CN107041823A - 步态康复训练装置及其方法 - Google Patents

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陈可
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Abstract

本发明公开了一种步态康复训练装置及其方法，属于医疗器械领域。装置的扶手底盘底部一侧固定于两条直角连接杆上，直角连接杆另一端通过轴承固定于中心轴上，中心轴固定于升降结构上；第一直线电机的机身底部铰接于升降结构上，其动力输出轴顶部铰接于扶手底盘底部；扶手底盘上部两侧均装有圆柱型抓手；所述的升降结构的顶部平台中设置有容纳座椅板的空腔，座椅板与顶部平台构成移动副；升降结构底部搭载于U型车底盘上，U型车底盘的开口朝向用户站立方向；U型车底盘下方设有两个步进电机和四个车轮结构，车轮分为两个前轮和两个后轮，步进电机用于驱动两个前轮从而带动整个步态康复训练装置。

Description

步态康复训练装置及其方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种步态康复训练装置及其方法。
背景技术
我国对康复机器人的研究起步比较晚,辅助型康复机器人的研究成果相对较多,康复训练机器人方面的研究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机。我国简易型的康复训练器械比较多，市场上卖的大多数就是这些简易型的康复训练器械，原理是设置一定强度的运动阻尼，模拟用户运动过程的阻尼，令用户可以逐渐恢复运动能力。
相比于其他的康复训练，步态康复训练机器人有着更好的人机和谐功能，能够更科学、更智能、更和谐，而且只需通过用户自身的调理应用，不用再长时间呆在医院里进行治疗，因此会有更加广阔的应用范围。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，并提供一种步态康复训练装置。本发明所采用的具体技术方案如下：
一种步态康复训练装置，包括可旋转扶手结构、升降结构、车轮结构、U型车底盘；可旋转扶手结构包括扶手底盘和第一直线电机；扶手底盘底部一侧固定于两条直角连接杆上，直角连接杆另一端通过轴承固定于中心轴上，中心轴固定于升降结构上；第一直线电机的机身底部铰接于升降结构上，其动力输出轴顶部铰接于扶手底盘底部，用于驱动扶手底盘绕中心轴旋转；扶手底盘上部两侧均装有圆柱型抓手；所述的升降结构的顶部平台中设置有容纳座椅板的空腔，座椅板与顶部平台构成移动副，使座椅板能够根据需要收纳或者拉伸；升降结构底部搭载于U型车底盘上，U型车底盘的开口朝向用户站立方向；U型车底盘下方设有两个步进电机和四个车轮结构，车轮分为两个前轮和两个后轮，步进电机用于驱动两个前轮从而带动整个步态康复训练装置。
作为优选，所述的座椅板位于升降结构顶部平台内的部分带有凸缘，用于控制座椅板的最大拉伸量；座椅板的前端可拆卸式连接有两条连接绳，连接绳的另一端和扶手结构相连，用于在座椅板拉出升降结构顶部平台后提供拉力。
作为优选，所述的升降结构采用链式升降装置，由多条直杆铰接构成剪刀叉式结构，最顶部的两条直杆之间横跨有支承杆，第二直线电机的机身底部铰接与U型车底盘上，其动力输出轴顶部铰接于支承杆上，用于推动链式升降装置以控制可旋转扶手结构的高度。
作为优选，所述的第一直线电机的动力输出轴伸缩行程需要满足：动力输出轴完全收缩时，扶手底盘上的圆柱型抓手在处于坐姿的用户的双手抓扶范围内。
作为优选，所述的U型车底盘由两条并排的底杆中间通过两条中间杆固定而成；底杆位于步态康复训练装置前进方向的一端底部安装前轮，步进电机安装于电机架上，且其动力输出轴与前轮相连；电机架和底杆之间设置有弹簧减震器；底杆的另一端底部安装后轮。
