CN109529271A - 仿生减重训练装置及无轨道智能减重步行训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生减重训练装置及无轨道智能减重步行训练机器人，该训练装置包括垂直运动动力机构、垂直运动连杆、挂架连接头、水平连接杆、人体悬挂机构和人体固定机构；垂直运动连杆一端活动安装在垂直运动动力机构内部，垂直运动连杆另一端与挂架连接头安装在一起，挂架连接头通过水平连接杆与人体悬挂机构安装在一起，人体固定机构安装在人体悬挂机构上。该训练机器人包括仿生减重训练装置、底盘、水平运动驱动机构和控制装置，所述仿生减重训练装置固装在底盘上端，所述水平运动驱动机构固装在底盘下端。本发明设计合理，能够在水平方向和垂直方向给患者助力，增加使用者训练的信心，并大大减少工作人员的帮助和干预，减轻工作人员工作强度。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其是一种仿生减重训练装置及无轨道智能减重步行训练机器人。
背景技术
多种疾病可以导致人类下肢功能障碍，如脑血管病、脊髓疾病、肌肉及骨骼疾病、神经系统退行性变等疾病。下肢的功能训练对于这些疾病的康复尤为重要。
减重步行训练(Body Weight Support Training，BWST)是针对下肢功能障碍改善步行能力的一种新的康复治疗技术。目前大部分仿生减重训练装置通常由减重装置(Pattial Body Weight Support，PBWS)和电动活动平板(Treadmill)组成，患者只能在电动活动平板上原地活动，这就大大影响患者行走的主动性和真实感。另外，还有一些悬轨式减重步行训练系统，但是其由于功能单一，一些下肢功能障碍严重的患者或进行早期下肢功能训练的患者在行走训练中可能无法控制好下肢的步幅、步速，造成身体的重心不稳，患者训练中缺乏安全感和自信心，并需要工作人员大量帮助才能完成康复训练。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种仿生减重训练装置及无轨道智能减重步行训练机器人，极大提高了使用者训练的成果和效率，增加使用者训练的信心，并大大减少工作人员的帮助和干预、减轻工作人员工作强度。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种仿生减重训练装置，包括垂直运动动力机构、垂直运动连杆、挂架连接头、水平连接杆、人体悬挂机构和人体固定机构；所述垂直运动连杆一端活动安装在垂直运动动力机构内部，所述垂直运动连杆另一端与挂架连接头安装在一起，所述挂架连接头通过水平连接杆与人体悬挂机构安装在一起，所述人体固定机构安装在人体悬挂机构上。
所述垂直运动动力机构、垂直运动连杆之间安装有垂直重量传感器，所述水平连接杆、人体悬挂机构之间安装有水平张力及拉力传感器。
所述垂直运动动力机构采用液压装置驱动或伺服电机驱动。
所述人体悬挂机构由多连杆悬吊架、悬挂带构成；所述人体固定机构包括从上至下连接在一起的躯干固定带、腰部固定带和大腿部固定带；所述多连杆悬吊架安装在水平连接杆一端，多个悬挂带安装在多连杆悬吊架的每个连杆上，该多连杆悬吊架通过悬挂带与躯干固定带、腰部固定带多点连接。
一种无轨道智能减重步行训练机器人，包括仿生减重训练装置、底盘、水平运动驱动机构和控制装置，所述仿生减重训练装置固装在底盘上端，所述水平运动驱动机构固装在底盘下端，所述控制装置与仿生减重训练装置及水平运动驱动机构相连接实现减重及水平运动的控制功能。
