CN103083157A

CN103083157A - 一种五自由度混联下肢康复机器人

Info

Publication number: CN103083157A
Application number: CN2013100226253A
Authority: CN
Inventors: 杨启志; 姚斌斌; 曹电锋; 吴伟光; 宋俊朋; 赵金海
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Boao Zongheng Network Technology Co ltd; Nanjing Ding Shi Medical Devices Co ltd
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: CN103083157B

Abstract

本发明公开了一种五自由度混联下肢康复机器人，属于医疗康复机械技术领域，实现绕Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的姿态转动及沿Ｙ、Ｚ轴向移动，真实模拟人体下肢及足的行走的多自由度复杂运动。本发明包括机架和两个运动平台，机架由底座和支架串联而成。在康复前期，患者可以在支撑架的帮助下保持平衡，被动的进行下肢关节活动的康复训练；在康复后期，患者又可以在扶手架的帮助下主动进行行走等康复运动，这样更有效更有延续性的为患者提供康复训练。本发明功能全面、结构简单、操作方便、适用于不同患者的不同训练阶段，使下肢行动机能损伤的患者更有效更全面更有延续性的进行康复训练。

Description

一种五自由度混联下肢康复机器人

技术领域

本发明属于医疗康复机械技术领域，描述了一种适用于下肢康复治疗的五自由度混联康复机器人，可模拟下肢行走、脚踝活动等实际康复运动，能有效实现下肢偏瘫及下肢运动机能损伤等类似病症患的康复训练功能。

背景技术

目前，我国和世界许多国家一样，正逐步步入老龄化社会，在老龄人群中脑血管、神经系统疾病多发，多数有偏瘫的症状。同时，因为交通事故而造成的神经损伤或肢体损伤的人数也越来越多。特别是下肢运动技能损伤，严重影响了患者的日常生活。这类患者除了早期手术、药物治疗外，后期的科学康复训练对下肢恢复治疗起着非常重要的作用。传统的康复训练依赖于治疗师的一对一徒手操作，不仅浪费时间，而且效率低下。在这种背景下，康复训练机器人应运而生，它的主要功能是代替治疗师帮助患者完成运动机能的恢复训练，如行走训练。

对于中风、下肢机能损伤患者来说，下肢康复训练机器人能达到很好的治疗效果。目前现有的下肢康复机器人基本均为主动式机器人，例如：申请号为201120422008.9的中国专利申请公开一种下肢康复踏步机，添加了阻尼滑轮等，结构复杂，控制麻烦，需要患者本身较高的活动机能，但对患者的前期恢复未给予足够重视，这样对于处在前期康复的患者不仅很难达到预期的康复效果，甚至会对病人的病情产生不良影响。

本发明提出的混联式空间五自由度下肢康复机器人可以实现脚踝关节前后、左右、上下转动，以及下肢上下、前后移动的5个动作，真实模拟人体下肢及足的行走的多自由度复杂运动。相比传统的下肢康复机器人，该机器人结构简单，运行平稳，容易控制，患者不仅在康复后期可进行主动下肢康复训练，而且在康复前期可进行被动的下肢关节康复活动，使康复训练具有延续性，更好的达到下肢康复训练效果。

发明内容

本发明提出了一种混联式空间五自由度下肢康复机器人，康复前期可使患者被动进行脚踝运动、行走的康复训练，康复后期患者主动进行下肢运动恢复训练，有效实现针对患者恢复前、后期的不同状况下的复合下肢康复训练治疗。

本发明是通过以下技术方案实现的：设计一种适应于脚踝及下肢关节康复训练的混联式空间五自由度康复机器人，它能实现绕X、Y、Z轴的姿态转动及沿Y、Z轴的移动，真实模拟人体下肢及足行走的多自由度复杂运动，帮助患者更好的进行下肢康复训练。

