CN112294602A - 一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人，属于康复机器人的技术领域。它包括框架（1）、髋关节组件（2）、大腿关节组件（3）、膝关节组件（4）和踝关节组件（5）；框架（1）顶部纵梁固定髋关节组件（2），髋关节组件（2）的腰部转板伸向框架（1）内部空间，腰部转板的悬挂端向下连接大腿关节组件（3），大腿关节组件（3）向下依次连接有膝关节组件（4）和踝关节组件（5）。本发明的技术效果是：以气压控制其收缩，安全性较高，运动平滑，稳定性高，驱动模型逼真，重量轻出力大，适合于与人身密切接触的场合。

Description

一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人

技术领域

本发明涉及一种康复机器人，具体涉及一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人。

背景技术

目前，我国有6000多万残疾人，其中肢体残疾达877万人。在肢体残疾人群中，又以下肢残疾人居多。另外，每年因脑动脉梗塞与破裂出血引起的偏瘫，大约数十万残疾后遗症的病人，丧失肢体运动肌的功能。

我国步入老龄化社会，中、老年人因患心脑血管疾病引起中风、偏瘫等疾病，出现下肢运动障碍。因而他们不得不常年卧床、肢体缺乏锻炼，继而引起皮肤压掩、骨质疏松、肌肉萎缩、肢体痉挛和静脉血栓等并发症。由于患者的实际情况复杂且人人有差异性，除了采用相对应的药物治疗外，现代医学引入针对下肢运动功能障碍的康复训练。为了改善患者的生活质量，助他们早日康复，减轻家庭负担，所以下肢康复训练辅具的研发应运而生。目前下肢康复器大多针对患者的不同康复阶段进行设计，并且各自已在不同临床康复阶段上上取得了初步研究成果，但随着研究的深入，早期的康复器反映出运动形式有限，反馈形式单一，结构刚性大，缺乏柔顺性等问题。同时，随着医学领域研究的进展，现阶段的康复研究又对关节的复杂运动训练、防治足下垂等方面的工程实现提出了更高的要求。

目前康复机器人的驱动主要依靠电机、气缸等来完成，由这些驱动器驱动的康复机器人控制精度比较高，但是这些机器人的机械结构比较复杂，刚性比较大，缺乏柔顺性。气动肌肉这种驱动器的问世，其不仅体积小巧，安全柔顺，功率/重量比大，而且其力/长度特性极为相似，因此它适合于与人身密切接触的场合。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了能实现帮助病人完成下肢康复运动的下肢康复设备，提供一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人，它以气压控制其收缩，安全性较高，运动平滑，稳定性高，驱动模型逼真，重量轻出力大，适合于与人身密切接触的场合。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人，包括框架、髋关节组件、大腿关节组件、膝关节组件和踝关节组件；框架顶部纵梁固定髋关节组件，髋关节组件的腰部转板伸向框架内部空间，腰部转板的悬挂端向下连接大腿关节组件，大腿关节组件向下依次连接有膝关节组件和踝关节组件。

本发明的技术效果是：

1、本发明主要以铝合金构件及气动肌肉组成，而气动肌肉自身体积不大且质量轻，故整机的质量较轻，各部件尺寸较小，模型较为逼真，使用时较为轻便。

2、本发明采用气动肌肉作为驱动器，由于以气压控制其收缩，接近人体的肌肉的工作模式而具有像肌肉一样的运动平滑顺畅，当然由于其是由特殊橡胶材料编织而成，所以具有弹性安全性，重量轻出力大,相比于冰冷的气缸和电机它更适合于与人身密切接触的场合；

3、本发明的各个关节轴与主板的运动只受气动肌肉的伸缩而产生，因此互不影响相互之间的运动，更方便地对下肢康复机器人整机进行准确的控制，故整机运动平滑，运动精度高，稳定性好。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明一个实施例的示意图；

图2为实施例的髋关节组件示意图；

图3为图1中髋关节底座的组合结构图；

图4为实施例的大腿关节组件示意图；

图5为实施例的膝关节组件示意图；

图6为实施例的裸关节组件示意图；

图7为实施例的绑腿装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，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。

如图1所示，本实施例包括框架1、髋关节组件2、大腿关节组件3、膝关节组件4和踝关节组件5；框架1顶部纵梁固定髋关节组件2，髋关节组件2的腰部转板伸向框架1内部空间，腰部转板的悬挂端向下连接大腿关节组件3，大腿关节组件3向下依次连接有膝关节组件4和踝关节组件5。

如图1所示，框架1为六面立体边框结构，顶部正面一边开口，方便使用者进出于框架内部空间，顶部左右至少一边纵梁高于横梁，较高的纵梁为使用者提供扶手。健康下肢所站的地面位置可采用物垫，以保持与踏板6齐平，方便训练。