所述水平运动驱动机构包括水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器、驱动轮及导向轮，所述水平运动伺服电机与两侧的减速机连接固定并将动力输出至减速机，两个减速机输出端分别通过传动轴连接运动阻尼控制器和驱动轮；所述导向轮通过导向机构安装在底盘前端两侧。
所述控制装置包括主控计算机、多通道传感器接收模块和多通道运动控制器模块；所述主控计算机的输入端和输出端分别与多通道传感器接收模块和多通道运动控制器模块相连接，所述多通道传感器接收模块接收水平张力及拉力传感器、角速度传感器、垂直重量传感器的实时数据，并将数字数据发送至主控计算机，所述多通道运动控制器模块接收主控计算机的动作指令，并控制水平运动伺服电机、水平运动阻尼控制器及垂直运动动力机构动作。
所述多通道传感器接收模块由单板机及其外围电路连接构成，所述多通道运动控制器模块由单板机及其外围电路连接构成。
所述主控计算机安装有主控程序、个人训练数据库及传感器数据实时分析程序、下肢运动功能实时评估程序、预警保护程序和运动控制程序，接收多通道传感器接收模块数据并向多通道运动控制器模块发送控制命令。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的仿生减重训练装置将垂直运动驱动机构与人体悬挂机构和人体固定机构结合在一起，可以有效地为患者提供给垂直方向的支撑，帮助患者下肢训练康复，提高使用者训练的成果和效率。
2、本发明的无轨道智能减重步行训练机器人可以在水平方向和垂直方向给患者助力，增加使用者训练的信心，并大大减少工作人员的帮助和干预，减轻工作人员工作强度。
3、本发明在在减重训练装置和减重步行训练机器人中安装垂直重量传感器、水平张力及拉力传感器以及角速度传感器等并与控制装置相连接，控制装置可以通过多个传感器感实时掌握使用者水平方向和垂直方向的运动变化及运动意图，智能、仿生地为使用者提供水平方向和垂直方向运动的支持和支撑，并对患者的训练模式、训练程度及时作出调整，同时可以记录每一个使用者的训练情况变化并可智能评估患者下肢训练康复程度，为每一位使用者制定个体化的下一步的康复计划并依据使用者下肢功能障碍程度提高多种康复模式。
附图说明
图1是本发明的仿生减重训练装置的结构图；
图2是本发明的人体悬挂机构及人体固定机构的连接结构图；
图3是本发明的无轨道智能减重步行训练机器人的立体结构图；
图4是本发明的无轨道智能减重步行训练机器人的俯视结构图；
图5是本发明的控制装置的电路方框图；
图6是运动控制程序子程序组成图。
图中，1.1-垂直运动动力机构、1.2-垂直运动连杆、1.3-挂架连接头、1.4-垂直重量传感器，2-水平连接杆，3-水平张力及拉力传感器，4.1-人体悬挂机构、4.2-人体固定机构，4.11-多连杆悬吊架、4.12-悬挂带、4.21-躯干固定带、4.22-腰部固定带、4.23-大腿部固定带，5-底座，6.1-水平运动伺服电机，6.2-减速机，6.3-运动阻尼控制器，6.4-驱动轮，6.5-导向轮。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种仿生减重训练装置，如图1所示，包括垂直运动动力机构1.1、垂直运动连杆1.2、挂架连接头1.3、垂直重量传感器1.4、水平连接杆2、水平张力及拉力传感器3、人体悬挂机构4.1和人体固定机构4.2。下面对训练装置中的各个部分分别进行说明：
垂直运动动力机构1.1：采用液压装置驱动或伺服电机驱动，通过线缆与控制装置相连接并接受控制装置控制，在控制装置控制下，该垂直运动动力机构1.1驱动安装在其上端的垂直运动连杆1.2在垂直方向上下运动。
垂直运动连杆1.2：底部安装于垂直运动动力机构1.1的内部，在垂直运动动力机构1.1的驱动下可沿垂直方向上下运动；垂直运动连杆1.2的一端通过垂直重量传感器1.4与挂架连接头1.3相连接。
