CN113855489B - 一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人,包括框架体、脚部约束机构、升降机构，脚部约束机构在框架体内沿左右方向对称设置两组，脚部约束机构包括束脚装置以及三组牵引机构，牵引机构包括凯夫拉线、牵引旋转轮组、张紧轮组、传感器滑轮组、绕线滚筒和力矩电机，凯夫拉线的一端与束脚装置固连，凯夫拉线的另一端依次绕经牵引旋转轮组、张紧轮组、传感器滑轮组后与绕线滚筒固连，绕线滚筒由力矩电机驱动其转动以实现凯夫拉线的收放，三组牵引机构中凯夫拉线的收放配合可实现下肢的直腿抬升运动以及膝关节的屈伸运动。本发明采用全柔索驱动以实现下肢抬升与屈伸的组合康复运动，适应性更强，柔顺性更强，结构更简单。

Description

一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，具体涉及一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人。

背景技术

传统的下肢瘫痪病人手术后的康复训练方法需要医生和护理师的全程看护与指导，操作复杂，需要消耗大量人力、物力。由于康复训练师的数量并不能完全与病人数量相匹配，这就造成了高额治疗费用与较高的风险。因此，大部分病人都不能及时获得康复治疗，而提供及时必要的康复治疗能够减小病人的瘫痪程度。利用康复机器人进行康复训练，不仅可以有效降低患者的花销，而且可以比通过治疗师辅助治疗更可能得到相同或更好的功能修复。现如今在市面里所广泛使用的卧式下肢康复机器人大部分都是刚性连接，例如申请号CN201910267329.7公开了一种卧式下肢康复机器人训练机构，采用的传动方式为齿柱带动同步带上踏板做直线往复屈伸运动，以及涡轮转盘机构带动踏板做往复摆动，该机器人实施方式依靠简单的线性运动以实现腿部的屈伸运动，运动方式单一且由于病人腿部本身存在不同的患部，康复运动是一个动态的、柔性的过程，刚性连接康复机器人无法完全适应。申请号CN201911155378.8公开了一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，该机器人依靠双柔索伸缩实现腿部的上抬动作，配合滚珠丝杠模组的直线运动以补偿腿部前后屈伸运动，且使用弧形导轨辅助增加腿部的开合自由度。尽管引入了柔性驱动，但腿部的完整抬升运动是腿部抬升与屈伸动作的动态组合，该机器人将这两种运动方式分离，无法完全满足腿部运动的适应性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，该康复机器人采用全柔索驱动以实现下肢抬升与屈伸的组合康复运动，适应性更强，柔顺性更强，结构更简单。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括由上框架及下框架组成的框架体、设置在框架体内的脚部约束机构、设置在框架体下方的升降机构，所述的脚部约束机构在框架体内沿左右方向对称设置两组，两组脚部约束机构分别与患者的左右脚相配合，所述的升降机构用以调整框架体的高低位置；

两组所述的脚部约束机构均分别包括用于固定患者脚裸的束脚装置以及与束脚装置相连的牵引机构，所述的牵引机构沿束脚装置中心点的周向均匀设置三组，三组牵引机构均分别包括凯夫拉线、牵引旋转轮组、张紧轮组、传感器滑轮组、绕线滚筒和力矩电机，所述凯夫拉线的一端与束脚装置固连，凯夫拉线的另一端依次绕经牵引旋转轮组、张紧轮组、传感器滑轮组后与绕线滚筒固连，所述的绕线滚筒由力矩电机驱动其转动以实现凯夫拉线的收放，三组牵引机构中凯夫拉线的收放配合可实现下肢的直腿抬升运动以及膝关节的屈伸运动；

所述的牵引旋转轮组包括滚轮架以及呈三角状布置在滚轮架上的第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮；所述的滚轮架通过滚轮旋转机构与上框架连接，所述的滚轮旋转机构包括滚轮座及竖直方向布置的第一旋转轴，其中：滚轮座与上框架的顶部固定连接，第一旋转轴的一端与滚轮座转动连接，第一旋转轴的另一端与滚轮架的顶端固定连接。

所述的束脚装置包括环状结构的束脚带、垂直连接在束脚带一侧端面上的U型带、固定在束脚带顶部的吊环以及沿束脚带周向设置的可调节紧固带，所述的束脚带用以托住患者的脚踝，且束脚带的内壁为光滑面，所述的U型带与患者的脚掌相抵靠；所述的束脚装置还包括与吊环相配合的吊钩、与吊钩螺纹连接的吊钩架、与吊钩架相连的连接座，所述的连接座由底座及与底座螺钉连接的顶盖组成，所述的底座通过螺栓与吊钩架连接，所述的顶盖沿其中心点的周向均布有三组穿线孔，三组牵引机构中的凯夫拉线分别穿过相对应的穿线孔后通过端部打结的方式固定在顶盖的内面。

