CN104107131B - 一种下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,包括设置在一个升降平台移动板上面的重心跟随装置和设置在该升降平台移动板下面的升降装置,其特征在于,所述重心跟随装置包括一个槽型凸轮、一个凸轮摆杆、一块与动力外骨骼装置连接的动力外骨骼支撑板,所述凸轮摆杆一端通过滚轮与槽型凸轮的环形滑槽接触配合,凸轮摆杆的另一端连接一平行四边形连杆结构,该平行四边形连杆结构的后边铰接在升降台移动板的立柱上,前边铰接在与所述动力外骨骼支撑板构成滑动副的上下运动机构上。

Description

一种下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置
技术领域
[0001] 本发明涉及康复医疗器械,特别涉及一种下肢外骨骼康复机器人。
背景技术
[0002] 脑卒中等脑血管疾病,脑或脊柱损伤等中枢神经损伤患者病残率较高,主要后遗症包括急性神经性瘫痪等,有不同程度的生活能力、劳动能力丧失。据统计,目前我国由于中风、脊柱损伤以及各种事故引起的肢体功能障碍患者有877万人,而其中半数以上可以通过训练改善肢体功能,包括重新获得行走能力。传统康复训练是首先从专业理疗师手把手的指导下开始,而后由病人的健康上肢或者其家属、护士人工对病人患肢进行反复牵引。该种训练方式增加了医院康复医师的劳动强度与负担,而且所需费用较高。
[0003] 随着科学技术的发展,医疗机器人技术得以快速发展,康复机器人就是机器人技术在康复医疗方面的新应用。目前应用于下肢康复训练的康复机器人结构形式中,比较主流的是基于跑步机的支撑减重装置(BWS)配合动力外骨骼的下肢康复机器人形式,该类型康复机器人的核心构成主要包括两大部分:支撑减重装置与动力外骨骼。其中动力外骨骼驱动患者下肢模拟正常步态运动,而步行康复训练中由于患者下肢无法承载自身的重量,难以保持自身的平衡,所以在训练过程中,必须采用必要的方式为患者卸载自重,并帮助其保持平衡。已有的研究表明,支撑减重装置在恢复步行能力、纠正步态、改善平衡、减轻肌肉痉挛及减少心肺负荷等方面较传统治疗方法均有很大的优势,同时还降低了治疗师的工作强度,保障了治疗的安全性。
[0004] 近年来,国内外应用的支撑减重装置主要有4种:静平衡系统、被动配重系统、被动弹性力减重系统和主动力减重系统。静平衡系统、被动配重系统和被动弹性力减重系统采用被动减重形式,都存在减重力不恒定和减重力大小调整困难等问题。而主动减重力系统可以解决这些问题。申请号为200910048312.9^201210081435.4和201210516801.4的中国专利文献公开了三种典型的主动支撑减重装置。其中,第一种是悬吊式装置,其整个体积庞大,而且使患者上肢受到束缚,不能够自主活动,长期训练患者容易产生不适感。后两种均为腰部支撑减重装置,但都无法配套下肢外骨骼或其他矫正器使用,因此只适用于康复后期且下肢具备一定肌力的患者进行康复训练,适用范围较窄,同时为了获得稳定的减重力,控制难度较大。
发明内容
[0005] 本发明为解决背景技术中典型的主动支撑减重装置所存在的缺陷,提供了一种结合被动支撑减重装置(使用凸轮与弹簧)与主动支撑减重装置(使用电机闭环控制)各自的优势,可降低系统成本与控制难度,但却能够获得相对恒定减重力的自适应减重支撑装置。
[0006] 为达到以上目的,本发明是采取如下技术方案予以实现的:
[0007] —种下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,包括设置在一个升降平台移动板上面的重心跟随装置和设置在该升降平台移动板下面的升降装置,其特征在于,所述重心跟随装置包括一个槽型凸轮、一个凸轮摆杆、一块与动力外骨骼装置连接的动力外骨骼支撑板,所述凸轮摆杆一端通过滚轮与槽型凸轮的环形滑槽接触配合,凸轮摆杆的另一端连接一平行四边形连杆结构,该平行四边形连杆结构的后边铰接在升降台移动板的立柱上,前边铰接在与所述动力外骨骼支撑板构成滑动副的上下运动机构上。
[0008] 上述方案中,所述上下运动机构包括一个竖直的弹簧支撑板,该弹簧支撑板通过两组垂直线性导轨与所述动力外骨骼支撑板构成滑动副,在弹簧支撑板的上下两端各有一组用于向动力外骨骼支撑板传递上下运动力的压缩弹簧。
[0009] 所述的升降装置为剪叉型升降平台结构,包括升降平台固定板、电动推杆和中部相互铰接的固定撑杆对与移动撑杆对,其中,固定撑杆对的上端铰接在升降平台移动板前边的下方;移动撑杆对的下端铰接在升降平台固定板前边的上方;固定撑杆对的下端通过滚轮在升降平台固定板后边两侧的导轨中滚动滑行;移动撑杆对的上端通过滚轮在升降平台移动板后边两侧的导轨中滚动滑行;电动推杆一端铰接在固定撑杆对下端连接板的中间,另一端铰接在移动撑杆对中部连接板的中间。
[0010] 所述槽型凸轮由一个直流电机通过同步齿形带传动副连接驱动。该槽型凸轮的外形轮廓曲线为人体重心上下运动轨迹曲线。
[0011] 本发明在分析了现有的支撑减重系统各自的优缺点情况下,结合被动弹性力减重系统和主动力减重系统(电机闭环控制支撑减重装置)的两者的优点,通过槽型凸轮与平行四边形机构,实现动力外骨骼装置中的骨盆支撑垫始终跟随人体重心在垂直方向上的运动轨迹,并由上下两组弹簧补偿个体间重心轨迹的差异,从而使支撑垫与患者之间的相互作用力(即减重力)维持大致恒定。其最大的优点是系统的结构简单,驱动电机只需要采用普通直流电机即可,通过位置关系函数使支撑减重装置与动力外骨骼协调运动,控制难度低、设备投资低但能够获得相对恒定的减重力,性价比高。所配套的动力外骨骼装置能够驱动患者下肢在三维空间内模拟步行运动,同时能够实现骨盆左右侧向移动,促进身体重心的转移,以获得更加自然的步态特征,增加康复效果,可适用于各康复期内的患者进行康复训练。
附图说明
[0012]图1为基于本发明装置的下肢外骨骼康复机器人的总体结构及各部分示意图。图中:1-支撑减重装置;2-动力外骨骼装置;3_医用跑步平台;4_移动架。
[0013] 图2为图1中的支撑减重装置1的结构示意图。
[0014] 图3为图2中的上半部重心跟随装置结构示意图。图中:5_直流电机;6-槽型凸轮;7_凸轮滚轮;8_凸轮摆杆;9_平行四边形机构;10_动力外骨骼支撑板;11_弹簧;12-直线导轨;13_弹簧支撑板;14_弹簧;15_下压板;16_同步齿形带传动副;17_升降平台移动板。
[0015] 图4为图2中的下半部剪叉型升降平台结构示意图。图中:18_升降平台固定板;19_电动推杆;20_固定撑杆;21-移动撑杆;22_滚轮;23_移动板导轨;24_固定撑杆;25-移动撑杆;26_固定板导轨
[0016] 图5为图2中重心跟随装置的控制策略框图。
[0017] 图6为图2中剪叉型升降平台的减重力控制策略框图。
[0018] 图7为骨盆重心在垂直轴方向上的运动轨迹。
具体实施方式
[0019] 参考图1,一种下肢外骨骼康复机器人,用于脑中风与脊椎损伤等造型中枢神经损伤患者的下肢康复训练。该机器人包括医用跑步平台3,设置在该平台上的移动架4及其上的支撑减重装置1,支撑减重装置与动力外骨骼装置2相连。
