CN118356327A - 一种下肢康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢康复训练机器人，包括主支架，主支架的一侧为靠背，靠背下方的主支架上设有仿生腿；靠背背面的主支架与旋转机构连接，主支架在旋转机构的驱动下摆动；主支架通过衔接管与垂直升降机构连接，主支架在垂直升降机构的带动下上下移动；仿生腿在调节机构的驱动下能沿X轴、Y轴方向移动；仿生腿的髋关节、膝关节、踝关节处均设置有扭力传感器和关节模组，下肢康复训练机器人具有被动训练模式和主动训练模式，主动训练模式采用自适应的阻抗控制算法来控制三个关节模组。能够为不同患者提供不同角度和方式的训练，适用于不同康复阶段的患者。

Description

一种下肢康复训练机器人

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种结合本体感应的下肢康复机器人，旨在为卧床或行动不便的患者提供高效、个性化的本体感应训练和下肢运动康复训练。

背景技术

长期卧床的患者由于缺乏运动，容易出现肌肉萎缩和关节僵硬等情况，从而影响其康复进程。下肢关节的康复训练对于卧床患者或行动不便者至关重要。现有的康复治疗依赖于医生、护士的协助，瘫痪患者行动不便，上下康复设备极其困难，训练效率低，医生劳动强度大，很难保证动作的一致性。同时，现有的下肢康复设备往往忽略了本体感应对于恢复运动能力的影响。本体感应是指个体对自身肢体位置、运动和平衡状态的感知，其在康复过程中的作用不可忽视。

目前的下肢康复设备大多是在直立状态下的行走训练，无法针对损伤程度不同的患者匹配的多种躺姿状态下的迈步动作训练和关节拉伸训练，无法适用于不同时期病人的需求。同时无法实现精准地测量和控制，难以获得较好的康复训练目的。

因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下肢康复训练机器人，结合本体感应技术，能够为不同患者提供不同角度和方式的训练，适用于不同康复阶段的患者。

同时使用单悬臂以及大腿部分可完全升降的结构，使康复设备的最低高度低于轮椅高度，极大方便行动不便患者上下设备，降低了医生护士的操作难度，提高设备的运行效率。

实现多种躺卧迈步训练的同时保证膝关节位置大于90°旋转，对于大腿部分肱四头肌有较好的拉伸康复效果。

本发明能实现-10°～120°旋转。能在不同角度下，对患者进行康复训练。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种下肢康复训练机器人，包括主支架，所述主支架的一侧为供患者倚靠的靠背，位于靠背下方的所述主支架上设有仿生腿；位于靠背背面的所述主支架与旋转机构连接，所述主支架在旋转机构的驱动下摆动，提供-10°～120°的人体倾斜角度；所述主支架通过衔接管与垂直升降机构连接，所述主支架在垂直升降机构的带动下上下移动；所述仿生腿在调节机构的驱动下能沿X轴、Y轴方向移动；以及

所述仿生腿的髋关节、膝关节、踝关节处均设置有扭力传感器和关节模组，所述下肢康复训练机器人具有被动训练模式和主动训练模式，所述主动训练模式采用自适应的阻抗控制算法来控制三个关节模组；

所述扭力传感器、关节模组、旋转机构、垂直升降机构、调节机构均与控制柜电性连接。

在一个实施例中，所述控制柜的一侧设置有开口，所述垂直升降机构设置在控制柜内，所述垂直升降机构的滑动板裸露在开口外侧，所述衔接管的一端固定在所述滑动板上。

进一步来说，所述垂直升降机构包括设置在开口两侧的第一直线滑轨，所述滑动板通过滑块滑动设置在第一直线滑轨上；所述垂直升降机构包括垂直分布的丝杆组件，所述丝杆组件与垂直电机传动连接，所述丝杆组件上的螺母通过衔接件固定在滑动板上。

在一个实施例中，所述旋转机构包括设置在衔接管内并与衔接管固定的旋转电机；所述旋转机构包括固定在主支架上的固定盘，所述固定盘上设置有定位盘，所述旋转电机的驱动轴与减速机连接，所述减速机的输出端与定位盘固定连接。上述减速机通过螺栓锁固在衔接管上。

进一步来说，所述固定盘上具有限位槽，所述限位槽内设置有限位块；所述衔接管或旋转电机上固定设有挡块，所述挡块的一端插入至限位槽内；所述固定盘上设置有感应主支架偏转角度的角度传感器。