所述的第一滚轮、第二滚轮及第三滚轮的轴线方向均与第一旋转轴的轴线方向相垂直，且第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮为大小相等、结构相同的轴承滚轮，所述的第二滚轮及第三滚轮分别位于第一滚轮的两侧，其中：第一滚轮的中心轴线与第一旋转轴的中心轴线位于同一铅垂面内，所述的第二滚轮位于第一滚轮的下方偏右位置，且第二滚轮的中心轴线与第一滚轮的中心轴线在铅垂面之间的间距等于第一滚轮内径的一半；所述的第三滚轮设置在第一滚轮的左旁侧且第三滚轮的高度位于第一滚轮与第二滚轮之间，所述第三滚轮的中心轴线与第一滚轮的中心轴线在水平面之间的间距等于第一滚轮内径的一半。

所述的滚轮座包括滚轮座本体、角接触球轴承及角接触球轴承座，所述滚轮座本体的顶部设有与上框架的顶部固定连接的卡块，所述的角接触球轴承座与滚轮座本体通过螺钉固连，所述第一旋转轴的一端与角接触球轴承的内圈配合，第一旋转轴的另一端设有内螺纹孔，且该端与滚轮架通过内六角圆柱螺钉连接，所述的第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮均分别通过滚轮轴固定在滚轮架上，所述滚轮轴的两端分别设有限定滚轮轴轴向移动的套筒。

所述的传感器滑轮组设置在绕线滚筒的旁侧，包括与绕线滚筒设置方向相吻合的第四滚轮及第五滚轮，所述第四滚轮与第五滚轮的中心轴线相平行且位于同一水平面内，用以安装第四滚轮的第一滚轮座通过拉力传感器固定在下框架内，用以安装第五滚轮的第二滚轮座通过竖直方向布置的第二旋转轴可转动地固定在下框架内；所述第二旋转轴的一端与第二滚轮座的底部固定连接，第二旋转轴的另一端与矩形平面底座转动连接。

所述力矩电机的输出端通过弹性串联驱动器与绕线滚筒的滚筒轴相连，绕线滚筒的滚筒轴的另一端连接有旋转编码器，所述的弹性串联驱动器包括整体为柱状结构的空心壳体，所述的空心壳体包括一端敞口的壳体以及与壳体敞口端螺钉连接的端盖，所述壳体远离端盖的一侧设有与力矩电机的输出轴相连接的电机连接轴，所述的壳体内设有弹性摆臂组件，所述的弹性摆臂组件包括摆臂轴，摆臂轴的一端固定有空心套筒，摆臂轴的另一端贯穿端盖后与绕线滚筒的滚筒轴固连，所述绕线滚筒的滚筒轴、电机连接轴、摆臂轴的中心轴线相吻合。

所述的空心套筒在远离摆臂轴的端部设有摆臂轴承，所述摆臂轴承的外圈与空心套筒的内壁配合，所述摆臂轴承的内圈与摆臂轴承端盖上的柱体连接，所述的摆臂轴承端盖通过螺钉固定在壳体的内侧端面，所述空心套筒的外壁上设有垂直于外壁面设置的固定板，所述的摆臂轴、空心套筒与固定板为一体结构，所述的固定板沿空心套筒的长度方向布置且固定板沿空心套筒的周向均匀设置三块，相邻两块固定板之间设有截面呈倒三角形的挡块，所述挡块的底边面通过螺栓与壳体的内壁固连，所述挡块的两斜边面上分别设有凸起的弹簧连接柱，挡块的斜边面与固定板之间设有弹簧，弹簧的一端套设在弹簧连接柱上，弹簧的另一端抵靠在固定板的板面上。

所述的电机连接轴通过第一轴承与第一支架转动连接，所述的摆臂轴通过第二轴承与第二支架转动连接，所述绕线滚筒的滚筒轴通过第三轴承与第三支架转动连接，所述的力矩电机固定在第一支架上，所述旋转编码器的壳体通过螺钉与第三支架固连，所述的第一支架、第二支架、第三支架依次固定在电机底板上，所述的传感器滑轮组也固定在电机底板上。

所述的张紧轮组包括呈上下方向依次设置在上框架立柱上的第一张紧轮、第二张紧轮、第三张紧轮、第四张紧轮和第五张紧轮，其中：第一张紧轮与第二张紧轮为一组，第三张紧轮、第四张紧轮、第五张紧轮为一组。

所述的下框架由顶板、底板、前面板、左面板、右面板及与上述各面板相配合的框架组成，所述的上框架固定在顶板上，且顶板上设有供凯夫拉线通过的过线孔，所述的底板上固定有电机底板。

