CN208770313U - 人体下肢康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种人体下肢康复训练机器人，包括外骨骼动力装置、跑台、腰部连接装置、悬吊减重装置及其控制系统，其中外骨骼动力装置带动人体按照正常人行走时的步态轨迹进行训练；跑台协同外骨骼为患者提供相同训练速度；悬吊减重装置通过绳索将人体吊起，可按照预定轨迹牵引患者上下移动并提供减重力；腰部连接装置为所述外骨骼动力装置与悬吊减重装置的连接部分，可实现人体宽度适应调节，以及满足行走过程中人体的起伏运动；在步态训练及悬吊减重控制系统的作用下，患者按照预定步态轨迹进行步态训练，减重系统根据同步重心轨迹牵引患者运动，以模拟正常人体行走时身体的起伏变化，提高康复效果。

Description

人体下肢康复训练机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗康复器械，特别涉及一种人体下肢康复训练机器人。

背景技术

对于遭受脊椎损伤、中风等中枢神经系统疾病的患者来说，绝大多数会面临运动性障碍，患者大多有不同程度的生活能力、劳动能力丧失，这严重危害着他们的健康。现代医学认为，通过向中枢神经不断重复地提供一定强度的刺激，能够恢复中枢神经损伤后患者的功能性行走能力。目前传统的下肢康复训练是由专业理疗师“手把手”地按照正常人体行走的步态对病人患肢进行反复牵引以刺激其运动中枢神经，辅助其获得行走能力，然而这种方法不仅增加了康复医师的劳动强度，而且所需治疗费用较高，治疗效果低下。因此，对下肢康复机器人的需求就显得尤为迫切。

中国专利CN106344340A及CN105997441B均涉及了一种穿戴式的下肢助行康复机器人，但二者需为患者提供较大范围的场地供其活动，同时，患者需依靠拐杖等工具才能保持身体平衡且平衡性较差，导致训练质量不高。中国专利号CN102836048B涉及了一种倾斜床式下肢康复训练机器人，患者斜躺在床上，上身固定，限制了人体上身运动导致身体不适，同时由于身体处于倾斜状态，不能完全还原真实的行走环境，康复效果较差。中国专利“康复训练用的悬吊式自适应减重装置及康复训练机器人”(CN107693301A)提出了包括绳索卷扬装置及自适应重心跟随装置的自适应减重箱，尽管使得机器人占用空间减少，并且一定程度上还原了真实的行走环境，但是，由于下肢训练辅具无法自主运动，无法模拟正常行走步态，导致患者在训练中不易保持身体平衡，且重心跟随效果较差，不仅影响训练效果，也容易对患者造成一定伤害。

发明内容

本实用新型为解决现有技术存在的不足，提出了一种人体下肢康复训练机器人。

为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

该机器人包括步态训练系统、减重系统及腰部连接装置，步态训练系统包括外骨骼动力装置，外骨骼动力装置包括供人体穿戴的下肢外骨骼，下肢外骨骼包括关节驱动器、关节连接机构、长度调节机构及绑腿机构，关节连接机构包括固定段及与固定段相连的活动段，关节驱动器设置在固定段上，活动段分别与长度调节机构及关节驱动器相连，绑腿机构设置在长度调节机构上，减重系统包括可跟随人体重心变化的绳索及用于支撑绳索的减重支架，腰部连接装置设置于减重支架上，可用于连接下肢外骨骼。

优选的，所述关节驱动器包括连杆、设置于所述固定段上的驱动器外壳以及与驱动器外壳相连的电机安装座，电机安装座上设置有第一伺服电机，第一伺服电机通过联轴器与设置于驱动器外壳内的丝杠相连，所述丝杠上设置有螺母安装座，螺母安装座包括与丝杠相连的螺母以及设置于螺母上的螺母套，螺母套与设置于驱动器外壳内的可直线滑动的导轨滑块相连，连杆的一端与螺母套铰接，另一端伸出驱动器外壳并与所述活动段铰接。

优选的，所述关节连接机构具体包括关节压板、固定端连接件(可用于连接腰部连接装置)及活动端连接件，固定端连接件上设置有圆形凸台，关节压板沿该凸台轴向设置在固定端连接件上并可绕该凸台自由转动，关节压板分别与活动端连接件及所述关节驱动器相连，关节驱动器设置在固定端连接件上。

优选的，所述凸台为中空结构，中空结构内设置有用于检测转角的编码器，所述编码器的转子与设置于所述关节压板上的编码器支架相连。

优选的，所述长度调节机构包括长度调节内管以及长度调节外管，所述绑腿机构与长度调节外管相连，长度调节内管的一端伸入长度调节外管内，长度调节外管上设置有用于锁定长度调节内管露出于长度调节外管外部分长度的夹紧装置，长度调节外管或/和长度调节内管与所述关节连接机构相连。

优选的，所述绑腿机构包括绑腿内环、绑腿外环、绑带、拉压传感器、微型导轨及与所述长度调节机构相连的可锁紧导轨，绑腿内环及绑腿外环通过微型导轨相连，拉压传感器设置于绑腿内环与绑腿外环之间，绑带设置于绑腿内环上，可锁紧导轨上的滑块与绑腿外环相连。

