CN208573971U - 一种双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人 - Google Patents
一种双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，包括末端执行装置、信息采集装置和控制显示装置。末端执行装置包括踏板、曲柄和伺服步进电机，曲柄的一端与踏板连接，曲柄的另一端与伺服步进电机连接；信息采集装置包括光电编码器、压力传感器和由同步轮、同步带组成的传动机构，压力传感器位于踏板的上下方平板间，光电编码器通过传动机构和曲柄连接；控制显示装置用于控制末端执行装置，控制显示装置包括控制板、显示器和支撑结构，显示器与控制板连接，控制板通过支撑结构与底板连接。本实用新型通过左右两侧踏板不同轴的处理方式实现了两侧踏板的独立控制，并设置多种训练模式为患者提供更人性化的康复训练计划，运行方式安全有效。
Description
技术领域
本实用新型属于康复医疗器械领域，尤其涉及一种可供两侧下肢功能障碍程度不同的患者使用的左右踏板独立控制型的踏板式下肢康复机器人。
背景技术
近年来，随着人口老龄化趋势的上升，由骨关节病、脑血管疾病和脊髓损伤等造成的肢体功能障碍者日益增多。现代医学理论认为，人体的平衡协调功能与本体的视觉及空间感知能力、中枢神经系统功能、主动肌与拮抗肌的协调能力、肌力与耐力等因素密切相关。大量的病例统计表明，平衡协调功能障碍的患者通常不能意识躯体的空间位置和姿态，并由此丧失合理的动作反应，比如出现动作分解、肌肉收缩和松弛不及时等现象。现代物理治疗学实践证明，通过物理训练可以重新启动被抑制的神经通路，逐步恢复或改善患者的平衡协调功能。物理训练可分为徒手的训练和借助器械的训练两种，其中，借助器械的训练通常会比徒手训练具有更快更好的治疗效果。
康复机器人能够帮助肢体功能障碍患者进行科学有效的康复治疗，有效促进肢体神经系统的功能重组、代偿和再生，延缓肌肉和关节萎缩，辅助肢体功能障碍者完成肢体动作，逐步恢复其自身主动控制肢体的能力。同时，康复机器人能在很大程度上缓解康复治疗师和护理人员不足的现状，并能客观地评价患者的康复效果，因而得到了广泛关注。各国政府也积极出台了相关政策来扶持肢体功能障碍患者的肢体功能康复服务，并大力支持康复机器人产业的发展。
目前由很多研究机构开发了不同形式的坐卧式下肢康复机器人，如瑞士的Lambda和MotionMaker、土耳其的Physiotherabot、北京宝达华的PT-2-AX型自动康复机和清华大学设计的双滑块椭圆康复训练机构等。然而，现有的康复机器人都是采用对称型的机械结构和两侧肢体完全相同的训练模式，对于大多数左右肢体功能障碍程度不同的被训练者，会导致康复训练计划制定的不合理，影响康复进程和训练效果。因此，设计一种双侧可独立控制的下肢康复机器人势在必行，可以为实现智慧养老和服务助残的目标提供有力支撑，具有重要的科学意义和应用价值。
实用新型内容
为了克服上述现有下肢康复机器人采用对称型的机械结构和两侧肢体完全相同的训练模式会导致患者康复训练计划制定不合理的情况，本实用新型提供了一种双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，该装置能够根据左右踏板上的脚踏力负载实现两侧踏板实时独立的控制，从而带动患者完成循环往复的踩踏训练。同时，设置多种训练模式可以更加人性化地辅助患者完成多个康复阶段的康复训练，保证高效的康复训练效果。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，包括末端执行装置、信息采集装置和控制显示装置，所述末端执行装置、所述信息采集装置和所述控制显示装置均与底板连接，其特征在于：所述末端执行装置包括踏板、曲柄和伺服步进电机，所述踏板包括上方平板和下方平板，所述曲柄的一端与所述踏板连接，所述曲柄的另一端与所述伺服步进电机连接；所述信息采集装置包括压力传感器、光电编码器和传动机构，所述压力传感器夹于所述踏板的上下方平板之间，所述传动机构连接所述光电编码器和所述曲柄；所述控制显示装置用于控制所述末端执行装置，所述控制显示装置包括控制板、显示器和支撑结构，所述显示器与所述控制板连接，所述控制板通过所述支撑结构与所述底板连接。
进一步地，所述末端执行装置和所述信息采集装置均分为左右两组，均相对所述底板中轴对称布置。
