CN107411938A - 坐立卧式下肢康复机器人系统 - Google Patents

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Abstract

一种坐立卧式下肢康复机器人系统，包括带底盘架的底盘机构、由两结构相同对称设置于底盘左右两侧的升降机构单元组成的升降机构、由两下肢外骨骼机构单元组成的下肢外骨骼机构、坐垫组件、靠背组件，所述的两下肢外骨骼机构单元分别为左下肢外骨骼机构单元和右下肢外骨骼机构，本发明的坐立卧式下肢康复机器人系统，其下肢外骨骼机构的大小腿长度可调，座椅高度可调，座椅角度可调，这些功能便于为患者提供一个合适的训练姿态，所述下肢外骨骼机构各关节均配置驱动电机，便于为患者提供被动训练、主动训练和助力训练多种训练方式。

Description

坐立卧式下肢康复机器人系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种坐立卧式下肢康复机器人系统。
背景技术
随着科技进步和生活水平的提高，人们平均寿命普遍延长，带来各种慢性病发病率的进一步升高。常见慢性病脑中风已成为患者永久性肢体功能障碍的首要原因，脑中风后遗留的肢体瘫痪严重影响患者的日常生活，甚至最基本的行走和进食功能都会受到严重影响。另一方面，随着交通业的迅速发展，因交通事故造成肢体瘫痪的人数也在不断增加。目前科学研究表明脑中风或者外伤导致的神经损伤引发的下肢瘫痪的患者经过正规的康复训练可以明显减少或减轻瘫痪的后遗症，较早进行康复训练不但可以维持现有运动关节的活动度，而且还能防止运动关节的挛缩。
然而，国内绝大多数康复医院仍然借助于人工或简单的被动康复医疗设备进行以上治疗，不仅康复效率低下，而且治疗师的劳动强度大，限制了患者的训练时间。利用康复机器人技术进行主动康复训练时康复领域未来的发展趋势，尽管国内很多研究机构已相继研究了各种类型的康复机器人，但大多数仍然只能进行被动训练或简单的主动训练。
康复机器人是一个新兴的领域，是自动化训练的一种有效解决方案，可以解决康复训练劳动强度大、康复技术人员少、费用负担重等问题。下肢康复机器人针对下肢有运动功能障碍的患者，主要作用是帮助有下肢运动功能障碍的患者完成各种运动功能康复训练过程。目前下肢康复机器人主要有站立/行走式、坐卧式两种，但远不能满足患者康复所需的要求。因此，研发一种坐立卧式下肢康复机器人机构变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种坐立卧多体位康复训练、实现主动训练或被动训练的下肢康复机器人系统。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种坐立卧式下肢康复机器人系统，包括带底盘架的底盘机构、由两结构相同对称设置于底盘左右两侧的升降机构单元组成的升降机构、由两下肢外骨骼机构单元组成的下肢外骨骼机构、坐垫组件、靠背组件，所述的两下肢外骨骼机构单元分别为左下肢外骨骼机构单元和右下肢外骨骼机构，所述的两升降机构单元分别为左升降机构单元、右升降机构单元，所述的左下肢外骨骼机构单元连接在左升降机构单元上，右下肢外骨骼机构单元连接在右升降机构单元上；所述下肢外骨骼机构单元包括踝关节组件、踝关节电机驱动装置、膝关节组件、膝关节电机驱动装置、髋关节组件、髋关节电机驱动装置、小腿长度调节杆、大腿长度调节杆，踝关节组件通过小腿长度调节杆与膝关节组件连接，膝关节组件通过大腿长度调节杆与髋关节组件连接，左下肢外骨骼机构单元的髋关节组件和右下肢外骨骼机构的髋关节组件分别连接在坐垫组件的两侧，所述的踝关节电机驱动装置设于踝关节组件上并驱动踝关节组件前后可摆动，所述的膝关节电机驱动装置设于膝关节组件上并通过驱动小腿长度调节杆使膝关节组件可前后摆动，所述的髋关节电机驱动装置设于髋关节组件上并通过驱动大腿长度调节杆使髋关节组件可前后摆动；所述的升降机构单元包括平台、用于升降平台的升降组件，所述的升降组件包括竖直方向设置的SM_立柱、导杆、驱动导杆升降的电动推杆，所述的平台将导杆和电动推杆固定且与下肢外骨骼机构单元连接，所述竖直方向设置的SM_立柱固定安装在底盘机构底盘架上；于坐立状态时，由电动推杆带动导杆上下移动，从而带动下肢外骨骼机构单元整体动作，使下肢外骨骼机构在坐立弯曲状态和站立竖直状态之间可转换，同时靠背组件随着电动推杆上下运动可实现坐立式与卧式的转变。