优选的，所述下肢外骨骼包括两个关节连接机构，一个对应于下肢髋关节，一个对应下肢膝关节，位于上侧的关节连接机构通过其固定端连接至腰部连接装置，上下侧两个关节连接机构通过一个长度调节机构连接，另一个长度调节机构连接在下侧关节连接机构的下端(活动端)；下肢外骨骼具体包括髋关节驱动器、膝关节驱动器、髋关节骨盆侧连接件、髋关节股骨侧连接件、膝关节股骨侧连接件、膝关节胫骨侧连接件、大腿侧长度调节机构及小腿侧长度调节机构，髋关节驱动器设置在髋关节骨盆侧连接件上，髋关节驱动器及髋关节股骨侧连接件与设置于髋关节骨盆侧连接件上的可自由转动的关节压板相连，大腿侧长度调节机构分别与髋关节股骨侧连接件及膝关节股骨侧连接件相连，膝关节驱动器设置在膝关节股骨侧连接件上，膝关节驱动器及膝关节胫骨侧连接件与设置于膝关节股骨侧连接件上的可自由转动的关节压板相连，小腿侧长度调节机构与膝关节胫骨侧连接件相连，小腿侧长度调节机构及大腿侧长度调节机构上分别设置有绑腿机构，髋关节骨盆侧连接件及膝关节股骨侧连接件上分别设置有用于检测髋关节股骨侧连接件及膝关节胫骨侧连接件转角的编码器。

优选的，所述腰部连接装置包括宽度调节机构及支撑机构；所述宽度调节机构包括宽度调节支撑板、两个间距可调的外骨骼安装板(用于连接下肢外骨骼的髋关节骨盆侧连接件)以及设置在宽度调节支撑板上的直线导轨和正反牙丝杠，正反牙丝杠端部设置有手轮，其中一个外骨骼安装板与设置在正反牙丝杠上的正牙螺母以及设置在直线导轨对应侧上的直线轴承相连，另一个外骨骼安装板与设置在正反牙丝杠上的反牙螺母以及设置在直线导轨对应侧上的直线轴承相连；

所述支撑机构包括上摆杆、下摆杆及与所述减重支架相连的支撑座，上摆杆及下摆杆的前端与所述宽度调节支撑板铰接，上摆杆及下摆杆的后端与支撑座铰接。

优选的，所述减重系统具体包括自适应减重箱、减重支架及索牵引组件，索牵引组件包括减重服、拉力传感器、绳索及设置于减重支架上的滑轮组，拉力传感器的一端与减重服相连，另一端与绳索相连，绳索经所述滑轮组延伸至自适应减重箱内；

所述自适应减重箱包括箱体以及设置于箱体内的安装板、绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置分别设置于所述安装板的两侧面上，所述绳索通过设置于安装板上的滑轮依次与绳索卷扬装置及自适应重心跟随装置相连；

所述步态训练系统还包括设置于所述减重支架底部的跑台。

优选的，所述机器人还包括工控机、运动控制卡、外骨骼动力装置控制模块、跑台控制模块以及减重系统控制模块；所述外骨骼动力装置控制模块包括伺服电机(即上述第一伺服电机，两个下肢外骨骼共有四个伺服电机)驱动器以及用于检测关节连接机构转动角度(转角)的编码器，伺服电机驱动器分别与所述伺服电机及运动控制卡相连，运动控制卡及所述编码器分别与工控机相连；所述跑台控制模块包括直流电机调速器及测速传感器，直流电机调速器分别与用于给跑台提供动力的直流电机及工控机相连，测速传感器与工控机相连；所述减重系统控制模块包括悬吊减重子模块及重心跟随子模块；悬吊减重子模块包括与工控机及拉力传感器相连的数据采集卡；

外骨骼动力装置控制模块根据预先设定的用于人体下肢康复训练的步态轨迹驱动下肢外骨骼，利用下肢外骨骼带动人体进行下肢步态训练；

悬吊减重子模块根据预先设定的减重力，以拉力传感器检测数值作为反馈，与减重力设定数值进行比较，计算减重力调节变化量，将调节变化量转换为控制信号并通过运动控制卡传递给绳索卷扬装置(伺服电机B)，利用绳索卷扬装置调节绳索长度，直到达到设定的减重力；

重心跟随子模块根据预先设定的重心运动轨迹，通过运动控制卡控制自适应重心跟随装置(伺服电机A)，利用自适应重心跟随装置带动绳索，在下肢步态训练的同时，同步牵引人体上下运动。

本实用新型的有益效果体现在：

本实用新型中步态训练系统可以带动患者下肢模拟正常步态运动；减重系统可在患者的步态训练过程中为其提供一定的减重力，同时可按照预定的轨迹通过调节绳索长度以跟随患者重心变化，并结合腰部连接装置维持其身体稳定性，克服了在训练中不易保持身体平衡的不足，使得重心跟随效果更好，可以重塑患者的运动中枢神经，让患者重新获得行走能力，且提高康复治疗效果。

