CN108421162A - 生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人 - Google Patents

生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，属于康复设备技术领域。自上而下包括靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统、足部系统。本发明采用人体工程学原理和可重构机器人设计思想，设计模块化外骨骼式下肢康复机器人；开发神经肌肉闭链肌电反馈电刺激技术，最大限度的唤醒患者主动运动意识；构成的人机强耦合系统，有效确保下肢康复机器人与分布式电子学控制系统无缝结合。本发明作为减重式下肢康复机器人的一部分，可为具有下肢运动功能障碍的患者提供良好的康复训练，同时，闭链肌电反馈电刺激的主动训练技术同样可以推广应用到上肢，膝关节，踝关节的主动康复训练。

Description

生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人
技术领域
本发明涉及康复设备技术领域，特别涉及一种结合肌电信号采集与功能性电刺激所形成的闭链式下肢康复训练机器人，尤指一种生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，适用于患有下肢运动功能障碍患者的运动机能康复训练。
背景技术
人体下肢具有支撑人体和走路的功能，对于患有下肢行走功能障碍的患者来说，患者行走运动功能受限，严重者甚至无法完成正常行走。目前，下肢康复训练机器人作为运动功能障碍患者术后主要的康复锻炼手段，广泛被患者接收。
然而，现有技术中，传统的下肢康复机器人主要采用被动式康复训练，但由于患者的患重病情况不同，则康复训练需求不同，被动训练模式过于单一，不利于患者患重病关节快速康复。随着康复医疗技术水平的不断发展，尽管市面上已经出现一些结合功能性电刺激技术，根据患者主动意识进行训练的下肢康复机器人，但是所采集的主动意识信号单一，不足以准确反映患者的主动运动意识，容易产生不当刺激，给患者带来不良的康复训练心理影响；还有一些产品存在不能够根据关节的运动状态进行电刺激通道切换，康复训练过程中容易造成肌肉群的过度疲劳；同时还存在无法实现对某一关节肌肉群进行针对性训练；一些传统产品存在刺激和肌肉收缩之间有反应时差现象，实时人机交互性较差。
因此，急需一种能够准确反映患者主动意识信号、系统人机交互性好、柔顺性和安全性较高的下肢康复机器人。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，解决了现有技术存在的上述问题。本发明采用人体工程学原理和可重构机器人设计思想，设计模块化外骨骼式下肢康复机器人；开发神经肌肉闭链肌电反馈电刺激技术，最大限度的唤醒患者主动运动意识；构成的人机强耦合系统，有效确保下肢康复机器人与分布式电子学控制系统无缝结合，从而为患者提供更好的下肢康复训练。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：包括靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统及足部系统，所述靠背腰托系统包括腰托靠背1、腰部组件2以及腰部绑带9，所述腰部绑带9固定安装于腰托靠背1的前侧，所述腰托靠背1的后侧与腰部组件2相连，另外，所述腰托靠背1的后侧还设有背部功能箱8，背部功能箱8内设有中央控制器模块、功能性电刺激系统模块、供电电源；
所述髋关节系统包括髋关节单元3，所述髋关节单元3通过靠背腰托系统的第一花键安装板201以及第一花键固定座202固定在腰部左侧支撑板203上，同时髋关节单元3通过第一关节T形安装台301与大腿杆单元4固定连接，髋关节集成化关节执行组件309与背部功能箱8中的供电电源以及中央控制器模块相连，并驱动大腿杆单元4转动；
所述腿部系统包括大腿杆单元4、大腿绑带支座10、膝关节单元5、小腿杆单元6、小腿绑带支座12，所述膝关节单元5通过第二关节T形安装台与大腿杆单元4固定连接，同时膝关节单元5通过关节主轴304与小腿杆单元6连接，膝关节集成化关节执行组件与供电电源以及中央控制器模块相连，并驱动小腿杆单元6转动；
所述足部系统包括踝关节单元7、足部安装板14、足部调整条15、足部调整座16，所述踝关节单元7通过第三关节T形安装台与小腿杆单元6固定连接，同时踝关节单元7与足部安装板14轴连接，踝关节集成化关节执行组件与供电电源及中央控制器模块相连，并驱动所述足部安装板14转动，足部安装板14与足部调整条15连接，足部调整条15与足部调整座16连接。
