CN108066943A - 膝关节助行机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膝关节助行机器人及控制方法，属于康复医疗器械技术领域，包括上壳体、下壳体、铰接设置在上壳体上的液压杆、滑动套装在液压杆的外侧且与下壳体铰接的液压缸、设置液压缸内部的自由活塞以及内弹簧，液压缸的端部设有缸端盖，液压杆的端部固定设有第一挡片，第一挡片与缸端盖之间构成用于容纳液体的第一腔体，第一挡片与自由活塞之间构成用于容纳液体的第二腔体，第一挡片上设有至少一个第一通孔，液压杆上设有流量调节装置。本发明提供的膝关节助行机器人及控制方法，并根据不同的行走状态，控制不同的阻尼力，大大缩短了膝关节康复训练的时间，提高了效率，恢复效果更好。

Description

膝关节助行机器人及控制方法

技术领域

本发明属于康复医疗器械技术领域，更具体地说，是涉及一种膝关节助行机器人及该膝关节助行机器人的控制方法。

背景技术

现有的膝关节康复训练器均是简单的通过大腿支架和小腿支架将训练器固定在大腿及小腿上，而且通过在大腿支架与小腿支架之间设置弹簧或液压缸提供一定的阻尼力，但是在使用过程中由于阻尼力无法控制，存在膝关节在康复训练时产生机械损伤的风险，造成康复训练效果差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膝关节助行机器人，旨在解决现有技术中的康复膝关节康复训练器在使用过程中阻尼力无法控制，存在膝关节在康复训练时产生机械损伤的风险，造成康复训练效果差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种膝关节助行机器人，包括用于固定在大腿上的上壳体、与所述上壳体铰接且用于固定在小腿上的下壳体、铰接设置在所述上壳体上的液压杆、滑动套装在所述液压杆的外侧且与所述下壳体铰接的液压缸、设置所述液压缸内部的自由活塞以及分别与所述自由活塞和所述液压缸的底部抵接的内弹簧，所述液压缸的端部设有与所述液压杆滑动连接的缸端盖，其特征在于：所述液压杆位于所述液压缸内的端部固定设有与所述液压缸的内壁滑动配合的第一挡片，所述第一挡片与所述缸端盖之间构成用于容纳液体的第一腔体，所述第一挡片与所述自由活塞之间构成用于容纳液体的第二腔体，所述第一挡片上设有至少一个用于连通所述第一腔体和所述第二腔体的第一通孔，所述液压杆上设有用于控制所述第一通孔是否开闭和流经所述第一通孔液体的流速的流量调节装置。

进一步地，所述流量调节装置包括与所述第一挡片转动连接的第二挡片、设置在所述第二挡片上且用于与所述第一通孔连通的第二通孔以及设置在所述液压杆上的用于驱动所述第二挡片转动并控制所述第一通孔和所述第二通孔是否连通以及控制所述第一通孔和所述第二通孔的重合度的驱动机构。

进一步地，所述驱动机构包括设置在所述液压杆外端部的驱动电机以及用于连接所述驱动电机的电机轴及所述第二挡片的驱动轴，第二挡片位于第一挡片和自由活塞之间。

进一步地，所述液压杆的端部设有用于容纳所述驱动电机的容纳槽，所述驱动电机的端部设有用于封盖所述容纳槽的杆端盖。

进一步地，所述杆端盖的外端与所述上壳体铰接。

进一步地，所述第二挡片与所述液压杆的内壁之间设有滑动轴承。

进一步地，所述液压杆上螺纹连接有调节螺母，所述液压杆的外周套装有外弹簧，所述外弹簧的一端与所述调节螺母抵接，所述外弹簧的另一端与所述缸端盖抵接。

进一步地，所述液压缸底部的外侧面上设有与所述下壳体铰接的铰接部。

进一步地，还包括固设于所述下壳体上的弹性板以及固设在所述弹性板上的脚掌板。。

本发明提供的膝关节助行机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明膝关节助行机器人，通过上壳体固定在大腿上，下壳体固定在小腿上，上壳体与下壳体铰接并通过液压杆及液压缸连接，能够提供膝关节康复训练用的阻尼力，通过在液压杆上的第一挡片上设置用于连通第一腔体和第二腔体的第一通孔，通过流量调节装置控制第一通孔通过的液体流量达到控制第一腔体和第二腔体的液体转换速度的效果，从而可以控制液压杆与液压缸之间的阻尼力，并根据不同的行走状态，控制不同的阻尼力，大大缩短了膝关节康复训练的时间，提高了效率，恢复效果更好。