在一个实施例中，所述主支架上设置有牵引机构，所述牵引机构具有可绕卷的牵引绳，所述牵引绳通过滑轮组件与患者身上的背带连接。

进一步来说，所述仿生腿的上端为仿生腿支撑块，所述调节机构包括设置在主支架上的X轴移动机构和设置在仿生腿支撑块上的Y轴移动机构，所述X轴移动机构包括伺服电机驱动的第一丝杆组件，所述第一丝杆组件的螺母通过衔接件固定在仿生腿支撑块上；所述Y轴移动机构包括伺服电机驱动的第二丝杆组件，所述第二丝杆组件的螺母通过衔接件固定在髋关节支架上。

进一步来说，还设置有夹紧机构，所述夹紧机构包括可伸缩的活动推板和可调节高度的裆位器；所述髋关节支架上设置有推板气缸，所述推板气缸的活塞端部通过连杆组件与活动推板连接，所述活动推板处朝向患者一侧并能调节角度压合在患者大腿处；所述裆位器位于两个仿生腿之间，所述裆位器通过调节组件固定在主支架上。

进一步来说，所述仿生腿包括髋关节处的髋关节支架、膝关节处的膝关节支架和踝关节处的踝关节支架，所述髋关节支架与膝关节支架之间设置有根据患者腿长调节长度的第一深度调节机构，所述膝关节支架与踝关节支架之间设置有根据患者腿长调节长度的第二深度调节机构。

第一深度调节机构包括第一内套和第一外套，第一内套一端嵌入至第一外套内。第一外套内设置有丝杆组件，上述丝杆组件的螺母通过衔接件固定在第一内套上，上述丝杆组件的丝杆通过轴承座固定在第一外套上。上述丝杆一端裸露在第一外套外侧并在其上设有从皮带轮，髋关节连接块上通过衔接件设置有第一调节电机，第一调节电机的驱动轴上设有主皮带轮，上述主皮带轮与从皮带轮通过同步带连接。上述第一内套的另一端固定在膝关节支架上。

第二深度调节机构包括第二内套和第二外套，第二内套一端嵌入至第二外套内。第二外套内设置有丝杆组件，上述丝杆组件的螺母通过衔接件固定在第二内套上，上述丝杆组件的丝杆通过轴承座固定在第二外套433上。上述丝杆一端裸露在第二外套外侧并在其上设有从皮带轮，膝关节连接块上通过衔接件设置有第二调节电机，第二调节电机的驱动轴上设有主皮带轮，上述主皮带轮与从皮带轮通过同步带连接。上述第二内套的另一端固定在踝关节支架上。

进一步来说，所述自适应的阻抗控制算法公式如下：

公式中f为此关节模组处关节电机的扭力，

f_e可以从扭力传感器中获得；

为期望位置和实际位置之差，可以从系统的电机中获得；

为的一阶导；

为的二阶导；

M为自适应正定虚拟质量，B为自适应阻尼，K为自适应刚度为自适应参数，其自适应公式为

M＝m+α_m*f

B＝b+α_b*f

K＝k+α_k*f

其中m，b，k为阻抗系数，α_m，α_b，α_k为自适应参数的权重系数，f为扭力传感器上的总力。

采用上述技术方案，具有以下有益效果：可以为卧床病人提供-10°～120°的人体倾斜角度，为病人提供更多角度的本体感应训练。同时特设有针对髋、膝、踝三个主要下肢关节的关节模组，能够实现高度模拟的自然步态运动，以及卧姿和站姿下的关节拉伸训练。通过三关节处的扭力传感器和反馈系统，机器能够精准监测病人的运动状态，自适应调整训练强度和模式，确保训练的安全性和有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明提供的第一状态立体结构示意图(含患者)。

图2为本发明提供的第一状态立体结构示意图。

图3为本发明提供的第二状态立体结构示意图。

图4为本发明提供的控制柜的内部立体示意图。

图5为本发明提供的旋转机构所在区域的立体示意图。

图6为本发明提供的旋转机构、牵引机构所在区域的立体示意图。

图7为本发明提供的仿生腿所在区域的第一状态立体示意图。

图8为本发明提供的仿生腿所在区域的第二状态立体示意图。

图9为本发明提供的仿生腿局部剖视示意图。

图中：1-控制柜；101-显示面板；102-控制按钮；103-键盘；3-患者；

201-主支架；202-靠背；203-挡板；204-裆位器；205-活动推板；206-推板气缸；

41、42-仿生腿；

411-仿生腿支撑块；412、414-伺服电机；413、415-丝杆组件；416-同步带；417-髋关节支架；418-膝关节支架；419-踝关节支架；420-髋关节连接块；421、429、436-关节模组；422-大腿放料架；423-第一内套；424-第一外套；425-螺母；426、434-丝杆；427-第一调节电机；428-膝关节连接块；430-小腿放料架；431-调节杆；432-第二内套；433-第二外套；435-第二调节电机；437-底驱动板；438-脚底板；

