CN212382917U - 一种下肢康复训练设备及其双足末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种下肢康复训练设备及其双足末端执行器；双足末端执行器包括结构相同且平行设置的两套执行装置；每套执行装置均包括用于实现相应足部前进后退运动的直线运动机构、与直线运动机构连接且用于实现足部高度抬升的抬升机构、以及与抬升机构连接且用于实现踝关节转动的踝关节转动机构。下肢康复训练设备包括支撑框架、用于在训练时对人体进行减重控制的减重支撑机构、用于进行步态训练的双足末端执行器、用于在人体下肢进行步态训练时对人体骨盆的位置和姿态进行协同调整以实现平衡的骨盆位姿调整机构。本实用新型既能实现下肢关节运动，又能实现骨盆协同运动；可有效改善患者的步行能力和平衡能力。

Description

一种下肢康复训练设备及其双足末端执行器

技术领域

本实用新型涉及康复器材领域，尤其涉及一种双足末端执行器及用于步态平衡训练的下肢康复训练设备。

背景技术

目前，市场出现了很多针对中风后遗症患者、脊髓损伤、脑卒中、颅脑外伤、意外事故以及先天腿部残疾等引起的下肢运动功能障碍患者进行步态训练的下肢康复训练设备。

但是目前下肢康复训练设备存在以下缺陷：一方面，部分下肢康复训练设备结构复杂，体积庞大，价格昂贵，使用维修非常不方便，不利于使用和推广。另一方面，大多数下肢康复训练设备只注重肌肉和下肢关节活动的恢复，很少关注平衡训练，康复手段较为单一，骨盆运动受限。

研究发现：骨盆既是躯干的支撑基础，又是下肢的驱动结构，起到了承上启下的重要作用。从人体移动、转向的生物学、人体结构学角度看，骨盆是连接躯干、下肢的枢纽、对人体保持正常姿态完成下肢运动发挥着重要作用。在正常步行中躯干的旋转因上肢的摆动而加大，躯干与骨盆相反方向旋转，骨盆运动并且沿着重心上下、左右移动。大多数的运动障碍和异常运动模式，都可以在骨盆控制的能力缺失上找到答案。骨盆运动涉及多个关节，人体通过骨盆相应的运动形式可调节重力平衡、维持身体稳定。

鉴于此，亟需针对现有技术进行改进，研发设计一种进行康复训练时，可辅助人体进行下肢关节运动训练的装置；以及在进行下肢关节运动同时也可进行骨盆协同运动训练的下肢康复训练设备，以实现步行能力和平衡能力的同时恢复。

实用新型内容

旨在克服上述现有技术中存在的不足，本实用新型解决的第一个技术问题是，提供一种双足末端执行器，用于下肢康复训练设备，可辅助患者进行步态训练既下肢关节运动训练，其结构简单，使用便捷。

作为同一个实用新型构思，本实用新型解决的第二个技术问题是，提供了一种下肢康复训练设备，既能进行下肢关节运动训练，同时又能进行骨盆协同运动训练；可有效改善患者的步行能力和平衡能力。

本实用新型解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种双足末端执行器，用于下肢康复训练设备；所述双足末端执行器包括结构相同且平行设置的两套执行装置；

每套所述执行装置均包括用于实现相应足部前进后退的直线运动机构、与所述直线运动机构连接且用于实现足部高度抬升的抬升机构、以及与所述抬升机构连接且用于实现踝关节转动的踝关节转动机构。

进一步，所述直线运动机构包括安装板和安装座；所述安装板和所述安装座之间设置有滑轨，所述滑轨上滑动安装有滑块，所述安装板和所述安装座之间转动安装有丝杠轴，所述丝杠轴与所述滑块螺纹连接；

所述安装座上设置有用于驱动所述丝杠轴转动的第一电机，所述第一电机上设置有第一电机编码器。

进一步，所述抬升机构包括与所述滑块连接的第一驱动单元和与所述第一驱动单元的旋转动力输出端连接的力臂杆，所述力臂杆上设置有用于安装所述踝关节转动机构的安装槽。

进一步，所述踝关节转动机构包括设置于所述安装槽内的第二驱动单元，所述第二驱动单元的旋转动力输出端穿出所述力臂杆与脚踏板连接；所述脚踏板上设置有足底压力传感器。

进一步，所述第一驱动单元包括第二电机和与所述第二电机连接的第一直角减速机，所述第二电机上设置有第二电机编码器，所述第一直角减速机的旋转动力输出端连接所述力臂杆；

所述第二驱动单元包括第三电机和与所述第三电机连接的第二直角减速机，所述第三电机上设置有第三电机编码器；所述第二直角减速机的旋转动力输出端连接所述脚踏板。

进一步，所述双足末端执行器还包括一端敞口的罩壳，所述罩壳的封闭端设有两个避让槽；所述直线运动机构位于所述罩壳内，与所述直线运动机构连接的连接板通过一所述避让槽伸出所述罩壳外与位于所述罩壳外的所述抬升机构连接。

