CN110179623A - 一种新型下肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型下肢康复机器人。本发明包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构、座椅机构和虚拟现实系统；两组腿部外骨骼结构相同均包括踝关节外骨骼机构、膝关节外骨骼机构、髋关节外骨骼机构；踝关节外骨骼机构与膝关节外骨骼机构相连，膝关节外骨骼机构与髋关节外骨骼机构相连；两组腿部外骨骼结构的髋关节外骨骼机构均与座椅机构相连。虚拟现实系统通过显示器为患者模拟现实康复场景的体验。本发明可以精确的控制任何一个关节的运动角度，既可以为患者各个关节提供康复，也充分保证患者在康复过程中的安全。虚拟现实系统为患者单调乏味的康复过程增加乐趣，使患者可以享受轻松惬意的康复过程。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复技术领域，涉及一种新型下肢康复机器人。
背景技术
康复医学是一门研究残疾人及患者康复的医学应用学科，其目的在于通过物理疗法，运动疗法，生活训练，技能训练，言语训练和心理咨询等多种手段使病伤残者尽快的得到最大限度的恢复，使身体残留部分的功能得到最充分的发挥，实现最大可能的生活自理，劳动和工作的能力，为病伤残者重返社会打下基础。现有助动式的康复多采用将患者悬吊的方式降低人体下肢负载，并通过跑步机带动双腿进行步行训练。但该康复方式周期较长，且康复方案单一，在康复过程难以根据患者的病情进行相应的调整。本发明基于人体下肢骨骼关节运动特点，设计了一种具有三个转动自由度的下肢康复机器人，并且针对各个阶段的康复患者提出全自动化的辅助康复过程，从而最终实现帮助患者较快的完成康复。
发明内容
本发明的目的就是提供一种新型下肢康复机器人。
本发明包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构、座椅机构和虚拟现实系统；所述的两组腿部外骨骼结构相同均包括踝关节外骨骼机构、膝关节外骨骼机构、髋关节外骨骼机构；踝关节外骨骼机构与膝关节外骨骼机构相连，膝关节外骨骼机构与髋关节外骨骼机构相连；两组腿部外骨骼结构的髋关节外骨骼机构均与座椅机构相连。虚拟现实系统通过显示器为患者模拟现实康复场景的体验。
所述的踝关节外骨骼机构包括踝关节底部脚板、固定绑带、踝关节侧板、踝关节伺服电机、踝关节减速器、小腿侧板。踝关节侧板垂直设置在底部脚板一侧，踝关节侧板顶端设置有踝关节减速器，踝关节减速器的输出轴与踝关节侧板相连。踝关节伺服电机与踝关节减速器相连，踝关节减速器安装于小腿侧板上，实现踝关节侧板相对于小腿侧板运动的控制。底部脚板与小腿侧板上都设有固定绑带。
所述的膝关节外骨骼机构包括膝关节伺服电机、膝关节减速器、大腿侧板。膝关节伺服电机与膝关节减速器相连，膝关节减速器安装于大腿侧板上，膝关节减速器输出轴连接到小腿侧板，实现膝关节旋转运动的控制；大腿侧板上设置有固定绑带。
所述的髋关节外骨骼机构包括髋关节支座、髋关节旋转轴、同步带与同步带轮、髋关节伺服电机与减速器、电机座。伺服电机与减速器通过电机座固定设置在机架的后方，通过同步带与同步带轮传动将运动传递到前方的髋关节旋转轴。髋关节支座固定于机架的前方，内置两个轴承，髋关节旋转轴从中穿过，为髋关节旋转轴提供了旋转中心。髋关节旋转轴与膝关节外骨骼机构中的大腿侧板相连。髋关节旋转轴与膝关节外骨骼机构的大腿侧板相连，实现对大腿侧板运动的控制。
所述的座椅机构包括机架、座椅底座、座椅靠背、电动推杆。座椅底座安装于机架上。座椅靠背通过铰链固定于机架上，电动推杆一端通过铰链固定在机架上，另一端通过铰链固定在座椅靠背后方，通过电动推杆与分别固定在座椅靠背及固定在机架的铰链构成曲柄滑块机构，通过调节电动推杆的长度可以调节座椅靠背的角度。
