CN107595545A - 一种可调心并联式髋关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

一种可调心并联式髋关节康复机器人，它包括腰部调节组件、康复执行机构以及腿部调节组件，康复执行机构连接腰部调节组件和腿部调节组件；所述的康复执行机构包括两个单侧并联机构，所述的单侧并联机构包括第二腰部基座、第一大腿连接装置和三条结构相同的运动链；腰部调节组件和腿部调节组件均包含调节装置，结合在相应部位增加垫片、衬垫，可以有效调节康复执行机构的旋转中心与人体髋关节中心的重合度。本发明结构紧凑、刚度好、可调心，可以让髋关节磨损或者受伤的患者进行术后髋关节康复训练和行走助力，可以通过调节功能调节康复执行机构和不同患者的髋关节旋转中心的重合度，有效避免人机干涉力对患者肢体造成的伤害。

Description

一种可调心并联式髋关节康复机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，特别涉及一种康复机器人。

技术背景

并联式髋关节康复机器人是一种可穿戴于患者体表的机器人,通过在相应位置安装驱动器,使患者与康复机器人进行协调运动,实现辅助康复治疗的功能。

我国和世界上其他一些国家都面临着由于人口老龄化、意外伤害、交通事故等造成的人体肢体运动障碍问题。医学理论和临床医学证明,正确、科学地康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高有非常重要的作用。作为人体负重和运动重要部位的髋关节，更是关节康复的重中之重。而专业康复医院的康复师较少，康复劳动强度大，投入高。因此，近年来康复机器人和医疗装备逐渐投入了市场。

目前，市场上和实验室中已经出现了若干种类的髋关节康复机器人。其中，大部分采用了串联机构，另外一部分则采用了并联机构或其它混联机构。

由于现阶段髋关节串联机构只能在大腿的前后摆方向上助力，且在大腿的3自由度运动中难以保持它的运动中心始终与人体髋关节中心一致，导致穿戴不适。而现在髋关节康复已用的并联机构又多并非是3自由度，而是4自由度、5自由度或6自由度，这对于人体髋关节在3个自由度方向上的运动也存在人与机器不协调的问题。另外，混联机构往往结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调节康复机器人的旋转中心、能保证髋关节3自由度的随意转动运动、可实现髋关节3自由度助力的可调心并联式髋关节康复机器人。

本发明包括腰部调节组件、康复执行机构以及腿部调节组件，康复执行机构连接腰部调节组件和腿部调节组件。本发明含两种结构分别适用于两种体位：

第一种结构适用于人体站立位的康复运动：

所述腰部调节组件包括第一腰部基座和四套第一调节装置，其中第一腰部基座为两个半环形构件，其连接处通过螺栓相连成椭圆形结构，在第一腰部基座上设有对称的四套第一调节装置。所述第一调节装置包括上接头、调节杆和下接头，其中，调节杆的两端分别与上接头和下接头通过正、反螺纹连接，上接头与第一腰部基座固定相连。

所述的康复执行机构为两个结构相同的关于人体矢状面对称的单侧并联机构，两个单侧并联机构通过螺栓在第二腰部基座连接处进行固定连接。所述的单侧并联机构包括第二腰部基座、第一大腿连接装置和三条结构相同的运动链，第一大腿连接装置通过三条呈三角形布置的运动链与第二腰部基座连接。所述的第二腰部基座除含有电机连接凸耳外其余部分与上述第一腰部基座结构相同，其与上述第一调节装置下接头固定连接；第一大腿连接装置为两个半圆形结构，通过螺栓将其连接成环形结构，其上设有三个第二调节装置，第一大腿连接装置与第二调节装置的上接头固定相连，所述的第二调节装置的结构与上述第一调节装置相同；康复执行机构的每条运动链包括电动机、上连杆和下连杆，其中电动机通过电机连接凸耳与第二腰部基座固连，电动机的输出轴通过转动副A与上连杆的一端连接，上连杆的另一端通过转动副B与下连杆的一端连接，下连杆的另一端通过转动副C与第一大腿连接装置连接。

