CN108670721A - 一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，以气缸作为动力元件驱动人体关节的肩、肘、腕、髋、膝、踝关节的康复运动训练。该系统主要由直角件、固定板、铝型材、连接件、气缸、脚踏板组成。采用非直角坐标系分布的结构方式，避免了直角坐标系奇异点的存在导致的卡死和运动空间的限制；多面倾斜弯曲钣金件的利用使得一个空间气缸驱动的关节具有两个方向的自由度；肩、肘、腕、髋、膝、踝关节分别具有5、1、3、5、1、3共计18个康复训练的自由度，可根据康复者上、下肢的实际情况调整长度，实现人上下肢关节多自由度的康复训练。本发明结构紧凑、清洁防爆性能好、运动空间大没有死角，可用于肢体康复训练。

Description

一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统
技术领域
本发明属于外骨骼康复训练技术领域，涉及一种多自由度主被动混合的外骨骼关节系统。
背景技术
偏瘫是老年人高发病种之一，其导致的结果是肢体运动出现功能性障碍。为了保证偏瘫病人的训练以期达到逐步康复的效果和减少相关医师的工作强度，一些高校和研究所通过对生物学、人机工程、解剖学的研究，设计了大量的康复器械。中国专利201410186375.1、201510765556.4、201511025679.0、201520871900.3、201610199817.5、201610809232.0、201611192794.1、201610060563.9、201610930959.4、201610099877.X、201611165507.8、201611165523.7、201620213696.0、201710258432.6、201710616805.2、201710533387.0、201710204671.3、201710041645.3提出平面驱动多关节外骨骼康复训练系统，只能够进行单个方向的康复训练而不能够进行多个方向的康复训练系统；中国专利201410432249.X、201610564473.3、201610564255.X、201610800997.8、201710332557.9、201710332562.X提出基于直角坐标系内相互垂直的多自由度外骨骼康复训练系统，但是容易在运动过程的某些点出现卡死的现象，即存在所谓的奇异点，其运动的空间受到一定程度的限制。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，本发明结构紧凑、干净防爆、多自由度大空间运动。具体技术方案如下：
一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，其特征在于，它包括腰背部、双上肢和双下肢，所述的双上肢结构相同，且对称布置在所述的腰背部的上部的两侧，所述的双下肢的结构相同，且对称布置在所述的腰背部的下部的两侧；
所述的腰背部包括铝型材一、铝型材二、铝型材三、铝型材四、上肢固定板、下肢固定板、控制箱，所述的铝型材一和铝型材四平行布置，所述的铝型材三和铝型材二也平行布置，且与铝型材一和铝型材四相互垂直，所述的铝型材三的两端分别固定在所述的铝型材一和铝型材四的顶端，所述的铝型材二的两端分别固定在所述的铝型材一和铝型材四的下端，所述的上肢固定板的两边分别固定在所述的铝型材一和铝型材四的上部，所述的下肢固定板的两边分别固定在所述的铝型材一和铝型材四的下部；所述的控制器固定在所述的上肢固定板上；
所述的上肢包括肩关节连接件一、肩关节气缸一、肩关节连接件二、肩关节气缸二、肩关节气缸三、肩关节气缸四、肩关节连接件三、肩关节连接件四、肘关节连接件、腕关节连接件一、肘关节气缸、腕关节气缸一、腕关节连接件二、腕关节气缸二、腕关节气缸三、肩关节气缸五、腕关节连接件三、腕关节连接件四；
