CN114886734A - 基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人 - Google Patents

基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人 Download PDF

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贾诚心
陆月
曾永阳
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Abstract

基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人属于康复训练装置技术领域，目的在于解决现有技术存在的人工搀扶无法保证患者下肢运动步态与健康者保持一致的问题以及康复装置康复训练效果差，无法实现助力行走的康复训练的问题。本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人包括：支撑减重装置，通过所述支撑减重装置对患者进行直立行走状态下的支撑；设置在所述支撑减重装置下方的行走装置；设置在支撑减重装置上的外骨骼助行装置，所述外骨骼助行装置通过与下肢固定带动腿部步行运动；所述外骨骼助行装置的步行速度和行走装置的行进速度相同；以及控制器，通过所述控制器控制康复训练机器人运动。

Description

基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人
技术领域
本发明属于康复训练装置技术领域，具体涉及一种基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人。
背景技术
伴随着现代化社会的快速发展，由于各种原因导致下肢出现运动功能障碍的人群也呈指数增长，这导致家庭和社会的负担越来越重，生活质量也急剧下降。
下肢康复训练的方法有很多，第一，座位立位训练法，双手十指叉握，上肢前伸，头和身躯前倾，重心前移超过膝关节，然后抬起臀部、髋、膝盖伸展，然后站立，要注意保持平衡，以免摔伤。第二，单腿搭桥法，将健侧下肢抬起，脚离开地面膝关节伸展，维持脚部单脚支撑的搭桥动作，再把健侧膝关节曲放在患腿上。这种方法可以强化下肢的控制能力。
以上训练方法是在需要人体达到一定恢复效果的前提下的一种主动训练方式；医学理论和临床医学实践证明，肢体运动功能的恢复和提高，除了必要的医疗手段外，正确且科学的康复训练也是极为重要的；在肢体运动康复训练过程中采用人工搀扶训练或借助康复训练装置的训练方式。人工搀扶方式，无法保证患者下肢运动步态与健康者保持一致；对护理人员的护理技术以及体能要求极高。公开号为CN216455948U的中国专利公开了一项名称为一种下肢康复训练助行器的技术方案，该训练助行器主要是提供支撑作用，所有的肢体运动训练仍需要患者自身进行，除提供支撑外，对肢体的训练无更多的助力，不能进行步态行走的针对性训练；公开号为CN216456751U的中国专利公开的一项名称为一种基于可穿戴传感器的下肢康复训练设备的技术方案，该康复训练设备主要提供了腿部的被动式弯曲训练，起到锻炼关节的作用，训练过程中呈现为坐姿状态下的腿部弯曲训练，只是将主动弯曲训练变为被动弯曲训练，通过一套结构实现，无法真正实现在行走状态下的肢体运动的训练，康复训练效果差。
实用新型发明内容
本发明的目的在于提出一种基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，解决现有技术存在的人工搀扶无法保证患者下肢运动步态与健康者保持一致的问题以及康复装置康复训练效果差，无法实现助力行走的康复训练的问题。
为实现上述目的，本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人包括：
支撑减重装置，通过所述支撑减重装置对患者进行直立行走状态下的支撑；
设置在所述支撑减重装置下方的行走装置；
设置在支撑减重装置上的外骨骼助行装置，所述外骨骼助行装置通过与下肢固定带动腿部步行运动；所述外骨骼助行装置的步行速度和行走装置的行进速度相同；
以及控制器，通过所述控制器控制康复训练机器人运动。
所述外骨骼助行装置包括：
安装板，所述安装板背部和支撑减重装置的支撑立柱铰接；
连接在所述安装板和所述支撑立柱之间的气弹簧；
以及对称设置的两个外骨骼助行结构，通过外骨骼助行结构带动下肢进行步行运动。
每个所述外骨骼助行结构包括：
一端和所述安装板连接的髋部支架；
一端和所述髋部支架另一端铰接的长度可调的大腿杆；
