CN106539662B - 下肢功能康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
一种下肢功能康复训练机器人，主要包括底座、座椅、机械腿左右调节机构、两个机械腿固定台、两个机械腿和配重控制箱。本发明由于将一侧的机械腿固定台本体分为固定台上部和固定台下部，固定台上部可向外转动；当病人上座椅时，可将机械腿外旋，方便康复师的操作；由于设置了机械腿左右调节机构，可通过调节两个机械腿之间的宽度，满足髋关节宽窄不同的训练者的训练要求；由于两个机械腿的大腿机构、小腿机构和踝关节机构分别设有驱动机构，可实现单关节的运动训练和活动度的练习，也可实现单腿和双机械腿的协调运动训练。髋关节、膝关节和踝关节单独调节机构可实现大小腿长度的调节，实现个性化的训练。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复器械，尤其涉及一种下肢功能康复训练机器人。
背景技术
临床证明，对下肢运动功能障碍患者进行科学的康复训练，可以补偿和恢复肢体失去的功能，改善患者的生活自理能力，提高其生活质量。众多科研工作者和医疗机构都开展了下肢康复机器人的相关研究，并取得了有价值的研究成果，最早实现商业化的下肢康复机器人是由英国MikeTopping公司1987年研制的Handy1。其次另一种成功进入市场的康复机器人是荷兰Exact Dynamics公司开发的MANUS康复机器人。早期研发的康复机器人均以单自由度为主，代表性的产品有美国的NUSTEP康复器、德国的THERA.Vital智能康复训练机器人，坐卧式的康复机器人最具代表性的是瑞士的WORTEC公司研发的MOTIONMAKER，该机器人可以实现3自由度运动训练和关节训练，但价格昂贵，在我国，下肢机器人的开发还在研制阶段。
目前全国有各级各类残疾人康复训练服务机构近2万个，对康复设备的需求量非常大。但是目前康复训练机器人不足之一是外骨骼装置使用复杂，患者难以上下仪器进行训练，必须依靠康复师的费时费力的协助才能完成，产品难以推广和实现商业化，因此开发一种易于病人上下、高技术含量、智能化的下肢康复训练机器人是十分必要和迫切的。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种新型的下肢功能康复训练机器人。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种下肢功能康复训练机器人，其包括：
底座；
座椅，架设在底座上；
机械腿左右调节机构，架设在底座上并可左右调节；
机械腿固定台，共两个分别连接在机械腿左右调节机构的左右两侧，并可在机械腿左右调节机构的调节下沿底座左右移动；
机械腿，共两个分别连接在两个机械腿固定台上，并可随机械腿固定台左右移动；
配重控制箱，固定在底座的后部，内装电气设备。
所述座椅包括支架、座板、靠背和靠背倾角调节机构；支架安装在座椅前后调节机构上，座板连接在支架上，靠背倾角调节机构安装在座板下并与靠背传动相连，启动靠背倾角调节机构实现调节靠背的倾角。
所述机械腿左右调节机构包括丝杆固定台、丝杆、丝杆螺母和电机传动机构；丝杆固定台安装在底座上，丝杆穿过丝杆固定台设置，丝杆的左右两端分别连接左右丝杆螺母，电机传动机构安装在丝杆固定台上并和丝杆传动相连，左右丝杆螺母分别与左右两个机械腿固定台固定相连，启动电机传动机构带动丝杆转动，实现左右两个机械腿固定台的相向或相背运动，从而带动左右两个机械腿相向或相背移动。
所述机械腿固定台包括固定台本体，在固定台本体的下部设有滑块，上部设有扶手，在底座上设有线性导轨，机械腿固定台通过滑块与线性导轨的滑动相连实现左右移动。
所述机械腿包括大腿机构、小腿机构和踝关节机构，大腿机构与机械腿固定台活动连接，小腿机构与大腿机构活动连接，踝关节机构与小腿机构活动连接。
所述大腿机构包括大腿驱动电动缸、大腿连杆、大腿推杆、大腿套筒、腿托和大腿长度调节机构；大腿驱动电动缸与机械腿固定台活动连接，大腿连杆与大腿驱动电动缸传动相连，大腿推杆与大腿连杆固定相连并与机械腿固定台活动连接，大腿套筒套装在大腿推杆上并通过大腿长度调节机构与大腿推杆可调节相连，实现大腿长度可调，腿托安装在大腿套筒的内侧；所述小腿机构与大腿套筒活动相连。
