CN210205291U - 一种随动式下肢步态训练康复机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，分为下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人。整个系统包括随动机器人的两个平移自由度、两个垂直减重自由度和可穿戴机器人的双腿髋膝六个旋转自由度。下肢可穿戴外骨骼机器人固定在病人的下肢和腰部，根据患者的步态提供行走助力，帮助患者完成行走动作；随动机器人和下肢可穿戴外骨骼机器人相连，起到支撑患者和减重的作用，并且根据病人的行走实现相应的跟随移动。本实用新型主要针对性地解决中枢神经损伤后所导致的各种下肢运动功能障碍，为使用者提供安全化、长效化，大范围的步态训练并提高患者下肢康复训练的效率。

Description

一种随动式下肢步态训练康复机器人系统

技术领域

本实用新型涉及康复机器人技术领域，特别涉及一种随动式下肢步态训练康复机器人系统。

背景技术

患脑卒中后出现步行功能障碍是脑卒中患者面临的主要问题之一，严重影响患者日常生活能力，对于神经受损导致的下肢残疾患者，及早介入康复治疗具有极为重要的意义，可通过肢体的持续主动训练来刺激中枢神经，即可达到促进受损神经的重组，从而实现神经康复治疗，大大减少肢体残疾的可能。

传统的人工手动康复训练，治疗师劳动强度大，训练强度、持续性、针对性难以保证。为了提高患者肢体的康复效率，迫切需要大量经济实用的可穿戴康复机器人满足社会需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，分为下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人。整个系统包括随动机器人的两个平移自由度、两个垂直减重自由度和可穿戴机器人的双腿髋膝六个旋转自由度。下肢可穿戴外骨骼机器人固定在病人的下肢和腰部，根据患者的步态提供行走助力，帮助患者完成行走动作；随动机器人和下肢可穿戴外骨骼机器人相连，起到支撑患者和减重的作用，并且根据病人的行走实现相应的跟随移动。本实用新型主要针对性地解决中枢神经损伤后所导致的各种下肢运动功能障碍，为使用者提供安全化、长效化、大范围的步态训练并提高患者下肢康复训练的效率。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，包括连接的下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人；

所述随动机器人包括支撑架及安装于其的行走机构和驱动机构。

优选的，所述支撑架高度可调。

优选的，所述行走机构包括固定于所述支撑架的万向轮。

优选的，所述驱动机构包括驱动轮、车轮驱动电机和联轴器；

所述车轮驱动电机固定于所述支撑架，所述车轮驱动电机通过所述联轴器与所述驱动轮连接。

优选的，所述下肢可穿戴外骨骼机器人通过安全绳和所述随动机器人连接。

优选的，所述随动机器人还包括双目摄像头和上位机，所述上位机能够根据所述双目摄像头拍摄的视频识别出使用者的身体轮廓并控制所述驱动机构驱使所述支撑架移动跟踪所述使用者。

优选的，所述下肢可穿戴外骨骼机器人包括：小腿外骨骼、膝关节、大腿外骨骼和上位机；

所述小腿外骨骼通过所述膝关节与所述大腿外骨骼相连，所述膝关节内含的小腿驱动电机能够带动所述小腿外骨骼和所述大腿外骨骼相连进行相对转动；

所述小腿外骨骼安装有小腿姿态传感器和小腿肌电仪，所述小腿姿态传感器能够可以测量使用者的小腿与竖直方向的实际夹角，所述小腿肌电仪能够根据所述使用者小腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角，所述上位机能够根据所述实际夹角和所述期望夹角进行误差计算并向所述小腿驱动电机发送力矩补偿控制指令。

优选的，所述下肢可穿戴外骨骼机器人还包括：脚部外骨骼和踝关节；所述脚部外骨骼通过所述踝关节与所述小腿外骨骼连接；

所述脚部外骨骼的脚面板安装有足底力传感器。

优选的，所述下肢可穿戴外骨骼机器人包括：大腿外骨骼、髋关节髋部外骨骼和上位机；

所述大腿外骨骼通过所述髋关节与所述髋部外骨骼相连，所述髋关节内含用于带动所述大腿外骨骼前后摆动的前后驱动电机，和用于带动所述大腿外骨骼左右摆动的左右驱动电机；

所述大腿外骨骼安装有大腿姿态传感器和大腿肌电仪，所述大腿姿态传感器能够可以测量使用者的大腿与竖直方向的实际夹角，所述大腿肌电仪能够根据所述使用者大腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角，所述上位机能够根据所述实际夹角和所述期望夹角进行误差计算并向所述前后驱动电机和所述左右驱动电机发送力矩补偿控制指令。

