CN220967528U - 一种五自由度外骨骼下肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种五自由度外骨骼下肢康复机器人,具体涉及医疗康复设备技术领域。该机器人包括轮椅框架、下肢辅助机构和侧置箱体，轮椅框架设置有背部支撑、坐垫部、交叉支撑杆、主轮以及扶手；轮椅框架的左右两侧设置有侧置箱体；侧置箱体位于两个主轮的前侧；侧置箱体的顶部通过L型外接板与下肢辅助机构转动连接。本实用新型结构简单且重量轻，可减少神经损伤病人的运动负担且避免二次损伤的风险，通过对各驱动电机旋转角度与扭矩等参数及各关节间间距的调整，可针对不同病人调整合适的训练方案，保证稳定性、安全性的同时，具有较高的自由度。

Description

一种五自由度外骨骼下肢康复机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗康复设备技术领域，具体涉及一种五自由度外骨骼下肢康复机器人。

背景技术

康复医学研究认为，在神经系统受到损害的情况下，利用康复训练对神经系统进行重组或者代偿具有可行性，大脑可塑性为神经系统功能恢复提供强大理论支持。然而国内专业康复技术人员不足，康复医师与治疗医师之间又存在较大差距，使很多神经损伤病人得不到必要运动康复治疗或错过治疗最佳时机。

下肢康复机器人代替传统康复医师来辅助患者完成高效运动康复训练工作，可在保证康复训练所必要的强度与功能前提下有效缓解康复医师不足的现状。下肢康复机器人常见有坐、站、躺三种训练模式，均能为患者提供必要的恢复性运动机能规律性训练以及神经感知性训练。但国内现下对于相关康复机器人方面研究较少，所研究康复机器人在稳定性，舒适性和人机交互性等方面具有一定局限性；而下肢康复机器人的研究涉及机器人运动学、生物医学、电子学、计算机科学等众多领域，难以在短期内提供一套成熟可靠的设计方案。现通过结合机器人运动学与人体工程学，对传统康复机器人加以改装和升级，为脑损伤患者训练所需的下肢康复机器人提供一种可行性方案。本实用新型提供的康复机器人具有较高的自由度，稳定性和协调性更佳。

实用新型内容

为克服上述现有技术的不足，解决传统康复机器人稳定性和舒适性不佳，且自由度较低的问题。本实用新型提供了一种五自由度外骨骼下肢康复机器人，具体技术方案如下：

一种五自由度外骨骼下肢康复机器人，包括轮椅框架、下肢辅助机构和侧置箱体，所述轮椅框架设置有背部支撑、坐垫部、交叉支撑杆、主轮以及扶手；所述交叉支撑杆设置在坐垫部的下方；所述扶手对称设置在坐垫部的左右两侧；所述背部支撑的上部对称设置有手柄；所述主轮位于轮椅框架的左右两侧，所述主轮外侧设置有握环；所述轮椅框架的底部前端对称设置有两个辅轮；所述轮椅框架的左右两侧还设置有侧置箱体，且侧置箱体位于两个主轮的前侧；所述侧置箱体的顶部通过L型外接板与下肢辅助机构转动连接。

优选地，所述侧置箱体包括保护壳；所述保护壳内部设置有髋关节水平驱动装置，所述髋关节水平驱动装置包括第一减速电机，所述第一减速电机的输出轴通过联轴器与L型外接板水平段底部的第一传动轴相连；所述L型外接板的竖直段通过螺栓与下肢辅助机构连接板固定；所述髋关节水平驱动装置实现下肢辅助机构在水平面内的旋转运动。

优选地，所述下肢辅助机构共两件，且呈镜像对称设置在侧置箱体的顶部；每件所述下肢辅助机构均包括髋关节机构，膝关节机构和踝关节机构。

优选地，所述髋关节机构包括第二减速电机、腿部固定件和髋关节连接板；所述第二减速电机固定在下肢辅助机构连接板远离轮椅框架的一端；所述第二减速电机的输出轴与髋关节连接板的一端固定，所述腿部固定件设置在髋关节连接板远离第二减速电机的一侧；所述髋关节连接板设置有第一滑槽；所述腿部固定件设置有第一滑块。