本发明的有益效果在于：

1）本发明单个下肢的束脚装置具有基于柔索驱动的三个运动自由度，两组束脚装置配合使用可实现双下肢的抬高与屈伸的动态组合运动，通过柔索复合与连续的长度变化，腿部运动轨迹也是动态的、连续的，相比于一般的下肢康复机器人适应性更强。

2）本发明采用弹簧组构成的弹性串联驱动器对力矩电机进行动力传递，通过内部挡块、弹簧组与摆臂轴的组合运动，将原本力矩电机传递给绕线滚筒的动力进行缓冲，将力矩电机的运动与动力进行柔顺化处理，这有助于机器人在牵引人体下肢时更加的柔和，避免对人体造成二次伤害。

3）本发明柔索的导向件仅为滑轮组，在滑轮传动过程中，将滚轮旋转机构引入牵引旋转轮组与传感器滑轮组中，对柔索在收放线过程中的角度变化进行补偿，以提高传动的灵敏性。

4）本发明升降机构驱动方式采用由远程遥控控制的直线推杆实现，推力强劲且噪音小，适合医院的操作环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图一。

图2是本发明的结构示意图二。

图3是本发明的结构示意图三。

图4是图3的A部放大图。

图5是图3的B部放大图。

图6是本发明牵引旋转轮组和滚轮旋转机构的结构示意图。

图7是本发明牵引旋转轮组的结构示意图。

图8是本发明牵引旋转轮组的剖面图。

图9是本发明滚轮旋转机构的结构示意图。

图10是本发明滚轮旋转机构的分解结构示意图。

图11是束脚装置的结构示意图。

图12是本发明力矩电机、弹性串联驱动器、绕线滚筒、传感器滑轮组的安装示意图一。

图13是本发明力矩电机、弹性串联驱动器、绕线滚筒、传感器滑轮组的安装示意图二。

图14是本发明力矩电机、弹性串联驱动器、绕线滚筒、传感器滑轮组的安装分解示意图。

图15是本发明传感器滑轮组的结构示意图。

图16是本发明弹性串联驱动器的结构示意图。

图17是本发明弹性串联驱动器的分解结构示意图。

图18是本发明弹性摆臂组件的结构示意图一。

图19是本发明弹性摆臂组件的结构示意图二。

图20是本发明凯夫拉线的绕线方式。

图21是本发明的使用状态图。

图22是本发明的康复运动原理图。

上述附图中的标记为：上框架1、下框架2、顶板21、过线孔211、底板22、前面板23、左面板24、右面板25、升降机构3、束脚装置4、束脚带41、U型带42、吊环43、可调节紧固带44、吊钩45、吊钩架46、底座47、顶盖48组成、穿线孔49、凯夫拉线5、牵引旋转轮组6、滚轮架61、第一滚轮62、第二滚轮63、第三滚轮64、滚轮座65、滚轮座本体651、角接触球轴承652、角接触球轴承座653、卡块654、第一旋转轴66、内螺纹孔661、滚轮轴67、套筒68、张紧轮组7、第一张紧轮71、第二张紧轮72、第三张紧轮73、第四张紧轮74、第五张紧轮75、传感器滑轮组8、第四滚轮81、第五滚轮82、第一滚轮座83、拉力传感器84、第二滚轮座85、第二旋转轴86、矩形平面底座87、绕线滚筒9、第三轴承91、第三支架92、旋转编码器93、力矩电机10、电机底板101、弹性串联驱动器11、空心壳体12、壳体121、端盖122、电机连接轴13、第一轴承131、第一支架132、摆臂轴14、第二轴承141、第二支架142、空心套筒15、固定板151、摆臂轴承16、摆臂轴承端盖17、挡块18、弹簧19、动作捕捉器100、显示屏200。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1～图5所示的一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，包括由上框架1及下框架2组成的框架体、设置在框架体内的脚部约束机构、设置在框架体下方的升降机构3，脚部约束机构在框架体内沿左右方向对称设置两组，两组脚部约束机构分别与患者的左右脚相配合，升降机构3用以调整框架体的高低位置。

两组脚部约束机构均分别包括用于固定患者脚裸的束脚装置4以及与束脚装置4相连的牵引机构，牵引机构沿束脚装置4中心点的周向均匀设置三组，三组牵引机构均分别包括凯夫拉线5、牵引旋转轮组6、张紧轮组7、传感器滑轮组8、绕线滚筒9和力矩电机10，凯夫拉线5的一端与束脚装置4固连，凯夫拉线5的另一端依次绕经牵引旋转轮组6、张紧轮组7、传感器滑轮组8后与绕线滚筒9固连，绕线滚筒9由力矩电机10驱动其转动以实现凯夫拉线5的收放，三组牵引机构中凯夫拉线5的收放配合可实现下肢的直腿抬升运动以及膝关节的屈伸运动。即框架体内设有分别与左右脚相配合的两组脚部约束机构，每组脚部约束机构包括一个束脚装置4及三组牵引机构，每组牵引机构中都包含有凯夫拉线5、牵引旋转轮组6、张紧轮组7、传感器滑轮组8、绕线滚筒9和力矩电机10。

进一步的，下框架2由顶板21、底板22、前面板23、左面板24、右面板25及与上述各面板相配合的框架组成，上框架1固定在顶板21上，且顶板21上设有供凯夫拉线5通过的过线孔211，底板22上固定有电机底板101。本实施例中，上框架1及下框架2由铝合金型材拼装而成，下框架2的顶面、底面、左面、右面、前面均安装有钣金平板。升降机构3为采用直线推杆结构的普通剪叉式升降机构，其具体结构可参照现有技术，在此不再赘述。

进一步的，如图11所示，束脚装置4包括环状结构的束脚带41、垂直连接在束脚带41一侧端面上的U型带42、固定在束脚带41顶部的吊环43以及沿束脚带41周向设置的可调节紧固带44，束脚带41用以托住患者的脚踝，且束脚带41的内壁为光滑面，U型带42与患者的脚掌相抵靠；束脚装置4还包括与吊环43相配合的吊钩45、与吊钩45螺纹连接的吊钩架46、与吊钩架46相连的连接座，连接座由底座47及与底座47螺钉连接的顶盖48组成，底座47通过螺栓与吊钩架46连接，顶盖48沿其中心点的周向均布有三组穿线孔49，三组牵引机构中的凯夫拉线5分别穿过相对应的穿线孔49后通过端部打结的方式固定在顶盖48的内面。使用时，患者将脚部穿过束脚带41，脚掌抵住U型带42，束脚带41的底部托住脚踝并通过可调节紧固带44使患者脚部与束脚带41紧密连接，避免松动。

进一步的，如图6～图10所示，所示，牵引旋转轮组6包括滚轮架61以及呈三角状布置在滚轮架61上的第一滚轮62、第二滚轮63、第三滚轮64。第一滚轮62、第二滚轮63、第三滚轮64均分别通过滚轮轴67固定在滚轮架61上，更为具体的，滚轮轴67的两端对称分布螺纹孔，通过内六角圆柱头螺钉和垫片实现与滚轮架61的固定。更进一步的，滚轮轴67的两端分别设有限定滚轮轴67轴向移动的套筒68。

工作时，束脚装置4的运动会使凯夫拉线5发生角度变化，为了让凯夫拉线5始终保持在牵引旋转轮组6的绕线方向上而不发生偏移，本实施例通过设置滚轮旋转机构来使牵引旋转轮组6实现转动，以此来补偿束脚装置4运动时发生的角度变化。

具体的，牵引旋转轮组6的滚轮架61通过滚轮旋转机构与上框架1连接，滚轮旋转机构包括滚轮座65及竖直方向布置的第一旋转轴66，其中：滚轮座65与上框架1的顶部固定连接，第一旋转轴66的一端与滚轮座65转动连接，第一旋转轴66的另一端与滚轮架61的顶端固定连接。更为具体的，滚轮座65包括滚轮座本体651、角接触球轴承652及角接触球轴承座653，滚轮座本体651的顶部设有与上框架1的顶部固定连接的卡块654，角接触球轴承座653与滚轮座本体651通过螺钉固连，第一旋转轴66的一端与角接触球轴承652的内圈配合，第一旋转轴66的另一端设有内螺纹孔661，且该端与滚轮架61通过内六角圆柱螺钉连接。角接触球轴承652的外圈与角接触轴承座653配合，利用角接触球轴承652能够承受单向的轴向载荷的特点实现整个机构的旋转。

进一步的，第一滚轮62、第二滚轮63及第三滚轮64的轴线方向均与第一旋转轴66的轴线方向相垂直，且第一滚轮62、第二滚轮63、第三滚轮64为大小相等、结构相同的轴承滚轮，第二滚轮63及第三滚轮64分别位于第一滚轮62的两侧，其中：第一滚轮62的中心轴线与第一旋转轴66的中心轴线位于同一铅垂面内，第二滚轮63位于第一滚轮62的下方偏右位置，且第二滚轮63的中心轴线与第一滚轮62的中心轴线在铅垂面之间的间距L1等于第一滚轮62内径的一半；第三滚轮64设置在第一滚轮62的左旁侧且第三滚轮64的高度位于第一滚轮62与第二滚轮63之间，第三滚轮64的中心轴线与第一滚轮62的中心轴线在水平面之间的间距L2等于第一滚轮62内径的一半。通过第二滚轮63与第一滚轮62的偏离设计，可以保证牵引旋转机构无论如何旋转移动，最终引出的凯夫拉线都是在固定位置上；通过第三滚轮64与第一滚轮62的偏离设计，可以有效地利用力的分解来增大水平方向的拉力，从而增大旋转的灵敏性。

