CN105030485B - 一种可用于下肢康复训练的腿部机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于下肢康复训练的腿部机构，包括髋、膝、踝三个关节机构和大、小腿两个连杆机构。髋、膝、踝三个关节机构由相应的关节电机驱动，并安装了相应的绝对值码盘用于记录关节角度；髋关节机构安装了扭矩传感器；膝关节机构安装了拉压力传感器；以实现训练过程中对关节运行状态的监控，并用于执行基于力‑位传感器的人体运动意图识别，进而用于主动康复训练。髋、膝、踝关节机构均采用具有较大减速比的减速机构，使关节机构的具有低速高扭矩的特性，该特性与人体下肢的关节特性近似，提高了机构的实用性。大小腿连杆机构设置有长度手动调节及数值读取机构，使大小腿机构的长度调整过程较为方便。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种可用于下肢康复训练的腿部机构。
背景技术
下肢康复训练是下肢瘫痪患者恢复下肢运动感知功能，并最终恢复下肢行走、上下楼梯等日常生活能力的重要手段。传统的下肢康复训练是采用手动的方式辅助患者下肢进行运动，它的不足在于需要消耗相关医护人员大量体力、训练强度和频次无法保证、训练的主观性较大，随着人员成本的不断攀升，传统的康复训练方法的成本也越来越高。因此，作为传统康复训练方法的一种替代手段，下肢康复训练机器人越来越多的被医护人员和患者所接受。
对于下肢康复训练机器人而言，腿部机构是其最为关键的组成部分。为了能够更好的为患者提供下肢康复训练，腿部机构除了能够提供和人体下肢对应的髋膝踝关节机构外，还应当至少具有以下特点：1)近似于人体下肢关节的动态扭矩特性以提高训练的舒适感；2)大小腿机构长度可方便调整，以便于不同体型的患者使用；3)各个关节的运行状态包括角度、扭矩等都能实时监控，保证训练过程的安全性。此外，医学的临床实验已经证明有患者运动意图参与的主动康复训练对于瘫痪患者的康复更为有效，因此新型的腿部机构应该为主动康复训练设计必要的硬件。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种可用于下肢康复训练的腿部机构，可以适应不同腿部长度的患者，提高了训练的舒适感，保证了训练过程的安全性。
本发明提出的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，包括腿部机构安装板1、髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构，以及设置于髋关节机构和膝关节机构之间的大腿连杆机构、设置于膝关节机构和踝关节机构之间的小腿连杆机构。
所述的髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构均采用独立的电机驱动，可以对各个关节机构进行独立或者联合控制。所述的髋关节机构采用谐波减速器25和齿轮系作为传动机构，膝关节机构采用丝杠机构作为传动机构，踝关节机构采用行星齿轮减速器作为传动机构，上述各关节的传动机构都具有很大的减速比，因此关节输出具有低速高扭矩的特点，与人体下肢的关节特性比较近似。所述髋关节机构安装了扭矩传感器30，膝关节机构安装了拉压力传感器29，所述的关节机构、膝关节机构、踝关节机构均安装了用于测量关节角度的绝对值码盘。上述各传感器可以为康复训练过程提供必要的运行状态监控，同时可以用于识别患者的运动意图以执行主动康复训练。
所述的大腿连杆机构包括大腿连杆长度调整机构、大腿连杆长度标记读数机构，以实现大腿连杆机构长度的调整和长度读数的显示；所述的小腿连杆机构包括小腿连杆长度调整机构、小腿连杆长度标记读数机构，以实现小腿连杆机构长度的调整和长度读数的显示；因此，使用者可以比较轻松地对所述大小腿机构的长度作调整。上述特点使得的腿部机构能够比较容易地被不同体型的患者所使用。
本发明的有益效果在于：
(1)髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构由不同的电机驱动，可以对各个关节单独或者联合控制；
(2)髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构安装了必要的扭矩/拉压力传感器和角度传感器，便于监控训练过程中各个关节的运行状体，并能用于主动康复训练；