进一步的，编码器安装于各关节处固定端连接件上的中空结构内，编码器外壳可与所述固定端连接件固定，编码器转轴与所述活动端连接件通过编码器支架固定，由此编码器即可测量关节处的转角，在患者训练过程中用于关节角度显示，此种安装方式结构紧凑，角度测量方便，同时，内置型的安装方式便于编码器保护，防止磕碰，提高设备安全性。

进一步的，在关节驱动器部分，采用由关节压板、连杆及导轨滑块构成的曲柄滑块的传动机构，伺服电机通过丝杠控制螺母的移动，将螺母的直线运动转换为曲柄带动关节的转动，此种方式下，关节运动精度高，可以带动患者按照预定的步态轨迹进行训练，提高训练的准确性，同时，丝杠的传动方式将提高伺服电机的驱动能力，使关节处转矩更大，可更有效地带动患者，提高康复效果。

进一步的，通过绑带与所述绑腿机构内环紧固患者腿部，随着患者康复程度的增加，患者腿部的主动运动意识增强(具体表现为在训练过程中拉压传感器数值与患者完全被动训练时不同)，拉压传感器即可对患者的主动运动意图做出检测，并在以后的主动控制中发挥作用。同时，在所述绑腿机构的内外环于可锁紧导轨处自由滑动时，患者腿部与外骨骼之间可以发生适当的相对移动，满足患者腿部水平微动，提高了患者训练的舒适度。

附图说明

图1是下肢康复训练机器人总体结构示意图；

图2是外骨骼动力装置总体结构示意图；

图3是图2中外骨骼动力装置的长度调节杆结构示意图；

图4是图2中外骨骼动力装置的关节驱动示意图(a)、(b)及髋关节驱动器结构爆炸图(c)；

图5是图2中外骨骼动力装置的膝关节处编码器安装结构爆炸示意图；

图6是图2中外骨骼动力装置的绑腿机构总体示意图(a)及爆炸图(b)；

图7是腰部连接装置结构示意图；其中，(a)为宽度调节机构结构示意图；(b)为支撑机构结构示意图；(c)为旋转轴安装示意图；

图8是悬吊减重装置的总体结构示意图；

图9是图8中悬吊减重装置的自适应减重箱的结构示意图；其中，(a)为安装板正面观；(b)为安装板背面观；

图10是图8中悬吊减重装置的原理图；

图11是下肢康复训练机器人的控制系统硬件连接图；

图12是患者康复训练流程图；

图中：1-外骨骼动力装置；2-跑台；3-腰部连接装置；4-自适应减重箱；5-减重支架；6-索牵引组件；7-髋关节驱动器；8-髋关节骨盆头；9-髋关节编码器安装装置；10-髋关节股骨侧连接件；11-大腿侧长度调节杆；12-膝关节驱动器；13-膝关节股骨侧连接件；14-膝关节编码器安装装置；15-膝关节胫骨侧连接件；16-小腿侧长度调节杆；17-绑腿机构；18-交流伺服电机；19-电机安装座；20-单膜片联轴器；21-驱动器外壳；22-导轨滑块；23-驱动器微型导轨；24-丝杠轴承；25-连杆；26-螺母套；27-驱动器螺母；28-滚珠丝杠；29-绝对式编码器；30-关节压板；31-编码器安装圆盘；32-编码器支架；33-绑腿外环；34-绑腿内环；35-医用绑带；36-直角杆；37-绑腿导轨；38-带把螺钉；39-绑腿滑块；40-拉压传感器；41-绑腿微型滑块；42-绑腿微型导轨；43-紧定螺钉；44-传感器安装圆块；45-宽度调节支撑板；46-直线导轨；47-直线轴承；48-手轮；49-外骨骼安装板；50-安装竖板；51-反牙螺母；52-正反牙丝杠；53-正牙螺母；54-JK轴承座；55-上摆杆；56-下摆杆；57-支撑座；58-锁紧螺母；59-轴套；60-深沟球轴承；61-旋转轴；62-门架；63-绳索；64-拉力传感器；65-减重服；66-脚轮；67-安装板正面定滑轮A；68-安装板正面动滑轮；69-移动板；70-导轨轴承座；71-减重箱导轨；72-减重箱直线轴承；73-翼板；74-减重箱螺母；75-减重箱丝杠；76-丝杠轴承座；77-弹性膜片联轴器；78-直流伺服电机A；79-伺服电机A安装架；80-直流伺服电机B；81-减速机；82-减速机安装架；83-梅花联轴器；84-绳辊轴承座；85-绳辊；86-减重箱安装孔；87-安装板侧面转向定滑轮；88-箱盖；89-安装板正面定滑轮B；90-安装板；91-长条形开口；92-长度调节杆内管；93-长度调节杆外管；94-绑腿安装块；95-夹紧装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做详细说明，所述实施例用于解释本实用新型，而不是对本实用新型保护范围的限定。

