CN110507516B - 一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，整体为框架结构，框架内安装有导轨滑块，导轨滑块上安装有上下移动平台；顶部安装有定滑轮。下移动平台由驱动模块驱动，可上下移动。移动平衡模块安装于上下移动平台上；其中，上移动平台上安装有动滑轮以及一个中部与上移动平台铰接的拉板；拉板通过弹簧连接下移动平台。上移动平台上还安装有距离传感器。使用时，悬吊钢丝绕过定滑轮与动滑轮，一端与人体连接，另一端连接卷扬机或地面。当人体运动带动悬吊钢丝运动，带动上移动平台运动；而驱动模块可驱动下平台移动，保持上下平台间距离为恒定值从而弹簧伸长量为恒定值，实现了适应人体运动中的高度变化的被动运动并且可以为人体提供恒定的悬吊拉力。

Description

一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种康复医疗用的人体悬吊系统。

背景技术

中风和脊髓损伤是导致下肢运动功能障碍的主要原因，医学研究表明，下肢康复训练可以帮助恢复一定的运动功能。传统康复训练需要由医疗人员和患者家属协助完成，人力耗费高，工作强度大，康复效率低，且缺乏评价指标。而随着机器人技术的发展，外骨骼机器人逐渐进入康复训练领域，可以提供长时间、高强度的康复训练，并且提供量化评价指标，训练结果得到更好的保证。而在病人康复初期，有些病人下肢运动能力欠缺，双腿无法支撑自身体重，因此在使用外骨骼机器人进行康复训练的时候，需要外部悬吊系统减少人体腿部支撑的重量。同时，在人的步态过程中，高度会发生变化，因此悬吊系统还需要适应人的高度变化，不对患者行走产生阻碍。此外，为了保证训练的效果和安全，人体悬吊系统为对人体的悬吊拉力应保持不变。

为了实现恒力悬吊和使患者运动舒适，并且降低控制的复杂性，需要设计一种能够实现跟随人体高度变化的提供恒定拉力的人体悬吊系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，可以为患者提供恒力悬吊拉力并且可以适应人体高度变化。

整体为框架结构，框架结构后侧安装有导轨，导轨上安装有两个滑块；位于上部的滑块用于连接上移动平台，下部的滑块用于连接下移动平台；通过驱动机构驱动下移动平台竖直方向运动。

上述上移动平台下表面安装有力平衡机构，包括力平衡连接件，拉板，中心转轴和定位销。其中，力平衡连接件固定安装上移动平台下表面；拉板，水平设置，上表面中部具有等腰三角形连接件，等腰三角形连接件的顶角处通过转轴与力平衡连接件间轴接。拉板的底面左右两端通过弹簧与下移动平台上表面连接。上移动平台与下移动平台之间通过弹簧传递拉力。

上述框架结构顶部安装有定滑轮；上移动平台上表面安装有动滑轮。悬吊钢丝一端与卷扬机或地面连接，并由定滑轮上方绕过定滑轮后，再经动滑轮下方绕过动滑轮后，绕过若干个滑轮连接患者。

使用时，悬吊钢丝绕过定滑轮与动滑轮，一端与人体连接，另一端连接卷扬机或底面。当人体运动带动悬吊钢丝运动，带动上移动平台运动；而驱动模块可驱动下平台移动，保持上下移动平台间距为恒定从而弹簧拉力为恒定值，实现了被动运动并且可以为人体提供恒定的拉力。

本发明的优点在于：

1、本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统，钢丝绳、定滑轮和动滑轮组成滑轮组，通过弹簧的拉伸提供拉力实现悬吊，同时弹簧可以在一定范围内伸长或缩短，因此可以提供一定的缓冲作用，并且可以适应人运动过程中的高度变化，使人康复运动更自然。

2、本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统，上平台可以跟随人体运动进行被动运动；同时电机带动下部平台运动，可以保证输出的拉力不变，实现了恒力悬吊。

3、本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统，通过弹簧提供悬吊的拉力，将力控制转化为位移控制，减少了测量误差和控制的复杂性。

4、本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统，上下移动平台连接处使用了平衡机构，可以减少两个弹簧提供拉力不同产生的附加力矩的影响，保证了运动的平稳性和结构的可靠性。

附图说明

图1是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统整体结构示意图。

图2是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统整体结构侧视示意图。

图3是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统的外部框架模块示意图。

图4是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统的内部框架组件示意图。

图5是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统的驱动模块示意图。

图6是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统的驱动模块侧视示意图。

图7是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统的移动平衡模块示意图。

图8是移动平衡模块中力平衡机构结构示意图。

图9是力平衡机构中定位销安装位置示意图。

图10是本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统中悬吊钢丝连接示意图。

图中：

1-外部框架模块 2-内部框架模块 3-驱动模块

4-移动平衡模块 5-悬吊钢丝 7-悬吊钢丝

101-顶部矩形框架 102-底部矩形框架 103-支撑杆

201-内部框架组件 202-导轨连接横梁 203-导轨

204-滑块 205-限位块 206-连接板

207-定滑轮 208-隔离套 201a-左侧架

201b-右侧架 201c-上部前梁 201d-上部后梁

201e-下部前梁 201f-下部后梁 201g-立柱

301-固定座 302-驱动电机 303-电机座

304-螺杆 305-丝杠座 306-皮带轮

307-皮带 401-上移动平台 402-下移动平台

403-动滑轮 404-力平衡机构 405-吊环

406-弹簧 407-距离传感器 404a-力平衡连接件

404b-拉板 404c-中心转轴 404d-定位销

404e-等腰三角形连接件

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明用于康复训练的恒力人体悬吊系统，包括外部框架模块1、内部框架模块2、驱动模块3、移动平衡模块4与悬吊钢丝5、如图1、图2所示。

