CN109568887A - 一种悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，包括悬轨、水平运动驱动装置、垂直运动驱动装置、人体挂架及人体固定装置和控制装置，悬轨与上端固定物安装在一起，水平运动驱动装置上端滑动安装在悬轨内并沿着轨道方向水平运动，水平运动驱动装置下端与垂直运动驱动装置固装在一起，垂直运动驱动装置下端与人体挂架及人体固定装置安装在一起，控制装置与水平运动驱动装置、垂直运动驱动装置、人体挂架及人体固定装置相连接实现控制功能。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，帮助患者下肢训练康复，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，提高使用者训练的成果和效率。

Description

一种悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其是一种悬轨式类脑智能仿生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。目前大部分减重步行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，提出一种悬轨式类脑智能仿生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：
一种悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，包括悬轨、水平运动驱动装置、垂直运动驱动装置、人体挂架及人体固定装置和控制装置，所述悬轨与上端固定物安装在一起，所述水平运动驱动装置上端滑动安装在悬轨内并沿着轨道方向水平运动，所述水平运动驱动装置下端与垂直运动驱动装置上端固装在一起，所述垂直运动驱动装置下端与人体挂架及人体固定装置安装在一起，所述控制装置与水平运动驱动装置、垂直运动驱动装置、人体挂架及人体固定装置相连接实现控制功能。
所述悬轨为环形闭合轨道或为直行轨道。
所述水平运动驱动装置包括水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器、滚轮和连接框架；所述连接框架与水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器和滚轮安装在一起，所述连接框架的下端与垂直运动驱动装置相连接；在水平运动伺服电机上装有角速度传感器，该水平运动伺服电机与减速机连接固定并将动力输出至减速机；所述减速机通过传动轴安装运动阻尼控制器和滚轮，所述滚轮滑动安装在悬轨内；所述水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器与控制装置相连接。
所述滚轮为一组或多组滚轮。
所述垂直运动驱动装置包括垂直运动动力机构、垂直运动连杆、挂架连接头和垂直重量传感器；所述垂直运动动力机构安装在水平运动驱动装置的下端，所述垂直运动连杆的上端安装在垂直运动动力机构内部，所述挂架连接头可旋转安装在垂直运动连杆的下端，该挂架连接头与人体挂架及人体固定装置相连接；所述垂直重量传感器安装在垂直运动动力机构与水平运动驱动装置之间；所述垂直运动动力机构和垂直重量传感器与控制装置相连接。
所述人体悬挂架及人体固定装置由硬性连接人体悬挂架及硬性连接人体固定装置连接构成；所述硬性连接人体悬挂架由垂直延长连杆、多连杆悬吊架、躯干重心转移传感器、水平张力及拉力传感器构成；所述垂直延长连杆上端与垂直运动驱动装置相连接并在控制装置的驱动下在垂直方向上上下移动，该延长连杆下端通过水平张力及拉力传感器与多连杆悬吊架连接，该多连杆悬吊架通过多个悬挂带与人体固定装置的躯干固定带及腰部固定带多点连接；所述硬性连接人体固定装置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；所述躯干重心转移传感器、水平张力及拉力传感器与控制装置相连接。
所述人体悬挂架及人体固定装置由柔性连接人体悬挂架及柔性连接人体固定装置连接构成；所述柔性连接人体悬挂架上端与垂直运动驱动装置相连接，柔性连接人体悬挂架下端通过绳索悬吊连接人体固定装置；所述柔性连接人体固定装置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躯干重心转移传感器、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、本发明将垂直运动驱动装置、水平运动驱动装置、人体悬挂架及人体固定装置结合在一起，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，帮助患者下肢训练康复，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，提高使用者训练的成果和效率。
2、本发明在在减重训练器中安装垂直重量传感器、水平张力及拉力传感器、躯干重心转移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供多种康复模式。
附图说明
图1是本发明的三维视图(部分悬轨)；
图2是本发明安装在环形闭合轨道上的示意图；
图3是水平运动驱动装置三维示意图；
图4是垂直运动驱动装置三维示意图；
图5a为人体固定装置未安装于硬性连接人体悬挂架的结构示意图；
图5b为人体固定装置安装于硬性连接人体悬挂架的结构示意图；
图6是硬性连接人体悬挂架三维示意图；
图7是柔性连接人体悬挂架及人体固定装置三维示意图；
图8是全仿生减重步行训练器系统连接图；
图9是运动控制程序子程序组成图；