本发明一种五自由度混联下肢康复机器人，其特征是：包括机架和两个运动平台；所述机架由底座和支架串联而成，底座前后方向设置两根平行的移动导轨；支架包括四条支链，分别为支撑链A、支撑链B、扶手链A、扶手链B；所述支撑链A和支撑链B结构相同，由三根杆件由下至上依次通过移动副P1和转动副R1串联组成，所述支撑链A和支撑链B的下端垂直连接在底座的左右两侧；所述扶手链A和扶手链B结构相同，由四根杆件由下至上依次通过移动副P2、转动副R2和移动副P3串联组成，所述扶手链A和扶手链B的下端垂直连接在底座前端，所述扶手链A和扶手链B的上端通过一根杆件固定连接；所述两个运动平台结构相同，运动平台由下平台、运动链A、运动链B、支撑链C、上平台组成，所述运动链A由移动副P6、转动副R3、圆柱副C1组成，所述移动副P6的下端与下平台固定连接，移动副P6的下端的上端通过转动副R3与圆柱副C1连接，圆柱副C1的侧面与上平台固定连接；运动链B由圆柱副C2、转动副R4、圆柱副C3、转动副R5组成，圆柱副C2的下端与下平台固定连接，圆柱副C2的上端通过转动副R4与圆柱副C3连接，圆柱副C3的侧面与上平台固定连接；支撑链C由支撑杆和万向节U组成，支撑杆的下端与下平台固定连接，支撑杆的上端通过万向节U与上平台连接；所述下平台的底部通过转动驱动R与移动副P5连接，移动副P5通过移动副P4连接移动导轨上。所述运动平台的运动链A、运动链B、支撑链C与下平台垂直，支撑链C通过下平台中心，初始位置当动平台与下平台保持水平时，运动链A的圆柱副C1的轴线和运动链B的圆柱副C3的轴线分别与万向节U的两个转动轴线相重合。支撑链A、支撑链B、扶手链A、扶手链B的角度长短根据患者的训练位置调节。。

两个运动平台完全相同，分别实现左、右下肢的运动，康复训练时，人体足部与两个运动平台上平台接触并固定。通过移动副P4、移动副P5以及转动驱动R组成的传动链串联连接在底座移动导轨上。运动平台由上平台、下平台、运动链A、运动链B、支撑链C组成，其中运动链A由移动副P6、转动副R3、圆柱副C1组成，运动链B由圆柱副C2、转动副R4、圆柱副C3、转动副R5组成，支撑链C由支撑杆、万向节U组成。其中移动副P6、圆柱副C2、支撑杆竖直固接在下平台上，圆柱副C1、转动副R5、万向节U连接在上平台上。三条支链垂直分布，且呈直角三角形，即∠AOB为直角；装配时初始位置保证当动平台与下平台保持水平时，运动链A的圆柱副C1的轴线和运动链B的圆柱副C3的轴线分别于万向节的两个转动轴线相重合。

本发明的有益效果：本发明实现了X、Y、Z向转动，以及Y、Z向的移动，模拟再现下肢行走、脚踝活动等实际康复运动。通过支撑架可以使患者在下肢缺乏一定运动机能无法支撑身体时对人体起到支撑作用，并且通过机器人的运动进行被动性的康复按摩训练，即前期被动康复训练，而在后期，当患者的下肢肌体得到了一定程度的恢复后，机构提供一定阻尼，患者可以借助扶手架辅助身体平衡，通过主动运动使得患者的下肢得到力量性恢复训练，即后期主动康复训练。所以此机器人能更好更全面的为患者提供康复训练，并且结构简单，相对刚度大，成本低廉。

附图说明

图1为五自由度下肢康复机器人结构图。

图2、3为两自由度并联平台结构简图。

图4为五自由度下肢康复机器人结构示意图。

图中，1，底座；2，支撑链A；3，支撑链B；4，扶手链A；5，扶手链B；6，传动链；7，下平台；8，运动链A；9，运动链B；10，支撑链C；11，万向节；12，上平台。

具体实施方式

本发明中所提及的五自由度下肢康复机器人由机架及两个运动平台三部分组成，它可以实现Y、Z轴向移动及绕X、Y、Z轴转动。其中机架由底座1和支架串联而成，底座1内部平行分布两移动导轨；支架包括四条支链，分别为支撑链A 2、支撑链B 3、扶手链A 4、扶手链B 5；其中支撑链A 2、支撑链B 3结构相同，由移动副P1、转动副R1串联组成，垂直连接在底座左右两端，扶手链A 4、扶手链B 5结构也相同，由移动副P2、转动副R2、移动副P3串联组成，垂直连接在底座前端。这样可以使支撑链实现Z向移动及Y向转动，使扶手链实现Y、Z向移动及X向转动，可以根据患者不同需要调节支架位置。

