CN114870346A - 一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人 - Google Patents
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Abstract
一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人包含外框架、全向底盘和两个主动减重系统；所述主动减重系统为两个，对称安装在所述外框架两侧，每个所述主动减重系统包括空间角度测算装置、牵引绳和驱动装置，所述牵引绳的一端固定在驱动装置上，牵引绳经过角度测算装置，牵引绳的另一端固定在肩部的绑缚装置上，牵引绳始终处于绷直状态，用于提供竖直向上的减重力和向前的牵引力，外框架的底部四周安装有全向底盘，使得外框架能在平面上全向移动。本发明使患者能够在正常行走的状态下进行康复训练，能够在前进方向提供相应的助力改善步态。
Description
技术领域
本发明涉及康复训练等技术领域，具体涉及一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人。
背景技术
近年来，随着人口老龄化的趋势不断加剧，老年人群体中帕金森、脑卒中、偏瘫等疾病患者人数不断增加，这些疾病往往伴随有步态障碍、运动迟缓、下肢协调控制失调等症状。同时，随着社会经济的发展，参与从事高危体育运动或高风险行业的人数不断增加，由于事故导致的肢体、神经系统损伤的案例随之增长。下肢的运动功能障碍给患者的日常生活带来了极大的危害。
现有医学研究证明，科学的运动康复训练对于患者改善运动学习能力的退化、促进患者肢体机能复健有明显改善作用。其中，步行训练是一种常用的康复训练手段。科学的步行训练可以给患者提供充足的运动刺激信息，促进患者的运动学习能力重建，改善患者的行走运动障碍。
传统的步行训练通常情况下康复治疗师以一对一甚至是多对一的方式，徒手或者借助一定的康复训练器械来引导患者行走。这种训练方式非常依赖康复治疗师的专业技能与个人经验，康复治疗师很难及时地针对患者的训练情况进行优化调整。同时，上述患者往往出现的是单侧运功功能障碍，康复治疗师很难根据患者身体两侧的不同情况施加量化的针对性的康复辅助。
在科技的发展以及现有医学理论的支持下，结合机器人辅助、强调患者在步行训练过程中“主动参与”的主动减重技术为步行康复训练提供了新的思路。减重步行训练式机器人能够激发患者的主动参与程度，激励其主动控制自己的步态和平衡。能够独立给患者提供大量的重复性的步行训练，缓解康复理疗师的压力同时弥补现阶段康复理疗师数量不足带来的缺陷。
现有的步行训练减重装置通常是患者在跑步机上进行步行训练，减重装置仅提供减重保护，单一的减重力会显著改变人行走时受到的地面反作用力，并且严重影响步态参数，容易导致患者步态固化，不能满足患者实际步行运动学习康复的需求。同时现有的步行训练减重装置通常不能针对人体左右两侧不同的运动特征施加辅助，也没有相应的装置在前进方向提供相应的助力改善步态。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人。该机器人能够满足患者在实际路面行走的同时对患者身体两侧施加不同的减重力进行保护以及前向的助力改善步态，能够满足患者主动参与的同时提供量化的针对性的步行训练。
一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人包含外框架、全向底盘和两个主动减重系统；所述主动减重系统为两个，对称安装在所述外框架两侧，每个所述主动减重系统包括空间角度测算装置、牵引绳和驱动装置，所述牵引绳的一端固定在驱动装置上，牵引绳经过角度测算装置，牵引绳的另一端固定在肩部的绑缚装置上，牵引绳始终处于绷直状态，用于提供竖直向上的减重力和向前的牵引力，外框架的底部四周安装有全向底盘，使得外框架能在平面上全向移动。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明利用全向移动单元能够跟随人全向移动，利用主动减重单元实现对患者提供身体两侧不同的减重力进行重力平衡补偿，同时提供向前的牵引力改善患者的行走步态，利用角度测算装置使机器人能够时刻改变施加给患者的减重力和牵引力，并且使机器人能够和患者保持相对跟随。本发明使患者能够在正常行走的状态下进行康复训练，同时能够针对人体左右两侧不同的运动特征施加辅助，并且能够在前进方向提供相应的助力改善步态。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1是本发明面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人的三维结构示意图；