所述髋关节组件包括髋关节电机、装有髋关节电机驱动装置的髋固定杆、第三法兰联轴器、方形轴承座，所述髋固定杆通过第三法兰联轴器和第三方形轴承座固定在平台上，所述的髋固定杆上设有用来测量大腿长度调节杆摆动角度的大腿角度传感器。
作为一种改进：坐垫组件包括座板固定板、螺纹连接在座板固定板上的座板、座板钢角码、座板连接板角铝，所述座板固定杆通过座板钢角码和座板连接板角铝固定连接在髋固定杆上。
作为一种改进：所述的踝关节组件包括安装在小腿长度调节杆上的踝关节电机、脚底板、脚踝连接钢板、踝关节连接板、第一法兰联轴器，第一轴承，所述的脚底板与踝关节连接板之间通过脚踝连接钢板和螺钉连接，所述的踝关节连接板通过第一法兰联轴器和第一轴承与小腿长度调节杆铰接，在所述的踝关节连接板上设有用来测量脚底板摆动角度的脚底板角度传感器。
作为一种改进：所述的膝关节组件包括膝固定杆、安装在所述大腿长度调节杆和膝固定杆上的膝关节电机、第二法兰联轴器、第二轴承，所述的膝固定杆一端经第二法兰联轴器和第二轴承与大腿长度调节杆一端铰接，所述的膝关节电机驱动装置可滑动的连接在大腿长度调节杆与膝固定杆之间，所述膝固定杆上设有用来测量小腿长度调节杆摆动角度的小腿角度传感器。
作为一种改进：靠背组件包括靠背、经螺钉连接在靠背底部的靠背底部连接件、背电动推杆支架、靠背连接旋转杆、靠背连接固定杆、与靠背螺纹连接的背部腋窝支撑板连接件、连接在背部腋窝支撑板连接件上的腋窝支撑连接板和腋窝支架，所述的靠背底部连接件与靠背连接旋转杆通过铰链铰接，靠背底部连接件经背电动推杆支架与电动推杆连接，电动推杆与靠背连接旋转杆之间通过背电动推杆支架连接。
本发明的坐立卧式下肢康复机器人系统，其下肢外骨骼机构的大小腿长度可调，座椅高度可调，座椅角度可调，这些功能便于为患者提供一个合适的训练姿态，所述下肢外骨骼机构各关节均配置驱动电机，便于为患者提供被动训练、主动训练和助力训练多种训练方式。通过所述升降机构提升人体的重心位置，有效地消除了人体坐立、站立的高度差。与现有下肢康复机器人机构相比，本发明结构简单，成本低且可靠性高，功能齐全，能够进行坐立卧多体位康复训练，实现主动训练或被动训练；既具有传统轮椅载人、代步功能，还可以模拟人体步行步态，带动人体下肢得到锻炼。本发明打破了目前由于机构限制只能实现站立或行走式或坐卧式而无法实现由坐着到站立/行走影响训练效果的局面。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明坐立卧式下肢康复机器人系统坐时的整体结构示意图。
图2为本发明坐立卧式下肢康复机器人系统站立时的整体结构示意图。
图3为本发明坐立卧式下肢康复机器人系统躺下时的整体结构示意图。
图4为升降机构结构示意图。
图5为下肢外骨骼机构结构示意图。
图6为踝关节组件的结构示意图。
图7为膝关节组件的结构示意图。
图8为髋关节组件的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本发明坐立卧式下肢康复机器人系统的一种实施例，包括带底盘架的底盘机构A、由两结构相同对称设置于底盘左右两侧的升降机构单元组成的升降机构B、由两下肢外骨骼机构单元组成的下肢外骨骼机构C、坐垫组件、靠背组件E，所述的两下肢外骨骼机构单元分别为左下肢外骨骼机构单元C1和右下肢外骨骼机构C2，所述的两升降机构单元分别为左升降机构单元B1、右升降机构单元B2，所述的左下肢外骨骼机构单元C1连接在左升降机构单元B1上，右下肢外骨骼机构单元C2连接在右升降机构单元B2上；所述下肢外骨骼机构单元包括踝关节组件C-1、踝关节电机驱动装置C-2、膝关节组件C-3、膝关节电机驱动装置C-4、髋关节组件C-5、髋关节电机驱动装置C-6、小腿长度调节杆C-7、大腿长度调节杆C-8，踝关节组件C-1通过小腿长度调节杆C-7与膝关节组