参见图1，本实用新型提供了一种用于下肢康复训练的穿戴式外骨骼机器人，用于脑中风与脊椎损伤等中枢神经损伤患者的下肢康复训练，包括步态训练系统、腰部连接装置3和悬吊减重系统，步态训练系统利用两外骨骼按照正常人体行走时的轨迹带动患者下肢进行训练，减重系统按照步态训练轨迹下的重心运动轨迹带动患者在竖直平面内起伏运动，并为患者提供一定的减重力，维持患者的身体稳定性；腰部连接装置作为所述步态训练系统与减重系统的连接装置，可调整所述步态训练系统中两外骨骼的宽度以适应患者宽度，也可以满足患者在步态训练时身体起伏的结构要求。

所述步态训练系统包括外骨骼动力装置1和跑台2，悬吊减重系统包括自适应减重箱4、减重支架5和索牵引组件6。所述步态训练系统(具体为外骨骼动力装置)通过腰部连接装置3与悬吊减重系统(具体为减重支架)连接，三者在步态训练及悬吊减重控制系统作用下协同运动，辅助患者进行正常步态康复训练。

参见图2、图3及图5，所述外骨骼动力装置1包括两条对称的下肢外骨骼。以穿戴于左腿的下肢外骨骼为例，下肢外骨骼主要由用于驱动腿部对应关节(髋关节、膝关节)运动的驱动器及关节连接机构、编码器(用于步态训练中患者运动角度显示)安装装置、长度调节杆及安装在对应长度调节杆上的绑腿机构17等组成。具体地，髋关节驱动器7通过螺钉安装在髋关节骨盆头8(即髋关节骨盆侧连接件)上，两侧关节压板30上设置的圆孔与髋关节骨盆头8上的凸台圆周接触(可自由转动)，同时，两侧关节压板30与髋关节股骨侧连接件10通过螺钉固定，髋关节股骨侧连接件10与髋关节骨盆头8相对一端呈形状相应的圆弧面，在关节压板带动下，髋关节股骨侧连接件10可围绕髋关节骨盆头8转动，髋关节驱动器7上的连杆25与关节压板30通过铰链铰接，以关节压板作为曲柄，由此，髋关节驱动器7利用内部滑块直线运动以曲柄滑块机构动作方式驱动下肢外骨骼的对应腿部髋关节的位置转动(从而带动髋关节)，所述髋关节股骨侧连接件10另一端与大腿侧长度调节杆11中的长度调节杆内管92焊接，所述大腿侧长度调节杆11中的长度调节杆外管93与膝关节股骨侧连接件13的一端焊接。同理，下肢外骨骼对应腿部膝关节处也可以转动，其中，膝关节驱动器12通过螺钉固定在膝关节股骨侧连接件13上，膝关节胫骨侧连接件15的一端通过螺钉固定有位于两侧的关节压板30，膝关节股骨侧连接件13另一端上的凸台圆周与该关节压板30上设置的圆孔接触(可自由转动)，膝关节胫骨侧连接件15与膝关节股骨侧连接件13相对一端呈形状相应的圆弧面，在关节压板带动下，膝关节胫骨侧连接件15可围绕膝关节股骨侧连接件13转动，膝关节驱动器12上的连杆与该关节压板30通过铰链铰接，由此膝关节驱动器12可驱动下肢外骨骼的对应腿部膝关节的位置转动(从而带动膝关节)，所述膝关节胫骨侧连接件15的另一端与小腿侧长度调节杆16中的长度调节杆内管92焊接。

参见图3，所述长度调节杆内管92内置于长度调节杆外管93内，二者可自由滑动，使得各长度调节杆均伸缩可调，调节后通过夹紧装置95夹紧固定，适用不同人体下肢长度，两个绑腿安装块94分别设置于对应的长度调节杆外管93上，用于绑腿机构17的安装。

参见图4，所述髋关节驱动器7由交流伺服电机18提供动力，交流伺服电机18通过螺钉固定在电机安装座19上，所述电机安装座19还与驱动器外壳21通过螺钉连接，电机伸出端通过单膜片联轴器20与滚珠丝杠28固定，所述滚珠丝杠两端通过丝杠轴承24固定在驱动器外壳21内，所述驱动器外壳内还设置有与丝杠平行的驱动器微型导轨23及位于其上的导轨滑块22，所述导轨滑块22与螺母套26一侧连接，使螺母套只能沿微型导轨23运动(直线滑动且自身不发生旋转)，所述螺母套26另一侧铰接有连杆25，所述螺母套26还固定在驱动器螺母27上，由此在交流伺服电机18旋转时，通过单膜片联轴器20带动滚珠丝杠28旋转，使驱动器螺母27沿驱动器微型导轨23运动，从而带动连杆25驱动对应位置处(髋关节骨盆头8处)的关节压板转动，驱动关节连接机构旋转(具体指髋关节股骨侧连接件10绕髋关节骨盆头8旋转)。另外，膝关节驱动器12与髋关节驱动器7结构原理相同，根据活动空间需要，其连杆由各自驱动器外壳的不同侧面伸出。