所述的大腿杆单元4上设有大腿绑带支座10以及大腿绑带11，小腿杆单元6上设有小腿绑带支座12以及小腿绑带13。
所述的大腿杆单元4是：大腿上双管支撑座401与大腿第一子管402上端通过螺纹连接，所述大腿第一子管402下端直接插入大腿母管403上端，所述大腿母管403下端与大腿第二子管404插接，所述大腿第二子管404的另一端与大腿下双管支撑座406螺纹连接，所述大腿母管403与大腿第一子管402、大腿第二子管404的连接处分别安装有大腿杆长调整套405。
所述的小腿杆单元6是：花键式小腿双管支撑座601与小腿第一子管602上端通过螺纹连接，所述小腿第一子管602下端直接插入小腿母管603上端，所述小腿母管603下端与小腿第二子管604插接， 所述小腿第二子管604的另一端与小腿下双管支撑座606螺纹连接，所述小腿母管603与小腿第一子管602、小腿第二子管604的连接处分别安装有小腿杆长调整套605。
所述的髋关节单元3是：第一关节T形安装台301分别与第一轴承圆盘支座302、第二轴承支座303螺栓固定连接，集成化关节执行组309与第一轴承圆盘支座302通过螺栓固定连接，关节主轴304上设有第一轴承305和第二轴承307，所述第一轴承305的外圈与第一轴承圆盘支座302的内孔配合连接，所述第二轴承307的外圈与第二轴承支座303内孔配合连接；主轴调节件308通过螺栓安装在第二轴承支座303上；所述第一轴承圆盘支座302上设有运动槽，机械限位挡块306通过螺栓安装在运动槽内，所述集成化关节执行组309由盘式电机、谐波减速器、电磁爆闸制动器、绝对编码器依次逐级安装连接组成。
所述的膝关节单元5、踝关节单元7均采用集成化关节形式，二者结构组成以及安装连接方式均与髋关节单元3相同。
所述的腰部组件2是：第一花键安装板201、第一花键固定座202以及第一辅助支撑204通过螺栓分别固定安装在腰部左侧支撑板203上，组装形成腰部左侧组件；第二花键安装板206、第二花键固定座207以及第二辅助支撑209通过螺栓分别固定安装在腰部右侧支撑板208上，组装形成腰部右侧组件；靠背腰托系统安装底座205与腰部左侧组件和腰部右侧组件通过螺栓固定连接。
所述的背部功能箱8是：中央控制器模块分别与功能性电刺激系统模块、下肢康复机器人髋、膝、踝关节集成化关节执行组件相连，供电电源为各模块以及集成化关节执行组供电；所述功能性电刺激系统模块由电刺激发生器、表面肌电信号采集单元和电刺激通道电极构成，电刺激通道电极、表面肌电信号采集单元分别与患者接触；所述下肢康复机器人由靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统及足部系统组成，同时下肢康复机器人髋、膝、踝关节处分别安装扭矩传感器、角度传感器，用来实时测量患者各关节所产生的扭矩和角度信号，与表面肌电信号采集单元分别通过信号采集系统与中央控制器模块相连。
所述的中央控制器模块接收功能性电刺激系统模块中表面肌电信号采集单元采集的肌肉群肌电信号，根据功能性电刺激系统模块与下肢康复机器人辅助分配原则，实时控制功能性电刺激系统模块和下肢康复机器人，使电刺激通道电极刺激患者下肢关节相应肌群，同时使下肢康复机器人分时提供给患者各关节辅助扭矩。
本发明的有益效果在于：
1、采用集成化康复机器人关节，高度集成了盘式电机、谐波减速器、绝对编码器、电磁抱闸制动器和关节机械限位器五大功能模块，具有质量轻、输出扭矩大、精度高等特点。
2、腿部系统，大腿杆单元、小腿杆单元均采用伸缩管形式组合，根据患者情况不同，结构高度可调。
3、腰部组件，采用腰部支撑板结构进行定位组装，且设有可调组件，具有宽度可调节性。
4、通过功能性电刺激系统模块的肌电信号采集单元采集患者肌肉群的肌电信号，判断患者主动运动意识信号，使下肢康复机器人提供更为准确的康复训练。
5、集成化关节设有机械限位挡块，有效限定关节运动范围，提高集成化关节的安全性。
6、采用生物反馈闭链电刺激技术，可根据关节的运动状态进行电刺激通道切换，实现分时肌肉群电刺激，有针对性的进行某一肌肉群肌肉锻炼。
7、腰部组件设有与减重牵引结构连接安装口，便于与减重系统配合使用。
8、外骨骼下肢康复机器人与分布式电子学控制系统无缝结合，所构成人机强耦合系统，具有较高的人机交互性，系统柔顺性和安全性较高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的大腿杆单元的结构示意图；
图3为本发明的小腿杆单元的结构示意图；
图4为本发明的集成化髋关节单元的结构示意图；
图5为本发明的腰部组件的结构示意图；
图6为本发明的原理结构框图。
