CN107693301A - 康复训练用的悬吊式自适应减重装置及康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了康复训练用的悬吊式自适应减重装置及康复训练机器人，包括可折叠的移动训练架、下肢训练辅具搭载装置、减重背心、滑轮绳索系统和自适应减重箱，箱内包括绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，其中绳索卷扬装置由伺服电机配合减速机，经联轴器与绳辊连接，通过缠绕/释放绳索，为患者提供减重力；绳索由绳辊引出绕过安装板侧面的滑轮经自适应重心跟随装置上的滑轮组与减重背心相连，采集患者关节转角推算出其重心位置，从而控制自适应重心跟随装置的电机通过联轴器带动丝杠转动，使与丝杠螺母连接的移动板带动动滑轮做直线运动，以此调节患者训练过程中悬吊绳索的长度，实现重心跟随，维持大致恒定的减重力。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复器械，特别涉及一种悬吊减重训练装置。
背景技术
脑卒中等脑血管疾病、脑或脊柱损伤等中枢神经损伤严重威胁着人类健康和生命安全，具有很高的致残率，患者大多有不同程度的生活能力、劳动能力丧失。据统计，在我国肢体功能障碍患者中有半数以上可以通过后期康复训练改善，重新获得行走能力。而目前传统康复训练是由专业理疗师“手把手”地对病人患肢进行反复牵引，这种方式不仅增加了医师的劳动强度，而且所需治疗费用较高。
随着科技的发展，用于下肢康复训练的医疗机器人也应运而生。目前下肢康复训练机器人的核心部分分为减重系统和人体下肢康复辅具。其中，下肢康复辅具带动患者下肢模拟正常步态运动；而在康复训练过程中患者下肢无法承受自身重量，难以维持平衡，需采用一定方式为患者提供减重力，以帮助患者在康复训练过程中减轻肌肉负担、纠正步态、改善平衡能力，所以减重系统的设计对整个康复训练机器人来说至关重要。
目前国内的减重训练装置大多存在减重力不恒定和调整困难等问题，如申请号为200820040231.5的中国专利“双肩平衡悬挂训练装置”，只能通过纯手动调整减重力，精度差，无力传感器，故无法设置特定的减重力；申请号为201210516801.4的中国专利“结构型减重系统”，虽然可以设置特定减重力，但无法搭载下肢康复辅具，只适用于康复后期的患者，覆盖范围窄；申请号为201510005486.2的中国专利“四轮移动式下肢减重康复训练装置”占据空间大，没有相应的力传感器，无法设置特定减重力，减重系统不能有效实现重心跟随功能。
发明内容
本发明为解决现有技术中减重装置存在的缺陷，提供了一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置及康复训练机器人，可以在患者康复训练过程中自适应跟随患者重心，以维持减重力大致恒定，且可以配套下肢康复辅具，适用于不同康复阶段患者的减重训练装置。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种康复训练用的自适应减重箱，该自适应减重箱包括箱体、引出至箱体外的用于悬吊患者的绳索以及设置于箱体内的绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，所述绳索卷扬装置包括用于收放所述绳索的绳辊，自适应重心跟随装置包括可以往复直线运动的移动板以及设置在所述移动板上的与所述绳索相连的动滑轮。
所述绳索卷扬装置还包括用于驱动所述绳辊的电机；自适应重心跟随装置还包括导轨、丝杆以及用于驱动丝杆的电机，所述移动板设置在导轨上，丝杆与设置于所述移动板上的丝杠螺母相连。