参见图5，所述编码器安装装置用于安装绝对式编码器29，绝对式编码器29通过髋关节编码器安装装置9、膝关节编码器安装装置14分别置于下肢外骨骼的对应腿部髋关节及膝关节的位置。以膝关节编码器安装装置14为例，编码器安装装置包括编码器安装圆盘31及编码器支架32，编码器安装圆盘31与膝关节股骨侧连接件13连接，一个绝对式编码器29内置于膝关节股骨侧连接件13的圆孔内，并与所述编码器安装圆盘31连接，该圆孔位于膝关节股骨侧连接件13凸台端面处，编码器通过该圆孔穿过该凸台处关节压板30，所述绝对式编码器29的外壳通过编码器安装圆盘31与膝关节股骨侧连接件13固定，所述编码器支架32固定在该凸台处一侧关节压板30上，绝对式编码器29的转子与编码器支架32连接，由此，膝关节股骨侧连接件13与膝关节胫骨侧连接件15的相对转动，可转换为绝对式编码器29外壳与转子的同步转动，即可检测膝关节转角。以上说明亦适用于髋关节编码器安装装置及对应髋关节转角的检测。

参见图6，所述绑腿机构17由绑腿内环34、绑腿外环33、绑腿导轨37和拉压传感器40等部分组成，绑腿内环34、绑腿外环33均呈半环抱状，绑腿内环34上安装有绑腿微型滑块41，所述绑腿外环33上安装有绑腿微型导轨42，绑腿内环34置于绑腿外环33内，开口方向相同，通过绑腿微型导轨42及绑腿微型滑块41的配合作滑动连接，从而使绑腿内环可在绑腿外环内微弱滑动，医用绑带35穿过所述绑腿内环34开口两侧上的方孔对患者腿部进行固定。为方便后续进行患者腿部与外骨骼之间的交互力测量，所述拉压传感器40一端通过螺纹旋入绑腿外环33上的螺纹孔内，所述拉压传感器40另一端通过螺纹旋入传感器安装圆块44内，所述传感器安装圆块通过紧定螺钉43固定在绑腿内环中间的圆孔内。所述绑腿外环33通过螺钉与绑腿滑块39固定，该绑腿滑块39可在绑腿导轨37上自由滑动，亦可通过带把螺钉38紧固，所述绑腿导轨37上另一个绑腿滑块上固定有直角杆36，所述直角杆36插入长度调节杆外管93上的绑腿安装块94或绑腿管夹内，通过绑腿安装块94锁紧在长度调节杆外管93上，从而完成绑腿机构17的安装。由此，患者腿部与绑腿内环固定，绑腿外环固定在外骨骼上，拉压传感器即可测量患者与外骨骼之间的交互力，方便之后对人体主动意图感知的研究。

参见图7，所述腰部连接装置3包括宽度调节机构与支撑机构，外骨骼动力装置1通过腰部连接装置3与减重系统相连接。其中，所述宽度调节机构主要由宽度调节支撑板45、直线导轨46、直线轴承47、正反牙丝杠52、正牙螺母53、反牙螺母51、手轮48及外骨骼安装板49等组成。具体地，上、下两根直线导轨46设置于宽度调节支撑板45正面上，每根直线导轨上设置有两套滑动轴承组，一套滑动轴承组包括直线导轨46上相向放置安装的可沿该导轨自由滑动的两直线轴承47；正反牙丝杠52通过两侧JK轴承座54安装在所述宽度调节支撑板45正面上，所述正反牙丝杠两端安装有手轮48；所述反牙螺母51与正牙螺母53相向放置，各自组成一套螺母组，两套螺母组对称地安装在正反牙丝杠52上，同侧上下两套滑动轴承组、螺母组均与安装竖板50固定，所述安装竖板50与外骨骼安装板49通过螺钉固连(下肢外骨骼通过髋关节骨盆头8固定在外骨骼安装板49上)，通过旋转手轮48，丝杠迫使螺母带动外骨骼相向运动，调节两下肢外骨骼之前的间距，以满足不同人体宽度，同时在患者进行步态训练过程中，满足其身体的起伏变化。所述支撑机构由上摆杆55、下摆杆56、支撑座57及轴连接装置等组成，具体地，上摆杆55与下摆杆56平行放置，与宽度调节支撑板45及支撑座57构成平行四边形；所述上摆杆55及下摆杆56内设置有深沟球轴承60，所述上摆杆55及下摆杆56与宽度调节支撑板45背面的凸耳通过深沟球轴承60、旋转轴61、轴套59(轴套抵于轴承内圈，防止摆杆沿旋转轴发生轴向窜动)连接，并通过锁紧螺母58紧固，即上、下摆杆55、56前端铰接在所述宽度调节支撑板45上；而后端铰接在支撑座57上。在患者进行步态训练过程中，所述宽度调节机构可以带动下肢外骨骼随着人体起伏绕所述支撑座57旋转，由于所述支撑座57所在平面通过支撑座57固定于减重支架5而始终处于竖直平面内，借助平行四边形原理，使得宽度调节支撑板45在下肢外骨骼带动患者训练过程中，亦处于竖直状态，即与支撑座平面平行，以维持人体所处竖直状态，保证患者的身体平衡。

