CN109330822B - 一种步态康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种步态康复训练机器人，包括：支撑架；设置在支撑架上的滑块连杆机构，滑块连杆机构能与人体连接；设置在支撑架上，并驱动滑块连杆机构运动的驱动装置；控制驱动装置的控制器。上述结构中，带动人体的大腿或小腿等单一关节运动的结构仅包括滑块连杆机构和驱动装置，与现有的多个驱动部件和多个传动部件的外骨骼相比，结构更加简单，使人机适应性和运动柔顺性均得到了提高，并且简单的结构也能够进一步提高结构与人体关节的对中性，避免了关节对准误差，同时将滑块连杆机构和驱动装置设置在支撑架上，而不再穿戴在患者身上，也能够减轻患者的负担。

Description

一种步态康复训练机器人

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种步态康复训练机器人。

背景技术

近年来，我国人口老龄化趋势的加剧、交通事故发生量的增加、自然灾害的频发以及各种疾病(尤其是脑卒中、中风、脊髓损伤等)造成的下肢运动功能障碍的人数日益增多，这给患者本身、家庭以及社会造成了沉重的负担。现代康复医学研究表明，人体中枢神经系统具有可塑性，对有肢体运动障碍患者进行合理的康复训练，有助于形成新的神经回路，并改善其运动能力。传统的患者步态训练一般由康复医师协助患者完成，而我国庞大的患者人群使得康复医师数量严重不足，无法满足大部分患者的训练需求。步态康复训练机器人是一种能够帮助下肢运动障碍患者进行步态训练的机器人，可减轻医师的工作负担，满足患者的训练需求。

现有的步态康复训练机器人多为与人体同构的多关节式外骨骼机器人，外骨骼机器人在实际使用中通常存在以下几个问题：

(1)外骨骼机器人通常需穿戴在患者躯干外侧，为了不对人体的正常运动造成影响，外骨骼机器人的结构和自由度的分配需要和人体关节的结构和自由度相匹配，因此需要在外骨骼机器人的外骨骼上添加较多的主、被动自由度，即针对人体的一个运动关节有时会存在多个驱动部件和多个传动部件，这不仅导致结构较为复杂，而且难免会造成柔顺性差甚至人机干涉等问题，并且机器人本身可能会成为患者的负载，阻碍患者的运动。

(2)虽然设计者通常将外骨骼机器人的大、小腿的结构设计为可调机构以适应不同身高患者的需求，但是由于人体髋关节、膝关节位置很难精确测量，所以通过调节复杂的外骨骼结构来配合患者大、小腿长度的方式具有一定的局限性，导致外骨骼的髋关节和膝关节与人体髋关节、膝关节之间存在对准误差。

(3)传统的外骨骼机器人都是按照控制系统预先所设定的步态曲线带动患者进行康复训练，并没有区分不同体型、不同身高患者步态曲线上的差异性，不同患者使用相同的步态曲线进行训练，会影响康复训练的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种异构式步态康复训练机器人，利用往复运动的直线运动机构代替关节式机构，简化了结构，避免了关节对准误差，提高了人机柔顺性。为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种步态康复训练机器人，包括：

支撑架；

设置在所述支撑架上的滑块连杆机构，所述滑块连杆机构能够与人体连接；

设置在所述支撑架上，并驱动所述滑块连杆机构运动的驱动装置；

控制所述驱动装置的控制器。

优选的，上述步态康复训练机器人中，所述滑块连杆机构用于驱动人体的大腿或小腿，并包括：

固定在所述支撑架上且水平设置的导轨；

安装在所述导轨上的滑动件；

用于连接人体的大腿或小腿的连接件；

一端与所述滑动件铰接，另一端与所述连接件铰接的连杆。

优选的，上述步态康复训练机器人中，所述滑动件上开设有调节所述连杆在所述滑动件上连接位置的连接槽。

优选的，上述步态康复训练机器人中，所述滑动件通过转接板与所述导轨滑动连接。

优选的，上述步态康复训练机器人中，所述连接件为能够与人体的大腿或小腿贴合连接的U型板。

优选的，上述步态康复训练机器人中，还包括设置在所述滑动件和所述连接件上，能够阻挡所述连杆相对于所述滑动件、所述连接件转动角度过大的限位件。

优选的，上述步态康复训练机器人中，所述滑块连杆机构为四个，并分别用于驱动人体的左侧大腿、左侧小腿、右侧大腿和右侧小腿，所述驱动装置为四个并与所述滑块连杆机构一对一设置。