两个运动平台完全相同，分别控制两下肢的运动。通过移动副P4、移动副P5以及转动驱动R组成的传动链 6分别串联在底座的两个移动导轨上。移动副P4可实现下肢沿Y向行走移动，移动副P5可实现下肢沿Z向的抬足运动，转动驱动R副可实现足踝绕Z轴的转动。运动平台由下平台 7、运动链A 8、运动链B 9、支撑链C 10、上平台 12组成，其中运动链A 8由移动副P6、转动副R3、圆柱副C1组成，运动链B 9由圆柱副C2、转动副R4、圆柱副C3、转动副R5组成，支撑链C 10由支撑杆和万向节U 11组成。移动副P6、圆柱副C2、支撑杆固接在下平台 7上，圆柱副C1、转动副R5、万向节U 11连接在上平台 12上。三条支链垂直分布，且支撑链 10通过下平台 7中心，装配时初始位置保证当动平台 12与下平台 7保持水平时，运动链A 8的圆柱副C1的轴线和运动链B 9的圆柱副C3的轴线分别于万向节的两个转动轴线相重合，从而实现上平台绕X、Y向的转动。

本发明中，传动链 6及运动链A 8、运动链B 9为主动运动链，传动链 6的驱动为移动副P4、P5及转动驱动R，运动链A 8、运动链B 9的驱动分布为转动副R3、R4。因此，该五自由度下肢康复机器人可以实现X、Y、Z向转动，以及Y、Z向的移动，模拟再现下肢行走、脚踝活动等实际康复运动。

本发明中所描述的五自由度下肢康复机器人适用于各种不同患者，按照患者要求调节支撑架、扶手架的位置。扶手架与支撑架的角度长短均可调，满足不同患者的训练位置需求。并且考虑到患者前后期康复状况不同，设计了前后期都适用的康复机器人。通过支撑架可以使患者在下肢无法支撑人体时对人体起到支撑作用，并且通过机器人的运动进行被动性的康复按摩训练，即前期被动康复训练，而在后期，当患者的下肢肌体得到了一定程度的恢复后，机构提供一定阻尼，患者可以借助扶手架辅助身体平衡，通过主动运动使得患者的下肢得到力量性恢复训练，即后期主动康复训练。所以此机器人能更好更全面的为患者提供康复训练，并且结构简单，操作方便，相对刚度大，成本低廉。

Claims

1.一种五自由度混联下肢康复机器人，其特征是：包括机架和两个运动平台；所述机架由底座（1）和支架串联而成，底座（1）前后方向设置两根平行的移动导轨；支架包括四条支链，分别为支撑链A（2）、支撑链B（3）、扶手链A（4）、扶手链B（5）；所述支撑链A（2）和支撑链B（3）结构相同，由三根杆件由下至上依次通过移动副P1和转动副R1串联组成，所述支撑链A（2）和支撑链B（3）的下端垂直连接在底座的左右两侧；所述扶手链A（4）和扶手链B（5）结构相同，由四根杆件由下至上依次通过移动副P2、转动副R2和移动副P3串联组成，所述扶手链A（4）和扶手链B（5）的下端垂直连接在底座前端，所述扶手链A（4）和扶手链B（5）的上端通过一根杆件固定连接；所述两个运动平台结构相同，运动平台由下平台（7）、运动链A（8）、运动链B（9）、支撑链C（10）、上平台（12）组成，所述运动链A(8)由移动副P6、转动副R3、圆柱副C1组成，所述移动副P6的下端与下平台（7）固定连接，移动副P6的下端的上端通过转动副R3与圆柱副C1连接，圆柱副C1的侧面与上平台（12）固定连接；运动链B(9)由圆柱副C2、转动副R4、圆柱副C3、转动副R5组成，圆柱副C2的下端与下平台（7）固定连接，圆柱副C2的上端通过转动副R4与圆柱副C3连接，圆柱副C3的侧面与上平台（12）固定连接；支撑链C(10)由支撑杆和万向节U（11）组成，支撑杆的下端与下平台（7）固定连接，支撑杆的上端通过万向节U（11）与上平台（12）连接；所述下平台（7）的底部通过转动驱动R与移动副P5连接，移动副P5通过移动副P4连接移动导轨上。

2. 根据权利要求1所述一种五自由度混联下肢康复机器人，其特征是：所述运动平台的运动链A（8）、运动链B（9）、支撑链C（10）与下平台垂直，支撑链C（10）通过下平台（7）中心，初始位置当动平台(12)与下平台(7)保持水平时，运动链A（8）的圆柱副C1的轴线和运动链B（9）的圆柱副C3的轴线分别与万向节U的两个转动轴线相重合。

3. 根据权利要求1所述一种五自由度混联下肢康复机器人，其特征是：所述支撑链A（2）、支撑链B（3）、扶手链A（4）、扶手链B（5）的角度长短根据患者的训练位置调节。