CN109846675B - 一种可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构及其康复助行机构 - Google Patents

Abstract

一种可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构及其康复助行机构，该机械结构包含髋关节步行训练器和膝关节步行训练器2个部分，髋关节步行训练器和膝关节步行训练器采用模块化设计，二者可单独使用，二者的组合可以形成整体下肢步行训练器。相比较于大型下肢外骨骼机器人及便携外骨骼机器人更具灵活性和精准性，同时可以依据病患程度组合定制、降低患者花费，同时这种模块化设计，可自由拼接组合是一种趋势。

Description

一种可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构及其康复助行 机构

技术领域

本发明涉及一种康复机器人、外骨骼机器人、步行训练设备领域，尤其是涉及一种可自由拼接组合的下肢步行训练器的机械结构及其康复助行机构。

背景技术

近年来我国肢体残疾人数在呈现不断递增趋势，患者接受康复训练的需求和供给存在巨大缺口；老年人高发病诸如由于大脑，神经，脊椎，肌肉或骨骼相关紊乱而导致下肢功能丧失或运动受限制，需要辅助康复治疗，其带来的康复需求使得康复医疗行业的需求空间持续增加，传统的人工或简单的医疗设备已经不能满足下肢患者的康复需求，需要康复设备对下肢进行合理训练。

下肢康复设备：第一种，常见的诸如大型带悬吊和跑台系统的下肢步行训练康复机器人，此种机器人功能比较系统全面，能够使用在下肢康复的全周期，但此设备受限于体积大、昂贵、使用场合受限、穿戴繁琐等；第二种，诸如下肢便携外骨骼机器人，基本上是双腿全关节外骨骼，以助力和助行为主，关节无法拆分，患者康复过程中，常常正常的肢体和关节部分也要跟着做康复训练，缺少针对单一肢体、阶段、关节的灵活性训练。

现有技术中，如中国专利申请(申请号：CN201610835177)公开一种下肢康复机器人助行机构，该结构包括结构相同的左、右侧腿部助行机构，以及连接在左、右侧腿部助行机构上端之间的机架，每侧腿部助行机构分别由髋关节机构、膝关节机构、坐垫机构构成，其中：每侧腿部助行机构中髋关节机构分别包括大腿杆、大腿连杆、髋曲柄、髋部杆，所述大腿杆竖向设置，大腿杆上端与机架对应侧之间转动连接，大腿杆后侧上部向后固定成型有短连杆一，短连杆一后端与大腿连杆一端转动连接，大腿连杆另一端向后上方倾斜伸展，所述髋曲柄为两柄杆通过各自一端转动连接构成的倒V形结构，大腿连杆另一端与髋曲柄的V形一端即前端转动连接，所述髋部杆沿前后方向水平设置，髋部杆前端与大腿杆上端、机架对应侧同轴转动连接，髋部杆后端与髋曲柄的V形拐点即上端同轴转动连接，髋部杆后端与髋曲柄上端连接的转轴上还安装有齿轮一，由大腿杆、大腿连杆、髋曲柄、髋部杆构成曲柄摇杆机构；每侧腿部助行机构中，膝关节机构包括小腿杆、小腿连杆、连杆一、连杆二、连杆三，所述小腿杆竖向设置，小腿杆上端与大腿杆下端之间转动连接，小腿杆后侧上部向后固定成型有短连杆二，短连杆二后端与小腿连杆一端转动连接，小腿连杆另一端向上伸展，且小腿连杆平行于大腿杆，所述连杆一的一端与大腿杆上端、机架对应侧、髋部杆前端同轴转动连接，所述小腿连杆另一端转动连接在连杆一的中部，由大腿杆、小腿杆、小腿连杆、连杆一、机架构成五杆机构，连杆一的另一端向后下方伸展，且连杆一的另一端与连杆二的一端转动连接，连杆二的另一端向后下方伸展，且连杆二的另一端与连杆三的一端转动连接，连杆三的另一端向后上方伸展，且连杆三的另一端与髋曲柄的V形另一端即后端通过转轴转动连接，连杆三另一端与髋曲柄后端连接的转轴上还安装有齿轮二，所述齿轮二与齿轮一传动啮合，由连杆一、连杆二、连杆三、髋曲柄、髋部杆及齿轮一、齿轮二构成五杆组合机构。