优选的，上述步态康复训练机器人中，还包括相对设置，并支撑四个所述滑块连杆机构的两个扶手。

优选的，上述步态康复训练机器人中，所述驱动装置为在所述控制器的控制下启、停且能够改变输出轴转动方向的电动机。

本发明提供的步态康复训练机器人，其带动人体的大腿或小腿等单一运动关节活动的结构为滑块连杆机构，并且该滑块连杆机构在驱动装置的驱动下活动，由于滑块连杆机构能够连接人体，所以通过驱动装置的驱动以及滑块连杆机构的传动，能够带动人体进行步态康复训练，而人体进行步态康复训练的运动轨迹，即对应的滑块连杆机构的运动轨迹，通过控制器依据步态曲线对驱动装置进行控制而实现。由上述结构可以看出，本申请中带动人体的大腿或小腿等单一运动关节运动的结构仅包括滑块连杆机构和驱动装置，与现有的多个驱动部件和多个传动部件的外骨骼相比，结构更加简单，使得人机适应性和运动柔顺性均得到了提高，并且简单的结构也能够进一步提高结构与人体关节的对中性，减小了对应偏差，同时将滑块连杆机构和驱动装置设置在支撑架上，而不再穿戴在患者身上，也能够减轻患者的负担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的步态康复训练机器人的结构示意图；

图2为步态康复训练机器人的主视图；

图3为滑块连杆机构工作的原理图。

在图1-图3中：

1-支撑架，2-导轨，3-滑动件，4-连接件，5-连杆，6-转接板，7-安装件，8-L型支座，9-不锈钢管，10-法兰。

具体实施方式

本发明提供了一种异构式步态康复训练机器人，利用往复运动的直线运动机构代替关节式机构，简化了结构，避免了关节对准误差，提高了人机柔顺性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的步态康复训练机器人，用于对患者的下肢进行康复训练，主要包括支撑架1、滑块连杆机构、驱动装置和控制器，其中，支撑架1为整个装置的支撑部件，用于带动患者运动的滑块连杆机构和驱动装置设置在此支撑架1上，避免了患者的穿戴，从而能够在康复训练过程中减轻患者的负担，而滑块连杆机构和驱动装置则组成了带动患者运动的执行机构，滑块连杆机构设置在支撑架1上，用于与人体(具体的是人体的大腿或小腿)连接，以将滑块的直线运动通过连杆5转化为大、小腿的屈伸运动，而驱动装置也设置在支撑架1上，用于驱动滑块连杆机构的滑块沿直线运动，并且一个滑块连杆机构只需要一个驱动装置进行驱动，控制器则用于检测、分析不同患者的动作信息，并计算出专门的步态曲线，且根据该步态曲线控制驱动装置的启、停和驱动方向等，以实现对滑块连杆机构运动轨迹的控制，进而控制患者的步态。此种结构的步态康复训练机器人，带动人体的大腿或小腿等单一运动关节的结构仅包括滑块连杆机构和驱动装置，与现有的多个驱动部件和多个传动部件的外骨骼相比，结构更加简单，使得人机适应性和运动柔顺性均得到了提高，并且简单的结构也能够进一步提高结构与人体关节的对中性，减小了对应偏差。

为了进一步优化技术方案，本实施例提供的步态康复训练机器人中，滑块连杆机构具体用于驱动人体的大腿或小腿，并且如图1和图2所示，优选包括以下部件：固定在支撑架1上且水平设置的导轨2；安装在导轨2上的滑动件3；用于连接人体的大腿或小腿的连接件4；一端与滑动件3铰接，另一端与连接件4铰接的连杆5。其中，滑块连杆机构中的滑动件3和连接件4即为滑块连杆机构中位于连杆5两端的两个滑块，滑动件3在导轨2上沿直线滑动，连接件4在连杆5的带动下进行转动。此种结构的滑块连杆机构，结构简单并且还能够较好的满足步态康复训练机器人的工作要求，所以将其作为本实施例的优选结构。

进一步的，滑动件3上开设有调节连杆5在滑动件3上连接位置的连接槽。令连杆5连接在滑动件3的连接槽上，并且令连杆5的连接端部能够在此连接槽中滑动和定位，以改变连杆5和滑动件3的相对位置，进而可以使得上述的滑块连杆机构能够更好的适应不同体型患者的使用需要，令本实施例提供的步态康复训练机器人的工作性能更加突出。

具体的，优选滑动件3通过转接板6与导轨2滑动连接。通过转接板6连接导轨2和滑动件3，能够保证滑动连接的牢固性，以及滑动的可靠性。

如图1和图2所示，优选连接件4为能够与人体的大腿或小腿贴合连接的U型板。此结构的连接件4，能够增大与患者大、小腿的连接面积和受力面积，提高连接可靠性以及连接舒适性。此外，连接件4也可以为其他结构，例如令连接件4为柔性连接件，即绳索、绑带等，从而可以进一步提高人机连接的柔顺性。

更加优选的，本实施例中还包括设置在滑动件3和连接件4上，能够阻挡连杆5相对于滑动件3、连接件4转动角度过大的限位件。此限位件的设置，能够防止连杆5转动的角度超过安全范围而对患者的髋关节、膝关节等造成损伤，从而进一步提高本实施例提供的步态康复训练机器人的工作安全性。

如图1和图2所示，本实施例优选滑块连杆机构为四个，并分别用于驱动人体的左侧大腿、左侧小腿、右侧大腿和右侧小腿，驱动装置也为四个并与滑块连杆机构一对一设置。此种结构能够同时对患者的双下肢进行康复训练，更好的满足了更加多样化的使用需求。