5-旋转机构；501-旋转电机；502-固定盘；503-减速机；504、505-限位块；506-挡块；

6-衔接管；

7-垂直升降机构；701-丝杆组件；702-垂直电机；703-同步带；704-第一直线滑轨；705-滑动板；

8-牵引机构；801-水平传动轴；802、803-牵引套管；804、805-滑轮组件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例

参见图1-图3所示，一种下肢康复训练机器人，包括立式放置的控制柜1，本实施例中控制柜1作为传统的控制单元使用外，同时也是下肢康复训练机器人的支撑柱使用，使其一侧的训练机器人(又称为：迈步机器人)能够落地或悬空操作。

具体来说，训练机器人包括主支架201，主支架201的一侧为供患者3倚靠的靠背202，靠背202下方的主支架上设有两条仿生腿41、42，仿生腿41、42在调节机构的驱动下能沿X轴、Y轴方向移动，使训练机器人能调整仿生腿41、42的位置，满足不同体型的患者使用需求。上述两条仿生腿41、42用于训练患者3的左腿和右腿。靠背202背面的主支架201与旋转机构5连接，主支架201在旋转机构5的驱动下摆动，使靠背202从垂直状态向上翻转，并能提供-10°～120°的人体倾斜角度。主支架201通过衔接管6与垂直升降机构7连接，使主支架201在垂直升降机构7的带动下能上下移动。

调节机构通过调节主支架及其相连的靠背和仿生腿角度，让病人从-10°到120°之间做切换，实现本体感应的平衡康复，有助于训练和康复本体感觉。

结合图4所示，垂直升降机构7包括设置在控制柜1内侧的丝杆组件701，上述丝杆组件701垂直分布且直接从市场购买获得，属于现有技术的成品。控制柜1内侧设置有垂直电机702，上述垂直电机702采用伺服电机，并与丝杆组件701的上端和垂直电机702的驱动轴上安装有同步带轮，两个同步带轮之间采用同步带703传动。丝杆组件701一侧的控制柜1上设置有开口，并在开口两侧设置有第一直线滑轨704，上述两根第一直线滑轨704设置在控制柜1外侧且两者平行分布。滑动板705通过滑块滑动设置在两根第一直线滑轨704上；丝杆组件701的螺母通过衔接件固定在滑动板705上。

通过上述结构设计，将垂直升降机构7集成至控制柜1内，可有效的降低下肢康复训练机器人整体占用空间。同时将衔接管6的一端固定在滑动板705上、另一端与主支架201固定连接。通过控制垂直电机702顺时针转动或逆时针转动，能够调节训练机器人的上下高度，使训练机器人落地或悬空状态。

控制柜1内放置有包含控制器的控制单元，上述控制单元与训练机器人执行部件电性连接，上述执行部件包括但不限于驱动电机、关节模组、电磁阀、传感器等执行器和感应器，上述电磁阀用来控制气缸运行。控制柜1内设置有供电单元，该供电单元与市电连接，并给训练机器人的执行部件供电，进而使得训练机器人能够执行预定动作。

控制柜1外侧设置有与控制单元连接的显示面板101和控制按钮102和键盘103，操作人员可以此为基础对下肢康复训练机器人进行参数设置和控制训练。

结合图5、图6所示，旋转机构5包括设置在衔接管6内并与衔接管6固定的旋转电机501、固定在主支架201上的固定盘502，固定盘502上设置有定位盘，旋转电机501的驱动轴与减速机503连接，减速机503的输出端与定位盘固定连接。上述减速机503通过螺栓锁固在衔接管6上。

通过上述结构设计，将旋转电机501隐藏在衔接管6内并与衔接管6固定连接，合理实现了空间布局，提高了旋转机构5的整体美观性。本实施例中主支架201的倾斜角-10°～120°，为了在旋转机构5进行了旋转角度限制。具体来说，在固定盘502上设置有限位槽，并在限位槽内设置有两块限位块504、505；在衔接管上固定设有挡块506，挡块506的一端插入至限位槽内。使用时，挡块506滑动轨迹限定在两块限位块504、505限定的限位槽之内。同时为了更好的控制偏转角度，在固定盘上设置有感应主支架偏转角度的角度传感器。上述垂直电机702、旋转电机501和角度传感器均与控制单元电性连接，现场人员可通过观察显示面板直接获得训练机器人翻转角度，能精度调整训练机器人上患者的翻转位置和高度位置，给患者提供不同康复训练提供有利条件。

