CN109925165B - 基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构。本发明提供了一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，能够满足下肢康复患者在平地上行走的基本步态，能够更好的实现人机之间的耦合。

Description

基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，尤其是涉及一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人。

背景技术

康复机器人是近年来出现的一种新型机器人，作为医疗机器人的一个重要分支，他的研究贯穿了康复医学、机械学、力学、材料学、数学分析、有限元仿真以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域研究的一个热点。近年来，由于经济的飞速发展，交通运输工具迅速增多，因交通事故而造成肢体损伤的人数直线上升。同时，随着人民生活水平的提高，我国和许多国家一样，正在步入老龄化。据统计，我国60岁即以上的人口已有2.22亿，占全国人口的16.5%。在老龄人群众中有大量的心脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。目前患心脑血管疾病的中老年人出现偏瘫的人数不断增多，而且年龄呈现年轻化趋势。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到很重要的作用。尽早进行康复训练不仅能够维持关节活动度，防止关节挛缩，而且能够明显提高患者运动功能的最终恢复程度。

目前，在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但康复机器人研究仍处于起步阶段。近几年我国康复工程在个方面取得了一定的成果，特别是在技术含量不太高的中档产品如康复器械发展较快。

浙江大学机电所开发研制了可穿戴式假肢，该研究致力于开发一套用于增强人体步行能力的可穿戴式下肢假肢，他引入人作为整个控制系统的主要部分，可以缓解人们由于过量的双足步行所引起的身体疲劳。目前，已经开发了一套下肢的原型试验系统，用来验证一些理论成果并依次为平台进行下一阶段的实验研究。

上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了一套可穿戴式助力机械腿，单侧下肢有两个自由度，分别为髋关节和膝关节的屈伸自由度，这两个自由度分别有电动缸驱动。美国麻省理工学院研制了著名的PAMM系统，包括智能型步行机和智能手杖装置，该系统利用力觉传感器作为主要的输入接口，驱动系统底部的主动轮，从而实现用户行走的功能。为解决穿戴不方便问题，日本本田公司设计智能下肢助力系统，这种佩戴在图nude机械装置可以帮助肌肉力量不足的老年人提高行走速度、延长行走距离、改善步伐整齐性。

通过对市场上已有的类似产品的分析我们总结如下：

1.质量过大，导致体积过大、动作笨拙的问题。由于康复机器人在助力用户行走的过程中所需要的自由度过多，多数产品添加的电机数量过多，由此导致控制困难、体积过大、噪声、舒适度等一系列问题。

2.自适应能力不够，学习能力差。要想更好地达到康复训练的目的，学习使用者的行走规律和习惯，同时根据使用者不同阶段的状况机器人提供不同大小的助力是必不可少的。

3.信号传输的延迟导致与操作者的预期动作不符合。目前多采用sEMG传感器和压力传感器，信号传输到中央处理器后经过分析，再将操作指令传送出去，由此导致信号的滞后问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，能够满足下肢康复患者在平地上行走的基本步态，能够更好的实现人机之间的耦合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；

每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构，所述大腿机构包括大腿杆和用于固定大腿的大腿助力板，所述大腿助力板安装在大腿杆的内侧，所述小腿机构包括小腿杆和用于固定小腿的小腿助力板，所述小腿助力板安装在小腿杆的内侧，所述小腿助力板和大腿助力板均为弧形，所述大腿杆的上端通过髋关节与机架的腰部结构连接，所述大腿杆的下端通过膝关节与小腿杆的上端连接；

所述膝关节包括大腿转轮、小腿转轮、两个弧形连接块、两根膝关节线绳和膝关节驱动电机，所述大腿转轮与小腿转轮始终相切并布置在两个弧形连接块之间，两个弧形连接块的上下两端分别通过一根转动轴连接，所述大腿转轮通过大腿三角支架可转动的安装在位于上侧的转动轴上，所述大腿三角支架固定在大腿杆的下端，所述小腿转轮通过小腿三角支架可转动的安装在位于下侧的转动轴上，小腿三角支架固定在小腿杆的上端，所述大腿三角支架的前部和小腿三角支架的前部分别设置两个弹簧连接柱，两个弹簧连接柱分别对称布置在相应的转轮的左右两侧，大腿三角支架上的每个弹簧连接柱与同一侧的小腿三角支架上的弹簧连接柱分别通过膝关节复位弹簧连接；