优选的，所述下肢可穿戴外骨骼机器人包括多个外骨骼，若干个所述外骨骼上固定有织布绑带。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其的优点与积极效果为：

1、本实用新型设计了一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，相对于传统的下肢可穿戴康复机器人来说添加了随动机器人，解决了下肢可穿戴康复机器人难以维持使用者平衡的问题，当使用者遇到意外情况失去平衡时，随动机器人可以支撑使用者，防止其摔倒造成二次伤害。

2、本实用新型设计的随动机器人的支撑架高度可调，可以适用于不同高度的人群，提高了康复系统的实用性。

3、本实用新型设计的双目立体视觉测距系统相对于激光测距等测距方式来讲，对于运动物体的测距精度更高，鲁棒性更强。

4、本实用新型设计的随动机器人可以自动跟随使用者运动，并可以与使用者之间的距离保持在之前设置的安全距离区间内，实现了随动的功能。

5、本实用新型设计的下肢可穿戴康复机器人中的姿态传感器可以测量使用者大小腿与竖直方向之间的夹角，上位机将夹角与期望夹角进行误差计算并进行误差的反向传播，对下肢可穿戴康复机器人实现力矩补偿控制。利用姿态传感器和肌电仪可以实时获取使用者的运动参数，检测并判断使用者的运动意图，从而调整辅助力矩大小。实现了运动减重的功能，提高了患者的康复效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的随动式下肢步态训练康复机器人的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的随动机器人的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的下肢外骨骼机器人的整体结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的下肢外骨骼机器人的控制流程图；

图5为本实用新型实施例提供的随动机器人的控制流程图；

图6为本实用新型实施例提供的随动机器人的驱动轮、驱动电机和联轴器的结构示意图。

其中，1为支撑架，2为万向轮，3为驱动轮，4为驱动轮外壳，5脚部外骨骼，6织布绑带，7为小腿外骨骼，8为织布绑带，9为膝关节，10为大腿外骨骼，11为髋关节，12为织布绑带，13为左右驱动电机，14为安全绳，15为双目摄像机，16为伺服电机，17为便携计算机，18为足底力传感器，19为小腿驱动电机，20为前后驱动电机，21为髋部外骨骼，22小腿姿态传感器，23为小腿肌电仪，24为大腿姿态传感器，25为大腿肌电仪，26为支撑架升降机构，27为固定件，28为腰部外骨骼，29为车轮驱动电机，30为联轴器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供的随动式下肢步态训练康复机器人系统，包括连接的下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人，其结构可以参照图1和图2所示；

随动机器人包括支撑架1及安装于其的行走机构和驱动机构。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型实施例设计了一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，下肢可穿戴外骨骼机器人固定在病人的下肢和腰部，根据患者的步态提供行走助力，帮助患者完成行走动作；随动机器人和下肢可穿戴外骨骼机器人相连，起到支撑患者和减重的作用，并且根据病人的行走实现相应的跟随移动。本方案相对于传统的下肢可穿戴康复机器人来说添加了随动机器人，解决了下肢可穿戴康复机器人难以维持使用者平衡的问题，当使用者遇到意外情况失去平衡时，随动机器人可以支撑使用者，防止其摔倒造成二次伤害。本实用新型主要针对性地解决中枢神经损伤后所导致的各种下肢运动功能障碍，为使用者提供安全化、长效化、大范围的步态训练并提高患者下肢康复训练的效率。

进一步的，支撑架1高度可调，可以适用于不同高度的人群，提高了康复系统的实用性，提供了垂直自由度。作为优选，随动机器人还包括伺服电机16和升降机构26，其结构可以参照图1和图2所示，伺服电机16带动升降机构26运动可以调节支撑架1的高度，稳定可靠。