另一中国专利申请(申请号：CN201710148908)公开一种可穿戴仿生液压下肢康复助行机械装置，该机械装置包括背板1、腰板2、三轴髋关节3、双作用液压缸4、大腿主体5、仿生连杆膝关节6、小腿主体7、两轴踝关节8、脚底板9；所述三轴髋关节包括髋关节内收/外展机构、髋关节屈/伸机构及髋关节旋内/旋外机构；所述髋关节内收/外展机构包括腰板2、左右腿的连接件3.4，L型连接板3.6，关节轴承；其中左右腿的连接件3.4固定在腰板2两侧的旋转中心上，腰板的侧面设置斜坡3.7伸入左右腿的连接件3.4的凹槽3.8中作为限位结构，L型连接板通过螺栓及槽孔固定在连接件的滑道内；髋关节旋内/旋外机构中，L型连接板另一端使用螺栓压紧在一对合页铰接3.5、3.2的凹槽内，靠前侧的合页铰接3.2的外形为一边平面3.2.1，一边斜面3.2.2的形状，作为限位结构控制展开的范围；髋关节屈/ 伸机构中，靠前侧的合页铰接3.2通过马蹄形的连接板3.3与大腿主体3.1相连，马蹄形的连接板3.3上部分延伸出来与髋关节的合页铰接3.2连接；所述膝关节屈伸机构包括大腿连接件6.1、前摇杆6.3、后摇杆6.4、小腿连接件6.2、双作用液压缸6.5、限位机构6.8；大腿连接件、小腿连接件分别与大小腿主体相连，前摇杆6.3、后摇杆 6.4分别铰接在大腿连接件与小腿连接件间，将大、小腿连接在一起；双作用液压缸的一端固定于小腿连接件后侧转轴处，另一端固定在大腿的铰接处，作为动力元件控制大小腿的开合；限位机构6.8位于大腿连接件的前端，限制前摇杆的位置，以保证小腿不会反方向屈伸；大腿机构包括大腿主体3.1，大腿支撑板6.6，液压缸铰接件6.7；大腿支撑板6.6陷于大腿主体5的T型槽内；大腿支撑板6.6前面开有一排螺栓孔，中间螺栓孔与大腿主体连接，通过螺栓压紧，前面的螺栓孔与铰接件6.7.1相连；铰接件6.7.1另一端与髋关节液压缸 6.7相连；调整长度的时候两排螺栓孔配合调整，将液压缸的行程控制在合适的范围内；小腿机构包括小腿连接件6.2和小腿支撑板6.10；支撑板中间有一排螺栓孔，陷在T型槽内，由螺栓固定压紧，用来调整小腿的使用有效长度；两轴踝关节包括屈/伸转轴8.1、外展/内收转轴8.2，屈/伸转轴外层压有一条弹性钢板8.3，钢板的另一侧开有槽孔与脚底板相连，运动中钢板的弹性力逐渐平衡身体重力，将自由度限制在一定范围内，开有的槽孔适应弯曲产生的形变；踝关节液压缸8.5连接在小腿支撑板与外展/内收转轴8.2之间，控制脚底板摆动。

然而，现有技术结构复杂，同时不能实现下肢分体步行训练。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明专利涉及一种可自由拼接组合的下肢步行训练器，可以分解为左右双髋、膝四个单独步行训练器，依据患者下肢单一肢体的偏瘫，单一节段的髋、膝等病患情况，可单独使用、部分组合使用或者拼接整个下肢步行训练器使用，灵活性、精准性康复训练，提升康复效果。

本发明技术方案如下：

一种可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构，包含髋关节步行训练器和膝关节步行训练器2个部分，髋关节步行训练器和膝关节步行训练器采用模块化设计，二者的组合使用可以形成整体下肢步行训练器。

