CN117860530A - 一种腰部柔性支撑系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腰部柔性支撑系统，它包括机架、腰托和控制系统，机架上设置有用于跟随和/或带动腰部进行水平和/或竖直摆动的腰部竖直移动柔性支撑装置和腰部摆动支撑装置；腰部竖直移动柔性支撑装置包括设置在机架上的浮动支臂，腰部摆动支撑装置设置在浮动支臂端部的浮动架上，由浮动支臂带动进行上下浮动；腰部摆动支撑装置包括水平移动装置和铰接在水平移动装置上的摆动支臂；水平移动装置驱动摆动支臂左右移动的同时，摆动辊子由摆动凸轮驱动进行左右旋转摆动；控制系统用于控制腰部摆动支撑装置的运动；还提供了一种腰部柔性支撑系统的控制方法。本设计可以在步态训练的同时能够对髋关节和腰部进行有效的训练和活动。
Description
技术领域
本发明属于步态训练机器人技术领域，具体涉及一种腰部柔性支撑系统及其控制方法。
背景技术
步态训练机器人是一种仿真人类步态的机器人，具有复杂的机械结构和先进的控制系统，它可以通过电子和机械部件模拟人体步态，并模拟人体身体的多个动作，如走路、奔跑、跨过障碍、爬楼梯等。
步态训练机器人可用于下肢康复，对于下肢肌肉无力、骨折、脑卒中等患者的康复有非常大的帮助。步态训练机器人通常搭配虚拟现实技术，使患者能够在进行康复训练时获得更好的模拟效果。在治疗期间，步态训练机器人可以检测患者的运动状态，记录患者的运动数据，并帮助患者恢复正常步态。康复期结束后，步态训练机器人还可以辅助患者进行正常的步态运动训练。
通过步态训练机器人的训练，患者可以恢复正常的步态，提高身体平衡性，增强下肢肌力和肌肉控制能力，以及纠正步态异常。步态训练机器人的使用针对不同的病情和训练目的，可以制定定制化的康复方案，帮助患者快速恢复到健康的状态。
现有的步态训练机器人只能通过固定患者的腰部来进行步态训练，这样会导致患者的走路姿态不自然，髋关节的运动受到限制，无法实现正常走路的步态。同时，因为腰部处于固定状态，患者的腰部力量得不到训练，髋关节也得不到足够有效的活动，影响了患者的身体康复效果。因此，需要寻找更好的步态训练机器人设计，使得患者能够更加自然地进行步态训练，同时能够对髋关节和腰部进行有效的训练和活动。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种腰部柔性支撑系统,它通过使用柔性的髋关节活动装置，使患者进行步态训练时髋关节可以得到一定的活动训练，促进患者的康复。同时，步态训练结合了腰部力量恢复训练，增强了患者的腰部肌肉力量，从而提高了患者的运动能力和稳定性。在走路时，系统会根据患者的姿态和步伐变化，自动调整髋关节活动装置的运动，使患者的步态更加自然、舒适、稳定。该技术效果使得患者能够更快地恢复正常运动能力，提高生活质量。
一种腰部柔性支撑系统，它包括机架、腰托和控制系统，所述的机架上设置有用于跟随和/或带动腰部进行水平和/或竖直摆动的腰部竖直移动柔性支撑装置和腰部摆动支撑装置；所述的腰部竖直移动柔性支撑装置包括设置在机架上的浮动支臂，腰部摆动支撑装置设置在浮动支臂端部的浮动架上，由浮动支臂带动进行上下浮动；所述的腰部摆动支撑装置包括水平移动装置和铰接在水平移动装置上的摆动支臂；水平移动装置驱动摆动支臂左右移动的同时，摆动辊子由摆动凸轮驱动进行左右旋转摆动；所述的控制系统用于控制腰部摆动支撑装置的运动，控制系统与腰托旋转角度控制系统、腰托旋转阻力检测系统相互通信连接；所述的腰托旋转角度控制系统包括移动位置检测装置、旋转角度检测装置；所述的腰托旋转阻力检测系统包括设置在腰托上的腰托垫、检测腰托垫与腰托之间的力矩差值的阻力检测装置；
进一步的，所述的浮动支臂包括两个平行设置的第一支臂和第二支臂，第一支臂和第二支臂的一端铰接在机架上，另一端铰接分别安装在浮动架上；所述的机架上还设有用于控制浮动架竖直动态浮动的阻尼装置；所述的阻尼装置一端铰接安装在机架上，另一端连接在第一支臂的延长支臂的端部；
进一步的，所述的水平移动装置包括由驱动电机驱动滑台，摆动支臂经立轴铰接安装在滑台上；腰托固定安装在摆动支臂上，所述的水平移动装置的滑台带动腰托左右移动，所述的摆动支臂上的摆动辊子与设置在浮动架上的摆动凸轮配合；