所述外部框架模块1作为整个悬吊系统的外框架，用于悬吊系统其他部分的安装与支撑。外部框架模块1为由顶部矩形框架101，底部矩形框架102与周向四根支撑杆103构成的矩形截面框架结构，如图3所示。

所述内部框架模块2包括内部框架组件201、导轨连接横梁202，导轨203、滑块204、限位块205、连接板206、定滑轮207与隔离套208，如图4所示。

其中，内部框架组件2包括左侧架201a、右侧架201b，上部前梁201c、上部后梁201d，下部前梁201e与下部后梁201f。其中，左侧架201a与右侧架201b均为由前后纵梁与上下横梁构成的等尺寸矩形框架，左右对称设置，相互平行。左侧架201a与右侧架201b上部前端分别与上部前梁201c上的凹槽配合插接定位，并通过螺栓实现两者间固定；左侧架201a与右侧架201b上部后端分别与上部后梁201d上的凹槽配合插接定位，并通过螺栓实现两者间固定；同样，左侧架201a与右侧架201b下部前端分别与下部前梁201e上的凹槽配合插接定位，并通过螺栓实现两者间固定；左侧架201a与右侧架201b下部后端分别与下部后梁201f上的凹槽配合插接定位，并通过螺栓实现两者间固定；至此形成整体内部框架组件2结构。

所述内部框架组件2置于外部框架模块1内部，两者间通过螺栓穿过上部前梁201c、上部后梁201d，下部前梁201e与下部后梁201f上的螺孔后，分别与外部框架模块1的顶部矩形框架101和底部矩形框架102的前后侧边固定。

上述内部框架组件2中，左侧架201a与右侧架201b后纵梁间安装有导轨连接横梁202，导轨连接横梁202上安装有由竖直设置的两条导轨203。两条导轨203上具有可沿竖直方向滑动的两个滑块204；其中，位于上部的两个滑块204用于连接上移动平台401，下部的两个滑块204用于连接下移动平台402。同时，在左侧架201a与右侧架201b的后纵梁间由上至下安装有三个限位块205，分别位于上移动平台401上方，下移动平台402下方以及上移动平台401与下移动平台402之间，分别用来限制上移动平台401向上的运动，下移动平台402向下的运动以及上移动平台401向下的运动和下移动平台402向上的运动。

所述内部框架组件2的左侧架201a与右侧架201b的上横梁间安装连接板206，连接板206下表面安装有定滑轮207，定滑轮207轴向沿左右方向设置。隔离套208固定在连接板206上，用于钢丝绳穿过，通过隔离套208隔绝钢丝绳和连接板206的接触，同时在隔离套208内圈涂抹润滑剂，实现钢丝绳滑动时的润滑。隔离套208可以采用铜衬套，也可采用其他材质的衬套，如尼龙衬套。

所述驱动模块3包括固定座301、驱动电机302、电机座303、螺杆304、丝杠座305、皮带轮306、皮带307与螺母,如图5，图6所示。

其中，固定座301作为整个驱动模块3的底座，周向具有通孔，分别与内部框架模块2的左侧架201a与右侧架201b下横梁上安装的立柱201g配合插接，实现驱动模块3与内部框架2间的固定。驱动电机302通过电机座303与固定座301连接，并通过螺栓固定。螺杆304竖直设置，与固定座301上固定安装的丝杠座螺纹连接，实现螺杆304与固定座301间的连接。驱动电机302的输出端与螺杆304的输入端上通过顶丝同轴固定有皮带轮306，皮带轮之间通过皮带307。螺杆304上螺纹套接有螺母308，螺母308与下移动平台402相连。