作为优选，所述的踝关节伺服电机通过减速器上预留的通孔用螺栓螺母与踝关节减速器相连。
作为优选，所述的小腿侧板结构包括中部重叠的两部分，分别在小腿侧板的两部分重叠处设置间隔一定距离的开孔，并由跳子固定两部分重叠处的相对开孔。
作为优选，所述的大腿侧板结构包括中部重叠的两部分，分别在大腿侧板的两部分重叠处设置间隔相同距离的开孔，并由跳子固定两部分重叠处的相对开孔。
作为优选，所述的髋关节旋转轴通过螺栓与膝关节外骨骼机构的大腿侧板相连。
作为优选，所述的机架采用4040铝型材。
作为优选，所述的虚拟现实系统由VR眼镜与后台控制器组成。
本发明结构简单，安装方便，各关节运动使用伺服电机控制，可以精确的控制任何一个关节的运动角度，既可以为患者各个关节提供康复，也充分保证患者在康复过程中的安全。此外伺服电机实时反馈患者腿部的姿态，用户可制定合理的康复计划，控制患者腿部运动。虚拟现实系统创造的虚拟现实世界为患者单调乏味的康复过程增加乐趣，可以模拟患者腿部骑车、跑步等运动，使患者可以享受轻松惬意的康复过程。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中踝关节外骨骼机构结构示意图；
图3为图1中膝关节外骨骼机构结构示意图；
图4为图1中髋关节机构与座椅机构结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种新型下肢康复机器人，包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构、座椅机构和虚拟现实系统；座椅机构给患者提供一个舒适的康复环境；虚拟现实系统通过显示器为患者模拟现实康复场景的体验。每组腿部外骨骼结构相同均包括踝关节外骨骼机构1、膝关节外骨骼机构2、髋关节外骨骼机构3；踝关节外骨骼机构1与膝关节外骨骼机构2相连，膝关节外骨骼机构2与髋关节外骨骼机构3相连；两组腿部外骨骼结构的髋关节外骨骼机构3均与座椅机构4相连。
如图2所示，踝关节外骨骼机构1包括踝关节底部脚板5、固定绑带6、踝关节侧板10、踝关节伺服电机8、踝关节减速器7、小腿侧板9。踝关节侧板10垂直设置在底部脚板5一侧，踝关节侧板10顶端设置有踝关节减速器7，踝关节减速器的输出轴通过键与踝关节侧板相连。踝关节伺服电机8直接通过减速器上预留的通孔用螺栓螺母与踝关节减速器7相连，踝关节减速器安装于小腿侧板上；实现踝关节侧板相对于小腿侧板运动的控制，从而达到调节踝关节运动的目的。踝关节伺服电机8的运动带动通过踝关节减速器7带动踝关节侧板10转动。底部脚板5与小腿侧板9上都设计了固定绑带6用于机械与患者腿部的固定。
底部脚板5与患者鞋底相贴合，通过固定绑带将患者脚部与底部脚板固定在一起；小腿侧板与患者的小腿通过固定绑带固定。小腿侧板结构分为两部分，分别在小腿侧板的两部分设置间隔一定距离的开孔，并由跳子固定两部分的相对位置来实现小腿侧板的可伸缩性。小腿侧板设计为可伸缩结构，考虑到不同的患者的膝关节与踝关节之间的距离不同，方便调节。
如图3所示，膝关节外骨骼机构2包括膝关节伺服电机13、膝关节减速器12、大腿侧板11。膝关节伺服电机13与膝关节减速器12相连，膝关节减速器12安装于大腿侧板11上，膝关节减速器12输出轴通过键连接到小腿侧板9，实现膝关节旋转运动的控制，从而达到调节膝关节运动的目的。大腿侧板与患者的大腿通过固定绑带固定，考虑到不同的患者的髋关节与膝关节之间的距离不同，大腿侧板结构分为两部分，分别在大腿侧板的两部分设置间隔相同距离的开孔，并由跳子固定两部分的相对位置，从而实现大腿侧板的可伸缩性。
