CN103445932A - 仿人步态下肢康复助行器械 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿人步态下肢康复助行器械，主要由人体平衡支撑机构、大腿杆、小腿杆、安装在大腿杆上的减速电机以及安装在大腿杆上的驱动机构组成，所述驱动机构为三组四杆机构，其中一组四杆机构驱动大腿杆按照人正常行走髋关节的运动规律运动，另外两组四杆机构驱动膝关节按照正常人正常行走膝关节的运动规律运动。单腿上只要一个减速电机便能驱动两个关节按规律运动，而且只需要控制减速电机匀速转动即可完成上述驱动，大大简化了一般康复器械的控制难度；本发明克服了现有技术结构复杂、控制系统造价昂贵的缺点，结构简单轻巧、控制简单方便，便于工业生产和大范围推广。

Description

仿人步态下肢康复助行器械
技术领域
本发明属于康复助行器械领域，特别是一种仿人步态下肢康复助行器械。
背景技术
据相关调查显示，我国每年有近十万新增肢体残疾脊髓损伤患者，对肢体残障者的康复训练是我国康复治疗的一项艰巨任务。针对这些患者除了进行手术治疗或者药物治疗外，科学合理的康复训练对于患者肢体运动功能的改善起着至关重要的作用。
目前对神经系统伤病所致肢体功能障碍的康复治疗主要依靠治疗师一对一徒手训练，治疗师的劳动强度大，患者训练强度、持续性难以保证；另外康复评价也多为主观评价，不能够实时监测治疗效果。为解决这些康复训练过程中出现的问题，需要安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术，康复机器人的出现从某种程度上解决了这一问题。下肢康复训练机器人可作为康复中心或者家庭中使用的自动化步行康复训练设备，具有较高的实际应用价值和广阔的市场前景。由于受下肢关节自由度多、人体行走的平衡及协调机理仍不明确等因素影响，下肢康复训练机器人在机构、控制策略及运动规划方面较上肢康复机器人具有更大的难度，研究进展一直比较缓慢。目前世界范围内虽然已经有了先进的下肢康复机器人，能高度控制还原人体正常运动步态，如日本筑波大学HAL、美国加州伯克利BLEEX等，但这些康复机器人往往结构复杂、控制系统造价昂贵，所以价格极高，不仅不能满足全世界众多肢体残疾患者的需求，部分康复中心都引进困难，推广受到极大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单轻巧、控制简单方便的仿人步态下肢康复助行器械。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种仿人步态下肢康复助行器械，包括人体平衡支撑机构和两组结构相同的腿部机构，所述腿部机构包括大腿杆以及小腿杆，大腿杆与人体平衡支撑机构转动连接，大腿杆和小腿杆之间为转动连接；大腿杆和小腿杆上分别装有大腿约束件和小腿约束件，大腿杆上安装有减速电机和一组驱动机构；驱动机构包括髋关节四杆机构、膝关节一级四杆机构以及膝关节二级四杆机构；髋关节四杆机构包括髋关节运动输入杆、髋关节连杆、髋关节理论运动输出杆与髋关节理论机架，膝关节一级四杆机构包括膝关节一级运动输入杆、膝关节一级连杆、膝关节一级运动输出杆与膝关节一级理论机架，膝关节二级四杆机构包括膝关节二级运动输入杆、膝关节二级连杆、膝关节二级理论运动输出杆与膝关节二级理论机架；髋关节运动输入杆的一端与膝关节一级运动输入杆的一端固定连接，并由减速电机驱动；膝关节一级运动输出杆的一端与膝关节二级运动输入杆的一端固定连接，与大腿杆转动连接；膝关节一级运动输入杆的另一端与膝关节一级运动输出杆的另一端通过膝关节一级连杆转动连接，膝关节二级连杆的两端分别与小腿杆以及膝关节二级运动输入杆的另一端转动连接，大腿杆和小腿杆的转动轴与膝关节二级连杆和小腿杆的转动轴不同轴；髋关节连杆分别与人体平衡支撑机构和髋关节运动输入杆的另一端转动连接；大腿杆和人体平衡支撑机构的转动轴与髋关节连杆和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论运动输出杆，髋关节运动输入杆的转动中心与大腿杆和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论机架；膝关节一级运动输入杆的转动中心与膝关节一级运动输出杆和膝关节一级连杆的转动轴之间构成膝关节一级理论机架；膝关节二级运动输入杆和大腿杆的转动轴与大腿杆和小腿杆的转动轴之间构成膝关节二级理论机架，大腿杆和小腿杆的转动轴与膝关节二级连杆和小腿杆的转动轴之间构成膝关节二级理论运动输出杆；两组腿部机构上的两组驱动机构的初始相位相差180°。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
