CN112057302A - 一种腿部康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腿部康复训练系统，包括调节机构、对称设于调节机构两端且结构相同的行走机构，所述行走机构包括依次连接的髋关节部、腿部、膝关节部、与髋关节部结构相同的踝关节部和脚板部，所述髋关节部包括支撑架、设于支撑架内的十字轴和连接十字轴的万向节支撑座，所述腿部包括两对称设置的导轨、设于导轨两端的限位板、套设于导轨上的活动板和连接活动板的束腿筒，所述膝关节部包括上支架、下支架、连接上支架和下支架的转轴；本发明提供的训练系统，能够配合移动式减重平台在医院室内或者平坦路面进行自由的行走锻炼，帮助患者康复。

Description

一种腿部康复训练系统

技术领域

本发明属于康复训练技术领域，具体涉及一种腿部康复训练系统。

背景技术

在脑卒中发生的过程中，大脑部分区域无法正常供血，这导致了某一部位的脑组织损失，从而引起偏瘫等运动功能障碍，下肢在矢状面内的运动主要控制步行方向，而下肢的侧向运动以及身体其它部位的动作基本是用作保持平衡、动量守恒和能量存储等目的。目前医院使用的设备主要有站立式平衡床、训练脚踏车等较为传统的设备，站立式平衡床只能通过改变人与地面的角度，来逐步改变人体腿部的支撑力，恢复下肢肌肉的感知。训练脚踏车，主要带动人腿进行往复式的运动来锻炼下肢，部分医院配备了具有固定式跑台的减重康复训练设备，配有下肢外骨骼，能够通过悬吊减重系统减轻患者下肢支撑力，下肢外骨骼进行下肢辅助训练，使患者能够站立进行行走训练。

固定式跑台减重的康复训练设备，虽然能够为患者提供减重力，但是体积庞大，价格昂贵，多数医院只能配备一台，训练场所固定，外骨骼穿戴麻烦，外骨骼腿长调节多为固定值调节方式，不能进行无级调节，可调的范围受限，且外骨骼为三个自由度，髋关节两个自由度上下，屈伸，膝关节一个自由度，负责屈伸，目前外骨骼的髋关节部分大多只有屈伸的一个自由度，或者屈伸加上水平左右方向的自由度，没有上下方向的自由度，行走不自然，运动范围受限，使用者穿戴会不舒适，让外骨骼的体验变差。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种腿部康复训练系统，能够配合移动式减重平台在医院室内或者平坦路面进行自由的行走锻炼，帮助患者康复。

本发明的目的是这样实现的：

一种腿部康复训练系统，包括调节机构、对称设于调节机构两端且结构相同的行走机构，所述行走机构包括依次连接的髋关节部、与大腿和小腿相适配的腿部、连接腿部的大腿和小腿的膝关节部、连接小腿和脚板且与髋关节部结构相同的踝关节部，所述踝关节部远离小腿的一端连接脚板部，所述髋关节部包括支撑架、设于支撑架内的十字轴和连接十字轴的万向节支撑座、所述万向节支撑座远离支撑架的一端连接调节机构，所述支撑架的底部连接腿部的大腿侧；所述腿部包括两对称设置的导轨、设于导轨两端的限位板、套设于导轨上的活动板和连接活动板的束腿筒，所述活动板的底部通过调位组件和螺杆连接底部的限位板，所述螺杆的外部套设有套筒，所述活动板贯穿滑动连接套筒；所述膝关节部包括上支架、下支架、连接上支架和下支架的转轴，所述上支架和下支架错位连接，所述转轴贯穿连接上支架和下支架，所述上支架和下支架的外侧连接有限位架。

优选的，所述调位组件包括套设于螺杆外部且与螺杆螺纹连接的蜗轮、与蜗轮相适配的蜗杆，所述蜗杆的输入端连接有驱动蜗杆的第一电机，所述蜗轮和蜗杆设于底部的限位板内。

优选的，所述限位板内设有与螺杆相适配的导向套，所述蜗轮通过轴承连接螺杆。

优选的，所述调节机构包括固定板和沿固定板长度方向设置的丝杆，所述丝杆的两端通过轴座连接固定板，所述丝杆的上端、固定板的两端设有两滑杆，所述滑杆和丝杆的外部套设有连接行走机构的连接板，所述丝杆的两端设有方向相反的螺纹，所述滑杆的长度与丝杆端部的螺纹等长设置，所述丝杆的一端连接有手轮。