所述大腿三角支架的后部和小腿三角支架的后部分别设置两个线轮，两个线轮分别对称布置在相应的转轮的左右两侧；在大腿杆的下端左右两侧分别对称设有一个线轮，每根膝关节线绳的一端绕在小腿三角支架上的线轮并固定在该线轮上，其另一端绕过位于同一侧的大腿三角支架上的线轮后，再绕回小腿三角支架上的线轮，接着经过大腿三角支架上的线轮、大腿杆上的线轮后贴着大腿杆向上延伸，两根膝关节线绳向上延伸后与膝关节驱动电机同步联动，膝关节驱动电机安装在机架的腰部结构上；

所述运动监测装置包括用于测量关节运动角度的硅胶模块和中央处理器，所述硅胶模块设置在膝关节的后侧上，包括光纤传感器和柔性底板，所述光纤传感器嵌入到柔性底板内，柔性底板的上下两端分别与大腿三角支架、小腿三角支架连接，所述光纤传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与膝关节驱动电机连接。

进一步，每个外足机构均包括连杆机构、外足驱动电机和足关节，所述连杆机构包括大腿三角连杆、小腿三角连杆、第一三角连杆、第二三角连杆、主动连杆和从动连杆，所述大腿三角连杆的上顶点与第一三角连杆的前顶点铰接，所述第一三角连杆固定安装在平台上，所述主动连杆的上端与第一三角连杆的下顶点通过传动轴铰接，所述主动连杆的下端与第二三角连杆的后侧上顶点铰接，所述第二三角连杆的前顶点与大腿三角连杆的后顶点铰接，第二三角连杆的后侧下顶点与从动连杆的上端铰接，所述从动连杆的下端与小腿三角连杆的后顶点铰接，所述小腿三角连杆的前侧上顶点与大腿三角连杆的下顶点铰接，所述小腿三角连杆的前侧下顶点安装在足关节上，所述外足驱动电机设在机架腰部结构上且其输出轴通过同步带与传动轴连接；其中，所述主动连杆与第一三角连杆、第二三角连杆、大腿三角连杆组成曲柄摇杆机构，同时大腿三角连杆与小腿三角连杆、从动连杆、第二三角连杆组成双摇杆机构。

再进一步，所述髋关节包括上下两块平板、三根曲线连杆、三个球铰链、三个万向节、四根髋关节线绳和两个髋关节驱动电机，三个万向节等圆周设置在上侧的平板底面上，三个球铰链与三个万向节上下错位布置且等圆周设置在下侧的平板顶面上，三个万向节分别通过三根曲线连杆与三个球铰链连接，每根曲线连杆上端连接的万向节与该根曲线连杆下端连接的球铰链映射在同一个平面上呈中心对称布置；上下两块平板均呈四边形，上下两块平板中的每个平板每个边分别设有一个线轮位于上下同一侧的两块平板上的线轮通过一根髋关节线绳连接，髋关节线绳的一端固定，另一端与髋关节驱动电机的电机轴同步联动，左右对称设置的两根髋关节线绳共用一个髋关节驱动电机，前后对称布置的两根髋关节线绳共用另一个髋关节驱动电机，两个髋关节驱动电机安装在机架腰部结构上且与中央处理器连接；上侧平板顶面安装在腰部结构上，下侧平板的底面安装在大腿杆的上端。

再进一步，所述大腿杆为矩形杆，大腿助力板上设有用于套装在大腿杆上的矩形管，所述小腿杆为矩形杆，小腿助力板上设有用于套装在小腿杆上的矩形管。

再进一步，所述大腿转轮的边沿中部设有弧形凸起，所述小腿转轮的边沿中部设有弧形凹槽，所述弧形凸起与弧形凹槽啮合。

再进一步，所述平台与腰部结构之间通过连接器连接，连接器包括内圈和外圈，内圈和外圈之间通过四个减震弹簧连接，内圈安装在腰部结构的底部并与腰部结构同轴设置，平台安装在外圈上。

更进一步，所述足关节包括竖杆和四趾结构，所述四趾结构包括四根趾骨和趾骨平台，四根趾骨围绕竖杆布置，四根趾骨与竖杆之间分别通过一个足关节第二弹簧连接；所述趾骨平台可上下滑动的安装在竖杆的下端，小腿三角连杆的前侧下顶点安装在竖杆的上端上，所述竖杆上套有足关节第一弹簧，所述足关节第一弹簧的上端与小腿三角连杆连接，所述足关节第一弹簧的下端与趾骨平台连接；每个趾骨的末端底部以及竖杆的底部分别设有橡胶垫。