进一步地，两侧所述踏板相对于所述底板的平面相差180°，并随所述伺服步进电机的转动一直保持该角度差不变，所述踏板可以自由围绕所述曲柄转动；所述曲柄通过轴承座与型材连接并固定在所述底板上，所述曲柄通过联轴器与所述伺服步进电机连接，所述伺服步进电机通过电机底座固定在所述底板上。
进一步地，所述传动机构包括第一同步轮、第二同步轮位及连接所述第一同步轮和所述第二同步轮位的同步带，所述第一同步轮位于所述曲柄上，所述第二同步轮位于所述光电编码器上。
进一步地，所述光电编码器通过编码器支架与所述底板连接。
进一步地，所述压力传感器固定在所述踏板的下方平板上，并与所述踏板的上方平板接触。
进一步地，所述上方平板和所述下方平板通过铜柱连接，位于所述下方平板下的小型轴承座与所述曲柄相配合，所述踏板通过所述小型轴承座与所述曲柄连接并实现绕所述曲柄的任意转动。
进一步地，所述传动机构的传动比为1：1。
进一步地，所述压力传感器将采集负载经模数转换后反馈给所述控制板，所述光电编码器将所述踏板的位置及速度反馈给给所述控制板，所述控制板经综合处理后在所述显示器上显示信息；所述控制板通过RS232串口将指令发送给所述伺服步进电机，所述伺服步进电机带动所述踏板转动；所述显示器通过SPI通信与所述控制板进行数据交互。
进一步地，所述控制板根据患者双脚作用在所述踏板上的负载，自动选择不同的训练模式，所述训练模式包括被动训练模式、主动辅助模式和主动阻尼模式。
本实用新型提供的技术方案具有的有益效果是：
1.本实用新型左右两侧末端执行装置采用不同轴的处理方式，实现了左右两侧踏板的独立控制，能够有效地实现左右两侧肢体提供不同的训练模式，克服了现有下肢康复装置提供两侧肢体完全相同的训练模式的弊端。
2.本实用新型采用伺服步进电机，实现了对左右两侧踏板精准的控制，能够更好地保证患者的安全及训练效果。
3.本实用新型的控制显示装置通过可上下伸缩的支撑结构与底板连接，可根据患者身高和使用习惯，适当调整上下高度，保证患者更便捷地完成各项操作。
4.本实用新型采用标准零件进行组装，易于实现装置的模块化、批量生产、更新升级及损坏替换，降低了成本。
附图说明
图1是本实用新型双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人的立体示意图；
图2是本实用新型光电编码器的连接示意图；
图3是本实用新型踏板内部示意图；
图4是本实用新型执行流程框图。
上述图中：1.控制板，2.显示器，3.支撑结构，4.底板，5.型材，6.伺服步进电机，7.联轴器，8.第一同步轮，9.轴承座，10.曲柄，11.踏板，12.光电编码器，13.同步带，14.第二同步轮，15.编码器支架，16.电机底座，17.上方平板，18.压力传感器，19.下方平板，20.小型轴承座，21.铜柱。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。
如图1所示，双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人包括末端执行装置、信息采集装置和控制显示装置，所述末端执行装置、所述信息采集装置和所述控制显示装置均固定在底板4上。所述末端执行装置包括踏板11、曲柄10、伺服步进电机6和电机底座16。所述踏板11包括上方平板17和下方平板19(请参阅图3)。所述曲柄10的一端与所述踏板11连接，所述曲柄10的另一端穿过轴承座9，通过联轴器7与所述伺服步进电机6连接。
所述末端执行装置分为左右两组，相对所述底板4中轴对称布置，两组末端执行装置的两踏板11可随所述伺服步进电机6的驱动进行转动，所述踏板11可以自由围绕所述曲柄10转动，所述曲柄10通过所述联轴器7与所述伺服步进电机6连接，所述曲柄10通过所述轴承座9与型材5连接并固定在所述底板4上，所述伺服步进电机6通过所述电机底座16固定在所述底板4上。
如图1和2所示，所述信息采集装置分为两组，相对所述底板4中轴布置，所述信息采集装置包括压力传感器18、光电编码器12及传动机构。其中，所述传动机构包括第一同步轮8、第二同步轮14及连接所述第一同步轮8和所述第二同步轮14的同步带13，所述第一同步轮8位于所述曲柄10上，所述第二同步轮14位于所述光电编码器12上，进而所述传动机构实现了所述光电编码器12与所述曲柄10的连接。所述传动机构的传动比为所述第一同步轮8和所述第二同步轮14的半径比，优选的，所述传动机构的传动比为1：1。所述光电编码器12通过编码器支架15与所述底板4连接。