件C-3连接，膝关节组件C-3通过大腿长度调节杆C-8与髋关节组件C-5连接，左下肢外骨骼机构单元C1的髋关节组件C-5和右下肢外骨骼机构C2的髋关节组件C-5分别连接在坐垫组件的两侧，所述的踝关节电机驱动装置设于踝关节组件C-1上并驱动踝关节组件C-1前后可摆动，所述的膝关节电机驱动装置C-4设于膝关节组件C-3上并通过驱动小腿长度调节杆C-7使膝关节组件C-3可前后摆动，所述的髋关节电机驱动装置C-6设于髋关节组件C-5上并通过驱动大腿长度调节杆C-8使髋关节组件C-5可前后摆动；所述的升降机构单元包括平台B-1、用于升降平台B-1的升降组件，所述的升降组件包括竖直方向设置的ASM_立柱B-2、导杆B-3、驱动导杆B-3升降的电动推杆B-4，所述的平台B-1将导杆B-3和电动推杆B-4固定且与下肢外骨骼机构单元连接，所述竖直方向设置的ASM_立柱B-2固定安装在底盘机构A底盘架上；于坐立状态时，由电动推杆B-4带动导杆B-3上下移动，从而带动下肢外骨骼机构单元整体动作，使下肢外骨骼机构在坐立弯曲状态和站立竖直状态之间可转换，同时靠背组件E随着电动推杆4上下运动可实现坐立式与卧式的转变。为了增强使用安全性，本实施例在整个框架上还设置有型材B-5、安装在平台B-1和下肢外骨骼机构单元连接处的第四UCF方形轴承座B-6、第四法兰轴承器B-7以及第四钢轴B-8。
本实施例的平台B-1在升降组件的作用下实现竖直方向升降功能，从而实现与其固定连接的下肢外骨骼机构单元的升降，使得下肢康复机器人能够达到更好的训练效果。升降组件具体动作：电动推杆B-4驱动导杆B-3沿竖直方向作直线运动，电动推杆B-4和导杆B-3通过螺钉固定在平台B-1和ASM_立柱B-2上，实现平台B-1的上升和下降，从而实现下肢外骨骼机构单元竖直方向的升降功能，实现由坐着到站立/行走，使得下肢康复机器人能够达到更好的训练效果。
为了增强下肢康复机器人的使用安全性，还需在整个框架机构上装些型材5，以及在平台和下肢固定件连接处使用UCF方形轴承座6、法兰联轴器7以及钢轴8连接，保证平台2能够承受患者的体重。
本实施例的所述髋关节组件C-5包括髋关节电机C-56、装有髋关节电机驱动装置C-6的髋固定杆C-521、第三法兰联轴器和第三方形轴承座(图中未标示)，所述髋固定杆C-521通过第三法兰联轴器和方形轴承座固定在平台B-1上，所述的髋固定杆上设有用来测量大腿长度调节杆C-8摆动角度的大腿角度传感器(图中未标示)。
本实施例的坐垫组件包括座板固定板、螺纹连接在座板固定板上的座板、座板钢角码、座板连接板角铝，所述座板固定杆通过座板钢角码和座板连接板角铝固定连接在髋固定杆C-521上。
本实施例的所述的踝关节组件C-1包括安装在小腿长度调节杆C-7上的踝关节电机C-12、脚底板C-110、脚踝连接钢板C-111、踝关节连接板C-112、第一法兰联轴器和第一轴承(图中未标示)，所述的脚底板C-110与踝关节连接板C-112之间通过脚踝连接钢板C-111和螺钉连接，所述的踝关节连接板C-112通过第一法兰联轴器和第一轴承与小腿长度调节杆C-7铰接，在所述的踝关节连接板12上设有用来测量脚底板摆动角度的脚底板角度传感器(图中未标示)。
本实施例的所述的膝关节组件C-3包括膝固定杆C-318、安装在所述大腿长度调节杆C-8和膝固定杆C-318之间的膝关节电机C-34、第二法兰联轴器C-313、第二轴承C-314，所述的膝固定杆C-318一端经第二法兰联轴器C-313和第二轴承C-314与大腿长度调节杆C-8一端铰接，所述的膝关节电机驱动装置C-4可滑动的连接在大腿长度调节杆C-8与膝固定杆C-318之间，所述膝固定杆C-318上设有用来测量小腿长度调节杆C-7摆动角度的小腿角度传感器(图中未标示)。
本实施例的靠背组件E包括靠背、经螺钉连接在靠背底部的靠背底部连接件、背电动推杆支架、靠背连接旋转杆、靠背连接固定杆、与靠背螺纹连接的背部腋窝支撑板连接件、连接在背部腋窝支撑板连接件上的腋窝支撑连接板和腋窝支架，所述的靠背底部连接件与靠背连接旋转杆通过铰链铰接，靠背底部连接件经背电动推杆支架与电动推杆B-4连接，电动推杆B-4与靠背连接旋转杆之间通过背电动推杆支架连接。