所述自适应减重箱还包括设置于箱体内的安装板，绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置分别设置于该安装板的两侧表面，所述绳索由所述绳辊经设置于所述安装板上的转向滑轮和滑轮组引出箱体，所述滑轮组包括设置于所述安装板同侧表面(自适应重心跟随装置所在一侧)上的两个定滑轮，所述绳索经其中一个定滑轮由转向滑轮引至所述动滑轮，所述绳索经另一个定滑轮由所述动滑轮引至设置于箱体上的开口，从而可以引出至箱体外。由绳索卷扬装置引出的绳索通过转向滑轮转至安装板的另一侧表面(自适应重心跟随装置所在一侧)。
一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，该自适应减重装置包括减重背心、拉力传感器、上述自适应减重箱以及可折叠的移动训练架，所述自适应减重箱包括设置于可折叠的移动训练架上的箱体、引出至可折叠的移动训练架的用于悬吊患者的绳索以及设置于箱体内的绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，所述绳索卷扬装置包括用于收放所述绳索的绳辊，自适应重心跟随装置包括可以往复直线运动的移动板以及设置在所述移动板上的与所述绳索相连的动滑轮；所述绳索引出至可折叠的移动训练架的一端与拉力传感器相连，拉力传感器与减重背心相连。
所述可折叠的移动训练架包括支撑架、折叠杆、带有脚轮且并排设置的两个方管以及设置于方管上的立柱圆管，支撑架设置于立柱圆管上，折叠杆包括相互铰接的两段，两个方管的内侧与折叠杆的两端分别铰接，所述自适应减重箱的箱体设置于立柱圆管上，所述绳索引出至可折叠的移动训练架的一端通过设置于支撑架上的定滑轮悬垂于所述方管上方，减重背心通过拉力传感器与所述绳索引出至可折叠的移动训练架的一端相连。
所述可折叠的移动训练架还包括扶手装置，扶手装置包括设置于方管上的扶手外管以及设置于扶手外管上的可升降的扶手内管，扶手内管通过销钉定位。
所述自适应减重装置还包括下肢康复辅具搭载装置，下肢康复辅具搭载装置包括下肢康复辅具安装门架，下肢康复辅具安装门架的一端与一个立柱圆管铰接，另一端与另一个立柱圆管销接。
一种下肢康复训练机器人，包括减重背心、拉力传感器、上述自适应减重箱、上述可折叠的移动训练架、下肢康复辅具(通过上述下肢康复辅具搭载装置与可折叠的移动训练架相连)以及控制模块，所述自适应减重箱包括设置于可折叠的移动训练架上的箱体、引出至可折叠的移动训练架的用于悬吊患者的绳索以及设置于箱体内的绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，所述绳索卷扬装置包括用于收放所述绳索的绳辊以及用于驱动绳辊的电机，自适应重心跟随装置包括可以往复直线运动的移动板、用于驱动移动板的电机以及设置在所述移动板上的与所述绳索相连的动滑轮；所述绳索引出至可折叠的移动训练架的一端与拉力传感器相连，拉力传感器与减重背心相连；下肢康复辅具上设置有用于检测患者下肢关节转角的编码器；控制模块包括患者下肢位置状态计算子模块、驱动电机控制子模块、减重力设定子模块以及患者重心计算子模块，减重力设定子模块根据预先设定的减重力和采集自拉力传感器的实际减重力，计算实际减重力调节变化量，患者下肢位置状态计算子模块采集编码器检测的患者下肢关节转角，并根据患者下肢关节转角计算患者下肢位置状态，患者重心计算子模块根据患者下肢位置状态与患者重心位置关系函数确定患者重心在垂直方上的位置，驱动电机控制子模块根据患者重心在垂直方上的位置输出用于驱动移动板的相应电机控制信号，以及根据实际减重力调节变化量输出用于驱动绳辊的相应电机控制信号。
本发明的有益效果体现在：
本发明中绳索卷扬装置为患者提供一定的减重力，自适应重心跟随装置在患者康复训练过程中可通过调节绳索长度以跟随患者重心变化，实现维持减重力大致恒定。本发明可以搭载下肢康复辅具，能够带动患者下肢进行模拟正常步态运动，提高康复治疗效果。
附图说明
图1是基于悬吊式自适应减重装置的下肢康复训练机器人总体结构示意图；
图2是图1中可折叠的移动训练架的折叠变形过程示意图；其中，左侧图为折叠后，右侧图为展开后；