图中，1-悬轨、2-水平运动驱动装置、3-垂直运动驱动装置、4-人体挂架及人体固定装置，2.1-水平运动伺服电机、2.2-减速机、2.3-运动阻尼控制器、2.4-滚轮、2.5-连接框架，3.1-垂直运动动力机构、3.2-垂直运动连杆、3.3-挂架连接头、3.4-垂直重量传感器，4.1-硬性连接人体悬挂架、4.2-硬性连接人体固定装置，4.11-垂直延长连杆、4.12-多连杆悬吊架、4.13-躯干重心转移传感器、4.14-水平张力及拉力传感器，4.21-躯干固定带、4.22-腰部固定带、4.23-大腿部固定带、4.24-悬挂带，4.1A-柔性连接人体悬挂架、4.2A-柔性连接人体固定装置。
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。
一种悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，如图1所示，包括悬轨1、水平运动驱动装置2、垂直运动驱动装置3、人体挂架及人体固定装置4和控制装置。下面对各个部分分别进行说明：
(1)悬轨1：固定悬挂于屋顶或固定悬挂于支架上。悬轨依据安装环境，可由多根轨道首尾相连组成环形闭合轨道(如图2所示)或由单根轨道或多根轨道连接成直行轨道。水平运动驱动装置的滚轮安置于悬轨上并沿着轨道方向水平运动。
(2)水平运动驱动装置2：包括水平运动伺服电机2.1、减速机2.2、运动阻尼控制器2.3、滚轮2.4和连接框架2.5，如图3所示。
水平运动伺服电机2.1：与减速机2.2连接固定，并将动力输出至减速机2.2。水平运动伺服电机2.1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。水平运动伺服电机2.1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2.2：一端安装于连接框架2.5上，另一端与水平运动伺服电机2.1的一端连接固定，接受水平运动伺服电机2.1输出的动力，并将水平运动伺服电机2.1输出的动力增大扭力并降低速度后通过传动轴传送至一个或多个滚轮2.4上。
运动阻尼控制器2.3：安装在减速机2.2与滚轮2.4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。
滚轮2.4：为多个，多个滚轮2.4安装于连接框架2.5上，部分滚轮2.4与减速机2.2通过传动轴相连接并接受减速机2.2驱动。水平运动驱动装置的滚轮2.4安置于悬轨1上并沿着轨道方向水平运动。
连接框架2.5：用于安装水平运动伺服电机2.1、减速机2.2、运动阻尼控制器2.3和滚轮2.4。连接框架2.5下端连接安装垂直运动驱动装置3。
(3)垂直运动驱动装置3包括垂直运动动力机构3.1、垂直运动连杆3.2、挂架连接头3.3和垂直重量传感器3.4，如图4所示。
垂直运动动力机构3.1：采用液压执行装置驱动或伺服电机驱动，垂直运动动力机构3.1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3.1驱动安装在其内部的垂直运动连杆3.2在垂直方向上下运动。垂直运动动力机构3.1上端与垂直重量传感器3.4下端相连接。
垂直运动连杆3.2：安装于垂直运动动力机构3.1的内下部，在垂直运动动力机构3.1的驱动下可沿垂直方向上下运动；其下端与挂架连接头3.3相连接。
挂架连接头3.3：安装于垂直运动连杆3.2下部，可挂载多功能人体挂架或普通人体挂架；该挂架连接头3.3可沿垂直轴360度旋转并可锁定旋转。
垂直重量传感器3.4：上端与连接框架2.5下部相连，下端与垂直运动动力机构3.1上部相连接。实时测量其下部设备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。
(4)人体悬挂架及人体固定装置4：可以采用硬性连接人体悬挂架及人体固定装置，也可以采用柔性连接人体悬挂架及人体固定装置。
第一种形式：硬性连接人体悬挂架及人体固定装置，如图5a、图5b及图6所示，包括：
硬性连接人体悬挂架4.1：采用硬质变形系数小的材料制成。硬性连接人体悬挂架4.1由垂直延长连杆4.11、多连杆悬吊架4.12、躯干重心转移传感器4.13、水平张力及拉力传感器4.14组成。
硬性连接人体固定装置4.2：用于固定人体躯干及腰腿部。人体固定装置4.2由躯干固定带4.21、腰部固定带4.22、大腿部固定带4.23及多个悬挂带4.24组成。
垂直延长连杆4.11上端安装于挂架连接头3.3上，并可随连接头3.3在控制装置的驱动下在垂直方向上上下移动；延长连杆4.11下端通过水平张力及拉力传感器4.14与多连杆悬吊架4.12连接，多连杆悬吊架4.12通过多个悬挂带4.24与人体固定装置4.2躯干固定带及腰部固定带多点连接
水平张力及拉力传感器4.14可以实时测量垂直延长连杆4.11与多连杆悬吊架4.12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。
躯干重心转移传感器4.13可以实时测量双侧肩部的悬挂带4.24拉力的变化数据，并将数据通过线缆实时传送给控制装置。
该硬性连接人体悬挂架及人体固定装置可以对人体提供智能恒定的减重拉力支持，避免绳索连接产生的拉力不恒定的情况，并可对使用者产生恒定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。
第二种形式：柔性连接人体悬挂架及人体固定装置，如图7所示，包括：
柔性连接人体悬挂架4.1A：上端直接连接挂架连接头3.3，下端通过绳索悬吊连接人体固定装置4.2A。
柔性连接人体固定装置4.2A：通过固定带固定人体躯干、腰部及大腿部。
该柔性连接人体悬挂架及人体固定装置可以允许使用者有更多的活动自由度的情况下提供减重支持及安全保护，适用于对减重训练有一定经验和下肢功能障碍较轻的使用者。
如图8所示，控制装置包括包括主控计算机、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装置和垂直运动驱动装置动作。
