CN109318208A - 一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，该外骨骼包括大腿绑带、固定壳、自适应随动装置、小腿驱动板和小腿绑带，所述的自适应随动装置包括主动带轮、同步带轮、过渡带轮、从动带轮、上连接板和下连接板，将本发明的外骨骼通过大腿绑带和小腿绑带分别固定在患者同一条腿上的大腿和小腿上，通过驱动带驱动主动带轮带动与其同轴固定的同步带轮，同步带轮通过上传动带将动力传递到过渡带轮，过渡带轮通过下传动带将动力继续传递至从动带轮，从动带轮带动与其固定的小腿驱动板进行摆动，小腿驱动板通过小腿绑带带动小腿进行摆动，通过该外骨骼带动小腿进行往复摆动从而达到对膝关节进行屈膝康复训练的目的，本发明结构紧凑、适应性好。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复器械的技术领域，特别涉及一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼。
背景技术
随着科技的进步，社会医疗卫生事业的普及，康复型机器人也随之迅速发展起来。下肢康复型外骨骼机器人隶属于康复机器人，可代替传统医疗康复师对肢体障碍的患者进行一对一康复训练，通过肢体运动对受伤的肌肉进行训练，刺激神经系统的修复与再生，使受伤部位得到最大程度的恢复或重建，从而最终达到恢复患者独立行走的能力。下肢康复型外骨骼是通过人机间的物理接触交互实现辅助人体腿伸直状态，步行等功能，并且需要承担部分人体重量，因而下肢外骨骼需要具有支撑功能并且应与人体具备良好的耦合性。目前，国内外许多医疗机构和科研单位高度重视下肢外骨骼康复机器人的研究。膝关节是人体下肢中最大的关节，并且结构最为复杂，因而在下肢外骨骼的研究过程中对膝关节外骨骼结构研究尤为重要。在膝关节外骨骼模型的建立过程中，研究者往往认为下肢外骨骼和人体在膝关节处具有良好的耦合性，两者的运动是一致的。但是人体生理膝关节瞬时运动中心曲线取决于胫骨与股骨的物理结构和形状铰接面，且每个人的膝关节具有独特性和唯一性；同时，在穿戴训练的过程中，外骨骼和人体之间会产生的滑动摩擦，导致下肢外骨骼和人体在膝关节之间存在着或多或少的位置偏差，其偏差越大，人体和外骨骼的物理接触界面产生的接触压力就会越大，那么穿戴者的膝关节和附近的软组织就会承受更大的附加载荷，轻者会造成穿戴者产生不舒适感，重者会造成穿戴者的二次伤害。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼。
具体内容如下：一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，该外骨骼包括大腿绑带、固定壳、自适应随动装置、小腿驱动板和小腿绑带，其特征在于：
所述的自适应随动装置包括主动带轮、同步带轮、过渡带轮、从动带轮、上连接板和下连接板，所述的固定壳为具有一定厚度的空腔体，固定壳的上端呈凹字状，斜下方设有皮带过槽，并在上端凹陷部位固定一根竖直向上的固定柱，在固定柱的一侧面上垂直固定一个水平的连接体并在连接体的自由端上水平固定一个大腿绑带，所述的主动带轮与同步带轮同轴固定在一起并通过转动副固定在固定壳的空腔体内，在固定壳上端凸起的部分上分别设有一个设置竖直贯穿的通孔，在固定壳空腔的内侧面上固定两个分别位于通孔的正下方且与通孔相对应的转向滑轮，驱动带绕过主动带轮后其两端分别绕过转向滑轮并从对应的通孔内穿出固定壳，所述的上连接板的一端铰接在固定壳的一侧面上，上连接板在固定壳上的铰接轴线与主动带轮的轴线共线，上连接板与绑紧带分别位于固定壳的两侧，所述的同步带轮位于主动带轮与上连接板之间，所述的下连接板的一端与上