CN107088139A - 针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，包括床架结构、支撑座和两组仿生腿结构，在使用时，患者躺在床板上，将腿固定于仿生腿结构上，由仿生腿结构带动腿部进行康复运动。本发明的步态运动是通过气压驱动，可避免患者与带电装置直接接触，同时利用气压系统控制仿生腿结构的髋关节、膝关节和踝关节的运动范围使各关节的运动角度远小于人体下肢各关节的极限运动范围，不会对患者造成二次伤害。

Description

针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种下肢康复训练机器人。
技术背景
对于由于脑卒中或者神经损伤造成肢体运动障碍的患者，前期需要经过必要的手术和药物治疗，让患肢恢复正常则需要后期的运动训练。康复医学的相关研究表明，对于具有运动障碍的肢体，如果长时间缺少运动锻炼，就会造成关节和肌肉处的血液循环不畅，降低自身的免疫力，进而出现肌肉萎缩，关节僵硬等症状，影响正常生活。因而，进行科学的、正确的训练成为患者恢复过程中不可或缺的一部分。而传统的康复训练一般由医生和治疗师手动协助患者进行站立行走训练，但是，这种被动的训练模式工作强度大，不便于患者随时训练。所以，开发一种下肢康复训练机器人势在必行。
申请人经过检索，专利201610310890.5公开了一种可穿戴的下肢外骨骼康复机器人，可以通过一定的运动轨迹来实现各个关节的运动以及腿部肌肉的拉伸，还可根据使用者的实际康复情况选择站、坐、卧式的康复训练，满足患者在不同时期的需求，帮助患者逐渐恢复下肢的运动能力，该机器人设有机械限位模块，可以保证康复训练时的安全性。但是对于康复初期患者使用不方便，康复初期患者下肢运动能力完全丧失，无法站立，不能采取站立姿势。该康复机器人穿戴在腰上，没有支撑装置，当采用坐、卧姿势时，下肢所有重量会施加在腰部，增大腰部压力。并且该下肢康复机器人采用电推杆驱动各关节，但是电推杆由于制造工艺限制，并且运动距离由时间控制，导致其运动精度不高，并且不能满足患者对不同运动速度的要求。
专利201210225997.1公开了一种坐卧式下肢康复机器人，可以根据患者的损伤程度或康复阶段分别进行被动训练、助力训练或主动训练。包括座椅、机械臂、主工控箱、人机交互界面、电刺激手握开关、电刺激电极片、肌电信号采集电极片、功能性电刺激和肌电信号采集工控箱。但是该下肢康复训练机器人选择电机驱动各关节，电机在长时间工作后会使其精度降低，选择电机驱动还导致患者直接与带电装置接触，存在安全风险。并且该下肢康复机器人为了适应患者各个阶段的训练要求导致其造价昂贵。当有多个处在不同康复阶段患者同时需要进行康复训练时，这种造价昂贵的多功能康复机器人就显示了效率不足的弊端。不如分别采购多个功能专一的康复机器人，可实现同时对不同康复阶段患者的康复训练。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种只针对康复初期患者的康复训练机器人，选用气压驱动方式，气压驱动系统构造简单、可靠性高、惯性小且工作平稳，运动过程中可实现无级调速，价格较低。患者躺在机器人上，通过机器人的动作实现对患者腿部的运动训练，从而达到帮助患者恢复下肢的运动机能。
本发明采用如下技术方案：
一种针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，包括床架结构、支撑座和两组仿生腿结构，床架结构铰接于支撑座的后端，两组仿生腿结构对称设置并分别与支撑座铰接，所述床架结构可绕铰接点在固定平面内转动整床架结构的远近距离和高度；所述仿生腿结构包括第一大腿机构、第二大腿机构、第一小腿机构、第二小腿机构和脚踏板。在使用时，患者躺在床板上，将腿固定于仿生腿结构上，由仿生腿结构带动腿部进行康复运动。
所述第一大腿机构与支撑座铰接形成髋关节，第一大腿机构上连接有驱动髋关节的髋关节驱动气缸；