为了避免运动链内部干涉，所述的任意一条运动链中转动副A、转动副B、转动副C到旋转中心的距离依次减小，所述的上连杆和下连杆均为圆弧状杆件，且相对应的上、下连杆圆心角相同。为了避免运动链之间的干涉，第二运动链的转动副B到旋转中心的距离大于第三运动链的转动副B到旋转中心的距离。同时，第一运动链和第三运动链结构尺寸相同且相对人体冠状面对称布置在第二腰部基座上，第一运动链和第三运动链的转动副A形成与人体矢状面平行的平面，第二运动链的转动副A的轴线位于人体冠状面内，同时需保证所有的转动副轴线交于一点O。第一腰部基座和第二腰部基座通过第一调节装置连接，穿戴于人体腰部，转动调节杆可以调节第一腰部基座和第二腰部基座之间的距离。

所述的腿部调节组件为第二大腿连接装置和第二调节装置。第二大腿连接装置与上述第二调节装置的下接头固定连接，所述的第二大腿连接装置与第一大腿连接装置结构相同，转动调节杆可以调节第一和第二大腿连接装置之间的距离。

人体左腿和右腿的大腿都穿戴第一和第二大腿连接装置，且第二大腿连接装置分别固定于人体左、右大腿上，第二大腿连接装置的运动带动人体大腿运动，实现康复训练。在第一和第二大腿连接装置连接处可通过增减垫片调节宽窄；在第一和第二腰部基座两部分连接处增减垫片，第一和第二腰部基座内部增加衬垫，同时使用调节装置，可以调节康复执行机构和人体髋关节旋转中心的重合度。如果能够配合减重吊架一起使用，效果会更好。

第二种结构适用于人体仰卧位的康复运动：

所述腰部调节组件包括第一腰部基座和四套第一调节装置，其中第一腰部基座为两个相同构件，其中间椭圆形部分连接处通过螺栓相连，其两端平直部分均设有螺栓孔。在第一腰部基座的弧形部分上设有对称的四套第一调节装置，第一调节装置的结构与第一种结构中的第一调节装置相同，其上接头与第一腰部基座固定相连。

所述的康复执行机构包括两个结构相同的关于人体矢状面对称的单侧并联机构。两个单侧并联机构通过螺栓在第二腰部基座连接处进行固定连接。所述的单侧并联机构的部件和连接方式与第一种结构相同，不同之处是第二腰部基座为两个含有电机连接凸耳的椭圆形构件以及单侧并联机构三条运动链中转动副B到旋转中心距离的关系和运动链的布置位置：为了避免运动链之间的干涉，第二运动链的转动副B到旋转中心的距离大于第三运动链的转动副B到旋转中心的距离，且两者均大于第一运动链的转动副B到旋转中心的距离；第一运动链和第三运动链的布置方位与第一种体位中第一运动链和第二运动链的布置方位相同，在第二腰部基座上第二运动链布置于第一和第三运动链之间的等角度方位处。

所述的腿部调节组件的部件以及连接方法与第一种结构相同。不同之处是第二调节装置都位于第二大腿连接装置前侧的半圆形结构上。

人体左腿和右腿的大腿都穿戴第一和第二大腿连接装置，且第二大腿连接装置分别固定于人体左、右大腿上，通过第二大腿连接装置的运动带动人体大腿运动，实现康复训练。在第一和第二大腿连接装置连接处可通过增减垫片调节宽窄；在第一和第二腰部基座两部分连接处增减垫片、第一和第二腰部基座内部增加衬垫，同时使用调节装置，可以调节康复执行机构和人体髋关节旋转中心的重合度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、克服了串联机构的误差累积和放大效应，并联机构误差小、精度高；

