CN104644377B - 一种坐卧式下肢康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种坐卧式下肢康复装置，主要由膝关节康复机构、踝关节康复机构、胯关节康复机构、上身位置调节机构、可移动的床架组成。本发明以可移动的床架为基体，四个主要机构分别负责病患各关节的运动：膝关节康复机构负责完成膝关节和胯关节的伸缩达到屈膝的运动；胯关节康复机构负责完成胯关节旋外运动；踝关节康复机构负责完成踝关节的跖屈和背屈、内翻和外翻、内收和外敛三个自由度的运动；上身位置调节机构负责完成患者上身不同姿势调整的运动。本机构在可动部位采用伺服电机驱动。本发明不但有效地实现了病患单侧下肢六个自由度上的运动，并且实现了左、右腿同时独立进行康复训练的功能，有一定的推广价值。

Description

一种坐卧式下肢康复装置

技术领域

本发明涉及一种康复医疗设备，尤其涉及一种坐卧式下肢康复装置。

背景技术

自上世纪90年代初，国内外各地的研究机构着手研究将机器人技术引用到医学领域的中枢神经受损伤患者的康复中，辅助康复训练机构不仅可以将理疗师从医患一对一甚至多对一的繁重康复过程中解放出来，而且通过定量运动、定量检测和临床数据的实现，为病患提供了更加科学的康复训练模式，在保证康复训练中的安全，提高康复效率，改善康复的效果方面具有很大的潜力和优点。

下肢康复机构是目前机械领域在康复医学研究领域的一个主要研究对象，主要针对患有脑血管疾病或神经系统疾病的下肢运动障碍患者进行下肢康复训练，对他们重获步行能力提供有效的康复方式。中国科学院自动化研究所发明的坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构(申请号：CN201210243574.2)包括髋、膝、踝三个关节机构，三个关节采用不同的曲柄滑块机构，各个关节机构采用旋转螺母式滚珠丝杠实现曲柄滑块的移动副，可以平稳地完成单侧下肢关节运动，但自由度较少。江苏大学发明的一种五自由度混联下肢康复机器人(申请号：20110022625.3)包括机架和两个运动平台，能够实现绕X、Y、Z的姿态转动和沿Y、Z轴的移动，但人的位姿调整不方便，且踝关节不能全自由度锻炼。由于上述发明机构的自由度较少，且左、右腿不能同时训练，所以还有改进空间。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种可以使患者的左右腿能同时训练、踝关节能全自由度得到锻炼的坐卧式下肢康复装置。

本发明的目的是这样实现的：包括可移动的床架、上身位置调节机构、胯关节康复机构、膝关节康复机构和踝关节康复结构，可移动的床架上端设置支撑平台，所述胯关节康复机构包括对称安装在可移动的车体上的两个电机座，每个电机座上安装有胯关节电机，每个胯关节电机的输出轴与小齿轮轴连接，每个小齿轮轴上套装小齿轮，每个小齿轮与套装在大齿轮轴上的不完全大齿轮啮合，每个大齿轮轴安装在可移动的车体上的对应位置，且每个不完全大齿轮的无齿端固连安装有万向轮的L型活动架，每个L型活动架上设置结构相同的膝关节康复机构，每个大齿轮轴与每个小齿轮轴的轴端设置有端盖，臀部座垫固定安装在所述的端盖上；

所述膝关节康复机构包括安装在L型活动架上的膝关节电机、通过联轴器与膝关节电机连接减速器，减速器的输出轴与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端同时与第三连杆和第四连杆铰接且第三连杆与第四连杆位于第二连杆的两侧，第三连杆的另一端与不完全大齿轮的无齿区铰接，第四连杆的另一端与滑块铰接，滑块安装在L型活动架前端设置的滑槽里，第三连杆上固定安装有大腿垫，第四连杆上固定安装有小腿垫；

所述踝关节康复机构固定设置在所述的两个滑块上，每个踝关节康复机构包括固定安装在滑块上的X轴固定杆、安装在X轴固定杆上端的X轴套筒，X轴套筒的一端与X轴电机座固定连接，X轴电机安装在X轴电机座上，X轴电机的输出轴与穿过X轴套筒的X轴拐杆的一端连接，X轴拐杆的另一端与Z轴套筒的外表面固定连接，Z轴套筒的端部固连有Z轴电机座，Z轴电机安装在Z轴电机座上，Z轴电机的输出轴与Z轴拐杆的一端连接，Z轴拐杆的另一端与Y轴套筒的外表面固定连接，Y轴套筒的端部与Y轴电机座固定连接，Y轴电机安装在Y轴电机座上，Y轴电机的输出轴与Y轴拐杆的一端连接，Y轴拐杆的另一端与脚踏板连接；