优选为：所述髋关节步行训练器包括腰部护具(1)、固定板(2)、大腿连接杆(3)、髋关节电缸固定铰链(4)、髋关节伺服电缸(5)、髋关节固定铰链(6)、髋关节电路板及其安装盒(7)、髋关节电池及其安装盒(8)；部件的连接关系如下：腰部护具(1)穿戴在人体腰部上，两左右固定板(2)与腰部护具(1)通过螺钉连接；固定板(2) 为机械安装底座并作为髋关节伺服电缸(5)的承载件，其上分别设置髋关节电缸固定铰链(4)，髋关节固定铰链(6)两个转动铰链，髋关节伺服电缸(5)的上下两端分别通过销轴与髋关节电缸固定铰链(4)和大腿连接杆(3)连接；髋关节电路板及其安装盒(7)安装在髋关节伺服电缸(5)外壳上，髋关节电池及其安装盒(8)安装在腰部护具(1)。

优选为：通过髋关节伺服电缸(5)的往复直线运动，进而驱动大腿连接杆(5)以髋关节固定铰链(6)为中心旋转，实现机械髋关节的转动，带动患者实现髋关节步行训练。

优选为：所述膝关节步行训练器包括大腿杆(9)、小腿连接件(10)、膝关节电缸固定铰链(11)、膝关节伺服电缸(12)、大腿护具(13)、膝关节电池及其安装盒(14)、膝关节电路板及其安装盒(15)、小腿杆(16)、小腿护具(17)；各个部件的连接关系：大腿护具(13)和小腿护具(17)穿戴于人体大腿和小腿外侧，膝关节伺服电缸(12) 上下两端分别通过销轴固定在大腿杆(9)的膝关节电缸固定铰链(11) 和小腿连接件(10)上的旋转铰链上，同时大腿杆(9)与小腿连接件(10)通过铰链连接，形成机械膝关节；小腿杆(16)通过小腿连接件(10)连接；膝关节电池及其安装盒(14)安装在大腿杆(9) 上，膝关节电路板及其安装盒(15)安装在膝关节伺服电缸(12)外壳上。

优选为：通过控制膝关节伺服电缸(12)的往复直线运动，进而驱动小腿连接件(10)以机械膝关节为中心绕大腿杆(9)旋转，实现机械膝关节的转动，带动患者实现膝关节步行训练。

优选为：髋关节步行训练器和膝关节步行训练器可组合使用，在大腿侧，大腿连接件(3)和大腿杆(9)开有等距排孔，用于髋关节和膝关节的组合与拆卸。

一种康复助行机构，包括上述可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构，所述可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构为两组，分别设置在患者左右腿上

有益效果

无需要全外骨骼式的康复训练，实现完整下肢的步行康复训练。相比较于大型下肢外骨骼机器人及便携外骨骼机器人更具灵活性和准确性，同时可以依据病患程度组合定制、降低患者花费，同时这种模块化设计，可自由拼接组合是一种趋势。

附图说明

图1为本发明专利髋膝拼接组合下肢步行训练器

图2为本发明专利拆分后髋关节步行训练器三维图。

图3为本发明专利拆分后膝关节步行训练器三维图。

附图标记说明：1腰部护具，2固定板，3大腿连接杆，4髋关节电缸固定铰链，5髋关节伺服电缸，6髋关节固定铰链，7髋关节电路板及其安装盒，8髋关节电池及其安装盒，9大腿杆，10小腿连接件，11膝关节电缸固定铰链，12膝关节伺服电缸，13大腿护具，14 膝关节电池及其安装盒15，膝关节电路板及其安装盒，16小腿杆， 17小腿护具。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

一种可自由拼接组合的下肢步行训练器的机械结构，包含髋关节步行训练器和膝关节步行训练器2个部分，髋关节步行训练器和膝关节步行训练器采用模块化设计，二者可单独使用，二者的组合可以形成整体下肢步行训练器。