图3是图1中自适应减重箱的结构示意图；其中，左侧图为安装板正面观；右侧图为安装板背面观；
图4是图1中悬吊式自适应减重装置的原理图；
图5是患者进行康复训练时的自适应减重装置控制流程框图；
图中：1-可折叠的移动训练架；2-自适应减重箱；3-下肢康复辅具搭载装置；4-滑轮绳索系统；5-拉力传感器；6-减重背心；7-跑步台；8-支撑架；9-右侧立柱圆管；10-左侧立柱圆管；11-扶手内管；12-扶手外管；13-方管；14-折叠杆；15-脚轮；16-自适应减重箱安装孔；17-下肢康复辅具安装门架；18-安装板正面定滑轮组；19-安装板正面动滑轮；20-移动板；21-导轨轴承座；22-导轨；23-直线轴承；24-翼板；25-螺母；26-丝杆；27-丝杆轴承座；28-弹性膜片联轴器；29-伺服电机A；30-伺服电机A安装架；31-伺服电机B；32-减速机；33-减速机安装架；34-梅花联轴器；35-绳辊轴承座；36-绳辊；37-减重箱安装孔；38-安装板侧面转向定滑轮；39-箱盖；40-绳索；41-安装板；42-长条形开口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，所述实施例用于解释本发明，而不是对本发明保护范围的限定。
参见图1，本发明提供了一种下肢康复训练机器人，用于脑中风与脊椎损伤等中枢神经损伤患者的下肢康复训练，包括悬吊式自适应减重装置、跑步台7和下肢康复辅具，悬吊式自适应减重装置包括可折叠的移动训练架1、滑轮绳索系统4、连接在绳索一端的拉力传感器5、与拉力传感器5连接的减重背心6以及安装在可折叠的移动训练架1上的自适应减重箱2和下肢康复辅具搭载装置3，绳索的另一端引入至自适应减重箱2。下肢康复辅具搭载装置3可以安装下肢康复辅具，辅助患者进行正常步态训练等康复训练。
参见图2，所述可折叠的移动训练架1包括位于底部且并排设置的左右两个方管13，方管13下方安装有脚轮15，可以自由移动，上方焊接有立柱圆管和扶手装置，其中右侧立柱圆管9设置有自适应减重箱安装孔16；扶手装置包括焊接于方管13上的扶手外管12以及下端插入扶手外管12内的扶手内管11，扶手内管11上开有一列圆孔，扶手外管12上相应位置也开有一个孔，扶手内管11可在扶手外管12内上下自由滑动，二者通过销子固定位置，以调节扶手装置高度，便于患者抓握；两个方管13的内侧与折叠杆14铰接，折叠杆14包括互相铰接的两段，通过调整两段之间的角度即可调整两个方管13之间的距离，从而可以顺利通过较窄的空间(如图2左图所示)；调整好两个方管13的距离后，将支撑架8插入两个方管13上的立柱圆管内，并用螺钉紧固(跑步台7置于两个方管13之间)；下肢康复辅具搭载装置3包括下肢康复辅具安装门架17，下肢康复辅具安装门架17上安装有可以固定并调整下肢康复辅具位置的连接件(例如滑板)，下肢康复辅具安装门架17一侧与左侧立柱圆管10上的凸耳铰接，可以带动下肢康复辅具绕左侧立柱圆管10旋转，同时，下肢康复辅具安装门架17另一侧可以用活销与右侧立柱圆管9上的凸耳连接固定(如图2右图所示)；在康复训练准备前期，拔出活销，通过旋转使下肢康复辅具安装门架17打开，下肢康复辅具收起，方便患者乘坐轮椅由后方进入，随后给患者穿戴减重背心6，将患者吊起一定高度，将轮椅撤出，关闭下肢康复辅具安装门架17，将下肢康复辅具移动到适当位置，并与患者下肢固定，为接下来的步态康复训练做好准备。
参见图3，所述自适应减重箱2是本发明的核心部件，它主要包括箱体和箱盖39，箱体内安装板41的正面固定安装有自适应重心跟随装置，安装板41的背面固定安装有绳索卷扬装置。
所述绳索卷扬装置中(图3b)，伺服电机B 31搭配减速机32作为扭矩输出单元，减速机32输出端与梅花联轴器34固连，梅花联轴器34与绳辊36固连，绳辊36上缠绕用于患者悬吊的绳索40；减速机32由减速机安装架33固定在安装板41上，绳辊36由绳辊轴承座35固定在安装板41上；患者康复训练前，先由绳索卷扬装置将患者升起一定高度，通过拉力传感器5反馈数值调整至设定的减重力，之后绳索卷扬装置停止工作，为步态训练做好准备。