本发明的有益效果主要表现在：

（1）本发明能够与人的步态协调一致，能够满足下肢康复患者在平地上行走的基本步态，两内足机构能够与人的腿部运动情况一致，能够更好的实现人机之间的耦合；

（2）本发明在两内足机构的关节处的设计上均采用柔性传动，利用柔性传动特点，将电机集中在机架腰部结构上，便于电路的优化布置；

（3）本发明在两内足机构的髋关节处采用并联机构，实现三自由度运动，具有高刚度、高承载力、高动态性能的特性，有着占用空间小优点。

附图说明

图1是本发明的后视图。

图2是本发明的侧视图。

图3是外足机构的三维图。

图4是图3的主视图。

图5是足关节的放大图。

图6是内足机构的三维图。

图7是图5的后视图。

图8是内足机构的膝关节三维图。

图9是内足机构的膝关节装配图。

图10是膝关节局部放大图。

图11是髋关节万向机构三维图。

图12是髋关节万向机构装配图。

图13是从上俯视，万向节、球铰链布置图。

图14是髋关节处线轮绕线方式图。

图15是大腿助力板三维图。

图16是图15的侧视图。

图17是内足机构与外足机构的连接器三维图。

图18是人体腿部肌肉模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图18，一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位且镜像布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；

每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构，所述大腿机构包括大腿杆和用于固定大腿的大腿助力板，所述大腿助力板安装在大腿杆的内侧，所述小腿机构包括小腿杆和用于固定小腿的小腿助力板，所述小腿助力板安装在小腿杆的内侧，所述小腿助力板和大腿助力板均为弧形，所述大腿杆的上端通过髋关节与机架的腰部结构连接，所述大腿杆的下端通过膝关节与小腿杆的上端连接；

所述膝关节包括大腿转轮18、小腿转轮20、两个弧形连接19、两根膝关节线绳和膝关节驱动电机，所述大腿转轮18与小腿转轮20始终相切并布置在两个弧形连接块19之间，两个弧形连接块19的上下两端分别通过一根转动轴连接，所述大腿转轮18通过大腿三角支架可转动的安装在位于上侧的转动轴16上，所述大腿三角支架固定在大腿杆的下端，所述小腿转轮20通过小腿三角支架可转动的安装在位于下侧的转动轴22上，小腿三角支架固定在小腿杆的上端，所述大腿三角支架的前部和小腿三角支架的前部分别设置两个弹簧连接柱，两个弹簧连接柱分别对称布置在相应的转轮的左右两侧，大腿三角支架上的每个弹簧连接柱17与同一侧的小腿三角支架上的弹簧连接柱21分别通过膝关节复位弹簧连接；

所述大腿三角支架的后部和小腿三角支架的后部分别设置两个线轮，两个线轮分别对称布置在相应的转轮的左右两侧；在大腿杆的下端左右两侧分别对称设有一个线轮15，每根膝关节线绳的一端绕在小腿三角支架上的线轮13并固定在该线轮13上，其另一端绕过位于同一侧的大腿三角支架上的线轮14后，再绕回小腿三角支架上的线轮13，接着经过大腿三角支架上的线轮14、大腿杆上的线轮15后贴着大腿杆向上延伸，两根膝关节线绳向上延伸后与膝关节驱动电机同步联动，膝关节驱动电机安装在机架的腰部结构上；

所述运动监测装置包括用于测量关节运动角度的硅胶模块和中央处理器，所述硅胶模块设置在膝关节的后侧上，包括光纤传感器和柔性底板，所述光纤传感器嵌入到柔性底板内，柔性底板的上下两端分别与大腿三角支架、小腿三角支架连接，所述光纤传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与膝关节驱动电机连接。