本实用新型解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种下肢康复训练设备，用于步态平衡训练；包括支撑框架、减重支撑机构、骨盆位姿调整机构以及所述的用于下肢康复训练设备的双足末端执行器；

所述减重支撑机构设置于所述支撑框架的顶部，用于在训练时对人体进行减重控制和重心高度控制；

所述双足末端执行器设置于所述支撑框架的底部或设置于所述支撑框架内的地面上，用于辅助人体下肢按照预设运动轨迹进行步态训练；

所述骨盆位姿调整机构设置于所述支撑框架的侧部，用于在人体下肢进行所述步态训练时对人体骨盆的位置和姿态进行协同调整以实现平衡。

进一步，所述减重支撑机构包括设置于所述支撑框架顶部的第一绳索驱动器、设置于所述第一绳索驱动器上的第一绳索以及与所述第一绳索连接且用于人体腋下佩戴的安全带，所述第一绳索上设置有第一拉力传感器；

所述第一绳索驱动器包括第一驱动电机和设置于所述第一驱动电机的输出端的第一绞盘，所述第一驱动电机上设置有第四电机编码器。

进一步，所述骨盆位姿调整机构包括用于佩戴在所述人体骨盆上的骨盆夹持结构和四个与所述骨盆夹持结构连接并用于对所述人体骨盆进行不同方位调整的调整单元。

进一步，每个所述调整单元均包括设置于所述支撑框架底部的第二绳索驱动器、设置于所述第二绳索驱动器上的第二绳索、设置于所述支撑框架的竖梁上用于对所述第二绳索进行支撑导向的绳索导向架；所述第二绳索与所述骨盆夹持结构连接，所述第二绳索上设置有第二拉力传感器；

所述第二绳索驱动器包括第二驱动电机和设置于所述第二驱动电机的输出端的第二绞盘，所述第二驱动电机上设置有第五电机编码器。

采用上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型双足末端执行器；其中，双足末端执行器包括结构相同且平行设置的两套执行装置；每套执行装置均包括用于实现相应足部前进后退的直线运动机构、与直线运动机构连接且用于实现足部高度抬升的抬升机构、以及与抬升机构连接且用于实现踝关节转动的踝关节转动机构。三个机构按照预设运动轨迹进行相应动作，以辅助人体下肢进行步态训练既下肢关节运动训练；其结构简单，使用便捷。

其中，下肢康复训练设备包括支撑框架、减重支撑机构、上述双足末端执行器和骨盆位姿调整机构。减重支撑机构设置于支撑框架的顶部，用于在训练时对人体进行减重控制；双足末端执行器设置于支撑框架的底部或设置于支撑框架内的地面上，用于主动或被动辅助人体下肢按照预设运动轨迹(通过试验模拟出的正常人行走轨迹)进行步态训练；骨盆位姿调整机构，设置于支撑框架的侧部，用于在人体下肢进行步态训练时对人体骨盆的位置和姿态进行协同调整(下肢运动的同时骨盆协同运动)以实现平衡。既通过控制骨盆重心与足部的相对位置实现下肢关节运动，通过减重步行训练满足下肢运动障碍患者的康复需求。

综上，本实用新型的下肢康复训练设备既能实现下肢关节运动训练，又能实现骨盆协同运动训练；有效改善了患者的步行能力和平衡能力。

附图说明

图1是本实用新型下肢康复训练设备实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例在使用状态下的参考图；