还优选地，所述膝关节机构包括第三减速电机、膝关节固定件、膝关节第一连接板和膝关节第二连接板；所述膝关节第一连接板设置有第二滑槽；所述膝关节第二连接板上设置有第三滑槽；所述膝关节第一连接板和髋关节连接板通过腿部固定件上的第一滑块连接，并通过加紧盖紧固；所述第三减速电机固定在膝关节第一连接板远离第二减速电机的一端；所述第三减速电机的输出轴与膝关节第二连接板的一端固定；所述膝关节固定件设置在膝关节第二连接板远离第三减速电机的一侧；所述膝关节固定件设置有第二滑块。

还优选地，所述踝关节机构包括踝关节矢状面驱动装置和踝关节水平面驱动装置。

还优选地，所述踝关节矢状面驱动装置包括第四减速电机、踝关节连接板、L型脚踏连接板和脚踏板；所述第四减速电机安装在踝关节连接板远离第三减速电机的一端，所述第四减速电机的输出轴与L型脚踏连接板的竖直段固定；所述踝关节连接板设置有第四滑槽；所述膝关节第二连接板和踝关节连接板通过膝关节固定件上的第二滑块连接，并通过加紧盖紧固；所述脚踏板设置在L型脚踏连接板水平段的顶部；所述脚踏板的底部设置有第二传动轴。

进一步优选地，所述踝关节水平面驱动装置包括第五减速电机、大齿轮和小齿轮；所述第五减速电机固定在L型脚踏连接板水平段的底部；所述第五减速电机的输出轴与小齿轮连接，所述小齿轮与大齿轮之间啮合；所述大齿轮套装在第二传动轴上，并通过键配合固定；所述踝关节水平面驱动装置实现脚踏板在水平面内的旋转运动。

还进一步优选地，所述腿部固定件通过第一滑块可移动的设置在髋关节连接板和膝关节第一连接板上；所述膝关节固定件通过第二滑块可移动的设置在膝关节第二连接板上和踝关节连接板上。

更进一步优选地，所述主轮设置有锁定装置。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型结构简单、强度高、连接稳定且运动空间大，各运动部件的安装与运行符合人体工程学的同时，整体重量较轻，可减少神经损伤病人的运动负担、避免出现二次损伤的风险；

2)本实用新型中的髋关节水平驱动装置实现下肢辅助机构在水平面内的旋转运动；髋关节机构可以实现矢状面旋转运动；膝关节机构可以实现矢状面旋转运动；踝关节机构可以实现矢状面旋转运动、脚踏板可以实现水平面旋转运动。

3)本实用新型通过对自由度的合理分配，可提供与人体本身下肢关节运动空间几乎相同的运动范围，通过对各驱动电机与传动装置的控制完成人体下肢运动轨迹的模拟，并通过记录训练过程中各驱动电机旋转角度与扭矩等参数、调节各关节机构之间的间距，可针对不同病人调整更合适的康复训练。

附图说明

构成本申请的说明书附图用于提供对本申请的进一步理解，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型的侧视图；

图3为本实用新型的正视图；

图4为本实用新型中侧置箱体的内部结构示意图；

图5为图1中左侧下肢辅助机构俯视图；

图中，1-轮椅框架；101-背部支撑；102-坐垫部；103-交叉支撑杆；104-主轮；105-扶手；106-手柄；107-握环；108-辅轮；2-侧置箱体；201-第一减速电机；202-联轴器；203-L型外接板；204-第一传动轴；205-保护壳；3-下肢辅助机构连接板；4-下肢辅助机构；5-髋关节机构；501-第二减速电机；502-腿部固定件；503-髋关节连接板；5031-第一滑槽；6-膝关节机构；601-第三减速电机；602-膝关节固定件；603-膝关节第一连接板；6031-第二滑槽；604-膝关节第二连接板；6041-第三滑槽；7-踝关节机构；701-第四减速电机；702-踝关节连接板；7021-第四滑槽；703-L型脚踏连接板；704-脚踏板；705-第五减速电机；706-大齿轮；707-小齿轮。