患者穿戴外骨骼后站在跑台2(跑台包括由直流电机驱动的跑步机)上，由外骨骼带动患者下肢按照预定步态轨迹进行康复运行，同时，跑台2等速同步启停。

参见图8，所述悬吊减重系统中，减重支架5包括用于支撑索牵引组件的上支架体，以及通过销钉与其插接配合的下支架体，下支架体包括门架62、间隔排布的两个方管以及安装在方管上的立管和可升降扶手，上支架体安装于立管，方管的底部安装有脚轮66，方便减重支架5移动，所述跑台2位于两个方管之间，门架62安装在所述减重支架5后侧，与两侧立管相连，支撑座57可通过螺钉固定在该门架62上；所述索牵引组件6主要由减重服65、拉力传感器64以及绳索63等组成，具体地，拉力传感器64一端连接减重服65，拉力传感器64另一端连接绳索63，绳索63沿着上支架体上的滑轮组延伸至自适应减重箱4内，自适应减重箱4安装在立管上。患者身着减重服65，由绳索63牵引吊起，在自适应减重箱4内伺服电机牵引下与步态训练系统同步，按照预定轨迹运动。同时减重装置也为患者提供一定的减重力。

参见图9，所述自适应减重箱4包括箱体和箱盖88，箱体内安装板90的正面固定安装有自适应重心跟随装置，安装板90的背面固定安装有绳索卷扬装置。

所述绳索卷扬装置中(图9b)，直流伺服电机B 80搭配减速机81作为扭矩输出单元，减速机81输出端与梅花联轴器83固连，梅花联轴器83与绳辊85固连，绳辊85上缠绕用于患者悬吊的绳索63；减速机81由减速机安装架82固定在安装板90上，绳辊85由绳辊轴承座84固定在安装板90上；患者康复训练前，先由绳索卷扬装置将患者升起一定高度，通过拉力传感器64反馈数值调整至设定的减重力，之后绳索卷扬装置停止工作，为步态训练做好准备。

所述自适应重心跟随装置(图9a)主要是由电机通过联轴器连接滚珠丝杠，从而驱动移动板，由移动板在患者步态训练中实现重心跟随，保证提供相对稳定的减重力。具体地，减重箱螺母74固定在移动板69下部，移动板69左右两侧安装有翼板73，翼板73与减重箱直线轴承72连接，减重箱直线轴承72可以在减重箱导轨71上自由滑动，减重箱导轨71通过导轨轴承座70固定在安装板90上(直线轴承沿固定在安装板正面的导轨做直线运动)；减重箱丝杠75两端由丝杠轴承座76固定在安装板90上，减重箱丝杠75通过弹性膜片联轴器77与直流伺服电机A 78连接，从而传递运动，减重箱丝杠75转动，带动减重箱螺母74上下移动，从而驱动移动板69上下直线运动；直流伺服电机A 78由伺服电机A安装架79固定在安装板90上；移动板69上部安装有安装板正面动滑轮68，与安装板正面的两个定滑轮构成滑轮组，绳索63由安装板90背面的绳辊85引出绕过安装板侧面转向定滑轮87后经安装板正面的滑轮组引出箱体，具体地，绳索经其中一个定滑轮(安装板正面定滑轮B 89)由所述转向定滑轮引至所述动滑轮，所述绳索经另一个定滑轮(安装板正面定滑轮A 67)由所述动滑轮引至设置于箱体上的长条形开口91，从而引出至箱体外。长条形开口91位置偏向安装板90正面的自适应重心跟随装置，绳索63由该开口引出后连接在减重服65(例如减重背心)上端的拉力传感器64上，绳索穿过箱体上的长条形开口进入自适应减重箱内，经滑轮组最终缠绕在绳辊85上。

参见图10，所述悬吊减重系统的工作原理：在拉力传感器64的反馈下，控制绳索卷扬装置中的直流伺服电机B 80释放/收紧绳索，调节患者减重力至设定值；在康复训练过程中，根据预先设定的人体在竖直方向的运动轨迹(即重心运动轨迹)，转化为自适应重心跟随装置中直流伺服电机A 78的转角，带动安装板正面动滑轮6,8移动，调节绳索63长度，实时跟随患者重心变化。

参见图11，所述步态训练及悬吊减重控制系统包括工控机、运动控制卡、步态训练系统控制模块及悬吊减重系统控制模块。

所述步态训练系统控制模块包括外骨骼动力装置控制子模块与跑台控制子模块。具体地，所述外骨骼动力装置控制子模块主要包括伺服电机驱动器、端子板、串口转换器等，所述外骨骼动力装置上的伺服电机(具体位于髋关节驱动器及膝关节驱动器内)通过脉冲线及动力线与伺服电机驱动器连接，所述伺服电机驱动器通过端子板与运动控制卡相连，所述运动控制卡采用以太网(Ethernet)通讯，接收来自工控机的控制指令，从而驱动关节运动，所述绝对式编码器通过串口转换器与工控机相连，采集关节转角，用于患者运动形态的显示；跑台控制子模块主要包括直流电机调速器、D/A模块、测速传感器、Arduino开发板等，具体地，Arduino开发板连接D/A模块输出模拟量来控制电机调速器，用于调节跑步机直流电机的速度，测速传感器与Arduino开发板相连，用于反馈电机的转速，以此对电机的速度进行闭环控制，同时，工控机通过串口连接的方式实现对Arduino开发板的通讯控制。