2、将电动机放在基座上可以有效减小运动负荷；

3、同时由三条运动链支撑，大大地增强了末端执行器的刚度，提高了机构的稳定性，增大了机构的负载能力；

4、由于采用球面机构，可以使机构与人体髋关节旋转运动更为贴合，可以对髋关节损伤的患者进行术后髋关节康复训练和行走助力，并且机械结构简单；

5、可以通过调节功能调节康复执行机构和不同患者的髋关节旋转中心的重合度，有效避免人机干涉力对患者肢体造成的伤害。

附图说明

图1为本发明实施例1的立体示意简图；

图2为本发明实施例1的腰部调节组件示意简图；

图3为本发明实施例1的调节装置示意简图；

图4为本发明实施例1的康复执行机构示意简图；

图5为本发明实施例1的康复执行机构的单侧并联机构示意简图；

图6为本发明实施例1的腿部调节组件示意简图；

图7为本发明实施例2的立体示意简图；

图8为本发明实施例2的康复执行机构示意简图；

图9为本发明实施例2的康复执行机构的单侧并联机构示意简图；

图10为本发明实施例1步行减重装置绑带示意简图；

图11为本发明实施例1穿戴于人体的示意图；

图12为本发明实施例2穿戴于人体的示意图。

图中：1-腰部调节组件，2-康复执行机构，3-腿部调节组件，4-第一腰部基座，5-第一调节装置，501-上接头，502-调节杆，503-下接头，6-电动机，7-上连杆，8-下连杆，9-第二腰部基座，10-第一大腿连接装置，11-第二大腿连接装置，12-螺栓，13-第一运动链，14-第二运动链，15-第三运动链，16-第一调节扣，17-魔术贴，18-第二调节扣。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的可调心并联式髋关节康复机器人示意图中，康复执行机构2连接腰部调节组件1和腿部调节组件3。如图2和图3所示，所述腰部调节组件1中的第一腰部基座4为两个半环形构件，其连接处通过螺栓12连接成椭圆形结构。在第一腰部基座4上设有对称的四套第一调节装置5，所述第一调节装置包括上接头501、调节杆502和下接头503，调节杆502的两端分别与上接头501和下接头503以正、反螺纹连接，上接头501与第一腰部基座4固连。

如图4和图5所示，所述的康复执行机构2为两个结构相同的关于人体矢状面对称的单侧并联机构，两个单侧并联机构通过螺栓12在第二腰部基座9连接处进行固定连接。所述的单侧并联机构包括第二腰部基座9、第一大腿连接装置10和三条结构相同的运动链，第一大腿连接装置10通过三条呈三角形布置的运动链与第二腰部基座9连接：所述的第二腰部基座9除含有电机连接凸耳外其余部分与上述第一腰部基座4结构相同，其与上述第一调节装置5下接头503固定连接；第一大腿连接装置10为两个半圆形构件，通过螺栓12将其连接成环形结构，其上设有三个第二调节装置，第一大腿连接装置与第二调节装置的上接头固定相连，所述的第二调节装置的结构与第一调节装置5相同；康复执行机构的每条运动链包括电动机6、上连杆7和下连杆8，其中电动机6通过电机连接凸耳与第二腰部基座9固连，电动机6的输出轴通过转动副A与上连杆7的一端连接，上连杆7的另一端通过转动副B与下连杆8的一端连接，下连杆8的另一端通过转动副C与第一大腿连接装置10连接。

为了避免运动链内部干涉，所述的任意一条运动链中转动副A、转动副B、转动副C到旋转中心O的距离依次减小，同时所述的上连杆7和下连杆8均为圆弧状杆件，且相对应的上、下连杆圆心角相同；为了避免运动链之间的干涉，第二运动链14的转动副B到旋转中心O的距离大于第三运动链15的转动副B到旋转中心O的距离；同时，第一运动链13和第三运动链15结构尺寸相同且相对人体冠状面对称布置在第二腰部基座9上，第一运动链13和第三运动链15的转动副A形成与人体矢状面平行的平面，第二运动链14的转动副A的轴线位于人体冠状面内，同时需保证所有的转动副轴线交于一点O。第一腰部基座4和第二腰部基座9通过第一调节装置5连接，穿戴于人体腰部，转动调节杆502可以调节第一腰部基座4和第二腰部基座9之间的距离。

