CN107789162A - 一种步态康复机器人用踏步装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种步态康复机器人用踏步装置，踏步装置包括机架，机架上设有两个与左右双足对应布置的踏步机构，踏步机构包括横向滑动设于机架上的第一滑台和竖向滑动设于机架上的第二滑台，第一滑台铰接悬吊设有第一大臂，第二滑台铰接悬吊设有第二大臂，踏步机构还包括设于第一大臂和第二大臂下端并与二者铰接的小臂，该小臂具有延伸出第一大臂或第二大臂的小臂段，小臂段上设有脚踏板，第二大臂上铰接有连动杆，连动杆背离第二大臂的一端与第一滑台或第一大臂铰接。本踏步装置将步行时足部的运动进行解耦，能够根据患者情况进行足部轨迹调整，并且各驱动机构设置位于上方，脚踏板与地面距离更低，提升患者使用时的安全感。

Description

一种步态康复机器人用踏步装置
技术领域
本发明涉及一种步态康复机器人用踏步装置。
背景技术
减重步行康复训练是近年来应用最为广泛的下肢康复训练方式，传统的人工步行康复训练存在诸多问题，如治疗师劳动强度大、训练的效果过于依赖治疗师的经验和水平、难以保证患者获得足够的训练强度和训练周期等。
步态康复机器人克服传统人工康复训练的缺点，是针对运动神经系统疾病引起的步态异常患者进行步态康复训练的有效手段。步态康复机器人主要有腿部驱动式和足部驱动式两种机构形式。腿部驱动式步态康复机器人通常采用外骨骼形式，其局限性在于机械关节的自由度比实际人体关节少，不能准确复现正常步态中的关节运动，并且存在佩戴不舒适的缺陷。足部驱动式步态康复训练机器人是通过运动脚踏板带动患者的双足进行运动，进而连带患者的大、小腿产生运动，但是，现有的足部驱动式下肢康复机器人中通常采用固定的机构实现类椭圆的运动轨迹，不能根据患者的身体情况及训练需求灵活地调整足部运动的轨迹，难以达到理想的康复效果。
授权公告号为CN206334072U的实用新型专利公开了一种步态助行训练装置，包括底架、左脚踏板和右脚踏板，底架上设有动力单元、扶手支架和脚踏板驱动装置，所述脚踏板驱动装置包括左驱动轮单元、右驱动轮单元；左驱动轮单元和右驱动轮单元均包括两个具有偏心轴的驱动轮对；左脚踏板和右脚踏板分别设置在左驱动轮单元和右驱动轮单元上，左脚踏板和右脚踏板上均设置有腿部绑定架；左脚踏板前端内侧的驱动轮与右脚踏板前端内侧的驱动轮共有第一同心轴，动力单元与第一同心轴传动连接。该训练装置通过具有偏心轴的驱动轮对模拟正常行走的步态轨迹，因此其具有上述运动轨迹类似椭圆而不能根据患者的身体情况及训练需求灵活地调整足部运动轨迹的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种步态康复机器人用踏步装置，以解决现有技术中采用类椭圆的足部运动轨迹而不能根据患者的身体情况及训练需求灵活地调整的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种踏步装置的技术方案1：一种踏步装置，包括机架，所述机架上设有两个与左右双足对应布置的踏步机构，所述踏步机构包括横向滑动设于机架上的第一滑台和竖向滑动设于机架上的第二滑台，所述第一滑台铰接悬吊设有第一大臂，所述第二滑台铰接悬吊设有第二大臂，踏步机构还包括设于所述第一大臂和第二大臂下端并与二者铰接的小臂，该小臂具有延伸出所述第一大臂或第二大臂的小臂段，小臂段上设有脚踏板，所述第二大臂上铰接有连动杆，连动杆背离所述第二大臂的一端与所述第一滑台或第一大臂铰接，机架上设有驱动第一滑台往复滑动的第一驱动机构以及驱动第二滑台往复滑动的第二驱动机构，踏步机构还包括用于调整所述脚踏板与地面夹角的转动机构。