所述悬吊减重系统控制模块包括悬吊减重子模块(用于减重力调节)与重心跟随子模块。具体地，所述悬吊减重子模块包括与直流伺服电机B 80连接的减重电机驱动器及与拉力传感器64连接的数据采集卡，所述减重电机驱动器通过端子板与运动控制卡相连，先在工控机上设定减重力，工控机通过数据采集卡采集拉力传感器当前数值作为反馈，与设定的数值进行比较，计算减重力调节变化量并将其发送给运动控制卡，所述运动控制卡将脉冲信号发送给减重电机驱动器，由减重电机驱动器控制直流伺服电机B调节绳索63长度，为患者提供预设的减重力。所述重心跟随子模块包括与直流伺服电机A 78连接的跟随电机驱动器，工控机将按照预先设定的重心运动轨迹，由运动控制卡通过端子板控制跟随电机驱动器，所述跟随电机驱动器再驱动直流伺服电机A带动绳索63，在患者进行下肢步态训练的同时，同步牵引患者上下运动。

参见图12，在患者需要进行下肢康复训练时，首先，按照患者的身体尺寸，利用各长度调节杆及宽度调节机构对外骨骼腿长度和宽度(即两个下肢外骨骼的间距)进行调整，然后患者穿戴外骨骼(利用绑腿机构固定)与减重服，之后进入减重力调节阶段，先设置减重力f_set和减重力允许的误差ε，读取拉力传感器64的数值f_actual，并计算f_actual与f_set的差值Δf，判断Δf是否在减重力允许误差ε范围内，若f_actual＞f_set+ε，实际值比设定值上限大，说明绳索过紧，控制(PID控制器)直流伺服电机B 80释放绳索，直到|f_actual-f_set|≤ε；若f_actual＜f_set-ε，实际值比设定值下限小，说明绳索过松，控制直流伺服电机B 80收紧绳索，直到|f_actual-f_set|≤ε，此时减重力已调整完毕。接下来由工控机载入设定的步态训练轨迹及在所述步态轨迹下训练时的同步重心运动轨迹，驱动步态训练系统及悬吊减重系统同步运动，辅助患者进行下肢康复训练。训练结束后，减重系统将患者放下，卸下减重服及外骨骼。

总之在本实用新型中，步态训练系统的外骨骼动力装置牵引带动人体(例如患者)按照预定的步态轨迹(例如正常人行走时)进行下肢康复训练，跑台协同外骨骼动力装置为患者提供相同训练速度；在此过程中，减重系统也按照预定的重心运动轨迹牵引患者身体起伏运动，满足正常人体行走时重心在竖直方向上的变化，同时，为患者提供一定的减重力，并维持其身体稳定；腰部连接装置对外骨骼动力装置起到支撑作用，可实现人体宽度适应调节，也可以绕减重支架旋转，满足患者在训练过程中的身体重心起伏变化，有利于提高身体稳定性。所述机器人可适用不同尺寸患者，训练时机器人固定，无需很大的活动场地，且患者在训练时处于站立状态，还原真实地行走环境，由机器人帮助患者维持身体平衡，提高康复治疗效果。

Claims (10)

1.一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：该机器人包括步态训练系统、减重系统及腰部连接装置(3)，步态训练系统包括外骨骼动力装置(1)，外骨骼动力装置(1)包括供人体穿戴的下肢外骨骼，下肢外骨骼包括关节驱动器、关节连接机构、长度调节机构及绑腿机构(17)，关节连接机构包括固定段及与固定段相连的活动段，关节驱动器设置在固定段上，活动段分别与长度调节机构及关节驱动器相连，绑腿机构(17)设置在长度调节机构上，减重系统包括可跟随人体重心变化的绳索(63)及用于支撑绳索(63)的减重支架(5)，腰部连接装置(3)设置于减重支架(5)上。

2.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述关节驱动器包括连杆(25)、设置于所述固定段上的驱动器外壳(21)以及与驱动器外壳(21)相连的电机安装座(19)，电机安装座(19)上设置有第一伺服电机，第一伺服电机通过联轴器与设置于驱动器外壳(21)内的丝杠相连，所述丝杠上设置有螺母安装座，螺母安装座包括与丝杠相连的螺母以及设置于螺母上的螺母套(26)，螺母套(26)与设置于驱动器外壳(21)内的可直线滑动的导轨滑块(22)相连，连杆(25)的一端与螺母套(26)铰接，另一端伸出驱动器外壳(21)并与所述活动段铰接。

