CN108618935B - 一种空间四自由度下肢康复训练器 - Google Patents
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Abstract
一种空间四自由度下肢康复训练器，主要包括弧形底板、主弧形导轨、左主弧形导轨、右主弧形导轨、弧形齿条、辅弧形导轨、左辅弧形导轨、右辅弧形导轨、腿部康复训练机构、方形底壳、六维力传感器、第二铰链座、第三铰链座、踝关节电动推杆、中间轴、鱼眼轴承、主动承载滑座、从动承载滑座、减速电机、齿轮、万向轮、升降脚、座椅、控制器、左腿部训练机构、右腿部训练机构等。本发明能够进行多功能，多姿态的，更全面的下肢康复训练。能够满足下肢在矢状面内的屈伸运动，以及绕人体的髋关节的内收和外展运动，能够始终保持较大的刚度，提高运动的稳定性。人体下肢绕髋关节的内收和外展运动更符合人体的运动规律，达到更好的康复效果。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复设备技术领域，具体涉及一种空间四自由度下肢康复训练器。
背景技术
目前，我国正步入老龄化社会，在老龄人群中脑血管疾病、神经系统疾病以及由于交通事故、运动伤残等意外事故导致的下肢运动功能性障碍症患者数目在逐年增长。这些患者除了早期手术、药物治疗外，后期的康复训练对下肢运动机能的恢复也起着极为重要的作用。下肢康复训练器作为一种自动化的康复医疗设备，在减轻医生工作强度的同时，为患者各个阶段的康复提供了极大的便利。
现有的康复训练器多种多样，但是大多运动的自由度单一；或者即使有能够达到多个自由度训练的康复训练器，其结构多比较复杂，制造成本非常高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节约空间、结构简单、符合人体运动规律的空间四自由度下肢康复训练器。
本发明主要包括弧形底板、主弧形导轨、左主弧形导轨、右主弧形导轨、弧形齿条、辅弧形导轨、左辅弧形导轨、右辅弧形导轨、腿部康复训练机构、方形底壳、前端板、后端板、前后移动组件、直线导轨、滑块、第一铰链座、水平电动推杆、推杆端座、连接板、直线位移传感器、限位挡板、主支撑杆、铰接杆、踏板组件、脚踏板、踏板连接板、六维力传感器、第二铰链座、第三铰链座、踝关节电动推杆、中间轴、鱼眼轴承、主动承载滑座、从动承载滑座、减速电机、齿轮、双列轴承A、储油块A、万向轮、升降脚、座椅、控制器、储油块B、触摸屏、支耳、双列轴承B、左腿部训练机构、右腿部训练机构。
其中，在弧形底板的下部设有万向轮和升降脚，在弧形底板的上部固定连接主弧形导轨和辅弧形导轨，主弧形导轨包括左主弧形导轨和右主弧形导轨，辅弧形导轨包括左辅弧形导轨和右辅弧形导轨，左主弧形导轨和左辅弧形导轨同心设置，右主弧形导轨和右辅弧形导轨同心设置。在左主弧形导轨和右主弧形导轨的两侧面均设有弧形齿条，在左主弧形导轨和右主弧形导轨的两侧均分别设有两个双列轴承A，双列轴承是与弧形导轨的内外边缘接触的，并延内外边缘运动。在左主弧形导轨和右主弧形导轨的双列轴承A上部均固定连接主动承载滑座，主动承载滑座上设有通孔。在主动承载滑座的上部设有减速电机，减速电机的输出轴穿过主动承载滑座的通孔，减速电机的输出轴同轴连接齿轮，齿轮与弧形齿条相互啮合，主动承载滑座下侧还具有用来给双列轴承A和主弧形导轨润滑的储油块A。左辅弧形导轨和右辅弧形导轨的两侧均分别设有两个双列轴承B，双列轴承B是与辅弧形导轨的内外边缘接触的，并延内外边缘运动。在左辅弧形导轨和右辅弧形导轨的双列轴承B上部均固定连接从动承载滑座，从动承载滑座下侧还具有用来给双列轴承B和辅弧形导轨润滑的储油块B。
在左主动承载滑座和左从动承载滑座的上部固定连接左腿部训练机构，在右主动承载滑座和右从动承载滑座的上部固定连接右腿部训练机构，左腿部训练机构和右腿部训练机构的机构相同，且相互镜像对称。左腿部训练机构包括方形底壳、前后移动组件、主支撑杆、铰接杆、踏板组件和踝关节电动推杆。
在方形底壳的上部固定连接两个直线位移传感器、一组相互平行的直线导轨和两个水平电动推杆，在直线导轨的一端固定有限位挡板，两个直线位移传感器分别设在方形底壳的两端，两个直线位移传感器分别与直线导轨的另一端相邻。在直线导轨上滑动连接滑块，在滑块的上部设有第一铰链座，第一铰链座为上开口的槽钢型。两个水平电动推杆的固定端分别固定在方形底壳的两端，水平电动推杆的推杆端均设有推杆端座，推杆端座的截面呈L型，在推杆端座的顶部固定连接板，连接板的一端与推杆端座相连，连接板的另一端与第一铰链座相连。直线导轨、水平电动推杆、限位挡板、直线位移传感器、滑块、第一铰链座、推杆端座、连接板构成前后移动组件。
主支撑杆的下端与位于前端的第一铰链座铰接，主支撑杆的上端与踏板组件的第二铰链座铰接。在主支撑杆的一侧中部设有中间轴，中间轴上设有螺纹，铰接杆的一端设有螺纹孔，主支撑杆通过中间轴上的螺纹与铰接杆的一端铰接，铰接杆的另一端与鱼眼轴承螺纹连接，鱼眼轴承套接在附杆轴上，附杆轴通过过盈配合安装在位于后端的第一铰链座上。在主支撑杆的另一侧与踝关节电动推杆的固定端相连，踝关节电动推杆的推杆端铰接在踏板组件的第三铰链座上。
踏板组件包括脚踏板、踏板连接板、六维力传感器、第二铰链座和第三铰链座。在脚踏板的一侧设有六维力传感器，六维力传感器的上侧与脚踏板连接，下侧与踏板连接板固定。踏板连接板的表面设有第二铰链座和第三铰链座，第二铰链座和第三铰链座均为上开口的槽钢型。
触摸屏通过显示器支架安装在座椅右侧的把手上，控制器、电机驱动器、模拟采集卡、数字采集卡、继电器模块安装在电控柜中。控制器与触摸屏通过HDMI接口相连接，控制中心通过CAN与驱动器进行通信，减速电机与驱动器连接，驱动器通过发送控制脉冲来控制电机的运动。采用数字采集卡通过PCI总线与控制器连接，数字采集卡与继电器模块连接，通过控制继电器的通断实现三个推杆的协调伸缩运动；采用模拟采集卡通过PCI总线与控制器连接，模拟采集卡用于实时采集直线位移传感器的位置信息，从而监控电动推杆的位置，同时，模拟采集卡与六维力传感器连接，可以采集到六维力传感器的压力电压，用于得知患者与机器的相互作用力。
本发明在使用时，在康复训练初期，可以根据该康复训练器预先设定好的期望轨迹牵引患肢进行单关节或多关节复合训练，即为被动训练；在康复训练的中后期，为了增加患者的患肢的肌力、耐力，需要利用患肢驱动机器人进行康复训练，即当患者有一定的运动意图时，患肢对训练器施加一定的驱动力，表现在患者的患肢作用在脚踏板上，这时六维力传感器能够测量出患肢向脚踏板所施加的力的大小，六维力传感器采集到的信号通过模拟采集卡发送给控制器，控制器对信号进行识别和处理后发送命令给水平电动推杆、踝关节电动推杆以及驱动器，进而驱动康复训练器带动患者进行辅助训练，从而实现患者具有主观意图的主动辅助训练。同时直线位移传感器可以随时测量水平电动推杆的位移，并把位置信息反馈给控制器，时刻读取第一铰链座的位置，起到保护患者的作用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的康复训练器具有四个自由度，能够进行多功能，多姿态的，更全面的下肢康复训练。
2、本发明能够满足下肢在矢状面内的屈伸运动，以及绕人体的髋关节的内收和外展运动，即具有串联的连杆机构实现工作空间大的优点，又具有并联结构实现机构稳定性好的特点。结合可调节座椅使用，可满足不同身高、体型的患者不同时期的康复训练。
3、通过并排设计两个直线滑轨带动主支撑杆和铰接杆运动，形成一个结构简单的三角支撑机构，来带动患者在矢状面内运动，机构在运动过程中，能够始终保持较大的刚度，提高运动的稳定性。同时两个相互平行的直线导轨并排设置，在很大程度上节省了整个结构的占地空间，并且扩大机构末端的运动范围，满足不同身高和体型的人群的康复训练。
4、通过设置弧形底板、弧形导轨，使得人体下肢绕髋关节的内收和外展运动更符合人体的运动规律，达到更好的康复效果。
附图说明
图1是本发明实施例的空间四自由度下肢康复训练器与座椅的立体图；
图2是腿部训练机构立体图；
图3是踏板组件和踝关节电动推杆连接立体图；
图4是踏板组件立体图；
图5是主支撑杆和铰接杆连接立体图；
图6是辅弧形导轨和从动承载滑座连接立体图；
图7是主弧形导轨和主动承载滑座连接立体图；
图8是弧形底板立体图；
图9是本发明实施例的控制流程图。
图中：1、弧形底板，2、主弧形导轨，21、左主弧形导轨，22、右主弧形导轨，23、弧形齿条，3、辅弧形导轨，31、左辅弧形导轨，32、右辅弧形导轨，4、腿部康复训练机构，41、方形底壳，411、前端板，412、后端板，42、前后移动组件，421、直线导轨，422、滑块，423、第一铰链座，424、水平电动推杆，425、推杆端座，426、连接板，427、直线位移传感器，428、限位挡板，43、主支撑杆，44、铰接杆，45、踏板组件，451、脚踏板，452、踏板连接板，453、六维力传感器，454、第二铰链座，455、第三铰链座，46、踝关节电动推杆，47、中间轴，48、鱼眼轴承，5、主动承载滑座，6、从动承载滑座，7、减速电机，8、齿轮，9、双列轴承A，10、储油块A，11、万向轮，12、升降脚，13、座椅，14、控制器，15、储油块B，16、触摸屏，17、支耳，18、双列轴承B，4-1左腿部训练机构，4-2右腿部训练机构。
具体实施方式
在图1至图9所示的本发明的示意简图中，在弧形底板1的下部设有万向轮和升降脚，在弧形底板的上部固定连接主弧形导轨2和辅弧形导轨3，主、弧形导轨2包括左主弧形导轨21和右主弧形导轨22，辅弧形导轨3包括左辅弧形导轨31和右辅弧形导轨32，左主弧形导轨21和左辅弧形导轨31同心设置，右主弧形导轨22和右辅弧形导轨32同心设置。在左主弧形导轨21和右主弧形导轨22的两侧面均设有弧形齿条23，在左主弧形导轨21和右主弧形导轨22的两侧均分别设有两个双列轴承A9，双列轴承A9是与主弧形导轨的内外边缘接触的，并延内外边缘运动。在左主弧形导轨21和右主弧形导轨22的双列轴承A上部均固定连接主动承载滑座5，主动承载滑座上设有通孔。在主动承载滑座的上部设有减速电机7，减速电机的输出轴穿过主动承载滑座的通孔，减速电机的输出轴同轴连接齿轮8，齿轮8与弧形齿条相互啮合，主动承载滑座下侧还具有用来给双列轴承A9和主弧形导轨润滑的储油块A10。左辅弧形导轨31和右辅弧形导轨32的两侧均分别设有两个双列轴承B18，双列轴承B是与辅弧形导轨的内外边缘接触的，并延内外边缘运动。在左辅弧形导轨31和右辅弧形导轨32的双列轴承B上部均固定连接从动承载滑座6，从动承载滑座下侧还具有用来给双列轴承B18和辅弧形导轨润滑的储油块B15。
腿部康复训练机构4包括左腿部训练机构4-1和右腿部训练机构4-2；在左主动承载滑座和左从动承载滑座的上部固定连接左腿部训练机构4-1，在右主动承载滑座和右从动承载滑座的上部固定连接右腿部训练机构4-2，左腿部训练机构和右腿部训练机构的机构相同，且相互镜像对称。左腿部训练机构包括方形底壳41、前后移动组件42、主支撑杆43、铰接杆44、踏板组件45和踝关节电动推杆46。