作为优选，所述的扶手底盘上圆柱型抓手附近设置有柔软手垫板。
作为优选，还设有单片机作为控制单元，并与步态康复训练装置中的各电机相连。
作为进一步的优选，还设有与控制单元通过无线通信连接的惯性测量装置，用于测量用户的行进速度。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述步态康复训练装置的步态康复训练方法，步骤如下：
首先，将惯性测量装置佩戴于用户下肢，并与控制单元建立数据交互连接；使步态康复训练装置移动至用户双手可抓扶的范围内；使下肢需要锻炼的用户先保持坐姿，第一直线电机处于收缩最短状态，使用户双手握住两个圆柱型抓手后，控制第一直线电机运行，推动整个可旋转式扶手结构绕中心轴向上旋转，辅助用户站立；达到站立高度时，关闭第一直线电机；然后，通过控制第二直线电机，使其推动链式升降结构，以调整可旋转式扶手结构高度适应用户身高；启动步进电机，控制单元接收从用户身上穿戴的惯性测量单元获得的实时行走速度数据后，控制步进电机的转速，实现步态跟随。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过可旋转扶手结构和升降结构使其具有直线和旋转两个自由度，可旋转扶手结构依靠直线电机，在帮助了用户使用其部分的剩余力量，不减少其肌肉力量的前提下，能将用户搀扶起；同时在行走时也可以提供支撑力。
(2)本发明的可旋转扶手结构安装压力传感器，根据压力传感器传送的数据，调节升降台高度，使用户达到最舒适的状态，可以适应不同的用户。
(3)本发明的U型车底座中安装合适的减震器，以此增强其在野外复杂环境下的使用性。
(4)本发明的控制单元与用户穿戴的惯性测量单元相结合，实现了用户开始运动就启动的自启动功能，并可以在用户使用时做到步态跟随；人机结合，用户不需要负重训练。
(5)本发明注重人机交互功能，能够全方位监测用户的身体状况，不仅仅从康复训练方面，更加延伸到医学生理方面，一机多用，进一步保护用户的身体健康。
(6)本发明设置人性化座椅，方便用户训练时休息
附图说明
图1步态康复训练装置整体结构图；
图2为步态康复训练装置升降结构示意图；
图3为步态康复训练装置前轮结构等轴侧视图；
图4为步态康复训练装置辅助用户使用的示意图。
图5为步态康复训练装置的可旋转式扶手结构旋至最低处时的状态示意图；
图6为步态康复训练装置的可旋转式扶手结构旋至正常步态训练时的状态示意图。
图中：扶手底盘15、第一直线电机38直角连接杆21、中心轴25、第一直线电机38、圆柱型抓手17、柔软手垫板16、、直杆28、第二直线电机34、座椅板56、连接绳57、底杆1、中间杆40、前轮8、步进电机6、电机架7、弹簧减震器55和后轮3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的步态康复训练装置，包括可旋转扶手结构、升降结构、车轮结构、U型车底盘和控制装置。其作用是辅助下肢需要锻炼的用户实现站立、行走等功能，使其逐渐恢复下肢功能。
升降结构用于调整扶手结构对用户的适应高度；控制装置用于根据用户指令手动或自动地控制步态康复训练装置的运动；车轮机构用于驱动步态康复训练装置并根据控制单元的指令调节运动速度和方向。用户通过操作外部遥控器和可旋转扶手结构上的开关来控制步态康复训练装置，装置中的直线电机通过用户手动操作和传感器来调整工作状态，步进电机通过惯性测量单元的数据调整运动装置状态。