所述自适应重心跟随装置(图3a)主要是由电机通过联轴器连接滚珠丝杠，从而驱动移动板。丝杠螺母25固定在移动板20下部，丝杆26转动，带动螺母25上下移动；丝杆26两端由丝杆轴承座27固定在安装板41上，丝杆26通过弹性膜片联轴器28与伺服电机A 29连接，从而传递运动；伺服电机A29由伺服电机A安装架30固定在安装板41上；移动板20上部安装有安装板正面动滑轮19，与安装板正面的两个定滑轮构成滑轮组，绳索40由安装板41背面的绳辊36引出绕过安装板41侧面的转向滑轮经正面的滑轮组与减重背心6相连，移动板20左右两侧安装有翼板24，翼板24与直线轴承23连接，直线轴承23可以在导轨22上自由滑动，导轨22通过导轨轴承座21固定在安装板41上(直线轴承沿固定在安装板正面的导轨做直线运动)。
所述箱体上部有一长条形开口42，位置偏向安装板41正面的自适应重心跟随装置，绳索40由该开口引出后连接在减重背心6上端的拉力传感器5上。
驱动电机(伺服电机A、B)用普通的直流电机即可。
所述绳索40的安装如图1、图3所示，上述安装板41的侧面固定有转向定滑轮，绳索40从箱体上方长条形开口42进入，绕过安装板正面定滑轮组18和安装板正面动滑轮19后经安装板侧面转向定滑轮38连接到绳辊36上。安装板正面定滑轮组18包括一对固定在安装板41正面上的定滑轮，绳索40引入箱体后经过其中一个定滑轮导向至安装板正面动滑轮19，经过安装板正面动滑轮19下半圆周绕至另一个定滑轮，经该定滑轮导向至安装板侧面转向定滑轮38，从而引至安装板41背面。绳索40由自适应减重箱2引出经过支撑架8上定滑轮组导向后连接到拉力传感器5一端上，拉力传感器5另一端与减重背心6连接。在患者步态训练过程中，读取下肢康复辅具上的编码器数值，由位置关系函数实时计算出患者的重心位置，并将其转换为伺服电机A29的转动角度，从而控制伺服电机A29转动，带动安装板正面动滑轮19沿导轨22方向上下移动以调节绳索40的长度，实现患者的重心跟随，提供大致恒定的减重力。通过使用安装板正面定滑轮组18，使与安装板正面动滑轮19连接的绳索部分保持竖直方向，提高了减重力调整的灵敏度和可靠性。
所述悬吊式自适应减重装置的原理参见图4。在拉力传感器5的反馈下，控制绳索卷扬装置中的伺服电机B 31释放/收紧绳索，调节患者减重力至设定值；在康复训练过程中，由患者下肢关节转角计算出其重心位置，并转化为自适应重心跟随装置中伺服电机A29的转角，带动安装板正面动滑轮19移动，调节绳索40长度，实时跟随患者重心变化，即患者步态训练中，重心上升，则拉紧绳索40，重心下降，则放松绳索40，保持绳索40张紧状态稳定，从而提供大致恒定的减重力。
基于自适应减重装置的下肢康复训练机器人控制原理参见图5。在患者进行康复训练前，先设置减重力fset和减重力允许的误差ε，在患者穿戴好下肢康复辅具之后，读取拉力传感器5的数值factual，并计算factual与fset的差值Δf，判断Δf是否在减重力允许误差ε范围内，若factual>fset+ε，实际值比设定值上限大，说明绳索40过紧，控制(PID控制器)伺服电机B 31释放绳索40，直到|factual-fset|≤ε；若factual<fset-ε，实际值比设定值下限小，说明绳索40过松，控制伺服电机B 31收紧绳索40，直到|factual-fset|≤ε，此时减重力已调整完毕。接下来要在步态训练过程中对患者的重心进行跟随，以维持大致恒定的减重力。研究表明，人体在正常步行时，步态特征与人体重心运动轨迹有着确定的关系，即左右腿在步行时的位置状态与重心位置有着一一确定的关系(赵凌燕，《人体步态模型实验研究》，第四章骨盆沿相对坐标系Z轴运动函数模型)：
其中，v表示步行速度，即跑步机(跑步台)速度；