实施例1

髋关节步行训练器包括腰部护具(1)、固定板(2)、大腿连接杆 (3)、髋关节电缸固定铰链(4)、髋关节伺服电缸(5)、髋关节固定铰链(6)、髋关节电路板及其安装盒(7)、髋关节电池及其安装盒(8)；各个部件的连接关系：腰部护具(1)穿戴在人体腰部上，两左右固定板(2)与腰部护具(1)通过螺钉连接；固定板(2)为机械安装底座并作为髋关节伺服电缸(5)的承载件，其上分别设置髋关节电缸固定铰链(4)，髋关节固定铰链(6)两个转动铰链，髋关节伺服电缸(5)的上下两端分别通过销轴与髋关节电缸固定铰链(4)和大腿连接杆(3)连接。

髋关节步行训练器工作原理：通过髋关节伺服电缸(5)的往复直线运动，进而驱动大腿连接杆(5)以髋关节固定铰链(6)为中心旋转，实现机械髋关节的转动，带动患者实现髋关节步行训练；髋关节电路板及其安装盒(7)安装在髋关节伺服电缸(5)外壳上，髋关节电池及其安装盒(8)安装在腰部护具(1)。

膝关节步行训练器包括大腿杆(9)、小腿连接件(10)、膝关节电缸固定铰链(11)、膝关节伺服电缸(12)、大腿护具(13)、膝关节电池及其安装盒(14)、膝关节电路板及其安装盒(15)、小腿杆(16)、小腿护具(17)；各个部件的连接关系：大腿护具(13)和小腿护具 (17)穿戴于人体大腿和小腿外侧，膝关节伺服电缸(12)上下两端分别通过销轴固定在大腿杆(9)的膝关节电缸固定铰链(11)和小腿连接件(10)上的旋转铰链上，同时大腿杆(9)与小腿连接件(10) 通过铰链连接，形成机械膝关节。

膝关节步行训练器工作过程：通过控制膝关节伺服电缸(12)的往复直线运动，进而驱动小腿连接件(10)以机械膝关节为中心绕大腿杆(9)旋转，实现机械膝关节的转动，带动患者实现膝关节步行训练；膝关节电池及其安装盒(14)安装在大腿杆(9)上，膝关节电路板及其安装盒(15)安装在膝关节伺服电缸(12)外壳上。

髋关节步行训练器和膝关节步行训练器有各自的电源和控制电路，髋关节步行训练器有髋关节电路板及其安装盒(7)、髋关节电池及其安装盒(8)，膝关节步行训练器有膝关节电池及其安装盒(14)、膝关节电路板及其安装盒(15)，髋关节步行训练器和膝关节步行训练器互不干涉，可单独使用。

髋关节步行训练器和膝关节步行训练器可组合使用，在大腿侧，大腿连接件(3)和大腿杆(9)开有等距排孔，用于髋关节和膝关节的组合与拆卸。

实施例2

如图2，以双髋组合为例，此种模式针对下肢大腿及髋关节、股骨部分的康复。将患者腰部绑定在腰部护具(1)上，将患者大腿绑定在大腿护具(13)上，大腿杆(9)机械大腿绑定，穿戴结束后，即可针对患者的双髋部做步行康复训练；

如图3，以单膝(或双膝)为例，此种模式针对下肢大腿以下及髋踝关节的康复。以膝关节为中心，将患者分别通过大腿护具(13) 和小腿护具(17)间接连在机械腿，穿戴结束后，即可针对患者的膝关节做步行康复训练。

如图1，以髋关节步行训练器和膝关节步行训练器拼接组合下肢步行训练器，此种模式针对下肢双腿瘫痪、下肢无力等全关节病患情况。将患者腰部绑定在腰部护具(1)上，再次通过大腿护具(13) 和小腿护具(17)与机械腿绑定，穿戴结束后，即可做全下肢步行康复训练。

本发明强调指出：1、本发明的发明点之一是该训练器的机械结构采用模块化设计，包括髋关节步行训练器机械结构以及膝关节步行训练器结构，其中髋关节步行训练器和膝关节步行训练器各自采用模块化设计，二者可单独使用也可以组合使用。这种步行训练器的机械结构设计经过本领域技术人员市场调研确定该种机械结构的步行训练器在现有技术中并不存在。