图3是图1中减重支撑机构的结构示意图；

图4是本实用新型双足末端执行器实施例的动作原理示意图；

图5是本实用新型双足末端执行器实施例的结构示意图；

图6是图5在某一使用状态下的状态参考图；

图7是图5省略罩壳后的结构示意图；

图8是图7中一套执行装置的结构示意图；

图9是图8的结构分解图；

图10是图9中第一驱动单元的结构分解图；

图11是图9中力臂杆另一状态下的结构示意图；

图12是图1中骨盆位姿调整机构的结构示意图；

图中：1-支撑框架，11-横梁，12-纵梁，13-竖梁，2-减重支撑机构，21-第一驱动电机，22-第一绳索，23-安全带，24-第一拉力传感器，3-双足末端执行器，31-执行装置，311-直线运动机构，3111-安装板，3112-滑轨，3113-滑块，3114-丝杠轴，3115-第一电机，3116-安装座，3117-L形安装板，312-抬升机构，3120-第一驱动单元，3121-第二电机，3122-第一直角减速机，3123-力臂杆，3124-安装槽，313-踝关节转动机构，3130-第二驱动单元，3131-第三电机，3132-第二直角减速机，3133-脚踏板，32-罩壳，321-避让槽，4-骨盆位姿调整机构，41-骨盆夹持结构，42-调整单元，421-第二驱动电机，422-第二绳索，423-绳索导向架，424-第二拉力传感器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型中的双足末端执行器3属于下肢康复训练设备的部分结构，下面直接以肢康复设备为例进行详细阐述。

由图1和图2共同所示，一种下肢康复训练设备，主要包括支撑框架1(有多根横梁11、纵梁12和竖梁13焊接而成)、减重支撑机构2、双足末端执行器3和骨盆位姿调整机构4。

其中，减重支撑机构2设置于支撑框架1的顶部，用于在步态平衡训练时对人体进行减重控制和重心高度控制；双足末端执行器3设置于支撑框架1的底部或设置于支撑框架1内的地面上，用于主动或被动辅助人体下肢按照预设运动轨迹(通过试验模拟出的人体正常行走的运动轨迹，参见图4)进行步态训练；骨盆位姿调整机构4设置于支撑框架1的侧部，用于在人体下肢进行步态训练时对人体骨盆的位置和姿态进行协同调整，使人体骨盆随下肢运动进行协同运动；以实现平衡。

除上述机械结构之外，具体使用时还需要匹配一个控制器(通常包括驱动模块、存储计算模块和控制模块)；利用控制器来控制减重支撑机构2、双足末端执行器3和骨盆位姿调整机构4进行相应动作。控制器(图中未示出)的核心为可编程PLC或单片机；控制器用于控制上述机构执行相应动作的方式是本领域技术人员所惯用的，在此不做赘述。

下面针对上述机械结构进行详细阐述：

由图3所示，本实施例中，减重支撑机构2包括设置于支撑框架1顶部的第一绳索驱动器、设置于第一绳索驱动器上的第一绳索22以及与第一绳索22连接且用于人体腋下佩戴的安全带23，第一绳索22上设置有第一拉力传感器24(优选为S型拉力传感器)；其中，第一绳索驱动器包括第一驱动电机21(交流伺服电机)和设置于第一驱动电机21的输出端的第一绞盘(图中未示出，用于盘绳索和放绳索)，第一驱动电机21的输出端设置有第四电机编码器(图中未示出，第四电机编码器以及下面所提到的电机编码器主要用于向控制器反馈测量的磁极位置、转角及转速，其工作原理和具体安装为本领域所熟知的技术手段，在此不做赘述)；第一驱动电机21、第四电机编码器和第一拉力传感器24均与控制器电连接。控制器基于第一拉力传感器24传送的数据与设定减重值的差值来确定驱动力矩或速度，从而控制第一驱动电机21，保证减重控制。

如图4至图11共同所示，本实施例中，双足末端执行器3(工作原理与跑步机相似)包括结构相同且平行设置的的两套执行装置31和一端敞口的罩壳32；每套执行装置31均包括用于实现相应足部前进后退运动的直线运动机构311、与直线运动机构311连接且用于实现足部高度抬升的抬升机构312、与抬升机构312连接且用于实现踝关节转动的踝关节转动机构313。

罩壳32的封闭端设有两个避让槽321；直线运动机构311位于罩壳32内，与直线运动机构311连接的连接板(既L形安装板3117)通过对应的避让槽321伸出罩壳32外与位于罩壳32外的抬升机构312连接。

本实施例中，直线运动机构311的具体实施结构为：直线运动机构311包括安装板3111和安装座3116；安装板3111和安装座3116之间设置有滑轨3112，滑轨3112上滑动安装有滑块3113，安装板3111和安装座3116之间转动安装有丝杠轴3114，丝杠轴3114与滑块3113螺纹连接；安装座3116上设置有用于驱动丝杠轴3114转动的第一电机3115，丝杠轴3114的旋转运动转换为滑块3113在滑轨3112上的往复直线运动，完成足部的前进后退动作。L形安装板3117的横向延伸部与滑块3113固定连接；竖向延伸部通过避让槽321伸出罩壳32外与位于罩壳32外的抬升机构312连接。第一电机3115上设置有第一电机编码器。第一电机3115和第一电机编码器均与控制器电连接。