如图6所示，所述的腿部调节组件3为第二大腿连接装置11和上述第二调节装置，第二大腿连接装置11与上述第二调节装置的下接头固定连接，所述的第二大腿连接装置11与第一大腿连接装置10结构相同，转动调节杆可以调节第一和第二大腿连接装置之间的距离。

使用方法：如图10所示，先解开第一调节扣16和第二调节扣18，撕开魔术贴17，将吊带穿戴于人体，依次粘上魔术贴17，扣紧第二调节扣18。如图11所示，将第一大腿连接装置10调节到初始位置，即第一大腿连接装置10的环面与地面平行且人体腿部不发生旋转，此时人体处于自然的直立状态；然后将第一和第二腰部基座、第一和第二大腿连接装置上的连接螺栓12拆下；人体站立于减重吊架的正下方，将两根第一调节扣16所在吊带穿过减重吊架上方的伸出环后，扣紧两个第一调节扣16，此时减重吊架的吊带穿戴于人体，根据需要有效减轻身体对于腿部的压力；然后将可穿戴机构穿戴到人体的腰部和腿部，在第一和第二大腿连接装置连接处可通过增减垫片调节宽窄；在第一和第二腰部基座两部分连接处增减垫片，第一和第二腰部基座内部增加衬垫，同时使用调节装置，可以调节康复执行机构2和人体髋关节旋转中心的重合度；装上所有连接螺栓12，将第一腰部基座4和第二大腿连接装置11分别与人体腰部和左、右两条大腿固定相连。在电动机6的驱动下，人体腿部可做绕髋关节中心转动的三自由度运动，从而进行康复训练。

实施例2

如图7、图8和图9所示，康复执行机构2连接腰部调节组件1和腿部调节组件3。

所述腰部调节组件1包括第一腰部基座4和四套第一调节装置5，其中第一腰部基座4为两个构件，其中间椭圆形部分连接处通过螺栓12相连，其两端平直部分均设有螺栓孔。在第一腰部基座4的弧形部分设有对称的四套第一调节装置5，第一调节装置的结构与实施例1中的第一调节装置5相同，其中上接头501与第一腰部基座4固定相连。

所述的康复执行机构2包括两个结构相同的关于人体矢状面对称的单侧并联机构，两个单侧并联机构通过螺栓在第二腰部基座连接处进行固定连接。所述的单侧并联机构的部件和连接方式与实施例1相同，不同之处是第二腰部基座9为两个含有电机连接凸耳的椭圆形构件以及单侧并联机构三条运动链中转动副B到旋转中心距离的关系和运动链的布置位置：为了避免运动链之间的干涉，第二运动链14的转动副B到旋转中心O的距离大于第三运动链15的转动副B到旋转中心O的距离，且两者均大于第一运动链13的转动副B到旋转中心O的距离；第一运动链13和第三运动链15的布置方位与实施例1中第一运动链13和第二运动链14的布置方位相同，在第二腰部基座上第二运动链14布置于第一和第三运动链之间的等角度方位处。

所述的腿部调节组件3的部件以及连接方法与实施例1的腿部调节组件3结构相同。不同之处是第二调节装置都位于第二大腿连接装置11前侧的半圆形结构上。

使用方法：如图12所示，首先将第一大腿连接装置10调节到初始位置，即第一大腿连接装置10的环面与第二腰部基座9平行。人体腿部不发生旋转，且平行于床面，此时人体处于自然的躺卧状态；然后将第一和第二腰部基座、两个第一大腿连接装置10和两个第二大腿连接装置11的连接螺栓12全部拆下，人体仰卧于床上，将上述机构穿戴到人体的腰部和腿部；在第一和第二大腿连接装置连接处可通过增减垫片调节宽窄；在第一和第二腰部基座两部分连接处增减垫片，第一和第二腰部基座内部增加衬垫，同时使用调节装置，可以调节康复执行机构2和人体髋关节旋转中心的重合度；装上第一、二腰部基座左右半环以及第一、二大腿连接装置左右半环连接螺栓，将第一腰部基座的两端平直部分用螺栓将其固定于床体，进行人体的腰部固定。在电动机的驱动下，人体腿部可做绕髋关节中心转动的三自由度运动，从而进行康复训练。