患者站立在训练机器人上时，为了减小患者的足底压力，避免患者在下肢行动能力较弱时承受过大压力。本实施例在主支架上设置有牵引机构8。具体来说，牵引机构8包括固定在主支架201上的水平传动轴801，水平传动轴801的两端通过轴承座安装在主支架201上。主支架201上设置有牵引电机806，牵引电机806通过皮带轮组件传动连接在水平传动轴801上。上述牵引电机806采用伺服电机，皮带轮组件包括设置在牵引电机806上的皮带轮A、设置在水平传动轴801上的皮带轮B，皮带轮A与皮带轮B通过同步带连接。通过给患者提供一个向上的牵引力来改善患者腿脚部的受力情况，为患者减重(减重比例，可根据患者康复情况设置)，并能根据患者的康复情况调整减重阈值，进而使康复机器人能够循序渐进地进行康复训练。

水平传动轴801的两侧固定设置有牵引套管802、803，牵引套管802、803内均绕卷有牵引绳，上述牵引绳通过滑轮组件与患者身上的背带连接。其中滑轮组件804、805设置在靠背202上方的主支架201上。患者进行康复训练时，患者会穿戴有康复训练服，康复训练服上具有背带。训练时，预先将牵引绳固定在背带上，然后拉紧牵引绳将患者向上提，减轻患者足部的压力，降低关节和肌肉的压力。

本实施例中为了更好的康复训练，在仿生腿41、42的脚底板上设置有压力传感器，用于感应患者足部受力情况。同时在靠背202正面设置有挡板203，挡板203的两侧通过支杆固定在主支架201上。挡板203与靠背202之间留有足够的空间，供不同类型的患者身体放置。

由于不同患者的体型、身高均有差异，本实施例中的训练机器人能够适用于不同类型的患者，本实施例中的仿生腿41、42在调节机构的驱动下能沿X轴、Y轴方向移动。

本实施例中仿生腿41、42的结构镜像对称，为了描述方面，现以仿生腿41为例进行阐述。结合图7、图8所示，仿生腿41包括仿生腿支撑块411，调节机构包括设置在主支架201上的X轴移动机构和设置在仿生腿支撑块411上的Y轴移动机构。

进一步来说，X轴移动机构包括设置在主支架201上的伺服电机412驱动的丝杆组件413(第一丝杆组件)，伺服电机412通过皮带轮组件与丝杆组件413连接。皮带轮组件包括设置在伺服电机412上的皮带轮A、设置在丝杆组件413的丝杆上的皮带轮B，皮带轮A与皮带轮B通过同步带连接。丝杆组件413的螺母通过衔接件与仿生腿支撑块411固定连接。同时在主支架201上设置有直线滑轨，仿生腿支撑块411通过滑块滑动设置在该直线滑轨上，使仿生腿支撑块411稳定的移动运行。

Y轴移动机构包括伺服电机414驱动的丝杆组件415(第二丝杆组件)，伺服电机414通过皮带轮组件与丝杆组件415连接。皮带轮组件包括设置在伺服电机414上的皮带轮A、设置在丝杆组件415的丝杆上的皮带轮B，皮带轮A与皮带轮B通过同步带416连接。丝杆组件415的螺母通过衔接件固定在髋关节支架417上。

通过上述X轴移动机构、Y轴移动机构的驱动来调整髋关节支架417高度、偏移位置，使仿生腿41与靠背202处于恰当位置，提高患者康复训练的舒适度。

当患者进行康复训练时，除了会对仿生腿41位置进行调整外，本实施例的下肢康复训练机器人还设置有夹紧机构。上述夹紧机构包括可调节高度的裆位器204和可伸缩的活动推板205，髋关节支架417上设置有推板气缸206，推板气缸206的活塞端部通过连杆组件207与活动推板205连接。使用时，推板气缸206展开时推动活动推板205向前顶置患者大腿处，收缩时将活动推板205回缩至初始状态。

裆位器204位于仿生腿41、42之间，裆位器204通过调节组件固定在主支架201上。上述调节组件包括调节杆以及设置在调节杆上的滑块，所述滑块通过锁紧螺丝固定在调节杆上。调节杆的上端通过衔接块固定在主支架201上。

本实施例中的裆位器204和活动推板205上配套使用。裆位器204的位置根据患者情况预先调整好，X轴移动机构、Y轴移动机构调整髋关节支架417的位置，使其上的活动推板205处于恰当位置。当推板气缸206展开时，活动推板205朝向患者一侧并能调节角度压合在患者大腿处。