图2是本发明面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人的结构主视图；
图3是本发明面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人的结构右视图；
图4是本发明的主动减重系统的三维结构示意图；
图5是本发明的主动减重系统的主视示意图；
其中，外框架1、牵引绳2、绑缚带3、控制箱4、麦克纳姆轮5、底盘电机6、绳固定环7、角度测算装置8、滑轮9、角度编码器一10、固定座一11、固定座二12、角度编码器二13、拨片14、联轴器15、绕线盘16、电机座17、驱动电机18；
图6是本发明的牵引绳受力分解示意图；
图7是本发明的全向移动逻辑示意图。
具体实施方式
如图1-图3所述，本实施方式的一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人包含外框架1、全向底盘和两个主动减重系统；
所述主动减重系统为两个，对称安装在所述外框架1两侧，每个所述主动减重系统包括空间角度测算装置8、牵引绳2和驱动装置E，所述牵引绳2的一端固定在驱动装置E上，牵引绳2经过角度测算装置8，牵引绳2的另一端固定在肩部的绑缚装置上，牵引绳2始终处于绷直状态，用于提供竖直向上的减重力和向前的牵引力，外框架1的底部四周安装有全向底盘，使得外框架1能在平面上全向移动。
如图1所示，本实施方式公开的一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人，利用全向底盘使机器人能够跟随人全向移动，利用主动减重系统实现对患者提供身体两侧不同的减重力进行重力平衡补偿，同时提供向前的牵引力改善患者的行走步态，利用角度测算装置使机器人能够时刻改变施加给患者的减重力和牵引力，根据身体姿态的变化，使机器人能够和患者保持相对跟随。本装置使患者能够在正常行走的状态下进行康复训练，同时能够针对人体左右两侧不同的运动特征施加辅助，并且能够在前进方向提供相应的助力改善步态。
具体地，外框架1呈侧放的U字型结构，外框架1可以是多根型材拼接或者焊接而成。外框架1的底部呈开放状态，防止框架结构干扰患者的正常步行；外框架1的后侧为外凸状态为控制箱4提供安装空间。
主动减重系统(如图4所示)的个数为两个，关于矢状面对称安装在外框架1的顶部两侧的横梁上，主动减重系统包含角度测算装置、牵引绳和驱动装置。
可选地，如图4和图5所示，所述动装置B包括绕线盘16、电机座17和驱动电机18；电机座17固定在外框架1上，驱动电机18固定在电机座17上，驱动电机18的输出轴与绕线盘16的转轴固定，绕线盘16可转动地设置在电机座17上，牵引绳2缠绕在绕线盘16上，牵引绳2的一端固定在绕线盘16上。控制箱4用于控制驱动电机18和底盘电机6，实现使患者能够在正常行走的状态下进行康复训练。
可选地，驱动电机18的输出端与联轴器15输入端同轴固定，联轴器15输出端与绕线盘16的转轴同轴固定。牵引绳2的一端固定在绕线盘16上，驱动电机18通过联轴器15输出旋转运动带动绕线盘16转动拉动牵引绳2，从而使牵引绳2的一直处于紧绷状态为患者提供减重力和牵引力。
如图4和图5所示，角度测算装置8包括滑轮9、角度传感器一10、固定座一11、固定座二12、角度传感器二13和拨片14；
固定座一11可转动地设置在外框架1上，角度传感器一10固定在固定座一11上，角度编码器一10的输出轴与固定座二12的转轴相连，滑轮9可转动地设置在固定座二12的凹槽一中，拨片14固定在固定座二12的凹槽二中，角度传感器13固定在固定座二12上，角度传感器二13的输出轴与拨片14的转轴相连，牵引绳2绕在滑轮9上并穿过拨片14的绳孔中。固定座一11与外框架1顶部的横梁刚性固定，角度传感器一10能够测量固定座二12绕轴A的旋转角度，角度传感器二13能够测量拨片14绕轴B的旋转角度。
由于人在行走过程中身体姿态时刻发生变化，因此，牵引绳2在空间中的姿态也会时刻发生变化，牵引绳2卡在拨片14的凹槽中，牵引绳2姿态的改变能够带动拨片和固定座12分别绕轴B和轴A旋转，通过角度传感器一10和角度传感器二13就能时刻测算牵引绳2在空间中的姿态角。
由于牵引绳2在空间中呈一定角度，根据图6，因此，牵引绳2上的拉力F可以在空间上分解为竖直向上的减重力Fz，向前的牵引力Fx和侧向的拉力Fy。由于两个主动减重单元关于矢状面对称安装，因此，左右两侧的牵引绳2会分别产生竖直向上的减重力Fz右、Fz左，向前的牵引力Fx右、Fx左，和侧向的拉力Fy右、Fy左。其中，通过全向底盘的全向移动以及驱动电机18的输出调整使Fy右、Fy左相互抵消，从而保证患者在行走康复的过程中不受侧向力的影响。