所述第一大腿机构上连接有大腿长度调节光杆，第二大腿机构的一端通过光孔套设在大腿长度调节光杆上并可沿大腿长度调节光杆滑动；
所述第一小腿机构与第二大腿机构的另一端铰接形成膝关节，第一小腿机构与第二大腿机构之间连接有驱动膝关节的膝关节驱动气缸；
所述第一小腿机构上连接有小腿长度调节光杆，第二小腿机构的一端通过光孔套设在小腿长度调节光杆并可沿小腿长度调节光杆滑动；
所述脚踏板与第二小腿机构的另一端铰接形成踝关节。
所述支撑座内开有竖向U型滑槽，滑槽内可拆式安装有髋关节调节机构，髋关节调节机构包括横架和两个支撑块，两个支撑块通过轴孔配合与横架连接构成“H”型支架结构，两个支撑块可在横架上水平滑动调整横向宽度；所述支撑块上开有竖向滑卡槽，横架配合安装于滑卡槽内并可沿滑卡槽竖向升降，横架上连接有驱动竖向升降的电推杆；所述第一大腿机构、髋关节驱动气缸的缸体分别与支撑块铰接。所述横架和支撑块的连接处设有摩擦锁紧机构，该锁紧机构使横架和支撑块之间产生足够摩擦力，式支撑块的左右位置保持不变，工作时不松动，是一种轴向受力锁紧装置
所述的床架结构四根不可伸缩的刚性支撑杆、底板、床板驱动气缸和床板，底架和底板水平设置，底板的背部通过螺钉安装有五个气缸Y型接头，底板的一端与支撑座背面底部垂直连接，四根支撑杆的顶端分别与床板的四角铰接，四根支撑杆的底端与底板铰接，组成平行四边形，四根支撑杆在绕与底板的铰接点转动时，床板始终保持水平放置；床板驱动气缸倾斜设置，床板驱动气缸的缸体底端与底板的气缸Y型接头铰接，床板驱动气缸的活塞杆端头与床板下底面气缸Y型接头铰接。利用床板驱动气缸实现床板的远离、靠近支撑座的下降和上升运动。
所述脚踏板与第二小腿机构之间铰接有阻尼器。
所述髋关节的极限运动范围为-5°~40°，髋关节驱动气缸行程为零时，第一大腿机构与水平线夹角为-5°，髋关节驱动气缸达到最大行程时，第一大腿机构与水平线夹角为40°；其中，角度是以水平线为基准，顺时针方向为负，逆时针为正。
所述膝关节的极限运动范围为-67°~0°，膝关节驱动气缸的行程为零时，第一小腿机构与第二大腿机构延长线的夹角为-67°，膝关节驱动气缸的行程达到最大时，第一小腿机构与第二大腿机构延长线的夹角为0°；其中，角度是以水平线为基准，顺时针方向为负，逆时针为正。
所述踝关节的极限运动范围为-14.2°-20.6°，阻尼器行程为零时，脚踏板与第二小腿机构法线的夹角为20.6°，阻尼器行程达到最大时，脚踏板与第二小腿机构法线的夹角为-14.2°；其中，角度是以水平线为基准，顺时针方向为负，逆时针为正。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明是一种被动型康复机器人，能对患者髋关节、膝关节和脚踝进行全面的步态康复控制，针对康复初期患者，康复时患者呈仰卧状态，不会对患者身体造成额外负重；
2、本发明的步态运动是通过气压驱动，可避免患者与带电装置直接接触，使用安全性更高，运行更平稳；
3、本发明可通过气压系统控制髋关节、膝关节和踝关节的运动范围，使各关节的运动角度远小于人体下肢各关节的极限运动范围，不会对患者造成二次伤害，提高了产品的安全性。
附图说明
图1为人体下肢康复机器人的立体图；
图2为人体下肢康复机器人床架结构示意图；
图3为床架结构准备载人状态示意图；
图4为床板底部结构示意图；
图5为人体下肢康复机器人髋关节调节机构示意图；
图6为人体下肢康复机器人仿生腿结构示意图；
图7为人体下肢康复机器人腿部调节机构丝杠电机示意图；
图8为支撑块关键外形尺寸图，单位：mm；
图9为第一大腿机构关键外形尺寸图，单位：mm；
图10为髋关节驱动气缸关键外形尺寸图（行程的两极限状态），单位：mm；
图11为第二大腿机构关键外形尺寸图，单位：mm；
图12为第一小腿机构关键外形尺寸图，单位：mm；
图13为膝关节驱动气缸关键外形尺寸图（行程的两极限状态），单位：mm；
图14为第二小腿机构关键外形尺寸图，单位：mm；
