机构、肩部滑环机构、两个肘部四杆机构、腕部滑环机构和腕部小3RPS并联机构依次串连而成。具有9个自由度，可满足人体上臂全方位 运动的要求。该机械手采用气缸作为执行元件，模仿人体肌肉伸缩的动作，具有较好的韧性和仿生学的特点，在增加了穿戴的方便性和舒适性的同时，大大地扩展了 操作者上肢的运动范围，降低和减少了现有外骨骼机构的运动限制。使用气缸作为驱动，附属部件庞大，不利于便携以及移动。

中国发明专利公开号：CN1586434，名称：可穿戴式的下肢步行外骨骼。由腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踝四杆机构和足底支撑依次串连构成。针对截肢病人或者肌肉萎缩病人，本发明可以利用事先编好的步行程序用作辅助行走工具。采用四杆机构进行传动，局部负荷大，整体机构复杂度与重量偏大。

中国发明专利公开号：CN101181177，名称：肩关节康复训练装置。具有运功柔顺性、穿戴舒适性及训练安全性特点。该装置由运动机构和支撑调整机构组成。支撑调整机构用来调整运动机构相对人体肩关节的位置，并将整个康复训练装置固定在人体背部的适当位置。采用钢丝绳传动，相对于本发明具有回转误差，机构复杂等缺点。

中国发明专利公开号：CN101125112，名称：一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置。包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手掌。本发明机器人装置有8个自由度，用来模拟人的上肢关节自由度，康复训练中能够提供较多的活动度，使人体上肢的主要关节都能得到辅助训练。本发明相对该发明采用无刷电机与谐波减速器进行驱动，驱动稳定，与关节贴合。

中国发明专利公开号：CN101433491，名称：多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人及其控制系统。包括机械手臂和机械手指，机械手指由机械拇指和结构相同的食指、中指、无名指和小指构成， 机械食指主要包括通过连杆依次相接的气动肌肉、手指末端支架、第一中间连接件、手指前端支架和第二中间连接件，气动肌肉通过刚性细绳带动第二中间连接件运 动，使得患者手指作外伸或内收运动。该发明采用气动肌肉驱动，需要庞大的附属配件，不具有便携性等特性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人，包括脚部外骨骼、踝关节外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、大腿外骨骼、髋关节外骨骼及腰部外骨骼，其中，踝关节外骨骼与脚部外骨骼相连，小腿外骨骼与踝关节外骨骼相连，膝关节外骨骼与小腿外骨骼相连，大腿外骨骼与膝关节外骨骼相连，髋关节外骨骼与大腿外骨骼相连，腰部外骨骼与髋关节外骨骼相连。

所述踝关节外骨骼包括：踝关节电机、踝关节脚部法兰及踝关节小腿下杆件，其中，踝关节电机设有内法兰和外法兰，踝关节脚部法兰的一端与脚部外骨骼固定连接，踝关节脚部法兰的另一端连接于踝关节电机的内法兰，踝关节小腿下杆件的一端与小腿外骨骼相连，踝关节小腿下杆件的另一端连接于踝关节电机的外法兰。

所述踝关节电机采用谐波减速器及盘式电机，踝关节电机的内法兰和外法兰设置在踝关节电机的输出端。

所述小腿外骨骼包括：小腿外骨骼套筒及小腿外骨骼固定板，其中，小腿外骨骼套筒的下端套装在踝关节小腿下杆件的外部，小腿外骨骼固定板与小腿外骨骼套筒固定连接，小腿外骨骼套筒的上端与膝关节外骨骼套装。

所述小腿外骨骼套筒与踝关节小腿下杆件之间通过螺丝调节长度。

所述膝关节外骨骼包括：膝关节小腿上杆件、膝关节驱动电机及膝关节大腿下杆件，其中，膝关节驱动电机设有内法兰和外法兰，膝关节小腿上杆件的一端与小腿外骨骼套筒的上端套装，膝关节小腿上杆件的另一端与膝关节驱动电机的内法兰相连，膝关节大腿下杆件的一端与膝关节驱动电机的外法兰相连，膝关节大腿下杆件的另一端与大腿外骨骼相连。

