CN109984920A - 一种人机融合的膝关节康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种人机融合的膝关节康复机器人，包括大腿夹具、小腿夹具、人体膝关节、第一运动分支和第二运动分支。本发明人机融合的膝关节康复机器人提高了膝关节康复效果。本发明人机融合的膝关节康复机器人实现了人体膝关节屈伸运动中瞬时转动中心错位的自动补偿，避免了膝关节受到二次伤害，能够很好地增强膝关节康复效果。本发明人机融合的膝关节康复机器人属于完全解耦的并联机构，与耦合并联机构相比控制简单方便；本发明人机融合的膝关节康复机器人属于非对称的并联机构，与对称并联机构相比具有较大的工作空间。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种人机融合的膝关节康复机器人。
背景技术
随着科学技术的发展，医疗机器人技术得到快速发展，近几年康复机器人在康复医疗方面取得了不错的进展。由于机器人不存在疲倦问题，能够满足不同患者的训练强度要求，适合于患者单独进行康复训练。膝关节是人体下肢最复杂，极易损伤又很难恢复的关节之一，膝关节的屈伸运动是一种复合的运动，能够分解为平移和转动两种运动。
而现有技术中的膝关节康复机器人只是将膝关节简化为单一转轴，在运动过程中人体膝关节与外骨骼膝关节的转动瞬心会发生偏移，不能保证随时重合，使得人体膝关节与外骨骼之间出现相对位移，并且在两者绑定的位置产生额外的力和力矩。虽然两者间的相对运动被肌肉等软组织形变所补偿，但是作用力和作用力矩对康复过程产生不良的影响，影响最终的康复效果，甚至有可能对病人造成严重的二次伤害。
发明内容
本发明的目的是提供一种人机融合的膝关节康复机器人，以解决上述现有技术存在的问题，实现人体膝关节屈伸运动中瞬时转动中心错位的自动补偿，以避免膝关节受到二次伤害、增强膝关节康复效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种人机融合的膝关节康复机器人，包括大腿夹具、小腿夹具和人体膝关节，大腿夹具固定在大腿上，小腿夹具固定在小腿上，所述大腿夹具和所述小腿夹具通过第一运动分支和第二运动分支传动相连；
所述第一运动分支包括第一上连杆和第一下连杆，所述第一上连杆一端套设在滑杆上，所述滑杆通过连接架与所述大腿夹具固连，所述第一上连杆能够相对所述滑杆绕轴线转动和沿轴线滑动，所述第一上连杆另一端通过第一转动副与所述第一下连杆一端铰接，所述第一下连杆另一端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板一端与所述小腿夹具固连，所述支撑板上固设有伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副连接；所述第一转动副的轴线、所述滑杆及所述虎克铰远离所述小腿夹具的转动副的轴线相互平行；
所述第二运动分支包括第二上连杆和第二下连杆，所述第二上连杆一端通过第二转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二上连杆另一端通过第三转动副与所述第二下连杆一端铰接，所述第二下连杆另一端通过第四转动副与所述小腿夹具铰接；所述第二转动副、所述第三转动副及所述第四转动副的轴线相互平行且均与所述第一转动副的轴线垂直。
优选地，所述大腿夹具和所述小腿夹具均包括支撑架和绑带，所述支撑架呈半圆环形，所述支撑架的内壁上设置有内衬，所述绑带穿设在所述内衬内侧的卡环中，所述绑带上设置有卡扣。
优选地，所述内衬为两个。
优选地，所述第一上连杆和所述第二上连杆的长度可调。
优选地，所述第一上连杆和所述第二上连杆均包括固定杆、螺纹杆、活动杆和旋转圈，所述固定杆一端与所述螺纹杆固连，所述活动杆上设置有螺纹孔通过所述螺纹孔与所述螺纹杆螺纹连接，所述旋转圈套设在所述固定杆上且与所述活动杆螺纹连接。
优选地，所述连接架通过螺栓与所述大腿夹具连接。
优选地，所述伺服电机的输出轴通过一对锥齿轮与所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副的转动轴传动连接。
优选地，所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副与所述第四转动副的轴线平行。
本发明人机融合的膝关节康复机器人相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明人机融合的膝关节康复机器人实现了人体膝关节屈伸运动中瞬时转动中心错位的自动补偿，避免了膝关节受到二次伤害，能够很好地增强膝关节康复效果。本发明人机融合的膝关节康复机器人属于单自由度的康复机构，运动过程只需要一个伺服电机驱动，与多自由度康复机构相比，能减少电机自重给患者造成的负担，而且耗能低、造价低；本发明人机融合的膝关节康复机器人采用人机融合的理念把膝关节作为机构的一部分进行分析，更贴合人体膝关节的运动规律，仿生性好；本发明人机融合的膝关节康复机器人属于完全解耦的并联机构，与耦合并联机构相比控制简单方便；本发明人机融合的膝关节康复机器人属于非对称的并联机构，与对称并联机构相比具有较大的工作空间。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明人机融合的膝关节康复机器人的机构示意图；