挂架连接头1.3：下端通过垂直重量传感器1.4与垂直运动连杆1.2连接；其外侧端与水平连接杆2相连。
垂直重量传感器1.4：安装在垂直运动连杆1.2与挂架连接头1.3之间。实时测量其后部设备(人体悬挂机构及人体固定机构)及使用者人体的重力变化的数据，并实时将数据通过线缆传输给控制装置。
水平连杆2：一端安装于挂架连接头1.3上，另一端通过水平张力及拉力传感器3与人体悬挂机构4.1的多连杆悬吊架4.11连接。
水平张力及拉力传感器3：安装在水平连杆2与人体悬挂机构4.1之间，可以实时测量延长连杆2与多连杆悬吊架4.11之间的水平张力及拉力变化数据，并将数据通过线缆实时传送给控制装置。
人体悬挂机构4.1：采用硬质变形系数小的材料制成，由多连杆悬吊架4.11、悬挂带4.12构成。所述多连杆悬吊架4.11为多连杆悬吊架并安装在水平连接杆2上，多个悬挂带4.12安装在多连杆悬吊架4.11的每个连杆上，多连杆悬吊架4.11通过多个悬挂带4.12与人体固定机构4.2的躯干固定带4.21、腰部固定带4.22多点连接。
人体固定机构4.2：用于固定人体躯干及腰腿部，包括从上至下连接在一起的躯干固定带4.21、腰部固定带4.22和大腿部固定带4.23。
上述人体悬挂机构4.1及人体固定机构4.2可以对人体提供智能、稳定、即时的垂直方向的减重力支持，避免绳索连接产生的减重力不稳定的情况，并可对使用者产生智能动态可控的水平移动力的帮助，适用于初步减重训练和下肢功能障碍严重的使用者。
基于上述仿生减重训练装置的无轨道智能减重步行训练机器人，如图3及图4所示，包括仿生减重训练装置、底盘5和水平运动驱动机构，该水平运动驱动机构由水平运动伺服电机6.1、减速机6.2、运动阻尼控制器6.3、驱动轮6.4及导向轮6.5构成。无轨道智能减重步行训练机器人可以为下肢运动功能障碍人群提供垂直方向动态的减重支持及水平方向的运动辅助支持，其适用场合更加广泛，可以不受轨道的限制，使用者可以更自由活动。下面对底盘5和水平运动驱动机构的各个部分分别进行说明：
底盘5：用于安装水平运动驱动机构和仿生减重训练装置，其上端与仿生减重训练装置的垂直运动动力机构1.1固装在一起，其下端与水平运动驱动机构连接在一起。
水平运动伺服电机6.1：与减速机6.2连接固定，并将动力输出至减速机6.2；并通过线缆与控制装置相连并受控制装置控制其转速及运转方向；其上装有角速度传感器，可将电机转轴运转的角速度及方向传送至控制装置。
减速机6.2：与水平运动伺服电机6.1的一端连接固定，接受水平运动伺服电机6.1输出的动力，并将水平运动伺服电机6.1输出的动力增大扭力并降低速度后通过传动轴传送至驱动轮6.4上。
运动阻尼控制器6.3(刹车减速器)：安装在减速机6.2与导向轮6.5之间的传动轴外，其内部安装有轴瓦，通过电磁驱动或液压驱动的方式增加轴瓦与传动轴之间的摩擦力，从而起到调整水平运动阻尼的作用甚至停转水平运动。运动阻尼控制器2.3通过线缆与控制装置相连并接受控制装置控制。
驱动轮6.4：驱动轮6.4与减速机2.2通过传动轴相连接并接受减速机2.2驱动，两个驱动轮6.4通过传动轴安装在底盘5后端两侧，可在控制装置的控制下使底盘及其上设备沿水平方向前后移动。
导向轮6.5：通过导向机构安装在底盘5前端两侧，可以跟随使用者的转弯方向改变运动方向。
如图5所示，控制装置包括主控计算机、多通道传感器接收模块、多通道运动控制器模块。
主控计算机：安装有主控程序(类脑智能主程序)、个人训练数据库及传感器数据实时分析程序、下肢运动功能实时评估程序、预警保护程序、运动控制程序等多个相关程序。