本发明克服了现有技术结构复杂、控制系统造价昂贵的缺点，结构简单轻巧、控制简单方便，便于工业生产和大范围推广。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中膝关节一级四杆机构和膝关节二级四杆机构的结构示意图。
图3是本发明中髋关节四杆机构的结构示意图。
图4是本发明运行时大腿杆相对于竖直方向的角度变化规律。
图5是本发明运行时小腿杆相对于大腿杆延长线的角度变化规律。
具体实施方式
本发明一种仿人步态下肢康复助行器械，包括人体平衡支撑机构和两组结构相同的腿部机构，腿部机构包括大腿杆1以及小腿杆2，大腿杆1与人体平衡支撑机构转动连接，所述大腿杆1和小腿杆2之间为转动连接；大腿杆1和小腿杆2上分别装有大腿约束件3和小腿约束件4，大腿杆1上安装有减速电机5和一组驱动机构；驱动机构包括髋关节四杆机构6、膝关节一级四杆机构7以及膝关节二级四杆机构8；髋关节四杆机构6包括髋关节运动输入杆6-1、髋关节连杆6-2、髋关节理论运动输出杆6-3与髋关节理论机架6-4，膝关节一级四杆机构7包括膝关节一级运动输入杆7-1、膝关节一级连杆7-2、膝关节一级运动输出杆7-3与膝关节一级理论机架7-4，膝关节二级四杆机构8包括膝关节二级运动输入杆8-1、膝关节二级连杆8-2、膝关节二级理论运动输出杆8-3与膝关节二级理论机架8-4；髋关节运动输入杆6-1的一端与膝关节一级运动输入杆7-1的一端固定连接，并由减速电机5驱动；膝关节一级运动输出杆7-3的一端与膝关节二级运动输入杆8-1的一端固定连接，与大腿杆1转动连接；膝关节一级运动输入杆7-1的另一端与膝关节一级运动输出杆7-3的另一端通过膝关节一级连杆7-2转动连接，膝关节二级连杆8-2的两端分别与小腿杆2以及膝关节二级运动输入杆8-1的另一端转动连接，大腿杆1和小腿杆2的转动轴与膝关节二级连杆8-2和小腿杆2的转动轴不同轴；髋关节连杆6-2分别与人体平衡支撑机构和髋关节运动输入杆6-1的另一端转动连接；大腿杆1和人体平衡支撑机构的转动轴与髋关节连杆6-2和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论运动输出杆6-3，髋关节运动输入杆6-1的转动中心与大腿杆1和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论机架6-4；膝关节一级运动输入杆7-1的转动中心与膝关节一级运动输出杆7-3和膝关节一级连杆7-2的转动轴之间构成膝关节一级理论机架7-4；膝关节二级运动输入杆8-1和大腿杆的转动轴与大腿杆1和小腿杆2的转动轴之间构成膝关节二级理论机架8-4，大腿杆1和小腿杆2的转动轴与膝关节二级连杆8-2和小腿杆2的转动轴之间构成膝关节二级理论运动输出杆8-3；两组腿部机构上的两组驱动机构的初始相位相差180°。
所述的髋关节运动输入杆6-1与膝关节一级运动输入杆7-1固定在同步轮9上，同步轮9的中心轴与髋关节运动输入杆6-1转动中心轴重合，减速电机同步轮10通过同步齿形带11与减速电机5连接，减速电机同步轮10和减速电机5的中心轴均与大腿杆1的转动中心轴重合。
所述的人体平衡支撑机构为一个四脚可移动车体，车体四脚上分别装有万向脚轮12。
所述的车体由三部分组成，分别为车后体13和两个相同的车前体14，所述车前体14和所述车后体13之间为转动连接，转动轴垂直于地面；所述车前体14上还固连有手柄15，两组腿部机构分别安装在两个车前体14上。
所述的万向脚轮12为减震万向脚轮。
实施例：
结合图1~图3：
一种仿人步态下肢康复助行器械，包括人体平衡支撑机构和两组结构相同的腿部机构，腿部机构包括大腿杆1以及小腿杆2，大腿杆1与人体平衡支撑机构转动连接，所述大腿杆1和小腿杆2之间为转动连接；大腿杆1和小腿杆2上分别装有大腿约束件3和小腿约束件4，大腿杆1上安装有减速电机5和一组驱动机构；驱动机构包括髋关节四杆机构6、膝关节一级四杆机构7以及膝关节二级四杆机构8；髋关节四杆机构6包括髋关节运动输入杆6-1、髋关节连杆6-2、髋关节理论运动输出杆6-3与髋关节理论机架6-4，膝关节一级四杆机构7包括膝关节一级运动输入杆7-1、膝关节一级连杆7-2、膝关节一级运动输出杆7-3与膝关节一级理论机架7-4，膝关节二级四杆机构8包括膝关节二级运动输入杆8-1、膝关节二级连杆8-2、膝关节二级理论运动输出杆8-3与膝关节二级理论机架8-4；髋关节运动输入杆6-1的一端与膝关节一级运动输入杆7-1的一端固定连接，髋关节运动输入杆6-1与膝关节一级运动输入杆7-1固定在同步轮9上，同步轮9的中心轴与髋关节运动输入杆6-1转动中心轴重合，减速电机同步轮10通过同步齿形带11与减速电机5连接，减速电机同步轮10和减速电机5的中心轴均与大腿杆1的转动中心轴重合，为了使减速电机安装在大腿杆上带来的额外转矩降到了最低，减小减速电机尺寸，节省功率，把减速电机5安装在髋关节位置，通过同步齿形带11和两个同步轮带动三组四杆机构的运动；膝关节一级运动输出杆7-3的一端与膝关节二级运动输入杆8-1的一端固定连接，与大腿杆1转动连接；膝关节一级运动输入杆7-1的另一端与膝关节一级运动输出杆7-3的另一端通过膝关节一级连杆7-2转动连接，膝关节二级连杆8-2的两端分别与小腿杆2以及膝关节二级运动输入杆8-1的另一端转动连接，大腿杆1和小腿杆2的转动轴与膝关节二级连杆8-2和小腿杆2的转动轴不同轴；髋关节连杆6-2分别与人体平衡支撑机构和髋关节运动输入杆6-1的另一端转动连接；大腿杆1和人体平衡支撑机构的转动轴与髋关节连杆6-2和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论运动输出杆6-3，髋关节运动输入杆6-1的转动中心与大腿杆1和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论机架6-4；膝关节一级运动输入杆7-1的转动中心与膝关节一级运动输出杆7-3和膝关节一级连杆7-2的转动轴之间构成膝关节一级理论机架7-4；膝关节二级运动输入杆8-1和大腿杆的转动轴与大腿杆1和小腿杆2的转动轴之间构成膝关节二级理论机架8-4，大腿杆1和小腿杆2的转动轴与膝关节二级连杆8-2和小腿杆2的转动轴之间构成膝关节二级理论运动输出杆8-3；两组腿部机构上的两组驱动机构的初始相位相差180°；其中，人体平衡支撑机构为一个四脚可移动车体，车体四脚上分别装有减震万向脚轮，车体由三部分组成，分别为车后体13和两个相同的车前体14，所述车前体14和所述车后体13之间为转动连接，转动轴垂直于地面；所述车前体14上还固连有手柄15，人可以通过转动手柄15控制车前体14的相对于车后体13的转动，在两个车前体14上分别安装有一组能带动人腿一起运动的腿部结构。
如图2~图3所示：图中髋关节运动输入杆6-1与膝关节一级运动输入杆7-1之间为固定连接，膝关节一级运动输出杆7-3与膝关节二级运动输入杆8-1之间为固定连接。髋关节四杆机构6驱动大腿杆1相对于车前体14作规律转动运动，膝关节一级四杆机构7和膝关节二级四杆机构8联合驱动小腿杆2相对于大腿杆1作规律转动运动；其中髋关节运动输入杆6-1、髋关节连杆6-2、髋关节理论运动输出杆6-3与髋关节理论机架6-4的有效长度比为1 : 3.01 : 4.04 : 2.79，这样大腿杆的摆动规律符合人正常行走大腿的摆动规律；膝关节一级运动输入杆7-1、膝关节一级连杆7-2、膝关节一级运动输出杆7-3与膝关节一级理论机架7-4的有效长度比为1 : 2.94 : 2.03 : 2.59，膝关节二级运动输入杆8-1、膝关节二级连杆8-2、膝关节二级理论运动输出杆8-3与膝关节二级理论机架8-4的有效长度比为1 : 3.21 : 1.55 : 2.74，这样小腿杆相对于大腿杆的摆动规律符合人正常行走时小腿相对于大腿的摆动规律。由于上述驱动机构的各杆尺寸均为按照假设减速电机为匀速转动计算得出，所以，只要控制减速电机5匀速转动即可实现规定的动作。
附图4为助行器械运行时大腿杆相对于竖直方向的角度变化规律。附图5为助行器械运行时小腿杆相对于大腿杆延长线的角度变化规律。由附图4和附图5的仿真曲线可以看出，助行器械腿部运动规律符合人正常行走时髋关节与膝关节的运动规律。
为了使康复步行器械带动人双腿协调运动，安装在两侧大腿杆上的两组驱动机构的初始相位相差180°。
在康复器械启动后，两组腿部机构上的电机匀速转动，带动腿部机构按照正常人行走腿部运动规律运动，从而可以实现助行功能。车体保持人体平衡的同时，人还可以通过操控手柄控制康复器械的运动方向，实现一定的转弯和避障功能，车体四脚上安装的减震脚轮不仅可以起到减震作用，还能使康复器械在上下方向上留有一定可调节余量，防止人脚无法着地的情况。

Claims (6)

1.一种仿人步态下肢康复助行器械，其特征在于：包括人体平衡支撑机构和两组结构相同的腿部机构，腿部机构包括大腿杆（1）以及小腿杆（2），大腿杆（1）与人体平衡支撑机构转动连接，所述大腿杆（1）和小腿杆（2）之间为转动连接；大腿杆（1）和小腿杆（2）上分别装有大腿约束件（3）和小腿约束件（4），大腿杆（1）上安装有减速电机（5）和一组驱动机构；驱动机构包括髋关节四杆机构（6）、膝关节一级四杆机构（7）以及膝关节二级四杆机构（8）；髋关节四杆机构（6）包括髋关节运动输入杆（6-1）、髋关节连杆（6-2）、髋关节理论运动输出杆（6-3）与髋关节理论机架（6-4），膝关节一级四杆机构（7）包括膝关节一级运动输入杆（7-1）、膝关节一级连杆（7-2）、膝关节一级运动输出杆（7-3）与膝关节一级理论机架（7-4），膝关节二级四杆机构（8）包括膝关节二级运动输入杆（8-1）、膝关节二级连杆（8-2）、膝关节二级理论运动输出杆（8-3）与膝关节二级理论机架（8-4）；髋关节运动输入杆（6-1）的一端与膝关节一级运动输入杆（7-1）的一端固定连接，并由减速电机（5）驱动；膝关节一级运动输出杆（7-3）的一端与膝关节二级运动输入杆（8-1）的一端固定连接，与大腿杆（1）转动连接；膝关节一级运动输入杆（7-1）的另一端与膝关节一级运动输出杆（7-3）的另一端通过膝关节一级连杆（7-2）转动连接，膝关节二级连杆（8-2）的两端分别与小腿杆（2）以及膝关节二级运动输入杆（8-1）的另一端转动连接，大腿杆（1）和小腿杆（2）的转动轴与膝关节二级连杆（8-2）和小腿杆（2）的转动轴不同轴；髋关节连杆（6-2）分别与人体平衡支撑机构和髋关节运动输入杆（6-1）的另一端转动连接；大腿杆（1）和人体平衡支撑机构的转动轴与髋关节连杆（6-2）和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论运动输出杆（6-3），髋关节运动输入杆（6-1）的转动中心与大腿杆（1）和人体平衡支撑机构的转动轴之间构成髋关节理论机架（6-4）；膝关节一级运动输入杆（7-1）的转动中心与膝关节一级运动输出杆（7-3）和膝关节一级连杆（7-2）的转动轴之间构成膝关节一级理论机架（7-4）；膝关节二级运动输入杆（8-1）和大腿杆的转动轴与大腿杆（1）和小腿杆（2）的转动轴之间构成膝关节二级理论机架（8-4），大腿杆（1）和小腿杆（2）的转动轴与膝关节二级连杆（8-2）和小腿杆（2）的转动轴之间构成膝关节二级理论运动输出杆（8-3）；两组腿部机构上的两组驱动机构的初始相位相差180°。
2.根据权利要求1所述的一种仿人步态下肢康复助行器械，其特征在于：所述的髋关节运动输入杆（6-1）与膝关节一级运动输入杆（7-1）固定在同步轮（9）上，同步轮（9）的中心轴与髋关节运动输入杆（6-1）转动中心轴重合，减速电机同步轮（10）通过同步齿形带（11）与减速电机（5）连接，减速电机同步轮（10）和减速电机（5）的中心轴均与大腿杆（1）的转动中心轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种仿人步态下肢康复助行器械，其特征在于：所述的人体平衡支撑机构为一个四脚可移动车体，车体四脚上分别装有万向脚轮（12）。
4.根据权利要求3所述的一种仿人步态下肢康复助行器械，其特征在于：所述的车体由三部分组成，分别为车后体（13）和两个相同的车前体（14），所述车前体（14）和所述车后体（13）之间为转动连接，转动轴垂直于地面；所述车前体（14）上还固连有手柄（15），两组腿部机构分别安装在两个车前体（14）上。
5.根据权利要求3所述的一种仿人步态下肢康复助行器械，其特征在于：所述的万向脚轮（12）为减震万向脚轮。
6.根据权利要求4所述的一种仿人步态下肢康复助行器械，其特征在于：所述的万向脚轮（12）为减震万向脚轮。
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