图2为本发明人机融合的膝关节康复机器人中大腿夹具的结构示意图；
图3为本发明人机融合的膝关节康复机器人中第二上连杆的结构示意图；
其中，1-大腿夹具，101-支撑架，102-内衬，103-卡环，104-绑带，105-卡扣，2-连接架，3-滑杆，4-第一上连杆，5-第一下连杆，6-第一锥齿轮，7-第二锥齿轮，8-伺服电机，9-支撑板，10-联轴器，11-虎克铰，12-小腿夹具，13-第二下连杆，14-小腿，15-第二上连杆，1501-固定杆，1502-旋转圈，1503-螺纹杆，1504-活动杆，16-大腿，17-人体膝关节。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种人机融合的膝关节康复机器人，以解决现有技术存在的问题，实现人体膝关节屈伸运动中瞬时转动中心错位的自动补偿，同时实现运动解耦，以避免膝关节受到二次伤害、提高穿戴舒适性、增强膝关节康复效果。
本发明提供一种人机融合的膝关节康复机器人，包括大腿夹具、小腿夹具，和人体膝关节，大腿夹具固定在大腿上，小腿夹具固定在小腿上，所述大腿夹具和所述小腿夹具通过第一运动分支和第二运动分支传动相连；
所述第一运动分支包括第一上连杆和第一下连杆，所述第一上连杆一端套设在滑杆上，所述滑杆通过连接架与所述大腿夹具固连，所述第一上连杆能够相对所述滑杆绕轴线转动和沿轴线滑动，所述第一上连杆另一端通过第一转动副与所述第一下连杆一端铰接，所述第一下连杆另一端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板一端与所述小腿夹具固连，所述支撑板上固设有伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副的转动轴连接；所述第一转动副的轴线、所述滑杆及所述虎克铰远离所述小腿夹具的转动副的轴线相互平行；
所述第二运动分支包括第二上连杆和第二下连杆，所述第二上连杆一端通过第二转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二上连杆另一端通过第三转动副与所述第二下连杆一端铰接，所述第二下连杆另一端通过第四转动副与所述小腿夹具铰接；所述第二转动副、所述第三转动副及所述第四转动副的轴线相互平行且均与所述第一转动副的轴线垂直。
本发明人机融合的膝关节康复机器人实现了人体膝关节屈伸运动中瞬时转动中心错位的自动补偿，避免了膝关节受到二次伤害，能够很好地增强膝关节康复效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例人机融合的膝关节康复机器人包括大腿夹具1、小腿夹具12和人体膝关节17，大腿夹具1固定在大腿16上，小腿夹具12固定在小腿14上，大腿夹具1和小腿夹具12通过第一运动分支和第二运动分支传动相连。
其中，如图2所示，大腿夹具1包括支撑架101和绑带104，支撑架101呈半圆环形，支撑架101的内壁上设置有两个内衬102，绑带104穿设在内衬102内侧的卡环103中，绑带104上设置有卡扣105，通过卡扣105能够调节绑带104的松紧程度从而适应不同胖瘦的大腿。而小腿夹具12与大腿夹具1的机械结构相同，区别仅在于小腿夹具12的尺寸与大腿夹具1的尺寸不同。
如图1所示，第一运动分支包括第一上连杆4和第一下连杆5，第一上连杆4的顶端通过一滑动块套设在滑杆3上，滑杆3通过连接架2与大腿夹具1的支撑架101固连，连接架2通过螺栓与大腿夹具1的支撑架101连接，滑动块能够相对滑杆绕轴线转动和沿轴线滑动；第一上连杆4底端通过第一转动副与第一下连杆5顶端铰接，第一下连杆5底端通过虎克铰11与支撑板9连接，支撑板9呈L型且其水平部的一端与小腿夹具12上的支撑架固连，支撑板9的竖直部上固设有伺服电机8，伺服电机8的输出轴通过联轴器10、第二锥齿轮7和第一锥齿轮6与虎克铰11上靠近小腿夹具12的转动副的转动轴传动连接，具体地：伺服电机8的输出轴通过联轴器10与第二锥齿轮7固连，第一锥齿轮6与虎克铰11上靠近小腿夹具12的转动副的转动轴固连，第一锥齿轮6与第二锥齿轮7啮合。第一转动副的轴线、滑杆3及虎克铰11远离小腿夹具12的转动副的轴线相互平行，伺服电机8能够驱动第一下连杆5和第一上连杆4沿滑杆3轴线方向滑动，同时第一下连杆5和第一上连杆4会发生相对转动，第一上连杆4相对滑杆3轴线方向转动，第一下连杆5相对支撑板板9转动。
第二运动分支包括第二上连杆15和第二下连杆13，第二上连杆15顶端通过第二转动副与大腿夹具1上的支撑架101铰接，第二上连杆15底端通过第三转动副与第二下连杆13顶端铰接，第二下连杆13底端通过第四转动副与小腿夹具12上的支撑架铰接；第二转动副、第三转动副、第四转动副、膝关节17及虎克铰11上靠近小腿夹具12的转动副的轴线相互平行且均与第一转动副的轴线垂直。
