CN102836048B - 一种下肢康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于康复医疗器械领域，特别涉及一种下肢康复训练机器人，由支撑机构、倾斜系统、下肢训练机构和控制系统组成。下肢训练机构包括髋关节机构和踝关节机构，而踝关节机构由实现直线往复运动的丝杠螺母结构和实现跖屈和背曲的曲柄四杆机构组成。利用了髋关节和踝关节机构的组合，充分利用四杆机构原理完成不同的训练任务，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、被动训练和阻抗训练等；下肢训练刺激形式包括髋关节屈曲和伸展刺激、足底往复刺激、踝关节趾屈和背曲刺激以及组合刺激等；运动灵活，稳定可靠，外观简单，易于被患者接受。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，特别涉及一种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早期康复技术领域。
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及时的康复治疗，特别是在患病早期，患者可恢复大部分运动功能。神经机器人辅助康复医疗是依据康复医学原理，用康复机器人代替传统医疗师进行康复护理，具有准确率高、重复性好、客观性强等优点。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。目前市场上比较缺少下肢康复训练机器人，即使现有的下肢康复机器人也是形式和功能单一，存在的缺点在于：1、仅适用于已有平衡能力和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，而科学证明在患病初期前6个月进行康复训练效果远远好于患病6个月后；2、外骨骼机器人受到传统外骨骼机械结构的限制，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；3、机器人机构复杂且暴露在外，患者易产生恐惧感，难以接受。
发明内容
针对目前市场上产品的不足，本发明提出了一种下肢康复训练机器人。
本发明采用的技术方案为：
该系统由支撑机构、倾斜系统、下肢训练机构和控制系统组成：
所述支撑机构和倾斜系统：包括起固定作用的床座、下肢康复装置的安装平台床板架、固定患者并承载患者部分体重的床板、倾斜动力源电动推杆和控制箱；床座和床板架之间通过铰链连接；电动推杆的尾部铰接于床座上，头部铰接于床板架上，推动床板架和床板，实现床板架与床座间的相对转动；床板中部设置凹槽，患者的臀部嵌入其中，起到固定、定位和减重作用；
所述下肢训练机构：分为髋关节机构和踝关节机构两部分；髋关节机构由L形铝、直线导轨、大腿支撑架、电推缸、旋转轴以及柔性绑带组成；旋转轴设置在床板的背面，床板中部凹槽的下方设置两个平行的条形孔，L形铝穿过条形孔，且其拐角处与旋转轴固接，直线导轨安装在L形铝的一条臂上，其一端设置大腿支撑架；电推缸的输出端与L形铝的另一条臂末端通过销钉连接；大腿通过柔性绑带固定在大腿支撑架上、通过电推缸驱动实现髋关节的屈曲和伸展；
踝关节机构由丝杠支撑端、脚踏板、丝杠固定端、丝杠、锥齿轮、推板、合页、直线轴承、第一电机、第二电机、滑道小轴、凸缘轴承、滑道侧板、盒铝、直线导轨、U形铝座组成；在床板的下端、两个条形孔的下方分别设置一个方形孔，在该方形孔内，丝杠通过丝杠支撑端和丝杠固定端固定在床板架上；丝杠上设置螺母，推板与螺母固接，第二电机的输出端与丝杠连接，丝杠旋转带动螺母做直线往复运动；滑道侧板、凸缘轴承和滑道小轴组成的约束滑道通过螺钉固定在床板架的背面，盒铝设置在约束滑道中，盒铝的一面嵌有齿条，通过齿轮啮合与固定在滑道侧板上的第一电机连接，盒铝的一端通过U形铝和直线导轨铰接，直线导轨固定在脚踏板上，脚踏板通过合页铰接在直线轴承上，直线轴承在轴承钢上自由滑动，床板的方形孔内，轴承钢固定在床板架上且与丝杠平行，第一电机驱动脚踏板运动，配合髋关节机构实现踝关节的趾屈和背曲；
所述控制系统：包括主机和控制器；主机通过电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；通过控制电机实现踝关节的趾屈和背曲，配合髋关节的运动模拟正常走路步态。
所述大腿支撑架的内侧安装有上下分布的振子，通过控制系统控制实现其交替振动，提示患者完成训练动作。
所述床座上安装自锁脚轮。