图15为脚踏板关键外形尺寸图，单位：mm；
图16为阻尼器关键外形尺寸图（行程的两极限状态），单位：mm；
其中，图8至图16中的尺寸标注仅为本发明结构的一种实施例尺寸，该尺寸能满足各关节的运动角度设计要求，但符合所述运动角度设计要求的各构件尺寸可多样，不局限于视图中的尺寸。
图中标号：1-床架结构，1-1-床板驱动气缸，1-2-床板，1-3-支撑杆，1-4-底板，2-支撑座，2-1-电推杆，2-2-横架，2-3-支撑块，3-仿生腿结构，3-1-第一大腿机构，3-2-大腿长度调节丝杠电机，3-3-第二大腿机构，3-4-腿部固定装置，3-5-小腿长度调节光杆，3-6-第二小腿机构，3-7-脚踏板，3-8-阻尼器，3-9-小腿长度调节丝杠电机，3-10-第一小腿机构，3-11-膝关节驱动气缸，3-12-大腿长度调节光杆，3-13-髋关节驱动气缸，4-膝关节，4-1-丝杠，4-2-套筒，4-3-电机，5-踝关节，6-髋关节，7-髋关节调节机构。
具体实施方案
本发明核心是提供一种针对患者早期下肢运动功能康复训练的下肢康复训练机器人，降低造价。
参考图1-图4，本发明公开一种下肢康复训练机器人，包括患者躺卧的床架结构1、用于驱动所述床板1-2绕底板1-4铰接点转动的床板驱动气缸1-1、支撑座2、设置在支撑座2上端的髋关节调节机构7、与髋关节调节机构7铰接的仿生腿结构3。
由于康复初期患者下肢运动功能完全丧失，无法自主移动并使用下肢康复机器人，只能依靠轮椅移动，并通过理疗师的帮助才能顺利使用，所以在设计床板1-2上时，必须考虑到是否方便患者使用。通过床板驱动气缸1-1活塞伸出，驱动床板1-2，配合铰接在底板1-4上的支撑杆1-3，降低床板1-2高度并远离支撑座2，然后将床板驱动气缸1-1的电磁换向阀变为中位工作，就能固定床板1-2当前位置，方便理疗师帮助患者从轮椅转移到床板1-2上，当患者调整好姿势，改变电磁换向阀的工作状态，使床板驱动气缸1-1抬高床板1-2并靠近支撑座，再将电磁换向阀变为中位工作，固定床板1-2位置，使患者能够开始使用机器人。如图2、3所示。
参考图5，通过髋关节调节机构7，可以使不同髋关节宽度和臀厚的患者均能使用本发明，具体调节方法如下：通过设置在支撑座2的电推杆的伸缩2-1，驱动通过滑块导轨配合在支撑座2上的横架2-2，以此驱动通过滑块轨道配合在横架2-2的支撑块2-3达到调节高度的目的，以适应不同臀厚的患者。配合在横架2-2的支撑块2-3可以在水平方向上进行调节并锁紧，来适应不同髋关节宽度的患者。
参考图6、7，进一步的实施例中，还提供一种仿生腿结构3，其包括：与支撑块2-3铰接，形成髋关节6的第一大腿机构3-1；设置在第一大腿机构3-1上的大腿长度调节光杆3-12；第二大腿机构3-3通过光孔套设在大腿长度调节光杆3-12并可沿大腿长度调节光杆3-12滑动；与第二大腿机构3-3另一端铰接，形成膝关节4的第一小腿机构3-10；设置在第一小腿机构3-10上的小腿长度调节光杆3-5；第二小腿机构3-6，通过光孔套设在小腿长度调节光杆3-5上并可沿小腿长度调节光杆3-5滑动；与第二小腿机构3-6另一端铰接，形成踝关节5的脚踏板3-7；分别与第二小腿机构3-6和脚踏板3-7铰接的阻尼器3-8。
具体的，髋关节驱动气缸3-13驱动第一大腿机构3-1绕与支撑块2-3铰接的交接点转动，第一大腿机构3-1另一端还安装有大腿长度调节光杆3-12与大腿长度调节丝杠电机3-2，第二大腿机构3-3的光孔与大腿长度调节光杆3-12配合，保证第二大腿机构3-3只能够沿着大腿长度调节光杆3-12运动；电机4-3带动丝杠4-1进行正反转运动，套筒4-2与第二大腿机构3-3通过螺栓连接，电机4-1与套筒4-2通过螺纹配合，从而能够使第二大腿机构3-3靠近或远离第一大腿机构3-1，从而实现调节仿生腿大腿长度的目的，扩大适用范围，其中第一大腿机构3-1与第二大腿机构3-3构成仿生腿的大腿部分。
