CN102512307A - 一种多位姿下肢康复训练机器人 - Google Patents

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本发明属于康复医疗器械领域，特别涉及一种多位姿下肢康复训练机器人。包括支撑机构、患者固定系统、下肢训练装置和控制系统，下肢训练机构利用了随遇平衡的原理，可在平躺状态下方便转换为无外动力训练模式；采用了通过将固定患者上半身与滑动平板相连的患者减重和固定形式；足底气囊训练机构轻便灵活，患者可在下肢震动反馈模块提示下实现更好的训练效果；将可实现随遇平衡的外骨骼下肢康复设备与平板式固定减重系统以及震动反馈等功能模块集成为系统，充分利用随遇平衡、可调间距平板、更为直观的震动反馈特性，通过主动控制模式、被动控制模式、阻抗控制模式等，实现了多位姿下肢康复训练机器人功能。

Description

一种多位姿下肢康复训练机器人
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，特别涉及一种多位姿下肢康复训练机器人。
背景技术
脑卒中等脑血管疾病，脑或脊柱损伤等中枢神经损伤等患者病残率较高，主要包括后遗症急性的神经性瘫痪等，有不同程度的生活能力、劳动能力丧失。而实际上给予此类患者患者及时的康复治疗，患者可恢复大部分运动功能。神经康复机器人是依据康复医学，代替传统医疗师进行康复护理的治疗机器人。目前于脑卒中等脑血管疾病，脑或脊柱损伤等中枢神经损伤等患者通常采用治疗师一对一的手法治疗，效率低、强度大。目前现有的下肢康复机器人多采用悬吊式减重步行结构，存在的缺点在于：1.仅适用于已有步行能力康复后期患者，对康复早期的患者未给予足够重视；2.受到传统外骨骼结构的限制，膝关节电机需连接在下肢臂杆上，对髋关节电机造成较大负担，同时限制了外骨骼的灵活度；
为克服已有技术和产品不足，本发明提出了下肢康复机器人的一种新型系统，本发明布局合理，由支撑机构、患者固定系统、下肢训练装置和控制系统构成，将减重站立训练和下肢多种模式和轨迹的运动结合起来，针对脑血管疾病、中枢神经损伤患者不同康复阶段对应的实际情况，患者固定系统可产生不同训练位姿，训练位姿包括平躺至站立间的不同角度；外骨骼式下肢训练装置可带动患者下肢产生不同训练模式、训练轨迹和刺激形式组合的训练方法，训练模式包括主动训练、被动训练、阻抗训练等；可实现下肢训练轨迹包括直线、圆弧、正常步态等轨迹；训练机构利用了随遇平衡原理，将原动机构后置，运动灵活，稳定可靠，并可在平躺状态下方便转换为无外动力训练模式；可在下肢震动反馈模块下实现更好的训练效果；本发明在下肢康复技术领域特别是早期康复领域将有广泛的应用前景。
发明内容
本发明针对现有产品和技术的不足，提供了一种多位姿下肢康复训练机器人，可应用于脑血管疾病，脑或脊柱损伤等中枢神经损伤等患者康复技术领域。
本发明采用的技术方案为：
该机器人包括支撑机构、患者固定系统、下肢训练装置和控制系统：
所述支撑机构包括固定设备的底座、承载患者固定系统和下肢训练装置的背部平板机架，底座上固定设置前支撑架和后支撑架；后支撑架和背部平板机架之间通过铰链连接，第一电动推杆一端铰接于后支撑架上，另一端铰接于背部平板机架上，推动背部平板机架，实现背部平板机架与底座间的相对转动；
所述固定系统包括背部滑动板、腰部固定板、髋外展机架、腿部支撑板、挠性板、下肢固定绑带、上肢固定绑带、滑轮、减重电机组件、线缆；背部滑动板置于背部平板机架上，通过顶侧滑动导轨与背部平板机架平行连接，并通过榫卯结构与固定连接在背部平板机架上的腰部固定板实现Y轴方向相对位置的变化，背部滑动板上安装有X向间距可调的上肢固定绑带，通过腋下位置将患者上部固定在此背部滑动板上；同时背部滑动板通过固连其上的线缆绕过前支撑架上的滑轮，被放置于底座上的减重电机组件拉动，实现不同身高患者固定和不同体重患者减重的作用；腰部固定板与背部平板机架固连，其下端的挠性板上装有下肢固定绑带，通过裆部和腰部将患者腰部以下躯干固定；髋外展机架设置在腰部固定板的左侧，与背部平板机架固连；腰部固定板的下端边缘安装可转动的腿部支撑板，第四电动推杆一端与腿部支撑板的底面铰接，另一端与后支撑架铰接；