3.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述关节连接机构具体包括关节压板(30)、固定端连接件及活动端连接件，固定端连接件上设置有圆形凸台，关节压板(30)沿该凸台轴向设置在固定端连接件上并可绕该凸台自由转动，关节压板(30)分别与活动端连接件及所述关节驱动器相连，关节驱动器设置在固定端连接件上。

4.根据权利要求3所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述凸台为中空结构，中空结构内设置有用于检测转角的编码器，所述编码器的转子与设置于所述关节压板(30)上的编码器支架(32)相连。

5.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述长度调节机构包括长度调节内管以及长度调节外管，所述绑腿机构(17)与长度调节外管相连，长度调节内管的一端伸入长度调节外管内，长度调节外管上设置有用于锁定长度调节内管露出于长度调节外管外部分长度的夹紧装置(95)，长度调节外管或/和长度调节内管与所述关节连接机构相连。

6.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述绑腿机构(17)包括绑腿内环(34)、绑腿外环(33)、绑带、拉压传感器(40)、微型导轨及与所述长度调节机构相连的可锁紧导轨，绑腿内环(34)及绑腿外环(33)通过微型导轨相连，拉压传感器(40)设置于绑腿内环(34)与绑腿外环(33)之间，绑带设置于绑腿内环(34)上，可锁紧导轨上的滑块与绑腿外环(33)相连。

7.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述下肢外骨骼具体包括髋关节驱动器(7)、膝关节驱动器(12)、髋关节骨盆侧连接件、髋关节股骨侧连接件(10)、膝关节股骨侧连接件(13)、膝关节胫骨侧连接件(15)、大腿侧长度调节机构及小腿侧长度调节机构，髋关节驱动器(7)设置在髋关节骨盆侧连接件上，髋关节驱动器(7)及髋关节股骨侧连接件(10)与设置于髋关节骨盆侧连接件上的可自由转动的关节压板相连，大腿侧长度调节机构分别与髋关节股骨侧连接件(10)及膝关节股骨侧连接件(13)相连，膝关节驱动器(12)设置在膝关节股骨侧连接件(13)上，膝关节驱动器(12)及膝关节胫骨侧连接件(15)与设置于膝关节股骨侧连接件(13)上的可自由转动的关节压板相连，小腿侧长度调节机构与膝关节胫骨侧连接件(15)相连，小腿侧长度调节机构及大腿侧长度调节机构上分别设置有绑腿机构(17)，髋关节骨盆侧连接件及膝关节股骨侧连接件(13)上分别设置有用于检测髋关节股骨侧连接件(10)及膝关节胫骨侧连接件(15)转角的编码器。

8.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述腰部连接装置(3)包括宽度调节机构及支撑机构；所述宽度调节机构包括宽度调节支撑板(45)、两个外骨骼安装板(49)以及设置在宽度调节支撑板(45)上的直线导轨(46)和正反牙丝杠(52)，正反牙丝杠(52)端部设置有手轮(48)，其中一个外骨骼安装板(49)与设置在正反牙丝杠(52)上的正牙螺母(53)以及设置在直线导轨(46)对应侧上的直线轴承(47)相连，另一个外骨骼安装板(49)与设置在正反牙丝杠(52)上的反牙螺母(51)以及设置在直线导轨(46)对应侧上的直线轴承(47)相连；

所述支撑机构包括上摆杆(55)、下摆杆(56)及与所述减重支架(5)相连的支撑座(57)，上摆杆(55)及下摆杆(56)的前端与所述宽度调节支撑板(45)铰接，上摆杆(55)及下摆杆(56)的后端与支撑座(57)铰接。

9.根据权利要求1所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述减重系统具体包括自适应减重箱(4)、减重支架(5)及索牵引组件(6)，索牵引组件(6)包括减重服(65)、拉力传感器(64)、绳索(63)及设置于减重支架(5)上的滑轮组，拉力传感器(64)的一端与减重服(65)相连，另一端与绳索(63)相连，绳索(63)经所述滑轮组延伸至自适应减重箱(4)内；

所述自适应减重箱(4)包括箱体以及设置于箱体内的安装板(90)、绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置，绳索卷扬装置和自适应重心跟随装置分别设置于安装板(90)的两侧面上，所述绳索(63)通过设置于安装板(90)上的滑轮依次与绳索卷扬装置及自适应重心跟随装置相连；

所述步态训练系统还包括设置于所述减重支架(5)底部的跑台(2)。

10.根据权利要求9所述一种人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述机器人还包括工控机、运动控制卡、外骨骼动力装置控制模块、跑台控制模块以及减重系统控制模块；所述外骨骼动力装置控制模块包括伺服电机驱动器以及用于检测关节连接机构转动角度的编码器，伺服电机驱动器分别与运动控制卡及用于给关节驱动器提供动力的伺服电机相连，运动控制卡及所述编码器分别与工控机相连；所述跑台控制模块包括直流电机调速器及测速传感器，直流电机调速器分别与用于给跑台(2)提供动力的直流电机及工控机相连，测速传感器与工控机相连；所述减重系统控制模块包括悬吊减重子模块；悬吊减重子模块包括与工控机及拉力传感器(64)相连的数据采集卡。