第一上连杆4和第二上连杆15的长度可调，在本实施例中，第一上连杆4和第二上连杆15通过设置螺纹调节装置的方式实现长度可调；具体地：如图3所示，第二上连杆15包括固定杆1501、螺纹杆1503、活动杆1504和旋转圈1502，固定杆1501底端与螺纹杆1503固连，活动杆1504上设置有螺纹孔通过螺纹孔与螺纹杆1503螺纹连接，旋转圈1502套设在固定杆1501上且与活动杆1504螺纹连接；第一上连杆4与第二上连杆15的结构基本相同，区别在于第一上连杆4的顶端设置有滑动块。
本实施例人机融合的膝关节康复机器人的使用过程如下：
首先，根据病人的腿的高度调节第一上连杆4和第二上连杆15的长度，然后将大腿夹具1中的绑带104绑在病人的大腿16上，将小腿夹具12中的绑带绑在病人的小腿14上，需要注意的是需要使得第二转动副、第三转动副、第四转动副的轴线及虎克铰11上靠近小腿夹具12的转动副的轴线与病人的膝关节17的轴线保持平行且使第二运动分支位于病人腿的后方，然后打开伺服电机8，则伺服电机8会驱动第一下连杆5和第一上连杆4沿滑杆3轴线方向前后滑动，同时第一下连杆5和第一上连杆4会发生相对转动、第一上连杆4相对滑杆3轴线方向转动、第一下连杆5相对支撑板9转动、第二运动分支同时发生传动，第二上连杆15相对大腿夹具1转动，第二上连杆15和第二下连杆13相对转动，第二下连杆13相对小腿夹具12转动，病人的膝关节17在本实施例人机融合的膝关节康复机器人的驱动下做有规律的屈伸运动。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：包括大腿夹具、小腿夹具、人体膝关节、第一运动分支和第二运动分支，大腿夹具固定在大腿上，小腿夹具固定在小腿上，所述大腿夹具和所述小腿夹具通过第一运动分支和第二运动分支传动相连；
所述第一运动分支包括第一上连杆和第一下连杆，所述第一上连杆一端套设在滑杆上，所述滑杆通过连接架与所述大腿夹具固连，所述第一上连杆能够相对所述滑杆绕轴线转动和沿轴线滑动，所述第一上连杆另一端通过第一转动副与所述第一下连杆一端铰接，所述第一下连杆另一端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板一端与所述小腿夹具固连，所述支撑板上固设有伺服电机，所述伺服电机的输出轴与所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副的转动轴连接；所述第一转动副的轴线、所述滑杆及所述虎克铰远离所述小腿夹具的转动副的轴线相互平行；
所述第二运动分支包括第二上连杆和第二下连杆，所述第二上连杆一端通过第二转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二上连杆另一端通过第三转动副与所述第二下连杆一端铰接，所述第二下连杆另一端通过第四转动副与所述小腿夹具铰接；所述第二转动副、所述第三转动副及所述第四转动副的轴线相互平行且均与所述第一转动副的轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述大腿夹具和所述小腿夹具均包括支撑架和绑带，所述支撑架呈半圆环形，所述支撑架的内壁上设置有内衬，所述绑带穿设在所述内衬内侧的卡环中，所述绑带上设置有卡扣。
3.根据权利要求2所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述内衬为两个。
4.根据权利要求1所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述第一上连杆和所述第二上连杆的长度可调。
5.根据权利要求4所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述第一上连杆和所述第二上连杆均包括固定杆、螺纹杆、活动杆和旋转圈，所述固定杆一端与所述螺纹杆固连，所述活动杆上设置有螺纹孔，通过所述螺纹孔与所述螺纹杆螺纹连接，所述旋转圈套设在所述固定杆上且与所述活动杆螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述连接架通过螺栓与所述大腿夹具连接。
7.根据权利要求1所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述伺服电机的输出轴通过一对锥齿轮与所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副的转动轴传动连接。
8.根据权利要求1所述的人机融合的膝关节康复机器人，其特征在于：所述虎克铰上靠近所述小腿夹具的转动副与所述第四转动副的轴线平行。
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