如图4所示，髋关节外骨骼机构3包括髋关节支座15、髋关节旋转轴16、同步带与同步带轮17、髋关节伺服电机与减速器21、电机座22。伺服电机与减速器21通过电机座22固定设置在机架14的后方，通过同步带与同步带轮17传动将运动传递到前方的髋关节旋转轴16。髋关节支座15固定于机架14的前方，内置两个轴承，髋关节旋转轴16从中穿过，为髋关节旋转轴16提供了旋转中心。髋关节旋转轴16与膝关节外骨骼机构2中的大腿侧板11相连。
髋关节旋转轴通过螺栓与膝关节外骨骼机构的大腿侧板相连，实现对大腿侧板运动的控制，从而达到调节髋关节运动的目的。
座椅机构4包括机架14、座椅底座18、座椅靠背19、电动推杆20。机架14由4040铝型材搭建。座椅底座18安装于机架14上。座椅靠背19通过铰链固定于机架14上，电动推杆20一端通过铰链固定在机架14上，另一端通过铰链固定在座椅靠背19后方，通过电动推杆20与分别固定在座椅靠背19及固定在机架14的铰链构成曲柄滑块机构，故通过调节电动推杆20的长度可以调节座椅靠背19的角度，从而实现为患者提供一个合适舒服的康复环境。
所述的虚拟现实系统由VR眼镜与后台控制器组成，VR眼镜供患者佩戴，通过VR眼镜，患者将进入一个虚拟世界，虚拟现实与外骨骼机械相结合，摆脱传统康复机械单调，乏味的康复过程，具有模拟现实生活场景，引导患者康复训练的作用。
工作时，患者坐在座椅上，患者踝关节与机械的踝关节外骨骼相对应，患者膝关节与机械的膝关节外骨骼相对应，患者髋关节与机械的髋关节外骨骼相对应。通过固定绑带使患者的双腿与机械外骨骼固定在一起，患者带上VR眼镜进入虚拟世界，系统控制相应的踝关节，膝关节，髋关节的运动模拟腿部不同的动作，比如骑行、散步等。系统控制机构进行骑行运动的具体说明：设患者在自行车上的姿态是右脚在上、左脚在下。在初期康复阶段，右部髋关节旋转轴16控制右大腿产生向下的作用力，右脚伺服电机8和减速器7控制踝关节舒张，伺服电机13和减速器12控制膝关节舒张，分运动矢量合成右腿向前下方运动的合运动。左部髋关节旋转轴16控制左大腿产生向上的作用力，左脚伺服电机8和减速器7控制踝关节收缩，伺服电机13和减速器12控制膝关节收缩，分运动矢量合成右腿向后上方运动的合运动。半圈后，右部髋关节旋转轴16控制右大腿产生向上的作用力，右脚伺服电机8和减速器7控制踝关节收缩，伺服电机13和减速器12控制膝关节收缩，左部髋关节旋转轴16控制左大腿产生向下的作用力，左脚伺服电机8和减速器7控制踝关节舒张，伺服电机13和减速器12控制膝关节舒张。外骨骼的运动带动患者各关节的运动，从而达到患者腿部康复的目的。虚拟系统中有多种康复模式可以选择，满足不同患者的需求。多种康复模式具体说明：设患者在自行车上的姿态是右脚在上、左脚在下。在初期康复阶段，右部髋关节旋转轴16控制右大腿产生向下的作用力，右脚伺服电机8和减速器7控制踝关节舒张，伺服电机13和减速器12控制膝关节舒张，分运动矢量合成右腿向前下方运动的合运动。左部髋关节旋转轴16控制左大腿产生向上的作用力，左脚伺服电机8和减速器7控制踝关节收缩，伺服电机13和减速器12控制膝关节收缩，分运动矢量合成右腿向后上方运动的合运动。半圈后，右部髋关节旋转轴16控制右大腿产生向上的作用力，右脚伺服电机8和减速器7控制踝关节收缩，伺服电机13和减速器12控制膝关节收缩，左部髋关节旋转轴16控制左大腿产生向下的作用力，左脚伺服电机8和减速器7控制踝关节舒张，伺服电机13和减速器12控制膝关节舒张。以此为循环，帮助患者康复。
在中期康复阶段，康复系统机械部分对患者提供的作用力进保证髋关节旋转轴16匀速转动，腿部外骨骼提供小的作用力，对患者完成整个骑行运动起引导作用，且踏板检测到的力为一恒定值，主要实现患者能够达到自主完成骑行运动的目标。