本实施例中仿生腿41具有髋关节、膝关节、踝关节三处关节，包括髋关节处的髋关节支架417、膝关节处的膝关节支架418和踝关节处的踝关节支架419，髋关节支架417与膝关节支架418之间设置有根据患者腿长调节长度的第一深度调节机构，膝关节支架418与踝关节支架419之间设置有根据患者腿长调节长度的第二深度调节机构。

结合图9所示，第一深度调节机构包括髋关节连接块420，髋关节连接块420的一端设置在髋关节支架417内，髋关节支架417处设置有驱动髋关节连接块420摆动的关节模组421，髋关节连接块420上设置有供患者大腿放置的大腿放料架422。

第一深度调节机构包括第一内套423和第一外套424，第一内套423一端嵌入至第一外套424内。第一外套424内设置有丝杆组件，上述丝杆组件的螺母425通过衔接件固定在第一内套423上，上述丝杆组件的丝杆426通过轴承座固定在第一外套424上。上述丝杆426一端裸露在第一外套424外侧并在其上设有从皮带轮，髋关节连接块420上通过衔接件设置有第一调节电机427，第一调节电机427的驱动轴上设有主皮带轮，上述主皮带轮与从皮带轮通过同步带连接。上述第一内套423的另一端固定在膝关节支架418上。

同理，第二深度调节机构包括包括膝关节连接块428，膝关节连接块428的一端设置在膝关节支架418内，膝关节支架418处设置有驱动膝关节连接块428摆动的关节模组429。膝关节连接块428上设置有供患者小腿放置的小腿放料架430。膝关节连接块428上设置有调节杆431，小腿放料架430滑动设置在调节杆431上，使小腿放料架430的位置可调节。

第二深度调节机构包括第二内套432和第二外套433，第二内套432一端嵌入至第二外套433内。第二外套432内设置有丝杆组件，上述丝杆组件的螺母通过衔接件固定在第二内套432上，上述丝杆组件的丝杆434通过轴承座固定在第二外套433上。上述丝杆434一端裸露在第二外套433外侧并在其上设有从皮带轮，膝关节连接块428上通过衔接件设置有第二调节电机435，第二调节电机435的驱动轴上设有主皮带轮，上述主皮带轮与从皮带轮通过同步带连接。上述第二内套432的另一端固定在踝关节支架419上。

踝关节支架419处设置有关节模组436，踝关节支架419内设有底驱动板437，关节模组436驱动底驱动板437摆动。底驱动板437上安装有脚底板438，供患者足部踩踏使用。

本实施例中采用的关节模组型号为CRA-RI100，上述关节模组采用伺服电机作为驱动源，关节模组可直接从市场购买获得。同时在髋关节、膝关节、踝关节处均设置有扭力传感器和关节模组，进而获得三个关节处的受力情况，能够对病人提供更多的拉伸姿势，满足不同肌肉群和关节的康复。能够精确监测患者的肢体位置和运动，从而提供与患者自身运动同步的反馈和辅助，有效提升患者康复运动的协调性。

通过踝关节、膝关节、髋关节处的伺服电机设计，能够实现更多的动作，使关节和肌肉群得到更好的康复。比如能够通过三关节电机配合，实现站立后扶脚拉伸，使得脚跟尽量靠近臀部，膝关节得到最大曲度的拉伸，股四头肌得到最大的锻炼。

通过每个关节处安装有高精度的扭力传感器，能够对各关节的受力情况提供精确的数值，有利于医生分析、调整康复处方。

本发明的下肢康复训练机器人采用人体工学设计，结构稳固且适应性强，提供卧姿和站姿训练支持。能够进行整体高度调整、体位角度调整、髋关节、膝关节和踝关节控制等，每个电机模块配备编码器和扭矩传感器，以实现精准的运动控制和力量输出。

