CN103301006B - 一种康复步态轨迹发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种康复步态轨迹发生器，其特征是：包括动力单元、传动单元和运动轨迹发生单元；其中，运动轨迹发生单元由多约束负载机构和“工”字型导轨组成；多约束负载机构是在“工”字型导轨的不同面上设置各相互约束的轴承，包括与导轨的滚轮运行面产生接触力的挡圈型滚轮滚针轴承，滚轮运行面是按步态拟合轨迹进行设置，步态拟合轨迹是以人体下肢踝关节正常步态轨迹为基础拟合所得。本发明是以足部牵引的方式为下肢康复训练提供一种拟合下肢步态轨迹的标准步态激励，以期获得更好的康复效果和康复评判。
Description
技术领域
本发明涉及一种下肢康复训练步态轨迹发生器，属于康复机器人领域。用于因脑瘫、偏瘫、中风或意外事故等造成的步行障碍患者，进行物理康复治疗的恢复性训练。
背景技术
世界上许多国家正逐渐进入老龄化社会，同时，因脑瘫、偏瘫、中风等医学疾病或意外事故造成的下肢运动障碍患者不断增多。临床医学证明，除了药物治疗和手术治疗外，对这类患者进行必要的康复训练可以防止关节挛缩，有助于肌肉功能性恢复，提高患者的最终恢复程度。由于患者行动不便或体力等方面原因，不能单独完成康复训练，传统的康复训练需要专业的护理人员帮助实施，增加了护理的成本和难度。康复机器人正是伴随着这一难题而出现的康复医疗器械，康复步态轨迹发生器作为康复设备的核心部件，得到了世界上许多国家的重视。步态训练不仅可以重新建立患者的步行姿势，还可以维持下肢关节的协调运动，能够明显提高患者下肢功能性障碍的恢复程度，是下肢康复训练的主要方式。利用康复步态轨迹发生器，可以对患者进行科学的训练，实时跟踪和调整训练程度，提高训练效果。
申请号为201110292009.0的中国专利文献公开了一种“外骨骼可穿戴下肢康复机器人”，是使用谐波减速器与盘式电机驱动，以外骨骼可穿戴方式与人体关节相连，实现患者的训练；外骨骼可穿戴方式需要附着于人体下肢，但其增加了人机交互接触及其控制的困难，加大了训练者的训练复杂程度。
申请号为200710067191.3的中国专利文献公开了“一种气动式多体位外骨骼下肢康复训练机器人”，将外骨骼训练装置和计算机控制系统结合，采用物理疗法和作业疗法，实现患者的主动步态，被动力控制步态，被动阻尼可调步态等模式；运用连杆机构方式配合气动驱动，实施相关康复训练，但其无法实施精确的步态训练及其相关控制。
“Dynamic Lower Limb Rehabilitation Robotic Apparatus and Method of RehabilitatingHuman Gait”(US2011/0288455A1)利用人体所受地球的自然力和肌骨骼动力学的优点来治疗患者，在不用人工或者机械外力介入来抬高下肢的情况下进行步态康复训练，缺乏康复器械的主动干预，无法对人体下肢实施一个标准的物理激励。
“Method and Orthotic System for Rehabilitating Neurologically Impaired Gait”(US2011/0105969A1)利用带有足底托盘的踝关节支架等装置实现神经性受损步态的康复训练，其训练功能侧重于步态的矫形和支撑的平衡性，不涉及主动驱动及标准的步态康复训练。
“Apparatus and Method for Lower-limb Rehabilitation”（US2007/0043308A1）能使患者实现两条下肢的独立训练，通过检测下肢关节角度的变化及负载的大小来判定训练进程和强度，从而进行康复治疗，但无法实施标准的步态训练。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种康复步态轨迹发生器，以足部牵引的方式，为下肢康复训练提供一种拟合下肢步态轨迹的标准步态激励，匹配驱动的各种控制模式，实施康复训练策略，精确、方便地实现人体下肢髋关节、膝关节、踝关节的运动训练，激活下肢肌肉与神经关联映射，以期获得更好的康复效果和康复评判。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明康复步态轨迹发生器的结构特点是：包括动力单元、传动单元和运动轨迹发生单元；