进一步，每个外足机构均包括连杆机构、外足驱动电机和足关节，所述连杆机构包括大腿三角连杆2、小腿三角连杆3、第一三角连杆1、第二三角连杆10、主动连杆11和从动连杆9，所述大腿三角连杆2的上顶点与第一三角连杆1的前顶点铰接，所述第一三角连杆1固定安装在平台上，所述主动连杆11的上端与第一三角连杆1的下顶点通过传动轴12铰接，所述主动连杆11的下端与第二三角连杆10的后侧上顶点铰接，所述第二三角连杆10的前顶点与大腿三角连杆2的后顶点铰接，第二三角连杆10的后侧下顶点与从动连杆9的上端铰接，所述从动连杆9的下端与小腿三角连杆3的后顶点铰接，所述小腿三角连杆3的前侧上顶点与大腿三角连杆2的下顶点铰接，所述小腿三角连杆3的前侧下顶点安装在足关节上，所述外足驱动电机设在机架腰部结构上且其输出轴通过同步带与传动轴12连接；其中，所述主动连杆11与第一三角连杆1、第二三角连杆10、大腿三角连杆2组成曲柄摇杆机构，同时大腿三角连杆2与小腿三角连杆3、从动连杆9、第二三角连杆10组成双摇杆机构。

再进一步，所述髋关节包括上下两块平板23、三根曲线连杆26、三个球铰链、三个万向节24、四根髋关节线绳和两个髋关节驱动电机，三个万向节24等圆周设置在上侧的平板底面上，三个球铰链与三个万向节上下错位布置且等圆周设置在下侧的平板顶面上，三个万向节分别通过三根曲线连杆26与三个球铰链连接，每根曲线连杆上端连接的万向节与该根曲线连杆下端连接的球铰链映射在同一个平面上呈中心对称布置；上下两块平板23均呈四边形，上下两块平板23中的每个平板每个边分别设有一个线轮，位于上下同一侧的两块平板上的线轮通过一根髋关节线绳连接，髋关节线绳的一端固定，另一端与髋关节驱动电机的电机轴同步联动，左右对称设置的两个髋关节线绳共用一个髋关节驱动电机，前后对称布置的两个髋关节线绳共用另一个髋关节驱动电机，两个髋关节驱动电机安装在机架腰部结构上且与中央处理器连接；上侧平板顶面安装在腰部结构上，下侧平板的底面安装在大腿杆的上端。硅胶模块检测后经信号传输到中央处理后控制膝关节和髋关节的运动。

再进一步，所述大腿杆为矩形杆，大腿助力板上设有用于套装在大腿杆上的矩形管，所述小腿杆为矩形杆，小腿助力板上设有用于套装在小腿杆上的矩形管。

再进一步，所述大腿转轮18的边沿中部设有弧形凸起，所述小腿转轮20的边沿中部设有弧形凹槽，所述弧形凸起与弧形凹槽啮合。

再进一步，所述平台与腰部结构之间通过连接器连接，连接器包括内圈和外圈，内圈和外圈之间通过四个减震弹簧连接，内圈安装在腰部结构的底部并与腰部结构同轴设置，平台安装在外圈上。

更进一步，所述足关节包括竖杆和四趾结构，所述四趾结构包括四根趾骨5和趾骨平台8，四根趾骨5围绕竖杆布置，四根趾骨5与竖杆之间分别通过一个足关节第二弹簧7连接；所述趾骨平台8可上下滑动的安装在竖杆的下端，小腿三角连杆3的前侧下顶点安装在竖杆的上端上，所述竖杆上套有足关节第一弹簧4，所述足关节第一弹簧4的上端与小腿三角连杆3连接，所述足关节第一弹簧4的下端与趾骨平台8连接；每个趾骨5的末端底部以及竖杆的底部分别设有橡胶垫6。

如图4所示，主动连杆11由外足驱动电机带动旋转。在主动连杆11进行360旋转过程中，第一三角连杆1、主动连杆11、第二三角连杆10、大腿三角连杆2四根杆组成曲柄摇杆机构。第一三角连杆1始终与上机架的平台相结合保持不动，从而保证机构整体的稳定性。第二三角连杆10和大腿三角连杆2做相应的旋转，下面的第二三角连杆10、从动连杆9、小腿三角连杆3、大腿三角连杆2四根杆组成另一个双摇杆机构，其中小腿三角连杆3与足关节连接，在小腿三角连杆3运动的同时完成抬腿和复位的动作。因此四个外足机构整体组成一个联动机构，每个外足机构只需要一个电机，共四个电机，并集成在机架的腰部位置。外足驱动电机放在机架腰部结构上，通过同步带，将电机动力传递给传动轴12，传动轴12再带动主动连杆11做圆周运动；将电机的转速转换成连杆的运动。