进一步的，所述的摆动辊子铰接安装在摆动支臂的后部，位于立轴的两侧；所述的摆动凸轮的两端设置有凸轮的最高点，中部设置有最低点，最高点和最低点之间为平面连接；
进一步的，所述的移动位置检测装置设置在水平移动装置上；所述的移动装置为设置在驱动电机上的旋转编码器；所述的旋转角度检测装置设置在立轴上，与立轴同轴安装；
进一步的，所述的腰托旋转阻力检测系统包括设置在腰托上的腰托垫、阻力检测装置、滑动托板；所述的阻力检测装置设置在腰托的后侧面，滑动托板经滑动块与阻力检测装置接触；所述的腰托垫设置在腰托的后侧面，与滑动托板固定；
进一步的，一种腰部柔性支撑系统的控制方法，它包括如下步骤：
S01：初步设定腰托旋转角度；
S02：设定腰托旋转力的安全范围；
S03：检测使用者的步态情况，控制移动装置移动旋转腰托；
S04：检测腰托旋转力是否在安全范围，若未超出执行S05，若超出执行S06；
S05：继续旋转腰托，达到的设定腰托旋转角度后，反向旋转腰托，重复执行S03；
S06：记录此时的腰托旋转角度，记录腿部辅助装置的位置参数，反向旋转腰托，重复执行S03；
S07：步态训练结束；
进一步的，所述的S01步骤中腰托的旋转角度范围为-10~10度；所述的S02步骤中的旋转力的安全范围为使用者的体重的3%-10%；
进一步的，所述的S03步骤中包括如下步骤：
S031：检测并提取大腿关节运动装置的运动角度x；
S032：根据使用者的关节灵活度，设定关节活动系数k；
S033：计算得出髋关节旋转角度y=k×x×x；
S034：控制移动装置移动旋转腰托，旋转角度区间为-y~y；
进一步的，所述的大腿关节的运动角度x的设定条件为：将使用者的左侧大腿向前弯曲设定为x的正值方向，反向弯曲设定为x的负值方向；所述的髋关节旋转角度y的设定条件为：将使用者的髋关节向左侧大腿方向旋转设定为y的正值方向，反向旋转设定为y的负值方向；
进一步的，所述的S03步骤中的关节活动系数k的范围为0~0.016，关节活动系数由小增大代表其髋关节关节活动度逐渐增大；
进一步的，所述的S04步骤中通过腰托旋转阻力检测系统的阻力检测装置对腰托旋转力进行实时检测，并将检测到的旋转阻力的值与设定值进行实时比较；
进一步的，所述的S06步骤中记录下的腰托旋转角度和腿部辅助装置的位置参数，其中记录下的腰托旋转角度为下次运动时的最大腰托旋转角度。
本发明公开了一种腰部柔性支撑系统，它包括机架、腰托和控制系统，机架上设置有用于跟随和/或带动腰部进行水平和/或竖直摆动的腰部竖直移动柔性支撑装置和腰部摆动支撑装置；腰部竖直移动柔性支撑装置包括设置在机架上的浮动支臂，腰部摆动支撑装置设置在浮动支臂端部的浮动架上，由浮动支臂带动进行上下浮动；腰部摆动支撑装置包括水平移动装置和铰接在水平移动装置上的摆动支臂；水平移动装置驱动摆动支臂左右移动的同时，摆动辊子由摆动凸轮驱动进行左右旋转摆动；控制系统用于控制腰部摆动支撑装置的运动；还提供了一种腰部柔性支撑系统的控制方法。本设计可以在步态训练的同时能够对髋关节和腰部进行有效的训练和活动。
附图说明
图1为本发明一种腰部柔性支撑系统的主视图；
图2为本发明一种腰部柔性支撑系统的左视图；
图3为本发明一种腰部柔性支撑系统的腰部摆动支撑装置的立体视图；
图4为本发明一种腰部柔性支撑系统的腰部摆动支撑装置的左视图；
图5为本发明一种腰部柔性支撑系统的腰部摆动支撑装置的左视图；
图6为本发明一种腰部柔性支撑系统的腰部摆动支撑装置的仰视图；
图7为本发明一种腰部柔性支撑系统的腰部摆动支撑装置的摆动凸轮的主视图；
图8为本发明一种腰部柔性支撑系统的控制系统的系统组成示意图。
具体实施方式
实施例1：一种腰部柔性支撑系统
请参见附图1-7， 一种腰部柔性支撑系统，它包括：机架1、腰部竖直移动柔性支撑装置2、腰部摆动支撑装置3。
所述的机架1包括跑台11、支撑架12；所述的跑台11设置在下部，具有一个可以向患者提供步行训练的跑带；所述的支撑架12设置在跑台11的侧面，支撑架12与跑台11固定安装；所述的支撑架12包括立柱121和水平支架122；所述的立柱121固定设置在跑台11的一侧，水平支架122设置在立柱的一侧，水平支架122水平设置，且水平支架122与跑台11的前进方向垂直设置；所述的腰部竖直移动柔性支撑装置2设置在水平支架122上。