发明的工作原理为：患者患病初期无法站立，将康复装置和直立床相结合，通过电动推杆实现床体角度的变化，即可实现患者姿态的改变，采用床板上的凹槽和悬挂的方式相结合实现患者减重，下肢训练设备通过髋关节和踝关节机构动作组合，满足不同康复时期的训练任务，实现患者的被动、主动、阻尼等多种模式的运动形式，控制系统控制安装于患者腿部前后两侧的振子交替振动，提示患者完成动作；
本发明的有益效果为：
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，支撑机构和倾斜系统可提供不同训练位姿和角度，训练位姿包括从平躺0°至站立90°的范围；通过将固定患者上半身，臀部与床体凹槽贴合和悬挂的方式减重，更为灵活、安全；利用了髋关节和踝关节机构的组合，充分利用四杆机构原理完成不同的训练任务；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、被动训练和阻抗训练等；下肢训练刺激形式包括髋关节屈曲和伸展刺激、足底往复刺激、踝关节趾屈和背曲刺激以及组合刺激等；训练机构利用了曲柄滑块机构、丝杠螺母传动等，将原动机构后置，运动灵活，稳定可靠，外观简单，易于被患者接受。
针对患者患病早期不同的训练目标提供高效率的康复任务，髋关节机构训练患者下肢神经的控制能力和肌肉的运动能力，防止肌肉废用性萎缩和维持关节的灵活性；足底的往复机构和踝关节机构模拟走路时足部与地面的相互作用，对患者产生刺激，提高神经的控制能力；髋关节机构和足底往复机构相互配合模拟人体步态，训练患者的平衡能力和神经控制运动能力。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，所有训练的目的使患者恢复生活能力。
附图说明
图1为下肢康复机器人机构的正面结构示意图；
图2为下肢康复机器人机构的背面结构示意图；
图3为髋关节机构原理图；
图4为踝关节机构原理图
图中标号：
1-床板；2-床板架；3-L形铝；4-直线导轨；5-大腿支撑架；6-丝杠支撑端；7-脚踏板；8-丝杠固定端；9-丝杠；10-轴承钢；11-锥齿轮；12-螺母；13-推板；14-合页；15-直线轴承；16-电推缸；17-电动推杆；18-控制箱；19-床座；20-自锁脚轮；21-旋转轴；22-销钉；23-第一电机；24-滑道小轴；25-凸缘轴承；26-滑道侧板；27-盒铝；28-销轴；29-直线导轨；30-U形铝；31-轴承钢；32-销轴；33-第二电机。
具体实施方式
本发明提供了一种下肢康复训练机器人，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的结构如图1和图2所示，主要分为支撑机构、倾斜系统、下肢训练机构和控制系统四个部分。
所述支撑机构和倾斜系统：包括起固定作用的床座19、下肢康复装置的安装平台床板架2、固定患者并承载患者部分体重的床板1、倾斜动力源电动推杆17、控制箱18；床座19和床板架2之间通过轴承钢31铰接；电动推杆17的尾部通过销轴28铰接于床座19上，头部通过销轴32铰接于床板架2上，推动床板架2和床板1，实现床板架2与床座19间的相对转动；床板1中部设置凹槽，患者的臀部嵌入其中，起到固定、定位和减重作用；床座19上安装自锁脚轮20；初始状态时，床板架2和床板1落于床座19上，通过电动推杆17的伸缩实现床板架2与床座19间0°~90°的相对转动，即实现患者相对地面角度的变化，由平躺至站立间不同角度的变化；
所述下肢训练机构：分为髋关节机构和踝关节机构两部分；髋关节机构由L形铝3、直线导轨4、大腿支撑架5、电推缸16、旋转轴21以及柔性绑带组成；旋转轴21设置在床板1的背面，床板1中部凹槽的下方设置两个平行的条形孔，L形铝3穿过条形孔，且其拐角处与旋转轴21固接，直线导轨4安装在L形铝3的一条臂上，其一端设置大腿支撑架5；电推缸16的输出端与L形铝3的另一条臂末端通过销钉22连接，电推缸16通过轴承钢31铰接在床板架2上；大腿通过柔性绑带固定在大腿支撑架5上、通过电推缸16驱动实现髋关节的屈曲和伸展；直线导轨4的滑动可以适应不同患者不同的大腿长度；大腿支撑架5的内侧安装有上下分布的振子，通过控制系统控制实现其交替振动，提示患者完成训练动作。