P表示t时刻所处当前步态周期T的百分比，kT≤t≤(k+1)T,k＝1,2,3...参数阵[a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7]＝[-0.3965,0.6231,-82.3030,9.7391,0.0268,39.5467,-9.3054]。
基于此原理，本发明通过采集布置于下肢康复辅具上的编码器的数值，实时测量下肢康复辅具关节的旋转角度，从而确定患者左右腿的位置状态(P)，再根据上述函数模型确定患者重心在垂直方上的位置，并转化为伺服电机A29的转角，驱动伺服电机A 29实时调节绳索长度以跟随患者重心位置，提供大致恒定的减重力，再配合下肢康复辅具辅助患者进行正常步态训练。
总之，本发明针对现有减重系统的优缺点，将步态训练设备(包括滑轮绳索系统、减重背心、自适应减重箱、跑步台等)和下肢康复辅具结合起来。不仅可以提供自适应的重心跟随功能以维持大致恒定减重力，也可以搭载下肢康复辅具，满足患者不同康复阶段的需要。其优点在于：系统结构简单、紧凑，通过拉力传感器形成闭环控制，控制难度低，能获得相对稳定的减重力，性价比高。
Claims (10)
1.一种康复训练用的自适应减重箱，其特征在于：该自适应减重箱(2)包括箱体、引出至箱体外的用于悬吊患者的绳索(40)以及设置于箱体内的绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，所述绳索卷扬装置包括用于收放所述绳索(40)的绳辊(36)，自适应重心跟随装置包括可以往复直线运动的移动板(20)以及设置在所述移动板(20)上的与所述绳索(40)相连的动滑轮。
2.根据权利要求1所述一种康复训练用的自适应减重箱，其特征在于：所述绳索卷扬装置还包括用于驱动所述绳辊(36)的电机；自适应重心跟随装置还包括导轨(22)、丝杆(26)以及用于驱动丝杆(26)的电机，所述移动板(20)设置在导轨(22)上，丝杆(26)与设置于所述移动板(20)上的丝杠螺母(25)相连。
3.根据权利要求1所述一种康复训练用的自适应减重箱，其特征在于：所述自适应减重箱(2)还包括设置于箱体内的安装板(41)，绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置分别设置于该安装板(41)的两侧表面，所述绳索(40)由所述绳辊(36)经设置于所述安装板(41)上的转向滑轮和滑轮组引出箱体，所述滑轮组包括设置于所述安装板(41)上的两个定滑轮，所述绳索(40)经其中一个定滑轮由转向滑轮引至所述动滑轮，所述绳索(40)经另一个定滑轮由所述动滑轮引至设置于箱体上的开口。
4.一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，其特征在于：该自适应减重装置包括减重背心(6)、拉力传感器(5)、自适应减重箱(2)以及可折叠的移动训练架(1)，所述自适应减重箱(2)包括设置于可折叠的移动训练架(1)上的箱体、引出至可折叠的移动训练架(1)的用于悬吊患者的绳索(40)以及设置于箱体内的绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，所述绳索卷扬装置包括用于收放所述绳索(40)的绳辊(36)，自适应重心跟随装置包括可以往复直线运动的移动板(20)以及设置在所述移动板(20)上的与所述绳索(40)相连的动滑轮；所述绳索(40)引出至可折叠的移动训练架(1)的一端与拉力传感器(5)相连，拉力传感器(5)与减重背心(6)相连。
5.根据权利要求4所述一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，其特征在于：所述可折叠的移动训练架(1)包括支撑架(8)、折叠杆(14)、带有脚轮(15)且并排设置的两个方管(13)以及设置于方管(13)上的立柱圆管，支撑架(8)设置于立柱圆管上，折叠杆(14)包括相互铰接的两段，两个方管(13)的内侧与折叠杆(14)的两端分别铰接，所述自适应减重箱(2)的箱体设置于立柱圆管上，所述绳索(40)引出至可折叠的移动训练架(1)的一端通过设置于支撑架(8)上的定滑轮悬垂于所述方管(13)上方，减重背心(6)通过拉力传感器(5)与所述绳索(40)引出至可折叠的移动训练架(1)的一端相连。