当第二大腿机构3-3到预定位置时，丝杠电机停止转动并自锁，实现第二大腿机构3-3在大腿长度调节光杆3-12上的限位。使用时，通过大腿部分绕髋关节6的转动，可实现对患者髋部和大腿部分的康复锻炼。
膝关节驱动气缸3-11驱动第一小腿机构3-10绕与第二大腿机构3-3铰接的铰接点转动，第一小腿机构3-10另一端还安装有小腿长度调节光杆3-5与小腿长度调节丝杠电机3-9，并与第二小腿机构3-6的光孔配合，保证第二小腿机构3-6只能够沿着小腿长度调节光杆3-5运动，调节方法与大腿长度调节方法相同；其中第一小腿机构3-10与第二小腿机构3-6构成仿生腿的小腿部分。
当第二小腿机构3-6运动到预定位置时，小腿长度调节丝杠电机3-9停止转动并自锁，实现对第二小腿机构3-6在小腿长度调节光杆3-5上的限位。使用时，通过小腿部分绕膝关节4的转动，可实现对患者小腿部分的康复锻炼。
脚踏板3-7通过转轴与第二大腿机构3-3铰接，形成踝关节5，当患者使用时，患者的脚放在脚踏板3-7上，通过分别与第二小腿机构3-6和脚踏板3-7铰接的阻尼器3-8施加给脚踏板3-7一个阻力，为足下垂的患者提供抵抗足下垂肌肉力量，可实现对患者脚踝部分的康复锻炼。
根据图8~ 15为各个机构的优选关键外形尺寸图，可以确定膝关节与髋关节的运动范围。髋关节气缸行程为零时，大腿机构与水平线夹角约为-5°（顺时针方向为负，逆时针方向为正，下同），当髋关节驱动气缸达到最大行程时，大腿机构与水平线夹角约为40°，即髋关节的极限运动范围-5°~40°；膝关节气缸行程为零时，小腿机构与大腿机构延长线的夹角约为-67°，当膝关节驱动气缸达到最大行程时，小腿机构与大腿机构延长线的夹角为0°，即膝关节的极限运动范围为-67°~0°；阻尼器行程为零时，脚踏板与小腿机构法线的夹角约为20.6°，当阻尼器达到最大行程时，脚踏板与小腿机构法线的夹角约为-14.2°，即踝关节的极限运动范围为-14.2°~20.6°。以上数据符合步态运动时，人体各个关节的平均运动角度。
仿生腿结构3与床架结构1均由气压系统控制，气压系统包括：气泵、分别控制各个气缸作用的中位机能为O型的三位四通电磁换向阀、流量控制阀，溢流阀，分水滤气器、油雾器、消声器等；控制各个阀工作的上位机，如单片机或PLC。能够保证气缸实现双作用运动，并且活塞能够在任意位置带载荷停止。
仿生腿结构运动步态的控制过程为：当进行步态运动时，上位机控制各个气压缸对应的电磁换向阀，从而使气缸活塞伸缩，驱动各个关节或床架运动，或者使气缸能够保持载荷停止在任意位置，即使增大外界压力，活塞也不会产生位移；控制各个气缸对应的流量控制阀，从而使回路中气压流量改变，使得各个关节或床架能够以不同的速度运动。通过对上位机的编程，协调配合各个气缸的运动，从而实现步态运动。
即使气缸、气压控制回路或控制系统故障时，由于步态运动角度设计的限制，各个关节的运动角度远小于人体下肢各个关节的极限运动范围，所以不会对患者造成二次伤害，提高了产品的安全性。

Claims (7)

1.一种针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，包括床架结构（1）、支撑座（2）和两组仿生腿结构（3），床架结构（1）铰接于支撑座（2）的后端，两组仿生腿结构（3）对称设置并分别与支撑座（2）铰接，其特征在于，所述床架结构（1）可绕铰接点在固定平面内转动调整床架结构（1）的远近距离和高度；所述仿生腿结构（3）包括第一大腿机构（3-1）、第二大腿机构（3-3）、第一小腿机构（3-10）、第二小腿机构（3-6）和脚踏板（3-7）；
所述第一大腿机构（3-1）与支撑座（2）铰接形成髋关节（6），第一大腿机构（3-1）上连接有驱动髋关节（6）的髋关节驱动气缸（3-13）；
所述第一大腿机构（3-1）上连接有大腿长度调节光杆（3-12），第二大腿机构（3-3）的一端通过光孔套设在大腿长度调节光杆（3-12）上并可沿大腿长度调节光杆（3-12）滑动；