本发明还提供一种膝关节助行机器人控制方法，包括如下步骤：

若为支撑控制，则控制所述流量调节装置关闭所述第一通孔；

若为摆动控制，则控制所述流量调节装置打开所述第一通孔，当所述第一通孔打开时，通过所述流量调节装置控制第一通孔与第二通孔的重合度，从而调节流速。

本发明提供的膝关节助行机器人控制方法的有益效果在于：与现有技术相比，通过流量调节装置控制第一通孔打开，并控制第一通孔的流速，能够实现膝关节康复机器人的摆动情况贴近自由状态下自由摆动，大大缩短了膝关节康复训练的时间，提高了效率，恢复效果更好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的膝关节助行机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例所采用的液压杆和液压缸的装配剖视图；

图3为本发明实施例所采用的第二挡片的仰视结构示意图；

图4为本发明实施例所采用的第二挡片的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例所采用的第一挡片的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例所采用的弹性板的结构示意图；

图7实测与无驱动膝关节摆动的对比曲线图。

图中：1、上壳体；11、上加强板；2、下壳体；21、下加强板；3、液压杆；31、第一挡片；311、第一通孔；32、第二挡片；321、第二通孔；322、驱动轴安装孔；33、驱动电机；34、杆端盖；35、驱动轴；36、调节螺母；37、外弹簧；38、滑动轴承；4、液压缸；41、缸端盖；42、自由活塞；43、内弹簧；44、铰接部；45、第一腔体；46、第二腔体；5、弹性板；51、第一连接板；52、第二连接板；53、顶丝；6、脚掌板；7、安装块；8、控制开关。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的膝关节助行机器人进行说明。所述膝关节助行机器人，包括用于固定在大腿上的上壳体1、与上壳体1铰接且用于固定在小腿上的下壳体2、铰接设置在上壳体1上的液压杆3、滑动套装在液压杆3的外侧且与下壳体2铰接的液压缸4、设置液压缸4内部的自由活塞42以及用于连接自由活塞42以及分别与自由活塞42和液压缸4的底部抵接的内弹簧43，液压缸4的端部设有与液压杆4滑动连接的缸端盖，液压杆3位于液压缸4内的端部固定设有与液压缸4的内壁滑动配合的第一挡片31，第一挡片31与缸端盖41之间构成用于容纳液体的第一腔体45，第一挡片31与自由活塞42之间构成用于容纳液体的第二腔体46，第一挡片31上设有至少一个用于连通第一腔体45和第二腔体46的第一通孔311，液压杆3上设有用于控制第一通孔311是否开闭和流经第一通孔311液体的流速的流量调节装置。

本发明提供的膝关节助行机器人，与现有技术相比，通过上壳体1固定在大腿上，下壳体2固定在小腿上，上壳体1与下壳体2铰接并通过液压杆3及液压缸4连接，能够提供膝关节康复训练用的阻尼力，通过在液压杆3上的第一挡片31上设置用于连通第一腔体45和第二腔体46的第一通孔311，通过流量调节装置控制第一通孔311通过的液体流量达到控制第一腔体45和第二腔体46的液体转换速度的效果，从而可以控制液压杆3与液压缸4之间的阻尼力，根据不同的行走状态，控制不同的阻尼力，进而控制步态的频率，大大缩短了膝关节康复训练的时间，提高了效率，恢复效果更好。