进一步的，张紧轮组7包括呈上下方向依次设置在上框架1立柱上的第一张紧轮71、第二张紧轮72、第三张紧轮73、第四张紧轮74和第五张紧轮75，其中：第一张紧轮71与第二张紧轮72为一组，该组设置在立柱靠上的位置；第三张紧轮73、第四张紧轮74、第五张紧轮75为一组，该组设置在立柱靠下的位置。

进一步的，如图15所示，传感器滑轮组8设置在绕线滚筒9的旁侧，包括与绕线滚筒9设置方向相吻合的第四滚轮81及第五滚轮82，第四滚轮81与第五滚轮82的中心轴线相平行且位于同一水平面内，用以安装第四滚轮81的第一滚轮座83通过拉力传感器84固定在下框架2内，用以安装第五滚轮82的第二滚轮座85通过竖直方向布置的第二旋转轴86可转动地固定在下框架2内；第二旋转轴86的一端与第二滚轮座85的底部固定连接，第二旋转轴86的另一端与矩形平面底座87转动连接。本实施例中，设置拉力传感器84是为了在束脚装置发生位置变化时，反馈柔索伸缩带来的力变化，在控制过程中进一步补偿运动误差。设置可旋转的第五滚轮82是为了对绕线滚筒9在收放线时的角度变化进行补偿，以提高传动的灵敏性。

进一步的，如图12～图14所示，力矩电机10的输出端通过弹性串联驱动器11与绕线滚筒9的滚筒轴相连，绕线滚筒9的滚筒轴的另一端连接有旋转编码器93。也就是绕线滚筒9、弹性串联驱动器11、力矩电机10依次连接，力矩电机10将动力通过弹性串联驱动器11传递给绕线滚筒9。

如图16～图19所示，弹性串联驱动器11包括整体为柱状结构的空心壳体12，空心壳体12包括一端敞口的壳体121以及与壳体121敞口端螺钉连接的端盖122，壳体121远离端盖122的一侧设有与力矩电机10的输出轴相连接的电机连接轴13，壳体121内设有弹性摆臂组件，弹性摆臂组件包括摆臂轴14，摆臂轴14的一端固定有空心套筒15，摆臂轴14的另一端贯穿端盖122后与绕线滚筒9的滚筒轴固连，绕线滚筒9的滚筒轴、电机连接轴13、摆臂轴14的中心轴线相吻合。空心套筒15在远离摆臂轴14的端部设有摆臂轴承16，摆臂轴承16的外圈与空心套筒15的内壁配合，摆臂轴承16的内圈与摆臂轴承端盖17上的柱体连接，摆臂轴承端盖17通过螺钉固定在壳体121的内侧端面，空心套筒15的外壁上设有垂直于外壁面设置的固定板151，摆臂轴14、空心套筒15与固定板151为一体结构，固定板151沿空心套筒15的长度方向布置且固定板151沿空心套筒15的周向均匀设置三块，相邻两块固定板151之间设有截面呈倒三角形的挡块18，挡块18的底边面通过螺栓与壳体121的内壁固连，挡块18的两斜边面上分别设有凸起的弹簧连接柱，挡块18的斜边面与固定板151之间设有弹簧19，弹簧19的一端套设在弹簧连接柱上，弹簧19的另一端抵靠在固定板151的板面上。

当力矩电机10启动时，力矩电机10的旋转会直接带动壳体121转动，输入动力，壳体121的转动带动固定在壳体121内面的挡块18同步转动，对弹簧19进行压缩，这一过程可以将力矩电机10的运动与动力进行柔顺化处理。弹簧19再将动力通过固定板151传递给摆臂轴14，摆臂轴14与绕线滚筒9直接连接。通过设置弹性串联驱动器11，可以将传递到绕线滚筒9上来自力矩电机10的动力进行缓冲，这有助于束脚装置4在牵引人体下肢时更加的柔和，避免对人体造成二次伤害。

