CN110464601A - 一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人 - Google Patents
一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；本发明的一种可穿戴式生物融合的下肢康复机器人提高了下肢康复效果，本发明膝关节处的康复装置采用生物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。并且膝关节处的康复装置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。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人。
背景技术
康复机器人主要辅助老人和运动功能障碍患者实现基本运动，还能增强人体的运动能力。可穿戴外骨骼式康复机器人就是典型的代表，主要用于辅助残疾人、老年人以及下肢运动功能障碍的患者等实现康复训练，或辅助残疾人正常行走。康复机器人极大地影响着康复医学的发展，为患者的日常生活提供了方便，从根本上提高了生活质量，减轻了社会负担。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，所以，研究下肢康复机器人的膝关节康复变得尤为重要。
目前出现的多种下肢康复机器人虽然各具特色且一定程度上提高了下肢康复治疗的效率和效果，但也存在着一些不足：由膝关节解剖学可知，股骨和胫骨之间的相对运动，是滚动和滑动的复合运动。因此，膝关节的主要运动是人体矢状面内的屈曲运动。布拉格查尔斯大学的研究人员利用磁共振成像研究了膝关节的形状和相对运动，关节面处的运动不仅仅是围绕一个点旋转，而且有旋转中心的移动。但由于转动中心位于机械机构内部、空间上不能够与膝关节中心重合，使得下肢康复运动过程中膝关节的位置不断改变而导致转动中心的错位。下肢膝关节的运动完全由机械确定，人体不能从机构层面影响康复运动，安全性差。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，以解决上述现有技术存在的问题，在康复过程中能实现自动补偿人体膝关节与外骨骼膝关节转动中心的错位，使其与人体膝关节的运动达到协调统一。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
具体的，本发明提供一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；
所述髋关节连接装置包括腰部连接装置和髋膝连接杆，所述腰部连接装置包括第一腰部套件、第二腰部套件和四组调节装置，所述第一腰部套件为两个半环形构件，两个半环形构件相连构成一个椭圆形结构，第二腰部套件的结构与第一腰部套件的结构相同，所述四组调节装置设置在所述第一腰部套件和第二腰部套件之间，每一组调节装置均包括上接头、调节杆和下接头，所述调节杆的两端分别连接所述上接头和下接头的第一端，所述上接头的第二端与所述第一腰部套件固定连接，所述下接头的第二端与所述第二腰部套件固定连接，所述髋膝连接杆的第一端与膝关节连接装置固定连接，所述髋膝连接杆的第二端与髋关节连接装置通过第一转动副铰接，
所述膝关节连接装置包括大腿夹具、小腿夹具和两条运动支链，两条运动支链设置在大腿夹具和小腿夹具之间并与人体膝关节并联设置，
所述第一运动支链包括第一运动支链上连杆和长度能够调节的第一运动支链下连杆，所述第一运动支链上连杆的第一端套设在丝杆上，所述丝杆通过连接架与所述大腿夹具固定连接，所述第一运动支链上连杆能够相对所述丝杆绕轴线转动并能够沿轴线滑动，所述第一运动支链上连杆的第二端通过第二转动副与所述第一运动支链下连杆的第一端铰接，所述第一运动支链下连杆的第二端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板的一个端部与所述小腿夹具固定连接；
所述第二运动支链包括第二运动支链上连杆和长度能够调节的第二运动支链下连杆，所述第二运动支链上连杆的第一端通过第三转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二运动支链上连杆的第二端通过第四转动副与所述第二运动支链下连杆的第一端铰接，所述第二运动支链下连杆的第二端通过第五转动副与所述小腿夹具铰接；
所述踝关节连接装置包括脚踏板和膝踝连接杆，脚踏板穿戴于人体脚部，膝踝连接杆的第一端与膝关节连接装置的小腿夹具固定连接，膝踝连接杆的第二端与脚踏板通过第六转动副铰接。
优选地，所述大腿夹具和小腿夹具的结构相同且尺寸不同，分别穿戴于人体的大腿和小腿处。
优选地，所述第一转动副的轴线、所述丝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。
优选地，所述第三转动副、所述第四转动副及所述第五转动副的轴线相互平行且均与所述第二转动副的轴线垂直。