所述的腰部竖直移动柔性支撑装置2包括固定架21、第一支臂22、第二支臂23、浮动架24、阻尼装置25。
所述的固定架21固定安装在水平支架122上，所述的固定架21呈矩形框架状，所述的固定架21的两块竖直设置的平行立板上设置有上下分布的第一铰接孔、第二铰接孔；在竖直方向上，所述的第一铰接孔位于第二铰接孔的上方；在水平方向上，所述的第一铰接孔位于第二铰接孔的后方。
所述的第一支臂22的两端分别设有第三铰接孔、第四铰接孔，第三铰接孔、第四铰接孔之间还设有第五铰接孔，所述的第五铰接孔靠近第三铰接孔的221的一侧设置；所述的第一支臂22的第五铰接孔通过铰接轴铰接安装在第一铰接孔上；所述的第二支臂23的两端分别设置有第六铰接孔和第七铰接孔。
所述的第二支臂23的第六铰接孔与第二铰接孔相互铰接；所述的阻尼装置25包括底部固定架251和顶部固定架252、阻尼253；所述的顶部固定架252整体呈C形，上部铰接安装在第一支臂22的第三铰接孔的221上；所述的顶部固定架252下部设有一平板；所述的底部固定架251包括底部平板和固定拉杆；所述的固定拉杆的底部经球铰铰接安装在固定架21的底部，底部平板上设有与固定拉杆相对应的安装孔，固定拉杆的上端穿过底部平板并经由螺栓固定；所述的阻尼253为多根弹簧组成，阻尼的一端固定在顶部固定架252的平板上，另一端固定在底部固定架251的底部平板上。
所述的浮动架24设置在固定架21的前方，包括立板241和与第一支臂22、第二支臂23铰接安装的浮动架铰接板242；所述的立板241竖直设置，浮动架铰接板242固定在立板241上，面向固定架21的一侧；所述的浮动架铰接板242包括两块竖直设置的金属板；所述的浮动架铰接板242上设有第八铰接孔、第九铰接孔；所述的第八铰接孔位于第九铰接孔的上部后方；所述的第一支臂22的第四铰接孔与第八铰接孔相互铰接安装；所述的第二支臂23的七铰接孔与第九铰接孔相互铰接安装。
所述的腰部摆动支撑装置3设置在浮动架24上，远离固定架21的一侧；所述的腰部摆动支撑装置3包括下肢支撑架31、移动装置32、摆动装置33、腰托34、腿部辅助装置35。
所述的下肢支撑架31固定设置在浮动架24上；所述的下肢支撑架31包括腿部辅助装置固定架311、移动装置固定板312；所述的腿部辅助装置固定架311水平设置，固定安装在浮动架铰接板242的下部；所述的移动装置固定板312呈矩形板状，设置在腿部辅助装置固定架311的上部。
所述的腿部辅助装置35的下肢外骨骼装置，固定设置在腿部辅助装置固定架311的两端。
所述的移动装置32设置在移动装置固定板312的上方；所述的移动装置32包括驱动电机321、丝杆322、滑台323、导轨324；所述的导轨324水平设置，固定安装移动装置固定板312的上方，与腿部辅助装置固定架311平行设置；所述的丝杆322与导轨324平行设置；所述的驱动电机321固定在移动装置固定板312上，驱动电机321的输出端与丝杆322经联轴器连接；所述的滑台323上设有与丝杠322相互配合的丝杠螺母，丝杠322可以带动滑台323进行左右移动；所述的滑台323上设有立轴3231；所述的立轴3231固定定在滑台323上远离丝杠322的一端；所述的立轴3231竖直设置。
所述的摆动装置33铰接安装在立轴3231的下部；所述的摆动装置33包括摆动支臂331、摆动辊子332、摆动凸轮333；所述的摆动支臂331呈块状，中部设有铰接孔，摆动支臂331经铰接孔铰接安装在立轴3231的下部；所述的摆动支臂331的左右两侧设有摆动辊子332；所述的摆动辊子332包括两个对称安装在摆动支臂左右两侧的辊子；所述的摆动辊子332的辊子为滚动轴承，经竖直设置的辊子轴3321铰接安装在摆动支臂331上；所述的摆动凸轮333固定设置在移动装置固定板312的侧面，竖直设置；所述的摆动凸轮333与摆动辊子332相对应设置；所述的摆动凸轮333呈板状，两端具有最高点3331，中部具有最低点3332；所述的最高点3331和最低点3332之间由平面连接，两个连接平面之间的夹角为160-175度；所述的摆动辊子332的辊子表面与摆动凸轮333的连接平面相互接触。
