CN110384601B - 仿步行膝关节康复治疗机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明所公开的一种仿步行膝关节康复治疗机器人及其控制系统，支撑座的顶部设置有大腿支撑部；大腿支撑部的两限位板部分伸出支撑座的顶部；小腿支撑部的两摆杆上端与摆轴固定连接，两摆杆下方连接有踏杆；限位板的端部设置有轴承槽座，内置轴承，其与摆轴转动连接；控制系统的伺服电机、中断开关、伺服驱动器和单轴步进电机控制器均安装在安装板上；第一连杆的后端与伺服电机主轴固定连接，前端与第二连杆通过销轴转动连接，第二连杆与踏杆其中一端通过销轴转动连接；伺服电机转动推动小腿支撑部相对大腿支撑部、以摆轴为轴仿步行往复摆动。其结构根据不同患者的需求，以及康复程度进行不断调整，为患者制定准确、可控和定量的康复治疗计划。

Description

仿步行膝关节康复治疗机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种康复治疗机器人，尤其是一种仿步行膝关节康复治疗机器人及其控制系统。

背景技术

下肢康复机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术,是机器人技术在医学领域的新应用，已逐渐发展成为一种新的运动神经康复治疗技术。站立、步行和上下楼梯是人体日常生活中重复较多的运动。但对于下肢瘫痪或肌肉受损、脊髓受损患者以及下肢肌力不足的老年人患者却无法完成。近年来，随着下肢运动障碍患者逐年增多以及老龄化的趋势，使得康复行业发展变得十分紧迫。而患者生存质量的高低取决于肢体功能恢复的程度。如何运用现代先进康复治疗技术，改善患者肢体运动功能，使患者在尽快摆脱病残折磨的同时恢复其自主生活的能力，一直是康复工作者研究和实践的重点。然而，下肢瘫痪者人数众多，康复医师相对匮乏，传统疗法自动化水平低，效率差，进口康复设备价格太高。因此研制性价比高的康复机器人非常重要。研究表明，膝关节人体日常活动中起着非常重要的作用，对于膝关节的康复训练有助于患者肢体运动功能的恢复，下肢康复机器人的研究强调人机互动，安全性和舒适性。针对现有的康复医学需求，我们设计研发一款针对膝关节康复训练的下肢康复机器人，便于下肢运动障碍患者早日康复。

欧美等西方国家对医疗康复器械的研究起步时间比较早，美国在一战期间就成立了“国际残疾人中心”，主要对战争中的伤残军人进行康复治疗。现在美国、日本等一些国家研发处于领先水平。如美国的下肢末端外骨骼机器人、瑞士的外骨骼跑步机机器人等，其康复治疗产品进口购买价格昂贵。

虽然中国的康复机器人起步比较晚，但是随着经济的发展和生活水平的提高，这方面也有了较大的提高。经过多年的努力，我国高校和各大研究所都取得了不错的成绩。下肢康复治疗机器人顾名思义就是一种人体坐于设备上进行循环抬起、下放下肢进行人体康复治疗的机械设备，然而现有技术中均为手动式或者单一电机进行控制抬起、下放循环运行，但是其手动操作使得对于腿脚不便的待康复人员自身操作相当困难，也相当不方便，其单一电机控制操作，由于未在单一电机上设置根据待康复人员自身状态进行调节治疗模式的装置，导致自动化控制水平低下，进而影响康复治疗的效果。

发明内容

本发明的目的是针对下肢膝关节功能障碍患者、偏瘫、老年人关节退化、关节损伤、术后恢复等，通过人机工程学、人体运动学、机械设计、机械原理、机器人学等机械设计理论，通过仿人体步行设计的仿步行膝关节康复治疗机器人及其控制系统可以根据不同的下肢膝关节康复程度给予不同模式的准确治疗，可以实现患者自主选择治疗模式，以提升自动化控制水平，使得康复效果较佳。