如图3所示，所述压力传感器18夹于所述踏板11的上方平板17和下方平板19之间，并紧贴于所述上方平板17和所述下方平板19。在所述踏板11内，所述压力传感器18固定在所述下方平板19上，并与所述上方平板17接触，当患者踩踏所述踏板11时，所述上方平板17产生形变，所述压力传感器18可以采集形变数据。所述上方平板17和所述下方平板19通过铜柱21连接，与所述铜柱21的连接可以是固定的。所述下方底板19下的小型轴承座20与所述曲柄10轴相配合，所述踏板11通过所述小型轴承座20与所述曲柄10的一端连接并实现绕曲柄任意转动。所述铜柱21的数量可以是多个，优选的，所述铜柱21的数量为四个，均匀的分布在所述上方平板17和所述下方平板19的四个角上。所述上方平板17采用聚乳酸材料，这样既可以保证踏板的强度，又可以很好地产生形变，从而实时反应患者脚踏力的大小。
如图1所示，所述控制显示装置包括控制板1、显示器2和支撑结构3，所述控制板1与所述显示器2连接，所述显示器2位于所述控制板1的上方，所述控制板1通过所述支撑结构3与所述底板4连接。所述控制显示装置用于控制所述所述末端执行装置和所述信息采集装置。本实施例以患者坐在轮椅或者病床上，双脚置于所述踏板11上，在所述控制板1的控制下，通过所述伺服步进电机6带动所述踏板11做圆周运动，由所述显示器2显示使用情况，说明双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人的训练模式。
如图4所示，患者在使用过程中，双脚作用在所述踏板11上的负载会被所述压力传感器18所采集，所述压力传感器18将采集的负载经过模数转换(A/D转换)、滤波等处理后反馈给所述控制板1。所述光电编码器12会采集所述踏板11的位置和速度，反馈给所述控制板1进行处理，获得所述伺服步进电机6的速度和力矩。所述控制板1经过综合处理后在所述显示器2上显示患者在使用过程中的各种信息，包括但不限于力度、踏板角度、速度等。所述显示器2通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)通信与所述控制板1进行数据交互。所述控制板1计算得到所述伺服步进电机6的转速后反馈给所述伺服步进电机6，所述控制板1通过RS232串口将指令发送给所述伺服步进电机6，通过所述伺服步进电机6带动所述踏板11转动，完成患者的康复训练计划。同时，保证两侧所述踏板11的位置始终相对于所述底板4中轴线相差180°，而在患者的使用过程中，所述控制板1会根据双脚作用在所述踏板11上的负载自动选择不同的训练模式，训练模式包括：
(1)被动训练模式
当检测到所述踏板11上的负载小于第一阈值时，康复机器人将启动被动训练模式。在此模式下，所述伺服步进电机6将会完全带动患者两侧下肢运动，即患者被动地接受所述伺服步进电机6的辅助，完成踩踏动作。患者两侧下肢踩踏的速度将完全依赖于所述控制板1所决定的速度，两侧踏板转动的力矩也由所述控制板1完全决定。患者可以通过此过程获得接近于正常踩踏过程的体验，有利于患者力量的恢复与平衡协调能力的锻炼。
(2)主动辅助模式
当检测到所述踏板11上的负载介于所述第一阈值和第二阈值之间时，康复机器人将启动主动辅助模式。在此模式下，所述压力传感器18将采集到的压力值发送给所述控制板1，所述控制板1将根据所述压力传感器18及所述光电编码器12的数据融合处理得到两侧所述伺服步进电机6转动的速度及力矩，控制所述伺服步进电机6输出一定的力矩并平稳地传递给踏板，给予弱势的下肢一个辅助力矩，即补偿相应的转矩力，转矩力大小实时跟随踏板负载，帮助患者正常地完成踩踏动作，实现下肢的康复训练。此时，左右两侧所述踏板11所转动的力矩不同，且同时两侧所述踏板11保持180°的角度差。在此过程中，两侧独立控制的方式可以帮助患者在两侧下肢力量不一样的情况下也可以顺利完成踩踏动作，辅助患者完成康复训练计划。
(3)主动阻尼模式
当检测到所述踏板11上的负载高于所述第二阈值时，康复机器人启动主动阻尼模式。在此模式下，所述压力传感器18将采集到的压力值发送给所述控制板1，所述控制板1将根据所述压力传感器18及所述光电编码器12的数据分析处理得到两侧所述伺服步进电机6转动的速度及力矩，给予强势的下肢一个阻尼力矩，踏板施加和患者企图运动方向相反的力矩，力矩大小实时跟随踏板负载，迫使患者使用更大的力量完成踩踏动作，实现下肢的康复训练。在此过程中，主动阻尼的方式可以帮助患者锻炼下肢力量，在不影响患者正常身体机能的情况下使患者力量逐渐恢复。