本发明的有益效果是：本发明提供踏步装置中的第一大臂、第二大臂、小臂和连动杆铰接形成四边形机构，通过控制第一滑台带动第一大臂沿第一轨迹滑动，以驱动小臂带动脚踏板相应运动；通过控制第二滑台带动第二大臂沿第二轨迹滑动，以驱动小臂带动脚踏板相应运动；通过转动装置调整脚踏板与地面夹角以模拟步行时足部与地面的角度变化。与现有技术相比，本发明提供踏步装置将步行时足部的三种运动解耦，使得踏步装置能够根据患者的身体情况及训练需求灵活地调整足部运动轨迹，更加优化患者的训练以达到更好的康复效果；本发明采用四边形机构模拟步行时的足部运动轨迹，由于四边形机构运动特性，能够提供与人类正常行走时足部运动轨迹相近的弧形轨迹，更加适用于患者的康复训练；另外，本踏步装置的各驱动机构设置位于上方，降低脚踏板与地面距离，提升患者使用时的安全感。
在踏步装置技术方案1的基础上加以改进得到技术方案2：所述小臂具有延伸出所述第一大臂的小臂段，所述转动机构包括铰接在小臂上的传动板及铰接于传动板上的第一传动杆和第二传动杆，所述第一滑台上转动设有主动臂，所述第一传动杆背离所述传动板一端与所述主动臂铰接，所述第二传动杆背离所述传动板一端与设于所述小臂段上的脚踏板铰接。第一传动杆、第二传动杆和传动板的设置使主动臂得以安装在上方，进而使驱动主动臂的装置能够安装在上方，降低脚踏板与地面的高度，便于患者的使用，并增加使用时的安全感。
在踏步装置技术方案2的基础上加以改进得到技术方案3：所述转动机构还包括驱动所述主动臂转动的涡轮蜗杆机构，涡轮蜗杆机构包括电机、与电机输出轴固连的蜗杆和转动设于所述第一滑台上的涡轮，所述主动臂固设于所述涡轮上。涡轮蜗杆机构具有自锁功能，能够避免患者使用时踏板发生角度变化导致踩踏不稳的风险。
在踏步装置技术方案3的基础上加以改进得到技术方案4：所述小臂上铰接有踏板安装座，所述脚踏板固设在所述踏板安装座上，所述第二传动杆铰接在所述踏板安装座上。设有的安装座能够增加转动的力矩，进而放大脚踏板转动的力以适应体重较大的患者。
在踏步装置技术方案4的基础上加以改进得到技术方案5：踏板安装座上设有用于调节两个踏步机构中脚踏板左右方向相对位置进而调节适应患者步宽的调节结构。适应患者的不同步宽，扩大踏步装置的适用范围。
在踏步装置技术方案5的基础上加以改进得到技术方案6：所述调节结构包括所述脚踏板上设有的两根导柱，于所述两根导柱之间转动设有调节螺杆，调节螺杆与所述脚踏板上设有的调节螺母螺纹传动连接。调节螺柱与脚踏板上的调节螺母螺纹传动配合，保证了脚踏板能够自锁，避免患者使用时脚踏板发生滑动导致踩踏不稳的风险。
在踏步装置技术方案1的基础上加以改进得到技术方案7：所述第一大臂、第二大臂、连动杆和小臂构成平行四边形结构，定义小臂与脚踏板的铰接中心到小臂与第一大臂铰接中心的长度为L1，定义小臂与第一大臂的铰接中心到小臂与第二大臂的铰接中心的长度为L2，定义第二大臂与小臂的铰接中心到第二大臂与连动杆的铰接中心的长度为L3，定义第二大臂与连动杆的铰接中心到第二大臂与第二滑台的铰接中心的长度为L4，L1与L2之比等于L3与L4之比。第一大臂、第二大臂、连动杆和小臂构成平行四边形结构，并使L1与L2之比等于L3与L4之比，保证了脚踏板能够以相同比例速度跟随第一滑台和第二滑台进行移动。
在踏步装置技术方案4的基础上加以改进得到技术方案8：所述第一传动杆、第一大臂、主动臂和传动板构成平行四边形结构，所述第二传动杆、小臂、安装座和传动板构成平行四边形结构。