本发明在下肢康复训练机器人的髋关节、膝关节、踝关节、脚底板处均设置有传感器形成传感器阵列，实时检测和记录患者肢体的位置、速度和加速度等数据，提供本体感觉反馈。

本发明在下肢康复训练机器人的提供多种训练模式，包括但不限于站立平衡训练、步态模拟训练、卧姿和站姿关节拉伸训练等。训练模式有如下三种：

一、被动训练模式。即机器主导，病人被动的被机器带动，适合不能迈步的病人，实现迈步训练。

二、主动训练模式：适合能迈步但迈步姿势异常的病人，即病人主导行走训练，机器给病人一个向标准步态回归的纠正的力。更好的促进行走功能的恢复。

主动训练模式，采用了自适应的阻抗控制算法，具体实现如下：

首先获得一个正常人标准步态的轨迹，然后通过自适应的阻抗控制算法控制三个关节模组，实现主动训练模式。我们的每个关节模组可以用如下公式表示：

变化公式为

其中公式中f为此关节模组处关节电机的扭力；

公式中f_e可以从扭力传感器中获得；

为期望位置和实际位置之差，可以从系统的电机中获得；

为的一阶导；

为的二阶导。

M自适应正定虚拟质量，B自适应阻尼，K自适应刚度为自适应参数，其自适应公式为

M＝m+α_m*f

B＝b+α_b*f

K＝k+α_k*f

其中m，b，k为阻抗系数，α_m，α_b，α_k为自适应参数的权重系数，f为扭力传感器上的总力。

三、阻抗训练模式：适合迈步姿势标准但力量不够的病人，即病人在行走过程中，机器给病人施加一个恒定的阻力，加快病人的力量恢复。

本发明的下肢康复训练机器人对于不同阶段的病人采用不同的训练模式，能满足不同病人训练需求。采用力反馈和自适应阻抗模型算法，提高行走障碍病人康复训练效果方面具有显著优势。

本发明的下肢康复训练机器人可进行关节拉伸训练。

关节拉伸训练是康复和日常锻炼的重要组成部分，对于维护和提高关节的活动范围(Range of Motion，ROM)至关重要，它可以帮助恢复关节的功能，减少术后并发症，以及提高患者的整体康复速度。针对髋、膝、踝关节的电机可以带动病人下肢进行拉伸训练，模拟自然的步态运动，这样的主动运动训练对于肌肉重建和关节灵活性的恢复更为有效，相比于其他的拉伸训练方案，我们采用了下肢三关节的电机控制，能更精准的对每一个关节进行训练和控制，比如：我们能带动膝关节和髋关节进行向后的拉伸，也能实现直膝状态下的下肢向前拉伸，这是其他训练仪器做不到的。同时，本发明能够在卧姿和站姿两种姿势下，进行关节拉伸训练。关节拉伸的好处如下：

增加关节灵活性：定期的关节拉伸可以帮助维持或增加关节的活动范围，这对于完成日常活动和提高运动性能都很重要。

减少受伤风险：灵活的关节能够更好地适应各种运动和负载，从而减少因关节或肌肉突然过度拉伸而受伤的风险。

促进肌肉恢复：拉伸训练可以帮助缓解肌肉紧张和僵硬，特别是在高强度的运动之后，有助于肌肉的恢复和减少肌肉酸痛。

提高运动表现：良好的关节活动范围可以增加运动的有效性和效率，对于运动员和那些依赖身体灵活性进行工作的人来说尤为重要。

减少疼痛和不适：通过拉伸，可以减少和预防因肌肉紧张或关节僵硬导致的慢性疼痛和不适。

改善姿势和对齐：适当的拉伸可以帮助纠正和改善不良姿势，尤其是在那些需要长时间坐立的人群中。

促进血液循环：拉伸有助于提高血液流动，从而增加肌肉和关节的氧气和营养供应，促进新陈代谢和康复过程。

提高生活质量：关节灵活性对于老年人尤为重要，因为它可以帮助他们维持独立生活的能力，执行日常任务，比如穿衣、梳洗和行走。

本发明的下肢康复训练机器人可进行肌力训练。

通过下肢三个关节的电机控制，能实现卧姿和站姿两种姿势下地等速、等张、等长肌力训练。它不仅可以帮助恢复肌肉力量，还能改善运动控制，提高稳定性，减少受伤风险，以及增加患者的自我效能感。在下肢康复训练中，常见的肌力训练类型包括等速肌力训练、等张肌力训练和等长肌力训练，它们各自的好处如下：

1.等速肌力训练(Isokinetic Strength Training)

优势：等速训练是在一个或多个关节以恒定速度运动的条件下进行的。这类训练通常需要专门的设备来控制速度。

好处：

全程肌肉活化：等速训练可以在整个运动范围内提供持续的阻力，这有助于增强肌肉的全方位力量。

自定义速度：速度的恒定性允许对训练强度进行精确控制，适合不同康复阶段和个体需求。

减少受伤风险：由于速度恒定，可以减少因动作过快导致的拉伤风险。

客观评估：可以准确测量肌肉力量和耐力，有助于监测康复进展。

2.等张肌力训练(Isotonic Strength Training)