所述小腿机构包括小腿驱动电动缸、膝关节连接件、膝关节旋转轴、小腿推杆、小腿套筒和小腿长度调节机构；小腿驱动电动缸安装在大腿机构上，膝关节连接件的一端与小腿驱动电动缸传动相连，另一端通过膝关节旋转轴活动连接在大腿套筒前端，小腿推杆通过膝关节旋转轴与大腿套筒可转动相连，小腿套筒套装在小腿推杆上并通过小腿长度调节机构与小腿推杆可调节相连，实现小腿长度可调，所述踝关节机构与小腿套筒活动相连。
所述踝关节机构包括踝关节步进电机、减速增力机构和脚蹬，踝关节步进电机安装在小腿套筒的外侧，减速增力机构设置在小腿套筒内并与踝关节步进电机传动相连，脚蹬安装在小腿套筒的内侧并与减速增力机构传动相连。
所述两个机械腿固定台中，至少一个机械腿固定台本体分为固定台上部和固定台下部，固定台下部架设在线性导轨上，固定台上部和固定台下部可转动相连并设有锁定机构相互锁定，解除锁定后固定台上部可向外转动；相应机械腿与固定台上部活动相连。
在踝关节机构与小腿机构的活动连接部设有踝关节角度传感器，在小腿机构与大腿机构的活动连接部设有膝关节角度传感器，在脚蹬底部两侧分别设有压力传感器，在两个机械腿固定台旁边的底座上分别设有机械腿移动限位光电传感器，在座椅前后调节机构旁边的底座上设有座椅移动限位光电传感器。
在座椅的支架下部活动连接有脚踏板，在座椅的支架上部安装有磁铁，脚踏板不使用时翻向上方与磁铁吸连，脚踏板使用时翻向下方用于脚踏。
所述电气设备包括电源、电机驱动机组和传感变送器，实现控制机械腿的运动与传感信号的采集。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)将一侧的机械腿固定台本体分为固定台上部和固定台下部，并使固定台上部和固定台下部可转动相连，固定台上部可向外转动；当病人上座椅时，将机械腿外旋，方便康复师的操作，克服了病人上下时机械腿的占位影响。
2)机械腿左右调节机构具有调节两个机械腿之间的宽度的功能，可满足髋关节宽窄不同的训练者的训练要求，避免了因两个机械腿之间的距离太宽或太窄引起的不适，保证了患者的训练强度和安全调节，实现了舒适的个性化的训练。
3)两个机械腿的大腿机构、小腿机构和踝关节机构分别设有驱动机构，可实现髋关节、膝关节和踝关节单独的调节，实现单关节的运动训练，也可实现关节的同步运动，以及实现关节的活动度的练习，训练时采取循序渐进的方式逐渐提高速度，加大难度，实现患者逐渐康复训练的要求。
4)在下肢的各关节部位采用先进的位置空间传感技术，实现关节角度数据的无线传输，评估数据采用无线传输模式至操作显示器，克服了使用复杂的机械结构来限制运动范围的缺点。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的使用状态图；
图3为本发明中的座椅的结构示意图；
图4、图5为本发明中的机械腿的结构示意图；
图6为本发明中的底座的结构示意图；
图7为本发明中的左侧机械腿固定台的结构示意图；
图8、图9为本发明中传感器安装状态示意图；
图10为本发明中的机械腿左右调节机构的结构示意图；
图11为本发明中的机械腿调节状态图。
具体实施方式
参见图1，本发明的下肢功能康复训练机器人，包括底座1、座椅3、机械腿左右调节机构4、机械腿固定台5、机械腿6和配重控制箱7。
配合参见图6，本发明中的底座1包括底板11，在底板11下面安装有四个脚轮12，在底板11上面安装有线性导轨54和丝杆固定台41。
配合参见图3、图8，本发明中的座椅3架设底座上；它包括支架31、座板32、靠背33和靠背倾角调节机构34；支架安装在底座上，座板连接在支架上，靠背倾角调节机构安装在座板下并与靠背传动相连，启动靠背倾角调节机构实现调节靠背的倾角。在座椅的支架31下部活动连接有脚踏板35，在座椅的支架上部安装有磁铁36，脚踏板不使用时翻向上方与磁铁吸连，脚踏板使用时翻向下方用于脚踏。
配合参见图10，本发明中的机械腿左右调节机构4架设在底座上并可左右调节。其包括丝杆固定台41、丝杆42、丝杆螺母43和电机传动机构44；丝杆固定台41安装在底座上，丝杆42穿过丝杆固定台设置，丝杆的左右两端分别连接左右丝杆螺母43，电机传动机构44安装在丝杆固定台41上并和丝杆42传动相连，左右丝杆螺母分别与左右两个机械腿固定台固定相连，启动电机传动机构带动丝杆转动，实现左右两个机械腿固定台的相向或相背运动，从而带动左右两个机械腿相向或相背移动。经机械腿左右调节机构4调节后的两种状态如图11A、B所示，其中A为将两个机械腿调节到最宽状态，B为将两个机械腿调节到最窄状态。