所述的腰托34用于固定使用者的腰部，腰托34固定设置在摆动支臂331上；所述的腰托34呈板状，两侧设有用于固定绑带的条形孔，软质的护垫可以经过条形孔固定在腰托34上。
所述的腿部辅助装置35包括用于辅助患者下肢运动的外骨骼关节臂；所述的腿部辅助装置35固定安装在移动装置固定板312上；所述的腿部辅助装置35包括固定在移动装置固定板312上且对称设置的髋关节运动装置351，铰接在髋关节运动装置351端部的大腿关节运动装置352、铰接在大腿关节运动装置352端部的小腿关节运动装置353；所述的大腿关节运动装置352、小腿关节运动装置353设有用于固定使用者的绑缚装置。
使用时，使用者的腿部通过绑缚装置绑缚在大腿关节运动装置352、小腿关节运动装置353上；使用者的腰部绑缚在腰托34上，进行行走训练，使用者在行走时，盆骨会随着腿部的摆动而进行扭转和上下浮动，这种扭转述正常的生理现象，在使用者使用本设计时，腰部竖直移动柔性支撑装置的阻尼装置25通过拉动第一支臂，抵消绑缚在浮动架上的使用者的体重，同时第一支臂22、第二支臂23、浮动架24组成的四杆机构可以随着使用者走动时髋关节上下摆动而摆动。使用者在行走时，腰部摆动支撑装置3的移动装置带动腰托进行左右移动，移动的同时，摆动辊子和摆动凸轮形成反凸轮结构，摆动支臂带动摆动辊子在摆动凸轮上进行往复运动，运动过程中摆动辊子沿着摆动凸轮运动，运动时，左侧的摆动辊子沿摆动凸轮的连接平面由摆动凸轮的最高点向最低点运动，右侧的凸轮由最低点向最高点运动，左右平行设置的两个摆动辊子沿凸轮进行运动，摆动支臂沿着与摆动凸轮相切的圆弧做半圆周运动。
本设计重点考虑了步态运动过程中的髋关节上下运动和左右旋转摆动，在一个完整的步态周期中，髋关节的上下运动和左右旋转运动是同时存在的，在步态训练的过程中，髋关节的上下运动是由于走路过程中人体的重心位置高度变化而变化的，而旋转运动是为了在走路时获得最大的步幅。本设计的腰部竖直移动柔性支撑装置采用半自动化的形式，四杆机构可以保证浮动架的竖直状态，以辅助使用者的躯干处于竖直状态，不会出现前倾或后倾的情况。腰部摆动支撑装置的移动装置可以根据使用者下肢的状态来控制滑台的位置，通过控制滑台的位置进而控制腰托的旋转角度。
一种腰部柔性支撑系统
请参见附图1-8， 一种腰部柔性支撑系统，它包括：机架1、腰部竖直移动柔性支撑装置2、腰部摆动支撑装置3、控制系统4。
所述的机架1包括跑台11、支撑架12；所述的跑台11设置在下部，具有一个可以向患者提供步行训练的跑带；所述的支撑架12设置在跑台11的侧面，支撑架12与跑台11固定安装；所述的支撑架12包括立柱121和水平支架122；所述的立柱121固定设置在跑台11的一侧，水平支架122设置在立柱的一侧，水平支架122水平设置，且水平支架122与跑台11的前进方向垂直设置；
所述的腰部竖直移动柔性支撑装置2设置在水平支架122上；所述的腰部竖直移动柔性支撑装置2包括固定架21、第一支臂22、第二支臂23、浮动架24、阻尼装置25；所述的固定架21固定安装在水平支架122上。
所述的固定架21呈矩形框架状，所述的固定架21的两块竖直设置的平行立板上设置有上下分布的第一铰接孔、第二铰接孔；在竖直方向上，所述的第一铰接孔位于第二铰接孔的上方；在水平方向上，所述的第一铰接孔位于第二铰接孔的后方。
所述的第一支臂22的两端分别设有第三铰接孔、第四铰接孔，第三铰接孔、第四铰接孔之间还设有第五铰接孔，所述的第五铰接孔靠近第三铰接孔的221的一侧设置；所述的第一支臂22的第五铰接孔通过铰接轴铰接安装在第一铰接孔上。
所述的第二支臂23的两端分别设置有第六铰接孔和第七铰接孔；所述的第二支臂23的第六铰接孔与第二铰接孔相互铰接。
所述的阻尼装置25包括底部固定架251和顶部固定架252、阻尼253；所述的顶部固定架252整体呈C形，上部铰接安装在第一支臂22的第三铰接孔的221上；所述的顶部固定架252下部设有一平板；所述的底部固定架251包括底部平板和固定拉杆；所述的固定拉杆的底部经球铰铰接安装在固定架21的底部，底部平板上设有与固定拉杆相对应的安装孔，固定拉杆的上端穿过底部平板并经由螺栓固定；所述的阻尼253为多根弹簧组成，阻尼的一端固定在顶部固定架252的平板上，另一端固定在底部固定架251的底部平板上；所述的浮动架24设置在固定架21的前方，包括立板241和与第一支臂22、第二支臂23铰接安装的浮动架铰接板242；所述的立板241竖直设置，浮动架铰接板242固定在立板241上，面向固定架21的一侧；所述的浮动架铰接板242包括两块竖直设置的金属板；所述的浮动架铰接板242上设有第八铰接孔、第九铰接孔；所述的第八铰接孔位于第九铰接孔的上部后方；所述的第一支臂22的第四铰接孔与第八铰接孔相互铰接安装；所述的第二支臂23的七铰接孔与第九铰接孔相互铰接安装。