优势：等张训练涉及肌肉在改变长度的情况下产生力量，常见的如自由重量训练。

好处：

功能性强：模拟日常或运动中的实际运动，增强肌肉功能性。

增进运动范围：通过全方位运动可以提升关节的活动范围和灵活性。

改善肌肉协调：训练过程中需要多个肌肉群协同工作，有助于改善肌肉协调性。

适应性好：可以通过调整重量、次数和组数来适应个体的力量水平和训练目标。

3.等长肌力训练(Isometric Strength Training)

优势：等长训练是指肌肉在不改变长度的情况下产生力量，即关节角度保持不变。

好处：

低风险：由于没有明显的关节运动，适合初期康复或者当动作范围受限时进行。

增强肌肉稳定性：通过提高局部肌肉群的力量，可以增强关节的稳定性。

易于实施：不需要复杂的设备，可以在多种环境下执行。

针对性训练：可以针对特定的肌肉或关节角度进行强化。

本发明的下肢康复训练机器人实现模拟自然行走的迈步训练：通过三关节电机的配合，我们能帮助病人高度模拟自然步态运动，重塑大脑运动神经行走功能。实现患者早期(卧姿和站姿)的介入和训练。迈步机器人的作用可以概括如下：

安全的步行训练：对于行动能力受限的患者来说，迈步机器人提供了一个安全的环境，患者可以在机器人的帮助下站立和行走，减少了跌倒和受伤的风险。

步态模式的重建：迈步机器人按照人类的自然步态模式设计，可以帮助患者重建正常的步行模式，特别是对于那些因中风、脊髓损伤或其他神经系统疾病影响了步态的患者。

增加步行距离和时间：通过使用迈步机器人，患者能够在没有过度疲劳的情况下行走更长的距离，因为机器人可以承担一部分或全部体重，降低关节和肌肉的压力。

早期康复介入：在某些情况下，如中风后的康复，早期介入和训练对于恢复功能至关重要。迈步机器人可以使患者在床上或坐姿中就开始行走训练，加快康复进程。

提供反馈和调整：迈步机器人配备传感器和软件，它可以跟踪和记录患者的步态数据，为医生和治疗师提供反馈，从而根据患者的进展和需求调整治疗计划。

增加康复动力：机器人辅助的步态训练是可互动的，可以包含虚拟现实或游戏化元素，这些特点能够提高患者的参与度和动力，使康复过程更加愉快和有吸引力。

肌肉记忆的发展：通过重复的运动模式，迈步机器人可以帮助患者发展肌肉记忆，这对于恢复步行能力很重要。

神经可塑性的促进：对于受损神经系统的患者来说，重复和有意义的运动训练有助于促进大脑和神经系统的再学习和适应过程，这被称为神经可塑性。

本发明的下肢康复训练机器人通过各关节的扭力传感器，能够收集精确的病人运动反馈，实现自适应的主动训练模式，主动训练模式是指病人在自主运动的状态下，机器提供一种向标准步态回归的纠正力。主动训练模式相比于其他训练模式，主要优点在于以下几个方面：

1.促进神经重塑：

主动训练模式鼓励患者积极参与康复过程，这样的主动参与可以促进大脑和神经系统的可塑性。神经可塑性是指神经系统对于受伤或疾病后能够通过重组其结构、功能和连接来适应变化的能力。通过主动尝试控制肌肉和肢体，患者的大脑可以更好地重新学习如何有效地控制步伐和平衡。

2.强化肌肉力量和耐力：

当患者在康复设备的帮助下进行行走训练时，他们的肌肉会得到锻炼，从而提高力量和耐力。即使是微弱的肌肉收缩也有助于改善肌肉的功能。

3.提高动作协调性：

通过主动训练，患者的身体需要协调不同肌肉群的运动，以实现步态的平衡和连贯性。这有助于改善患者的整体协调性和运动能力。

4.加速功能恢复：

主动训练模式可以加速患者的功能恢复。通过不断地练习和尝试达到标准步态，患者可以逐步恢复步行能力，减少依赖辅助工具的程度。

5.提供适当的辅助和反馈：

设备对患者步态的纠正力不仅仅是为了引导患者的腿部运动，更重要的是为患者提供即时反馈。这种反馈可以帮助患者感知自己的运动偏差，并努力调整以达到更接近标准步态的模式。