可旋转扶手结构包括扶手底盘15和第一直线电机38；扶手底盘15底部一侧固定于两条直角连接杆21的水平部上，直角连接杆21垂直端通过轴承固定于中心轴25上，中心轴25通过另外的轴承固定于升降结构上。由此，扶手底盘15可以整体以中心轴25进行旋转，以调整其与用户的高度。第一直线电机38的机身底部铰接于升降结构上，其动力输出轴顶部末端铰接于扶手底盘15底部。当动力输出轴伸缩时，可以驱动扶手底盘15绕中心轴25旋转。扶手底盘15上部两侧均装有圆柱型抓手17，圆柱型抓手17附近设置有柔软手垫板16，作为用户手部的柔性缓冲。两个圆柱型抓手17顶部可以分别设置控制开关，一个为整体开关，用于控制整体系统的运动开启和关闭，另一个为高度调节开关，用于控制整个扶手结构的高度。其具体控制可与单片机等控制装置联动。
如图2所示，升降结构采用链式升降装置，由多条直杆28铰接构成剪刀叉式结构，最顶部的两条直杆28之间横跨有支承杆，第二直线电机34的机身底部铰接与U型车底盘上，其动力输出轴顶部铰接于支承杆上，用于推动链式升降装置以控制可旋转扶手结构的高度。升降结构的顶部平台中，由四条边梁首位相连形成矩形支架，支架内部布置加固梁。顶部平台中一条梁体上开设通槽，用于容纳座椅板56伸缩，座椅板56与顶部平台的该条梁构成移动副，使座椅板56能够根据需要收纳或者拉伸。座椅板56位于升降结构顶部平台内的部分带有凸缘，用于控制座椅板56的最大拉伸量。当用户需要坐下休息时，可以将其拉出，不使用时再收回去。同时为了给处于拉伸状态的座椅板56提供支撑力，座椅板56的前端可拆卸式连接有两条连接绳57，连接绳57的另一端和扶手结构相连，由此为座椅板56拉出升降结构顶部平台后提供拉力。
U型车底盘由两条并排的底杆1中间通过两条中间杆40固定而成，中间杆40用于加强底座的抗弯强度。U型车底盘的开口朝向用户站立方向。如图3所示，底杆1位于步态康复训练装置前进方向的一端底部安装前轮8，步进电机6安装于电机架7上，且其动力输出轴与前轮8相连。电机架7和底杆1之间设置有弹簧减震器55。弹簧减震器55与外部之间安装垫片，用于减弱机械装置之间的磨损。底杆1的另一端底部安装后轮3，后轮3采用万向轮。
升降结构底部搭载于U型车底盘上，U型车底盘下方设有两个步进电机6和四个车轮结构，车轮分为两个前轮8和两个后轮3，步进电机6用于驱动两个前轮8从而带动整个步态康复训练装置。
可旋转扶手结构通过外部设定直线电机的最大伸长值来限定扶手结构的旋转角度最大值。一般来说，第一直线电机38的动力输出轴伸缩行程需要满足：动力输出轴完全收缩时，扶手底盘15上的圆柱型抓手17在处于坐姿的用户的双手抓扶范围内。
同时，为了装置能够实现自动化控制，可以另外设置单片机作为控制单元，并与步态康复训练装置中的各电机相连。为了检测用户的行进速度，还需要在用户身上佩戴一个与控制单元通信连接的惯性测量装置，用于测量用户的行进速度。连接方式可以采用蓝牙、红外等方式。
基于上述步态康复训练装置，用户的步态康复训练方法步骤如下：
首先，将惯性测量装置佩戴于用户下肢，并与控制单元建立数据交互连接；使步态康复训练装置移动至用户双手可抓扶的范围内，并处于如图5所示状态。使下肢需要锻炼的用户先保持坐姿，第一直线电机38处于收缩最短状态，使用户双手握住两个圆柱型抓手17后，控制第一直线电机38运行，推动整个可旋转式扶手结构绕中心轴25向上旋转，辅助用户站立，直至如图6所示。达到站立高度时，关闭第一直线电机38；然后，通过控制第二直线电机34，使其推动链式升降结构，以调整可旋转式扶手结构高度适应用户身高。启动步进电机6，控制单元接收从用户身上穿戴的惯性测量单元获得的实时行走速度数据后，控制步进电机6的转速，实现步态跟随。使用状态示意图如图4所示，用户前进时，可旋转式扶手结构继续给用户提供支撑力。