四个外足机构分别布置在机器的前后左右四个位置，通过对称布置来实现机器在站立形态下的平稳姿态。四个外足机构的结构、尺寸相同。现以单个外足机构做说明。所述单个外足机构主要是由两个模块组成的，分别是大腿模块和小腿模块。所述的大腿模块是采用四杆机构，一方面与驱动源连接，实现驱动的力传递作用，一方面与小腿模块连接，给小腿模块向前迈进提供动力。所述的小腿模块采用四杆机构，一方面与大腿模块连接，进而实现迈进功能，一方面与减震机构连接，完成机器的落地。

本装置采用电机驱动，通过电机的转速来调节腿部运动的步频，实现两腿的差速，进而实现转弯的动作。

如图5所示，足关节上的弹簧的作用是减震缓冲，其中有一根大弹簧和四根小弹簧，足关节第一弹簧4为大弹簧，足关节第二弹簧7为小弹簧，趾骨平台8可以在中间的竖杆上运动，中间的竖杆小腿三角连杆3一体成型。四根小弹簧分别连接在四根趾骨5和中间竖杆上，趾骨5的上端可以转动，通过小弹簧的伸缩可以使五个橡胶垫6始终与地面接触，增强机构的稳定性。

足关节采用五点接触地面，能够尽快恢复小腿三角连杆3落地的姿态，通过足关节第二弹簧7的收缩量以及收缩方向不同，实现不同落地情况的减震。进而保证机器在运行过程中，上面的平台始终处于水平状态。

如图6和图7所示，左右两条内足机构各有三个电机，其中髋关节处有两个，膝关节处有一个，保证不同方向上的自由度。在行走过程中，先迈出左脚或右脚，此时髋关节前摆，膝关节后摆，左腿呈现一个前弓的状态，重心位于右腿上，然后左腿抬起同时膝关节前摆左腿伸直向前迈进，重心开始转移，右腿开始弯曲，左右腿一前一后，重心转移到左腿，然后右腿向前迈进、落地完成一步的行走。本发明就是最大化的模拟人走路的步态，在传感器检测到相应信号之后，经中央处理器识别处理后反馈到腿部，由电机驱动，助力板上有一个相应的力帮助腿部肌肉无力的用户完成抬腿动作。

如图8和图9所示，大腿机构与弧形连接块19之间形成固定端约束，两者之间的相对位置不变，即弧形连接块19不绕转动轴16转动。大腿转轮18与小腿转轮20在转动过程中始终保持相切状态。两个弧形连接块19向前凸，每根转动轴均穿过相应的三角支架，每个转轮都是固定在相应的三角支架上，每个三角支架分别与相应的机构固定连接；

膝关节的运动控制方式如下所述，膝关节处采用柔性驱动，即通过线轮与线绳来实现关节的弯曲控制，通过膝关节复位弹簧的弹性变形复位功能，实现关节的直立功能。所述线轮绕线布置如图9所示，膝关节线绳首先绕在线轮13上，并与线轮13固定连接，然后绕过线轮14，此后绕线方式类似于动滑轮中的绕线，在绕回线轮13，从线轮13处的线引出后，绕过线轮14，线经过线轮15之后，实现垂直方向上的改变，并紧贴着大腿杆延伸至机架腰部与膝关节驱动电机连接。膝关节两处的线轮都是对称布置，如图10所示，并且绕线方式也相同。具体控制方式如下所述，通过控制膝关节驱动电机的转动实现对膝关节线绳的拉紧与松弛，进而实现膝关节的弯曲运动，具体控制方式如下，膝关节驱动电机正转时，线绳被拉紧，线轮13与线轮14之间的距离缩短，小腿机构绕转动轴22转动，实现膝关节的弯曲动作，此时弹簧连接柱间的距离变大，与之连接的膝关节复位弹簧处于拉伸状态；当膝关节驱动电机反转时，线绳处于松弛状态，在膝关节复位弹簧的作用下，弹簧连接柱17、21之间的距离缩短，线轮13与线轮14之间的距离增大，小腿机构绕转动轴22反向转动，恢复到直立状态，实现膝关节的复位动作。膝关节驱动电机的电机轴上可以设有两个同步运动的线轮，用于连接两根膝关节线绳，实现一个电机同步带动两根线绳的运动。