在踏步装置技术方案1至8中任意一项的基础上加以改进得到技术方案9：所述第一驱动机构包括第一电机和用于驱动第一大臂沿水平方向移动进而带动所述脚踏板横向运动的第一丝杠螺母机构，该第一丝杠螺母机构包括与所述第一电机输出杆固连的第一丝杠和与所述第一滑台固连的第一螺母。丝杠螺母机构具有自锁功能，不向丝杠施加驱动力时能够防止第一大臂发生移动，避免患者使用时踏板发生晃动导致踩踏不稳的风险。
在踏步装置技术方案1至8中任意一个的基础上加以改进得到技术方案10：所述第二驱动机构包括第二电机和用于驱动第二大臂沿竖直方向移动进而带动所述脚踏板竖向运动的第二丝杠螺母机构，该第二丝杠螺母机构包括与所述第二电机输出杆固连的第二丝杠和与所述第二滑台固连的第二螺母。采用具有自锁功能的丝杠螺母机构，能够避免患者使用时踏板发生上下摆动而导致踩踏不稳的风险。
附图说明
图1为本发明提供踏步装置的立体结构示意图；
图2为图1所示踏步装置的结构示意图；
图3为图1所示踏步装置中脚踏板部分的结构示意图；
图4为图1所示踏步装置的机械原理图；
附图中：1-第二电机，2-第二减速皮带轮对，3-第二丝杠轴承座，4-第二螺母座，5-第二螺母，6-第二丝杠，7-第二滑轨，8-第二滑块，9-第二滑板，10-第二铰接座，11-第二大臂，12-第一大臂，13-小臂，14-连动杆，15-第一电机，16-第一减速皮带轮对，17-第一螺母座，18-第一螺母，19-第一丝杠，20-第一滑轨，21-第一滑块，22-第一滑板，23-第一铰接座，24-第三电机，25-蜗杆，26-涡轮，27-主动臂，28-第一传动杆，29-传动板，30-第二传动杆，31-踏板安装座，32-脚踏板，33-固定板，34-调节螺杆，35-导柱，36-安装板，100-机架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明提供踏步装置的实施例1，如图1至图4所示，踏步装置包括固定在地面上的机架100，机架上设有两个与左右双足对应布置的踏步机构，踏步机构包括机架100上横向滑动设有的第一滑台和竖向滑动设有的第二滑台，第一滑台铰接悬吊设有第一大臂12，第二滑台铰接悬吊设有第二大臂11，踏步机构还包括设于第一大臂和第二大臂下端并与两个大臂铰接的小臂13，小臂具有延伸出第一大臂12的小臂段，小臂13段上铰接有踏板安装座31，踏板安装座上设有脚踏板32，两个大臂之间设有连动杆14，连动杆一端铰接在第一大臂上、另一端铰接在第一大臂与第一滑台铰接点处，第一大臂12、第二大臂11、连动杆14和小臂13构成平行四边形结构；机架100上设有驱动第一滑台往复滑动的第一驱动机构以及驱动第二滑台往复滑动的第二驱动机构，踏步装置还包括用于调整脚踏板32与地面夹角的转动机构。
上述第一滑台包括于机架100上沿水平方向设有的第一滑轨20，第一滑轨上滑动设有第一滑块21，第一滑块上固设有第一滑板22，第一滑板上固设有第一铰接座23，第一铰接座上铰接有第一大臂12，第一驱动机构包括第一电机15，第一电机的输出轴固设有第一丝杠19，第一滑板22上固设有第一螺母座17，第一螺母座17上设有第一螺母18，第一螺母与第一丝杠螺纹传动配合，机架100上还设有传动连接第一电机15输出轴和第一丝杠19的第一减速皮带轮对16。
上述第二滑台包括于机架100上沿竖直方向设有的第二滑轨7，第二滑轨上滑动设有第二滑块8，第二滑块上固设有第二滑板9，第二滑板上固设有第二铰接座10，第二铰接座上铰接有第二大臂11，第二驱动机构包括第二电机1，第二电机的输出轴固设有第二丝杠6，第二滑板9上固设有第二螺母座4，第二螺母座上设有第二螺母5，第二螺母与第二丝杠6螺纹传动配合，机架100上还设有第二丝杠轴承座3，第二丝杠6转动装在第二丝杠轴承座3内；机架100上还设有传动连接第二电机1输出轴和第二丝杠6的第二减速皮带轮对2。