所述移动平衡模块4包括上移动平台401、下移动平台402、动滑轮403、力平衡机构404、吊环405、弹簧406与距离传感器407，如图7所示。其中，上移动平台401与下移动平台402分别水平固定于内部框架组件2中两条导轨203上部与下部的滑块204上。动滑轮403安装于上移动平台205上表面，动滑轮403轴向沿左右方向设置。力平衡机构402安装于上移动平台401下表面，包括力平衡连接件404a，拉板404b，中心转轴404c和定位销404d，如图8、图9所示。其中，力平衡连接件404a固定安装上移动平台205下表面；拉板404b为板状结构，水平设置，上表面中部具有等腰三角形连接件404e，等腰三角形连接件402e的顶角处通过中心转轴404c与力平衡连接件404a间轴接，且中心转轴404c末端通过定位销404d限位；中心转轴404c可将拉板404b的拉力传递到力平衡连接板404a处。拉板404b的底面左右两端以及下移动平台402左右两端对应位置安装有吊环405，且对应位置吊环405间连接弹簧406，弹簧406通过两端的挂钩与吊环405间相连。距离传感器405与上移动平台401相连，用于测量上移动平台401与下移动平台402间的距离。当拉板404b受到来自两个弹簧404的拉力不相等时，不相等的拉力对拉板404b产生扭矩，拉板404b将绕中心转轴404c旋转，拉力大的一端位置下降，弹簧404伸长变短，拉力小的一端位置上升，弹簧404伸长变长，最终平衡时所受两个拉力相等。力平衡机构402将上移动平台401所受的两个弹簧404的拉力合成为过中心转轴404c且垂直于上移动平台401的拉力，可以与对上移动平台401的拉力共线，使得上移动平台401只受到拉力而不受力矩。

如图10所示，所述悬吊钢丝5一端与卷扬机或地面连接，并由定滑轮207上方绕过定滑轮207后，再经动滑轮403下方绕过动滑轮403后，绕过若干个外部滑轮连接患者。上移动平台205与下移动平台206之间通过弹簧404传递拉力。

在本发明恒力人体悬吊系统工作时，进行康复治疗的患者身上绑有吊带，吊带与悬吊钢丝5相连，随后将悬吊钢丝5连入人体悬吊系统，按前述方式绕过定滑轮207与动滑轮403，另一端连接到地面或卷扬机，通过上移动平台401与下移动平台402之间的弹簧406拉伸产生拉力，为人体提供一定的悬吊拉力，实现了悬吊功能。在患者进行康复治疗的过程中，人体位置或姿态的变化都会使悬吊钢丝7与绑带连接的位置变化，从而导致悬吊钢丝7的伸长或缩短，因此悬吊钢丝5带动上移动平台401移动，使上移动平台401相对下移动平台402产生位移，因此上移动平台401为被动运动，不会对患者运动产生限制。当上移动平台401移动后，上移动平台401、下移动平台402的相对位置改变，弹簧406伸长量改变，因此产生的拉力改变。通过距离传感器405实时检测上移动平台401与下移动平台402的相对位置，在上移动平台401与下移动平台402相对位置变化后，控制驱动电机302旋转，通过螺杆304传动，带动下移动平台402移动，使得上移动平台401与下移动平台402的相对位置保持恒定，保证弹簧406产生的拉力恒定。因此本发明恒力人体悬吊系统可以为患者提供恒力悬吊拉力并且可以适应运动过程中的高度变化。

Claims (5)

1.一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，其特征在于：整体为框架结构，框架结构后侧安装有导轨，导轨上安装有两个滑块；位于上部的滑块用于连接上移动平台，下部的滑块用于连接下移动平台；通过驱动机构驱动下移动平台竖直方向运动；

上移动平台下表面安装有力平衡机构，力平衡机构包括力平衡连接件，拉板，中心转轴和定位销；其中，力平衡连接件固定安装于上移动平台下表面；拉板为板状结构，水平设置，上表面中部具有等腰三角形连接件，等腰三角形连接件的顶角处通过中心转轴与力平衡连接件间轴接，且中心转轴末端通过定位销限位；中心转轴将拉板的拉力传递到力平衡连接板处；拉板的底面左右两端以及下移动平台左右两端对应位置安装有吊环，且对应位置吊环间连接弹簧，弹簧通过两端的挂钩与吊环间相连；当拉板受到来自两个弹簧的拉力不相等时，不相等的拉力对拉板产生扭矩，拉板将绕中心转轴旋转，拉力大的一端位置下降，弹簧伸长变短，拉力小的一端位置上升，弹簧伸长变长，最终平衡时所受两个拉力相等；力平衡机构将上移动平台所受的两个弹簧的拉力合成为过中心转轴且垂直于上移动平台的拉力，与对上移动平台的拉力共线，使得上移动平台只受到拉力而不受力矩；

上述框架结构顶部安装有定滑轮；上移动平台上表面安装有动滑轮；悬吊钢丝一端与卷扬机或地面连接，并由定滑轮上方绕过定滑轮后，再经动滑轮下方绕过动滑轮后，绕过若干个滑轮连接患者。

2.如权利要求1所述一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，其特征在于：框架结构后侧安装有三个限位块，分别位于上移动平台上方，下移动平台下方以及上移动平台与下移动平台之间。

3.如权利要求1所述一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，其特征在于：框架结构顶部还安装有隔离套，用于钢丝绳穿过，实现钢丝绳滑动时的润滑。

4.如权利要求1所述一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，其特征在于：上移动平台上安装距离传感器，用于测量上移动平台与下移动平台间的距离。

5.如权利要求1所述一种用于康复训练的恒力人体悬吊系统，其特征在于：驱动模块安装于框架结构底部，由驱动电机输出动力，由皮带轮传送至螺杆，带动螺杆升降；螺杆与下移动平台连接，进而带动下移动平台上下移动。

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