如图10所示，三角支架与相应的转轮形成扇形结构，用来完成前后方向上摆动时角度的控制，因此在扇形结构的端部对称布置有两个线轮。

基于绳驱动的中间两内足机构指的是下肢康复训练机器人的主体部分，也就是与人两腿相结合的中间两足。内两足的模型设计是基于人体腿部模型设计而来的，主要包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构四个部分。通过四个部分的共同作用，机器人内两足能够完成与人腿部一致的运动，即大腿机构、小腿机构以及膝关节之间共同配合作用产生的弯曲伸直运动，还有机架、髋关节与大腿机构配合的髋关节的三自由度转动。所述的髋关节以及膝关节均采用绳驱动的方式来实现相应的功能，减少带动电机数量，便于将所有的驱动电机集成在一块。

所述大腿机构与小腿机构，两者结构外形和功用上相似，助力板整体形状呈四分之三的椭圆形，在工作时通过绑带与人腿紧密结合在一起，主要起到固定穿戴的作用和助力推动两个作用。

所述膝关节能够满足前后方向上的自由度，由两个大小相等能够相互啮合的转轮分别位于大腿机构的最下端和小腿机构的最上端。大腿转轮上的弧形凸起与小腿转轮上的弧形凹槽啮合，类似齿轮的机构从而保证人在抬腿过程中，小腿能够以确定的角度跟随大腿而不会出现偏差。

膝关节是连接小腿和大腿的重要部位，由髌骨与股骨的髌面相接，股骨的内、外侧髁分别与胫骨的内、外侧髁相对。通过韧带拉伸使小腿相对大腿前后摆动，只要一个自由度，大部分康复训练者摆动的角度为60度。

如图11和图12所示，25为上侧平板上的线轮，27为下侧平板上的线轮；髋关节相对膝关节来说多了一个左右方向上的侧摆要求，基于这种要求采用了万向节，灵活多变。所述髋关节采用曲线连杆和球铰链将上下两块平板连接起来，组成三自由度的并联机构。上下两块平板分别与机架腰部结构、内足机构的大腿杆连接。球铰链和曲线连杆固定，实现两自由度的运动。线轮与平板固定在一起，分别布置在正方形平板的四个边上，上下两块平板之间的线轮通过髋关节线绳来实现传动。

髋关节是连接大腿和人体躯干的部位，髋关节由股骨头与髋臼构成，属球窝关节，是典型的杆臼关节。通过韧带拉伸使大腿相对躯体前后和左右摆动，不考虑康复时期的微弱自转，认为有两个自由度，大部分康复者训练者前后摆动和左右摆动角度分别为50度和20度。

如图13所示，圆形代表球铰链，十字形代表万向节；在下侧平板中心点处且在一定半径的圆周上均布三个球铰链，在上侧平板中心点处同样半径的圆周上均布三个万向节，使得从正上方观察时，上下台面中心点重合，对应万向节、球铰链关于中心点对称，从上俯视，其万向节、球铰链布置如下图13。线轮均布在上下两块平板的四周。

髋关节处的两个自由度依靠两个髋关节驱动电机对髋关节线绳的张紧与松开实现，电机上装有线轮，线轮处引出的线绳通过其他关节处的导向轮延伸至髋关节，髋关节上平板处有光滑倒角小孔，线绳从该孔引入髋关节，髋关节处线轮绕线方式如图14。

髋关节转向原理与滑轮组原理类似，例：当髋关节驱动电机正转时，其上的线轮正转，一面线轮处线绳得到张紧，在张紧力作用下该面上下线轮之间距离变小，下侧平板处线轮向上靠近，而其对面线轮处线松开，张紧力变小，在张紧力作用下对面的上下线轮之间距离变大，下侧平板处线轮远离上侧平板处线轮。在两相对面线轮作用下关节实现向一个方向转动。同理，在其相邻面线轮作用下关节能够实现向另一个方向的转动。

一个髋关节驱动电机的电机轴上可以设置两个线轮，用于两根髋关节线绳实现同步运动，两个髋关节驱动电机可上下布置，其电机轴之间呈十字交叉布置；每根髋关节线绳的一端可固定在电机的线轮上，线绳的另一端穿过上侧平板上的小孔、经过上侧平板上的线轮，绕过下侧平板上的线轮，经过上侧平板上的线轮另一侧、穿过上侧平板上的另一小孔，固定在相应的髋关节驱动电机的电机轴上的一个线轮上。