6.增进自信与积极性：

在主动训练模式下，患者能够直观地感受到自己对康复过程的控制和贡献，这有助于提高他们的自信心和康复训练的积极性。

7.个性化康复路径：

由于每个患者的情况都不同，通过主动训练模式，康复设备可以根据患者的实际表现调整纠正力度，为患者提供个性化的康复路径。

通过主动参与康复训练，患者不仅可以提高自身的身体能力，还可以在心理和情感层面获得积极的反馈，从而整体提高康复效果。

智能调节训练计划：依据患者的康复进度和实时反馈，智能算法可以调整训练的强度和模式，个性化康复计划更能满足不同患者的需求。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种下肢康复训练机器人，其特征在于：包括主支架，所述主支架的一侧为供患者倚靠的靠背，位于靠背下方的所述主支架上设有仿生腿；位于靠背背面的所述主支架与旋转机构连接，所述主支架在旋转机构的驱动下摆动，提供-10°～120°的人体倾斜角度；所述主支架通过衔接管与垂直升降机构连接，所述主支架在垂直升降机构的带动下上下移动；所述仿生腿在调节机构的驱动下能沿X轴、Y轴方向移动；以及

所述仿生腿的髋关节、膝关节、踝关节处均设置有扭力传感器和关节模组，所述下肢康复训练机器人具有被动训练模式和主动训练模式，所述主动训练模式采用自适应的阻抗控制算法来控制三个关节模组；

所述扭力传感器、关节模组、旋转机构、垂直升降机构、调节机构均与控制柜电性连接。

2.根据权利要求1所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述控制柜的一侧设置有开口，所述垂直升降机构设置在控制柜内，所述垂直升降机构的滑动板裸露在开口外侧，所述衔接管的一端固定在所述滑动板上。

3.根据权利要求2所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述垂直升降机构包括设置在开口两侧的第一直线滑轨，所述滑动板通过滑块滑动设置在第一直线滑轨上；所述垂直升降机构包括垂直分布的丝杆组件，所述丝杆组件与垂直电机传动连接，所述丝杆组件上的螺母通过衔接件固定在滑动板上。

4.根据权利要求1所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述旋转机构包括设置在衔接管内并与衔接管固定的旋转电机；所述旋转机构包括固定在主支架上的固定盘，所述固定盘上设置有定位盘，所述旋转电机的驱动轴与减速机连接，所述减速机的输出端与定位盘固定连接。

5.根据权利要求4所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述固定盘上具有限位槽，所述限位槽内设置有限位块；所述衔接管或旋转电机上固定设有挡块，所述挡块的一端插入至限位槽内；所述固定盘上设置有感应主支架偏转角度的角度传感器。

6.根据权利要求1所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述主支架上设置有牵引机构，所述牵引机构具有可绕卷的牵引绳，所述牵引绳通过滑轮组件与患者身上的背带连接。

7.根据权利要求1所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述仿生腿的上端为仿生腿支撑块，所述调节机构包括设置在主支架上的X轴移动机构和设置在仿生腿支撑块上的Y轴移动机构，所述X轴移动机构包括伺服电机驱动的第一丝杆组件，所述第一丝杆组件的螺母通过衔接件固定在仿生腿支撑块上；所述Y轴移动机构包括伺服电机驱动的第二丝杆组件，所述第二丝杆组件的螺母通过衔接件固定在髋关节支架上。

8.根据权利要求7所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：还设置有夹紧机构，所述夹紧机构包括可伸缩的活动推板和可调节高度的裆位器；所述髋关节支架上设置有推板气缸，所述推板气缸的活塞端部通过连杆组件与活动推板连接，所述活动推板处朝向患者一侧并能调节角度压合在患者大腿处；所述裆位器位于两个仿生腿之间，所述裆位器通过调节组件固定在主支架上。

9.根据权利要求1所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述仿生腿包括髋关节处的髋关节支架、膝关节处的膝关节支架和踝关节处的踝关节支架，所述髋关节支架与膝关节支架之间设置有根据患者腿长调节长度的第一深度调节机构，所述膝关节支架与踝关节支架之间设置有根据患者腿长调节长度的第二深度调节机构。

10.根据权利要求1所述的下肢康复训练机器人，其特征在于：所述自适应的阻抗控制算法公式如下：

公式中f为此关节模组处关节电机的扭力，

f_e可以从扭力传感器中获得；

为期望位置和实际位置之差，可以从系统的电机中获得；

为的一阶导；

为的二阶导；

M为自适应正定虚拟质量，B为自适应阻尼，K为自适应刚度为自适应参数，其自适应公式为

M＝m+α_m*f

B＝b+α_b*f

K＝k+α_k*f

其中m、b、k为阻抗系数，α_m、α_n、α_k为自适应参数的权重系数，f为扭力传感器上的总力。