图中：1、腰托靠背；2、腰部组件；3、髋关节单元；4、大腿杆单元；5、膝关节单元；6、小腿杆单元；7、踝关节单元；8、背部功能箱；9、腰部绑带；10、大腿绑带支座；11、大腿绑带；12、小腿绑带支座；13、小腿绑带；14、足部安装板；15、足部调整条；16、足部调整座；601、花键式小腿双管支撑座；602、小腿第一子管；603、小腿母管；604、小腿第二子管；605、小腿杆长调整套；606、小腿下双管支撑座；401、大腿上双管支撑座；402、大腿第一子管；403、大腿母管；404、大腿第二子管；405、大腿杆长调整套；406、大腿下双管支撑座；301、第一关节T形安装台；302、第一轴承圆盘支座；303、第二轴承支座；304、关节主轴；305、第一轴承；306、机械限位挡块；307、第二轴承；308、主轴调节件；309、集成化关节执行组件；201、第一花键安装板；202、第一花键固定座；203、腰部左侧支撑板；204、第一辅助支撑；205、靠背腰托系统安装底座；206、第二花键安装板；207、第二花键固定座；208、腰部右侧支撑板；209、第二辅助支撑。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，采用人体工程学原理和可重构机器人设计思想，设计模块化外骨骼式下肢康复机器人；开发神经肌肉闭链肌电反馈电刺激技术，最大限度的唤醒患者主动运动意识；构成的人机强耦合系统，有效确保下肢康复机器人与分布式电子学控制系统无缝结合。本发明作为减重式下肢康复机器人的一部分，可为具有下肢运动功能障碍的患者提供良好的康复训练，同时，闭链肌电反馈电刺激的主动训练技术同样可以推广应用到上肢，膝关节，踝关节的主动康复训练。
参见图1所示，本发明的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，包括靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统及足部系统。其中，所述靠背腰托系统包括腰托靠背1、腰部组件2以及腰部绑带9，所述腰部绑带9固定安装于腰托靠背1的前侧，所述腰托靠背1的后侧与腰部组件2相连，另外，所述腰托靠背1的后侧还设有背部功能箱8，背部功能箱8内设有中央控制器模块、功能性电刺激系统模块、供电电源；
所述髋关节系统包括髋关节单元3，所述髋关节单元3通过靠背腰托系统的第一花键安装板201以及第一花键固定座202固定在腰部左侧支撑板203上，同时髋关节单元3通过第一关节T形安装台301与大腿杆单元4固定连接，髋关节集成化关节执行组件309与背部功能箱8中的供电电源以及中央控制器模块相连，并驱动大腿杆单元4转动。
所述腿部系统包括大腿杆单元4、大腿绑带支座10、膝关节单元5、小腿杆单元6、小腿绑带支座12，所述膝关节单元5通过第二关节T形安装台与大腿杆单元4固定连接，同时膝关节单元5通过关节主轴304与小腿杆单元6连接，膝关节集成化关节执行组件与供电电源以及中央控制器模块相连，并驱动小腿杆单元6转动。
所述足部系统包括踝关节单元7、足部安装板14、足部调整条15、足部调整座16，所述踝关节单元7通过第三关节T形安装台与小腿杆单元6固定连接，同时踝关节单元7与足部安装板14轴连接，踝关节集成化关节执行组件与供电电源及中央控制器模块相连，并驱动所述足部安装板14转动，足部安装板14与足部调整条15连接，足部调整条15与足部调整座16连接。
所述的大腿杆单元4上设有大腿绑带支座10以及大腿绑带11，小腿杆单元6上设有小腿绑带支座12以及小腿绑带13。
参见图2所示，本发明所述的大腿杆单元4包括大腿上双管支撑座401、大腿第一子管402、大腿母管403、大腿第二子管404、大腿杆长调整套405以及大腿下双管支撑座406；所述大腿上双管支撑座401与大腿第一子管402上端通过螺纹连接，所述大腿第一子管402下端直接插入大腿母管403上端，所述大腿母管403下端与大腿第二子管404插接，所述大腿第二子管404的另一端与大腿下双管支撑座406螺纹连接，所述大腿母管403与大腿第一子管402、大腿第二子管404的连接处分别安装有大腿杆长调整套405。
参见图3所示，本发明所述的小腿杆单元6包括花键式小腿双管支撑座601、小腿第一子管602、小腿母管603、小腿第二子管604、小腿杆长调整套605以及小腿下双管支撑座606；所述花键式小腿双管支撑座601与小腿第一子管602上端通过螺纹连接，所述小腿第一子管602下端直接插入小腿母管603上端，所述小腿母管603下端与小腿第二子管604插接，所述小腿第二子管604的另一端与小腿下双管支撑座606螺纹连接，所述小腿母管603与小腿第一子管602、小腿第二子管604的连接处分别安装有小腿杆长调整套605。