连接板的另一端铰接且与固定壳位于上连接板的同一侧面，所述的过渡带轮为通过转动副同轴固定在上连接板与下连接板铰接点上的具有双轮槽的带轮，过渡带轮上内侧的轮槽与同步带轮通过上传动带连接形成带传动，所述的从动带轮通过转动副固定在下连接板的另一端，从动带轮与过渡带轮上的外侧的轮槽通过下传动带连接形成带传动，所述的小腿驱动板的上端固定在从动带轮的一侧面上，在小腿驱动板的下端固定一块竖直向下的连接块，在连接块的侧面上通过横向伸出的球销副连接小腿绑带，小腿绑带与大腿绑带均位于固定壳的同一侧面。
优选的，所述的上连接板的内侧面上固定一个顶压在上传动带上的张紧轮甲，所述的下连接板的内侧面上固定一个顶压在下传动带上的张紧轮乙。
优选的，所述的固定壳上上连接板所在的侧面上设有两个挡块，上连接板位于两块挡块之间。
优选的，所述的上连接板与下连接板同侧边沿之间依次与首尾铰接的限位连杆的两自由端铰接。
优选的，所述的球销副包括球形的固定构件和碗状的运动构件，在球形的固定构件上设有一个与连接块竖向中心线垂直并沿球形的径向设置的柱销，在运动构件上开设有与柱销相匹配的水平的弧形滑孔，固定构件通过球面安装并使固定构件上的柱销穿过运动构件上的弧形滑孔。
本发明的有益技术效果
本发明是一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，本发明中的固定壳通过大腿绑带使其与大腿相对固定，小腿驱动板通过小腿绑带使其与小腿相对固定，通过带传动将动力传递至小腿驱动板带动小腿摆动实现屈膝运动，自适应随动装置中的上连接板与下连接板的铰接结构能够根据小腿的屈膝摆动而适应性随动，，从而消除外骨骼带动人体下肢进行康复训练时，两者在膝关节处产生的位置偏差，可以适应不同人体膝关节结构和尺寸的差异性，保证动力能够传递到小腿完成屈膝运动的同时大腿绑带和小腿绑带相对人体不会发生移动，减少外骨骼给穿戴者的肢体及周围的软组织带来附加载荷，提高穿戴的舒适性，避免外骨骼给人体带来二次伤害，因此本发明能够适应不同人体膝关节的多自由度刚柔结合的外骨骼机构，提高了外骨骼和人体在膝关节处的耦合性和匹配度，同时也提高穿戴的舒适性。
附图说明
图1为多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼（固定壳正面局部剖开）的立体结构示意图一；
图2为多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼的主视图；
图3为图2中A-A方向的剖视图；
图4为图2中B-B方向的剖视图；
图5为图2中C-C方向的剖视图；
图6为多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼的立体结构示意图二；
图7为自适应随动装置与小腿驱动板的立体结构示意图；
图8为图6中D的放大示意图；
图中：1.大腿绑带、2.固定柱、3.驱动带、4.固定壳、5.挡块、6.皮带过槽、7.上传动带、8.张紧轮甲、9.上连接板、10.从动带轮、11.下连接板、12.过渡带轮、13.限位连杆、14.下传动带、15.小腿驱动板、16.连接块、17.球销副、18.小腿绑带、19.通孔、20.转向滑轮、21.主动带轮、22.同步带轮、23.连接体、24.张紧轮乙、25. 固定构件、26.运动构件、27.柱销、28.弧形滑孔。
具体实施方式
实施案例一，参见图1-8，一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，该外骨骼包括大腿绑带、固定壳、自适应随动装置、小腿驱动板和小腿绑带，