上述转动机构包括设于第一滑板22上的第三电机24，第三电机的输出轴设有蜗杆25，第一大臂12与第一铰接座23的铰接处还铰接设有与蜗杆25啮合的涡轮26，涡轮上固设有主动臂27；转动机构还包括铰接在小臂13上的传动板29，传动板上铰接有第一传动杆28和第二传动杆30，第一传动杆28背离传动板29一端铰接在主动臂27上，第二传动杆30背离传动板29一端铰接在踏板安装座31上；第一传动杆28、第一大臂12、主动臂27和传动板29构成平行四边形结构，第二传动杆30、小臂13、安装座31和传动板29构成平行四边形结构；其中，传动板29为空心等腰三角形，其顶点铰接在小臂13上，第一传动杆28和第二传动杆30对应铰接在两个底角处。
另外，踏板安装座31上设有用于调节两个踏步机构中脚踏板32左右方向相对位置进而调节适应患者步宽的调节结构，调节结构具体包括脚踏板32上设有的两个互相平行的固定板33，两个固定板33之间固设有两根导柱35，两根导柱35之间转动设有调节螺杆34，调节螺杆34与脚踏板32上设有的调节螺母螺纹传动连接。
进一步的，小臂与脚踏板的铰接中心到小臂与第一大臂铰接中心的长度为L1，小臂与第一大臂的铰接中心到小臂与第二大臂的铰接中心的长度为L2，第二大臂与小臂的铰接中心到第二大臂与连动杆的铰接中心的长度为L3，第二大臂与连动杆的铰接中心到第二大臂与第二滑台的铰接中心的长度为L4，长度关系满足L1与L2之比等于L3与L4之比。第一大臂、第二大臂、连动杆和小臂构成平行四边形结构，并使L1与L2之比等于L3与L4之比，保证了脚踏板能够以相同比例速度跟随第一滑台和第二滑台进行移动，利于脚踏板运动轨迹的计算。
上述踏板安装座31具有向小臂13下方延伸的延伸段，第二传动杆30与该延伸段铰接。上述第一电机1和第二电机15通过机架100上固定设有的安装板36固定安装在机架上。
进一步的，本实施例中三个电机均采用伺服电机；脚踏板上设有防滑结构。
本发明提供踏步装置的实施例在使用时，通过第一电机驱动第一大臂在水平方向上往复运动，带动由第一大臂、第二大臂、连动杆和小臂组成的平行四边形结构进而控制小臂的小臂段进行横向运动，以模拟步行时足部的平动；通过第二电机带动第二大臂在竖直方向上往复运动，模拟步行时足部上下方向的运动；通过第三电机驱动转动机构调整脚踏板与地面的夹角，进而模拟步行时足部与地面夹角的变化；利用调节结构调节两脚踏板相对位置以适应患者的步宽，达到更好的康复训练效果；通过三个电机的配合控制，能够实现精准的步行轨迹模拟，并可根据患者的身体状况需求对步行轨迹进行调整。
本发明提供踏步装置通过三个电机的配合控制，不仅能对步行足部运动轨迹进行模拟，而且能够模拟上下楼梯、上下坡、原地踏步等多种踏步情景，使患者的减重康复训练更加丰富、效果更好。
本发明提供踏步装置的实施例2，转动机构包括固设在小臂上的电动推杆，电动推杆的输出端与踏板安装座的向下延伸段铰接。通过电动推杆控制踏板安装座的角度变化，电动推杆重量较小且成本较低，并具有自锁功能。
本发明提供踏步装置的实施例3，上述踏步装置的实施例中采用丝杠和螺母实现传动，在其他实施例中可采用滚珠丝杠作为传动结构，由于踏步装置上需站立患者，采用承载能力更好的滚珠丝杠能够减少摩擦力，提高传动效率，具有噪音更小、结构可靠性更强、响应速度更快、控制更加精确等优点。