进一步地，请参阅图1至图5，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，流量调节装置包括与第一挡片31转动连接的第二挡片32、设置在第二挡片32上且用于与第一通孔311连通的第二通孔321以及设置在液压杆3上的用于驱动第二挡片32转动并控制第一通孔311和第二通孔321是否连通的驱动机构。通过在第二挡片32上设置第二通孔321，驱动机构能够调整第一通孔311和第二通孔321的重合度，改变第二腔体46的液体进入到第一腔体45中的速度，改变阻尼力。

具体地，位于第一腔体45和第二腔体46中的液体也液压油。可选地，第一通孔311的数量为八个，第二通孔321的数量为八个，且分别在第一挡片31和第二挡片32上均匀布置，且第一通孔311和第二通孔321的直径大小相等。

进一步地，请参阅图1至图4，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，驱动机构包括设置在液压杆3外端部的驱动电机33以及用于连接驱动电机33的电机轴及第二挡片32的驱动轴35。第二档片32位于第一档片31和自由活塞42之间，驱动轴35贯穿液压杆3，具体地，驱动轴35与第二挡片32插接固定，第二挡板上设有用于固定驱动轴35的驱动轴安装孔322，便于安装，方便使用，而且采用驱动电机33驱动，便于实现自动化控制。

进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，液压杆3的端部设有用于容纳驱动电机33的容纳槽，驱动电机33的端部设有用于封盖容纳槽的杆端盖34。便于对电机进行安装，而且便于使用杆端盖34对电机进行定位，便于维护以及加工制作。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，杆端盖34的外端与上壳体1铰接。便于安装和拆卸，而且方便分体加工制作。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，上壳体1上固定连接有上加强板11，下壳体2上固定连接有下加强板21，上加强板11与下加强板21铰接，上加强板11与上壳体1通过螺钉固定，下加强板21与下壳体2通过螺钉固定。通过设置上加强板11和下加强板21，利于提高机器人的强度，提高使用寿命。

进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，第二挡片32与液压杆3的内壁之间设有滑动轴承38。减小了摩擦力，便于调节第二挡片32的位置。

进一步地，请参阅图1及图2，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，液压杆3上螺纹连接有调节螺母36，液压杆3的外周套装有外弹簧37，外弹簧37的一端与调节螺母36抵接，外弹簧37的另一端与缸端盖41抵接。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，液压缸4的底部的外侧面上设有与下壳体2铰接的铰接部44。具体地，下壳体2上还设有用于和所述铰接部44铰接的安装块7，所述安装块7上设有与驱动电机33电连接的控制开关8。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，还包括设置在下壳体2上的弹性板5以及固设在弹性板5上的脚掌板6。通过设置弹性板5和脚掌板6，用于放置脚掌，便于对膝关节助行机器人进行穿戴，而且具有支撑效果。

进一步地，请参阅图6，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，弹性板5包括与所述下壳体2固定连接的第一连接板51、与所述第一连接板51活动插接的第二连接板52以及用于固定所述第一连接板51和第二连接板52的顶丝53，通过第一连接板51和第二连接板52活动插接，便于调节脚掌板6与下壳体2之间的具体，以适应不同的患者的小腿长度，使用方便，保证了膝关节助行机器人能够准确的穿戴定位，利于提高康复效果。

进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的膝关节助行机器人的一种具体实施方式，第一挡片31与液压杆3一体成型。便于制作，提高了制作效率，保证了连接强度。

本发明还提供一种膝关节助行机器人控制方法。所述膝关节助行机器人控制方法包括如下步骤：

若为支撑控制，则控制流量调节装置关闭所述第一通孔311；

若为摆动控制，则控制流量调节装置打开所述第一通孔311，当所述第一通孔311打开时，通过流量调节装置控制第一通孔311与第二通孔321的重合度，从而调节流速。

本发明提供的膝关节助行机器人控制方法，通过流量调节装置控制第一通孔311打开，并控制第一通孔311的流速，能够实现膝关节康复机器人的摆动情况贴近自由状态下自由摆动，大大缩短了膝关节康复训练的时间，提高了效率，恢复效果更好。