踝关节机构由丝杠支撑端6、脚踏板7、丝杠固定端8、丝杠9、锥齿轮11、推板13、合页14、直线轴承15、第一电机23、第二电机33、滑道小轴24、凸缘轴承25、滑道侧板26、盒铝27、直线导轨29、U形铝座30组成；在床板1的下端、两个条形孔的下方分别设置一个方形孔，在该方形孔内，丝杠9通过丝杠支撑端6和丝杠固定端8固定在床板架2上；丝杠9上设置螺母12，推板13与螺母12固接，第二电机33的输出端通过一对1：1的锥齿轮11与丝杠9连接，将运动方向旋转90°，丝杠9旋转带动螺母12做直线往复运动，使推板13带动脚踏板7做往复直线运动；滑道侧板26、凸缘轴承25和滑道小轴24组成的约束滑道通过螺钉固定在床板架2的背面，盒铝27设置在约束滑道中，盒铝27的一面嵌有齿条，通过齿轮啮合与固定在滑道侧板26上的第一电机23连接，盒铝27的一端通过U形铝30和直线导轨29铰接，直线导轨固定在脚踏板7上，脚踏板7通过合页14铰接在直线轴承15上，直线轴承15在轴承钢10上自由滑动，床板1的方形孔内，轴承钢10固定在床板架2上且与丝杠9平行，第一电机23驱动脚踏板7运动，配合髋关节机构实现踝关节的趾屈和背曲；
两套踝关节机构有两套，分别实现直线往复运动和踝关节的跖屈和背曲，两套机构的结合点是脚踏板7；
所述控制系统：包括主机和控制器；控制箱18内部包含所有电机的驱动器和控制器，通过电缆与外部计算机连接通信。主机通过电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；通过控制电机实现踝关节的趾屈和背曲，配合髋关节的运动模拟正常走路步态。
本实施例整体外形尺寸长×宽×高=2000 mm×600 mm×600mm。
Claims (3)
1.一种下肢康复训练机器人，由支撑机构、倾斜系统、下肢训练机构和控制系统组成，其特征在于，
所述支撑机构和倾斜系统：包括起固定作用的床座（19）、下肢康复装置的安装平台床板架（2）、固定患者并承载患者部分体重的床板（1）、倾斜动力源电动推杆（17）和控制箱（18）；床座（19）和床板架（2）之间通过铰链连接；电动推杆（17）的尾部铰接于床座（19）上，头部铰接于床板架（2）上，推动床板架（2）和床板（1），实现床板架（2）与床座（19）间的相对转动；床板（1）中部设置凹槽，患者的臀部嵌入其中，起到固定、定位和减重作用；
所述下肢训练机构：分为髋关节机构和踝关节机构两部分；髋关节机构由L形铝（3）、直线导轨（4）、大腿支撑架（5）、电推缸（16）、旋转轴（21）以及柔性绑带组成；旋转轴（21）设置在床板（1）的背面，床板（1）中部凹槽的下方设置两个平行的条形孔，L形铝（3）穿过条形孔，且其拐角处与旋转轴（21）固接，直线导轨（4）安装在L形铝（3）的一条臂上，其一端设置大腿支撑架（5）；电推缸（16）的输出端与L形铝（3）的另一条臂末端通过销钉连接；大腿通过柔性绑带固定在大腿支撑架（5）上、通过电推缸（16）驱动实现髋关节的屈曲和伸展；
踝关节机构由丝杠支撑端（6）、脚踏板（7）、丝杠固定端（8）、丝杠（9）、锥齿轮（11）、推板（13）、合页（14）、直线轴承（15）、第一电机（23）、第二电机（33）、滑道小轴（24）、凸缘轴承（25）、滑道侧板（26）、盒铝（27）、直线导轨（29）、U形铝（30）组成；在床板（1）的下端、两个条形孔的下方分别设置一个方形孔，在该方形孔内，丝杠（9）通过丝杠支撑端（6）和丝杠固定端（8）固定在床板架（2）上；丝杠（9）上设置螺母（12），推板（13）与螺母（12）固接，第二电机（33）的输出端与丝杠（9）连接，丝杠（9）旋转带动螺母（12）做直线往复运动；滑道侧板（26）、凸缘轴承（25）和滑道小轴（24）组成的约束滑道通过螺钉固定在床板架（2）的背面，盒铝（27）设置在约束滑道中，盒铝（27）的一面嵌有齿条，通过齿轮啮合与固定在滑道侧板（26）上的第一电机（23）连接，盒铝（27）的一端通过U形铝（30）和所述踝关节机构中的直线导轨（29）铰接，所述踝关节机构中的直线导轨固定在脚踏板（7）上，脚踏板（7）通过合页（14）铰接在直线轴承（15）上，直线轴承（15）在轴承钢（10）上自由滑动，床板（1）的方形孔内，轴承钢（10）固定在床板架（2）上且与丝杠（9）平行，第一电机（23）驱动脚踏板（7）运动，配合髋关节机构实现踝关节的趾屈和背曲；
所述控制系统：包括主机和控制器；主机通过电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；通过控制第一电机（23）实现踝关节的趾屈和背曲，配合髋关节的运动模拟正常走路步态。
2.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人，其特征在于，所述大腿支撑架（5）的内侧安装有上下分布的振子，通过控制系统控制实现其交替振动，提示患者完成训练动作。
3.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人，其特征在于，所述床座（19）上安装自锁脚轮（20）。
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