一端和髋部支架底部铰接的大腿驱动伺服缸，所述大腿驱动伺服缸的推力作用端和所述大腿杆铰接；
一端和所述大腿杆另一端铰接的长度可调的小腿杆；
和所述大腿杆铰接的小腿驱动伺服缸，所述小腿驱动伺服缸的推力作用端和所述小腿杆铰接；
以及和所述小腿杆另一端铰接的足部固定板。
所述大腿杆包括滑动配合的大腿主杆和大腿副杆，所述大腿副杆上设置有沿长度方向的滑槽，大腿调整螺钉穿过所述滑槽和所述大腿主杆连接；
所述小腿杆包括滑动配合的小腿主杆和小腿副杆，所述小腿副杆上设置有沿长度方向的滑槽，小腿调整螺钉穿过所述滑槽和所述小腿主杆连接。
所述安装板背部和支撑减重装置的支撑立柱铰接具体为：安装板和支撑立柱之间设置有相互平行的两个上平行摆杆和两个下平行摆杆，所述上平行摆杆两端分别和安装板的背部以及支撑立柱通过铰接座铰接，所述下平行摆杆两端分别和安装板的背部以及支撑立柱通过铰接座铰接。
所述支撑减重装置包括：
支撑立柱，所述支撑立柱下端和所述行走装置连接；
安全吊具，所述安全吊具和康复患者的腰部连接；
调整安全吊具相对支撑立柱上下位置的吊具高度调整单元；
以及手扶单元，通过手扶单元提供手臂部的支撑。
所述吊具高度调整单元包括：
沿竖直方向设置在所述支撑立柱上的导轨；
和所述导轨滑动配合的滑座，通过吊具调整动力机构带动滑座相对所述导轨滑动；
和所述滑座固定连接的横杆，所述横杆垂直竖直方向以及机器人行进方向；
以及四个牵引绳，四个所述牵引绳一端和横杆固定连接，另一端通过设置在所述支撑立柱上的定滑轮导向与所述安全吊具连接。
所述吊具调整动力机构包括：
安装在所述支撑立柱上的直流电机；
卷扬绳轮，所述直流电机通过蜗轮蜗杆减速器和带动所述卷扬绳轮旋转；
一端缠绕在所述卷扬绳轮上的钢丝绳；
以及一端和所述钢丝绳另一端连接的拉力传感器，所述拉力传感器的另一端和所述滑座连接。
所述手扶单元包括对称设置的两组，每组包括：
沿竖直方向设置在所述支撑立柱上调高滑轨；
一端和所述调高滑轨滑动配合的扶手，所述扶手通过锁紧螺钉相对调高滑轨锁紧或解锁；
以及设置在所述扶手另一端上部的手柄。
所述行走装置对称设置的两组，每组包括：
和所述支撑减重装置的支撑立柱下端连接的承重梁；
设置在所述承重梁行进方向前端底部的万向轮；
设置在所述承重梁行进方向后段底部的行走轮；
输出轴和所述行走轮的轮轴通过同步带连接的直流减速驱动电机；
以及设置在所述直流减速驱动电机上的编码器。
本发明的有益效果为：本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人将患者大腿及小腿通过绑带捆绑方式固定在大腿杆及小腿杆上，由于患者下肢体型差异，通过大腿杆以及小腿杆的伸缩结构实现长度的调整，适应不同身高的患者，大腿驱动伺服缸、小腿驱动伺服缸通过配合带动患者大腿及小腿完成正常步态角度变化；患者在机器站定上肢手部握住手柄，手臂平放在扶手上，保证运动过程平稳，患者腰部绑定安全吊具，通过体拉力传感器显示的数值，控制直流电机拉伸缩放完成消减患者体重的目的；患者在康复训练过程中重心前倾后退通过上摆动支杆及下摆动直杆组成的平行四边形机构进行调节，人体前倾后退状态改变平行四边形结构，为防止平行四边形结构不稳定增加气弹簧保证运动的安全；本发明结构简单，稳定可靠。解决了现有技术存在的人工搀扶无法保证患者下肢运动步态与健康者保持一致的问题以及一些康复装置无法实现直立行走下的助行训练。
附图说明
图1为本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人整体结构示意图；
图2为本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人中行走装置结构示意图；
图3为本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人中支撑减重装置结构示意图；
图4为本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人中外骨骼助行装置结构示意图；
其中：1、行走装置，101、万向轮，102、承重梁，103、同步带，104、行走轮，105、直流减速驱动电机，106、编码器，2、支撑减重装置，201、支撑立柱，202、直流电机，203、蜗轮蜗杆减速器，204、卷扬绳轮，205、钢丝绳，206、导轨，207、拉力传感器，208、滑座，209、横杆，210、定滑轮，211、牵引绳，212、调高滑轨，213、扶手，214、手柄，215、锁紧螺钉，216、安全吊具，3、外骨骼助行装置，301、铰接座，302、上平行摆杆，303、气弹簧，304、下平行摆杆，305、安装板，306、髋部支架，307、大腿驱动伺服缸，308、大腿主杆，309、大腿副杆，310、小腿驱动伺服缸，311、大腿调整螺钉，312、小腿主杆，313、小腿副杆，314、足部固定板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1-附图4，本发明的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人包括：