进一步的，电机连接轴13通过第一轴承131与第一支架132转动连接，摆臂轴14通过第二轴承141与第二支架142转动连接，绕线滚筒9的滚筒轴通过第三轴承91与第三支架92转动连接，力矩电机10固定在第一支架132上，旋转编码器93的壳体通过螺钉与第三支架92固连，第一支架132、第二支架142、第三支架92依次固定在电机底板101上，传感器滑轮组8也固定在电机底板101上。具体的，第一支架132内孔为阶梯孔结构，用于安装与力矩电机10配合的电机连接轴13以及与之对应的深沟球轴承；第二支架142中间孔同样为阶梯孔结构，用于安装与绕线滚筒9内孔配合的摆臂轴14以及与之对应的深沟球轴承；第三支架92中间孔同样为阶梯孔结构，用于安装与旋转编码器93配合的绕线滚筒9的滚筒轴以及与之对应的深沟球轴承，阶梯孔周围有对称分布的两个螺纹孔，用于安装和连接旋转编码器93，上述阶梯孔的目的均是为了限制深沟球轴承和目标轴的轴向窜动。

本发明的工作原理如下：

1、凯夫拉线的导线方式。

本发明共设六根凯夫拉线，三根一组，共两组，分别用于牵引两组束脚装置。六根凯夫拉线的导线方式相同，下面以一组为例进行说明。

如图20所示，凯夫拉线的一端缠绕并固定在绕线滚筒上，凯夫拉线的另一端依次绕经第五滚轮、第四滚轮后由顶板上的过线孔穿出，再依次绕经第五张紧轮、第四张紧轮、第三张紧轮、第二张紧轮、第一张紧轮进行两次张紧后，再依次绕经第二滚轮、第一滚轮、第三滚轮，最后向下导向至束脚装置，通过打结方式固定在连接座内。凯夫拉线的收放是通过力矩电机驱动绕线滚筒实现正反转实现的，每根凯夫拉线的收放都是相互独立的，都由独立的一组力矩电机驱动，所以每组束脚装置都能实现3个自由度的运动。

2、腿部的康复运动原理。

如图21所示，本发明在使用时，还可与动作捕捉器100、显示屏200配合使用。动作捕捉器通过插在显示屏上的接收器将人体下肢运动时的动作数据实时传入投映到显示屏上，患者躺在病床上就可以看到自己腿部的实时运动，有助于神经系统受损的下肢瘫痪病人及时观察到自己腿部的运动。

康复时，病人面朝上躺卧在病床上，将脚部穿过束脚带，脚掌抵住U型带，束脚带底部托住脚踝并通过可调节紧固带使脚部与束脚带紧密连接。当力矩电机启动后，动力经由弹性串联驱动器来驱动绕线滚筒旋转，凯夫拉线的一端固定在束脚装置上，另一端固定于绕线滚筒上，凯夫拉线在绕线滚筒的带动下进行收线和放线动作，进而改变凯夫拉线的长度，且每根凯夫拉线的收线与放线都是相互独立的。束脚装置共约束三组凯夫拉线。基于此，双腿康复运动则由6组凯夫拉线实现，单下肢通过改变三组凯夫拉线的长度就可实现人体不同位置的移动。

本发明中，单下肢的康复运动主要包括直腿抬升运动与膝关节屈伸运动，康复运动通过改变三组凯夫拉线的长度即可实现，其运动过程主要包括：腿部水平初始位置→腿部摆直并匀速抬升→腿部匀速蜷曲至大腿与小腿呈90°垂直→腿部摆直并匀速下放→腿部匀速下放至水平初始位置。

下面以一侧脚踝运动为例，结合康复运动原理图进行具体阐述。

为便于说明，将三组牵引机构中的凯夫拉线定义成一号凯夫拉线、二号凯夫拉线、三号凯夫拉线。

如图22所示，首先，一号、二号、三号凯夫拉线张紧，患者脚踝固定，腿部处于水平初始位置1；力矩电机驱动绕线滚筒使一号、二号、三号凯夫拉线配合伸缩，腿部匀速抬升至位置2；力矩电机驱动绕线滚筒使一号、二号、三号凯夫拉线配合伸缩，进一步带动腿部匀速蜷曲至大腿与小腿呈90°垂直，即位置3；各卡夫拉线按照原来相反的运动方向伸缩使脚部伸展回位置2；最终腿部下放回初始位置1，整个康复运动结束。

凯夫拉线带动腿部完成的运动是非线性的，这主要与凯夫拉线在空间中的伸长、收缩的运动配合有关，因此理论上康复运动的运动方式可以更加丰富。例如，可以在初始位置1、位置2或位置3处增加腿部的开合摆动，再按照原有的运动方式回到初始位置，进一步提高康复运动的适应性。

本发明的有益效果在于：

1）本发明单个下肢的束脚装置具有基于柔索驱动的三个运动自由度，两组束脚装置配合使用可实现双下肢的抬高与屈伸的动态组合运动，通过柔索复合与连续的长度变化，腿部运动轨迹也是动态的、连续的，相比于一般的下肢康复机器人适应性更强。