优选地，所述减重装置包括减重吊带和减重吊架，所述减重吊架的底部设置有转向轮和驱动轮，所述减重吊架连接有控制器和操控杆，通过减重吊架把手上的操控杆，能够控制减重吊架的移动、停止以及速度。
优选地，所述第一运动支链下连杆包括第一运动支链下连杆I和第一运动支链下连杆II，第一运动支链下连杆I和第一运动支链下连杆II通过螺栓连接，其能够调节第一运动支链下连杆的长度。
优选地，所述第二运动支链下连杆包括第二运动支链下连杆I和第二运动支链下连杆II，第二运动支链下连杆I和第二运动支链下连杆II通过螺栓连接，其能够调节第二运动支链下连杆的长度。
优选地，髋关节的伺服电机设置于第一转动副处，膝关节的伺服电机设置于远离所述小腿夹具的转动副处，踝关节的伺服电机设置于第六转动副处。
优选地，初始位置股骨关节面中心分别和大腿夹具、小腿夹具中心对齐，由几何关系可得，膝关节关节面上点的位置坐标可以表示为
其中，a表示人体膝关节数学模型的短轴半径，b表示人体膝关节数学模型的长轴半径，θ表示膝关节的转角，H表示初始位置股骨关节面中心和大腿夹具中心之间的距离，
通过电机转角控制膝关节的转角，能实现膝关节变轴线的转动运动，和人体膝关节的运动贴合，自动实现运动补偿。
本发明在使用时，在下肢康复机构运动过程中，在髋关节连接装置、踝关节连接装置和膝关节连接装置的转动副处的伺服电机驱动下，带动下肢实现矢状面屈曲运动，能实现膝关节变轴线的转动运动，和人体膝关节的运动完全贴合，自动实现运动补偿。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明膝关节处的康复装置采用生物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。
2.本发明膝关节处的康复装置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。
3.本发明一种以机械力学与生物生理运动学相结合的设计，由于人体可以从机构层面对机器人运动进行调节，使其具有较高的安全性。
附图说明
图1为本发明一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人的整体机构示意图；
图2为本发明一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中膝关节康复装置机构示意图；
图3为本发明一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中减重装置的机构示意图；
图4为本发明一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中腰部连接装置的机构示意图。
图5为本发明一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中膝关节康复装置的运动补偿示意图。
其中部分附图标记如下，1-髋关节连接装置，101-髋膝连接杆，102-腰部连接装置，1021-第一腰部套件，1022-第二腰部套件，1023-调节装置，231-上接头，232-调节杆，233-下接头，2-膝关节连接装置，201-大腿夹具，202-小腿夹具，203-第一运动支链上连杆，2045-第一运动支链下连杆，204-第一运动支链下连杆I，205-第一运动支链下连杆II，206-丝杆，207-连接架，208-虎克铰，209-支撑板，210-第二运动支链上连杆，2112-第二运动支链下连杆，211-第二运动支链下连杆I，212-第二运动支链下连杆II，213-人体膝关节，3-踝关节连接装置，301-膝踝连接杆，302-脚踏板，4-减重装置，401-减重吊带，402-减重吊架，403-转向轮，404-驱动轮，405-操控杆。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明的目的是提供一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，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。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，包括髋关节连接装置1、膝关节连接装置2、踝关节连接装置3和减重装置4四部分构成，髋关节连接装置1、膝关节连接装置2和踝关节连接装置3依次连接穿戴于人体下肢，减重装置4将人体上半身和康复机器人悬吊减轻施加于人体的康复装置的重量。
髋关节连接装置1包括髋膝连接杆101和腰部连接装置102，腰部连接装置102包括第一腰部套件1021、第二腰部套件1022和四组调节装置1023，四组调节装置1023设置在第一腰部套件1021和第二腰部套件1022之间。