支撑减重装置2，通过所述支撑减重装置2对患者进行直立行走状态下的支撑，降低患者自身重量对下肢的压力；
设置在所述支撑减重装置2下方的行走装置1；
设置在支撑减重装置2上的外骨骼助行装置3，所述外骨骼助行装置3通过与下肢固定带动腿部步行运动；所述外骨骼助行装置3的步行速度和行走装置1的行进速度相同；
以及控制器，通过所述控制器控制康复训练机器人运动。
所述外骨骼助行装置3包括：
安装板305，所述安装板305背部和支撑减重装置2的支撑立柱201铰接；
连接在所述安装板305和所述支撑立柱201之间的气弹簧303；气弹簧303两端分别和安装板305以及支撑立柱201铰接；
以及对称设置的两个外骨骼助行结构，通过外骨骼助行结构带动下肢进行步行运动。
每个所述外骨骼助行结构包括：
一端和所述安装板305连接的髋部支架306；
一端和所述髋部支架306另一端铰接的长度可调的大腿杆；
一端和髋部支架306底部铰接的大腿驱动伺服缸307，所述大腿驱动伺服缸307的推力作用端和所述大腿杆铰接；
一端和所述大腿杆另一端铰接的长度可调的小腿杆；
和所述大腿杆铰接的小腿驱动伺服缸310，所述小腿驱动伺服缸310的推力作用端和所述小腿杆铰接；
以及和所述小腿杆另一端铰接的足部固定板314。
所述大腿杆包括滑动配合的大腿主杆308和大腿副杆309，所述大腿副杆309上设置有沿长度方向的滑槽，大腿调整螺钉311穿过所述滑槽和所述大腿主杆308连接；
所述小腿杆包括滑动配合的小腿主杆312和小腿副杆313，所述小腿副杆313上设置有沿长度方向的滑槽，小腿调整螺钉穿过所述滑槽和所述小腿主杆312连接。
所述安装板305背部和支撑减重装置2的支撑立柱201铰接具体为：安装板305和支撑立柱201之间设置有相互平行的两个上平行摆杆302和两个下平行摆杆，所述上平行摆杆302两端分别和安装板305的背部以及支撑立柱201通过铰接座301铰接，所述下平行摆杆304两端分别和安装板305的背部以及支撑立柱201通过铰接座301铰接。
在支撑立柱201中间位置安装4个铰链座，铰链座与跟上平行摆杆302和下平行摆杆304一端铰接，上平行摆杆302和下平行摆杆304的另一端通过铰链座与安装板305连接，安装板305与支撑立柱201之间安装气弹簧303，可实现安装板305在竖直方向的平行摆动，以此适应人体行走时重心高度的高低变化。安装板305左右两侧分别安装了髋部支架306，髋部支架306的前端与大腿主杆308铰接，髋部支架306的底部与大腿驱动伺服缸307铰接，大腿驱动伺服缸307的推力作用端与大腿主杆308铰接，则依靠大腿驱动伺服缸307的伸缩可控制大腿杆的角度变化。大腿主杆308与大腿副杆309通过大腿调整螺钉311连接，大腿副杆309内设有滑槽，松开大腿调整螺钉311，可调整大腿杆长度，以适合不同身高的患者。大腿副杆309与小腿驱动伺服缸310铰接，小腿驱动伺服缸310的推力作用端与小腿主杆312铰接，依靠小腿驱动伺服缸310的伸缩可控制小腿杆的角度变化。小腿主杆312与小腿副杆313通过小腿调整螺钉连接，小腿副杆313内设有滑槽，松开小腿调整螺钉，可调整小腿杆长度，以适合不同身高的患者。小腿副杆313与足部固定板314铰接，足部固定板314可为患者的足部提供捆绑点。外骨骼助行装置3与患者腿部的固定选用景康医疗器械有限公司的腿部支具绑带。
所述支撑减重装置2包括：
支撑立柱201，所述支撑立柱201下端和所述行走装置1连接；
安全吊具216，所述安全吊具216和康复患者的腰部连接；
调整安全吊具216相对支撑立柱201上下位置的吊具高度调整单元；
以及手扶单元，通过手扶单元提供手臂部的支撑。
所述吊具高度调整单元包括：
沿竖直方向设置在所述支撑立柱201上的导轨206；
和所述导轨206滑动配合的滑座208，通过吊具调整动力机构带动滑座208相对所述导轨206滑动；
和所述滑座208固定连接的横杆209，所述横杆209垂直竖直方向以及机器人行进方向；
以及四个牵引绳211，四个所述牵引绳211一端和横杆209固定连接，另一端通过设置在所述支撑立柱201上的定滑轮210导向与所述安全吊具216连接。
所述吊具调整动力机构包括：
安装在所述支撑立柱201上的直流电机202；