2）本发明采用弹簧组构成的弹性串联驱动器对力矩电机进行动力传递，通过内部挡块、弹簧组与摆臂轴的组合运动，将原本力矩电机传递给绕线滚筒的动力进行缓冲，将力矩电机的运动与动力进行柔顺化处理，这有助于机器人在牵引人体下肢时更加的柔和，避免对人体造成二次伤害。

3）本发明柔索的导向件仅为滑轮组，在滑轮传动过程中，将滚轮旋转机构引入牵引旋转轮组与传感器滑轮组中，对柔索在收放线过程中的角度变化进行补偿，以提高传动的灵敏性。

4）本发明升降机构驱动方式采用由远程遥控控制的直线推杆实现，推力强劲且噪音小，适合医院的操作环境。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：包括由上框架（1）及下框架（2）组成的框架体、设置在框架体内的脚部约束机构、设置在框架体下方的升降机构（3），所述的脚部约束机构在框架体内沿左右方向对称设置两组，两组脚部约束机构分别与患者的左右脚相配合，所述的升降机构（3）用以调整框架体的高低位置；两组所述的脚部约束机构均分别包括用于固定患者脚裸的束脚装置（4）以及与束脚装置（4）相连的牵引机构，所述的牵引机构沿束脚装置（4）中心点的周向均匀设置三组，三组牵引机构均分别包括凯夫拉线（5）、牵引旋转轮组（6）、张紧轮组（7）、传感器滑轮组（8）、绕线滚筒（9）和力矩电机（10），所述凯夫拉线（5）的一端与束脚装置（4）固连，凯夫拉线（5）的另一端依次绕经牵引旋转轮组（6）、张紧轮组（7）、传感器滑轮组（8）后与绕线滚筒（9）固连，所述的绕线滚筒（9）由力矩电机（10）驱动其转动以实现凯夫拉线（5）的收放，三组牵引机构中凯夫拉线（5）的收放配合可实现下肢的直腿抬升运动以及膝关节的屈伸运动；

所述的牵引旋转轮组（6）包括滚轮架（61）以及呈三角状布置在滚轮架（61）上的第一滚轮（62）、第二滚轮（63）、第三滚轮（64）；所述的滚轮架（61）通过滚轮旋转机构与上框架（1）连接，所述的滚轮旋转机构包括滚轮座（65）及竖直方向布置的第一旋转轴（66），其中：滚轮座（65）与上框架（1）的顶部固定连接，第一旋转轴（66）的一端与滚轮座（65）转动连接，第一旋转轴（66）的另一端与滚轮架（61）的顶端固定连接。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的束脚装置（4）包括环状结构的束脚带（41）、垂直连接在束脚带（41）一侧端面上的U型带（42）、固定在束脚带（41）顶部的吊环（43）以及沿束脚带（41）周向设置的可调节紧固带（44），所述的束脚带（41）用以托住患者的脚踝，且束脚带（41）的内壁为光滑面，所述的U型带（42）与患者的脚掌相抵靠；所述的束脚装置（4）还包括与吊环（43）相配合的吊钩（45）、与吊钩（45）螺纹连接的吊钩架（46）、与吊钩架（46）相连的连接座，所述的连接座由底座（47）及与底座（47）螺钉连接的顶盖（48）组成，所述的底座（47）通过螺栓与吊钩架（46）连接，所述的顶盖（48）沿其中心点的周向均布有三组穿线孔（49），三组牵引机构中的凯夫拉线（5）分别穿过相对应的穿线孔（49）后通过端部打结的方式固定在顶盖（48）的内面。

3.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的第一滚轮（62）、第二滚轮（63）及第三滚轮（64）的轴线方向均与第一旋转轴（66）的轴线方向相垂直，且第一滚轮（62）、第二滚轮（63）、第三滚轮（64）为大小相等、结构相同的轴承滚轮，所述的第二滚轮（63）及第三滚轮（64）分别位于第一滚轮（62）的两侧，其中：第一滚轮（62）的中心轴线与第一旋转轴（66）的中心轴线位于同一铅垂面内，所述的第二滚轮（63）位于第一滚轮（62）的下方偏右位置，且第二滚轮（63）的中心轴线与第一滚轮（62）的中心轴线在铅垂面之间的间距等于第一滚轮（62）内径的一半；所述的第三滚轮（64）设置在第一滚轮（62）的左旁侧且第三滚轮（64）的高度位于第一滚轮（62）与第二滚轮（63）之间，所述第三滚轮（64）的中心轴线与第一滚轮（62）的中心轴线在水平面之间的间距等于第一滚轮（62）内径的一半。