其中第一腰部套件1021为两个半环形构件，两个半环形构件的连接处通过螺栓相连成椭圆形结构，在第一腰部套件1021上设置有对称的四组调节装置1023。四组调节装置1023对称的设置第一腰部套件1021和第二腰部套件1022之间。
调节装置1023包括上接头231、调节杆232和下接头233，第二腰部套件1022与第一腰部套件1021结构相同，第二腰部套件1022位于第一腰部套件1021的下方。其中，调节杆232的两端分别与上接头231和下接头233通过螺纹连接，上接头231与第一腰部套件1021固定相连。下接头233与第二腰部套件1022固定相连，腰部连接装置102穿戴与人体腰部。髋膝连接杆101的第一端与膝关节连接装置2固定连接，髋膝连接杆101的第二端与髋关节连接装置1通过第一转动副铰接。在具体应用过程中，髋关节的伺服电机布置于第一转动副处。
膝关节连接装置2包括大腿夹具201、小腿夹具202和两条运动支链。在应用的时候，两条运动支链与膝关节并联设置，膝关节可以作为第三条运动支链进行分析。
第一运动支链包括第一运动支链上连杆203和第一运动支链下连杆2045。第一运动支链下连杆2045包括第一运动支链下连杆I204、第一运动支链下连杆II205，第一运动支链下连杆I204和第一运动支链下连杆II205通过螺栓连接，可以调节第一运动支链下连杆2045长度。第一运动支链上连杆203一端套设在丝杆206上，丝杆206通过连接架207与大腿夹具201固连，第一运动支链上连杆203能够相对丝杆206绕轴线转动和沿轴线滑动，第一运动支链上连杆203另一端通过第二转动副与第一运动支链下连杆2045一端铰接，第一运动支链下连杆2045另一端通过虎克铰208与支撑板209连接，支撑板209一端与小腿夹具202固连，第一转动副的轴线、丝杆206及虎克铰208远离小腿夹具202的转动副的轴线相互平行。膝关节的伺服电机布置于远离小腿夹具202的转动副处。
第二运动支链包括第二运动支链上连杆210和第二运动支链下连杆2112，第二运动支链上连杆210一端通过第三转动副与大腿夹具201铰接，第二运动支链上连杆210另一端通过第四转动副与第二运动支链下连杆2112一端铰接，第二运动支链下连杆2112另一端通过第五转动副与小腿夹具202铰接；第二运动支链下连杆2112包括第二运动支链下连杆I211、第二运动支链下连杆组II212，第二运动支链下连杆I211和第二运动支链下连杆II212通过螺栓连接，可以调节第二运动支链下连杆2112长度。第三转动副、第四转动副及第五转动副的轴线相互平行且均与第二转动副的轴线垂直。
在实际使用时，人体膝关节213作为膝关节连接装置的第三运动支链的一部分进行分析，人体膝关节213和两条运动支链并联设置。
膝关节处康复机构存在三个自由度，只添加一个驱动，无法实现既定的康复运动，把人体膝关节作为并联机构的一个分支进行分析，整个机构存在一个变轴线的转动自由度。基于椭圆几何的接触运动学理论对膝关节模型进行分析发现膝关节的股骨关节面可以近似为椭圆，根据上述理论建立了膝关节的数学模型，初始位置股骨关节面中心和大腿、小腿夹具中心对齐，如图5所示，由几何关系可得，膝关节关节面上点的位置坐标可以表示为
其中a、b分别表示人体膝关节数学模型的短轴和长轴半径，θ表示膝关节的转角，H表示初始位置股骨关节面中心和大腿夹具中心之间的距离。
通过电机转角控制膝关节的转角，不同人有不同的膝关节面曲线，也就是a、b是不一样的，可以实现自动补偿。
大腿夹具201、小腿夹具202结构相同尺寸不同，分别穿戴于人体的大小腿处。
踝关节连接装置3包括膝踝连接杆301和脚踏板302，脚踏板302穿戴与人体脚部。膝踝连接杆301一端与膝关节连接装置2的小腿夹具202固定连接，一端与脚踏板302通过第六转动副铰接。踝关节的伺服电机布置于第六转动副处。
减重装置4包括减重吊带401和减重吊架402。基于普通的万向轮减重吊架402，通过增加一个转向轮403、一对驱动轮404以及相应的控制系统，可得到底部设计有转向轮403和驱动轮404的减重吊架402。患者能通过减重吊架402把手上的操控杆405，控制减重吊架402的移动、停止以及速度的快慢。减重吊带401的连接方式与配套跑步机的相同。
本发明在使用时，应用的时候，根据人体运动学确定好康复机器人的运动轨迹,反解算出电机的驱动函数,这样通过控制电机,使康复机器人实现预设的康复运动轨迹。
在下肢康复机构运动过程中，在髋关节连接装置1、膝关节连接装置2和踝关节连接装置3的转动副处的伺服电机驱动下，带动下肢实现矢状面屈曲运动，能实现膝关节变轴线的转动运动，和人体膝关节213的运动完全贴合，自动实现运动补偿。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明膝关节处的康复装置采用生物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。
2.本发明膝关节处的康复装置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。