所述的腰部摆动支撑装置3设置在浮动架24上，远离固定架21的一侧；所述的腰部摆动支撑装置3包括下肢支撑架31、移动装置32、摆动装置33、腰托34、腿部辅助装置35；所述的下肢支撑架31固定设置在浮动架24上。
所述的下肢支撑架31包括腿部辅助装置固定架311、移动装置固定板312；所述的腿部辅助装置固定架311水平设置，固定安装在浮动架铰接板242的下部；所述的移动装置固定板312呈矩形板状，设置在腿部辅助装置固定架311的上。
所述的腿部辅助装置35的下肢外骨骼装置，固定设置在腿部辅助装置固定架311的两端。
所述的移动装置32设置在移动装置固定板312的上方；所述的移动装置32包括驱动电机321、丝杆322、滑台323、导轨324；所述的导轨324水平设置，固定安装移动装置固定板312的上方，与腿部辅助装置固定架311平行设置；所述的丝杆322与导轨324平行设置；所述的驱动电机321固定在移动装置固定板312上，驱动电机321的输出端与丝杆322经联轴器连接；所述的滑台323上设有与丝杠322相互配合的丝杠螺母，丝杠322可以带动滑台323进行左右移动；所述的滑台323上设有立轴3231；所述的立轴3231固定定在滑台323上远离丝杠322的一端；所述的立轴3231竖直设置；所述的摆动装置33铰接安装在立轴3231的下部。
所述的摆动装置33包括摆动支臂331、摆动辊子332、摆动凸轮333；所述的摆动支臂331呈块状，中部设有铰接孔，摆动支臂331经铰接孔铰接安装在立轴3231的下部；所述的摆动支臂331的左右两侧设有摆动辊子332；所述的摆动辊子332包括两个对称安装在摆动支臂左右两侧的辊子；所述的摆动辊子332的辊子为滚动轴承，经竖直设置的辊子轴3321铰接安装在摆动支臂331上；所述的摆动凸轮333固定设置在移动装置固定板312的侧面，竖直设置；所述的摆动凸轮333与摆动辊子332相对应设置；所述的摆动凸轮333呈板状，两端具有最高点3331，中部具有最低点3332；所述的最高点3331和最低点3332之间由平面连接，两个连接平面之间的夹角为160-175度；所述的摆动辊子332的辊子表面与摆动凸轮333的连接平面相互接触。
所述的腰托34用于固定使用者的腰部，腰托34设置在摆动支臂331上；所述的腿部辅助装置35包括用于辅助患者下肢运动的外骨骼关节臂；所述的腰托34呈板状，两侧设有用于固定绑带的条形孔，软质的护垫可以经过条形孔固定在腰托34上。
所述的腿部辅助装置35固定安装在移动装置固定板312上；所述的腿部辅助装置35包括固定在移动装置固定板312上且对称设置的髋关节运动装置351，铰接在髋关节运动装置351端部的大腿关节运动装置352、铰接在大腿关节运动装置352端部的小腿关节运动装置353；所述的大腿关节运动装置352、小腿关节运动装置353设有用于固定使用者的绑缚装置。
所述的控制系统4用于控制腰部摆动支撑装置3的运动，控制系统4与腰托旋转角度控制系统41、腰托旋转阻力检测系统42相互通信连接。
所述的腰托旋转角度控制系统41包括移动位置检测装置411、旋转角度检测装置412；所述的移动位置检测装置411设置在移动装置32上；所述的移动装置411为设置在驱动电机321上的旋转编码器；所述的旋转角度检测装置412设置在立轴3231上，与立轴3231同轴安装；所述的旋转角度检测装置412为旋转编码器。