卷扬绳轮204，所述直流电机202通过蜗轮蜗杆减速器203和带动所述卷扬绳轮204旋转；
一端缠绕在所述卷扬绳轮204上的钢丝绳205；
以及一端和所述钢丝绳205另一端连接的拉力传感器207，所述拉力传感器207的另一端和所述滑座208连接。
所述手扶单元包括对称设置的两组，每组包括：
沿竖直方向设置在所述支撑立柱201上调高滑轨212；
一端和所述调高滑轨212滑动配合的扶手213，所述扶手213通过锁紧螺钉215相对调高滑轨212锁紧或解锁；
设置在所述扶手213另一端上部的手柄214。
手柄214上安装了一个PBS-11型自锁按钮开关，两个按钮开关分别控制单侧肢体动作，同时按压直行，同时松开停止，单侧松开转弯。
直流电机202安装在支撑立柱201的骨架上，经过蜗轮蜗杆减速器203减速，带动是卷扬绳轮204旋转，卷扬绳轮204上缠绕了钢丝绳205，钢丝绳205的另一端与拉力传感器207连接，拉力传感器207又与滑座208连接，滑座208可在导轨206上沿竖直方向滑动，同时滑座208上又安装了横杆209，横杆209上固定了四根牵引绳211，牵引绳211通过定滑轮210的导向，与安全吊具216连接。安全吊具216选择了欣达五点式护腰。直流电机202转动，通过蜗轮蜗杆减速器203及卷扬绳轮204向下牵拉钢丝绳205，迫使拉力传感器207、滑座208及横杆209沿导轨206竖直向下滑动，从而通过牵引绳211使安全吊具216向上提起，依靠向上的提拉力抵消患者体重对下肢的压力，实现减重效果，减重力通过拉力传感器207可以测出。扶手213可在调高滑轨212上滑动，以适合不同身高的患者，通过手拧锁紧螺钉215锁定，扶手213上安装的手柄214为患者提供抓握点。
所述行走装置1对称设置的两组，每组包括：
和所述支撑减重装置2的支撑立柱201下端连接的承重梁102；
设置在所述承重梁102行进方向前端底部的万向轮101；
设置在所述承重梁102行进方向后段底部的行走轮104；
以及输出轴和所述行走轮104的轮轴通过同步带103连接的直流减速驱动电机105；
以及设置在所述直流减速驱动电机106上的编码器106，用来测试两侧直流减速驱动电机的转速，控制行进方向。
直流减速驱动电机105通过同步带103将动力传递给行走轮104，左右两侧的驱动轮可以同步旋转，也可以分别以不同的速度转动，实现直行及转弯控制。
患者的双腿与外骨骼助行装置3固定，为患者的腿部提供行走助力；上半身通过安全吊具216悬挂于支撑减重装置2上，用以减少患者自身体重体双腿的压力，同时提高患者行走的稳定性，患者的双臂扶持在支撑减重装置2的扶手213上，双手握持的手柄214为装置的控制开关，操作方便；支撑减重装置2底部为行走装置1，可根据外骨骼提供的步行速度，自动匹配装置的行进速度，确保装置于人体行进的同步性，以此来实现跟随移动式康复训练。
外骨骼助行装置3是康复训练最主要的部分，在保证其强度的同时，也需要考虑到设计的轻便性，所以，对大腿杆组件(大腿主杆308及大腿副杆309)进行有限元仿真分析，验证其强度的合理性。对腿杆组件进行施加约束及载荷，在髋关节处施加固定约束，伺服缸作用处施加300N推力，膝关节处施加轴承约束(x方向施加200N，z方向施加150N，合力250N)。最后进行求解计算，最大变形量为1.557mm，最大应力值为108.83MPa，位于腿杆伸缩调整处，该应力值小于7075铝合金材料的屈服强度(361MPa)，故腿杆在极端工况下所受载荷在材料许用强度范围内。

Claims (10)

1.基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，包括：
支撑减重装置(2)，通过所述支撑减重装置(2)对患者进行直立行走状态下的支撑；
设置在所述支撑减重装置(2)下方的行走装置(1)；
设置在支撑减重装置(2)上的外骨骼助行装置(3)，所述外骨骼助行装置(3)通过与下肢固定带动腿部步行运动；所述外骨骼助行装置(3)的步行速度和行走装置(1)的行进速度相同；
以及控制器，通过所述控制器控制康复训练机器人运动。
2.根据权利要求1所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述外骨骼助行装置(3)包括：
安装板(305)，所述安装板(305)背部和支撑减重装置(2)的支撑立柱(201)铰接；
连接在所述安装板(305)和所述支撑立柱(201)之间的气弹簧(303)；
以及对称设置的两个外骨骼助行结构，通过外骨骼助行结构带动下肢进行步行运动。
3.根据权利要求2所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，每个所述外骨骼助行结构包括：