所述膝关节驱动电机采用谐波减速器及盘式电机，膝关节驱动电机的内法兰和外法兰设置在膝关节驱动电机的输出端。

所述大腿外骨骼包括：大腿外骨骼套筒和大腿外骨骼固定板，其中，腿外骨骼套筒的下端套装在膝关节大腿下杆件的外部，大腿外骨骼固定板与大腿外骨骼套筒固定连接，大腿外骨骼套筒的上端与髋关节外骨骼套装。

所述髋关节外骨骼包括：髋关节大腿上杆件、髋关节屈伸电机、髋关节连接件及髋关节侧展电机；所述腰部外骨骼包括腰部连接板22，其中，髋关节驱动电机设有内法兰和外法兰，髋关节大腿上杆件的一端与大腿外骨骼套筒的上端相连，髋关节大腿上杆件的另一端与髋关节屈伸电机的外法兰相连；髋关节侧展电机设有内法兰和外法兰，髋关节连接件的一端与髋关节屈伸电机的内法兰相连；髋关节连接件的另一端与髋关节侧展电机的内法兰相连；腰部外骨骼的一端与髋关节侧展电机的外法兰相连，腰部外骨骼7的另一端与患者腰部绑定。

所述髋关节屈伸电机采用谐波减速器和盘式电机，髋关节屈伸电机的内法兰和外法兰设置在髋关节屈伸电机的输出端。

所述踝关节电机、膝关节驱动电机及髋关节屈伸电机采用蓄电池作为驱动电源。

本发明相对现有技术具有以下优点：

1）使用盘式电机与谐波减速器，驱动贴合关节，0回转误差，可以对于患者下肢各个特定关节进行康复训练；

2）外骨骼大腿、外骨骼小腿部件采用类套筒设计，结合螺丝无级调节长度，使得各关节外骨骼能良好贴合患者关节，同时减轻重量，减低患者负担。

3）采用24V蓄电池供电、可穿戴。使得本发明具有良好的便携性，不受行动范围限制，能提供真实的训练与分析环境。

4）本发明可以有两种康复训练方式：在主动训练方式中，外骨骼通过肌电接口分析预测患者运动意图，进行助力和意外保护；在被动训练方式中，外骨骼在电机驱动下带动患者完成一些日常动作，进行反复性训练。

附图说明

图1为外骨骼可穿戴下肢康复机器人的结构示意图；

图2为踝关节外骨骼的结构示意图；

图3为小腿外骨骼的机构示意图；

图4为膝关节外骨骼的结构示意图；

图5为大腿外骨骼的结构示意图；

图6为骻关节外骨骼的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，所述外骨骼可穿戴下肢康复机器人包括：脚部外骨骼1；踝关节外骨骼2；小腿外骨骼3；膝关节外骨骼4；大腿外骨骼5；髋关节外骨骼6；腰部外骨骼7。其中，脚部外骨骼1直接穿戴与患者脚部；踝关节外骨骼2与脚部外骨骼1相连，可以驱动踝关节屈伸自由度，放开踝关节外展自由度；小腿外骨骼3与踝关节外骨骼2相连，可以通过调节螺丝无级调节长度，绑定于患者小腿；膝关节外骨骼4与小腿外骨骼3相连，可以驱动患者膝关节屈伸自由度；大腿外骨骼5与膝关节外骨骼4相连，可以通过调节螺丝无级调节长度，绑定于患者大腿，同时放开髋关节旋转自由度；髋关节外骨骼6与大腿外骨骼5相连，驱动髋关节屈伸与外展自由度；腰部外骨骼7与髋关节外骨骼6相连，绑定于患者腰部。

       如图2所示，所述踝关节外骨骼2包括：踝关节电机8；踝关节脚部法兰9；踝关节小腿下杆件10。其中，踝关节电机8采用谐波减速器和盘式电机，输出端设有内法兰和外法兰，对于踝关节屈伸自由度进行驱动；踝关节脚部法兰9的一端与脚部外骨骼固定连接，另一端连接于踝关节电机8的内法兰；踝关节小腿下杆件10的一端与小腿外骨骼3相连接，另一端连接于踝关节电机8的外法兰。

       如图3所示，所述小腿外骨骼3包括：小腿外骨骼套筒11和小腿外骨骼固定板12。其中，小腿外骨骼套筒11的下端套装在踝关节小腿下杆件10的外部，通过螺丝调节长度；小腿外骨骼固定板12与小腿外骨骼套筒11固定连接，可以与患者小腿绑定；小腿外骨骼套筒11的上端与膝关节外骨骼4套装，通过螺丝调节长度。

       如图4所示，所述膝关节外骨骼4包括：膝关节小腿上杆件13；膝关节驱动电机14；膝关节大腿下杆件15。其中，膝关节驱动电机14采用谐波减速器及盘式电机，输出端设有内法兰和外法兰，对于膝关节屈伸自由度进行驱动；膝关节小腿上杆件13的一端与小腿外骨骼套筒11的上端套装，通过螺丝调节长度；膝关节小腿上杆件13的另一端与膝关节驱动电机的内法兰相连；膝关节大腿下杆件15的一端与膝关节驱动电机14的外法兰相连，膝关节大腿下杆件15的另一端与大腿外骨骼5相连。

       如图5所示，所述大腿外骨骼5包括：大腿外骨骼套筒16和大腿外骨骼固定板17；其中，大腿外骨骼套筒16的下端套装在膝关节大腿下杆件15的外部，通过螺丝调节长度；大腿外骨骼固定板17与大腿外骨骼套筒16固定连接，可以与患者大腿绑定；大腿外骨骼套筒16的上端与髋关节外骨骼6套装，通过螺丝调节长度，放开髋关节旋转自由度。

       如图6所示，所述髋关节外骨骼6包括：髋关节大腿上杆件18；髋关节屈伸电机19；髋关节连接件20；髋关节侧展电机21；所述腰部外骨骼7包括：腰部连接板22。其中，髋关节屈伸电机19采用谐波减速器和盘式电机，输出端设有内法兰和外法兰，对于髋关节屈伸自由度进行驱动；髋关节大腿上杆件18的一端与大腿外骨骼套筒16的上端相连，髋关节大腿上杆件18的另一端与髋关节屈伸电机19的外法兰相连；髋关节侧展电机设有内法兰和外法兰，髋关节连接件20的一端与髋关节屈伸电机19的内法兰相连；髋关节连接件20的另一端与髋关节侧展电机21的内法兰相连；腰部外骨骼7的一端与髋关节侧展电机21的外法兰相连，腰部外骨骼7的另一端与患者腰部绑定。

   本发明所述踝关节电机、膝关节驱动电机及髋关节屈伸电机额定电压均为24V，由电机驱动器进行驱动。电机驱动器可以使用24V的蓄电池作为电源，驱动电机，使得本发明具有便携的特点。

       本发明所述电机驱动器可以通过CAN总线和串口与24V电源工控机进行连接。可以通过工控机发送期望轨迹给电机驱动器，对于患者特定关节进行实时的驱动。所述电机驱动器可以接收光电开关的0/1信号，当异常关节位置出现时及时停止电机提供保护。由此可以对于患者进行主动的功能性训练。

本发明的电机采用盘式电机与谐波减速器，驱动贴合关节，0回转误差，可以对于患者下肢各个特定关节进行康复训练；小腿外骨骼和大腿外骨骼采用类套筒设计，结合螺丝无级调节长度，使得各关节外骨骼能良好贴合患者关节，同时减轻重量，减低患者负担；采用蓄电池供电、可穿戴。使得本发明具有良好的便携性，不受行动范围限制，能提供真实的训练与分析环境；本发明可以有两种康复训练方式：在主动训练方式中，外骨骼通过肌电接口分析预测患者运动意图，进行助力和保护；在被动训练方式中，外骨骼在电机驱动下带动患者完成一些日常动作，进行训练。