参见图4所示，本发明所述的髋关节单元3包括第一关节T形安装台301、第一轴承圆盘支座302、第二轴承支座303、关节主轴304、第一轴承305、机械限位挡块306、第二轴承307、主轴调节件308以及集成化关节执行组件309；
所述第一关节T形安装台301分别与第一轴承圆盘支座302、第二轴承支座303螺栓固定连接，集成化关节执行组309与第一轴承圆盘支座302通过螺栓固定连接，关节主轴304上设有第一轴承305和第二轴承307，所述第一轴承305的外圈与第一轴承圆盘支
座302的内孔配合连接，所述第二轴承307的外圈与第二轴承支座303内孔配合连接；主轴调节件308通过螺栓安装在第二轴承支座303上；所述第一轴承圆盘支座302上设有运动槽，机械限位挡块306通过螺栓安装在运动槽内；所述髋关节集成化关节执行组309由盘式电机、谐波减速器、电磁爆闸制动器、绝对编码器依次逐级安装连接组成。
所述的膝关节单元5、踝关节单元7均采用集成化关节形式，二者结构组成以及安装连接方式均与髋关节单元3相同，故不再重复赘述。
参见图5所示，所述的腰部组件2包括第一花键安装板201、第一花键固定座202、腰部左侧支撑板203、第一辅助支撑204、靠背腰托系统安装底座205、第二花键安装板206、第二花键固定座207、腰部右侧支撑板208、第二辅助支撑209；所述第一花键安装板201、第一花键固定座202以及第一辅助支撑204通过螺栓分别固定安装在腰部左侧支撑板203上，组装形成腰部左侧组件；第二花键安装板206、第二花键固定座207以及第二辅助支撑209通过螺栓分别固定安装在腰部右侧支撑板208上，组装形成腰部右侧组件；靠背腰托系统安装底座205与腰部左侧组件和腰部右侧组件通过螺栓固定连接。
参见图6所示，所述的背部功能箱8是：中央控制器模块分别与功能性电刺激系统模块、下肢康复机器人髋、膝、踝关节集成化关节执行组件相连，供电电源为上述模块以及集成化关节执行组供电。所述功能性电刺激系统模块由电刺激发生器、表面肌电信号采集单元和电刺激通道电极构成，电刺激通道电极、表面肌电信号采集单元分别与患者接触；所述下肢康复机器人由靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统及足部系统组成，同时下肢康复机器人髋、膝、踝关节处分别安装扭矩传感器、角度传感器，用来实时测量患者各关节所产生的扭矩和角度信号，与表面肌电信号采集单元分别通过信号采集系统与中央控制器模块相连。
所述的中央控制器模块接收功能性电刺激系统模块中表面肌电信号采集单元采集的肌肉群肌电信号，根据功能性电刺激系统模块与下肢康复机器人辅助分配原则，实时控制功能性电刺激系统模块和下肢康复机器人，使电刺激通道电极刺激患者下肢关节相应肌群，同时使下肢康复机器人分时提供给患者各关节辅助扭矩，带动患者进行下肢康复训练。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：包括靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统及足部系统，所述靠背腰托系统包括腰托靠背（1）、腰部组件（2）以及腰部绑带（9），所述腰部绑带（9）固定安装于腰托靠背（1）的前侧，所述腰托靠背（1）的后侧与腰部组件（2）相连，另外，所述腰托靠背（1）的后侧还设有背部功能箱（8），背部功能箱（8）内设有中央控制器模块、功能性电刺激系统模块、供电电源；
所述髋关节系统包括髋关节单元（3），所述髋关节单元（3）通过靠背腰托系统的第一花键安装板（201）以及第一花键固定座（202）固定在腰部左侧支撑板（203）上，同时髋关节单元（3）通过第一关节T形安装台（301）与大腿杆单元（4）固定连接，髋关节集成化关节执行组件（309）与背部功能箱（8）中的供电电源以及中央控制器模块相连，并驱动大腿杆单元（4）转动；
所述腿部系统包括大腿杆单元（4）、大腿绑带支座（10）、膝关节单元（5）、小腿杆单元（6）、小腿绑带支座（12），所述膝关节单元（5）通过第二关节T形安装台与大腿杆单元（4）固定连接，同时膝关节单元（5）通过关节主轴（304）与小腿杆单元（6）连接，膝关节集成化关节执行组件与供电电源以及中央控制器模块相连，并驱动小腿杆单元（6）转动；
所述足部系统包括踝关节单元（7）、足部安装板（14）、足部调整条（15）、足部调整座（16），所述踝关节单元（7）通过第三关节T形安装台与小腿杆单元（6）固定连接，同时踝关节单元（7）与足部安装板（14）轴连接，踝关节集成化关节执行组件与供电电源及中央控制器模块相连，并驱动所述足部安装板（14）转动，足部安装板（14）与足部调整条（15）连接，足部调整条（15）与足部调整座（16）连接。