所述下肢训练装置包括左右两组外骨骼下肢臂架、腿部绑带、脚垫、足底气囊、振动反馈装置、底侧滑动导轨安装杆；左右两组外骨骼下肢臂架分别与髋外展机架以及腰部固定板的下端连接，主体结构采用采用平行四边形构型，由大腿杆、下侧短边连接杆、下侧长边连接杆和小腿杆组成，大腿杆的中部位置与下侧长边连接杆铰接，小腿杆的中部位置与下侧短边连接杆铰接，髋外展机架与一根大腿杆构成髋关节，大腿杆与小腿杆间构成膝关节；左侧外骨骼下肢臂架的下侧短边连接杆和下侧长边连接杆的相交处结点通过滑块与底侧滑动导轨配合，底侧滑动导轨固定在底侧滑动导轨安装杆上，底侧滑动导轨安装杆与髋外展机架铰接，实现工作臂架的随遇平衡；第二电动推杆一端铰接于底侧滑动导轨安装杆上，另一端铰接于髋外展机架上，第三电动推杆的一端与左侧外骨骼下肢臂架的大腿杆铰链，另一端与髋外展机架铰接；第二、三、五电动推杆分别在对侧有相同功能推杆实现另外一侧类似功能；腿部绑带安装在小腿杆上，脚垫安装在小腿杆的末端，腿部绑带上设置振动反馈装置，脚垫上设置足底气囊。
所述控制系统包括主机、显示器、控制器；控制系统控制第一电动推杆、第二电动推杆、第三电动推杆、第四电动推杆、足底气囊、振动反馈装置、减重电机组件连接，通过各个电动推缸设定在患者腿部运动平面的不同点的速度参数，在患者的运动可达空间内形成了速度场，引导患者被动的沿设定轨迹运动；或者可设定运动平面内的不同点的力参数，在运动可达空间内形成力场，使用于患者主动运动训练及阻抗运动训练等；通过控制足底气囊的充放气动作，实现对患者足底的压力变化，并可通过两气囊充气后高度差完成踝关节的跖屈动作；通过控制振动反馈装置交替振动，提示患者完成迈腿、收回动作。
所述背部滑动板与腰部固定板之间设置阻尼器。
所述腰部固定板与髋外展机架组合后的外侧两边分别设置一个扶手。
所述腰部固定板和背部平板机架的背面设置与二者铰接的由控制系统控制的第五电动推杆。
所述底座的下方设置滚轮。
所述背部滑动板的背面设置宽度调节装置，用来调节上肢固定绑带的位置。
本发明的有益效果为：
本发明布局合理，下肢训练机构利用了随遇平衡的原理，将原动机构后置，运动灵活，稳定可靠，并可在平躺状态下方便转换为无外动力训练模式；采用了通过将固定患者上半身与滑动平板相连的患者减重和固定形式，更为灵活、安全；足底气囊训练机构轻便灵活；患者可在下肢震动反馈模块提示下实现更好的训练效果；将可实现随遇平衡的外骨骼下肢康复设备与平板式固定减重系统以及震动反馈等功能模块集成为系统，充分利用随遇平衡、可调间距平板、更为直观的震动反馈特性，通过主动控制模式、被动控制模式、阻抗控制模式等，实现了多位姿下肢康复训练机器人功能。
附图说明
图1、图2是多位姿下肢康复机器人的机构示意图；
图3是下肢外骨骼机构图；
图4是固定减重结构示意图。
图中标号：
1-背部滑动板；2-上肢固定绑带；3-阻尼器；4-腰部固定板；5-扶手；6-下肢固定绑带；7-大腿杆；8-下侧短边连接杆；9-下侧长边连接杆；10-腿部绑带；11-振动反馈装置；12-小腿杆；13-脚垫；14-腿部支撑板；15-后支撑架；16-第三电动推杆；17-铰链；18-铰链；19-髋外展机架；20-第二电动推杆；21-底座；22-背部平板机架；23-顶侧滑动导轨；24-挠性板；25-足底气囊；26-铰链；27-底侧滑动导轨；28-底侧滑动导轨安装杆；29-第四电动推杆；30-第一电动推杆；31-滚轮；32-减重电机组件；33-铰链；34-前支撑架；35-滑轮；36-线缆；37-第五电动推杆；38-宽度调节装置.
具体实施方式
本发明提供了一种多位姿下肢康复训练机器人，下面结合结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
见图1和图2，多位姿下肢康复机器人包括支撑机构、患者固定系统、下肢训练装置和控制系统。整体外形尺寸长×宽×高＝2000×600×1000mm3。
支撑机构包括固定设备的底座21、承载患者固定系统和下肢训练装置的背部平板机架22，底座21上固定设置前支撑架34和后支撑架15；后支撑架15和背部平板机架22之间通过铰链33连接，第一电动推杆30一端铰接于后支撑架15上，另一端铰接于背部平板机架22上，推动背部平板机架22，实现背部平板机架22与底座21间的相对转动。初始状态时，背部平板机架22末端落于前支撑架34上；第一电动推杆30末端安装于底座21上，顶端与背部平板机架22相连，通过第一电动推杆30的伸缩实现背部平板机架22的与底座间的相对转动，即实现患者和预期相连接的固定系统相对地面角度的变化，实现患者由平躺至站立间不同角度的变化；底座21底部安装有滑轮35，便于设备的转移。
固定系统包括背部滑动板1、腰部固定板4、髋外展机架19、腿部支撑板14、挠性板24、下肢固定绑带6、上肢固定绑带2、滑轮35、减重电机组件32、线缆36；背部滑动板1置于背部平板机架22上，通过顶侧滑动导轨23与背部平板机架22平行连接，并通过榫卯结构与固定连接在背部平板机架22上的腰部固定板4实现Y轴方向相对位置的变化，背部滑动板1上安装有X向间距可调的上肢固定绑带2，通过腋下位置将患者上部固定在此背部滑动板1上，背部滑动板1的背面设置宽度调节装置38，用来调节上肢固定绑带2的位置；同时背部滑动板1通过固连其上的线缆36绕过前支撑架15上的滑轮35，被放置于底座21上的减重电机组件32拉动，实现不同身高患者固定和不同体重患者减重的作用；腰部固定板4与背部平板机架22固连，其下端的挠性板24上装有下肢固定绑带6，通过裆部和腰部将患者腰部以下躯干固定，挠性板24呈一钝角V字形，弯角处较柔软，既可通过臀部对上身躯干实现部分支撑，也不会影响下肢康复训练运动；髋外展机架19设置在腰部固定板4的左侧，与背部平板机架22固连；腰部固定板4的下端边缘安装可转动的腿部支撑板14，第四电动推杆29一端与腿部支撑板14的底面铰接，另一端与后支撑架15铰接，实现腿部支撑板14与背部平板机架22间的相对转动，即实现患者腿部和上肢躯干相对角度的变化，训练前腿部支撑板14与背部平板机架22保持在同一平面，患者转移至此平台上并与下肢外骨骼固定后，腿部支撑板14再收回至与地面垂直，不会影响外骨骼机构带动患者下肢训练运动。
下肢训练装置包括左右两组外骨骼下肢臂架、腿部绑带10、脚垫13、足底气囊25、振动反馈装置11、底侧滑动导轨安装杆28；左右两组外骨骼下肢臂架分别与髋外展机架19以及腰部固定板4的下端连接，主体结构采用采用平行四边形构型，由大腿杆7、下侧短边连接杆8、下侧长边连接杆9和小腿杆12组成，大腿杆7的中部位置与下侧长边连接杆9铰接，小腿杆12的中部位置与下侧短边连接杆8铰接，髋外展机架19与一根大腿杆7构成髋关节，大腿杆7与小腿杆12间构成膝关节；左侧外骨骼下肢臂架的下侧短边连接杆8和下侧长边连接杆9的相交处结点通过滑块与底侧滑动导轨27配合，底侧滑动导轨27固定在底侧滑动导轨安装杆28上，底侧滑动导轨安装杆28与髋外展机架19通过铰链18铰接，实现工作臂架的随遇平衡；第二电动推杆20一端铰接于底侧滑动导轨安装杆28上，另一端铰接于髋外展机架19上，第三电动推杆16的一端与左侧外骨骼下肢臂架的大腿杆7铰链，另一端与髋外展机架19铰接；腿部绑带10安装在小腿杆12上，脚垫13安装在小腿杆12的末端，腿部绑带10上设置振动反馈装置11，脚垫上设置足底气囊25。