配合参见图10，本发明中的机械腿固定台5共两个分别连接在机械腿左右调节机构的左右两侧，并可在机械腿左右调节机构的调节下沿底座左右移动。它包括固定台本体51，在固定台本体的下部设有滑块52，上部设有扶手53，在底座上设有线性导轨54，机械腿固定台通过滑块与线性导轨的滑动相连实现左右移动。
配合参见图4、图5，本发明中的机械腿6共两个分别连接在两个机械腿固定台5上，并可随机械腿固定台左右移动。它包括大腿机构61、小腿机构62和踝关节机构63，大腿机构61与机械腿固定台5活动连接，小腿机构62与大腿机构61活动连接，踝关节机构63与小腿机构62活动连接。
大腿机构61包括大腿驱动电动缸611、大腿连杆612、大腿推杆613、大腿套筒614、腿托615和大腿长度调节机构616；大腿驱动电动缸与机械腿固定台活动连接，大腿连杆与大腿驱动电动缸传动相连，大腿推杆与大腿连杆固定相连并与机械腿固定台活动连接，大腿套筒套装在大腿推杆上并通过大腿长度调节机构与大腿推杆可调节相连，实现大腿长度可调，腿托安装在大腿套筒的内侧；所述小腿机构与大腿套筒活动相连。
小腿机构62包括小腿驱动电动缸621、膝关节连接件622、膝关节旋转轴623、小腿推杆624、小腿套筒625和小腿长度调节机构626。小腿驱动电动缸安装在大腿机构的大腿套筒上，膝关节连接件的一端与小腿驱动电动缸传动相连，另一端通过膝关节旋转轴活动连接在大腿套筒前端，小腿推杆通过膝关节旋转轴与大腿套筒可转动相连，小腿套筒套装在小腿推杆上并通过小腿长度调节机构与小腿推杆可调节相连，实现小腿长度可调，所述踝关节机构与小腿套筒活动相连。
踝关节机构63包括踝关节步进电机631、减速增力机构632和脚蹬633，踝关节步进电机安装在小腿套筒的外侧，减速增力机构设置在小腿套筒内并与踝关节步进电机传动相连，脚蹬安装在小腿套筒的内侧并与减速增力机构传动相连。
配重控制箱7固定在底座的后部，内装电气设备，包括电源、电机驱动机组和传感变送器等。
配合参见图7，本发明还可以将左右两个机械腿固定台的结构做成相同或不同，在本实施例中，即将右侧的机械腿固定台做成整体，而将左侧的机械腿固定台本体51分为固定台上部511和固定台下部512，固定台下部架设在线性导轨上，固定台上部和固定台下部可转动相连并设有锁定机构513相互锁定，解除锁定后固定台上部可向外转动；这时，左边的机械腿与固定台上部活动相连。固定台上部带动机械腿向外转动后的状态如图2所示。
配合参见图8、图9，本发明在踝关节机构与小腿机构的活动连接部设有踝关节角度传感器91，在小腿机构与大腿机构的活动连接部设有膝关节角度传感器92，在脚蹬底部两侧分别设有压力传感器93、94，在两个机械腿固定台旁边的底座上分别设有机械腿移动限位光电传感器95、96，踝关节角度传感器91与踝关节转轴同心配合，用来测量踝关节部分在旋转过程中的运动角度。膝关节角度传感器92与膝关节转轴同心配合，用来测量机械腿在运动过程中大腿部分与小腿部分所成角度。压力传感器93、94用来测量训练过程中患者足底压力。机械腿移动限位光电传感器95、96安装在底座对应机械腿固定台移动的两个极限位置处，固定台的固定板上后侧安装一个小凸台，当固定板移动到最宽及最窄位置时，小凸台和光电传感器刚好对应上，之间距离处在预设值以内，传感器发出信号，固定板驱动电机停止转动，固定板停止运动，达到限制机械腿固定台移动范围的作用。
本发明的装置还包括显示器，显示器用于机器设定，实现人机交互游戏训练等功能。
采用本发明的机器人，可实现下肢运动训练功能，下肢评估功能，趣味游戏交互功能，其中被动训练包括双腿交替步行模拟训练，双腿同步模拟下蹲站起屈伸训练，单关节的运动训练，可适合不同关节病患者的需要。
同步屈伸模拟下蹲站起功能，通过调节左右机械腿电机组的运动来说实现，训练时间长短可选择。训练前，解除机械腿外翻锁定，将机械腿向外翻90°，在患者坐到座椅上后，复位机械腿并锁定，然后固定好小腿，大腿，并让其左右脚分别踩在左右脚蹬上；训练时配上刺激有趣的声音效果和画面背景效果，可增加患者训练的趣味性，以达到最佳的训练效果。训练可根据患者特点，采取循序渐进的方式逐渐提高速度，加大难度，实现患者逐渐康复训练的要求。
还可以根据患者的需要实现髋关节，膝关节，踝关节的单关节的运动，也可实现左右腿的膝关节的同步运动，踝关节的同步运动，实现关节的活动度的练习。