(3)大、小腿长度能够比较容易地从的长度标记值读取；
(4)大腿连杆机构、小腿连杆机构上均设计有燕尾槽滑轨机构和辅助手柄，因此使用者能够比较轻松地对所述大小腿机构的长度做手动调节。
附图说明
图1为根据本发明实施例的可用于下肢康复训练的腿部机构的组成原理图；
图2为根据本发明实施例的可用于下肢康复训练的腿部机构的整体结构图A；
图3为根据本发明实施例的可用于下肢康复训练的腿部机构的整体结构图B；
图4为根据本发明实施例的大腿连杆机构长度调节方法说明图。
图中：1.腿部机构安装板，2.髋关节基座板A，3.髋关节齿轮A，4.髋关节齿轮B，5.扶手，6.大腿连接板一A，7.大腿长度调节拧紧手柄，8.大腿连接板二A，9.踝关节电机，10.小腿连接板一A，11.小腿长度调节拧紧手柄，12.小腿连接板二A，13.踝关节绝对值码盘，14.踏板，15.小腿长度调节辅助手柄，16.踝关节减速器，17.小腿连接板二B，18.小腿连接板一B，19.膝关节绝对值码盘，20.大腿连接板二B，21.大腿长度调节辅助手柄，22.大腿连接板一B，23.髋关节绝对值码盘，24.髋关节基座板B，25.谐波减速器，26.髋关节电机，27.踝关节锥齿轮系，28.踝关节轴，29.膝关节拉压力传感器，30.髋关节扭矩传感器，31.大腿连杆燕尾槽，32.大腿连杆长度标记值，33.大腿连杆长度圆形读数窗，34.大腿长度调节螺纹孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
由于所述腿部机构用作左、右腿机构时，机构设计方面完全类似，下面以右腿机构为例说明所述腿部机构的组成及相关功能。
如图1、2、3所示，本实施例的一种可用于下肢康复训练的腿部机构包括腿部机构安装板1、髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构，以及髋关节机构和膝关节机构之间的大腿连杆机构、膝关节机构和踝关节机构之间的小腿连杆机构。所述髋关节基座板A 2和所述大腿连接板一A 6之间的夹角为所述腿部机构髋关节角(即图1中的α角)；所述大腿连接板二A8和所述小腿连接板一A 10中心线之间的夹角为膝关节角(即图1中的β角)；所述小腿连接板二A 12中心线和所述踏板14之间的夹角为踝关节角(即图1中的γ角)。
所述髋关节机构安装在腿部机构安装板1上，主要包括：髋关节基座板A 2，髋关节基座板B 24，髋关节电机26，谐波减速器25，髋关节齿轮A 3，髋关节齿轮B 4，髋关节绝对值码盘23，髋关节扭矩传感器30。所述髋关节基座板A 2和髋关节基座板B 24均安装在腿部机构安装板1上。髋关节电机26的输出轴和所述谐波减速器25输入端固定连接。所述谐波减速器25固定安装在所述髋关节基座板A 2上。同时，所述谐波减速器25的输出端和所述髋关节齿轮A 3固定连接。所述髋关节齿轮B 4和所述髋关节扭矩传感器30固定连接。所述髋关节扭矩传感器30安装在所述髋关节基座板A2上，同时所述髋关节扭矩传感器30还和大腿连接板一A固定连接。所述髋关节齿轮A 3和所述髋关节齿轮B 4构成齿轮传动系。当所述髋关节电机26驱动所述谐波减速器25转动时，所述谐波减速器25将带动所述髋关节齿轮A 3转动，进而带动所述髋关节齿轮B 4转动，并进一步带动大腿连接板一A 6相对于所述髋关节基座板A2转动，此时所述髋关节角将发生改变。
所述膝关节机构一端通过所述大腿连接板二A 8及大腿连接板二B 20和所述大腿机构相连接；另一端通过所述小腿连接板一A 10及所述小腿连接板一B 18和所述小腿机构相连接。所述膝关节机构安装了膝关节拉压力传感器29，可用于间接测量所述膝关节的关节扭矩；所述膝关节机构还安装了膝关节绝对值码盘，可用于测量膝关节的关节角度。