(1)主控程序：实时接收并综合分析传感器数据实时分析程序、下肢运动功能实时评估程序、预警保护程序等的数据，向个人训练数据库存储或读取相关应用程序产生的原始及分析数据，向运动控制程序发出训练模式指令及实时动作指令。
(2)个人训练数据库：分别存储不同使用者训练时多个传感器产生的实时原始数据及相关应用程序产生的分析数据。
(3)传感器数据实时分析程序：实时接收由多通道传感器接收模块接收的传感器数据，并实分别分析这些数据，将分析数据或原始数据传送给主控程序、下肢运动功能实时评估程序、预警保护程序等程序。
(4)下肢运动功能实时评估程序：实时接收并综合分析传感器数据实时分析程序分析的传感器数据，实时对使用者下肢运动功能进行评估；实时将评估结果传送至主控程序。
(5)预警保护程序：实时接收部分传感器数据实时分析程序发送的传感器数据，当检测到这些数据超过预设预警数值时，将向主控程序发出优先处理指令，主控程序接收到该指令后按预设程序向运动控制程序发出相应动作指令，停止或调整使用者的训练，从而最大程度地保护使用者的安全。
(6)运动控制程序：接收主控程序发出训练模式指令及实时动作指令，向多通道运动控制器模块发出动作指令驱动水平运动驱动机构和垂直运动驱动机构动作。
如图6所示，运动控制程序还包括如下训练模式子程序：
主动训练模式子程序：使用者下肢运动功能障碍较轻时，水平运动驱动机构不提供水平方向对使用者的支持力，只提供装置跟随使用者运动的动力；垂直运动驱动机构为使用者提供能够完成训练的尽可能小的垂直方向动态的支持力。
辅助训练模式子程序：使用者下肢运动功能障碍略重时，水平运动驱动机构按照使用者的运动意图为使用者提供水平方向的支持力；垂直运动驱动机构为使用者提供适当的垂直方向动态的支持力。
程序(被动)训练模式子程序：使用者下肢运动功能障碍时，水平运动驱动机构按照预设程序为使用者提供水平方向的支持力；垂直运动驱动机构按照预设程序为使用者提供适当的垂直方向动态的支持力。
混合训练模式子程序：主动训练模式子程序、辅助训练模式子程序、程序(被动)训练模式子程序交替运行。
所述多通道传感器接收模块：由单板机及其外围电路连接构成，分别接收水平张力及拉力传感器、角速度传感器、垂直重量传感器的实时数据，并将数字数据发送至主控计算机的传感器数据综合分析程序。
所述多通道运动控制器模块：由单板机及其外围电路连接构成，接收主控计算机中运动控制程序发出的动作指令，并分别、实时地驱动水平运动驱动机构中水平运动伺服电机、水平运动阻尼控制器及垂直运动驱动机构中垂直运动动力机构的动作。
控制装置的工作原理为：
主控计算机中的传感器数据实时分析程序同时接收并分析通过多通道传感器接收模块传输的多个传感器数据，这些数据包括：
(1)垂直重量传感器数据：该数据实时反应使用者站立或行走时人体的重力变化，通过数据分析，动态分析出人体站立或行走时所需要最合适的垂直方向支持力。传感器数据实时分析程序将分析后的数据传送给主控程序，主控程序按设定值激发实时动作指令并传送至运动控制程序，运动控制程序按预定程序向多通道运动控制器发出动作指令，多通道运动控制器按指令驱动垂直运动驱动机构中的垂直运动动力机构动作为使用者提供站立或行走时所需要最合适的垂直方向动态支持力。
(2)水平张力及拉力传感器数据：该数据实时反应水平连接杆与多连杆悬吊架之间的水平张力及拉力变化数据，间接反应使用者水平方向运动的意图，当使用者向前运动时产生拉力数据，当使用者向后运动时产生张力数据，并可根据数据变化的程度及快慢判断使用者的运动速度意图。传感器数据实时分析程序将分析后的数据传送给主控程序，主控程序按设定值激发动作指令并发送至运动控制程序，运动控制程序按预定程序向多通道运动控制器发出动作指令，多通道运动控制器按指令速度及方向驱动水平运动驱动机构中的水平运动伺服电机动作，为使用者提供行走时所需要最合适的水平方向的向前或向后的动态辅助力支持。