所述的腰托旋转阻力检测系统42包括设置在腰托34上的腰托垫421、阻力检测装置422、滑动托板423；所述的阻力检测装置422包括设置在腰托34后侧面的拉力传感器4221和滑动块4222；所述的腰托34后侧面固定安装有两个拉力传感器4221；所述的两个拉力传感器4221的相邻一端与腰托34相互固定安装；所述的拉力传感器4221包括两个相背设置的、水平安装的传感器；所述的滑动块4222沿设置在拉力传感器4221上下两侧的限位块4223进行水平移动；所述的滑动块4222中部设有凹槽，凹槽的两个侧壁与限位块4223相互接触配合；所述的滑动块4222的左右两侧设有两个固定块；所述的固定块与滑动块4222相互固定安装，所述的固定块与拉力传感器4221的左右两侧相互贴靠设置；所述的滑动托板423为具有一定柔性的条形板，滑动托板423的中部与滑动块4222相互固定设置；所述的滑动托板423的左右两端从腰托34两侧的条形孔中穿出；所述的腰托垫421呈弧形垫状，内侧表面设有柔软的内衬；所述的腰托垫421与滑动托板423的左右两端相互固定设置。
使用时，使用者的腿部通过绑缚装置绑缚在大腿关节运动装置352、小腿关节运动装置353上；使用者的腰部绑缚在腰托34上，进行行走训练，使用者在行走时，盆骨会随着腿部的摆动而进行扭转和上下浮动，这种扭转属于正常的生理现象，在使用者使用本设计时，腰部竖直移动柔性支撑装置的阻尼装置25通过拉动第一支臂，抵消绑缚在浮动架上的使用者的体重，同时第一支臂22、第二支臂23、浮动架24组成的四杆机构可以随着使用者走动时髋关节上下摆动而摆动。使用者在行走时，腰部摆动支撑装置3的移动装置带动腰托进行左右移动，移动的同时，摆动辊子和摆动凸轮形成反凸轮结构，摆动支臂带动摆动辊子在摆动凸轮上进行往复运动，运动过程中摆动辊子沿着摆动凸轮运动，运动时，左侧的摆动辊子沿摆动凸轮的连接平面由摆动凸轮的最高点向最低点运动，右侧的凸轮由最低点向最高点运动，左右平行设置的两个摆动辊子沿凸轮进行运动，摆动支臂沿着与摆动凸轮相切的圆弧做半圆周运动。
在使用过程中，腰部摆动支撑装置在控制系统的控制下进行摆动运动，在使用者进行步态训练中，移动装置带动腰托进行左右移动，由于使用者的个体状况差异可能存在摆动幅度不同，摆动频率不同的情况；同时如果使用者为患病状态，其腰部摆动幅度在不同的康复阶段是不同的。综合上述情况，要求摆动运动的控制系统对整个运动过程进行动态控制。
当使用者按照设定的摆动幅度进行步态训练时，使用者的腰部位于腰托垫内，并经过绑缚装置与腰托垫进行绑缚固定，固定后其腰部摆动由腰托进行驱动，当使用者由站立状态转为步行状态，当使用者的一侧腿部由支撑相转至摆动相时，使用者的腰部由支撑相的腿部的一侧向摆动相腿部的一侧进行转动，当这一侧的腿部由摆动相转至支撑相后，另一侧的腿部由支撑相转至摆动相，使用者的腰部反向转动，如此周而复始，当使用者在腿部辅助装置的辅助运动时，腿部辅助装置将使用者的腿部由支撑相到摆动相的运动数据传输至控制系统，控制系统根据设定的腰部旋转角度控制移动装置带动腰托进行旋转运动，旋转过程中旋转角度检测装置实时检测旋转角度，同时腰托旋转阻力检测系统同步检测在旋转过程中摆动支臂输出的力的大小，根据摆动支臂与腰托之间的压力传感器检测出的力可以判断腰托带动使用者腰部旋转的流畅度，也可以根据阻力的大小判断腰部被动驱动旋转的范围是否在使用者的承受范围。如果控制系统控制腰托旋转的过程中腰托旋转阻力变化较小，则可以推断控制系统设定的旋转角度和旋转速度合理；如果控制系统控制腰托旋转的过程中腰托旋转阻力前期变化较小，后期阻力呈显著的增大趋势，则可以推断控制系统设定的旋转过大，需要重新设定旋转角度的范围；如果控制系统控制腰托旋转的过程中腰托旋转阻力前期变化较小，后期出现反向力，则可以推断控制系统设定的旋转过大或过小，需要重新设定旋转角度的范围；如果控制系统控制腰托旋转的过程中腰托旋转阻力和速度全程都呈现剧烈波动的情况，则可以推断患者的腰部机能有问题，无法进行步态配合腰部旋转的训练。
本设计重点考虑了步态运动过程中的髋关节上下运动和左右旋转摆动，在一个完整的步态周期中，髋关节的上下运动和左右旋转运动是同时存在的，在步态训练的过程中，髋关节的上下运动是由于走路过程中人体的重心位置高度变化而变化的，而旋转运动是为了在走路时获得最大的步幅。本设计的腰部竖直移动柔性支撑装置采用半自动化的形式，四杆机构可以保证浮动架的竖直状态，以辅助使用者的躯干处于竖直状态，不会出现前倾或后倾的情况。腰部摆动支撑装置的移动装置可以根据使用者下肢的状态来控制滑台的位置，通过控制滑台的位置进而控制腰托的旋转角度。