患者的作用力将通过四边形结构的下侧两边传递到底侧滑动导轨27上，底侧滑动导轨安装杆28由第二电动推杆20推动，绕髋外展机架19所在的X轴转动，大腿杆7由第三电动推杆16推动绕髋外展机架19所在的X轴转动，通过此两杆的协调转动实现对应关节的转动；髋外展机架19与背部平板机架22通过铰链26铰接(Z轴转向，垂直冠状面)，每侧的下肢训练装置可通过平行安装于背部固定板的第五电动推杆37伸缩实现下肢外骨骼机构整体绕Z轴方向旋转，完成患者髋关节外展动作；
控制系统包括主机、显示器、控制器；主机和控制器放置于底座21的底板上；控制系统控制第一电动推杆30、第二电动推杆20、第三电动推杆16、第四电动推杆29、足底气囊25、振动反馈装置11、减重电机组件32连接。控制系统通过控制第一电动推杆30推动背部平行机架22和第四电动推杆29推动腿部支撑板14的倾斜，实现患者由卧姿到立姿的转换，适用于不同时期的患者；通过控制各个电动推缸设定在患者腿部运动平面的不同点的速度参数，在患者的运动可达空间内形成了速度场，引导患者被动的沿设定轨迹运动；或者可设定运动平面内的不同点的力参数，在运动可达空间内形成力场，使用于患者主动运动训练及阻抗运动训练等；通过控制足底气囊25的充放气动作，实现对患者足底的压力变化，并可通过两气囊充气后高度差完成踝关节的跖屈动作；通过控制振动反馈装置11交替振动，提示患者完成迈腿、收回动作；通过控制上肢固定绑带2的间距，以及背部滑动板和腰部固定板的间距，以适应不同身高和体宽的患者。

Claims (3)

1.一种多位姿下肢康复训练机器人，其特征在于：包括支撑机构、患者固定系统、下肢训练装置和控制系统，
所述支撑机构包括底座(21)、前支撑架(34)、后支撑架(15)、第一电动推杆(30)，第一电动推杆(30)一端与背部平板机架(22)铰接，另一端与底座(21)铰接；
所述固定系统结构为：背部平板机架(22)与前支撑架(34)铰接，背部滑动板(1)置于背部平板机架(22)上平行滑动连接，腰部固定板(4)固定连接在背部平板机架(22)上；背部滑动板(1)上安装有上肢固定绑带(2)；髋外展机架(19)设置在腰部固定板(4)的两侧，与背部平板机架(22)铰接；
所述下肢训练装置结构为：左右两组外骨骼下肢臂架分别与髋外展机架(19)的外端连接，主体结构采用采用平行四边形构型，外骨骼臂架的平行四边形结构下方结点连接于底侧滑动导轨(27)滑块上，底侧滑动导轨(27)固定在底侧滑动导轨安装杆(28)上，底侧滑动导轨安装杆(28)与髋外展机架(19)铰接；第二电动推杆(20)一端铰接于底侧滑动导轨安装杆(28)上，另一端铰接于髋外展机架(19)上；第三电动推杆(16)的一端与大腿杆铰链，另一端与髋外展机架(19)铰接；第五电动推杆(37)一端与髋外展机架(19)铰链，另一端与背部平板机架(22)铰接；
所述控制系统包括主机、显示器、控制器；控制系统分别与各电动推杆连接，实现被动运动、主动运动训练及阻抗运动训练等。
2.根据权利要求1所述的一种多位姿下肢康复训练机器人，其特征在于：所述外骨骼下肢臂架由大腿杆(7)、下侧短边连接杆(8)、下侧长边连接杆(9)和小腿杆(12)组成，大腿杆(7)在距其底端、与下侧长边连接杆等长处与下侧长边连接杆(9)铰接，小腿杆(12)在距其顶端、与下侧短边连接杆等长处与下侧短边连接杆(8)铰接，髋外展机架(19)与一根大腿杆(7)构成髋关节，大腿杆(7)与小腿杆(12)间构成膝关节结构。
3.根据权利要求2所述的一种多位姿下肢康复训练机器人，其特征在于：所述大腿杆(7)或小腿杆(12)上安装腿部绑带(10)，腿部绑带(10)内部设置振动反馈装置(11)，脚垫(13)安装在小腿杆(12)的末端，脚垫(13)上设置足底气囊(25)；振动反馈装置(11)和足底气囊(25)均与控制系统连接。
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