4.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的滚轮座（65）包括滚轮座本体（651）、角接触球轴承（652）及角接触球轴承座（653），所述滚轮座本体（651）的顶部设有与上框架（1）的顶部固定连接的卡块（654），所述的角接触球轴承座（653）与滚轮座本体（651）通过螺钉固连，所述第一旋转轴（66）的一端与角接触球轴承（652）的内圈配合，第一旋转轴（66）的另一端设有内螺纹孔（661），且该端与滚轮架（61）通过内六角圆柱螺钉连接，所述的第一滚轮（62）、第二滚轮（63）、第三滚轮（64）均分别通过滚轮轴（67）固定在滚轮架（61）上，所述滚轮轴（67）的两端分别设有限定滚轮轴（67）轴向移动的套筒（68）。

5.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的传感器滑轮组（8）设置在绕线滚筒（9）的旁侧，包括与绕线滚筒（9）设置方向相吻合的第四滚轮（81）及第五滚轮（82），所述第四滚轮（81）与第五滚轮（82）的中心轴线相平行且位于同一水平面内，用以安装第四滚轮（81）的第一滚轮座（83）通过拉力传感器（84）固定在下框架（2）内，用以安装第五滚轮（82）的第二滚轮座（85）通过竖直方向布置的第二旋转轴（86）可转动地固定在下框架（2）内；所述第二旋转轴（86）的一端与第二滚轮座（85）的底部固定连接，第二旋转轴（86）的另一端与矩形平面底座（87）转动连接。

6.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述力矩电机（10）的输出端通过弹性串联驱动器（11）与绕线滚筒（9）的滚筒轴相连，绕线滚筒（9）的滚筒轴的另一端连接有旋转编码器（93），所述的弹性串联驱动器（11）包括整体为柱状结构的空心壳体（12），所述的空心壳体（12）包括一端敞口的壳体（121）以及与壳体（121）敞口端螺钉连接的端盖（122），所述壳体（121）远离端盖（122）的一侧设有与力矩电机（10）的输出轴相连接的电机连接轴（13），所述的壳体（121）内设有弹性摆臂组件，所述的弹性摆臂组件包括摆臂轴（14），摆臂轴（14）的一端固定有空心套筒（15），摆臂轴（14）的另一端贯穿端盖（122）后与绕线滚筒（9）的滚筒轴固连，所述绕线滚筒（9）的滚筒轴、电机连接轴（13）、摆臂轴（14）的中心轴线相吻合。

7.根据权利要求6所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的空心套筒（15）在远离摆臂轴（14）的端部设有摆臂轴承（16），所述摆臂轴承（16）的外圈与空心套筒（15）的内壁配合，所述摆臂轴承（16）的内圈与摆臂轴承端盖（17）上的柱体连接，所述的摆臂轴承端盖（17）通过螺钉固定在壳体（121）的内侧端面，所述空心套筒（15）的外壁上设有垂直于外壁面设置的固定板（151），所述的摆臂轴（14）、空心套筒（15）与固定板（151）为一体结构，所述的固定板（151）沿空心套筒（15）的长度方向布置且固定板（151）沿空心套筒（15）的周向均匀设置三块，相邻两块固定板（151）之间设有截面呈倒三角形的挡块（18），所述挡块（18）的底边面通过螺栓与壳体（121）的内壁固连，所述挡块（18）的两斜边面上分别设有凸起的弹簧连接柱，挡块（18）的斜边面与固定板（151）之间设有弹簧（19），弹簧（19）的一端套设在弹簧连接柱上，弹簧（19）的另一端抵靠在固定板（151）的板面上。

8.根据权利要求6所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的电机连接轴（13）通过第一轴承（131）与第一支架（132）转动连接，所述的摆臂轴（14）通过第二轴承（141）与第二支架（142）转动连接，所述绕线滚筒（9）的滚筒轴通过第三轴承（91）与第三支架（92）转动连接，所述的力矩电机（10）固定在第一支架（132）上，所述旋转编码器（93）的壳体通过螺钉与第三支架（92）固连，所述的第一支架（132）、第二支架（142）、第三支架（92）依次固定在电机底板（101）上，所述的传感器滑轮组（8）也固定在电机底板（101）上。

9.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的张紧轮组（7）包括呈上下方向依次设置在上框架（1）立柱上的第一张紧轮（71）、第二张紧轮（72）、第三张紧轮（73）、第四张紧轮（74）和第五张紧轮（75），其中：第一张紧轮（71）与第二张紧轮（72）为一组，第三张紧轮（73）、第四张紧轮（74）、第五张紧轮（75）为一组。

10.根据权利要求1所述的刚柔耦合驱动卧式双下肢协同康复机器人，其特征在于：所述的下框架（2）由顶板（21）、底板（22）、前面板（23）、左面板（24）、右面板（25）及与上述各面板相配合的框架组成，所述的上框架（1）固定在顶板（21）上，且顶板（21）上设有供凯夫拉线（5）通过的过线孔（211），所述的底板（22）上固定有电机底板（101）。