2.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的大腿杆单元（4）上设有大腿绑带支座（10）以及大腿绑带（11），小腿杆单元（6）上设有小腿绑带支座（12）以及小腿绑带（13）。
3.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的大腿杆单元（4）是：大腿上双管支撑座（401）与大腿第一子管（402）上端通过螺纹连接，所述大腿第一子管（402）下端直接插入大腿母管（403）上端，所述大腿母管（403）下端与大腿第二子管（404）插接，所述大腿第二子管（404）的另一端与大腿下双管支撑座（406）螺纹连接，所述大腿母管（403）与大腿第一子管（402）、大腿第二子管（404）的连接处分别安装有大腿杆长调整套（405）。
4.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的小腿杆单元（6）是：花键式小腿双管支撑座（601）与小腿第一子管（602）上端通过螺纹连接，所述小腿第一子管（602）下端直接插入小腿母管（603）上端，所述小腿母管（603）下端与小腿第二子管（604）插接， 所述小腿第二子管（604）的另一端与小腿下双管支撑座（606）螺纹连接，所述小腿母管（603）与小腿第一子管（602）、小腿第二子管（604）的连接处分别安装有小腿杆长调整套（605）。
5.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的髋关节单元（3）是：第一关节T形安装台（301）分别与第一轴承圆盘支座（302）、第二轴承支座（303）螺栓固定连接，集成化关节执行组（309）与第一轴承圆盘支座（302）通过螺栓固定连接，关节主轴（304）上设有第一轴承（305）和第二轴承（307），所述第一轴承（305）的外圈与第一轴承圆盘支座（302）的内孔配合连接，所述第二轴承（307）的外圈与第二轴承支座（303）内孔配合连接；主轴调节件（308）通过螺栓安装在第二轴承支座（303）上；所述第一轴承圆盘支座（302）上设有运动槽，机械限位挡块（306）通过螺栓安装在运动槽内，所述集成化关节执行组（309）由盘式电机、谐波减速器、电磁爆闸制动器、绝对编码器依次逐级安装连接组成。
6.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的膝关节单元（5）、踝关节单元（7）均采用集成化关节形式，二者结构组成以及安装连接方
式均与髋关节单元（3）相同。
7.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的腰部组件（2）是：第一花键安装板（201）、第一花键固定座（202）以及第一辅助支撑（204）通过螺栓分别固定安装在腰部左侧支撑板（203）上，组装形成腰部左侧组件；第二花键安装板（206）、第二花键固定座（207）以及第二辅助支撑（209）通过螺栓分别固定安装在腰部右侧支撑板（208）上，组装形成腰部右侧组件；靠背腰托系统安装底座（205）与腰部左侧组件和腰部右侧组件通过螺栓固定连接。
8.根据权利要求1所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的背部功能箱（8）是：中央控制器模块分别与功能性电刺激系统模块、下肢康复机器人髋、膝、踝关节集成化关节执行组件相连，供电电源为各模块以及集成化关节执行组供电；所述功能性电刺激系统模块由电刺激发生器、表面肌电信号采集单元和电刺激通道电极构成，电刺激通道电极、表面肌电信号采集单元分别与患者接触；所述下肢康复机器人由靠背腰托系统、髋关节系统、腿部系统及足部系统组成，同时下肢康复机器人髋、膝、踝关节处分别安装扭矩传感器、角度传感器，用来实时测量患者各关节所产生的扭矩和角度信号，与表面肌电信号采集单元分别通过信号采集系统与中央控制器模块相连。
9.根据权利要求8所述的生物反馈闭链电刺激下肢康复机器人，其特征在于：所述的中央控制器模块接收功能性电刺激系统模块中表面肌电信号采集单元采集的肌肉群肌电信号，根据功能性电刺激系统模块与下肢康复机器人辅助分配原则，实时控制功能性电刺激系统模块和下肢康复机器人，使电刺激通道电极刺激患者下肢关节相应肌群，同时使下肢康复机器人分时提供给患者各关节辅助扭矩。
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