支撑时，膝关节静止受力时的状态，摆动时是膝关节运动时的状态。

请参见图7为实测与无驱动膝关节摆动的对比曲线图。

由图7可知，实际行走过程中，膝关节康复机器人的摆动情况与自由状态下自由摆动较为接近，只是在最初阶段响应较快，可以通过调节外弹簧37的初始预紧力来实现降低。

行走过程分为摆动相和支撑相，

在支撑相时，此时需要提供较大的支撑力，此时需要调节液压杆3上的第一挡片31上的第一通孔311和第二挡片32上的第二通孔321，使其不重合，则液体无法流动，由于液体的不可压缩性，可以提供较大的支撑力。

在摆动相时，液压杆3首先受到压力，使得其向液压缸4内移动，此时，通过驱动电机33带动第二挡片32转动，可以调节第一挡片31上的第一通孔311和第二挡片32上的第二通孔321的重合度，进而可以调节液体由第二腔体46进入第一腔体45的速度，起到阻尼作用。在腿摆动到最大位置后，需要前摆，此时依靠惯性作用，腿部自由摆动到伸直状态，仍旧通过驱动电机33转动第二挡片32，可以调节第一通孔311和第二通孔321之间的重合度，可控制流速快慢，进而控制相应步态的频率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.膝关节助行机器人，包括用于固定在大腿上的上壳体、与所述上壳体铰接且用于固定在小腿上的下壳体、铰接设置在所述上壳体上的液压杆、滑动套装在所述液压杆的外侧且与所述下壳体铰接的液压缸、设置所述液压缸内部的自由活塞以及分别与所述自由活塞和所述液压缸的底部抵接的内弹簧，所述液压缸的端部设有与所述液压杆滑动连接的缸端盖，其特征在于：所述液压杆位于所述液压缸内的端部固定设有与所述液压缸的内壁滑动配合的第一挡片，所述第一挡片与所述缸端盖之间构成用于容纳液体的第一腔体，所述第一挡片与所述自由活塞之间构成用于容纳液体的第二腔体，所述第一挡片上设有至少一个用于连通所述第一腔体和所述第二腔体的第一通孔，所述液压杆上设有用于控制所述第一通孔是否开闭和流经所述第一通孔液体的流速的流量调节装置。

2.如权利要求1所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述流量调节装置包括与所述第一挡片转动连接的第二挡片、设置在所述第二挡片上且用于与所述第一通孔连通的第二通孔以及设置在所述液压杆上的用于驱动所述第二挡片转动并控制所述第一通孔和所述第二通孔是否连通以及控制所述第一通孔和所述第二通孔的重合度的驱动机构。

3.如权利要求2所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述驱动机构包括设置在所述液压杆外端部的驱动电机以及用于连接所述驱动电机的电机轴及所述第二挡片的驱动轴，所述第二挡片位于所述第一挡片和所述自由活塞之间。

4.如权利要求3所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述液压杆的端部设有用于容纳所述驱动电机的容纳槽，所述驱动电机的端部设有用于封盖所述容纳槽的杆端盖。

5.如权利要求4所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述杆端盖的外端与所述上壳体铰接。

6.如权利要求2所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述第二挡片与所述液压杆的内壁之间设有滑动轴承。

7.如权利要求1所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述液压杆上螺纹连接有调节螺母，所述液压杆的外周套装有外弹簧，所述外弹簧的一端与所述调节螺母抵接，所述外弹簧的另一端与所述缸端盖抵接。

8.如权利要求1所述的膝关节助行机器人，其特征在于：所述液压缸底部的外侧面上设有与所述下壳体铰接的铰接部。

9.如权利要求1所述的膝关节助行机器人，其特征在于：还包括固设于所述下壳体上的弹性板以及固设在所述弹性板上的脚掌板。

10.膝关节助行机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

若为支撑控制，则控制所述流量调节装置关闭所述第一通孔；

若为摆动控制，则控制所述流量调节装置打开所述第一通孔，当所述第一通孔打开时，通过所述流量调节装置控制第一通孔与第二通孔的重合度，从而调节流速。