上述踏步装置的实施例中小臂具有延伸出第一大臂的小臂段，在其他实施例中小臂可向第二大臂延伸出小臂段，其他结构不变，同样可实现脚踏板的步行模拟运动。
上述踏步装置的实施例中采用减速皮带轮对实现对电机输出轴的减速，在其他实施例中可采用齿轮对电机输出轴进行减速。

Claims (10)

1.一种踏步装置，包括机架，所述机架上设有两个与左右双足对应布置的踏步机构，其特征在于：所述踏步机构包括横向滑动设于机架上的第一滑台和竖向滑动设于机架上的第二滑台，所述第一滑台铰接悬吊设有第一大臂，所述第二滑台铰接悬吊设有第二大臂，踏步机构还包括设于所述第一大臂和第二大臂下端并与二者铰接的小臂，该小臂具有延伸出所述第一大臂或第二大臂的小臂段，小臂段上设有脚踏板，所述第二大臂上铰接有连动杆，连动杆背离所述第二大臂的一端与所述第一滑台或第一大臂铰接，机架上设有驱动第一滑台往复滑动的第一驱动机构以及驱动第二滑台往复滑动的第二驱动机构，踏步机构还包括用于调整所述脚踏板与地面夹角的转动机构。
2.根据权利要求1所述的踏步装置，其特征在于：所述小臂具有延伸出所述第一大臂的小臂段，所述转动机构包括铰接在小臂上的传动板及铰接于传动板上的第一传动杆和第二传动杆，所述第一滑台上转动设有主动臂，所述第一传动杆背离所述传动板一端与所述主动臂铰接，所述第二传动杆背离所述传动板一端与设于所述小臂段上的脚踏板铰接。
3.根据权利要求2所述的踏步装置，其特征在于：所述转动机构还包括驱动所述主动臂转动的涡轮蜗杆机构，涡轮蜗杆机构包括电机、与电机输出轴固连的蜗杆和转动设于所述第一滑台上的涡轮，所述主动臂固设于所述涡轮上。
4.根据权利要求3所述的踏步装置，其特征在于：所述小臂上铰接有踏板安装座，所述脚踏板固设在所述踏板安装座上，所述第二传动杆铰接在所述踏板安装座上。
5.根据权利要求4所述的踏步装置，其特征在于：踏板安装座上设有用于调节两个踏步机构中脚踏板左右方向相对位置进而调节适应患者步宽的调节结构。
6.根据权利要求5所述的踏步装置，其特征在于：所述调节结构包括所述脚踏板上设有的两根导柱，于所述两根导柱之间转动设有调节螺杆，调节螺杆与所述脚踏板上设有的调节螺母螺纹传动连接。
7.根据权利要求1所述的踏步装置，其特征在于：所述第一大臂、第二大臂、连动杆和小臂构成平行四边形结构，定义小臂与脚踏板的铰接中心到小臂与第一大臂铰接中心的长度为L1，定义小臂与第一大臂的铰接中心到小臂与第二大臂的铰接中心的长度为L2，定义第二大臂与小臂的铰接中心到第二大臂与连动杆的铰接中心的长度为L3，定义第二大臂与连动杆的铰接中心到第二大臂与第二滑台的铰接中心的长度为L4，L1与L2之比等于L3与L4之比。
8.根据权利要求4所述的踏步装置，其特征在于：所述第一传动杆、第一大臂、主动臂和传动板构成平行四边形结构，所述第二传动杆、小臂、安装座和传动板构成平行四边形结构。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的踏步装置，其特征在于：所述第一驱动机构包括第一电机和用于驱动第一大臂沿水平方向移动进而带动所述脚踏板横向运动的第一丝杠螺母机构，该第一丝杠螺母机构包括与所述第一电机输出杆固连的第一丝杠和与所述第一滑台固连的第一螺母。
10.根据权利要求1至8中任意一项所述的踏步装置，其特征在于：所述第二驱动机构包括第二电机和用于驱动第二大臂沿竖直方向移动进而带动所述脚踏板竖向运动的第二丝杠螺母机构，该第二丝杠螺母机构包括与所述第二电机输出杆固连的第二丝杠和与所述第二滑台固连的第二螺母。
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