具体的，行走机构包括固定于支撑架1的万向轮2，提供了平移自由度。其结构可以参照图1和图2所示，四个万向轮2固定在支撑架1的底部。

在本实施例中，驱动机构包括驱动轮3、车轮驱动电机29和联轴器30；

其中，车轮驱动电机29固定于支撑架1，车轮驱动电机29通过联轴器30与驱动轮3连接，可精准控制支撑架1的平移。

为了进一步优化上述的技术方案，下肢可穿戴外骨骼机器人通过安全绳14和随动机器人连接。其结构可以参照图1所示，采用安全绳14柔性连接舒适可靠。

作为优选，随动机器人还包括双目摄像头15和上位机，上位机能够根据双目摄像头15拍摄的视频识别出使用者的身体轮廓并控制驱动机构驱使支撑架1移动跟踪使用者。双目摄像头15将拍摄的视频传入上位机中，通过深度学习的算法进行目标分割，目标检测，目标识别和目标跟踪，识别出使用者的身体轮廓并对其进行跟踪，通过Python和OpenCV联合的双目立体视觉测距系统，计算出使用者和双目摄像头15之间的距离，将此距离用于随动机器人的控制中，使随动机器人和使用者之间的距离始终保持在之前设定的安全范围之内，实现随动的功能。本实用新型实施例采用的双目立体视觉测距系统相对于激光测距等测距方式来讲，对于运动物体的测距精度更高，鲁棒性更强。

针对小腿部分，下肢可穿戴外骨骼机器人包括：小腿外骨骼7、膝关节9、大腿外骨骼10和上位机，其结构可以参照图1和图3所示；

其中，小腿外骨骼7通过膝关节9与大腿外骨骼10相连，膝关节9内含的小腿驱动电机19能够带动小腿外骨骼7和大腿外骨骼10相连进行相对转动；

小腿外骨骼7安装有小腿姿态传感器22和小腿肌电仪23，小腿姿态传感器22能够可以测量使用者的小腿与竖直方向的实际夹角，小腿肌电仪23能够根据使用者小腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角，上位机能够根据实际夹角和期望夹角进行误差计算并向小腿驱动电机19发送力矩补偿控制指令，从而调整辅助力矩大小。实现了运动减重的功能，提高了患者的康复效率。

为了进一步优化上述的技术方案，下肢可穿戴外骨骼机器人还包括：脚部外骨骼5和踝关节；脚部外骨骼5通过踝关节与小腿外骨骼7连接，其结构可以参照图1和图3所示；

脚部外骨骼5的脚面板安装有足底力传感器18，足底力传感器18可以提取患者脚底的作用力，从而获取患者的运动意图。

针对大腿部分，下肢可穿戴外骨骼机器人包括：大腿外骨骼10、髋关节11髋部外骨骼21和上位机，其结构可以参照图1和图3所示；

大腿外骨骼10通过髋关节11与髋部外骨骼21相连，髋关节11内含用于带动大腿外骨骼10前后摆动的前后驱动电机20，和用于带动大腿外骨骼10左右摆动的左右驱动电机13；

大腿外骨骼10安装有大腿姿态传感器24和大腿肌电仪25，大腿姿态传感器24能够可以测量使用者的大腿与竖直方向的实际夹角，大腿肌电仪25能够根据使用者大腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角，上位机能够根据实际夹角和期望夹角进行误差计算并向前后驱动电机20和左右驱动电机13发送力矩补偿控制指令，从而实现对患者大腿运动提供助力的功能。

为了进一步优化上述的技术方案，下肢可穿戴外骨骼机器人包括多个外骨骼，若干个外骨骼上固定有织布绑带。其结构可以参照图1和图3所示，脚部外骨骼5、小腿外骨骼7、大腿外骨骼10、髋部外骨骼13和腰部外骨骼28上分别固定有织布绑带6、8、12，分别将使用者的脚部、小腿、大腿和腰部固定，起到安全保护的作用，同时每个织布绑带内都含有缓冲海绵，提高了装备的穿戴舒适性。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

本实用新型实施例提供的随动式下肢步态训练康复机器人系统，包括下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人，具体结构和连接关系是：

如图1到6所示，所述的随动机器人包括支撑架1、万向轮2、驱动轮3，联轴器30、驱动轮外壳4、车轮驱动电机29、双目摄像头15、便携计算机17、电源组成。四个万向轮2固定在支撑架1的底部；车轮驱动电机29一面固定在支撑架1上，另一面通过联轴器30与驱动轮3连接；双目摄像头15和便携计算机17通过固定件27固定在支撑架1上，驱动轮外壳4固定在驱动轮3的外侧。