Claims (2)

1.一种可调心并联式髋关节康复机器人，其特征在于：其包括腰部调节组件、康复执行机构以及腿部调节组件，康复执行机构连接腰部调节组件和腿部调节组件；所述腰部调节组件包括第一腰部基座和四套第一调节装置，其中第一腰部基座为两个半环形构件，其连接处通过螺栓相连成椭圆形结构，在第一腰部基座上设有对称的四个第一调节装置；所述第一调节装置包括上接头、调节杆和下接头，其中，调节杆的两端分别与上接头和下接头通过正、反螺纹连接，上接头与第一腰部基座固定相连；

所述的康复执行机构包括两个结构相同的关于人体矢状面对称的单侧并联机构，两个单侧并联机构通过螺栓在第二腰部基座连接处进行固定连接；所述的单侧并联机构包括第二腰部基座、第一大腿连接装置和三条结构相同的运动链，第一大腿连接装置通过三条呈三角形布置的运动链与第二腰部基座连接。所述的第二腰部基座除含有电机连接凸耳外其余部分与上述第一腰部基座结构相同，其与上述第一调节装置下接头固定连接；第一大腿连接装置为两个半圆形结构，通过螺栓将其连接成环形结构，其上设有三个第二调节装置，第一大腿连接装置与第二调节装置的上接头固定相连，所述的第二调节装置的结构与上述第一调节装置相同；康复执行机构的每条运动链包括电动机、上连杆和下连杆，其中电动机通过电机连接凸耳与第二腰部基座固连，电动机的输出轴通过转动副A与上连杆的一端连接，上连杆的另一端通过转动副B与下连杆的一端连接，下连杆的另一端通过转动副C与第一大腿连接装置连接；

为了避免运动链内部干涉，所述的任意一条运动链中转动副A、转动副B、转动副C到旋转中心的距离依次减小，所述的上连杆和下连杆均为圆弧状杆件，且相对应的上、下连杆圆心角相同；为了避免运动链之间的干涉，第二运动链的转动副B到旋转中心的距离大于第三运动链的转动副B到旋转中心的距离；同时，第一运动链和第三运动链结构尺寸相同且相对人体冠状面对称布置在第二腰部基座上，第一运动链和第三运动链的转动副A形成与人体矢状面平行的平面，第二运动链的转动副A的轴线位于人体冠状面内，同时需保证所有的转动副轴线交于一点O；第一腰部基座和第二腰部基座通过第一调节装置连接，穿戴于人体腰部，转动调节杆可以调节第一腰部基座和第二腰部基座之间的距离；

所述的腿部调节组件为第二大腿连接装置与上述第二调节装置，第二大腿连接装置与上述第二调节装置的下接头固定连接，转动调节杆可以调节第一和第二大腿连接装置之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种可调心并联式髋关节康复机器人，其特征在于：所述腰部调节组件包括第一腰部基座和四套第一调节装置，其中第一腰部基座为两个构件，其中间椭圆形部分连接处通过螺栓相连，其两端平直部分均设有螺栓孔用于与床体通过螺栓连接；在第一腰部基座的弧形部分上设有对称的四套第一调节装置；

所述的康复执行机构包括两个结构相同的关于人体矢状面对称的单侧并联机构，两个单侧并联机构通过螺栓在第二腰部基座连接处进行固定连接；第二腰部基座为两个含有电机连接凸耳的椭圆形构件，单侧并联机构三条运动链中转动副B到旋转中心距离的关系和运动链的布置位置：为了避免运动链之间的干涉，第二运动链的转动副B到旋转中心的距离大于第三运动链的转动副B到旋转中心的距离，且两者均大于第一运动链的转动副B到旋转中心的距离；第一运动链和第三运动链的布置方位与第一种体位中第一运动链和第二运动链的布置方位相同，在第二腰部基座上第二运动链布置于第一和第三运动链之间的等角度方位处；

第二调节装置都位于第二大腿连接装置前侧的半圆形结构上。