优选的，所述脚板部包括连接踝关节部的行星架、通过行星轴连接行星架的行星轮，所述行星轴远离行星架的一端连接有曲柄，所述行星轮的外部啮合连接有中心轮。

优选的，所述曲柄的自由端连接有踏板，所述中心轮通过减速器连接有驱动电机，所述中心轮的齿数是行星轮齿数的2倍。

优选的，所述髋关节部、腿部、膝关节部和踝关节部均连接有扭矩传感器和限位开关。

优选的，所述调位组件包括电动推杆和位移传感器，所述电动推杆的输出端连接螺杆。

优选的，所述膝关节部包括设于大腿内的第二电机和皮带连接第二电机输出端的减速器，所述减速器的输出端设有主动轮，所述主动轮的通过导向轮连接从动轮，所述从动轮连接小腿，所述从动轮上设有限位杆。

优选的，所述踏板内设有六维力传感器，所述位移传感器、扭矩传感器、限位开关和六维力传感器均连接到控制系统。

优选的，设腿部的大腿长度为L1，小腿长度为L2,髋关节的活动角度范围为α1-α2，膝关节的活动角度范围为β1-β2，则有大腿处于水平位置时髋关节的角度为0，以逆时针方向为正，髋关节的角度均为非负值，小腿和大腿在一条直线上时膝关节的角度为0，膝关节的角度均为非正值，则有：

1）膝关节处于最大角度β2时，髋关节从最小角度α1运动到最大角度α2过程中形成的圆弧为S1，且圆弧S1的圆心为髋关节；

2）膝关节处于最小角度β1时，髋关节从最小角度α1运动到最大角度α2过程中形成的圆弧为S2，且圆弧S2的圆心为髋关节；

3）髋关节处于最小角度α1时，膝关节从最小角度β1运动到最大角度β2过程中形成的圆弧为S3，且圆弧S3的圆心为膝关节；

4）髋关节处于最大角度α2时，膝关节从最小角度β1运动到最大角度β2过程中形成的圆弧为S4，且圆弧S4的圆心为膝关节。

优选的，圆弧S2的半径r_s2为r_s2=[L1²+L2²-2L1L2cos(180+β1)]^1/2,圆弧S2的起始角度η1和终止角度η2满足：

η1=-arcos[(r_s2 ²+L1²-L2²)/2r_s2L1]+α1；η2=α2+η1-α1。

优选的，圆弧S3的半径r_s3为L2，圆弧S3的起始角度ε1和终止角度ε2满足：

ε1=-arcos[(r_s2 ²+L2²-L1²)/2r_s2L2]+α2+η1-α1；ε2=β2-β1+ε1。

优选的，圆弧S1的半径r_s1为r_s1=[L1²+L2²-2L1L2cos(180+β2)]^1/2,圆弧S2的起始角度γ1和终止角度γ2满足：

γ1=α1-arcos[(r_s1 ²+L1²-L2²)/2r_s1L1]；γ2=α2+γ1-α1。

优选的，圆弧S4的半径r_s4为L2，圆弧S4的起始角度δ1和终止角度δ2满足：

δ1=α1+arcos[(L1²+L2²-r_s2 ²)/2L1L2]-180；δ2=β2-β1+δ1-α1。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种腿部康复训练系统，在髋关节和踝关节结构处配置万向节，在膝关节结构处配置转轴，其中膝关节处采用偏心连接，以模拟人体股骨和胫骨在轴向上的偏差，万向节通过十字轴实现其在矢状面和冠状面内的两个自由度转动，转轴实现其在矢状面内的一个自由度转动，以减少转动过程中的摩擦，能根据患者体型进行相应的长度调节。

2、本发明提供的一种腿部康复训练系统，蜗杆旋转并驱动蜗轮，进而带动升降螺杆做上下移动，在螺杆的升降作用下，调整活动板的位置，并通过束腿筒与腿固连，套筒与导轨同心配合，导轨的导向作用能够确保其在长度调节时轴心不发生偏移。