所述上身位置调节机构包括通过转轴安装在可移动的车体上的下箱体，在下箱体上固定安装有上身位置调节电机，上身位置调节电机的输出轴与主轴连接，主轴上套装有第一主动带轮和第二主动带轮，在所述主轴的两端的下箱体上还安装有第一从动轴和第二从动轴，第一从动轴上套装有第一从动带轮且第一从动带轮与第一主动带轮之间设置第一同步带，第二从动轴上套装有第二从动带轮且第二从动带轮与第二主动带轮之间设置第二同步带，第一从动轴和第二从动轴的端部分别固连有螺杆，每个螺杆分别与螺帽配合，每个螺帽分别与背靠垫铰接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述第三连杆和第四连杆都由两个短杆构成，一号短杆上的端部设置滑块，所述滑块安装在二号短杆中间设置的滑道里，一号短杆的中间位置还设置有锁紧螺母，锁紧螺母也安装在二号短杆中间设置的滑道里。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明可实现下肢六自由度运动，完成了人体胯关节膝关节踝关节所有自由度的运动。2、本发明可实现左、右腿同时独立运动，上身位置可以调整。3、本发明的根据人体工程学，对屈膝运动机构、胯关节运动机构、空间串联机构的回转角范围、速度经行了限定控制，运动平稳，角加速度连续，无刚性冲击。4、本发明的执行机构简单、而且易于操作及控制。5、本发明是一种结构稳定性好、承载能力强、适应性好的康复装置。6、本发明的各部分部件便于拆卸，维修很方便。也即本发明能够实现病患左、右腿同时独立六自由度运动的康复训练，整体结构简单，易于实现控制，有一定的推广价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的胯关节康复机构的示意图；

图3是本发明的膝关节康复机构的示意图；

图4(A)是本发明的踝关节康复机构的示意图，图4(B)是图4(A)的局部剖视图；

图5(A)是本发明的上身位置调节机构(去掉箱盖)的示意图，图5(B)是图5(A)的A-A剖视图；

图6是本发明的床架部分的示意图；

图7是本发明膝关节康复机构中的连杆的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述，本发明所建立的坐标系O-XYZ如图4(A)所示。

实施案例一：结合图1和图6，本发明主要由五部分组成(如图1所示)：膝关节康复机构1、踝关节康复机构2、胯关节康复机构3、上身位置调节机构4和可移动的床架5组成。膝关节康复机构1完成膝关节和胯关节的伸缩达到屈膝的动作；胯关节康复机构3完成胯关节旋外运动；踝关节康复机构2完成踝关节跖屈和背屈、内翻和外翻、内收和外敛三个自由度的运动；上身位置调节机构4完成患者上身不同姿势的调节运动；可移动的床架5则是本发明的基体。也即本发明包括可移动的床架5、上身位置调节机构4、胯关节康复机构3、膝关节康复机构1和踝关节康复结构2，可移动的床架5包括整体架5-1、安装在在整体架5-1四个角的万向轮5-9、安装在整体架5-1上的护栏5-10以及设置在可移动的床架5上端的支撑平台，用以安装各机构，如图2所示：所述胯关节康复机构3包括对称安装在可移动的床架5上的两个电机座3-3，具体的说是电机座3-3安装在可移动床架5上设置的支撑平台的下端，每个电机座3-3上安装有胯关节电机3-1，每个胯关节电机3-1的输出轴通过联轴器3-4与小齿轮轴3-9连接，也可在胯关节电机3-1的输出端连接减速器3-2，这样既是胯关节电机3-1的输出轴与减速器3-2的输入端连接，减速器3-2的输出端与小齿轮轴3-9连接，每个小齿轮轴3-9穿过支撑平台的部分上套装小齿轮3-5，每个小齿轮3-5与套装在大齿轮轴3-7上的不完全大齿轮3-6啮合，每个大齿轮轴3-7安装所述支撑平台上的对应位置，且每个不完全大齿轮的无齿端固连安装有万向轮5-3的L型活动架5-2，万向轮5-3每个L型活动架5-2上设置结构相同的膝关节康复机构1，这样实现了两个膝关节康复机构1与髋关节康复机构3的连接，每个大齿轮轴3-7与每个小齿轮轴3-9的轴端设置有结构相同的端盖3-10，臀部坐垫5-6固定安装在所述的端盖上。胯关节康复机构3主要是齿轮机构，通过大小齿轮的相对转动完成相对位置的偏移。

如图3所述：所述膝关节康复机构1包括安装在L型活动架5-2上的膝关节电机1-4、通过联轴器1-3与膝关节电机1-4连接的减速器1-1，减速器1-1的输出轴与第一连杆1-2的一端铰接，第一连杆1-2的另一端与第二连杆1-7的一端铰接，第二连杆1-7的另一端同时与第三连杆1-9和第四连杆1-6铰接且第三连杆1-9与第四连杆1-6位于第二连杆1-7的两侧，第三连杆1-9的另一端与不完全大齿轮3-6的无齿区铰接，第四连杆1-6的另一端与滑块1-5铰接，滑块1-5安装在L型活动架5-2前端设置的滑槽里，第三连杆1-9上固定安装有大腿垫5-5，第四连杆1-6上固定安装有小腿垫5-4；膝关节康复1机构为肘节机构，各个连杆之间用转动副连接，滑块5在床架的滑道上滑动，实现腿部运动的模拟。

如图4(A)和图4(B)所示：所述踝关节康复机构2固定设置在所述的两个滑块5上，每个踝关节康复机构2包括固定安装在滑块5上的X轴固定杆2-1、安装在X轴固定杆2-1上端的X轴套筒2-2，X轴套筒2-2的一端与X轴电机座2-9-1固定连接，X轴电机2-10-3安装在X轴电机座2-9-1上，X轴拐杆2-3穿过X轴套筒2-2的的一端与X轴电机2-10-3的输出轴连接，X轴拐杆2-3的另一端与Z轴套筒2-4的外表面固定连接，Z轴套筒2-4的端部固连有Z轴电机座2-9-2，Z轴电机2-10-1安装在Z轴电机座2-9-2上，Z轴电机2-10-1的输出轴与Z轴拐杆2-5的一端连接，Z轴拐杆2-5的另一端与Y轴套筒2-6的外表面固定连接，Y轴套筒2-6的端部与Y轴电机座2-9-3固定连接，Y轴电机2-10-2安装在Y轴电机座2-9-3上，Y轴电机2-10-2的输出轴与Y轴拐杆2-7的一端连接，Y轴拐杆2-7的另一端与脚踏板2-8连接。踝关节康复机构2为三自由度空间开链连杆机构，而该机构的转动副连接杆件使其相对转动。

如图5(A)和图5(B)所示：所述上身位置调节机构4包括通过转轴4-1安装在可移动的床架5-2上的下箱体4-2，在下箱体4-2上固定安装有上身位置调节电机4-7，主要是下箱体4-2上安装电机座4-9，上身位置调节电机4-7安装在电机座4-9上，上身位置调节电机4-7的输出轴通过联轴器4-8与主轴4-16连接，主轴4-16上套装有第一主动带轮4-13和第二主动带轮4-5，在所述主轴4-16的两端的下箱体上还安装有第一从动轴4-4和第二从动轴4-15，第一从动轴4-4上套装有第一从动带轮4-3且第一从动带轮4-3与第一主动带轮4-13之间设置第一同步带4-12，第二从动轴上4-15套装有第二从动带轮4-14且第二从动带轮4-14与第二主动带轮4-5之间设置第二同步带4-6，第一从动轴4-4和第二从动轴4-15的端部分别固连有结构相同的螺杆4-11，每个螺杆4-11分别与螺帽4-10配合，每个螺帽4-10的端部分别与背靠垫5-7的上端铰接，背靠垫5-7的下端通过连接轴5-8铰接在所述护栏5-10上。上身位置调节机构4由同步齿形带与电机相连作为驱动来给螺旋机构传递动力，由螺旋机构完成设定的运动。

本发明的工作过程如下：结合图2和图6，膝关节电机1-4、减速器1-1各通过四个螺钉固定在可移动的床架5-2上，第三连杆1-9通过六个螺钉与大腿垫5-5连接，其一端通过转动副连接到可移动的床架5-2，第四连杆1-6通过六个螺钉与小腿垫5-4连接，各杆连接处均为采用滑动轴承形成的转动副。膝关节电机1-4提供的动力，经过联轴器1-3传动到减速器1-1上，经过减速器1-1减速，带动第一连杆1-2转动，将连杆1视为主动件，第二连杆1-7、第三连杆1-9、第四连杆1-6、滑块1-5视为执行件，当电机转动时，运动传递至第三连杆1-9、第四连杆1-6，第三连杆1-9、第四连杆1-6运动的同时带动大腿垫、小腿垫运动，也即完成膝关节和胯关节的伸缩达到屈膝的动作；滑块1-5在可移动的床架5-2前端设置的滑槽中滑动，而滑块1-5上用来安装踝关节康复训练机构。

结合图4(A)和图4(B)，X轴固定杆2-1通过四个螺栓安装固定在滑块1-5上。X轴电机2-10-3、Y轴电机2-10-2、Z轴电机2-10-1的输出轴分别通过联轴器2-13与X轴拐杆2-3、Y轴拐杆2-7、Z轴拐杆2-5连接并提供动力，使其转动。X轴电机2-10-3的输出轴与穿过X轴套筒2-2的X轴拐杆2-3的一端连接，X轴拐杆2-3的另一端与Z轴套筒2-4的外表面固定连接；Z轴电机2-10-1的输出轴与Z轴拐杆2-5的一端连接，Z轴拐杆2-5的另一端与Y轴套筒2-6的外表面固定连接；Y轴电机2-10-2的输出轴与Y轴拐杆2-7的一端连接，Y轴拐杆2-7的另一端与脚踏板2-8连接。这样当X轴电机2-10-3运动时，X轴套筒2-2不动，X轴拐杆2-3绕X轴套筒2-2旋转，从而带动Z轴拐杆2-5绕X轴套筒2-2转动，又Z轴拐杆2-5与Y轴套筒2-6外表面固连，进而带动Y轴拐杆2-7绕X轴套筒2-2转动，所以引起脚踏板2-8的跖屈和背屈运动。同理，Z轴电机2-10-1转动，带动Y轴拐杆2-7绕Z轴套筒2-4转动，从而引起脚踏板2-8的内收和外敛运动；Y轴电机2-10-2转动，带动Y轴拐杆2-7绕Y轴套筒2-6转动，从而引起脚踏板2-8的内翻和外翻运动。X轴拐杆2-3与X轴套筒2-2间的运动副、Z轴拐杆2-5与Z轴套筒2-4间的运动副、Y轴拐杆2-7与Y轴套筒2-6间的运动副均为转动副并采用滚动轴承式(2-11、2-12)连接，各转动副连接杆相对转动，完成踝关节X、Y、Z轴的回转运动，即完成踝关节跖屈和背屈、内翻和外翻、内收和外敛三个自由度的运动，并能保证踝关节腓骨下端空间位置不改变。

结合图2和图6，不完全大齿轮3-6的无齿端通过三个螺钉与L型活动架5-2的一端固定连接，连接板3-8通过两个螺栓连接在不完全大齿轮3-6的无齿区上，连接板3-8与第三连杆1-9形成转动副，也即形成第三连杆1-9与不完全大齿轮3-6的铰接。通过胯关节电机3-1提供动力，经过减速器3-2减速，传动到小齿轮轴3-9上，小齿轮轴3-9通过平键连接将动力传动到小齿轮3-5上，再通过小齿轮3-5与不完全大齿轮3-6的啮合作用，使得不完全大齿轮3-6转动，并带动单侧下肢整体做相对胯关节Y轴的旋转运动，端盖3-10通过螺钉与在臀部坐垫5-6固定连接，这样就完成了胯关节旋外运动。

结合图5(A)、图5(B)和图6，上身位置调节电机4-7通过四个螺栓连接到下箱体4-2上，转轴4-1与可移动的床架5连接起支撑作用。使用螺帽4-10和螺杆4-11构成导程相同、旋向相反的螺旋机构，螺帽4-10一端与背靠垫5-7形成转动副连接。上身位置调节电机4-7通过连轴器4-8将动力传动到同步带机构，这样就使得两螺杆做同速的旋转，实现螺旋机构的同步升降，从而背靠垫5-7的位置实现了调节。

如图6所示：背靠垫5-7与臀部坐垫5-6通过连接轴5-8相连，大腿垫5-5、小腿垫5-4通过螺钉连接分别与第三连杆1-9和第四连杆1-6连接，L型活动架5-2的前端设置万向轮5-3，既起到安装部件的作用又起到支撑左右两侧膝关节康复机构1、踝关节康复机构2的作用。在可移动的床架5的四个角下加万向轮5-9使得本发明整体移动方便灵活。

实施案例二：基于实施案例一并结合附图7，本发明的膝关节康复机构1的第三连杆1-9和第四连杆1-6都由两个短杆构成，以第四连杆1-6为例：第四连杆1-6由一号短杆1-6-1和二号短杆1-6-2构成，二号短杆1-6-2的端部设置第一滑块1-10、中间位置设置第二滑块1-11，一号短杆1-6-1上设置滑槽，第一滑块1-10与第二滑块1-11安装在所述滑槽里，第一滑块1-10和第二滑块1-11上还设置有锁紧螺母1-12，螺母1-12用于加紧两个滑块，从而使得相对位置固定，通过同时拧松两个螺母，可以使滑块在滑槽内滑动，从而调节第三连杆和第四连杆的整体长度，以适应不同的患者。

Claims (2)

1.一种坐卧式下肢康复装置，包括可移动的床架、上身位置调节机构、胯关节康复机构、膝关节康复机构和踝关节康复结构，可移动的床架包括整体架、安装在整体架四个角的万向轮、安装在整体架上的护栏和设置在可移动的床架上端的支撑平台，其特征在于：所述胯关节康复机构包括对称安装在所述支撑平台下方的两个电机座，每个电机座上安装有电机，每个电机的输出轴与小齿轮轴连接，每个小齿轮轴穿过支撑平台的部分上套装小齿轮，每个小齿轮与套装在大齿轮轴上的不完全大齿轮啮合，每个大齿轮轴安装在支撑平台上的对应位置，且每个不完全大齿轮的无齿端固连安装有万向轮的L型活动架，每个L型活动架上设置结构相同的膝关节康复机构，每个大齿轮轴与每个小齿轮轴的轴端设置有端盖，臀部坐垫固定安装在所述的端盖上；

所述膝关节康复机构包括安装在L型活动架上的膝关节电机、通过联轴器与膝关节电机连接的减速器，减速器的输出轴与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端同时与第三连杆和第四连杆铰接且第三连杆与第四连杆位于第二连杆的两侧，第三连杆的另一端与不完全大齿轮的无齿区铰接，第四连杆的另一端与滑块铰接，滑块安装在L型活动架前端设置的滑槽里，第三连杆上固定安装有大腿垫，第四连杆上固定安装有小腿垫；

所述踝关节康复机构固定设置在两个滑块上，每个踝关节康复机构包括固定安装在滑块上的X轴固定杆和安装在X轴固定杆上端的X轴套筒，X轴套筒的一端与X轴电机座固定连接，X轴电机安装在X轴电机座上，X轴拐杆穿过X轴套筒的一端与X轴电机的输出轴连接，X轴拐杆的另一端与Z轴套筒的外表面固定连接，Z轴套筒的端部固连有Z轴电机座，Z轴电机安装在Z轴电机座上，Z轴电机的输出轴与Z轴拐杆的一端连接，Z轴拐杆的另一端与Y轴套筒的外表面固定连接，Y轴套筒的端部与Y轴电机座固定连接，Y轴电机安装在Y轴电机座上，Y轴电机的输出轴与Y轴拐杆的一端连接，Y轴拐杆的另一端与脚踏板连接；

所述上身位置调节机构包括通过转轴安装在可移动的床架上的下箱体，在下箱体上固定安装有上身位置调节电机，上身位置调节电机的输出轴与主轴连接，主轴上套装有第一主动带轮和第二主动带轮，在所述主轴的两端的下箱体上还安装有第一从动轴和第二从动轴，第一从动轴上套装有第一从动带轮且第一从动带轮与第一主动带轮之间设置第一同步带，第二从动轴上套装有第二从动带轮且第二从动带轮与第二主动带轮之间设置第二同步带，第一从动轴和第二从动轴的端部分别固连有螺杆，每个螺杆分别与螺帽配合，每个螺帽的端部分别与背靠垫的上端铰接，背靠垫的下端通过连接轴铰接在所述护栏上。

2.根据权利要求1所述的一种坐卧式下肢康复装置，其特征在于：所述第三连杆和第四连杆都由一号短杆和二号短杆构成，二号短杆的端部设置第一滑块、中间位置设置第二滑块，一号短杆上设置滑槽，第一滑块与第二滑块安装在一号短杆上设置的滑槽里，第一滑块和第二滑块上还设置有锁紧螺母。