2、本发明的动力装置主要通过控制伺服电缸来实现，而每个训练器的机械结构中都包含电池以及伺服电缸结构，伺服电缸属于机械领域常常采用的一种机械结构，又称为伺服电动缸，是伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，是将伺服电机旋转运动转换为直线运动，伺服电缸主要部件包括伺服电机及其驱动器等，通过控制伺服电机就能实现电缸丝杠的控制，至于如何控制伺服电机，并不属于本发明的发明点，本领域技术人员采用常规的现有技术就能实现伺服电机的伺服控制，举例来说，我们把康复领域现有的步行分析算法(步行分析是生物力学的一种分支，是对人体行走的肢体和关节活动进行运动学观察和动力学分析，并提供一系列时间、几何、力学等参数值和曲线。该步行分析算法属于本领域公知常识，并在现有技术中普遍采用，如专利文献：CN103598889A,公开一种基于Kinect视觉步行分析的情景交互康复训练方法、CN107788991公开一种可穿戴下肢康复评估系统等等，在此不予详细描述，)导入步行训练器的控制系统中，通过上述电路板中设计的控制系统发出控制指令用于驱动伺服电缸的驱动器，进而控制伺服电机的转动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构，其特征为：包含髋关节步行训练器和膝关节步行训练器2个部分，髋关节步行训练器和膝关节步行训练器采用模块化设计，二者可单独使用，二者的组合可以形成整体下肢步行训练器；所述髋关节步行训练器包括腰部护具(1)、固定板(2)、大腿连接杆(3)、髋关节电缸固定铰链(4)、髋关节伺服电缸(5)、髋关节固定铰链(6)、髋关节电路板及其安装盒(7)、髋关节电池及其安装盒(8)；部件的连接关系如下：腰部护具(1)穿戴在人体腰部上，两左右固定板(2)与腰部护具(1)通过螺钉连接；固定板(2)为机械安装底座并作为髋关节伺服电缸(5)的承载件，其上分别设置髋关节电缸固定铰链(4)，髋关节固定铰链(6)两个转动铰链，髋关节伺服电缸(5)的上下两端分别通过销轴与髋关节电缸固定铰链(4)和大腿连接杆(3)连接；髋关节电路板及其安装盒(7)安装在髋关节伺服电缸(5)外壳上，髋关节电池及其安装盒(8)安装在腰部护具(1)；通过髋关节伺服电缸(5)的往复直线运动，进而驱动大腿连接杆(3)以髋关节固定铰链(6)为中心旋转，实现机械髋关节的转动，带动患者实现髋关节步行训练；所述膝关节步行训练器包括大腿杆(9)、小腿连接件(10)、膝关节电缸固定铰链(11)、膝关节伺服电缸(12)、大腿护具(13)、膝关节电池及其安装盒(14)、膝关节电路板及其安装盒(15)、小腿杆(16)、小腿护具(17)；各个部件的连接关系：大腿护具(13)和小腿护具(17)穿戴于人体大腿和小腿外侧，膝关节伺服电缸(12)上下两端分别通过销轴固定在大腿杆(9)的膝关节电缸固定铰链(11)和小腿连接件(10)上的旋转铰链上，同时大腿杆(9)与小腿连接件(10)通过铰链连接，形成机械膝关节；小腿杆(16)通过小腿连接件(10)连接；膝关节电池及其安装盒(14)安装在大腿杆(9)上，膝关节电路板及其安装盒(15)安装在膝关节伺服电缸(12)外壳上；通过膝关节伺服电缸(12)的往复直线运动，进而驱动小腿连接件(10)以机械膝关节为中心绕大腿杆(9)旋转，实现机械膝关节的转动，带动患者实现膝关节步行训练；髋关节步行训练器和膝关节步行训练器可组合使用，在大腿侧，大腿连接杆(3)和大腿杆(9)开有等距排孔，用于髋关节和膝关节的组合与拆卸。

2.一种康复助行机构，包括如权利要求1所述的可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构，其特征为：所述可拼接组合的下肢步行训练器的机械结构为两组，分别设置在患者左右腿上。

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