3、本发明提供的一种腿部康复训练系统，减速器将电机的高转速转化为低转速，通过输出轴带动行星架转动，铰接在行星架上的行星轮跟随行星架一起转动，此转动为行星轮的公转，行星轮的自转则由行星轮与中心轮的相对啮合产生，中心轮是固定在机架上的，且中心轮的齿数是行星轮的2倍，当行星轮随行星架公转一周时，行星轮自转两周，以适应人体步态轨迹。

4、本发明提供的一种腿部康复训练系统，通过髋关节和膝关节之间的运动关系、大腿和小腿长度来确定康复训练所需要的轨迹，平稳地实现运动轨迹，避免超出病人能承受的活动范围对病人造成二次伤害。

附图说明

图1是本发明一种腿部康复训练系统结构示意图。

图2是本发明一种腿部康复训练系统调节机构示意图。

图3是本发明一种腿部康复训练系统髋关节部示意图。

图4是本发明一种腿部康复训练系统腿部示意图。

图5是本发明一种腿部康复训练系统调位组件示意图。

图6是本发明一种腿部康复训练系统膝关节部示意图。

图7是本发明一种腿部康复训练系统限位架示意图。

图8是本发明一种腿部康复训练系统脚板部示意图。

图9是本发明实施例2示意图。

图中：100、调节机构；10、固定板；11、丝杆；12、滑杆；13、连接板；14、手轮；200、髋关节部；21、支撑架；22、十字轴；23、万向节支撑座；300、腿部；31、导轨；32、套筒；33、活动板；34、螺杆；35、束腿筒；36、限位板；37、蜗杆；38、蜗轮；400、脚板部；41、行星架；42、行星轮；43、中心轮；44、曲柄；500、膝关节部；51、上支架；52、下支架；53、转轴；101、第二电机；102、减速器；103、皮带；104、主动轮；105、导向轮；106、从动轮；107、限位杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1，一种腿部康复训练系统，包括调节机构100、对称设于调节机构100两端且结构相同的行走机构，所述行走机构包括依次连接的髋关节部200、与大腿和小腿相适配的腿部300、连接腿部300的大腿和小腿的膝关节部500、连接小腿和脚板且与髋关节部200结构相同的踝关节部，所述踝关节部远离小腿的一端连接脚板部400。

结合图2，所述调节机构100包括固定板10和沿固定板10长度方向设置的丝杆11，所述丝杆11的两端通过轴座连接固定板10，所述丝杆11的上端、固定板10的两端设有两滑杆12，所述滑杆12和丝杆11的外部套设有连接行走机构的连接板13，所述丝杆11的两端设有方向相反的螺纹，所述滑杆12的长度与丝杆11端部的螺纹等长设置，所述丝杆11的一端连接有手轮14，通过摇动手轮14，两个连接板13向相反的方向移动，以便于调节两个行走机构之间的距离，适应不同身形的病人。

结合图3，所述髋关节部200包括支撑架21、设于支撑架21内的十字轴22和连接十字轴22的万向节支撑座23、所述万向节支撑座23远离支撑架21的一端连接调节机构100，所述支撑架21的底部连接腿部300的大腿侧，万向节通过十字轴22实现其在矢状面和冠状面内的两个自由度转动，通过转轴实现在矢状面内的一个自由度转动，在轴端均设有圆柱滚子轴承以减少转动过程中的摩擦，并通过支承连接两端，髋关节部200链接调节机构和腿部的大腿侧，踝关节部链接腿部的小腿和脚板部。

结合图4和图5，所述腿部300包括两对称设置的导轨31、设于导轨31两端的限位板36、套设于导轨31上的活动板33和连接活动板33的束腿筒35，所述活动板33的底部通过调位组件和螺杆34连接底部的限位板36，所述螺杆34的外部套设有套筒32，所述活动板33贯穿滑动连接套筒32，所述调位组件包括套设于螺杆34外部且与螺杆34螺纹连接的蜗轮38、与蜗轮38相适配的蜗杆37，所述蜗杆37的输入端连接有驱动蜗杆37的第一电机，所述蜗轮38和蜗杆37设于底部的限位板36内，所述限位板36内设有与螺杆34相适配的导向套，所述蜗轮38通过轴承连接螺杆34，以大腿结构为例，蜗杆在驱动电机的作用下旋转并驱动具有内螺纹的蜗轮旋转，进而带动螺杆做上下移动，由此完成与螺杆链接的活动板的升降，在螺杆的升降作用下，调整活动板至大腿中心位置，并通过束腿筒与大腿固连，套筒与导轨同心配合，导轨的导向作用能够确保其在长度调节时轴心不发生偏移，根据患者体型进行大腿和小腿相应的长度调节。