主控程序可综合分析该使用者下肢运动功能实时评估程序的分析数据、个人训练数据库数据及其它传感器的数据后，手动或自动向运动控制程序发出训练模式指令，运动控制程序将按指令进行程序运行。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，根据使用场景不同，设备中可扩展其它传感器，主控计算机内的相关程序可升级及扩展，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种仿生减重训练装置，其特征在于：包括垂直运动动力机构、垂直运动连杆、挂架连接头、水平连接杆、人体悬挂机构和人体固定机构；所述垂直运动连杆一端活动安装在垂直运动动力机构内部，所述垂直运动连杆另一端与挂架连接头安装在一起，所述挂架连接头通过水平连接杆与人体悬挂机构安装在一起，所述人体固定机构安装在人体悬挂机构上。
2.根据权利要求1所述的仿生减重训练装置，其特征在于：所述垂直运动动力机构、垂直运动连杆之间安装有垂直重量传感器，所述水平连接杆、人体悬挂机构之间安装有水平张力及拉力传感器。
3.根据权利要求1或2所述的仿生减重训练装置，其特征在于：所述垂直运动动力机构采用液压装置驱动或伺服电机驱动。
4.根据权利要求1或2所述的仿生减重训练装置，其特征在于：所述人体悬挂机构由多连杆悬吊架、悬挂带构成；所述人体固定机构包括从上至下连接在一起的躯干固定带、腰部固定带和大腿部固定带；所述多连杆悬吊架安装在水平连接杆一端，多个悬挂带安装在多连杆悬吊架的每个连杆上，该多连杆悬吊架通过悬挂带与躯干固定带、腰部固定带多点连接。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述仿生减重训练装置的无轨道智能减重步行训练机器人，其特征在于：包括仿生减重训练装置、底盘、水平运动驱动机构和控制装置，所述仿生减重训练装置固装在底盘上端，所述水平运动驱动机构固装在底盘下端，所述控制装置与仿生减重训练装置及水平运动驱动机构相连接实现减重及水平运动的控制功能。
6.根据权利要求5所述的无轨道智能减重步行训练机器人，其特征在于：所述水平运动驱动机构包括水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器、驱动轮及导向轮，所述水平运动伺服电机与两侧的减速机连接固定并将动力输出至减速机，两个减速机输出端分别通过传动轴连接运动阻尼控制器和驱动轮；所述导向轮通过导向机构安装在底盘前端两侧。
7.根据权利要求5所述的无轨道智能减重步行训练机器人，其特征在于：所述控制装置包括主控计算机、多通道传感器接收模块和多通道运动控制器模块；所述主控计算机的输入端和输出端分别与多通道传感器接收模块和多通道运动控制器模块相连接，所述多通道传感器接收模块接收水平张力及拉力传感器、角速度传感器、垂直重量传感器的实时数据，并将数字数据发送至主控计算机，所述多通道运动控制器模块接收主控计算机的动作指令，并控制水平运动伺服电机、水平运动阻尼控制器及垂直运动动力机构动作。
8.根据权利要求7所述的无轨道智能减重步行训练机器人，其特征在于：所述多通道传感器接收模块由单板机及其外围电路连接构成，所述多通道运动控制器模块由单板机及其外围电路连接构成。
9.根据权利要求8所述的无轨道智能减重步行训练机器人，其特征在于：所述主控计算机安装有主控程序、个人训练数据库及传感器数据实时分析程序、下肢运动功能实时评估程序、预警保护程序和运动控制程序，接收多通道传感器接收模块数据并向多通道运动控制器模块发送控制命令。
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