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种步态康复训练装置，其特征在于：包括可旋转扶手结构、升降结构、车轮结构、U型车底盘；可旋转扶手结构包括扶手底盘(15)和第一直线电机(38)；扶手底盘(15)底部一侧固定于两条直角连接杆(21)上，直角连接杆(21)另一端通过轴承固定于中心轴(25)上，中心轴(25)固定于升降结构上；第一直线电机(38)的机身底部铰接于升降结构上，其动力输出轴顶部铰接于扶手底盘(15)底部，用于驱动扶手底盘(15)绕中心轴(25)旋转；扶手底盘(15)上部两侧均装有圆柱型抓手(17)；所述的升降结构的顶部平台中设置有容纳座椅板(56)的空腔，座椅板(56)与顶部平台构成移动副，使座椅板(56)能够根据需要收纳或者拉伸；升降结构底部搭载于U型车底盘上，U型车底盘的开口朝向用户站立方向；U型车底盘下方设有两个步进电机(6)和四个车轮结构，车轮分为两个前轮(8)和两个后轮(3)，步进电机(6)用于驱动两个前轮(8)从而带动整个步态康复训练装置。
2.如权利要求1所述的步态康复训练装置，其特征在于：所述的座椅板(56)位于升降结构顶部平台内的部分带有凸缘，用于控制座椅板(56)的最大拉伸量；座椅板(56)的前端可拆卸式连接有两条连接绳(57)，连接绳(57)的另一端和扶手结构相连，用于在座椅板(56)拉出升降结构顶部平台后提供拉力。
3.如权利要求1所述的步态康复训练装置，其特征在于：所述的升降结构采用链式升降装置，由多条直杆(28)铰接构成剪刀叉式结构，最顶部的两条直杆(28)之间横跨有支承杆，第二直线电机(34)的机身底部铰接与U型车底盘上，其动力输出轴顶部铰接于支承杆上，用于推动链式升降装置以控制可旋转扶手结构的高度。
4.如权利要求1所述的步态康复训练装置，其特征在于：所述的第一直线电机(38)的动力输出轴伸缩行程需要满足：动力输出轴完全收缩时，扶手底盘(15)上的圆柱型抓手(17)在处于坐姿的用户的双手抓扶范围内。
5.如权利要求1所述的步态康复训练装置，其特征在于：所述的U型车底盘由两条并排的底杆(1)中间通过两条中间杆(40)固定而成；底杆(1)位于步态康复训练装置前进方向的一端底部安装前轮(8)，步进电机(6)安装于电机架(7)上，且其动力输出轴与前轮(8)相连；电机架(7)和底杆(1)之间设置有弹簧减震器(55)；底杆(1)的另一端底部安装后轮(3)。
6.如权利要求1所述的步态康复训练装置，其特征在于：所述的扶手底盘(15)上圆柱型抓手(17)附近设置有柔软手垫板(16)。
7.如权利要求1所述的步态康复训练装置，其特征在于：还设有单片机作为控制单元，并与步态康复训练装置中的各电机相连。
8.如权利要求7所述的步态康复训练装置，其特征在于：还设有与控制单元通过无线通信连接的惯性测量装置，用于测量用户的行进速度。
9.一种使用如权利要求8所述步态康复训练装置的步态康复训练方法，其特征在于，步骤如下：
首先，将惯性测量装置佩戴与用户下肢，并与控制单元建立数据交互连接；使步态康复训练装置移动至用户双手可抓扶的范围内；使下肢需要锻炼的用户先保持坐姿，第一直线电机(38)处于收缩最短状态，使用户双手握住两个圆柱型抓手(17)后，控制第一直线电机(38)运行，推动整个可旋转式扶手结构绕中心轴(25)向上旋转，辅助用户站立；达到站立高度时，关闭第一直线电机(38)；然后，通过控制第二直线电机(34)，使其推动链式升降结构，以调整可旋转式扶手结构高度适应用户身高；启动步进电机(6)，控制单元接收从用户身上穿戴的惯性测量单元获得的实时行走速度数据后，控制步进电机(6)的转速，实现步态跟随。
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