Claims (4)

1.一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人，包括脚部外骨骼、踝关节外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、大腿外骨骼、髋关节外骨骼及腰部外骨骼，其中，踝关节外骨骼与脚部外骨骼相连，小腿外骨骼与踝关节外骨骼相连，膝关节外骨骼与小腿外骨骼相连，大腿外骨骼与膝关节外骨骼相连，髋关节外骨骼与大腿外骨骼相连，腰部外骨骼与髋关节外骨骼相连；其特特征在于：

所述踝关节外骨骼包括：踝关节电机、踝关节脚部法兰及踝关节小腿下杆件，其中，踝关节电机设有内法兰和外法兰，踝关节脚部法兰的一端与脚部外骨骼固定连接，踝关节脚部法兰的另一端连接于踝关节电机的内法兰，踝关节小腿下杆件的一端与小腿外骨骼相连，踝关节小腿下杆件的另一端连接于踝关节电机的外法兰；

所述踝关节电机采用谐波减速器及盘式电机，实现驱动贴合关节，具有零回转误差；踝关节电机的内法兰和外法兰设置在踝关节电机的输出端，所述踝关节电机采用蓄电池作为驱动电源；

所述膝关节外骨骼包括：膝关节小腿上杆件、膝关节驱动电机及膝关节大腿下杆件，其中，膝关节驱动电机设有内法兰和外法兰，膝关节小腿上杆件的一端与小腿外骨骼套筒的上端套装，膝关节小腿上杆件的另一端与膝关节驱动电机的内法兰相连，膝关节大腿下杆件的一端与膝关节驱动电机的外法兰相连，膝关节大腿下杆件的另一端与大腿外骨骼相连；

所述膝关节驱动电机采用谐波减速器及盘式电机，实现驱动贴合关节，具有零回转误差；膝关节驱动电机的内法兰和外法兰设置在膝关节驱动电机的输出端，所述膝关节驱动电机采用蓄电池作为驱动电源；

所述髋关节外骨骼包括：髋关节大腿上杆件、髋关节屈伸电机、髋关节连接件及髋关节侧展电机；所述腰部外骨骼包括腰部连接板，其中，髋关节屈伸电机设有内法兰和外法兰，髋关节大腿上杆件的一端与大腿外骨骼套筒的上端相连，髋关节大腿上杆件的另一端与髋关节屈伸电机的外法兰相连；髋关节侧展电机设有内法兰和外法兰，髋关节连接件的一端与髋关节屈伸电机的内法兰相连；髋关节连接件的另一端与髋关节侧展电机的内法兰相连；腰部外骨骼的一端与髋关节侧展电机的外法兰相连，腰部外骨骼的另一端与患者腰部绑定；

所述髋关节屈伸电机采用谐波减速器和盘式电机，髋关节屈伸电机的内法兰和外法兰设置在髋关节屈伸电机的输出端，所述髋关节屈伸电机采用蓄电池作为驱动电源。

2.根据权利要求1所述的外骨骼可穿戴下肢康复机器人，其特征在于，所述小腿外骨骼包括：小腿外骨骼套筒及小腿外骨骼固定板，其中，小腿外骨骼套筒的下端套装在踝关节小腿下杆件的外部，小腿外骨骼固定板与小腿外骨骼套筒固定连接，小腿外骨骼套筒的上端与膝关节外骨骼套装。

3.根据权利要求2所述的外骨骼可穿戴下肢康复机器人，其特征在于，所述小腿外骨骼套筒与踝关节小腿下杆件之间通过螺丝调节长度。

4.根据权利要求1所述的外骨骼可穿戴下肢康复机器人，其特征在于，所述大腿外骨骼包括：大腿外骨骼套筒和大腿外骨骼固定板，其中，大腿外骨骼套筒的下端套装在膝关节大腿下杆件的外部，大腿外骨骼固定板与大腿外骨骼套筒固定连接，大腿外骨骼套筒的上端与髋关节外骨骼套装。

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