依然以右腿在上，左腿在下为前提。在后期康复阶段，右脚伺服电机8和减速器7输出较小制动力，尝试阻止踝关节舒张，伺服电机13和减速器12输出较小制动力，尝试阻止膝关节舒张。左脚伺服电机8和减速器7输出较小制动力，尝试阻止踝关节收紧，伺服电机13和减速器12输出较小制动力，尝试阻止膝关节收紧；半圈后，右脚伺服电机8和减速器7输出较小制动力，尝试阻止踝关节收缩，伺服电机13和减速器12输出较小制动力，尝试阻止膝关节收缩。左脚伺服电机8和减速器7输出较小制动力，尝试阻止踝关节舒张，伺服电机13和减速器12输出较小制动力，尝试阻止膝关节舒张。
Claims (7)
1.一种下肢康复机器人，包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构、座椅机构和虚拟现实系统；其特征在于：所述的两组腿部外骨骼结构相同均包括踝关节外骨骼机构、膝关节外骨骼机构、髋关节外骨骼机构；踝关节外骨骼机构与膝关节外骨骼机构相连，膝关节外骨骼机构与髋关节外骨骼机构相连；两组腿部外骨骼结构的髋关节外骨骼机构均与座椅机构相连；虚拟现实系统通过显示器为患者模拟现实康复场景的体验；
所述的踝关节外骨骼机构包括踝关节底部脚板、固定绑带、踝关节侧板、踝关节伺服电机、踝关节减速器、小腿侧板；踝关节侧板垂直设置在底部脚板一侧，踝关节侧板顶端设置有踝关节减速器，踝关节减速器的输出轴与踝关节侧板相连；踝关节伺服电机与踝关节减速器相连，踝关节减速器安装于小腿侧板上，实现踝关节侧板相对于小腿侧板运动的控制；底部脚板与小腿侧板上都设有固定绑带；
所述的膝关节外骨骼机构包括膝关节伺服电机、膝关节减速器、大腿侧板；膝关节伺服电机与膝关节减速器相连，膝关节减速器安装于大腿侧板上，膝关节减速器输出轴连接到小腿侧板，实现膝关节旋转运动的控制；大腿侧板上设置有固定绑带；
所述的髋关节外骨骼机构包括髋关节支座、髋关节旋转轴、同步带与同步带轮、髋关节伺服电机与减速器、电机座；伺服电机与减速器通过电机座固定设置在机架的后方，通过同步带与同步带轮传动将运动传递到前方的髋关节旋转轴；髋关节支座固定于机架的前方，内置两个轴承，髋关节旋转轴从中穿过，为髋关节旋转轴提供了旋转中心；髋关节旋转轴与膝关节外骨骼机构中的大腿侧板相连；髋关节旋转轴与膝关节外骨骼机构的大腿侧板相连，实现对大腿侧板运动的控制；
所述的座椅机构包括机架、座椅底座、座椅靠背、电动推杆；座椅底座安装于机架上；座椅靠背通过铰链固定于机架上，电动推杆一端通过铰链固定在机架上，另一端通过铰链固定在座椅靠背后方，通过电动推杆与分别固定在座椅靠背及固定在机架的铰链构成曲柄滑块机构，通过调节电动推杆的长度可以调节座椅靠背的角度。
2.如权利要求1所述的一种新型下肢康复机器人，其特征在于：所述的踝关节伺服电机通过减速器上预留的通孔用螺栓螺母与踝关节减速器相连。
3.如权利要求1所述的一种新型下肢康复机器人，其特征在于：所述的小腿侧板结构包括中部重叠的两部分，分别在小腿侧板的两部分重叠处设置间隔一定距离的开孔，并由跳子固定两部分重叠处的相对开孔。
4.如权利要求1所述的一种新型下肢康复机器人，其特征在于：所述的大腿侧板结构包括中部重叠的两部分，分别在大腿侧板的两部分重叠处设置间隔相同距离的开孔，并由跳子固定两部分重叠处的相对开孔。
5.如权利要求1所述的一种新型下肢康复机器人，其特征在于：所述的髋关节旋转轴通过螺栓与膝关节外骨骼机构的大腿侧板相连。
6.如权利要求1所述的一种新型下肢康复机器人，其特征在于：所述的机架采用4040铝型材。
7.如权利要求1所述的一种新型下肢康复机器人，其特征在于：所述的虚拟现实系统由VR眼镜与后台控制器组成。
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