结合图6和图7，所述膝关节部500包括上支架51、下支架52、连接上支架51和下支架52的转轴53，所述上支架51和下支架52错位连接，所述转轴53贯穿连接上支架51和下支架52，所述上支架51和下支架52的外侧连接有限位架，膝关节处的上支架51和下支架52采用偏心连接，以模拟人体股骨和胫骨在轴向上的偏差。

结合图8，所述脚板部400包括连接踝关节部的行星架41、通过行星轴连接行星架41的行星轮42，所述行星轴远离行星架41的一端连接有曲柄44，所述行星轮42的外部啮合连接有中心轮43，所述曲柄44的自由端连接有踏板，所述中心轮43通过减速器连接有驱动电机，所述中心轮43的齿数是行星轮42齿数的2倍，行星架的一端固定安装在减速器的输出轴上，行星架的另一端为轴承座，轴承座中安装有两个轴承，两轴承之间用轴套隔开，行星轴的一端穿过轴承，与行星架形成转动副，行星架的中部安装有行星轮，平键用于行星轮的周向固定，曲柄固定安装在行星轴的另一端，由于行星轮与行星架之间没有相对运动，所以曲柄也可以认为是固定安装在行星轮上，中心轮与行星轮啮合，并且固定安装在机架上，中心轮的轴线与减速器输出轴的轴线共线。

实施例2

在实施例1的基础上，结合图9，所述膝关节部包括设于大腿内的第二电机101和皮带103连接第二电机101输出端的减速器102，所述减速器102的输出端设有主动轮104，所述主动轮104的通过导向轮105连接从动轮106，所述从动轮106连接小腿，所述从动轮106上设有限位杆107，谐波减速器高速端是由第二电机通过同步带轮驱动，谐波减速器低速端通过齿轮驱动小腿部分，扭矩传感器安装于膝关节轴线处，一端与主动轮通过键连接，另一端通过螺栓与小腿部分连接，准确获取膝关节驱动扭矩，小腿部分在膝关节处有旋转槽，而在大腿部分对应旋转槽通过限位杆限制小腿部分只能在旋转槽范围内运动，实现膝关节的机械限位，通过电气限位开关，实现膝关节的电气限位保护。

实施例3

设腿部的大腿长度为L1，小腿长度为L2,髋关节的活动角度范围为α1-α2，膝关节的活动角度范围为β1-β2，则有大腿处于水平位置时髋关节的角度为0，以逆时针方向为正，髋关节的角度均为非负值，小腿和大腿在一条直线上时膝关节的角度为0，膝关节的角度均为非正值，则有：