本实施例采用Delphi直接变成控制电路板，灵活性高、操作简便。
本实施例的下肢外骨骼机构采用连杆作为传动部件，通过角度传感器编程控制能够实现传动平稳可靠且可达到较高精度；关节驱动电机离关节位置很近，其传动链较短，所以运动时更加平稳可靠；每个关节机构安装了角度传感器，满足主动训练、被动训练和助力训练需要，并可提供训练过程中关节角度监测，防止异常情况发生；各个关节机构的旋转轴线与人体下肢关节轴线均能较好的吻合，能够使人体下肢和机器人下肢机构运动保持较好的一致性；各个关节机构采用了不同的机构形式，便于分别优化。结构简单、成本低且可靠性高。
虽然本发明已以具体实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，仍可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书的范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：包括带底盘架的底盘机构(A)、由两结构相同对称设置于底盘左右两侧的升降机构单元组成的升降机构(B)、由两下肢外骨骼机构单元组成的下肢外骨骼机构(C)、坐垫组件、靠背组件(E)，所述的两下肢外骨骼机构单元分别为左下肢外骨骼机构单元(C1)和右下肢外骨骼机构(C2)，所述的两升降机构单元分别为左升降机构单元(B1)、右升降机构单元(B2)，所述的左下肢外骨骼机构单元(C1)连接在左升降机构单元(B1)上，右下肢外骨骼机构单元(C2)连接在右升降机构单元(B2)上；所述下肢外骨骼机构单元包括踝关节组件(C-1)、踝关节电机驱动装置(C-2)、膝关节组件(C-3)、膝关节电机驱动装置(C-4)、髋关节组件(C-5)、髋关节电机驱动装置(C-6)、小腿长度调节杆(C-7)、大腿长度调节杆(C-8)，踝关节组件(C-1)通过小腿长度调节杆(C-7)与膝关节组件(C-3)连接，膝关节组件(C-3)通过大腿长度调节杆(C-8)与髋关节组件(C-5)连接，左下肢外骨骼机构单元(C1)的髋关节组件(C-5)和右下肢外骨骼机构(C2)的髋关节组件(C-5)分别连接在坐垫组件的两侧，所述的踝关节电机驱动装置设于踝关节组件(C-1)上并驱动踝关节组件(C-1)前后可摆动，所述的膝关节电机驱动装置(C-4)设于膝关节组件(C-3)上并通过驱动小腿长度调节杆(C-7)使膝关节组件(C-3)可前后摆动，所述的髋关节电机驱动装置(C-6)设于髋关节组件(C-5)上并通过驱动大腿长度调节杆(C-8)使髋关节组件(C-5)可前后摆动；所述的升降机构单元包括平台(B-1)、用于升降平台(B-1)的升降组件，所述的升降组件包括竖直方向设置的ASM_立柱(B-2)、导杆(B-3)、驱动导杆(B-3)升降的电动推杆(B-4)，所述的平台(B-1)将导杆(B-3)和电动推杆(B-4)固定且与下肢外骨骼机构单元连接，所述竖直方向设置的ASM_立柱(B-2)固定安装在底盘机构(A)底盘架上；于坐立状态时，由电动推杆(B-4)带动导杆(B-3)上下移动，从而带动下肢外骨骼机构单元整体动作，使下肢外骨骼机构在坐立弯曲状态和站立竖直状态之间可转换，同时靠背组件(E)随着电动推杆4上下运动可实现坐立式与卧式的转变。
2.根据权利要求1所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：所述髋关节组件(C-5)包括髋关节电机、装有髋关节电机驱动装置(C-6)的髋固定杆、第三法兰联轴器、方形轴承座，所述髋固定杆通过第三法兰联轴器和方形轴承座固定在平台(B-1)上，所述的髋固定杆上用来测量大腿长度调节杆(C-8)摆动角度的大腿角度传感器。
3.根据权利要求2所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：坐垫组件包括座板固定板、螺纹连接在座板固定板上的座板、座板钢角码、座板连接板角铝，所述座板固定杆通过座板钢角码和座板连接板角铝固定连接在髋固定杆上。