抬升机构312包括借助L形安装板3117与滑块3113连接的第一驱动单元3120，第一驱动单元3120的旋转动力输出端穿出L形安装板3117的竖向延伸部与力臂杆3123通过键连接结构连接，力臂杆3123在随旋转动力输出端旋转时，在竖直平面内完成了足部的抬升动作；力臂杆3123上设置有安装槽3125。

其中，第一驱动单元3120包括第二电机3121和与第二电机3121连接的第一直角减速机3122，第一直角减速机3122的旋转动力输出端连接力臂杆3123；第二电机3121上设置有第二电机编码器，第二电机3121和第二电机编码器均与控制器电连接。

踝关节转动机构313包括设置于力臂杆3123的安装槽3125内的第二驱动单元3130和与第二驱动单元3130的旋转动力输出端(穿出力臂杆3123外)通过键连接结构连接的脚踏板3133，脚踏板3133在随旋转动力输出端旋转时，完了踝关节的转动。

其中，第二驱动单元3130包括第三电机3131和与第三电机3131连接的第二直角减速机3132，第二直角减速机3132的旋转动力输出端连接脚踏板3133；第三电机3131上设置有第三电机编码器，第三电机3131和第三电机编码器均与控制器电连接。

控制器基于第一、第二、第三电机编码器传送的位移信号可以获知各个运动关节的位置，从而可以判断出患者下肢所处的运动状态；并按照预设运动轨迹对第一电机3115、第二电机3121、第三电机3131进行控制，使下肢关节按照预设运动轨迹进行运行。

本实用新型还具有人机交互功能；脚踏板3133上设置有与控制器电连接用于人机交互的足底压力传感器；足底压力传感器主要用于监测足底压力信号，控制器基于足底压力信号进行运动意图识别和运动控制，实现对人体下肢运动的主动步态辅助训练。另，包含足底压力传感器的双足末端执行器3可形成动态平衡评估系统，实现平衡训练和平衡评估。利用足底压力传感器可以获知患者重心和压心的位置，通过重心轨迹、矩形面积，前后、左右偏移量等，可对患者的平衡能力进行评分，在此不做详细阐述。

由图12所示，本实施例中，骨盆位姿调整机构4包括用于佩戴在人体骨盆上的骨盆夹持结构41和四个与骨盆夹持结构41连接并用于对人体骨盆进行不同方位调整的调整单元42。其中，骨盆夹持结构41为环形结构(类似卡箍)。

每个调整单元42均包括设置于支撑框架1底部的第二绳索驱动器、设置于第二绳索驱动器上的第二绳索422、设置于支撑框架1的竖梁13上用于对第二绳索422进行支撑导向的绳索导向架423；第二绳索422与骨盆夹持结构41连接，进行骨盆中心所在水平面中力场的创建，第二绳索422上设置有第二拉力传感器424(优选S型拉力传感器)；其中，第二绳索驱动器包括第二驱动电机421(交流伺服电机)和设置于第二驱动电机421的输出端的第二绞盘，第二驱动电机421上也设置有第五电机编码器；第二驱动电机421、第五电机编码器和第二拉力传感器424均与控制器电连接。

控制器基于骨盆位姿调整机构4中的四个第五电机编码器传送的位移信号和四个第二拉力传感器424传送的拉力信号(足底压力传感器的压力信号也可考虑)可以获知当前人体骨盆的运动轨迹、受力情况和重心偏移情况等，按照目标骨盆轨迹和重心轨迹控制四个调整单元42中的第二驱动电机421做相应动作，驱动人体骨盆进行水平旋转、侧方旋转和前后旋转，在步态训练时实现人体骨盆位置和姿态的协同调整。

下面对被动步态辅助训练和主动步态辅助训练进行简要阐述，以便于对本实施例的深入理解。

被动步态辅助训练：双足末端执行器3控制双足位置，骨盆位姿调整机构4控制骨盆位姿，两部分配合控制膝、踝、髋关节和骨盆的运动，即实现了减重步行训练。

主动步态辅助训练：通过足底压力传感器进行运动意图识别和运动控制，根据患者的运动意图控制双足位置和骨盆位姿，两部分配合控制膝、踝、髋关节和骨盆的运动，关节运动即可刺激肌肉收缩，保持肌力，刺激神经，大脑参与运动进行试错和运动再学习，重建神经回路，达到康复的目的。