所述动力单元的结构设置为：安装于电机法兰上驱动电机的输出轴经联轴器与传动链轮轴相连接；
所述传动单元的结构设置为：所述传动链轮轴由固定安装于底板上“T”型轴承座简支，安装于传动链轮轴上的传动链轮与传动链条相啮合，由所述传动链条将拖动力传递到安装于小链轮轴上的拖动小链轮，以所述小链轮轴挂载运转小链轮，设置大链轮轴挂载运转大链轮，在所述运转小链轮和运转大链轮之间设置运转链条；
所述运动轨迹发生单元由多约束负载机构和“工”字型导轨组成；
所述多约束负载机构是在“工”字型导轨的不同面上设置各相互约束的轴承，包括：与导轨的侧面产生接触力的一对力矩平衡轴承；与导轨的滚轮运行面产生接触力的挡圈型滚轮滚针轴承；以及与导轨的内槽面产生接触平衡力的第一实体滚针轴承和第二实体滚针轴承；以所述滚轮运行面和内槽面形成步态约束轨迹，所述滚轮运行面和内槽面在两端的圆弧段为同心、在中部的直线段为相互平行；
所述滚轮运行面按步态拟合轨迹进行设置，所述步态拟合轨迹是以人体下肢踝关节正常步态轨迹为基础拟合所得，在所述步态拟合轨迹中包含有包括提脚高度a点、落脚高度b点、落脚点c点和提脚点d在内的各康复特征点。
所述多约束负载机构挂靠在运转链条的一链节处，脚踏压杆安装于“L”形链条连接件的脚踏压杆安装孔上。
本发明康复步态轨迹发生器的结构特点也在于：
所述“L”型链条连接件的结构形式为：在所述“L”形连接件的底端一侧设置链条安装槽，运转链条以其一链节在所述链条安装槽内与“L”形连接件以销轴配合；所述脚踏杆安装孔位于“L”形连接件底端的另一侧，所述多约束负载机构中的各相互约束的轴承分别利用所述“L”形连接件上的对应位置处的各安装孔进行设置。
本发明康复步态轨迹发生器的结构特点还在于：
所述运动轨迹发生单元是以左右对称的形式分别布置于支撑梁的两侧，多约束负载机构以相位差180度对称挂靠在左右两侧运转链条上；左右两侧“工”字型导轨通过分别用于安装小链轮的小链轮轴接口和用于安装大链轮轴的大链轮轴接口同轴安装。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明拟合人体下肢踝关节正常步态轨迹，运用足部牵引运动方式，有效解决下肢康复机器人发生所需康复步态轨迹的关键问题，为康复训练提供标准的步态激励；配合电机驱动的各种控制模式，使患者达到康复训练所需的步态动作；实现人体下肢髋关节、膝关节、踝关节的运动训练，激活下肢肌肉与神经关联映射，达到步态康复的目的。
2、本发明能够以设定形式的“工”字形轨道适应不同身高、不同健康状态的患者在训练时的实际需要，满足如步距、提脚高度、落脚高度等相关康复训练关键指标的需求。
3、本发明可以根据康复需求，改变电机控制方式，实施驱动力和速度的调节，根据拟合轨迹在提脚高度、落脚高度、落脚点、提脚点及其它康复特征点实施速度、加速度、阻尼力的控制，更好地实施康复训练策略，以期达到更好的康复效果。
附图说明
图1为本发明步态轨迹发生器整体结构示意图；
图2为本发明步态轨迹发生器主视图；
图3为本发明承载机构与导向机构结构示意图；
图4为本发明中多约束负载机构结构示意图；
图5a为本发明中“L”形链条连接件与传动链连接示意图；
图5b为本发明中“L”形链条连接件侧视示意图；
图6为本发明中工字型导向轨道结构图；
图7为本发明康复步态轨迹与人体正常行走轨迹拟合图。