实施例3：一种腰部柔性支撑系统的控制方法
一种腰部柔性支撑系统的控制方法，它包括如下步骤：
S01：初步设定腰托旋转角度；
S02：设定腰托旋转力的安全范围；
S03：检测使用者的步态情况，控制移动装置移动旋转腰托；
S04：检测腰托旋转力是否在安全范围，若未超出执行S05，若超出执行S06；
S05：继续旋转腰托，达到的设定腰托旋转角度后，反向旋转腰托，重复执行S03；
S06：记录此时的腰托旋转角度，记录腿部辅助装置35的位置参数，反向旋转腰托，重复执行S03；
S07：步态训练结束；
所述的S01步骤中腰托的旋转角度范围为-10~10度；
所述的S02步骤中的旋转力的安全范围为使用者的体重的3%~10%；
所述的S03步骤中包括如下步骤：
S031：检测并提取大腿关节运动装置352的运动角度x；
S032：根据使用者的关节灵活度，设定关节活动系数k；
S033：计算得出髋关节旋转角度y=k×x×x；
S034：控制移动装置移动旋转腰托，旋转角度区间为-y~y；
其中，所述的大腿关节的运动角度x的设定条件为：将使用者的左侧大腿向前弯曲设定为x的正值方向，反向弯曲设定为x的负值方向；
所述的髋关节旋转角度y的设定条件为：将使用者的髋关节向左侧大腿方向旋转设定为y的正值方向，反向旋转设定为y的负值方向；
所述的S03步骤中的关节活动系数的范围为0~0.016，关节活动系数由小增大代表其髋关节关节活动度逐渐增大；
所述的S04步骤中通过腰托旋转阻力检测系统42的阻力检测装置422对腰托旋转力进行实时检测，并将测到的旋转阻力的值与设定值进行实时比较；
所述的S06步骤中记录下的腰托旋转角度和腿部辅助装置35的位置参数，其中记录下的腰托旋转角度为下次运动时的最大腰托旋转角度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种腰部柔性支撑系统，其特征在于：它包括机架(1)、腰托(34)和控制系统，所述的机架(1)上设置有用于跟随和/或带动腰部进行水平和/或竖直摆动的腰部竖直移动柔性支撑装置(2)和腰部摆动支撑装置(3)；所述的腰部竖直移动柔性支撑装置(2)包括设置在机架(1)上的浮动支臂，腰部摆动支撑装置(3)设置在浮动支臂端部的浮动架(24)上，由浮动支臂带动进行上下浮动；所述的腰部摆动支撑装置(3)包括水平移动装置(32)和铰接在水平移动装置(32)上的摆动支臂(331)；水平移动装置(32)驱动摆动支臂(331)左右移动的同时，摆动辊子(332)由摆动凸轮(333)驱动进行左右旋转摆动；所述的控制系统(4)用于控制腰部摆动支撑装置(3)的运动，控制系统(4)与腰托旋转角度控制系统(41)、腰托旋转阻力检测系统(42)相互通信连接；所述的腰托旋转角度控制系统(41)包括移动位置检测装置(411)、旋转角度检测装置(412)；所述的腰托旋转阻力检测系统(42)包括设置在腰托(34)上的腰托垫(421)、检测腰托垫(421)与腰托(34)之间的力矩差值的阻力检测装置(422)。
2.根据权利要求1所述的一种腰部柔性支撑系统，其特征在于：所述的浮动支臂包括两个平行设置的第一支臂(22)和第二支臂(23)，第一支臂(22)和第二支臂(23)的一端铰接在机架(1)上，另一端分别铰接安装在浮动架(24)上；所述的机架(1)上还设有用于控制浮动架(24)竖直动态浮动的阻尼装置(25)；所述的阻尼装置(25)一端铰接安装在机架(1)上，另一端连接在第一支臂(22)的延长支臂的端部。
3.根据权利要求2所述的一种腰部柔性支撑系统，其特征在于：所述的水平移动装置(32)包括由驱动电机(321)驱动滑台(323)，摆动支臂(331)经立轴(3231)铰接安装在滑台(323)上；腰托(34)固定安装在摆动支臂(331)上，所述的水平移动装置(32)的滑台(323)带动腰托(34)左右移动，所述的摆动支臂(331)上的摆动辊子(332)与设置在浮动架(24)上的摆动凸轮(333)配合。
4.根据权利要求3所述的一种腰部柔性支撑系统，其特征在于：所述的摆动辊子(332)铰接安装在摆动支臂(331)的后部，位于立轴(3231)的两侧；所述的摆动凸轮(333)的两端设置有凸轮的最高点，中部设置有最低点，最高点和最低点之间为平面连接。