3.本发明一种以机械力学与生物生理运动学相结合的设计，由于人体可以从机构层面对机器人运动进行调节，使其具有较高的安全性。
最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；
所述髋关节连接装置包括腰部连接装置和髋膝连接杆，所述腰部连接装置包括第一腰部套件、第二腰部套件和四组调节装置，所述第一腰部套件为两个半环形构件，两个半环形构件相连构成一个椭圆形结构，第二腰部套件的结构与第一腰部套件的结构相同，所述四组调节装置设置在所述第一腰部套件和第二腰部套件之间，每一组调节装置均包括上接头、调节杆和下接头，所述调节杆的两端分别连接所述上接头和下接头的第一端，所述上接头的第二端与所述第一腰部套件固定连接，所述下接头的第二端与所述第二腰部套件固定连接，所述髋膝连接杆的第一端与膝关节连接装置固定连接，所述髋膝连接杆的第二端与髋关节连接装置通过第一转动副铰接，
所述膝关节连接装置包括大腿夹具、小腿夹具和两条运动支链，两条运动支链设置在大腿夹具和小腿夹具之间并与人体膝关节并联设置，
所述第一运动支链包括第一运动支链上连杆和长度能够调节的第一运动支链下连杆，所述第一运动支链上连杆的第一端套设在丝杆上，所述丝杆通过连接架与所述大腿夹具固定连接，所述第一运动支链上连杆能够相对所述丝杆绕轴线转动并能够沿轴线滑动，所述第一运动支链上连杆的第二端通过第二转动副与所述第一运动支链下连杆的第一端铰接，所述第一运动支链下连杆的第二端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板的一个端部与所述小腿夹具固定连接；
所述第二运动支链包括第二运动支链上连杆和长度能够调节的第二运动支链下连杆，所述第二运动支链上连杆的第一端通过第三转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二运动支链上连杆的第二端通过第四转动副与所述第二运动支链下连杆的第一端铰接，所述第二运动支链下连杆的第二端通过第五转动副与所述小腿夹具铰接；
所述踝关节连接装置包括脚踏板和膝踝连接杆，脚踏板穿戴于人体脚部，膝踝连接杆的第一端与膝关节连接装置的小腿夹具固定连接，膝踝连接杆的第二端与脚踏板通过第六转动副铰接。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿夹具和小腿夹具的结构相同且尺寸不同，分别穿戴于人体的大腿和小腿处。
3.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述第一转动副的轴线、所述丝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。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述第三转动副、所述第四转动副及所述第五转动副的轴线相互平行且均与所述第二转动副的轴线垂直。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述减重装置包括减重吊带和减重吊架，所述减重吊架的底部设置有转向轮和驱动轮，所述减重吊架连接有控制器和操控杆，通过减重吊架把手上的操控杆，能够控制减重吊架的移动、停止以及速度。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述第一运动支链下连杆包括第一运动支链下连杆I和第一运动支链下连杆II，第一运动支链下连杆I和第一运动支链下连杆II通过螺栓连接，其能够调节第一运动支链下连杆的长度。
7.根据权利要求6所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述第二运动支链下连杆包括第二运动支链下连杆I和第二运动支链下连杆II，第二运动支链下连杆I和第二运动支链下连杆II通过螺栓连接，其能够调节第二运动支链下连杆的长度。
8.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：髋关节的伺服电机设置于第一转动副处，膝关节的伺服电机设置于远离所述小腿夹具的转动副处，踝关节的伺服电机设置于第六转动副处。
9.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：
初始位置下，股骨关节面中心分别和大腿夹具、小腿夹具中心对齐，由几何关系可得，膝关节关节面上点的位置坐标表示为
其中，a表示人体膝关节数学模型的短轴半径，b表示人体膝关节数学模型的长轴半径，θ表示膝关节的转角，H表示初始位置股骨关节面中心和大腿夹具中心之间的距离，
通过电机转角控制膝关节的转角，使a和b具有不同的值，能够实现膝关节变轴线的转动运动，和人体膝关节的运动贴合，自动实现运动补偿。
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