所述的自适应随动装置包括主动带轮、同步带轮、过渡带轮、从动带轮、上连接板和下连接板，所述的固定壳为具有一定厚度的空腔体，固定壳的上端呈凹字状，斜下方设有皮带过槽、并在上端凹陷部位固定一根竖直向上的固定柱，在固定柱的一侧面上垂直固定一个水平的连接体并在连接体的自由端上水平固定一个大腿绑带，所述的主动带轮与同步带轮同轴固定在一起并通过转动副固定在固定壳的空腔体内，在固定壳上端凸起的部分上分别设有一个设置竖直贯穿的通孔，在固定壳空腔的内侧面上固定两个分别位于通孔的正下方且与通孔相对应的转向滑轮，驱动带绕过主动带轮后其两端分别绕过转向滑轮并从对应的通孔内穿出固定壳，通过驱动带的拉伸控制主动带轮转动；利用驱动带的收缩在人体上产生与肌肉平行的张紧力，类似于人体的韧带和肌腱，使设备变得体积小，重量轻，所述的上连接板的一端铰接在固定壳的一侧面上，上连接板在固定壳上的铰接轴线与主动带轮的轴线共线，上连接板与绑紧带分别位于固定壳的两侧，所述的同步带轮位于主动带轮与上连接板之间，所述的下连接板的一端与上连接板的另一端铰接且与固定壳位于上连接板的同一侧面，所述的过渡带轮为通过转动副固定在上连接板与下连接板铰接点上的具有双轮槽的带轮，过渡带轮上内侧的轮槽与同步带轮通过上传动带连接形成带传动，所述的从动带轮通过转动副固定在下连接板的另一端，从动带轮与过渡带轮上的外侧的轮槽通过下传动带连接形成带传动，所述的小腿驱动板的上端固定在从动带轮的一侧面上，在小腿驱动板的下端固定一块竖直向下的连接块，在连接块的侧面上通过横向伸出的球销副连接小腿绑带，小腿绑带与大腿绑带均位于固定壳的同一侧面，本发明可将力矩从大腿转移到小腿，使关节的移动与瞬时中心旋转轴无关，这样就可以解除人机关节准确对心的严格限制。
所述的上连接板的内侧面上固定一个顶压在上传动带上的张紧轮甲，所述的下连接板的内侧面上固定一个顶压在下传动带上的张紧轮乙。
所述的固定壳上上连接板所在的侧面上设有两个挡块，上连接板位于两块挡块之间，挡块起到了支撑作用，同时也起到了限制上连接板的偏转角度的作用。
所述的上连接板与下连接板同侧边沿之间依次与首尾铰接的限位连杆的两自由端铰接，限位连杆起到了调节上连接板与下连接板 之间的偏转角度的作用。
所述的球销副包括球形的固定构件和碗状的运动构件，在球形的固定构件上设有一个与连接块竖向中心线垂直并沿球形的径向设置的柱销，在运动构件上开设有与柱销相匹配的水平的弧形滑孔，固定构件通过球面安装并使固定构件上的柱销穿过运动构件上的弧形滑孔。球销副能够避免绕着垂直于轴线的轴线力矩，保证人体小腿的中心线与连接块的竖向中心线基本平行，降低了绑带和肢体皮肤表面较大摩擦力，提高了舒适性，并且使本发明与人体膝关节转动轴线在三维空间运动过程中保持对齐。
本发明是一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，该外骨骼通过大腿绑带和小腿绑带分别固定在患者同一条腿上的大腿和小腿上，通过驱动带驱动主动带轮带动与其同轴固定的同步带轮，同步带轮通过上传动带将动力传递到过渡带轮，过渡带轮通过下传动带将动力继续传递至从动带轮，从动带轮带动与其固定的小腿驱动板进行摆动，小腿驱动板通过小腿绑带带动小腿进行摆动，通过该外骨骼带动小腿进行往复摆动从而达到对膝关节进行屈膝康复训练的目的，通过带传动将动力传递至小腿驱动板带动小腿摆动实现屈膝运动的同时，自适应随动装置中的上连接板与下连接板的铰接结构能够根据小腿的屈膝摆动而适应性随动，从而消除外骨骼带动人体下肢进行康复训练时，两者在膝关节处产生的位置偏差，可以适应不同人体膝关节结构和尺寸的差异性，保证动力能够传递到小腿完成屈膝运动的同时大腿绑带和小腿绑带相对人体不会发生移动，减少外骨骼给穿戴者的肢体及周围的软组织带来附加载荷，提高穿戴的舒适性，避免外骨骼给人体带来二次伤害，因此本发明能够适应不同人体膝关节的多自由度刚柔结合的外骨骼机构，提高了外骨骼和人体在膝关节处的耦合性和匹配度，同时也提高穿戴的舒适性。