6.根据权利要求5所述一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，其特征在于：所述可折叠的移动训练架(1)还包括扶手装置，扶手装置包括设置于所述方管(13)上的扶手外管(12)以及设置于扶手外管(12)上的可升降的扶手内管(11)，扶手内管(11)通过销钉定位。
7.根据权利要求5所述一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，其特征在于：所述自适应减重装置还包括下肢康复辅具搭载装置(3)，下肢康复辅具搭载装置(3)包括下肢康复辅具安装门架(17)，下肢康复辅具安装门架(17)的一端与一个方管(13)上的立柱圆管铰接，另一端与另一个方管(13)上的立柱圆管销接。
8.根据权利要求4所述一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，其特征在于：所述绳索卷扬装置还包括用于驱动所述绳辊(36)的电机；自适应重心跟随装置还包括导轨(22)、丝杆(26)以及用于驱动丝杆(26)的电机，所述移动板(20)设置在导轨(22)上，丝杆(26)与设置于所述移动板(20)上的丝杠螺母(25)相连。
9.根据权利要求4所述一种康复训练用的悬吊式自适应减重装置，其特征在于：所述自适应减重箱(2)还包括设置于箱体内的安装板(41)，绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置分别设置于该安装板(41)的两侧表面，所述绳索(40)由所述绳辊(36)经设置于所述安装板(41)上的转向滑轮和滑轮组引出箱体，所述滑轮组包括设置于所述安装板(41)上的两个定滑轮，所述绳索(40)经其中一个定滑轮由转向滑轮引至所述动滑轮，所述绳索(40)经另一个定滑轮由所述动滑轮引至设置于所述箱体上的开口。
10.一种下肢康复训练机器人，其特征在于：包括减重背心(6)、拉力传感器(5)、自适应减重箱(2)、控制模块、可折叠的移动训练架(1)以及与可折叠的移动训练架(1)相连的下肢康复辅具，所述自适应减重箱(2)包括设置于可折叠的移动训练架(1)上的箱体、引出至可折叠的移动训练架(1)的用于悬吊患者的绳索(40)以及设置于箱体内的绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，所述绳索卷扬装置包括用于收放所述绳索(40)的绳辊(36)以及用于驱动绳辊(36)的电机，自适应重心跟随装置包括可以往复直线运动的移动板(20)、用于驱动所述移动板(20)的电机以及设置在所述移动板(20)上的与所述绳索(40)相连的动滑轮；所述绳索(40)引出至可折叠的移动训练架(1)的一端与拉力传感器(5)相连，拉力传感器(5)与减重背心(6)相连；下肢康复辅具上设置有用于检测患者下肢关节转角的编码器；控制模块包括患者下肢位置状态计算子模块、驱动电机控制子模块、减重力设定子模块以及患者重心计算子模块，减重力设定子模块根据预先设定的减重力和采集自拉力传感器(5)的实际减重力，计算实际减重力调节变化量，患者下肢位置状态计算子模块采集所述编码器检测的患者下肢关节转角，并根据患者下肢关节转角计算患者下肢位置状态，患者重心计算子模块根据患者下肢位置状态与患者重心位置关系函数确定患者重心在垂直方上的位置，驱动电机控制子模块根据患者重心在垂直方上的位置输出用于驱动移动板(20)的相应电机控制信号，以及根据实际减重力调节变化量输出用于驱动绳辊(36)的相应电机控制信号。
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