在上述三种训练模式，当所述控制板1检测到踏板上负载为0或低于第三阈值时，说明患者具有停止训练意图或因其他原因造成腿部不能屈伸，则所述伺服步进电机6的转速自动设定为零，所述踏板11停止转动，保证患者安全，停止后又检测到踏板上负载高于第三阈值时，预先设定的训练模式自动开始。
本实用新型提供的技术方案具有的有益效果是：(1)本实用新型左右两侧末端执行装置采用不同轴的处理方式，实现了左右两侧踏板的独立控制，能够有效地实现左右两侧肢体提供不同的训练模式，克服了现有下肢康复装置提供两侧肢体完全相同的训练模式的弊端；(2)本实用新型采用伺服步进电机，实现了对左右两侧踏板精准的控制，能够更好地保证患者的安全及训练效果；(3)本实用新型的控制显示装置通过可上下伸缩的支撑结构与底板连接，可根据患者身高和使用习惯，适当调整上下高度，保证患者更便捷地完成各项操作；(4)本实用新型采用标准零件进行组装，易于实现装置的模块化、批量生产、更新升级及损坏替换，降低了成本。
综上所述，以上仅对本实用新型进行了详细说明，但并不应以此限制本实用新型的保护范围。但凡依照本实用新型的技术方案所做的简单改进、修饰或等效变换，都落在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，包括末端执行装置、信息采集装置和控制显示装置，所述末端执行装置、所述信息采集装置和所述控制显示装置均与底板连接，其特征在于：所述末端执行装置包括踏板、曲柄和伺服步进电机，所述踏板包括上方平板和下方平板，所述曲柄的一端与所述踏板连接，所述曲柄的另一端与所述伺服步进电机连接；所述信息采集装置包括压力传感器、光电编码器和传动机构，所述压力传感器夹于所述踏板的上下方平板之间，所述传动机构连接所述光电编码器和所述曲柄；所述控制显示装置用于控制所述末端执行装置，所述控制显示装置包括控制板、显示器和支撑结构，所述显示器与所述控制板连接，所述控制板通过所述支撑结构与所述底板连接。
2.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述末端执行装置和所述信息采集装置均分为左右两组，均相对所述底板中轴对称布置。
3.根据权利要求2所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：两组末端执行装置的两踏板随所述伺服步进电机的驱动而转动，所述踏板可以自由围绕所述曲柄转动；所述曲柄通过轴承座与型材连接并固定在所述底板上，所述曲柄通过联轴器与所述伺服步进电机连接，所述伺服步进电机通过电机底座固定在所述底板上。
4.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述传动机构包括第一同步轮、第二同步轮位及连接所述第一同步轮和所述第二同步轮位的同步带，所述第一同步轮位于所述曲柄上，所述第二同步轮位于所述光电编码器上。
5.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述光电编码器通过编码器支架与所述底板连接。
6.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述压力传感器固定在所述踏板的下方平板上，并与所述踏板的上方平板接触。
7.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述上方平板和所述下方平板通过铜柱连接，位于所述下方平板下的小型轴承座与所述曲柄相配合，所述踏板通过所述小型轴承座与所述曲柄连接并实现绕所述曲柄的任意转动。
8.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述传动机构的传动比为1：1。
9.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述压力传感器将采集负载经模数转换后反馈给所述控制板，所述光电编码器将所述踏板的位置及速度反馈给所述控制板，所述控制板经综合处理后在所述显示器上显示信息；所述控制板通过RS232串口将指令发送给所述伺服步进电机，所述伺服步进电机带动所述踏板转动；所述显示器通过SPI通信与所述控制板进行数据交互。
10.根据权利要求1所述的双侧独立控制的踏板式下肢康复机器人，其特征在于：所述控制板根据患者双脚作用在所述踏板上的负载，自动选择不同的训练模式，所述训练模式包括被动训练模式、主动辅助模式和主动阻尼模式。
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