Claims (8)
1.一种下肢功能康复训练机器人，其特征在于，包括：
底座；
座椅，架设在底座上；
机械腿左右调节机构，架设在底座上并可左右调节；
机械腿固定台，共两个分别连接在机械腿左右调节机构的左右两侧，并可在机械腿左右调节机构的调节下沿底座左右移动；
机械腿，共两个分别连接在两个机械腿固定台上，并可随机械腿固定台左右移动；
配重控制箱，固定在底座的后部，内装电气设备；
所述机械腿包括大腿机构、小腿机构和踝关节机构，大腿机构与机械腿固定台活动连接，小腿机构与大腿机构活动连接，踝关节机构与小腿机构活动连接；
所述大腿机构包括大腿驱动电动缸、大腿连杆、大腿推杆、大腿套筒、腿托和大腿长度调节机构；大腿驱动电动缸与机械腿固定台活动连接，大腿连杆与大腿驱动电动缸传动相连，大腿推杆与大腿连杆固定相连并与机械腿固定台活动连接，大腿套筒套装在大腿推杆上并通过大腿长度调节机构与大腿推杆可调节相连，实现大腿长度可调，腿托安装在大腿套筒的内侧；所述小腿机构与大腿套筒活动相连；
所述小腿机构包括小腿驱动电动缸、膝关节连接件、膝关节旋转轴、小腿推杆、小腿套筒和小腿长度调节机构；小腿驱动电动缸安装在大腿机构上，膝关节连接件的一端与小腿驱动电动缸传动相连，另一端通过膝关节旋转轴活动连接在大腿套筒前端，小腿推杆通过膝关节旋转轴与大腿套筒可转动相连，小腿套筒套装在小腿推杆上并通过小腿长度调节机构与小腿推杆可调节相连，实现小腿长度可调，所述踝关节机构与小腿套筒活动相连；
所述踝关节机构包括踝关节步进电机、减速增力机构和脚蹬，踝关节步进电机安装在小腿套筒的外侧，减速增力机构设置在小腿套筒内并与踝关节步进电机传动相连，脚蹬安装在小腿套筒的内侧并与减速增力机构传动相连。
2.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：所述座椅包括支架、座板、靠背和靠背倾角调节机构；支架安装在座椅前后调节机构上，座板连接在支架上，靠背倾角调节机构安装在座板下并与靠背传动相连，启动靠背倾角调节机构实现调节靠背的倾角。
3.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：所述机械腿左右调节机构包括丝杆固定台、丝杆、丝杆螺母和电机传动机构；丝杆固定台安装在底座上，丝杆穿过丝杆固定台设置，丝杆的左右两端分别连接左右丝杆螺母，电机传动机构安装在丝杆固定台上并和丝杆传动相连，左右丝杆螺母分别与左右两个机械腿固定台固定相连，启动电机传动机构带动丝杆转动，实现左右两个机械腿固定台的相向或相背运动，从而带动左右两个机械腿相向或相背移动。
4.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：所述机械腿固定台包括固定台本体，在固定台本体的下部设有滑块，上部设有扶手，在底座上设有线性导轨，机械腿固定台通过滑块与线性导轨的滑动相连实现左右移动。
5.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：所述两个机械腿固定台中，至少一个机械腿固定台本体分为固定台上部和固定台下部，固定台下部架设在线性导轨上，固定台上部和固定台下部可转动相连并设有锁定机构相互锁定，解除锁定后固定台上部可向外转动；相应机械腿与固定台上部活动相连。
6.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：在踝关节机构与小腿机构的活动连接部设有踝关节角度传感器，在小腿机构与大腿机构的活动连接部设有膝关节角度传感器，在脚蹬底部两侧分别设有压力传感器，在两个机械腿固定台旁边的底座上分别设有机械腿移动限位光电传感器，在座椅前后调节机构旁边的底座上设有座椅移动限位光电传感器。
7.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：在座椅的支架下部活动连接有脚踏板，在座椅的支架上部安装有磁铁，脚踏板不使用时翻向上方与磁铁吸连，脚踏板使用时翻向下方用于脚踏。
8.如权利要求1所述的下肢功能康复训练机器人，其特征在于：所述电气设备包括电源、电机驱动机组和传感变送器。
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