所述的下肢可穿戴外骨骼机器人包括脚部外骨骼5、小腿外骨骼7、大腿外骨骼10、髋部外骨骼21和腰部外骨骼28组成。脚部外骨骼5通过踝关节与小腿外骨骼7连接，踝关节具有一个旋转自由度；小腿外骨骼7通过膝关节9与大腿外骨骼10相连，膝关节9内含的小腿驱动电机19带动小腿外骨骼7和大腿外骨骼10进行相对转动；大腿外骨骼10通过髋关节11与髋部外骨骼21相连，髋关节11内含四个驱动电机13、20，其中两个前后驱动电机20带动大腿进行前后摆动。另外两个左右驱动电机13带动大腿左右摆动；腰部外骨骼28固定在髋部外骨骼21的上面，起到固定腰部的作用。

所述的脚部外骨骼5的脚面板上安装有足底力传感器18，足底力传感器18可以提取患者脚底的作用力，从而获取患者的运动意图。

所述的小腿外骨骼7上安装有姿态传感器22和肌电仪23。姿态传感器22中包含三轴陀螺仪和三轴加速度计和三轴电子罗盘等辅助运动传感器，可以测量患者的小腿与竖直方向的夹角、小腿加速度的大小和磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态的测量，从而判断患者的运动状态，肌电仪23可以采集使用者小腿上的肌电信号，进行信号处理后，可以预测使用者小腿的运动意图，上位机根据使用者的运动状态和运动意图，进行力矩补偿控制，调节小腿补偿力矩的大小，从而实现对患者小腿运动提供助力的功能。

所述的大腿外骨骼10上安装有姿态传感器24和肌电仪25。姿态传感器24中包含三轴陀螺仪和三轴加速度计和三轴电子罗盘等辅助运动传感器，可以测量患者的大腿与竖直方向的夹角、大腿加速度的大小和磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态的测量，从而判断患者的运动状态，肌电仪25可以采集使用者大腿上的肌电信号，进行信号处理后，可以预测使用者大腿的运动意图，上位机根据使用者的运动状态和运动意图，进行力矩补偿控制，调节大腿补偿力矩的大小，从而实现对患者大腿运动提供助力的功能。

所述的膝关节9和髋关节11内含的轴式电机都是直流伺服电机，电机的内圈是输出端，经过100:1谐波减速器减速后，输出速度较低。电机上都连接有绝对值编码器，可以测量关节的转角度数，并将数据作为反馈信号传入控制系统进行误差补偿。

所述的脚部外骨骼5、小腿外骨骼7、大腿外骨骼10、髋部外骨骼13和腰部外骨骼28上都固定有织布绑带6、8、12，分别将使用者的脚部、小腿、大腿和腰部固定，起到安全保护的作用，同时每个织布绑带内都含有缓冲海绵，提高了装备的穿戴舒适性。

所述的便携计算机17作为机器人的上位机，各个关节上的驱动器和伺服电机作为机器人的下位机，共同控制下肢可穿戴外骨骼机器人的运动。

所述的下肢可穿戴外骨骼机器人通过两根安全绳14和随动机器人连接。

所述的随动机器人中，伺服电机16带动升降机构26运动可以调节支撑架1的高度，可供不同高度的患者使用。

所述的便携计算机17和视觉服务器作为随动机器人的上位机，驱动轮3上的驱动器和车轮驱动电机29作为随动机器人的下位机，共同控制机器人的运动。

所述的双目摄像头15将拍摄的视频传入上位机中，通过深度学习的算法进行目标分割，目标检测，目标识别和目标跟踪，识别出使用者的身体轮廓并对其进行跟踪，通过Python和OpenCV联合的双目立体视觉测距系统，计算出使用者和双目摄像头15之间的距离，将此距离用于随动机器人的控制中，使随动机器人和使用者之间的距离始终保持在之前设定的安全范围之内，实现随动的功能。

所述的随动机器人的驱动轮外壳4固定在驱动轮3的外侧，同时盖住车轮驱动电机29、联轴器30和驱动轮3，起到美观的作用。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其的优点与积极效果为：

1、本实用新型设计了一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，相对于传统的下肢可穿戴康复机器人来说添加了随动机器人，解决了下肢可穿戴康复机器人难以维持使用者平衡的问题，当使用者遇到意外情况失去平衡时，随动机器人可以支撑使用者，防止其摔倒造成二次伤害。