方形底壳41包括前端板411和后端板412，在方形底壳41的上部固定连接两个直线位移传感器427、一组相互平行的直线导轨421和两个水平电动推杆424，两个直线位移传感器427分别固定在前端板411和后端板412上，在直线导轨的一端固定有限位挡板428，两个直线位移传感器分别设在方形底壳的两端，两个直线位移传感器427分别与直线导轨的另一端相邻。在直线导轨上滑动连接滑块422，在滑块的上部设有第一铰链座423，第一铰链座为上开口的槽钢型。两个水平电动推杆424的固定端分别固定在方形底壳41的两端，水平电动推杆的推杆端均设有推杆端座425，推杆端座的截面呈L型，在推杆端座的顶部固定连接板426，连接板的一端与推杆端座相连，连接板的另一端与第一铰链座相连。直线导轨421、水平电动推杆424、限位挡板428、直线位移传感器427、滑块422、第一铰链座423、推杆端座425、连接板426构成前后移动组件42。
主支撑杆43的下端与位于前端的第一铰链座铰接，主支撑杆43的上端与踏板组件的第二铰链座454铰接。在主支撑杆的一侧中部设有中间轴47，中间轴47的两端通过支耳17进行轴向固定，支耳17固定在主支撑杆43上，中间轴上设有螺纹，铰接杆的一端设有螺纹孔，主支撑杆通过中间轴上的螺纹与铰接杆的一端铰接，铰接杆的另一端与鱼眼轴承48螺纹连接，鱼眼轴承套接在附杆轴上，附杆轴通过过盈配合安装在位于后端的第一铰链座上。在主支撑杆的另一侧与踝关节电动推杆的固定端相连，踝关节电动推杆的推杆端铰接在踏板组件的第三铰链座455上。
踏板组件45包括脚踏板451、踏板连接板452、六维力传感器453、第二铰链座454和第三铰链座455。在脚踏板的一侧设有六维力传感器453，六维力传感器的上侧与脚踏板451连接，下侧与踏板连接板452固定。踏板连接板的表面设有第二铰链座454和第三铰链座455，第二铰链座454和第三铰链座455均为上开口的槽钢型。
触摸屏16通过显示器支架安装在座椅右侧的把手上，控制器14、电机驱动器、模拟采集卡、数字采集卡、继电器模块安装在电控柜中。控制器14与触摸屏16通过HDMI接口相连接，控制中心通过CAN与驱动器进行通信，减速电机7与驱动器连接，驱动器通过发送控制脉冲来控制电机的运动。采用数字采集卡通过PCI总线与控制器14连接，数字采集卡与继电器模块连接，通过控制继电器的通断实现三个推杆的协调伸缩运动；采用模拟采集卡通过PCI总线与控制器连接，模拟采集卡用于实时采集直线位移传感器427的位置信息，从而监控电动推杆的位置，同时，模拟采集卡与六维力传感器453连接，可以采集到六维力传感器453的压力电压，用于得知患者与机器的相互作用力。
Claims (1)
1.一种空间四自由度下肢康复训练器，包括弧形底板、主弧形导轨、左主弧形导轨、右主弧形导轨、弧形齿条、辅弧形导轨、左辅弧形导轨、右辅弧形导轨、腿部康复训练机构、方形底壳、前端板、后端板、前后移动组件、直线导轨、滑块、第一铰链座、水平电动推杆、推杆端座、连接板、直线位移传感器、限位挡板、主支撑杆、铰接杆、踏板组件、脚踏板、踏板连接板、六维力传感器、第二铰链座、第三铰链座、踝关节电动推杆、中间轴、鱼眼轴承、主动承载滑座、从动承载滑座、减速电机、齿轮、双列轴承A、储油块A、万向轮、升降脚、座椅、控制器、储油块B、触摸屏、支耳、双列轴承B、左腿部训练机构、右腿部训练机构，其特征在于：在弧形底板的下部设有万向轮和升降脚，在弧形底板的上部固定连接主弧形导轨和辅弧形导轨，主弧形导轨包括左主弧形导轨和右主弧形导轨，辅弧形导轨包括左辅弧形导轨和右辅弧形导轨，左主弧形导轨和左辅弧形导轨同心设置，右主弧形导轨