所述踝关节机构通过所述小腿连接板二A 12及所述小腿连接板二B17和所述小腿机构连接。所述踝关节机构主要包括：小腿连接板二A 12、小腿连接板二B 17、踝关节电机9、踝关节减速器16、踝关节轴28、踝关节绝对值码盘13、踝关节锥齿轮系27、踏板14。所述踝关节电机9安装在所述小腿连接板二A 12上；踝关节电机9输出轴和所述踝关节减速器16输入端固定连接；踝关节减速器16输出端和所述踝关节锥齿轮系27一端固定连接；所述踝关节锥齿轮系27的另一端和踝关节轴28固定连接；所述踏板14也和所述踝关节轴28固定连接。踝关节绝对值码盘13安装在所述小腿连接板二A 12上，同时，所述踝关节绝对值码盘13的轴和所述踝关节轴28固定连接。当所述踝关节电机9驱动所述踝关节减速器16转动时，将带动锥齿轮系27转动，并进而带动踏板14转动，使得踝关节角度发生变化。所述踝关节角度可以用所述踝关节绝对值码盘13测得。
所述大腿连杆机构包括：大腿连接板一A 6、大腿连接板二A 7、大腿连接板一B22、大腿连接板二B 20、大腿长度调节拧紧手柄7、大腿长度调节辅助手柄21。
所述小腿连杆机构包括：小腿连接板一A 10、小腿连接板二A 12、小腿连接板一B18、小腿连接板二B 17、小腿长度调节拧紧手柄11、小腿长度调节辅助手柄15。
由于所述大腿连杆机构、小腿连杆机构结构相似，长度调节方法一样，下面以大腿机构为例说明所述大腿连杆机构的机构及其长度调节的方法。
如图4所示，所述大腿连接板一A 6表面设计了燕尾状导轨，大腿连接板二A 8表面设计了大腿连杆燕尾槽31；所述燕尾状导轨和所述大腿连杆燕尾槽能够很好的配合，形成燕尾槽滑轨机构。所述大腿连接板二A 8表面设计了能够反映大腿长度的大腿连杆长度标记值32；同时大腿连接板一A 6设计了大腿连杆长度圆形读数窗33，通过大腿连杆长度读数窗33看到的标记值就是所述大腿连杆机构的长度，该长度对应于患者大腿的长度；所述大腿调节辅助手柄21安装在所述大腿连接板二A 8和所述大腿连接板二B 20上，便于手动操作；所述大腿连接板二A 8上设计了用于将所述大腿连接板一A6固定在所述大腿连接板二A8上的大腿长度调节螺纹孔34。
调节大腿连杆机构长度之前，先将所述大腿长度调节拧紧手柄7松开，此时用手扶住大腿长度调节辅助手柄21，沿着所述燕尾槽滑轨机构的滑行方向移动大腿连接板二A 8，大腿连杆机构的长度便会发生变化。当大腿连杆机构长度调节到合适的位置时，拧紧所述大腿长度调节拧紧手柄7，大腿连杆机构长度调节即可完成。
小腿连杆机构的长度调节过程和大腿连杆机构的长度调节过程类似，通过小腿长度调节拧紧手柄11和小腿长度调节辅助手柄15的配合使用即可完成所述小腿连杆机构长度调节。
所述踏板14用于训练时固定患者的脚部；所述扶手5安装于髋关节基座板A2上，用于训练时为患者提供手部支撑。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种可用于下肢康复训练的腿部机构，包括腿部机构安装板1、髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构，以及设置于髋关节机构和膝关节机构之间的大腿连杆机构、设置于膝关节机构和踝关节机构之间的小腿连杆机构，其特征在于，所述的髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构均采用独立的电机驱动；
所述的髋关节机构采用谐波减速器25和齿轮系作为传动机构，膝关节机构采用丝杠机构作为传动机构，踝关节机构采用行星齿轮减速器作为传动机构；
所述髋关节机构安装了扭矩传感器30，膝关节机构安装有拉压力传感器29，所述髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构均安装有用于测量关节角度的绝对值码盘；
所述髋关节机构包括髋关节基座板A2，髋关节基座板B24，髋关节电机26，谐波减速器25，齿轮系、髋关节绝对值码盘23、髋关节扭矩传感器30；所述齿轮系包括髋关节齿轮A3，髋关节齿轮B4；
所述髋关节基座板A2和髋关节基座板B24均安装在腿部机构安装板1上；髋关节电机26的输出轴和所述谐波减速器25输入端固定连接；所述谐波减速器25固定安装在所述髋关节基座板A2上；所述谐波减速器25的输出端和所述髋关节齿轮A3固定连接；所述髋关节齿轮B4和所述髋关节扭矩传感器30固定连接；所述髋关节扭矩传感器30安装在所述髋关节基座板A2上；所述髋关节扭矩传感器30和大腿连接板一A固定连接；所述髋关节齿轮A3和所述髋关节齿轮B4构成齿轮传动系；当所述髋关节电机26驱动所述谐波减速器25转动时，所述谐波减速器25将带动所述髋关节齿轮A3转动，进而带动所述髋关节齿轮B4转动，并进一步带动大腿连接板一A6相对于所述髋关节基座板A2转动，实现髋关节角的调整。