图中标号：1电机，2电机法兰，3传动链轮，4传动链条，5为“T”型轴承座，8挡圈型滚轮滚针轴承，9拉手，10运转链条，11导轨，12机壳，13支撑梁，14盖板，15为“L”形连接件，16脚踏压杆，17底板，18传动链轮轴，19小链轮轴，20拖动小链轮，21联轴器，22运转大链轮，23运转小链轮，24第一实体滚针轴承，25第二实体滚针轴承，26大链轮轴，27承载滚轮轴，28挂载链条销轴定位孔，29脚踏压杆，30链条安装槽，31实体滚针轴承定位孔，32承载滚轮轴承配合孔，33小链轮轴接口，34内槽面，35侧面，36滚轮运行面，37大链轮轴接口，38人体下肢踝关节正常步态轨迹，39步态拟合轨迹。
具体实施方式
本实施例中康复步态轨迹发生器的结构形式是：包括动力单元、传动单元和运动轨迹发生单元。
参见图1、图2，动力单元的结构设置为：安装于电机法兰2上驱动电机1的输出轴经联轴器21与传动链轮轴18相连接。
如图1、图2和图3所示，传动单元的结构设置为：传动链轮轴18由固定安装于底板17上“T”型轴承座5简支，安装于传动链轮轴18上传动链轮3与传动链条4相啮合，由传动链条4将拖动力传递到安装于小链轮轴19上的拖动小链轮20，以小链轮轴19挂载运转小链轮23，设置大链轮轴26挂载运转大链轮22，在运转小链轮23和运转大链轮22之间设置运转链条10。
如图2、图3和图6所示，运动轨迹发生单元由多约束负载机构和“工”字型导轨11组成；多约束负载机构是在“工”字型导轨11的不同面上设置各相互约束的轴承，包括：与导轨11的侧面35产生接触力的一对力矩平衡轴承7；与导轨11的滚轮运行面36产生接触力的挡圈型滚轮滚针轴承8；以及与导轨11的内槽面34产生接触平衡力的第一实体滚针轴承24和第二实体滚针轴承25；以滚轮运行面36和内槽面34形成步态约束轨迹，滚轮运行面36和内槽面34在两端的圆弧段为同心、在中部的直线段为相互平行。多约束负载机构与拟合人体下肢轨迹的“工”字型导轨11形成了单自由度机械结构，多约束负载机构沿工字型导向轨道11的面36运转。图4中所示的起着导向支撑作用的挡圈型滚轮滚针轴承8安装于承载滚轮轴27上，并用精密防松动螺帽6实现轴向固定。
图6所示的“工”字型导轨的作用为：
1、以滚轮运行面36为多约束负载机构起导向、承载作用，侧面35是作为力矩平衡轴承配合面，起着约束和平衡力矩的作用；
2、内槽面34为拖动链条起到导向和约束作用；
3、滚轮运行面36和内槽面34为步态轨迹发生器形成特定约束轨迹，且内槽面34与滚轮运行面36的圆弧段同心、直线段平行，保证了承载与拖动独立但保持相匹配关系；
4、保证左右下肢康复训练的对称性和平衡性，通过小链轮轴19、小链轮轴接口33、大链轮轴26以及大链轮轴接口37将左右两面工字型导向轨道同轴安装，同时保证了动力传递的均匀性。
如图7所示，滚轮运行面36按步态拟合轨迹39进行设置，步态拟合轨迹39是以人体自然行走时下肢踝关节正常步态轨迹38为基础拟合所得，在步态拟合轨迹39中包含有包括提脚高度a点、落脚高度b点、落脚点c点和提脚点d在内的各康复特征点。
如图4、图5a和图5b所示，多约束负载机构挂靠在运转链条10的一链节处，脚踏压杆16安装于“L”形链条连接件15的脚踏压杆安装孔29上，配合电机驱动的各种控制模式，运用链式拖动和传动，光滑平稳地产生所需康复训练的步态轨迹。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
如图5a和图5b所示，“L”型链条连接件15的结构形式为：在“L”形连接件15的底端一侧设置链条安装槽30，运转链条10以其一链节在链条安装槽30内与“L”形连接件15以销轴配合；脚踏杆安装孔29位于“L”形连接件底端的另一侧，多约束负载机构中的各相互约束的轴承分别利用“L”形连接件15上的对应位置处的各安装孔进行设置，包括挡圈型滚轮滚针轴承定位孔31、承载滚轮轴27安装配合孔32。
如图3所示的运动轨迹发生单元是以左右对称的形式分别布置于支撑梁13的两侧，多约束负载机构以相位差180度对称挂靠在左右两侧运转链条10上；左右两侧“工”字型导轨11通过分别用于安装小链轮轴19的小链轮轴接口33和用于安装大链轮轴26的大链轮轴接口37同轴安装。图3所示是为使图面表达更加清晰，省略了左侧的“工”字型导轨和右侧的多约束负载机构。