4.根据权利要求1或2或3所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：所述的踝关节组件(C-1)包括安装在小腿长度调节杆(C-7)上的踝关节电机、脚底板、脚踝连接钢板、踝关节连接板、第一法兰联轴器，第一轴承，所述的脚底板与踝关节连接板之间通过脚踝连接钢板和螺钉连接，所述的踝关节连接板通过第一法兰联轴器和第一轴承与小腿长度调节杆(C-7)铰接，在所述的踝关节连接板上设有用来测量脚底板摆动角度的脚底板角度传感器。
5.根据权利要求1或2或3所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：所述的膝关节组件(C-3)包括膝固定杆、安装在所述大腿长度调节杆(C-8)和膝固定杆上的膝关节电机、第二法兰联轴器、第二轴承，所述的膝固定杆一端经第二法兰联轴器和第二轴承与大腿长度调节杆(C-8)一端铰接，所述的膝关节电机驱动装置(C-4)可滑动的连接在大腿长度调节杆(C-8)与膝固定杆之间，所述膝固定杆上设有用来测量小腿长度调节杆(C-7)摆动角度的小腿角度传感器。
6.根据权利要求4所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：所述的膝关节组件(C-3)包括膝固定杆、安装在所述大腿长度调节杆(C-8)和膝固定杆上的膝关节电机、第二法兰联轴器、第二轴承，所述的膝固定杆一端经第二法兰联轴器和第二轴承与大腿长度调节杆(C-8)一端铰接，所述的膝关节电机驱动装置(C-4)可滑动的连接在大腿长度调节杆(C-8)与膝固定杆之间，所述膝固定杆上设有用来测量小腿长度调节杆(C-7)摆动角度的小腿角度传感器。
7.根据权利要求1或2或3所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：靠背组件(E)包括靠背、经螺钉连接在靠背底部的靠背底部连接件、背电动推杆支架、靠背连接旋转杆、靠背连接固定杆、与靠背螺纹连接的背部腋窝支撑板连接件、连接在背部腋窝支撑板连接件上的腋窝支撑连接板和腋窝支架，所述的靠背底部连接件与靠背连接旋转杆通过铰链铰接，靠背底部连接件经背电动推杆支架与电动推杆(B-4)连接，电动推杆(B-4)与靠背连接旋转杆之间通过背电动推杆支架连接。
8.根据权利要求4所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：靠背组件(E)包括靠背、经螺钉连接在靠背底部的靠背底部连接件、背电动推杆支架、靠背连接旋转杆、靠背连接固定杆、与靠背螺纹连接的背部腋窝支撑板连接件、连接在背部腋窝支撑板连接件上的腋窝支撑连接板和腋窝支架，所述的靠背底部连接件与靠背连接旋转杆通过铰链铰接，靠背底部连接件经背电动推杆支架与电动推杆(B-4)连接，电动推杆(B-4)与靠背连接旋转杆之间通过背电动推杆支架连接。
9.根据权利要求5所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：靠背组件(E)包括靠背、经螺钉连接在靠背底部的靠背底部连接件、背电动推杆支架、靠背连接旋转杆、靠背连接固定杆、与靠背螺纹连接的背部腋窝支撑板连接件、连接在背部腋窝支撑板连接件上的腋窝支撑连接板和腋窝支架，所述的靠背底部连接件与靠背连接旋转杆通过铰链铰接，靠背底部连接件经背电动推杆支架与电动推杆(B-4)连接，电动推杆(B-4)与靠背连接旋转杆之间通过背电动推杆支架连接。
10.根据权利要求6所述的坐立卧式下肢康复机器人系统，其特征在于：靠背组件(E)包括靠背、经螺钉连接在靠背底部的靠背底部连接件、背电动推杆支架、靠背连接旋转杆、靠背连接固定杆、与靠背螺纹连接的背部腋窝支撑板连接件、连接在背部腋窝支撑板连接件上的腋窝支撑连接板和腋窝支架，所述的靠背底部连接件与靠背连接旋转杆通过铰链铰接，靠背底部连接件经背电动推杆支架与电动推杆(B-4)连接，电动推杆(B-4)与靠背连接旋转杆之间通过背电动推杆支架连接。
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