如图15和图16所示，助力板整体是一个椭圆形的机构。

如图17所示，是两条内足机构与四各外足机构的连接器，包括内圈和外圈以及中间的减震机构。其中内圈与内两足相连，外圈与外四足相连，起到一个很好的过渡作用。中间的减震机构是前后左右四个方向的减震弹簧，可以减缓来自不同方向的震动。

本发明的内足机构的动力传动是通过线绳传动来实现。线绳传动的结构简单、体积小、低噪声、传动稳定等诸多优点，更主要的是它在传动的同时还能进行弯曲角度的控制。具体来说在大腿和小腿机构的外侧放置有一个空心的矩形管用来布线。通过对电机正反转圈数的控制完成一个周期的循环。

如图18所示，为膝关节前后摆动运动监测原理。膝关节弯曲，导致膝盖处皮肤A点与B点之间的距离发生变化，图中C点与B点是皮肤的同一处，其中曲线AC长度与曲线AC’相同，而BC为距离变化长度。膝关节由伸展位置转动到曲屈位置时，皮肤表面的Ｂ点运动到Ｃ点，加大了与Ａ点的距离。通过测量皮肤表面固定点Ａ、Ｂ之间的距离来间接实现关节运动角度的监测。

测量距离的装置是以光纤宏弯损耗为机理的硅胶模块。光纤宏弯损耗是指在光纤弯曲时，光束在光纤内部不满足全反射条件，折射到光纤的包层和保护层从而造成光强损耗的现象。

硅胶模块两端分别固定在膝关节两三角支架上，当膝关节转动时，两端间的距离也随之变化，从而达到改变光强损耗的强弱，继而达到检查转动角度。

光纤传感器排在柔性底板的轨道里，当柔性底板收缩和拉伸时，光纤传感器收缩和拉伸也沿着轨道。

测量膝关节：将光纤传感器嵌入到硅胶模块后与膝关节贴合，使膝关节做前后摆动运动时，关节两侧的固定点之间的距离转换为硅胶模块的伸缩，并引起光纤宏弯损耗，影响光强的变化。通过测量光强的大小来间接确定关节运动角度。

就机器人整体来说，两内足机构起助力的作用，同时采集腿部信号，是传感器集成的主要地方；例如陀螺仪用于检测机构的倾斜及时反馈，压力传感器用来检测人腿部对大腿和小腿关节的压力，并提供一定大小的助力等等。四外足机构起导向作用，包括保证机体整个的稳定性，在重心发生移动时机构不发生倾斜和用过两侧电机旋转的差速带动实现转向。

本发明主要适用于由年迈造成腿部肌肉无力的老年人和下肢不便者能够在简单空间里进行行走训练，主要包括直行、左右转向两部分行走训练内容。

Claims (6)

1.一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；

每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构，所述大腿机构包括大腿杆和用于固定大腿的大腿助力板，所述大腿助力板安装在大腿杆的内侧，所述小腿机构包括小腿杆和用于固定小腿的小腿助力板，所述小腿助力板安装在小腿杆的内侧，所述小腿助力板和大腿助力板均为弧形，所述大腿杆的上端通过髋关节与机架的腰部结构连接，所述大腿杆的下端通过膝关节与小腿杆的上端连接；

所述膝关节包括大腿转轮、小腿转轮、两个弧形连接块、两根膝关节线绳和膝关节驱动电机，所述大腿转轮与小腿转轮始终相切并布置在两个弧形连接块之间，两个弧形连接块的上下两端分别通过一根转动轴连接，所述大腿转轮通过大腿三角支架可转动的安装在位于上侧的转动轴上，所述大腿三角支架固定在大腿杆的下端，所述小腿转轮通过小腿三角支架可转动的安装在位于下侧的转动轴上，小腿三角支架固定在小腿杆的上端，所述大腿三角支架的前部和小腿三角支架的前部分别设置两个弹簧连接柱，两个弹簧连接柱分别对称布置在相应的大腿转轮和小腿转轮的左右两侧，大腿三角支架上的每个弹簧连接柱与同一侧的小腿三角支架上的弹簧连接柱分别通过膝关节复位弹簧连接；