本发明增加了一个双移动自由度来调整膝关节在矢状面内的转动中心的位置并且起到了传动的作用，通过Denavit-Hartenberg方法建立数学模型，由此得本发明的瞬时转动中心的在矢状面内的运动空间，利用目标偏差函数和约束条件最终得出上连接板和下连接板的长度及两个连接板可偏转的角度，此时，本发明的瞬时转动中心的运动空间包含人体膝关节瞬时转动中心在矢状面内的运动空间，同时，也给人—机间滑动摩擦一定的空间调整范围，从而保证了外骨骼膝关节与人体膝关节彼此的瞬时运动中心在矢状面内中保持一致。
Claims (5)
1.一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，该外骨骼包括大腿绑带、固定壳、自适应随动装置、小腿驱动板和小腿绑带，其特征在于：
所述的自适应随动装置包括主动带轮、同步带轮、过渡带轮、从动带轮、上连接板和下连接板，所述的固定壳为具有一定厚度的空腔体，固定壳的上端呈凹字状，斜下方设有皮带过槽，并在上端凹陷部位固定一根竖直向上的固定柱，在固定柱的一侧面上垂直固定一个水平的连接体并在连接体的自由端上水平固定一个大腿绑带，所述的主动带轮与同步带轮同轴固定在一起并通过转动副固定在固定壳的空腔体内，在固定壳上端凸起的部分上分别设有一个设置竖直贯穿的通孔，在固定壳空腔的内侧面上固定两个分别位于通孔的正下方且与通孔相对应的转向滑轮，驱动带绕过主动带轮后其两端分别绕过转向滑轮并从对应的通孔内穿出固定壳，所述的上连接板的一端铰接在固定壳的一侧面上，上连接板在固定壳上的铰接轴线与主动带轮的轴线共线，上连接板与绑紧带分别位于固定壳的两侧，所述的同步带轮位于主动带轮与上连接板之间，所述的下连接板的一端与上连接板的另一端铰接且与固定壳位于上连接板的同一侧面，所述的过渡带轮为通过转动副同轴固定在上连接板与下连接板铰接点上的具有双轮槽的带轮，过渡带轮上内侧的轮槽与同步带轮通过上传动带连接形成带传动，所述的从动带轮通过转动副固定在下连接板的另一端，从动带轮与过渡带轮上的外侧的轮槽通过下传动带连接形成带传动，所述的小腿驱动板的上端固定在从动带轮的一侧面上，在小腿驱动板的下端固定一块竖直向下的连接块，在连接块的侧面上通过横向伸出的球销副连接小腿绑带，小腿绑带与大腿绑带均位于固定壳的同一侧面。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，其特征在于：所述的上连接板的内侧面上固定一个顶压在上传动带上的张紧轮甲，所述的下连接板的内侧面上固定一个顶压在下传动带上的张紧轮乙。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，其特征在于：所述的固定壳上上连接板所在的侧面上设有两个挡块，上连接板位于两块挡块之间。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，其特征在于：所述的上连接板与下连接板同侧边沿之间依次与首尾铰接的限位连杆的两自由端铰接。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度自适应膝关节康复训练外骨骼，其特征在于：所述的球销副包括球形的固定构件和碗状的运动构件，在球形的固定构件上设有一个与连接块竖向中心线垂直并沿球形的径向设置的柱销，在运动构件上开设有与柱销相匹配的水平的弧形滑孔，固定构件通过球面安装并使固定构件上的柱销穿过运动构件上的弧形滑孔。
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