2、本实用新型设计的随动机器人的支撑架高度可调，可以适用于不同高度的人群，提高了康复系统的实用性。

3、本实用新型设计的双目立体视觉测距系统相对于激光测距等测距方式来讲，对于运动物体的测距精度更高，鲁棒性更强。

4、本实用新型设计的随动机器人可以自动跟随使用者运动，并可以与使用者之间的距离保持在之前设置的安全距离区间内，实现了随动的功能。

5、本实用新型设计的下肢可穿戴康复机器人中的姿态传感器可以测量使用者大小腿与竖直方向之间的夹角，上位机将夹角与期望夹角进行误差计算并进行误差的反向传播，对下肢可穿戴康复机器人实现力矩补偿控制。利用姿态传感器和肌电仪可以实时获取使用者的运动参数，检测并判断使用者的运动意图，从而调整辅助力矩大小。实现了运动减重的功能，提高了患者的康复效率。

综上所述，本实用新型实施例公开一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，分为下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人。整个系统包括随动机器人的两个平移自由度、两个垂直减重自由度和可穿戴机器人的双腿髋膝六个旋转自由度。下肢可穿戴外骨骼机器人固定在病人的下肢和腰部，根据患者的步态提供行走助力，帮助患者完成行走动作；随动机器人和下肢可穿戴外骨骼机器人相连，起到支撑患者和减重的作用，并且根据病人的行走实现相应的跟随移动。本实用新型主要针对性地解决中枢神经损伤后所导致的各种下肢运动功能障碍，为使用者提供安全化、长效化，大范围的步态训练并提高患者下肢康复训练的效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，包括通过安全绳(14)连接的下肢可穿戴外骨骼机器人和随动机器人；

所述随动机器人包括支撑架(1)及安装于其的行走机构和驱动机构；所述随动机器人还包括双目摄像头(15)和上位机，所述上位机能够根据所述双目摄像头(15)拍摄的视频识别出使用者的身体轮廓并控制所述驱动机构驱使所述支撑架(1)移动跟踪所述使用者。

2.根据权利要求1所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述支撑架(1)高度可调。

3.根据权利要求1所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述行走机构包括固定于所述支撑架(1)的万向轮(2)。

4.根据权利要求1所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述驱动机构包括驱动轮(3)、车轮驱动电机(29)和联轴器(30)；

所述车轮驱动电机(29)固定于所述支撑架(1)，所述车轮驱动电机(29)通过所述联轴器(30)与所述驱动轮(3)连接。

5.根据权利要求1所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述下肢可穿戴外骨骼机器人包括：小腿外骨骼(7)、膝关节(9)和大腿外骨骼(10)；

所述小腿外骨骼(7)通过所述膝关节(9)与所述大腿外骨骼(10)相连，所述膝关节(9)内含的小腿驱动电机(19)能够带动所述小腿外骨骼(7)和所述大腿外骨骼(10)相连进行相对转动；

所述小腿外骨骼(7)安装有小腿姿态传感器(22)和小腿肌电仪(23)，所述小腿姿态传感器(22)能够可以测量使用者的小腿与竖直方向的实际夹角，所述小腿肌电仪(23)能够根据所述使用者小腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角，所述上位机能够根据所述实际夹角和所述期望夹角进行误差计算并向所述小腿驱动电机(19)发送力矩补偿控制指令。

6.根据权利要求5所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述下肢可穿戴外骨骼机器人还包括：脚部外骨骼(5)和踝关节；所述脚部外骨骼(5)通过所述踝关节与所述小腿外骨骼(7)连接；

所述脚部外骨骼(5)的脚面板安装有足底力传感器(18)。

7.根据权利要求1所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述下肢可穿戴外骨骼机器人包括：大腿外骨骼(10)、髋关节(11)和髋部外骨骼(21)；

所述大腿外骨骼(10)通过所述髋关节(11)与所述髋部外骨骼(21)相连，所述髋关节(11)内含用于带动所述大腿外骨骼(10)前后摆动的前后驱动电机(20)，和用于带动所述大腿外骨骼(10)左右摆动的左右驱动电机(13)；

所述大腿外骨骼(10)安装有大腿姿态传感器(24)和大腿肌电仪(25)，所述大腿姿态传感器(24)能够可以测量使用者的大腿与竖直方向的实际夹角，所述大腿肌电仪(25)能够根据所述使用者大腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角，所述上位机能够根据所述实际夹角和所述期望夹角进行误差计算并向所述前后驱动电机(20)和所述左右驱动电机(13)发送力矩补偿控制指令。

8.根据权利要求1所述的随动式下肢步态训练康复机器人系统，其特征在于，所述下肢可穿戴外骨骼机器人包括多个外骨骼，若干个所述外骨骼上固定有织布绑带。

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