5.根据权利要求1或4所述的一种腰部柔性支撑系统，其特征在于：所述的移动位置检测装置(411)设置在水平移动装置(32)上；所述的移动装置(411)为设置在驱动电机(321)上的旋转编码器；所述的旋转角度检测装置(412)设置在立轴(3231)上，与立轴(3231)同轴安装。
6.根据权利要求5所述的一种腰部柔性支撑系统，其特征在于：所述的腰托旋转阻力检测系统(42)包括设置在腰托(34)上的腰托垫(421)、阻力检测装置(422)、滑动托板(423)；所述的阻力检测装置(422)设置在腰托(34)的后侧面，滑动托板(423)经滑动块(4222)与阻力检测装置(422)接触；所述的腰托垫(421)设置在腰托(34)的后侧，与滑动托板(423)固定。
7.根据权利要求6所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S01：初步设定腰托(34)旋转角度；
S02：设定腰托(34)旋转力的安全范围；
S03：检测使用者的步态情况，控制移动装置移动旋转腰托(34)；
S04：检测腰托(34)旋转力是否在安全范围，若未超出执行S05，若超出执行S06；
S05：继续旋转腰托(34)，达到的设定腰托(34)旋转角度后，反向旋转腰托(34)，重复执行S03；
S06：记录此时的腰托(34)旋转角度，记录腿部辅助装置(35)的位置参数，反向旋转腰托(34)，重复执行S03；
S07：步态训练结束。
8.根据权利要求7所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：所述的S01步骤中腰托(34)的旋转角度范围为-10~10度；所述的S02步骤中的旋转力的安全范围为使用者的体重的3%-10%。
9.根据权利要求8所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：所述的S03步骤中包括如下步骤：
S031：检测并提取大腿关节运动装置(352)的运动角度x；
S032：根据使用者的关节灵活度，设定关节活动系数k；
S033：计算得出髋关节旋转角度y=k×x×x；
S034：控制移动装置移动旋转腰托(34)，旋转角度区间为-y~y。
10.根据权利要求9所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：所述的大腿关节的运动角度x的设定条件为：将使用者的左侧大腿向前弯曲设定为x的正值方向，反向弯曲设定为x的负值方向；所述的髋关节旋转角度y的设定条件为：将使用者的髋关节向左侧大腿方向旋转设定为y的正值方向，反向旋转设定为y的负值方向。
11.根据权利要求10所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：所述的S03步骤中的关节活动系数k的范围为0~0.016，关节活动系数由小增大代表其髋关节关节活动度逐渐增大。
12.根据权利要求11所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：所述的S04步骤中通过腰托(34)旋转阻力检测系统(42)的阻力检测装置(422)对腰托(34)旋转力进行实时检测，并将检测到的旋转阻力的值与设定值进行实时比较。
13.根据权利要求12所述的一种腰部柔性支撑系统的控制方法，其特征在于：所述的S06步骤中记录下的腰托(34)旋转角度和腿部辅助装置(35)的位置参数，其中记录下的腰托(34)旋转角度为下次运动时的最大腰托(34)旋转角度。
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| CN202410231323.5A CN117860530A (zh) | 2024-03-01 | 2024-03-01 | 一种腰部柔性支撑系统及其控制方法 |
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2024
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