1）膝关节处于最大角度β2时，髋关节从最小角度α1运动到最大角度α2过程中形成的圆弧为S1，且圆弧S1的圆心为髋关节；

2）膝关节处于最小角度β1时，髋关节从最小角度α1运动到最大角度α2过程中形成的圆弧为S2，且圆弧S2的圆心为髋关节；

3）髋关节处于最小角度α1时，膝关节从最小角度β1运动到最大角度β2过程中形成的圆弧为S3，且圆弧S3的圆心为膝关节；

4）髋关节处于最大角度α2时，膝关节从最小角度β1运动到最大角度β2过程中形成的圆弧为S4，且圆弧S4的圆心为膝关节。

由上述，则有圆弧S2的半径r_s2为r_s2=[L1²+L2²-2L1L2cos(180+β1)]^1/2,圆弧S2的起始角度η1和终止角度η2满足：

η1=-arcos[(r_s2 ²+L1²-L2²)/2r_s2L1]+α1；η2=α2+η1-α1。

圆弧S3的半径r_s3为L2，圆弧S3的起始角度ε1和终止角度ε2满足：

ε1=-arcos[(r_s2 ²+L2²-L1²)/2r_s2L2]+α2+η1-α1；ε2=β2-β1+ε1。

圆弧S1的半径r_s1为r_s1=[L1²+L2²-2L1L2cos(180+β2)]^1/2,圆弧S2的起始角度γ1和终止角度γ2满足：

γ1=α1-arcos[(r_s1 ²+L1²-L2²)/2r_s1L1]；γ2=α2+γ1-α1。

圆弧S4的半径r_s4为L2，圆弧S4的起始角度δ1和终止角度δ2满足：

δ1=α1+arcos[(L1²+L2²-r_s2 ²)/2L1L2]-180；δ2=β2-β1+δ1-α1。

通过髋关节和膝关节之间的运动关系、大腿和小腿长度来确定康复训练所需要的轨迹，平稳地实现运动轨迹，避免超出病人能承受的活动范围对病人造成二次伤害。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种腿部康复训练系统，包括调节机构（100）、对称设于调节机构（100）两端且结构相同的行走机构，所述行走机构包括依次连接的髋关节部（200）、与大腿和小腿相适配的腿部（300）、连接腿部（300）的大腿和小腿的膝关节部（500）、连接小腿和脚板且与髋关节部（200）结构相同的踝关节部，所述踝关节部远离小腿的一端连接脚板部（400），其特征在于：所述髋关节部（200）包括支撑架（21）、设于支撑架（21）内的十字轴（22）和连接十字轴（22）的万向节支撑座（23）、所述万向节支撑座（23）远离支撑架（21）的一端连接调节机构（100），所述支撑架（21）的底部连接腿部（300）的大腿侧；所述腿部（300）包括两对称设置的导轨（31）、设于导轨（31）两端的限位板（36）、套设于导轨（31）上的活动板（33）和连接活动板（33）的束腿筒（35），所述活动板（33）的底部通过调位组件和螺杆（34）连接底部的限位板（36），所述螺杆（34）的外部套设有套筒（32），所述活动板（33）贯穿滑动连接套筒（32）；所述膝关节部（500）包括上支架（51）、下支架（52）、连接上支架（51）和下支架（52）的转轴（53），所述上支架（51）和下支架（52）错位连接，所述转轴（53）贯穿连接上支架（51）和下支架（52），所述上支架（51）和下支架（52）的外侧连接有限位架。

2.根据权利要求1所述的一种腿部康复训练系统，其特征在于：所述调位组件包括套设于螺杆（34）外部且与螺杆（34）螺纹连接的蜗轮（38）、与蜗轮（38）相适配的蜗杆（37），所述蜗杆（37）的输入端连接有驱动蜗杆（37）的第一电机，所述蜗轮（38）和蜗杆（37）设于底部的限位板（36）内。

3.根据权利要求2所述的一种腿部康复训练系统，其特征在于：所述限位板（36）内设有与螺杆（34）相适配的导向套，所述蜗轮（38）通过轴承连接螺杆（34）。

4.根据权利要求1所述的一种腿部康复训练系统，其特征在于：所述调节机构（100）包括固定板（10）和沿固定板（10）长度方向设置的丝杆（11），所述丝杆（11）的两端通过轴座连接固定板（10），所述丝杆（11）的上端、固定板（10）的两端设有两滑杆（12），所述滑杆（12）和丝杆（11）的外部套设有连接行走机构的连接板（13），所述丝杆（11）的两端设有方向相反的螺纹，所述滑杆（12）的长度与丝杆（11）端部的螺纹等长设置，所述丝杆（11）的一端连接有手轮（14）。

5.根据权利要求1所述的一种腿部康复训练系统，其特征在于：所述脚板部（400）包括连接踝关节部的行星架（41）、通过行星轴连接行星架（41）的行星轮（42），所述行星轴远离行星架（41）的一端连接有曲柄（44），所述行星轮（42）的外部啮合连接有中心轮（43）。

6.根据权利要求5所述的一种腿部康复训练系统，其特征在于：所述曲柄（44）的自由端连接有踏板，所述中心轮（43）通过减速器连接有驱动电机，所述中心轮（43）的齿数是行星轮（42）齿数的2倍。

7.根据权利要求1所述的一种腿部康复训练系统，其特征在于：所述髋关节部（200）、腿部（300）、膝关节部（500）和踝关节部均连接有扭矩传感器和限位开关。

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