本发明所设计的控制系统，包括：

伺服电机，促使仿步行膝关节康复治疗机器人作循环康复治疗动作；

伺服驱动器，用于控制伺服电机运行；

单轴步进电机控制器，用于控制伺服驱动器，以对伺服电机实现多种运行模式；

中断开关组，传输不同电信号给单轴步进电机控制器，进而切换伺服电机的运行模式；

伺服电机与伺服驱动器电连接，伺服驱动器和中断开关组均与单轴步进电机控制器电连接。

进一步优选，还包括电源，电源分别与单轴步进电机控制器和伺服电机电连接，以进行供电。

进一步优选，中断开关组由两个自复位常开开关构成，或者由两个自复位常开开关和两个自锁式常开开关构成。

一种仿步行膝关节康复治疗机器人，包括支撑座、大腿支撑部、小腿支撑部、动力机构、以及以上所述的控制系统；

支撑座的顶部设置有大腿支撑部；大腿支撑部包括两平行的限位板，限位板部分伸出支撑座的顶部；

小腿支撑部包括两平行的摆杆，两平行的摆杆上端与摆轴固定连接，两摆杆下方连接有踏杆；

伸出支撑座顶部的限位板端部设置有轴承槽座，内置轴承，其与摆轴转动连接；

控制系统的伺服电机、中断开关组、伺服驱动器和单轴步进电机控制器均安装在支撑座的中部安装板上。

动力机构包括第一连杆、第二连杆，第一连杆的后端与伺服电机主轴固定连接，前端与第二连杆通过销轴转动连接，第二连杆与踏杆其中一端通过销轴转动连接；

伺服电机转动推动小腿支撑部相对大腿支撑部、以摆轴为轴仿步行往复摆动。

进一步优选，支撑座包括平台以及平台下方的支腿；平台上固定两限位板，限位板一端伸出平台。

进一步优选，伸出平台的限位板一端与支腿之间固定有斜杆。

进一步优选，支腿底部设置带刹车的万向轮。

进一步优选，踏杆上设置防滑垫。

进一步优选，还包括连接杆，两支腿的侧部均延伸有支撑杆，连接杆的两端分别与支撑杆的端部和平台的侧壁固定相连，两支撑杆的端部分别与安装控制系统的安装板两端固定相连。

进一步优选，控制系统的电源也固定在安装板上。

本发明所设计的仿步行膝关节康复治疗机器人及其控制系统，利用控制系统对伺服电机进行多模式控制运行，以根据不同患者的需求，以及康复程度进行不断调整，为患者制定准确、可控和定量的康复治疗计划。

而且仿步行膝关节康复治疗机器人结构，提供了支撑座，支撑人体的重量，尤其是大腿支撑部，限制大腿的动作，防止患者在锻炼时二次受伤，安全可靠。

附图说明

图1是实施例1的控制系统框图；

图2是实施例2的带控制系统的步行膝关节康复治疗机器人结构示意图(一)；

图3是实施例2的带控制系统的步行膝关节康复治疗机器人结构示意图(二)。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例所描述的控制系统，包括：

伺服电机52，促使仿步行膝关节康复治疗机器人作循环康复治疗动作；

伺服驱动器53，用于控制伺服电机运行；

单轴步进电机控制器54，用于控制伺服驱动器，以对伺服电机实现多种运行模式；

中断开关组55，传输不同电信号给单轴步进电机控制器，进而切换伺服电机的运行模式；

伺服电机52与伺服驱动器53电连接，伺服驱动器53和中断开关组55均与单轴步进电机控制器54电连接。

本实施例中，还包括电源51，电源51分别与单轴步进电机控制器54和伺服电机52电连接，以进行供电。电源为12V电源、24V电源、36V电源或者48V电源。

上述结构的设计原理：中断开关对单轴步进电机控制器进行控制，进而控制伺服驱动器驱动伺服电机给实施例1中的下肢膝关节康复治疗机器人结构提供动力以及控制。其中，中断开关组可以自锁式常开开关一551、自锁式常开开关二552构成，或者也可以是自锁式常开开关一551、自锁式常开开关开关二552、自复位常开开关三、自复位常开开关四构成。其中开关一、开关二连接端口为普通中断端口，即指定位置跳转端口，默认为应用状态，通过改变两个开关的开通状态进行四种模式的选择。自行编写控制程序录入至单轴步进电机控制器的程序存储芯片，通过对在单轴步进电机控制器中的控制程序，结合中断开关实现对伺服电机进行四种不同模式的控制。此控制系统为本发明的特别之处，用极少的外部连接实现最大化的控制，本程序仅占用两个外部通断接口连接两个中断开关，通过不同的开关状态实现低速、中速、高速、步态速度，四种模式的控制。在控制程序中也包含多重判断跳转语句，使程序对伺服电机的控制更加精准，当检测某一开关的状态发生改变时，程序会等待往复运动结束后进行语句跳转，这样可以避免用户多次频繁按动开关对程序造成负面影响。往复运动结束后程序会跳转进入到一个中断开关状态检测判断程序段，在这个程序段可以快速精准的检测到用户要切换的模式，然后进行二次程序跳转，这次跳转便可以使程序进入到四种速度模式程序段中。然后当模式段程序执行完毕后会进行第三次程序跳转，此次程序跳转会回到当前模式的起始段，以重复的进行跳转判断，持续运行当前模式。切换其他模式时，程序运行原理同理。

实施例2：

如图2和图3所示，本实施例所描述的一种仿步行膝关节康复治疗机器人，包括支撑座1、大腿支撑部2、小腿支撑部3、动力机构4、以及实施例1中的控制系统；

支撑座1的顶部设置有大腿支撑部2；大腿支撑部2包括两平行的限位板21，限位板21部分伸出支撑座1的顶部；

小腿支撑部3包括两平行的摆杆31，两平行的摆杆31上端与摆轴32固定连接，两摆杆31下方连接有踏杆33；

伸出支撑座1顶部的限位板21端部设置有轴承槽座211，内置轴承212，其与摆轴32转动连接；

控制系统5的伺服电机52、中断开关组55、伺服驱动器53和单轴步进电机控制器54均安装在支撑座1的中部安装板13上。

动力机构4包括第一连杆42、第二连杆43，第一连杆42的后端与伺服电机主轴固定连接，前端与第二连杆43通过销轴转动连接，第二连杆43与踏杆33其中一端通过销轴转动连接；

伺服电机转动推动小腿支撑部3相对大腿支撑部2、以摆轴32为轴仿步行往复摆动。

本实施例中，支撑座1包括平台11以及平台下方的支腿12；平台上固定两限位板，限位板一端伸出平台。为了使得使用效果更佳。

本实施例中，伸出平台的限位板21一端与支腿之间固定有斜杆14。可以使大腿支撑部、斜杆、以及支腿之间形成稳定的三角形，让大腿支撑部更加稳定。限位板之间的宽度是一个正常成年人大腿宽度的平均值，用来支撑限制大腿的动作，使其康复治疗。

本实施例中，支腿12底部设置带刹车的万向轮。方便于本设备的移动。

本实施例中，踏杆33上设置防滑垫。为了让使用者更加舒适；此防滑垫可以换成其他杀菌垫，例如甲壳素纺织垫或是蚕丝垫、纳米垫等。

本实施例中，还包括连接杆15，两支腿12的侧部均延伸有支撑杆16，两支撑杆的端部分别与安装控制系统的安装板两端固定相连；连接杆的两端分别与支撑杆的端部和平台的侧壁固定相连。为了结构更加紧凑，使得控制系统的安装固定牢固可靠。

本实施例中，控制系统电源也固定在安装板上。

上述结构的使用原理：在使用康复机器人时，首先接通电源，然后坐立在人体支撑组件上，让大腿通过大腿杆放置在中间，人体自然放松，使小腿到达小腿杆处，膝关节放置在主轴上，然后调整一个舒适的状态。按下单轴步进电机控制器上的启动按钮，这时伺服电机开始旋转，伺服电机带动曲柄摇杆机构运动，曲柄旋转带动摇杆旋转，下肢膝关节康复治疗机器人开始运转。如有暂停需求，则可以按下停止按钮暂停装置运行，后续再次按下启动按钮即可继续运行。启动状态默认运行低速模式(两个开关均属于开路、弹起状态)，单独按下开关一即可切换到中速模式(即开关一属于闭合、按下状态，开关二属于开路、弹起状态)，单独按下开关二即可切换到步态模式(即开关一属于开路、弹起状态，开关二属于闭合、按下状态)，按下所有开关即可切换到高速模式(两个开关均属于闭合、按下状态)。其中四种模式可以随意切换，开关通断状态满足上述条件即可达成不同模式。

为了让患者在使用本装置时更加舒适，可以将平台上固定设置有座椅或躺椅。为了更好的适应于不同体型的患者使用，对于大腿支撑部、小腿支撑部设置为宽度可调的结构，适应不同体型的患者使用。以上结构在此不做限定。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于，包括支撑座、大腿支撑部、小腿支撑部、动力机构、以及控制系统；

支撑座的顶部设置有大腿支撑部；大腿支撑部包括两平行的限位板，限位板部分伸出支撑座的顶部；

小腿支撑部包括两平行的摆杆，两平行的摆杆上端与摆轴固定连接，两摆杆下方连接有踏杆；

伸出支撑座顶部的限位板端部设置有轴承槽座，内置轴承，其与摆轴转动连接；

控制系统，包括：

伺服电机，促使仿步行膝关节康复治疗机器人作循环康复治疗动作；

伺服驱动器，用于控制伺服电机运行；

单轴步进电机控制器，用于控制伺服驱动器，以对伺服电机实现多种运行模式；

中断开关组，传输不同电信号给单轴步进电机控制器，进而切换伺服电机的运行模式；

伺服电机与伺服驱动器电连接，伺服驱动器和中断开关组均与单轴步进电机控制器电连接；

电源，电源分别与单轴步进电机控制器和伺服电机电连接，以进行供电；

中断开关组由自锁式常开开关一、自锁式常开开关二构成，或者由自锁式常开开关一、自锁式常开开关二、自复位常开开关三、自复位常开开关四构成；

控制系统的伺服电机、中断开关组、伺服驱动器和单轴步进电机控制器均安装在支撑座的中部安装板上；

动力机构包括第一连杆、第二连杆，第一连杆的后端与伺服电机主轴固定连接，前端与第二连杆通过销轴转动连接，第二连杆与踏杆其中一端通过销轴转动连接；

伺服电机转动推动小腿支撑部相对大腿支撑部、以摆轴为轴仿步行往复摆动；

中断开关组对单轴步进电机控制器进行控制，自锁式常开开关一、自锁式常开开关二连接端口为普通中断端口，即指定位置跳转端口，默认为应用状态，通过改变自锁式常开开关一、自锁式常开开关二的开通状态与单轴步进电机控制器中的控制程序结合进行四种模式的切换选择，且通过不同的开关状态实现低速、中速、高速、步态速度四种模式，在控制程序中包含多重判断跳转语句，当检测某一开关的状态发生改变时，等待往复运动结束后进行语句跳转，并进入到开关状态检测判断程序段，此程序段快速检测到用户要切换的模式，然后进行二次程序跳转，使程序进入到四种速度模式程序段中，当模式段程序执行完毕后会进行第三次程序跳转，此次程序跳转会回到当前模式的起始段，以重复的进行跳转判断，持续运行当前模式；

在使用康复机器人时，接通电源，然后坐立在人体支撑组件上，让大腿通过大腿杆放置在中间，人体自然放松，使小腿到达小腿杆处，膝关节放置在主轴上，然后调整一个舒适的状态；按下单轴步进电机控制器上的启动按钮，这时伺服电机开始旋转，伺服电机带动曲柄摇杆机构运动，曲柄旋转带动摇杆旋转，下肢膝关节康复治疗机器人开始运转；如有暂停需求，则可以按下停止按钮暂停装置运行，后续再次按下启动按钮即可继续运行；启动状态默认运行低速模式，即两个开关均属于开路、弹起状态；单独按下开关一即可切换到中速模式，即开关一属于闭合、按下状态，开关二属于开路、弹起状态；单独按下开关二即可切换到步态模式，即开关一属于开路、弹起状态，开关二属于闭合、按下状态；按下所有开关即可切换到高速模式，两个开关均属于闭合、按下状态。

2.根据权利要求1所述的仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于：支撑座包括平台以及平台下方的支腿；平台上固定两限位板，限位板一端伸出平台。

3.根据权利要求2所述的仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于：伸出平台的限位板一端与支腿之间固定有斜杆。

4.根据权利要求3所述的仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于：支腿底部设置带刹车的万向轮。

5.根据权利要求1所述的仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于：踏杆上设置防滑垫。

6.根据权利要求5所述的仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于：还包括连接杆，两支腿的侧部均延伸有支撑杆，连接杆的两端分别与支撑杆的端部和平台的侧壁固定相连，两支撑杆的端部分别与安装控制系统的安装板两端固定相连。

7.根据权利要求6所述的仿步行膝关节康复治疗机器人，其特征在于：控制系统的电源也固定在安装板上。

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