患者在进行步态平衡训练时；双足末端执行器3、减重支撑机构2和骨盆位姿调整机构4相互配合；在进行下肢关节运动训练的同时，进行减重控制和骨盆协同运动训练，有效改善了患者的步行能力和平衡能力。

以上所述仅为本实用新型的优选的实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型设计原理的前提下，还可作出若干变形和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种双足末端执行器，用于下肢康复训练设备；其特征在于，所述双足末端执行器包括结构相同且平行设置的两套执行装置；

每套所述执行装置均包括用于实现相应足部前进后退的直线运动机构、与所述直线运动机构连接且用于实现足部高度抬升的抬升机构、以及与所述抬升机构连接且用于实现踝关节转动的踝关节转动机构。

2.如权利要求1所述的双足末端执行器，其特征在于，所述直线运动机构包括安装板和安装座；所述安装板和所述安装座之间设置有滑轨，所述滑轨上滑动安装有滑块，所述安装板和所述安装座之间转动安装有丝杠轴，所述丝杠轴与所述滑块螺纹连接；

所述安装座上设置有用于驱动所述丝杠轴转动的第一电机，所述第一电机上设置有第一电机编码器。

3.如权利要求2所述的双足末端执行器，其特征在于，所述抬升机构包括与所述滑块连接的第一驱动单元和与所述第一驱动单元的旋转动力输出端连接的力臂杆，所述力臂杆上设置有用于安装所述踝关节转动机构的安装槽。

4.如权利要求3所述的双足末端执行器，其特征在于，所述踝关节转动机构包括设置于所述安装槽内的第二驱动单元，所述第二驱动单元的旋转动力输出端穿出所述力臂杆与脚踏板连接；所述脚踏板上设置有足底压力传感器。

5.如权利要求4所述的双足末端执行器，其特征在于，所述第一驱动单元包括第二电机和与所述第二电机连接的第一直角减速机，所述第二电机上设置有第二电机编码器，所述第一直角减速机的旋转动力输出端连接所述力臂杆；

所述第二驱动单元包括第三电机和与所述第三电机连接的第二直角减速机，所述第三电机上设置有第三电机编码器；所述第二直角减速机的旋转动力输出端连接所述脚踏板。

6.如权利要求1所述的双足末端执行器，其特征在于，所述双足末端执行器还包括一端敞口的罩壳，所述罩壳的封闭端设有两个避让槽；所述直线运动机构位于所述罩壳内，与所述直线运动机构连接的连接板通过一所述避让槽伸出所述罩壳外与位于所述罩壳外的所述抬升机构连接。

7.一种下肢康复训练设备，用于步态平衡训练；其特征在于，包括支撑框架、减重支撑机构、骨盆位姿调整机构以及权利要求1至6任一项所述的用于下肢康复训练设备的双足末端执行器；

所述减重支撑机构设置于所述支撑框架的顶部，用于在训练时对人体进行减重控制和重心高度控制；

所述双足末端执行器设置于所述支撑框架的底部或设置于所述支撑框架内的地面上，用于辅助人体下肢按照预设运动轨迹进行步态训练；

所述骨盆位姿调整机构设置于所述支撑框架的侧部，用于在人体下肢进行所述步态训练时对人体骨盆的位置和姿态进行协同调整以实现平衡。

8.如权利要求7所述的下肢康复训练设备，其特征在于，所述减重支撑机构包括设置于所述支撑框架顶部的第一绳索驱动器、设置于所述第一绳索驱动器上的第一绳索以及与所述第一绳索连接且用于人体腋下佩戴的安全带，所述第一绳索上设置有第一拉力传感器；

所述第一绳索驱动器包括第一驱动电机和设置于所述第一驱动电机的输出端的第一绞盘，所述第一驱动电机上设置有第四电机编码器。

9.如权利要求7所述的下肢康复训练设备，其特征在于，所述骨盆位姿调整机构包括用于佩戴在所述人体骨盆上的骨盆夹持结构和四个与所述骨盆夹持结构连接并用于对所述人体骨盆进行不同方位调整的调整单元。

10.如权利要求9所述的下肢康复训练设备，其特征在于，每个所述调整单元均包括设置于所述支撑框架底部的第二绳索驱动器、设置于所述第二绳索驱动器上的第二绳索、设置于所述支撑框架的竖梁上用于对所述第二绳索进行支撑导向的绳索导向架；所述第二绳索与所述骨盆夹持结构连接，所述第二绳索上设置有第二拉力传感器；

所述第二绳索驱动器包括第二驱动电机和设置于所述第二驱动电机的输出端的第二绞盘，所述第二驱动电机上设置有第五电机编码器。

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