如图2所示，髋关节组件2包括髋关节气动肌肉201、腰部转板202、连接板203和髋关节底座204，所述腰部转板202一端固定安装在髋关节底座204上，用于连接大腿关节组件3的连接板203固定在腰部转板202的悬挂端，水平对称的两个髋关节气动肌肉201支撑在腰部转板202中部两侧，髋关节气动肌肉的另一端固定在框架1顶部纵梁内侧壁构成转动副。如图3所示，所述髋关节底座204包括髋关节轴套2041、腰转轴2042、底座2043和折弯板2044，所述髋关节轴套2041固定安装在框架1顶部纵梁的支撑板上，所述腰转轴2042插入在髋关节轴套2041内构成转动副，所述底座2043位于在髋关节轴套2041上方与腰转轴2042固定组合，所述折弯板2044固定安装在底座2043上，折弯板2044用于夹持固定腰部转板202。

所述腰转轴2042通过对髋关节气动肌肉201进行充气或放气使其收缩或伸长来进行摆动运动，对左边的髋关节气动肌肉进行充气，右边的髋关节气动肌肉保压，使腰部转板202向左转动，对左边的髋关节气动肌肉进行放气，右边的髋关节气动肌肉进行充气，使腰部转板202向右转动。

如图4所示，所述大腿关节组件3包括大腿转轴301、大腿关节接头302、大腿主板303、大腿夹板304和大腿气动肌肉305；所述大腿关节接头302固定连接在腰部转板202的连接板203接口下方；所述大腿转轴301两端嵌装在两块大腿主板303上，大腿转轴301中间圆轴穿过大腿关节接头302轴孔构成摆动运动副（大腿关节接头302开设圆孔，大腿主板303开设方孔，大腿转轴301中间段为与大腿关节接头圆孔配合的圆轴，大腿转轴301两端为与前、后两块大腿主板方孔配合的方轴，转动时，大腿转轴301与两块大腿主板303一起转动），所述大腿夹板304夹装在两块大腿主板303之间，通过螺栓将两块大腿主板303和大腿夹板304固定在一起，两个大腿气动肌肉305对称安装在大腿主板303两侧，大腿气动肌肉305上端安装在大腿关节接头302侧边、下端安装在大腿主板303侧边。

所述大腿关节组件3通过对两个大腿气动肌肉303经充气伸长或放气收缩推动大腿主板303左右摆动。对左边的大腿关节气动肌肉进行充气，右边的大腿关节气动肌肉保压，使大腿主板303向左转动，对左边的大腿关节气动肌肉进行放气，右边的大腿关节气动肌肉进行充气，使大腿主板303向右转动。

如图5所示，所述膝关节组件4包括膝转轴401、膝关节接头402、小腿主板403、小腿夹板404和小腿气动肌肉405，所述膝转轴401两端嵌装在两块膝关节接头402上，膝转轴401中间圆轴穿过大腿夹板304下端轴孔构成摆动运动副，膝关节接头402与小腿主板403固定连接，小腿夹板404夹装在两块小腿主板403之间，通过螺栓将两块小腿主板403和小腿夹板404固定在一起，两个小腿气动肌肉405对称安装在小腿主板403两侧，小腿气动肌肉405上端安装在大腿夹板304侧边、下端安装在小腿主板403侧边。

所述膝关节组件4通过对两个小腿气动肌肉经充气伸长或放气收缩推动小腿主板403左右摆动。对左边的膝关节气动肌肉进行充气，右边的膝关节气动肌肉保压，使小腿主板403向左转动，对左边的膝关节气动肌肉进行放气，右边的膝关节气动肌肉进行充气，使小腿主板403向右转动。

如图6所示，所述裸关节组件5包括裸关节轴501、裸关节接头502、裸关节气动肌肉503和踏板6；裸关节接头502固定在踏板6上，裸关节接头502上端接口装接小腿夹板404下端，裸关节轴501设置在裸关节接头502上，裸关节轴501穿过小腿夹板404下端轴孔构成摆动运动副，两个裸关节气动肌肉503对称安装在裸关节接头502两边，裸关节气动肌肉503上端安装在小腿夹板404侧边、下端安装在踏板6板面边部。

所述裸关节组件5通过对两个裸关节气动肌肉503经充气伸长或放气收缩推动踏板6左右偏斜。对左边的裸关节气动肌肉进行充气，右边的裸关节气动肌肉保压，使裸关节502向左转动，从而带动踏板6外翻，对左边的裸关节气动肌肉进行放气，右边的裸关节气动肌肉进行充气，使裸关节502向右转动，从而带动踏板6内翻。

所述气动肌肉的一端装有与管道相连接的孔，管道结合电磁阀以及上位机和下位机对其进行控制，从而达到充气或者放气的过程。

如图7所示，绑腿装置7包括绑带701和绑带座702，所述绑带701安装在绑带座702上，所述绑带座702安装在大腿主板303或/和小腿主板403上，所述绑腿装置长度可调，适用于腿不同粗细人群。