如图1和图2所示，本实施例进一步还包括相对设置，并支撑四个滑块连杆机构的两个扶手。此两个扶手可以理解为支撑架1的组成部分，其具体包括安装件7、L型支座8、不锈钢管9和法兰10，滑块连杆机构和驱动装置优选设置在扶手上，并且每个扶手上对正设置有两个滑块连杆机构和两个驱动装置，以与人体的双下肢对应。

本实施例中，优选驱动装置为在控制器的控制下启、停且能够改变输出轴转动方向的电动机。在满足滑动件3在导轨2上直线滑动的基础之上，驱动装置可以有多种选择，本实施例之所以优选为电动机，是因为其动力充足、体积较小，更符合步态康复训练机器人的工作要求。此外，驱动装置还可以为液压缸、气缸等。

具体的，将滑块连杆机构和人看为一体，简化分析，建立运动学模型如图3所示。

其中，AB为人体大腿长度，BC为人体小腿长度，DF为与大腿对应的连杆5，GE为与小腿对应的连杆5，h1为与大腿对应的滑块安装高度，h2为与小腿对应的滑块安装高度。夹角α、β分别代表髋关节、膝关节的运动角度，夹角θ₁、θ₂分别代表大腿对应连杆5和小腿对应连杆5与X轴的夹角。

利用X轴和Y轴方向的几何关系，可以列出等式：

h₁＝L_ADgcosα+L_DFgsinθ₁ 等式一

x₁＝L_ADginα-L_DFgcosθ₁ 等式二

h₂＝L_ABgcosα+L_BEgcos(β-α)-L_EGgsinθ₂ 等式三

x₂＝L_ABgsinα-L_BEgsin(β-α)+L_EGgcosθ₂ 等式四

其中，图3中所示的θ₁和θ₂方向为正向，取正值。当θ方向与图3中相反时，取负值。

实际上，由于人体的髋关节、膝关节位置很难测量，相应的L_AD和L_BE的距离很难测量，而角度θ₁和θ₂都可以通过角度传感器测量获得，所以将等式一、等式二、等式三和等式四合并，就能够得到滑块的位移曲线：

x₁＝(h₁-L_DFgsinθ₁)tanα-L_DFgcosθ₁

x₂＝L_ABgsinα-(h₂-L_ABgcosα+L_EGgsinθ₂)tan(β-α)-L_EGgcosθ₂

综上，本实施例提供了一种欠驱动的步态康复训练机器人，利用滑块连杆机构将滑块的直线运动转化为大小腿的屈伸运动。这种机构结构简单，对患者产生的附加载荷比外骨骼机器人低。并且，步态康复训练机器人的结构较为简单，由四个滑块连杆机构获得滑块的直线运动，滑块连杆机构拆装方便，维护成本低。人机连接处可以采用U型板绑定人体的大、小腿，并用连杆和滑块相连接，结构简单，对患者造成的附加负载很小，起到了保护患者的作用。同时，相比于传统的外骨骼机器人，较少的驱动装置能使人机连接具有较好的误差适应性、柔顺性，而且结构的能耗较少、质量也较轻。

本说明书中对各部分结构采用递进的方式描述，每个部分的结构重点说明的都是与现有结构的不同之处，步态康复训练机器人的整体及部分结构可通过组合上述多个部分的结构而得到。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种步态康复训练机器人，其特征在于，包括：

支撑架；

设置在所述支撑架上的滑块连杆机构，所述滑块连杆机构能够与人体连接；

设置在所述支撑架上，并驱动所述滑块连杆机构运动的驱动装置；

控制所述驱动装置的控制器；

所述滑块连杆机构用于驱动人体的大腿或小腿，并包括：固定在所述支撑架上且水平设置的导轨；安装在所述导轨上的滑动件；用于连接人体的大腿或小腿的连接件；一端与所述滑动件铰接，另一端与所述连接件铰接的连杆；所述滑块连杆机构为四个，并分别用于驱动人体的左侧大腿、左侧小腿、右侧大腿和右侧小腿，所述驱动装置为四个并与所述滑块连杆机构一对一设置；

还包括相对设置，并支撑四个所述滑块连杆机构的两个扶手；所述滑块连杆机构和所述驱动装置设置在所述扶手上，每个所述扶手上对正设置有两个所述滑块连杆机构和两个所述驱动装置。

2.根据权利要求1所述的步态康复训练机器人，其特征在于，所述滑动件上开设有调节所述连杆在所述滑动件上连接位置的连接槽。

3.根据权利要求1所述的步态康复训练机器人，其特征在于，所述滑动件通过转接板与所述导轨滑动连接。

4.根据权利要求1所述的步态康复训练机器人，其特征在于，所述连接件为能够与人体的大腿或小腿贴合连接的U型板。

5.根据权利要求1所述的步态康复训练机器人，其特征在于，还包括设置在所述滑动件和所述连接件上，能够阻挡所述连杆相对于所述滑动件、所述连接件转动角度过大的限位件。

6.根据权利要求1所述的步态康复训练机器人，其特征在于，所述驱动装置为在所述控制器的控制下启、停且能够改变输出轴转动方向的电动机。