本实施例中的机架部分包括有：机壳12、支撑梁13，盖板14、底板17，由支撑梁13与运动轨迹发生系统相连接，并支撑于底板17上。驱动电机1可以是交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机或磁流变电机；通过改变驱动电机的控制模式，调节其运行的速度，达到适应患者的病情轻重以及患者体能的康复训练强度，
动作模式：
1、使用者完全自主行走：在使用者的足部穿戴底部带有安装孔的护靴，与脚踏压杆配合，人体为站立或为坐姿，自主带动脚踏压杆实现康复行走训练。
2、使用者下肢被动行走：使用者为站立或是在减重器械的帮助下，在使用者的足部匹配护靴，以足部牵引的方式，运用电机施加控制模式，拖动人体下肢实现髋关节、膝关节、踝关节的运动训练，激活下肢肌肉与神经关联映射，达到康复训练的效果。
3、运用康复步态轨迹发生器进行物理康复训练，对人体下肢给予标准激励，使患者达到康复训练所需的步态动作，在各康复特征点，结合康复训练策略，综合电机功率、速度、力矩的反馈，得出患者在各个康复特征点上自主行走意愿的强烈程度，给出患者在标准步态训练的康复评价。
Claims (3)
1.一种康复步态轨迹发生器，包括动力单元、传动单元和运动轨迹发生单元；所述动力单元的结构设置为：安装于电机法兰(2)上驱动电机(1)的输出轴经联轴器(21)与传动链轮轴(18)相连接；其特征是：
所述传动单元的结构设置为：所述传动链轮轴(18)由固定安装于底板(17)上“T”型轴承座(5)简支，安装于传动链轮轴(18)上的传动链轮(3)与传动链条(4)相啮合，由所述传动链条(4)将拖动力传递到安装于小链轮轴(19)上的拖动小链轮(20)，以所述小链轮轴(19)挂载运转小链轮(23)，设置大链轮轴(26)挂载运转大链轮(22)，在所述运转小链轮(23)和运转大链轮(22)之间设置运转链条(10)；
所述运动轨迹发生单元由多约束负载机构和“工”字型导轨(11)组成；
所述多约束负载机构是在“工”字型导轨(11)的不同面上设置各相互约束的轴承，包括：与导轨(11)的侧面(35)产生接触力的一对力矩平衡轴承(7)；与导轨(11)的滚轮运行面(36)产生接触力的挡圈型滚轮滚针轴承(8)；以及与导轨(11)的内槽面(34)产生接触平衡力的第一实体滚针轴承(24)和第二实体滚针轴承(25)；以所述滚轮运行面36和内槽面34形成步态约束轨迹，所述滚轮运行面36和内槽面34在两端的圆弧段为同心、在中部的直线段为相互平行；
所述滚轮运行面36按步态拟合轨迹39进行设置，所述步态拟合轨迹39是以人体下肢踝关节正常步态轨迹38为基础拟合所得，在所述步态拟合轨迹39中包含有包括提脚高度a点、落脚高度b点、落脚点c点和提脚点d在内的各康复特征点；
所述多约束负载机构挂靠在运转链条(10)的一链节处，脚踏压杆(16)安装于“L”形链条连接件(15)的脚踏压杆安装孔(29)上。
2.根据权利要求1所述的康复步态轨迹发生器，其特征是：所述“L”型链条连接件(15)的结构形式为：在所述“L”形连接件(15)的底端一侧设置链条安装槽(30)，运转链条(10)以其一链节在所述链条安装槽(30)内与“L”形连接件(15)以销轴配合；所述脚踏杆安装孔(29)位于“L”形连接件底端的另一侧，所述多约束负载机构中的各相互约束的轴承分别利用所述“L”形连接件(15)上的对应位置处的各安装孔进行设置。
3.根据权利要求1所述的康复步态轨迹发生器，其特征是：所述运动轨迹发生单元是以左右对称的形式分别布置于支撑梁13的两侧，多约束负载机构以相位差180度对称挂靠在左右两侧运转链条(10)上；左右两侧“工”字型导轨(11)通过分别用于安装小链轮轴19的小链轮轴接口33和用于安装大链轮轴26的大链轮轴接口37同轴安装。
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