一端和所述安装板(305)连接的髋部支架(306)；
一端和所述髋部支架(306)另一端铰接的长度可调的大腿杆；
一端和髋部支架(306)底部铰接的大腿驱动伺服缸(307)，所述大腿驱动伺服缸(307)的推力作用端和所述大腿杆铰接；
一端和所述大腿杆另一端铰接的长度可调的小腿杆；
和所述大腿杆铰接的小腿驱动伺服缸(310)，所述小腿驱动伺服缸(310)的推力作用端和所述小腿杆铰接；
以及和所述小腿杆另一端铰接的足部固定板(314)。
4.根据权利要求3所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述大腿杆包括滑动配合的大腿主杆(308)和大腿副杆(309)，所述大腿副杆(309)上设置有沿长度方向的滑槽，大腿调整螺钉(311)穿过所述滑槽和所述大腿主杆(308)连接；
所述小腿杆包括滑动配合的小腿主杆(312)和小腿副杆(313)，所述小腿副杆(313)上设置有沿长度方向的滑槽，小腿调整螺钉穿过所述滑槽和所述小腿主杆(312)连接。
5.根据权利要求2或3所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述安装板(305)背部和支撑减重装置(2)的支撑立柱(201)铰接具体为：安装板(305)和支撑立柱(201)之间设置有相互平行的两个上平行摆杆(302)和两个下平行摆杆，所述上平行摆杆(302)两端分别和安装板(305)的背部以及支撑立柱(201)通过铰接座(301)铰接，所述下平行摆杆(304)两端分别和安装板(305)的背部以及支撑立柱(201)通过铰接座(301)铰接。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述支撑减重装置(2)包括：
支撑立柱(201)，所述支撑立柱(201)下端和所述行走装置(1)连接；
安全吊具(216)，所述安全吊具(216)和康复患者的腰部连接；
调整安全吊具(216)相对支撑立柱(201)上下位置的吊具高度调整单元；
以及手扶单元，通过手扶单元提供手臂部的支撑。
7.根据权利要求6所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述吊具高度调整单元包括：
沿竖直方向设置在所述支撑立柱(201)上的导轨(206)；
和所述导轨(206)滑动配合的滑座(208)，通过吊具调整动力机构带动滑座(208)相对所述导轨(206)滑动；
和所述滑座(208)固定连接的横杆(209)，所述横杆(209)垂直竖直方向以及机器人行进方向；
以及四个牵引绳(211)，四个所述牵引绳(211)一端和横杆(209)固定连接，另一端通过设置在所述支撑立柱(201)上的定滑轮(210)导向与所述安全吊具(216)连接。
8.根据权利要求7所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述吊具调整动力机构包括：
安装在所述支撑立柱(201)上的直流电机(202)；
卷扬绳轮(204)，所述直流电机(202)通过蜗轮蜗杆减速器(203)和带动所述卷扬绳轮(204)旋转；
一端缠绕在所述卷扬绳轮(204)上的钢丝绳(205)；
以及一端和所述钢丝绳(205)另一端连接的拉力传感器(207)，所述拉力传感器(207)的另一端和所述滑座(208)连接。
9.根据权利要求6所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述手扶单元包括对称设置的两组，每组包括：
沿竖直方向设置在所述支撑立柱(201)上调高滑轨(212)；
一端和所述调高滑轨(212)滑动配合的扶手(213)，所述扶手(213)通过锁紧螺钉(215)相对调高滑轨(212)锁紧或解锁；
以及设置在所述扶手(213)另一端上部的手柄(214)。
10.根据权利要求1或2或3所述的基于外骨骼助力跟随运动的下肢康复训练机器人，其特征在于，所述行走装置(1)对称设置的两组，每组包括：
和所述支撑减重装置(2)的支撑立柱(201)下端连接的承重梁(102)；
设置在所述承重梁(102)行进方向前端底部的万向轮(101)；
设置在所述承重梁(102)行进方向后段底部的行走轮(104)；
输出轴和所述行走轮(104)的轮轴通过同步带(103)连接的直流减速驱动电机(105)；
以及设置在所述直流减速驱动电机(105)上的编码器(106)。
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