所述的肩关节气缸一、肩关节气缸四的两端均分别与所述的肩关节连接件一、肩关节连接件三可转动连接，所述的肩关节连接件一固定在所述的上肢固定板上，所述的肩关节气缸五的缸体与所述的肩关节连接件三固定连接，所述的肩关节气缸五的转动轴与所述的肩关节连接件二的一端固定连接，所述的肩关节连接件二的另一端与肩关节气缸二的缸体固定连接；肩关节气缸二的转动轴固定连接肩关节连接件四的一端，肩关节连接件四的另一端肩关节气缸三的缸体固定连接，肩关节气缸三的转动轴与肘关节连接件的一端固定连接，肘关节连接件的另一端与肘关节气缸的缸体固定连接，肘关节气缸的转动轴与腕关节连接件一的一端固定连接，腕关节连接件一的另一端与腕关节气缸一的缸体固定连接，腕关节气缸一的转动轴与腕关节连接件二的一端固定连接，腕关节连接件二的另一端与腕关节气缸三的缸体固定连接，所述的腕关节连接件四为U型，其下表面和右表面分别与所述的腕关节气缸三的转动轴、腕关节气缸二的缸体固定连接，所述的腕关节连接件三一端可转动连接在所述的腕关节连接件四的左侧面，另一端与腕关节气缸二的转动轴固定连接；
所述的下肢包括髋关节气缸一、髋关节连接件一、髋关节气缸二、髋关节连接件二、髋关节连接件三、髋关节气缸三、髋关节气缸四、髋关节连接件四、髋关节气缸五、膝关节连接件、膝关节气缸、踝关节连接件一、踝关节气缸一、踝关节连接件二、踝关节气缸二、踝关节连接件三、踝关节气缸三、脚踏板；
所述的髋关节气缸一、髋关节气缸三的两端分别与髋关节连接件三、髋关节连接件一可转动连接，所述的髋关节连接件三固定在所述的下肢固定板上，髋关节气缸二的缸体固定连接所述的髋关节连接件一上，髋关节气缸二的转动轴固定连接在所述的髋关节连接件二的一端，髋关节连接件二的另一端固定连接髋关节气缸四的缸体，髋关节气缸四的转动轴固定连接在髋关节连接件四的一端，髋关节连接件四的另一端固定连接髋关节气缸五的缸体，髋关节气缸五的转动轴固定连接在膝关节连接件的一端，膝关节连接件的另一端膝关节气缸的缸体固定连接，膝关节气缸的转动轴与踝关节连接件一的一端固定连接，踝关节连接件一的另一端与踝关节气缸一的缸体固定连接，踝关节气缸一的转动轴固定连接在踝关节连接件二的一端，踝关节连接件二的另一端上固定连接踝关节气缸二的缸体，踝关节气缸二的转动轴固定连接在踝关节连接件三的一端上，踝关节连接件三的另一端固定连接踝关节气缸三的缸体，踝关节气缸三的转动轴与脚踏板固定连接。
优选地，其特征在于，所述的上肢固定板、下肢固定板均为镂空件。
优选地，所述的肩关节气缸一、肩关节气缸四、髋关节气缸一、髋关节气缸三采用电机驱动滚珠丝杠或者气动肌肉替换。
优选地，所述的肩关节气缸二、肩关节气缸三、肘关节气缸、腕关节气缸一、腕关节气缸二、腕关节气缸三、肩关节气缸五、髋关节气缸二、髋关节气缸四、髋关节气缸五、膝关节气缸、踝关节气缸一、踝关节气缸二、踝关节气缸三采用电机替换。
优选地，所述的肩关节连接件一、肩关节连接件二、肩关节连接件三、肩关节连接件四、腕关节连接件二、腕关节连接件三、腕关节连接件四、髋关节连接件一、髋关节连接件二、髋关节连接件三、髋关节连接件四、踝关节连接件二、踝关节连接件三、脚踏板均为铝合金材质的弯曲钣金件，肘关节连接件、腕关节连接件一、膝关节连接件、踝关节连接件一为多面倾斜弯曲钣金件。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用非直角坐标系分布的结构方式，避免了直角坐标系奇异点的存在导致的卡死现象和运动空间受到限制；
2.本发明利用多面倾斜弯曲钣金件，一个空间气缸驱动的关节具有两个方向的自由度；
3.本发明肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节分别具有5、1、3、5、1、3共计18个康复训练的自由度，可以根据康复者上肢和下肢的实际情况调整长度以及实现人上下肢关节多自由度的康复训练。
附图说明
图1是全身康复训练外骨骼总体机械结构图；
图2是全身康复训练外骨骼背部连接框架机械结构图；
图3是全身康复训练外骨骼上肢总体机械结构图；
图4是全身康复训练外骨骼肩关节和肘关节机械结构图；
图5是全身康复训练外骨骼腕关节部分机械结构图；
图6是全身康复训练外骨骼下肢总体机械结构图；
图7是全身康复训练外骨骼髋关节机械结构图；