如图9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，水平运动驱动装置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；垂直运动驱动装置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，水平运动驱动装置按照使用者的运动意图为使用者提供水平方向的支持力；垂直运动驱动装置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，水平运动驱动装置按照预设程序为使用者提供水平方向的支持力；垂直运动驱动装置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，分别接收躯干重心转移传感器、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装置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装置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装置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装置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 (10)

1.一种悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：包括悬轨、水平运动驱动装置、垂直运动驱动装置、人体挂架及人体固定装置和控制装置，所述悬轨与上端固定物安装在一起，所述水平运动驱动装置上端滑动安装在悬轨内并沿着轨道方向水平运动，所述水平运动驱动装置下端与垂直运动驱动装置上端固装在一起，所述垂直运动驱动装置下端与人体挂架及人体固定装置安装在一起，所述控制装置与水平运动驱动装置、垂直运动驱动装置、人体挂架及人体固定装置相连接实现控制功能。
2.根据权利要求1所述的悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：所述悬轨为环形闭合轨道或为直行轨道。
3.根据权利要求1所述的悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：所述水平运动驱动装置包括水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器、滚轮和连接框架；所述连接框架与水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器和滚轮安装在一起，所述连接框架的下端与垂直运动驱动装置相连接；在水平运动伺服电机上有角速度传感器，该水平运动伺服电机与减速机连接固定并将动力输出至减速机；所述减速机通过传动轴安装运动阻尼控制器和滚轮，所述滚轮滑动安装在悬轨内；所述水平运动伺服电机、减速机、运动阻尼控制器与控制装置相连接。
4.根据权利要求3所述的悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：所述滚轮为一组或多组滚轮。
5.根据权利要求1至4任一项所述的悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：所述垂直运动驱动装置包括垂直运动动力机构、垂直运动连杆、挂架连接头和垂直重量传感器；所述垂直运动动力机构安装在水平运动驱动装置的下端，所述垂直运动连杆的上端安装在垂直运动动力机构内部，所述挂架连接头可旋转安装在垂直运动连杆的下端，该挂架连接头与人体挂架及人体固定装置相连接；所述垂直重量传感器安装在垂直运动动力机构与水平运动驱动装置之间；所述垂直运动动力机构和垂直重量传感器与控制装置相连接。
6.根据权利要求1至4任一项所述的悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：所述人体悬挂架及人体固定装置由硬性连接人体悬挂架及硬性连接人体固定装置连接构成；所述硬性连接人体悬挂架由垂直延长连杆、多连杆悬吊架、躯干重心转移传感器、水平张力及拉力传感器构成；所述垂直延长连杆上端与垂直运动驱动装置相连接并在控制装置的驱动下在垂直方向上上下移动，该延长连杆下端通过水平张力及拉力传感器与多连杆悬吊架连接，该多连杆悬吊架通过多个悬挂带与人体固定装置的躯干固定带及腰部固定带多点连接；所述硬性连接人体固定装置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；所述躯干重心转移传感器、水平张力及拉力传感器与控制装置相连接。
7.根据权利要求1至4任一项所述的悬轨式类脑智能仿生减重步行训练机器人，其特征在于：所述人体悬挂架及人体固定装置由柔性连接人体悬挂架及柔性连接人体固定装置连接构成；所述柔性连接人体悬挂架上端与垂直运动驱动装置相连接，柔性连接人体悬挂架下端通过绳索悬吊连接人体固定装置；所述柔性连接人体固定装置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。
8.根据权利要求1至4任一项所述的悬轨式类脑智能仿生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躯干重心转移传感器、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。
9.根据权利要求8所述的悬轨式类脑智能仿生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。
10.根据权利要求8所述的悬轨式类脑智能仿生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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