所述第一小腿机构（3-10）与第二大腿机构（3-3）的另一端铰接形成膝关节（4），第一小腿机构（3-10）与第二大腿机构（3-3）之间连接有驱动膝关节（4）的膝关节驱动气缸（3-11）；
所述第一小腿机构（3-10）上连接有小腿长度调节光杆（3-5），第二小腿机构（3-6）的一端通过光孔套设在小腿长度调节光杆（3-5）并可沿小腿长度调节光杆（3-5）滑动；
所述脚踏板（3-7）与第二小腿机构（3-6）的另一端铰接形成踝关节（5）。
2.根据权利要求1所述的针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，其特征在于：所述支撑座（2）内开有竖向U型滑槽，滑槽内可拆式安装有髋关节调节机构（7），髋关节调节机构（7）包括横架（2-2）和两个支撑块（2-3），两个支撑块（2-3）通过轴孔配合与横架（2-2）连接构成“H”型支架结构，两个支撑块（2-3）可在横架（2-2）上水平滑动调整横向宽度；所述支撑块（2-3）上开有竖向滑卡槽，横架（2-2）配合安装于滑卡槽内并可沿滑卡槽竖向升降，横架（2-2）上连接有驱动竖向升降的电推杆（2-1）；所述第一大腿机构（3-1）、髋关节驱动气缸（3-13）的缸体分别与支撑块（2-3）铰接。
3.根据权利要求1或2所述的针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，其特征在于：所述的床架结构（1）四根不可伸缩的刚性支撑杆（1-3）、底板（1-4）、床板驱动气缸（1-1）和床板（1-2），底架（1-2）和底板（1-4）水平设置，底板（1-4）的一端与支撑座（2）背面底部垂直连接，四根支撑杆（1-3）的顶端分别与床板（1-2）的四角铰接，四根支撑杆（1-3）的底端与底板（1-4）铰接，组成平行四边形，四根支撑杆（1-3）在绕与底板（1-4）的铰接点转动时，床板（1-2）始终保持水平放置；床板驱动气缸（1-1）倾斜设置，床板驱动气缸（1-1）的缸体底端与底板（1-4）铰接，床板驱动气缸（1-1）的活塞杆端头与床板（1-2）下底面铰接。
4.根据权利要求3所述的针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，其特征在于：所述脚踏板（3-7）与第二小腿机构（3-6）之间铰接有阻尼器（3-8）。
5.根据权利要求4所述的针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，其特征在于：所述髋关节（6）的极限运动范围为-5°~40°，髋关节驱动气缸（3-13）行程为零时，第一大腿机构（3-1）与水平线夹角为-5°，髋关节驱动气缸（3-13）达到最大行程时，第一大腿机构（3-1）与水平线夹角为40°；其中，角度是以水平线为基准，顺时针方向为负，逆时针为正。
6.根据权利要求5所述的针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，其特征在于：所述膝关节（4）的极限运动范围为-67°~0°，膝关节驱动气缸（3-11）的行程为零时，第一小腿机构（3-10）与第二大腿机构（3-3）延长线的夹角为-67°，膝关节驱动气缸（3-11）的行程达到最大时，第一小腿机构（3-10）与第二大腿机构（3-3）延长线的夹角为0°；其中，角度是以水平线为基准，顺时针方向为负，逆时针为正。
7.根据权利要求6所述的针对下肢运动障碍型患者的卧式康复机器人，其特征在于：所述踝关节（5）的极限运动范围为-14.2°-20.6°，阻尼器（3-8）行程为零时，脚踏板（3-7）与第二小腿机构（3-6）法线的夹角为20.6°，阻尼器（3-8）行程达到最大时，脚踏板（3-7）与第二小腿机构（3-6）法线的夹角为-14.2°；其中，角度是以水平线为基准，顺时针方向为负，逆时针为正。
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