图中：直角连接件一1、上肢固定板2、铝型材一3、直角连接件二4、铝型材二5、下肢固定板6、铝型材三7、直角连接件三8、控制箱9、铝型材四10、直角件连接四11、肩关节连接件一12、肩关节气缸一13、肩关节连接件二14、肩关节气缸二15、肩关节气缸三16、肩关节气缸四17、肩关节连接件三18、肩关节连接件四19、肘关节连接件20、腕关节连接件一21、肘关节气缸22、腕关节气缸一23、腕关节连接件二24、腕关节气缸二25、腕关节气缸三26、肩关节气缸五27、腕关节连接件三28、轴承29、腕关节连接件四30、髋关节气缸一31、髋关节连接件一32、髋关节气缸二33、髋关节连接件二34、髋关节连接件三35、髋关节气缸三36、髋关节气缸四37、髋关节连接件四38、髋关节气缸五39、膝关节连接件40、膝关节气缸41、踝关节连接件一42、踝关节气缸一43、踝关节连接件二44、踝关节气缸二45、踝关节连接件三46、踝关节气缸三47、脚踏板48。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，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。
如图1所示，一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，它包括腰背部、双上肢和双下肢，所述的双上肢结构相同，且对称布置在所述的腰背部的上部的两侧，所述的双下肢的结构相同，且对称布置在所述的腰背部的下部的两侧；
如图2所示，腰背部包括直角件一1、上肢固定板2、铝型材一3、直角件二4、铝型材二5、下肢固定板6、铝型材三7、直角件三8、控制箱9、铝型材四10、直角件四11，铝型材一3和铝型材四10平行布置，铝型材三7和铝型材二5也平行布置，且与铝型材一3和铝型材四10相互垂直，铝型材三7的两端分别通过直角件一1、直角件三8固定在所述的铝型材一3和铝型材四10的顶端，铝型材二5的两端分别通过直角件二4、直角件四11固定在所述的铝型材一3和铝型材四10的下端，所述的上肢固定板2的两边分别固定在所述的铝型材一3和铝型材四10的上部，所述的下肢固定板6的两边分别固定在所述的铝型材一3和铝型材四10的下部；所述的控制器9固定在所述的上肢固定板2的后面；
如图3-5所示，以右上肢康复训练结构和运动情况为例说明上肢康复训练，上肢包括肩关节连接件一12、肩关节气缸一13、肩关节连接件二14、肩关节气缸二15、肩关节气缸三16、肩关节气缸四17、肩关节连接件三18、肩关节连接件四19、肘关节连接件20、腕关节连接件一21、肘关节气缸22、腕关节气缸一23、腕关节连接件二24、腕关节气缸二25、腕关节气缸三26、肩关节气缸五27、腕关节连接件三28、轴承29、腕关节连接件四30；
肩关节气缸一13、肩关节气缸四17的两端均分别与肩关节连接件一12、肩关节连接件三18可转动连接，肩关节气缸一13、肩关节气缸四17可以驱动整个上肢康复系统根据康复训练者上肢的长短进行伸缩运动长度调整和收展运动。肩关节连接件一12固定在所述的上肢固定板2的前面，肩关节气缸五27的缸体与肩关节连接件三18固定连接，肩关节气缸五27的转动轴与肩关节连接件二14的一端固定连接，肩关节连接件二14的另一端与肩关节气缸二15的缸体固定连接；肩关节气缸二15的转动轴固定连接肩关节连接件四19的一端，肩关节连接件四19的另一端肩关节气缸三16的缸体固定连接，肩关节气缸三16的转动轴与肘关节连接件20的一端固定连接，通过控制非直角坐标系分布的肩关节气缸五27、肩关节气缸二15、肩关节气缸三16肩关节实现屈伸、收展、环转三个方向的主动康复训练。肘关节连接件20的另一端与肘关节气缸22的缸体固定连接，肘关节气缸22的转动轴与腕关节连接件一21的一端固定连接，腕关节连接件一21的另一端与腕关节气缸一23的缸体固定连接，由于肘关节连接件20、腕关节连接件一21为多面倾斜弯曲钣金件，因此肘关节气缸22驱动肘关节同时具有屈伸、收展两个方向的主动康复训练。腕关节气缸一23的转动轴与腕关节连接件二24的一端固定连接，腕关节连接件二24的另一端与腕关节气缸三26的缸体固定连接，腕关节连接件四30为U型，其下表面和右表面分别与所述的腕关节气缸三26的转动轴、腕关节气缸二25的缸体固定连接，轴承29与腕关节连接件四30的左边固定连接，腕关节连接件三28的左右两端分别与轴承29、腕关节气缸二25的转动轴固定连接，腕关节气缸一23、腕关节气缸二25、腕关节气缸三26一起驱动腕关节实现屈伸、收展、环转三个方向的主动康复训练。
如图6-7所示，以右下肢康复训练结构和运动情况为例说明下肢康复训练，下肢包括髋关节气缸一31、髋关节连接件一32、髋关节气缸二33、髋关节连接件二34、髋关节连接件三35、髋关节气缸三36、髋关节气缸四37、髋关节连接件四38、髋关节气缸五39、膝关节连接件40、膝关节气缸41、踝关节连接件一42、踝关节气缸一43、踝关节连接件二44、踝关节气缸二45、踝关节连接件三46、踝关节气缸三47、脚踏板48；