[0020] 参考图2-图4,图1中的支撑减重装置1,主要分为上下两个部分:重心跟随装置(图3)与剪叉型升降平台(图4)。
[0021] 重心跟随装置的具体结构为:直流电机5通过同步齿形带传动副16连接槽型凸轮6,该槽型凸轮的外形轮廓曲线为人体重心上下运动轨迹曲线,凸轮摆杆8—端通过滚轮7与槽型凸轮的环形滑槽接触配合,凸轮摆杆8的另一端参与构成平行四边形机构9,平行四边形机构一端铰接在剪叉型的升降台移动板17上,另一端铰接在弹簧支撑板13上;弹簧支撑板通过两组线性导轨12与动力外骨骼支撑板10构成滑动副,在弹簧支撑板13的上下两端各有一组(3个)压缩弹簧11,14,用来向动力外骨骼支撑板10传递上下运动力。动力外骨骼支撑板10与动力外骨骼装置连接。
[0022] 该重心跟随装置的作用是:当动力外骨骼装置2辅助患者在医用跑步平台上行走时,重心跟随装置通过动力外骨骼支撑板10与紧贴患者的支撑垫间接连接(该支撑垫固定在动力外骨骼装置的骨盆支撑板上,图中未画出)并始终跟随患者重心上下运动,以维持减重力的相对恒定。整体工作过程为:直流电机通过同步齿形带传动副驱动槽型凸轮旋转,凸轮摆杆上下摆动,进而带动铰接在平行四边形机构上的弹簧支撑板上下摆动,而弹簧支撑板又通过压缩弹簧把上下运动传递给动力外骨骼支撑板,最终实现动力外骨骼与支撑垫上下运动,其运动轨迹大致跟随人体重心上下运动的轨迹,其中弹簧的作用是用来补偿每个患者行走时重心上下运动轨迹的微小差异,因此,支撑垫能够始终紧贴在患者身上并使得患者与支撑垫间的相互作用力(即减重力)维持大致恒定。
[0023] 该重心跟随装置中的两个关键部件是槽型凸轮6与压缩弹簧11,14。研究发现,正常人在行走时,人体重心上下移动轨迹大致相同,但存在少量个体差异。为了获得满足使用条件的槽型凸轮,可以使用函数拟合法获得该轨迹曲线的拟合函数(图7),并用数控铣床加工出槽型凸轮外形轮廓曲线。接下来,通过建立正常人行走时重心上下运动轨迹数据库,确定运动轨迹的个体差异范围,以此来确定弹簧的弹性系数与变形量。
[0024] 参照图5,图3重心跟随装置的控制策略:研究表明,人体在正常步行时,步态特征与人体重心运动轨迹有着确定的关系,即左右腿在步行时的位置状态与重心位置有着一一确定的关系,此处建立了腿部位置状态与人体重心在垂直方向上位置的关系函数(以下简称位置关系函数)。基于此原理,本发明重心跟随装置的控制策略具体实现方式为:布置在动力外骨骼膝关节与髋关节上的光电编码器实时测量外骨骼关节旋转角度,该旋转角度值可用来判断当前患者左右腿的位置状态,进而根据已有的位置关系函数确定当前重心在垂直方向上的位置,而重心跟随装置的位置是由驱动槽型凸轮的直流电机旋转角度确定。即动力外骨骼关节旋转角度根据位置关系函数控制槽型凸轮直流电机旋转,使槽型凸轮旋转合适的角度,最终使重心跟随装置配合动力外骨骼辅助患者实现正常步态,同时获得大致稳定的减重力。图5中qi,q2, q3, q4分别表示动力外骨骼左腿髋关节,左腿膝关节,右腿髋关节,右腿膝关节的旋转角度;Θ。表示直流电机理论角度;Θ &ual表示直流电机实际输出角度;Λ θ表示理论角度与实际输出角度差值。
[0025] 参照图4,本发明支撑减重装置的剪叉型升降平台的具体结构为:固定撑杆对20,24与移动撑杆对21,25的中部相互铰接,其中,固定撑杆对的上端铰接在升降平台移动板17前边的下方;移动撑杆对的下端铰接在升降平台固定板18前边的上方。固定撑杆对的下端通过滚轮22在固定板后边两侧的固定板导轨26中滚动滑行;移动撑杆对的上端通过滚轮22在移动板后边两侧的移动板导轨23中滚动滑行。电动推杆19 一端铰接在固定撑杆对下端连接板的中间,另一端铰接在移动撑杆对21、25中部连接板的中间。当电动推杆工作时,推杆伸出,推动固定撑杆绕着底部铰接点旋转,提升升降平台移动板。重心跟随装置连接在升降平台移动板17上。