如图1和图3所示，所述全向底盘包含麦克纳姆轮5和底盘电机6；外框架1的底部布置有可转动地四个麦克纳姆轮5，底盘电机6的输出端与麦克纳姆轮5的轮轴同轴固连。
四个麦克纳姆轮5构成的底盘能够在不改变机器人朝向的前提下实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，实现全向移动。因此，可以满足患者在任意方向、任意姿态下的行走状况，能够根据角度传感器一10和角度传感器二13所测算的角度的变化时刻进行相应的移动，从而保证牵引绳2在空间中的夹角始终不变，也就是在患者行走过程中减重力与牵引力的大小不发生变化，如图7所示。
如图1所示，所述绑缚装置包括绳固定环7和绑缚带3；绑缚带3绕肩部与胸部绑缚固定，绳固定环7固定在绑缚带3上，并位于绑缚带3肩部，牵引绳2与绳固定环7相连。绑缚带3绕患者肩部与胸部绑缚将绑缚装置与患者胸腔部位紧密固定，绳固定环7直接固定在绑缚带3上，位于绑缚带3肩部位置，牵引绳2能够通过绳固定环7同绑缚装置固定相连，并通过绑缚带3向人施加减重力与牵引力，通过直接改变患者上半身姿态从而对患者提供引导，调节患者重心分布，改善患者步行步态。
本发明提供的面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人上也设置有控制箱4，控制箱根据采集的信号控制各个部件的运动，以实现对使用者进行步行康复功能的训练。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (5)
1.一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人，其特征在于，包含外框架(1)、全向底盘和两个主动减重系统；
所述主动减重系统为两个，对称安装在所述外框架(1)两侧，每个所述主动减重系统包括空间角度测算装置(8)、牵引绳(2)和驱动装置(E)，所述牵引绳(2)的一端固定在驱动装置(E)上，牵引绳(2)经过角度测算装置(8)，牵引绳(2)的另一端固定在肩部的绑缚装置上，牵引绳(2)始终处于绷直状态，用于提供竖直向上的减重力和向前的牵引力，外框架(1)的底部四周安装有全向底盘，使得外框架(1)能在平面上全向移动。
2.根据权利要求1所述一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人，其特征在于：所述角度测算装置(8)包括滑轮(9)、角度传感器一(10)、固定座一(11)、固定座二(12)、角度传感器二(13)和拨片(14)；
固定座一(11)可转动地设置在外框架(1)上，角度传感器一(10)固定在固定座一(11)上，角度编码器一(10)的输出轴与固定座二(12)的转轴相连，滑轮(9)可转动地设置在固定座二(12)的凹槽一中，拨片(14)固定在固定座二(12)的凹槽二中，角度传感器(13)固定在固定座二(12)上，角度传感器二(13)的输出轴与拨片(14)的转轴相连，牵引绳(20绕在滑轮(9)上并穿过拨片(14)的绳孔中。
3.根据权利要求1或2所述一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人，其特征在于：所述动装置(B)包括绕线盘(16)、电机座(17)和驱动电机(18)；电机座(17)固定在外框架(1)上，驱动电机(18)固定在电机座(17)上，驱动电机(18)的输出轴与绕线盘(16)的转轴固定，绕线盘(16)可转动地设置在电机座(17)上，牵引绳(2)缠绕在绕线盘(16)上，牵引绳(2)的一端固定在绕线盘(16)上。
4.根据权利要求1所述一种面向步行功能康复训练的主动跟随式减重机器人，其特征在于：所述绑缚装置包括绳固定环(7)和绑缚带(3)；绑缚带(3)绕肩部与胸部绑缚固定，绳固定环(7)固定在绑缚带(3)上，并位于绑缚带(3)肩部，牵引绳(2)与绳固定环(7)相连。
5.根据权利要求1所述一种面向步行训练的主动跟随式减重机器人，其特征在于：所述全向底盘包含麦克纳姆轮(5)和底盘电机(6)；外框架(1)的底部布置有可转动地四个麦克纳姆轮(5)，底盘电机(6)的输出端与麦克纳姆轮(5)的轮轴同轴固连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220809 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |