CN115054489A - 基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人 - Google Patents

基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，包括机架、绳索驱动装置、滑轮调整装置、辅助步行机、脚部固定装置、悬吊装置，绳索驱动装置配合滑轮调整装置改变绳索运动状态，绳索与脚部固定装置连接进而控制患者脚部运动轨迹，辅助步行机为脚部固定装置提供支撑并配合脚部运动。本发明可以根据使用者的体征参数和期望的运动模式，调整机构中各模块配置，提高下肢运动的稳定性和舒适性，模拟真实的运动体验。

Description

基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人
技术领域
本发明属于医疗康复机器人领域，具体涉及一种基于绳索驱动的具有多种下肢运动模式的康复机器人。
背景技术
随着老龄化人口增长，社会中出现了许多脑卒中、中风后遗症或意外事故导致的肢体运动能力损伤患者，下肢运动障碍对生活能力造成很大影响，因此需要进行康复训练的老龄患者也随之增加，康复医疗的需求在不断扩大。
研究表明，通过科学规划的重复运动能够逐渐改善肢体运动能力损伤患者的肌肉力量和协调性。并且神经系统有一定可重塑性，经过运动康复训练后能够在一点程度上重建肢体运动和脑部神经之间的关系，对损伤的神经和肌肉进行不断的刺激，逐渐使患者重新拥有对肢体协调控制的能力。因此许多专家学者设计研究了多种多样的协助患者进行重复运动的肢体康复器材。
目前下肢康复器材存在以下缺陷：首先，大部分下肢康复器材只注重于模拟行走动作，不能进行有针对性的动作训练，患者长时间使用后还可能会感到乏味或厌倦。其次，部分下肢康复器材结构参数固定，尤其无法调整步态训练的步宽，而不同体型的患者对一种康复器材的使用感受相差较大，导致产品适用范围小，不利于使用和推广。最后，绳索驱动配合传送带导致绳索不仅位置受限而且数量较多，绳索与患者之间可能相互干涉。
鉴于上述原因，有必要研发设计一种结构参数可变，绳索数量较少且能够提供多种训练动作的下肢康复器材。
发明内容
针对以上情况，本发明旨在提供一种基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，根据患者体型调整绳索位置和方向，从而执行更为稳定、舒适且多样的训练动作。
本发明的目的是这样实现的：包括机架、绳索驱动装置、滑轮调整装置、辅助步行机、脚部固定装置、悬吊装置，所述绳索驱动装置配合所述滑轮调整装置改变绳索运动速度与方向，绳索与所述脚部固定装置连接进而控制患者脚部运动轨迹，所述辅助步行传动带为所述脚部固定装置提供支撑并配合脚部运动。
进一步地，所述机架包括底座、立柱、抓握机构和悬梁驱动装置，所述立柱固定于所述底座四角，所述抓握机构固定在所述底座前部且具有水平和竖直握把，所述悬梁驱动装置固定在所述底座后部。
进一步地，所述绳索驱动装置包括6组结构相同的绳索驱动单元，所述绳索驱动单元左右对称地固定在所述机架两侧。
进一步地，所述滑轮调整装置包括竖直滑轮调整装置和水平滑轮调整装置，4组所述竖直滑轮调整装置结构相同且置于所述机架四周，其中一组由第一丝杠螺母机构、第一滑轨、第二滑轨、第一滑轮和第二滑轮构成，第一丝杠螺母机构竖直固定在所述机架立柱内侧，第一和第二滑轨分别水平固定于所述机架底座和第一丝杠螺母机构的滑块上，第一和第二滑轮铰接于第一和第二滑轨，上侧绳索从所述绳索驱动单元引出后绕过第一和第二滑轮，通过改变第一丝杠螺母、第一和第二滑轨的滑块进而调整上侧绳索位置；2组所述水平滑轮调整装置结构相同且平行置于所述机架下侧，其中一组由第二丝杠螺母机构、第三滑轨、第三滑轮和第四滑轮构成，第二丝杠螺母机构水平固定在所述机架底座的底板上，第三滑轮固定在所述机架底座前侧，第四滑轮与第三滑轨铰接后固定于第二丝杠螺母机构的滑块上，第四滑轮铰接于第三滑轨，下侧绳索从所述绳索驱动单元引出后绕过第三和第四滑轮，通过改变第二丝杠螺母和第三滑轨的滑块调整下侧绳索位置。
进一步地，所述辅助步行机包括滚筒、传送带、底板和驱动装置，所述辅助步行机安装在所述机架底座左右横梁，所述传送带有3个且安装在所述滚筒上，所述滚筒包含前滚筒和后滚筒且滚筒表面均设有凸起用于分隔所述传送带，所述底板中间开有两个细长的矩形孔洞，使下侧绳索绕过所述水平滑轮调整装置后能穿过所述辅助步行机连接所述脚部固定装置，所述驱动装置通过驱动所述前滚筒控制所述传送带运动。
进一步地，所述脚部固定装置包括固定底板、第一扣紧结构、第二扣紧结构和绳索连接点，所述固定底板两侧有6个对称布置的绳索连接点，其底部另设有一个绳索连接点，上侧绳索绕过所述竖直滑轮调整装置后与所述固定底板两侧的绳索连接点相连，下侧绳索绕过所述水平滑轮调整装置后穿过所述辅助步行机与所述固定底板下侧的绳索连接点相连。
进一步地，所述悬吊装置包括悬梁和吊带，所述悬梁后部与所述悬梁驱动装置配合实现所述悬梁水平面内的旋转，所述吊带挂于所述悬梁前部。
进一步地，所述绳索驱动单元包括单元框架、电机-编码器、绕线轮、拉力传感器和第一-第三滑轮，所述电机-编码器的电机机壳固定在所述单元框架外侧的电机架上，电机转子伸入所述单元框架内与所述绕线轮配合，所述拉力传感器与第一滑轮组合后固定在所述单元框架竖直内壁上，第二和第三滑轮固定在所述单元框架绳索出口处内外壁。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，滑轮调整装置通过改变滑轮在空间中的水平和竖直位置，从而调整绳索运动方向，使脚部固定装置能够执行最适用于患者的运动轨迹，有益于提高训练动作的稳定性和患者使用的舒适性。
2.本发明提供的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，可旋转的悬吊装置可以改变患者在工作空间中的相对位置，配合滑轮调整装置调整绳索运动方向，并合理配置绳索末端在脚部固定装置的连接点，使得患者下肢拥有更大的运动空间，可以提供步态模拟、单腿内收外展等有针对性的定制化训练动作。
3.本发明提供的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，辅助步行装置可以提供辅助支撑，同时调整传送带运动速度，配合脚部固定装置的运动，提供类似于地面行走的力反馈，并且绳索可以从辅助步行装置中穿过，减少了绳索使用量，避免绳索干涉。
附图说明
图1为本发明基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人步态训练原理图；
图2为本发明的机架组件结构示意图；
图3为本发明滑轮调整装置结构示意图；
图4为本发明的辅助步行机结构示意图；
图5为本发明的脚部固定装置结构示意图；
图6为本发明的悬吊装置结构示意图；
图7为本发明的绳索驱动单元结构示意图；
图8为本发明的单腿训练模式原理图；
图中：001-机架，101-底座，102-立柱，103-抓握机构，104-悬梁驱动装置，002-绳索驱动装置，003-滑轮调整装置，201-绳索驱动单元，202-丝杠螺母机构，203-滑轨，204-滑轮,004-辅助步行机，301-滚筒、302-传送带、303-底板，304-驱动装置，005-脚部固定装置，401-固定底板，402-第一扣紧结构，403-第二扣紧结构，404-绳索连接点，006-悬吊装置，501-悬梁，502-吊带，单元框架601，602-电机-编码器，603-绕线轮，604-拉力传感器，605-第一滑轮，606-第二滑轮，607-第三滑轮。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，如图1所示，其包括机架001、绳索驱动装置002、滑轮调整装置003、辅助步行机004、脚部固定装置005、悬吊装置006，绳索驱动装置002配合滑轮调整装置003改变绳索运动速度与方向，绳索与脚部固定装置005连接进而控制患者脚部运动轨迹，辅助步行传动带004为脚部固定装置005提供支撑并配合脚部运动。
如图2所示机架001包括底座101、立柱102、抓握机构103和悬梁驱动装置104，立柱102位于底座101四角，抓握机构103固定在底座101前部且具有水平和竖直握把，悬梁驱动装置104固定在底座101后部。
如图3所示绳索驱动装置002包括6组结构相同的绳索驱动单元201，绳索驱动单元201左右对称地固定在所述机架两侧。滑轮调整装置003包括竖直滑轮调整装置202和水平滑轮调整装置203，4组竖直滑轮调整装置202结构相同且置于机架001四周，其中一组由第一丝杠螺母机构204、第一滑轨205、第二滑轨206、第一滑轮207和第二滑轮208构成，第一丝杠螺母机构204竖直固定在机架立柱102内侧，第一滑轨205和第二滑轨206分别水平固定于机架底座101和第一丝杠螺母机构204的滑块上，第一和第二滑轮207-208铰接于第一和第二滑轨205-206，上侧绳索从绳索驱动单元201引出后绕过第一和第二滑轮207-208，通过改变第一丝杠螺母204、第一和第二滑轨205-206的滑块进而调整上侧绳索位置；2组水平滑轮调整装置203结构相同平行置于机架001下侧，其中一组由第二丝杠螺母机构209、第三滑轨210、第三滑轮211和第四滑轮212构成，第二丝杠螺母机构209水平固定在机架底座101的底板上，第三滑轮211固定在机架底座101前侧，第四滑轮212与第三滑轨211铰接后固定于第二丝杠螺母机构209的滑块上，第四滑轮212铰接于第三滑轨210，下侧绳索从绳索驱动单元201引出后绕过第三和第四滑轮211-212，通过改变第二丝杠螺母209和第三滑轨210的滑块调整下侧绳索位置。
如图4所示辅助步行机004包括滚筒301、传送带302、底板303和驱动装置304，辅助步行机004安装在所述机架底座101左右横梁，传送带302有3个且安装在滚筒301上，滚筒301包含前滚筒和后滚筒且表面均设有凸起用于分隔传送带302，底板303中间开有两个细长的矩形孔洞305，使下侧绳索绕过水平滑轮调整装置211后能穿过辅助步行机004连接脚部固定装置005，驱动装置304通过驱动前滚筒控制传送带302运动。
如图5所示脚部固定装置005包括固定底板401、第一扣紧结构402、第二扣紧结构403和绳索连接点404，固定底板401两侧有6个对称布置的绳索连接点404，其底部另设有一个绳索连接点404，上侧绳索绕过竖直滑轮调整装置202后与固定底板401两侧的绳索连接点404相连，下侧绳索绕过水平滑轮调整装置203后穿过辅助步行机004与固定底板401下侧的绳索连接点404相连。
如图6所示悬吊装置006包括悬梁501和吊带502，悬梁501后部与悬梁驱动装置104配合实现悬梁501水平面内的旋转，吊带502挂于悬梁501前部。
如图7所示绳索驱动单元201包括单元框架601、电机-编码器602、绕线轮603、拉力传感器604和第一-第三滑轮605-607，电机-编码器602的电机机壳固定在单元框架601外侧的电机架上，电机转子伸入单元框架601内与绕线轮603配合，拉力传感器604与第一滑轮605组合后固定在单元框架601竖直内壁上，第二滑轮606和第三滑轮607固定在单元框架601绳索出口处内外壁。
本发明基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人的步态训练模式和单腿训练模式的实施例结构示意图分别如图1和图8所示，通过旋转悬吊装置006和选择不同的绳索连接点404，可以调整脚部固定装置005的可达位置及其与绳索的连接方式，滑轮调整装置003控制绳索运动方向，再配合调整辅助步行机004传送带运行速度，为患者提供多种运动模式。绳索连接点404和绳索间的连接采用活扣设计，拆装便捷，方便更换运动模式。
本发明基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，如图1所示，该发明可以调整悬吊装置006使患者处于机构中心，左右脚的脚部固定装置005均由3根绳索控制，其中2根绳索绕过竖直滑轮调整装置202后分为两股与脚部固定装置005两侧的绳索连接点404连接，1根绳索绕过水平滑轮调整装置203后穿过辅助步行机004与脚部固定装置005下侧的绳索连接点404连接，根据患者体型通过滑轮调整装置003改变各滑轮位置进而调整绳索位置，从而达到绳索运动平面和患者步行时脚部运动平面重合的效果，绳索驱动装置002通过绳索带动脚部固定装置005执行步态轨迹，辅助步行机004按照相应的速度运行，实现步态训练模式。如图8所示，在单腿训练模式下，本发明可以根据期望训练动作，调整悬吊装置006使患者单脚处于机构中心，此时单脚的脚部固定装置005仅由上侧的4根绳索控制，绳索绕过竖直滑轮调整装置202后直接与脚部固定装置005两侧的绳索连接点404连接，再控制滑轮调整装置004使滑轮处于合适的位置，从而使脚部固定装置005的可运动范围适配训练动作所需的空间，传送带302静止，辅助步行机004仅提供支撑，绳索带动患者下肢执行定制化的训练动作。
综上，本发明提出了一种基于绳索驱动的具有多种下肢运动模式的康复机器人，其包括机架、绳索驱动装置、滑轮调整装置、辅助步行机、脚部固定装置、悬吊装置，绳索驱动装置配合滑轮调整装置改变绳索运动状态，绳索与脚部固定装置连接进而控制患者脚部运动轨迹，辅助步行机为脚部固定装置提供支撑并配合脚部运动。本发明可以根据使用者的体征参数和期望的运动模式，调整机构中各模块配置，提高下肢运动的稳定性和舒适性，模拟真实的运动体验。

Claims (8)

1.基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：包括机架、绳索驱动装置、滑轮调整装置、辅助步行机、脚部固定装置、悬吊装置，所述绳索驱动装置配合所述滑轮调整装置改变绳索运动速度与方向，绳索与所述脚部固定装置连接进而控制患者脚部运动轨迹，所述辅助步行传动带为所述脚部固定装置提供支撑并配合脚部运动。
2.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述机架包括底座、立柱、抓握机构和悬梁驱动装置，所述立柱固定于所述底座四角，所述抓握机构固定在所述底座前部且具有水平和竖直握把，所述悬梁驱动装置固定在所述底座后部。
3.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述绳索驱动装置包括6组结构相同的绳索驱动单元，所述绳索驱动单元左右对称地固定在所述机架两侧。
4.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述滑轮调整装置包括竖直滑轮调整装置和水平滑轮调整装置，4组所述竖直滑轮调整装置结构相同且置于所述机架四周，其中一组由第一丝杠螺母机构、第一滑轨、第二滑轨、第一滑轮和第二滑轮构成，第一丝杠螺母机构竖直固定在所述机架立柱内侧，第一和第二滑轨分别水平固定于所述机架底座和第一丝杠螺母机构的滑块上，第一和第二滑轮铰接于第一和第二滑轨，上侧绳索从所述绳索驱动单元引出后绕过第一和第二滑轮，通过改变第一丝杠螺母、第一和第二滑轨的滑块进而调整上侧绳索位置；2组所述水平滑轮调整装置结构相同且平行置于所述机架下侧，其中一组由第二丝杠螺母机构、第三滑轨、第三滑轮和第四滑轮构成，第二丝杠螺母机构水平固定在所述机架底座的底板上，第三滑轮固定在所述机架底座前侧，第四滑轮与第三滑轨铰接后固定于第二丝杠螺母机构的滑块上，第四滑轮铰接于第三滑轨，下侧绳索从所述绳索驱动单元引出后绕过第三和第四滑轮，通过改变第二丝杠螺母和第三滑轨的滑块调整下侧绳索位置。
5.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述辅助步行机包括滚筒、传送带、底板和驱动装置，所述辅助步行机安装在所述机架底座左右横梁，所述传送带有3个且安装在所述滚筒上，所述滚筒包含前滚筒和后滚筒且滚筒表面均设有凸起用于分隔所述传送带，所述底板中间开有两个细长的矩形孔洞，使下侧绳索绕过所述水平滑轮调整装置后能穿过所述辅助步行机连接所述脚部固定装置，所述驱动装置通过驱动所述前滚筒控制所述传送带运动。
6.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述脚部固定装置包括固定底板、第一扣紧结构、第二扣紧结构和绳索连接点，所述固定底板两侧有6个对称布置的绳索连接点，其底部另设有一个绳索连接点，上侧绳索绕过所述竖直滑轮调整装置后与所述固定底板两侧的绳索连接点相连，下侧绳索绕过所述水平滑轮调整装置后穿过所述辅助步行机与所述固定底板下侧的绳索连接点相连。
7.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述悬吊装置包括悬梁和吊带，所述悬梁后部与所述悬梁驱动装置配合实现所述悬梁水平面内的旋转，所述吊带挂于所述悬梁前部。
8.根据权利要求3所述的基于绳索驱动的多运动模式下肢康复机器人，其特征在于：所述绳索驱动单元包括单元框架、电机-编码器、绕线轮、拉力传感器和第一-第三滑轮，所述电机-编码器的电机机壳固定在所述单元框架外侧的电机架上，电机转子伸入所述单元框架内与所述绕线轮配合，所述拉力传感器与第一滑轮组合后固定在所述单元框架竖直内壁上，第二和第三滑轮固定在所述单元框架绳索出口处内外壁。
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