[0026] 该剪叉型升降平台起到两个方面的作用,一方面,手动调节电动推杆19推动升降平台快速升降,调整动力外骨骼支撑板10的高度,以适应不同身高患者使用;另一方面该剪叉型升降平台通过重心跟随装置能间接的、准确的调节减重力(支撑垫与患者之间的相互作用力)的大小达到设定值大小,调节范围为0%-100%。具体实现方式为:在动力外骨骼装置的支撑垫与患者骨盆之间安装有压力传感器,能够精确的测量支撑减重装置与患者之间的相互作用力-即减重力的大小。在开始康复训练前,康复医师根据训练要求设定减重力的大小,该设定减重力值与由压力传感器实时测量到的减重力测量值对比,所得的差值将反馈作用于剪叉型升降平台的电动推杆的控制器上,控制电动推杆推动升降平台微量提升或降低,来调整测量值达到设定减重力大小。一旦设定完成,升降平台将维持现状,康复训练期间内只是重心跟随装置工作以维持减重力大致恒定。
[0027] 参考图6,图4剪叉型升降平台的控制策略中,表示设定减重力值;f a_al表示支撑垫压力传感器实际检测减重力值;Λ f表示设定差值。

Claims (5)

1.一种下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,包括设置在一个升降平台移动板上面的重心跟随装置和设置在该升降平台移动板下面的升降装置,其特征在于,所述重心跟随装置包括一个槽型凸轮、一个凸轮摆杆、一块与动力外骨骼装置连接的动力外骨骼支撑板,所述凸轮摆杆一端通过滚轮与槽型凸轮的环形滑槽接触配合,凸轮摆杆的另一端连接一平行四边形连杆结构,该平行四边形连杆结构的后边铰接在升降台移动板的立柱上,前边铰接在与所述动力外骨骼支撑板构成滑动副的上下运动机构上。
2.如权利要求1所述的下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,其特征在于,所述上下运动机构包括一个竖直的弹簧支撑板,该弹簧支撑板通过两组垂直线性导轨与所述动力外骨骼支撑板构成滑动副,在弹簧支撑板的上下两端各有一组用于向动力外骨骼支撑板传递上下运动力的压缩弹簧。
3.如权利要求1所述的下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,其特征在于,所述的升降装置为剪叉型升降平台结构,包括升降平台固定板、电动推杆和中部相互铰接的固定撑杆对与移动撑杆对,其中,固定撑杆对的上端铰接在升降平台移动板前边的下方;移动撑杆对的下端铰接在升降平台固定板前边的上方;固定撑杆对的下端通过滚轮在升降平台固定板后边两侧的导轨中滚动滑行;移动撑杆对的上端通过滚轮在升降平台移动板后边两侧的导轨中滚动滑行;电动推杆一端铰接在固定撑杆对下端连接板的中间,另一端铰接在移动撑杆对中部连接板的中间。
4.如权利要求1所述的下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,其特征在于,所述槽型凸轮由一个直流电机通过同步齿形带传动副连接驱动。
5.如权利要求1所述的下肢外骨骼康复机器人的自适应支撑减重装置,其特征在于,所述槽型凸轮的外形轮廓曲线为人体重心上下运动轨迹曲线。
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