2.如权利要求1所述的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，其特征在于，所述的大腿连杆机构包括大腿连杆长度调整机构、大腿连杆长度标记读数机构，以实现大腿连杆机构长度的调整和长度读数的显示；
所述的小腿连杆机构包括小腿连杆长度调整机构、小腿连杆长度标记读数机构，以实现小腿连杆机构长度的调整和长度读数的显示。
3.如权利要求2所述的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，其特征在于，所述的大腿连杆长度调整机构包括大腿连接板一A6、大腿连接板二A8、大腿长度调节固定装置；大腿连接板一A6表面设置有大腿连杆燕尾状导轨，大腿连接板二A8表面设置有大腿连杆燕尾槽31，大腿连杆燕尾状导轨与大腿连杆燕尾槽配合使用，通过大腿连杆燕尾状导轨在大腿连杆燕尾槽中的滑动调整大腿连杆机构的长度；大腿长度调节固定装置用于将大腿连接板一A6和大腿连接板二A8的相对位置固定；
所述的小腿连杆长度调整机构包括小腿连接板一A10、小腿连接板二A12、小腿长度调节固定装置；小腿连接板一A10表面设置有小腿连杆燕尾状导轨，小腿连接板二A12表面设置有小腿连杆燕尾槽，小腿连杆燕尾状导轨与小腿连杆燕尾槽配合使用，通过小腿连杆燕尾状导轨在小腿连杆燕尾槽中的滑动调整小腿连杆机构的长度；小腿长度调节固定装置用于将小腿连接板一A10和小腿连接板二A12的相对位置固定。
4.如权利要求3所述的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，其特征在于，所述大腿连接板二A8表面设置有能够反映大腿连杆机构长度的大腿连杆长度标记值32，大腿连接板一A6对应设置有大腿连杆长度圆形读数窗33，大腿连杆长度圆形读数窗中所对应的数值即为当前大腿连杆机构的长度；
所述小腿连接板二A12表面设置有能够反映小腿连杆机构长度的小腿连杆长度标记值，小腿连接板一A10对应设置有小腿连杆长度圆形读数窗，小腿连杆长度圆形读数窗中所对应的数值即为当前小腿连杆机构的长度。
5.如权利要求4所述的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，其特征在于，所述大腿连接板二A8安装有大腿调节辅助手柄21，所述小腿连接板二A 12安装有小腿调节辅助手柄15。
6.如权利要求5所述的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，其特征在于，所述大腿连接板二A8上设计有大腿长度调节螺纹孔34，所述大腿长度调节固定装置安装于大腿连接板一A6上；所述大腿长度调节固定装置为大腿长度调节拧紧手柄7；大腿长度调节拧紧手柄7与大腿长度调节螺纹孔34配合使用将所述大腿连接板一A6与所述大腿连接板二A8固定连接；
所述小腿连接板二A12上设计有小腿长度调节螺纹孔，所述小腿长度调节固定装置安装于小腿连接板一A10上；所述小腿长度调节固定装置为小腿长度调节拧紧手柄11；小腿长度调节拧紧手柄11与小腿长度调节螺纹孔配合使用将所述小腿连接板一A10与所述小腿连接板二A12固定连接。
7.如权利要求3～6中任一项所述的一种可用于下肢康复训练的腿部机构，其特征在于，所述踝关节机构包括踝关节电机9、踝关节减速器16、踝关节轴28、踝关节绝对值码盘13、行星齿轮减速器、踏板14；所述的行星齿轮减速器为踝关节锥齿轮系27；
所述踝关节电机9安装在所述小腿连接板二A12上；踝关节电机9输出轴和所述踝关节减速器16输入端固定连接；所述踝关节减速器16输出端和所述踝关节锥齿轮系27一端固定连接；所述踝关节锥齿轮系27的另一端和踝关节轴28固定连接；所述踏板14和所述踝关节轴28固定连接；所述踝关节绝对值码盘13安装在所述小腿连接板二A12上；所述踝关节绝对值码盘13的轴和所述踝关节轴28固定连接；当所述踝关节电机9驱动所述踝关节减速器16转动时，将带动锥齿轮系27转动，并进而带动踏板14转动，实现踝关节角度的调整。
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