所述大腿三角支架的后部和小腿三角支架的后部分别设置两个线轮，两个线轮分别对称布置在相应的大腿转轮和小腿转轮的左右两侧；在大腿杆的下端左右两侧分别对称设有一个线轮，每根膝关节线绳的一端绕在小腿三角支架上的线轮并固定在该线轮上，其另一端绕过位于同一侧的大腿三角支架上的线轮后，再绕回小腿三角支架上的线轮，接着经过大腿三角支架上的线轮、大腿杆上的线轮后贴着大腿杆向上延伸，两根膝关节线绳向上延伸后与膝关节驱动电机同步联动，膝关节驱动电机安装在机架的腰部结构上；

所述运动监测装置包括用于测量关节运动角度的硅胶模块和中央处理器，所述硅胶模块设置在膝关节的后侧上，包括光纤传感器和柔性底板，所述光纤传感器嵌入到柔性底板内，柔性底板的上下两端分别与大腿三角支架、小腿三角支架连接，所述光纤传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与膝关节驱动电机连接；

每个外足机构均包括连杆机构、外足驱动电机和足关节，所述连杆机构包括大腿三角连杆、小腿三角连杆、第一三角连杆、第二三角连杆、主动连杆和从动连杆，所述大腿三角连杆的上顶点与第一三角连杆的前顶点铰接，所述第一三角连杆固定安装在平台上，所述主动连杆的上端与第一三角连杆的下顶点通过传动轴铰接，所述主动连杆的下端与第二三角连杆的后侧上顶点铰接，所述第二三角连杆的前顶点与大腿三角连杆的后顶点铰接，第二三角连杆的后侧下顶点与从动连杆的上端铰接，所述从动连杆的下端与小腿三角连杆的后顶点铰接，所述小腿三角连杆的前侧上顶点与大腿三角连杆的下顶点铰接，所述小腿三角连杆的前侧下顶点安装在足关节上，所述外足驱动电机设在机架腰部结构上且其输出轴通过同步带与传动轴连接；其中，所述主动连杆与第一三角连杆、第二三角连杆、大腿三角连杆组成曲柄摇杆机构，同时大腿三角连杆与小腿三角连杆、从动连杆、第二三角连杆组成双摇杆机构。

2.如权利要求1所述的基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：所述髋关节包括上下两块平板、三根曲线连杆、三个球铰链、三个万向节、四根髋关节线绳和两个髋关节驱动电机，三个万向节等圆周设置在上侧的平板底面上，三个球铰链与三个万向节上下错位布置且等圆周设置在下侧的平板顶面上，三个万向节分别通过三根曲线连杆与三个球铰链连接，每根曲线连杆上端连接的万向节与该根曲线连杆下端连接的球铰链映射在同一个平面上呈中心对称布置；上下两块平板均呈四边形，上下两块平板中的每个平板每个边分别设有一个线轮，位于上下同一侧的两块平板上的线轮通过一根髋关节线绳连接，髋关节线绳的一端固定，另一端与髋关节驱动电机的电机轴同步联动，左右对称设置的两根髋关节线绳共用一个髋关节驱动电机，前后对称布置的两根髋关节线绳共用另一个髋关节驱动电机，两个髋关节驱动电机安装在机架腰部结构上且与中央处理器连接；上侧平板顶面安装在腰部结构上，下侧平板的底面安装在大腿杆的上端。

3.如权利要求1所述的基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿杆为矩形杆，大腿助力板上设有用于套装在大腿杆上的矩形管，所述小腿杆为矩形杆，小腿助力板上设有用于套装在小腿杆上的矩形管。

4.如权利要求1所述的基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿转轮的边沿中部设有弧形凸起，所述小腿转轮的边沿中部设有弧形凹槽，所述弧形凸起与弧形凹槽啮合。

5.如权利要求1所述的基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：所述平台与腰部结构之间通过连接器连接，连接器包括内圈和外圈，内圈和外圈之间通过四个减震弹簧连接，内圈安装在腰部结构的底部并与腰部结构同轴设置，平台安装在外圈上。

6.如权利要求1所述的基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：所述足关节包括竖杆和四趾结构，所述四趾结构包括四根趾骨和趾骨平台，四根趾骨围绕竖杆布置，四根趾骨与竖杆之间分别通过一个足关节第二弹簧连接；所述趾骨平台可上下滑动的安装在竖杆的下端，小腿三角连杆的前侧下顶点安装在竖杆的上端上，所述竖杆上套有足关节第一弹簧，所述足关节第一弹簧的上端与小腿三角连杆连接，所述足关节第一弹簧的下端与趾骨平台连接；每个趾骨的末端底部以及竖杆的底部分别设有橡胶垫。