CN201870775U - 气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构 - Google Patents

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本实用新型公开了一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，该结构由支架、下肢和驱动装置组成，下肢髋关节和膝关节的屈伸运动采用气缸驱动，踝关节的屈伸运动采用气动人工肌肉）驱动，从而构成3自由度（髋关节、膝关节和踝关节）单腿外骨骼机器人机械结构。采用气缸和气动人工肌肉驱动，具有结构简单、价廉、输出力大等特点，特别是由于气体的可压缩性，系统的安全性和柔性大大提高，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性。通过调节气动系统的工作压力可以很方便地改变系统的刚度，康复训练过程中的运动强度和速度很容易调节。

Description

气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构
技术领域
本实用新型涉及一种下肢行走康复训练机器人的外骨骼机械结构，属于医疗保健器械技术领域。
背景技术
市场上现有的下肢行走康复训练机器人的外骨骼机械结构由下肢，下肢通过一个活动连接件安装在支架上，且下肢上的支架与大腿、大腿与小腿、小腿与脚之间构依次构成髋关节、膝关节和踝关节，髋关节、膝关节和踝关节分别采用的是电机驱动，通过滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，带动相应的连杆机构实现关节运动。由于下肢行走康复训练外骨骼的单条腿至少需要三个自由度运动，每个自由度需要一个电机，这样势必造成设备结构复杂、价格昂贵。特别是电机驱动的系统刚性大、柔性差。由于电机驱动系统刚性大吸收外部冲击能力差，系统突然的外部冲击干扰，往往能引起系统位移突变，极易造成患者下肢肌肉组织撕裂、肌肉痉挛及结缔组织损伤等。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、价格便宜的下肢行走康复训练机器人的外骨骼机械结构，增强机械系统的柔顺性，来提高下肢行走康复训练机器人对人类自身的柔顺性和安全性，实现下肢行走康复训练的多自由度运动。
为解决上述问题，本实用新型由支架、下肢和驱动装置组成，下肢通过一个活动连接件安装在支架上，且下肢上的支架与大腿、大腿与小腿、小腿与脚之间构依次构成髋关节、膝关节和踝关节，髋关节、膝关节和踝关节分别与各自的驱动部件连接，所述驱动部件包括大腿驱动气缸、小腿驱动气缸和气动人工肌肉，大腿驱动气缸连接在支架下端，其内的活塞杆连接在大腿上，大腿驱动气缸通过高速开关阀组与气源相连；小腿驱动气缸连接在大腿上，其内的活塞杆连接在小腿上，小腿驱动气缸通过高速开关阀组与气源相连；气动人工肌肉分别与小腿和脚相连，气动人工肌肉通过电磁换向阀与气源相连。
所述大腿驱动气缸两端的进出气口分别连接有两组高速开关阀，两组高速开关阀中各有一个高速开关阀通过减压阀与气源相连，其余的高速开关阀与大气相连。
所述小腿驱动气缸两端的进出气口分别连接有两组高速开关阀，两组高速开关阀中各有一个高速开关阀通过减压阀与气源相连，其余的高速开关阀与大气相连。
所述电磁换向阀为三通阀，电磁换向阀的各个接口分别与气动人工肌肉进出气口、气源和大气相连。。
所述高速开关阀、电磁换向阀与气源之间设有减压阀。
所述高速开关阀和电磁换向阀的电磁线圈分别与一控制器相连。
本实用新型的有益效果是，气缸和气动人工肌肉具有结构简单、价廉、输出力大等特点，特别是由于气体的可压缩性，系统的安全性和柔性大大提高。故采用气缸和人工肌肉混合驱动的下肢行走康复训练机器人的外骨骼机械结构，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性。通过调节气动系统的工作压力可以很方便地改变系统的刚度，康复训练过程中的运动强度和速度很容易调节。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为控制系统原理图。
具体实施方式
如图1图2所示，整个下肢外骨骼机械结构通过一个活动连接件安装在支架1上，，每条腿由大腿3、小腿5和脚7组成，构成髋关节2、膝关节4和踝关节6三个自由度，分别由大腿驱动气缸8、小腿驱动气缸9和气动人工肌肉10驱动。大腿驱动气缸固定在支架下端，其内的活塞杆连接在大腿3上；小腿驱动气缸9固定在大腿3上，其内的活塞杆连接在小腿5上；大腿驱动气缸8和小腿驱动气缸9分别由四只高速开关阀14构成位置伺服控制系统。气动人工肌肉分别与小腿5和脚7相连，气动人工肌肉10的充放气由电磁换向阀15控制。整个气动系统的供气压力由减压阀13调定。
系统工作前，将训练者的下肢用橡胶带11绑在机械外骨骼上。在工作过程中，按照预先设定的行走康复训练步态，控制器16发出控制信号，采用模糊PID控制策略对高速开关阀14的脉宽进行变调，驱动相应的高速开关阀14适时地打开和关闭，进而控制气缸两腔充气或放气，推动活塞杆伸出或缩回，从而带动人腿按照一定的步态迈步行走。同理，人工肌肉10也在电磁换向阀15的控制下进行充放气，在一个行走周期中，适时地完成足部的抬脚与放脚动作。整个系统在控制器16的控制下协调工作，在训练过程中，可以根据训练者下肢康复的具体状况，通过减压阀13改变供气压力，可方便地预设行走步态的速度和助力强度。

Claims (6)

1.一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，由支架、下肢和驱动装置组成，下肢通过一个活动连接件安装在支架上，且下肢上的支架与大腿、大腿与小腿、小腿与脚之间构依次构成髋关节、膝关节和踝关节，髋关节、膝关节和踝关节分别与各自的驱动部件连接，其特征在于：所述驱动部件包括大腿驱动气缸、小腿驱动气缸和气动人工肌肉，大腿驱动气缸连接在支架下端，其活塞杆连接在大腿上，大腿驱动气缸通过高速开关阀组与气源相连；小腿驱动气缸连接在大腿上，其活塞杆连接在小腿上，小腿驱动气缸通过高速开关阀组与气源相连；气动人工肌肉分别与小腿和脚相连，气动人工肌肉通过电磁换向阀与气源相连。
2.根据权利要求1所述的一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，其特征在于：所述大腿驱动气缸两端的进出气口分别连接有两组高速开关阀，两组高速开关阀中各有一个高速开关阀通过减压阀与气源相连，其余的高速开关阀与大气相连。
3.根据权利要求1所述的一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，其特征在于：所述小腿驱动气缸两端的进出气口分别连接有两组高速开关阀，两组高速开关阀中各有一个高速开关阀通过减压阀与气源相连，其余的高速开关阀与大气相连。
4.根据权利要求1所述的一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，其特征在于：所述电磁换向阀为两位三通阀，电磁换向阀的各个接口分别与气动人工肌肉进出气口、气源和大气相连。
5.根据权利要求1或2所述的一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，其特征在于：所述高速开关阀、电磁换向阀与气源之间设有减压阀。
6.根据权利要求1所述的一种气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构，其特征在于：所述高速开关阀和电磁换向阀的电磁线圈分别与一控制器相连。
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