所述的髋关节气缸一31、髋关节气缸三36的两端分别与髋关节连接件三35、髋关节连接件一32可转动连接，所述的髋关节连接件三35固定在所述的下肢固定板6的后面，髋关节气缸一31、髋关节气缸三36可以驱动整个下肢康复系统根据康复训练者下肢的长短进行伸缩运动长度调整和收展运动。髋关节气缸二33的缸体固定连接所述的髋关节连接件一32上，髋关节气缸二33的转动轴固定连接在所述的髋关节连接件二34的一端，髋关节连接件二34的另一端固定连接髋关节气缸四37的缸体，髋关节气缸四37的转动轴固定连接在髋关节连接件四38的一端，髋关节连接件四38的另一端固定连接髋关节气缸五39的缸体，髋关节气缸五39的转动轴固定连接在膝关节连接件40的一端，髋关节气缸二33、髋关节气缸四37、髋关节气缸五39实现髋关节屈伸、收展、环转三个方向的主动康复训练。膝关节连接件40的另一端膝关节气缸41的缸体固定连接，由于膝关节连接件40为多面倾斜弯曲钣金件，因此膝关节气缸41驱动膝关节同时具有屈伸、收展两个方向的主动康复训练。膝关节气缸41的转动轴与踝关节连接件一42的一端固定连接，踝关节连接件一42的另一端与踝关节气缸一43的缸体固定连接，踝关节气缸一43的转动轴固定连接在踝关节连接件二44的一端，踝关节连接件二44的另一端上固定连接踝关节气缸二45的缸体，踝关节气缸二45的转动轴固定连接在踝关节连接件三46的一端上，踝关节连接件三46的另一端固定连接踝关节气缸三47的缸体，踝关节气缸三47的转动轴与脚踏板48固定连接。踝关节气缸一43、踝关节气缸二45、踝关节气缸三47驱动踝关节实现屈伸、收展、环转三个方向的主动康复训练。
当不给各气缸充放气时，由人带动气缸运动时，可以实现关节的被动康复训练。
本发明，通过控制各关节的气缸，实现人体关节的康复训练，本发明拥有其他外骨骼康复训练无法比拟的优势。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，其特征在于，它包括腰背部、双上肢和双下肢，所述的双上肢结构相同，且对称布置在所述的腰背部的上部的两侧，所述的双下肢的结构相同，且对称布置在所述的腰背部的下部的两侧；
所述的腰背部包括铝型材一(3)、铝型材二(5)、铝型材三(7)、铝型材四(10)、上肢固定板(2)、下肢固定板(6)、控制箱(9)，所述的铝型材一(3)和铝型材四(10)平行布置，所述的铝型材三(7)和铝型材二(5)也平行布置，且与铝型材一(3)和铝型材四(10)相互垂直，所述的铝型材三(7)的两端分别固定在所述的铝型材一(3)和铝型材四(10)的顶端，所述的铝型材二(5)的两端分别固定在所述的铝型材一(3)和铝型材四(10)的下端，所述的上肢固定板(2)的两边分别固定在所述的铝型材一(3)和铝型材四(10)的上部，所述的下肢固定板(6)的两边分别固定在所述的铝型材一(3)和铝型材四(10)的下部；所述的控制器(9)固定在所述的上肢固定板(2)上；
所述的上肢包括肩关节连接件一(12)、肩关节气缸一(13)、肩关节连接件二(14)、肩关节气缸二(15)、肩关节气缸三(16)、肩关节气缸四(17)、肩关节连接件三(18)、肩关节连接件四(19)、肘关节连接件(20)、腕关节连接件一(21)、肘关节气缸(22)、腕关节气缸一(23)、腕关节连接件二(24)、腕关节气缸二(25)、腕关节气缸三(26)、肩关节气缸五(27)、腕关节连接件三(28)、腕关节连接件四(30)；
所述的肩关节气缸一(13)、肩关节气缸四(17)的两端均分别与所述的肩关节连接件一(12)、肩关节连接件三(18)可转动连接，所述的肩关节连接件一(12)固定在所述的上肢固定板(2)上，所述的肩关节气缸五(27)的缸体与所述的肩关节连接件三(18)固定连接，所述的肩关节气缸五(27)的转动轴与所述的肩关节连接件二(14)的一端固定连接，所述的肩关节连接件二(14)的另一端与肩关节气缸二(15)的缸体固定连接；肩关节气缸二(15)的转动轴固定连接肩关节连接件四(19)的一端，肩关节连接件四(19)的另一端肩关节气缸三(16)的缸体固定连接，肩关节气缸三(16)的转动轴与肘关节连接件