和右辅弧形导轨同心设置，在左主弧形导轨和右主弧形导轨的两侧面均设有弧形齿条，在左主弧形导轨和右主弧形导轨的两侧均分别设有两个双列轴承A，双列轴承A是与主弧形导轨的内外边缘接触的，并延内外边缘运动，在左主弧形导轨和右主弧形导轨的双列轴承A上部均固定连接主动承载滑座，主动承载滑座上设有通孔，在主动承载滑座的上部设有减速电机，减速电机的输出轴穿过主动承载滑座的通孔，减速电机的输出轴同轴连接齿轮，齿轮与弧形齿条相互啮合，主动承载滑座下侧还具有用来给双列轴承A和主弧形导轨润滑的储油块A，左辅弧形导轨和右辅弧形导轨的两侧均分别设有两个双列轴承B，双列轴承B是与辅弧形导轨的内外边缘接触的，并延内外边缘运动，在左辅弧形导轨和右辅弧形导轨的双列轴承B上部均固定连接从动承载滑座，从动承载滑座下侧还具有用来给双列轴承B和副弧形导轨润滑的储油块B，腿部康复训练机构包括左腿部训练机构和右腿部训练机构；在左主动承载滑座和左从动承载滑座的上部固定连接左腿部训练机构，在右主动承载滑座和右从动承载滑座的上部固定连接右腿部训练机构，左腿部训练机构和右腿部训练机构的机构相同，且相互镜像对称，在左腿部训练机构的踝关节电动推杆的推杆端铰接在踏板组件的第三铰链座上，触摸屏通过显示器支架安装在座椅右侧的把手上，控制器、电机驱动器、模拟采集卡、数字采集卡、继电器模块安装在电控柜中，控制器与触摸屏通过HDMI接口相连接，控制中心通过CAN与驱动器进行通信，减速电机与驱动器连接，驱动器通过发送控制脉冲来控制电机的运动，采用数字采集卡通过PCI总线与控制器连接，数字采集卡与继电器模块连接，通过控制继电器的通断实现三个推杆的协调伸缩运动；采用模拟采集卡通过PCI总线与控制器连接，模拟采集卡用于实时采集直线位移传感器的位置信息，从而监控电动推杆的位置，同时，模拟采集卡与六维力传感器连接，可以采集到六维力传感器的压力电压，用于得知患者与机器的相互作用力；左腿部训练机构包括方形底壳、前后移动组件、主支撑杆、铰接杆、踏板组件和踝关节电动推杆；方形底壳包括前端板和后端板，在方形底壳的上部固定连接两个直线位移传感器、一组相互平行的直线导轨和两个水平电动推杆，两个直线位移传感器分别固定在前端板和后端板上，在直线导轨的一端固定有限位挡板，两个直线位移传感器分别设在方形底壳的两端，两个直线位移传感器分别与直线导轨的另一端相邻，在直线导轨上滑动连接滑块，在滑块的上部设有第一铰链座，第一铰链座为上开口的槽钢型，两个水平电动推杆的固定端分别固定在方形底壳的两端，水平电动推杆的推杆端均设有推杆端座，推杆端座的截面呈L型，在推杆端座的顶部固定连接板，连接板的一端与推杆端座相连，连接板的另一端与第一铰链座相连；直线导轨、水平电动推杆、限位挡板、直线位移传感器、滑块、第一铰链座、推杆端座、连接板构成前后移动组件，主支撑杆的下端与位于前端的第一铰链座铰接，主支撑杆的上端与踏板组件的第二铰链座铰接，在主支撑杆的一侧中部设有中间轴，中间轴的两端通过支耳进行轴向固定，支耳固定在主支撑杆上，中间轴上设有螺纹，铰接杆的一端设有螺纹孔，主支撑杆通过中间轴上的螺纹与铰接杆的一端铰接，铰接杆的另一端与鱼眼轴承螺纹连接，鱼眼轴承套接在附杆轴上，附杆轴通过过盈配合安装在位于后端的第一铰链座上，在主支撑杆的另一侧与踝关节电动推杆的固定端相连；踏板组件包括脚踏板、踏板连接板、六维力传感器、第二铰链座和第三铰链座，在脚踏板的一侧设有六维力传感器，六维力传感器的上侧与脚踏板连接，下侧与踏板连接板固定，踏板连接板的表面设有第二铰链座和第三铰链座，第二铰链座和第三铰链座均为上开口的槽钢型。
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