本发明的各组件以铝合金为主，且以气动肌肉作为驱动器，故整机质量较轻，且模型较为逼真，作为驱动器的气动肌肉，由于以气压控制其收缩，接近人体的肌肉的工作模式而具有像肌肉一样的运动平滑顺畅，当然由于其是由特殊橡胶材料编织而成，所以具有弹性安全性，重量轻出力大,相比于冰冷的气缸和电机它更适合于与人身密切接触的场合。本发明各个组件独立进行控制，因此各个关节轴与主板的运动只受气动肌肉的伸缩而产生，互不影响相互之间的运动，更方便地对下肢康复机器人整机进行准确的控制，整机运动平滑，运动精度高，稳定性好，可以单独对一个下肢关节进行康复训练，也可以同时对下肢多个关节进行康复训练。

Claims (8)

1.一种气动肌肉驱动的下肢康复机器人，包括框架（1），其特征是：还包括髋关节组件（2）、大腿关节组件（3）、膝关节组件（4）和踝关节组件（5），框架（1）顶部纵梁固定髋关节组件（2），髋关节组件（2）的腰部转板伸向框架（1）内部空间，腰部转板的悬挂端向下连接大腿关节组件（3），大腿关节组件（3）向下依次连接有膝关节组件（4）和踝关节组件（5）。

2.根据权利要求1所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：所述髋关节组件（2）包括髋关节气动肌肉（201）、腰部转板（202）、连接板（203）和髋关节底座（204），所述腰部转板（202）一端固定安装在髋关节底座（204）上，用于连接大腿关节组件（3）的连接板（203）固定在腰部转板（202）的悬挂端，水平对称的两个髋关节气动肌肉（201）支撑在腰部转板（202）中部两侧，髋关节气动肌肉（201）的另一端固定在框架（1）顶部纵梁内侧壁构成转动副。

3.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：所述髋关节底座（204）包括髋关节轴套（2041）、腰转轴（2042）、底座（2043）和折弯板（2044），所述髋关节轴套（2041）固定安装在框架（1）顶部纵梁的支撑板上，所述腰转轴（2042）插入在髋关节轴套（2041）内构成转动副，所述底座（2043）位于在髋关节轴套（2041）上方与腰转轴（2042）固定组合，所述折弯板（2044）固定安装在底座（2043）上，折弯板（2044）用于夹持固定腰部转板（202）。

4.根据权利要求2所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：所述大腿关节组件（3）包括大腿转轴（301）、大腿关节接头（302）、大腿主板（303）、大腿夹板（304）和大腿气动肌肉（305）；所述大腿关节接头（302）固定连接在腰部转板（202）的连接板（203）接口下方；所述大腿转轴（301）两端嵌装在两块大腿主板（303）上，大腿转轴（301）中间圆轴穿过大腿关节接头（302）轴孔构成摆动运动副，所述大腿夹板（304）夹装在两块大腿主板（303）之间，通过螺栓将两块大腿主板（303）和大腿夹板（304）固定在一起，两个大腿气动肌肉（305）对称安装在大腿主板（303）两侧，大腿气动肌肉（305）上端安装在大腿关节接头（302）侧边、下端安装在大腿主板（303）侧边。

5.根据权利要求4所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：所述膝关节组件（4）包括膝转轴（401）、膝关节接头（402）、小腿主板（403）、小腿夹板（404）和小腿气动肌肉（405），所述膝转轴401两端嵌装在两块膝关节接头（402）上，膝转轴（401）中间圆轴穿过大腿夹板304下端轴孔构成摆动运动副，膝关节接头（402）与小腿主板（403）固定连接，小腿夹板（404）夹装在两块小腿主板（403）之间，通过螺栓将两块小腿主板（403）和小腿夹板（404）固定在一起，两个小腿气动肌肉（405）对称安装在小腿主板（403）两侧，小腿气动肌肉（405）上端安装在大腿夹板（304）侧边、下端安装在小腿主板（403）侧边。

6.根据权利要求5所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：所述裸关节组件（5）包括裸关节轴（501）、裸关节接头（502）、裸关节气动肌肉（503）和踏板（6）；裸关节接头（502）固定在踏板（6）上，裸关节接头（502）上端接口装接小腿夹板（404）下端，裸关节轴（501）设置在裸关节接头（502）上，裸关节轴（501）穿过小腿夹板（404）下端轴孔构成摆动运动副，两个裸关节气动肌肉（503）对称安装在裸关节接头（502）两边，裸关节气动肌肉（503）上端安装在小腿夹板（401）侧边、下端安装在踏板（6）板面边部。

7.根据权利要求1-6任一所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：还包括绑腿装置（7），所述绑腿装置（7）包括绑带（701）和绑带座（702），所述绑带（701）安装在绑带座（702）上，所述绑带座（702）安装在大腿主板（303）或/和小腿主板（403）上。

8.根据权利要求1-6任一所述的气动肌肉驱动的下肢康复机器人，其特征是：所述框架（1）为六面立体边框结构，顶部正面一边开口，顶部左右至少一边纵梁高于横梁。

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