(20)的一端固定连接，肘关节连接件(20)的另一端与肘关节气缸(22)的缸体固定连接，肘关节气缸(22)的转动轴与腕关节连接件一(21)的一端固定连接，腕关节连接件一(21)的另一端与腕关节气缸一(23)的缸体固定连接，腕关节气缸一(23)的转动轴与腕关节连接件二(24)的一端固定连接，腕关节连接件二(24)的另一端与腕关节气缸三(26)的缸体固定连接，所述的腕关节连接件四(30)为U型，其下表面和右表面分别与所述的腕关节气缸三(26)的转动轴、腕关节气缸二(25)的缸体固定连接，所述的腕关节连接件三(28)一端可转动连接在所述的腕关节连接件四(30)的左侧面，另一端与腕关节气缸二(25)的转动轴固定连接；
所述的下肢包括髋关节气缸一(31)、髋关节连接件一(32)、髋关节气缸二(33)、髋关节连接件二(34)、髋关节连接件三(35)、髋关节气缸三(36)、髋关节气缸四(37)、髋关节连接件四(38)、髋关节气缸五(39)、膝关节连接件(40)、膝关节气缸(41)、踝关节连接件一(42)、踝关节气缸一(43)、踝关节连接件二(44)、踝关节气缸二(45)、踝关节连接件三(46)、踝关节气缸三(47)、脚踏板(48)；
所述的髋关节气缸一(31)、髋关节气缸三(36)的两端分别与髋关节连接件三(35)、髋关节连接件一(32)可转动连接，所述的髋关节连接件三(35)固定在所述的下肢固定板(6)上，髋关节气缸二(33)的缸体固定连接所述的髋关节连接件一(32)上，髋关节气缸二(33)的转动轴固定连接在所述的髋关节连接件二(34)的一端，髋关节连接件二(34)的另一端固定连接髋关节气缸四(37)的缸体，髋关节气缸四(37)的转动轴固定连接在髋关节连接件四(38)的一端，髋关节连接件四(38)的另一端固定连接髋关节气缸五(39)的缸体，髋关节气缸五(39)的转动轴固定连接在膝关节连接件(40)的一端，膝关节连接件(40)的另一端膝关节气缸(41)的缸体固定连接，膝关节气缸(41)的转动轴与踝关节连接件一(42)的一端固定连接，踝关节连接件一(42)的另一端与踝关节气缸一(43)的缸体固定连接，踝关节气缸一(43)的转动轴固定连接在踝关节连接件二(44)的一端，踝关节连接件二(44)的另一端上固定连接踝关节气缸二(45)的缸体，踝关节气缸二(45)的转动轴固定连接在踝关节连接件三(46)的一端上，踝关节连接件三(46)的另一端固定连接踝关节气缸三(47)的缸体，踝关节气缸三(47)的转动轴与脚踏板(48)固定连接。
2.根据权利要求1所述的多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述的上肢固定板(2)、下肢固定板(6)均为镂空件。
3.根据权利要求1所述的多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述的肩关节气缸一(13)、肩关节气缸四(17)、髋关节气缸一(31)、髋关节气缸三(36)采用电机驱动滚珠丝杠或者气动肌肉替换。
4.根据权利要求1所述的多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述的肩关节气缸二(15)、肩关节气缸三(16)、肘关节气缸(22)、腕关节气缸一(23)、腕关节气缸二(25)、腕关节气缸三(26)、肩关节气缸五(27)、髋关节气缸二(33)、髋关节气缸四(37)、髋关节气缸五(39)、膝关节气缸(41)、踝关节气缸一(43)、踝关节气缸二(45)、踝关节气缸三(47)采用电机替换。
5.根据权利要求1所述的多自由度主被动混合全身外骨骼康复训练系统，其特征在于，所述的肩关节连接件一(12)、肩关节连接件二(14)、肩关节连接件三(18)、肩关节连接件四(19)、腕关节连接件二(24)、腕关节连接件三(28)、腕关节连接件四(30)、髋关节连接件一(32)、髋关节连接件二(34)、髋关节连接件三(35)、髋关节连接件四(38)、踝关节连接件二(44)、踝关节连接件三(46)、脚踏板(48)均为铝合金材质的弯曲钣金件，肘关节连接件(20)、腕关节连接件一(21)、膝关节连接件(40)、踝关节连接件一(42)为多面倾斜弯曲钣金件。
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