具体实施方式

结合附图和实施例对本实用新型提供的一种五自由度外骨骼下肢康复机器人的具体实施方式进行进一步说明。

如图1-3所示，一种五自由度外骨骼下肢康复机器人，包括轮椅框架1、下肢辅助机构4和侧置箱体2，所述轮椅框架1设置有背部支撑101、坐垫部102、交叉支撑杆103、主轮104以及扶手105；其中，所述交叉支撑杆103设置在坐垫部102的下方，用于保证轮椅整体的稳定性，避免侧翻；所述扶手105对称设置在坐垫部102的左右两侧，方便病患身体支撑；所述背部支撑101靠上的位置对称设置有手柄106，方便他人协助推动轮椅；所述主轮104位于轮椅框架1的左右两侧，且主轮104上设置有握环107，供病患自己转动轮椅使用；优选地，所述主轮104上还设置有锁定装置，便于轮椅固定。另外，所述轮椅框架1的底部前端还对称设置有两个辅轮108；所述轮椅框架1的左右两侧均设置有侧置箱体2；所述侧置箱体2位于两个主轮104的前侧，且不妨碍车轮转动的位置；所述侧置箱体2的顶部通过L型外接板203与下肢辅助机构4转动连接。

如图4所示，侧置箱体2包括保护壳205；所述保护壳205内部设置有髋关节水平驱动装置，所述髋关节水平驱动装置包括第一减速电机201，所述第一减速电机201的输出轴通过联轴器202与L型外接板203水平段底部的第一传动轴204相连；所述L型外接板203的竖直段通过螺栓与下肢辅助机构连接板3固定连接；通过髋关节水平驱动装置可以实现下肢辅助机构4在水平面内的旋转运动。

如图5所示，下肢辅助机构4共两件，且呈镜像对称设置在轮椅的左右两侧；每件下肢辅助机构4均包括髋关节机构5，膝关节机构6和踝关节机构7。

其中，髋关节机构5包括第二减速电机501、腿部固定件502和髋关节连接板503；第二减速电机501固定在下肢辅助机构连接板3远离轮椅框架1的一端，且第二减速电机501的输出轴与髋关节连接板503的一端固定，其中，腿部固定件502设置在髋关节连接板503远离第二减速电机501的一侧(即下肢辅助机构4的内侧)；所述髋关节连接板503上设置有供腿部固定件502调节的第一滑槽5031；腿部固定件502设置有第一滑块。

膝关节机构6包括第三减速电机601、膝关节固定件602、膝关节第一连接板603和膝关节第二连接板604；其中，膝关节第一连接板603设置有第二滑槽6031；所述膝关节第二连接板604上设置有第三滑槽6041；膝关节第一连接板603和髋关节连接板503通过腿部固定件502上的第一滑块连接，并通过加紧盖紧固；第三减速电机601固定在膝关节第一连接板603远离第二减速电机501的一端；所述第三减速电机601的输出轴与膝关节第二连接板604的一端固定，通过第三减速电机601带动膝关节第二连接板604矢状面旋转；所述膝关节固定件602设置在膝关节第二连接板604远离第三减速电机601的一侧(即下肢辅助机构4的内侧)；优选地，膝关节固定件602设置有第二滑块。

优选地，踝关节机构7包括踝关节矢状面驱动装置和踝关节水平面驱动装置；

其中，所述踝关节矢状面驱动装置包括第四减速电机701、踝关节连接板702、L型脚踏连接板703和脚踏板704；第四减速电机701安装在踝关节连接板702远离第三减速电机601的一端，第四减速电机701的输出轴与L型脚踏连接板703的竖直段固定，通过第四减速电机701带动L型脚踏连接板703矢状面旋转；所述踝关节连接板702设置有第四滑槽7021；膝关节第二连接板604和踝关节连接板702通过膝关节固定件602上的第二滑块连接，并通过加紧盖紧固；脚踏板704设置在L型脚踏连接板703水平段的顶部；其中，脚踏板704的底部设置有第二传动轴。

所述踝关节水平面驱动装置包括第五减速电机705、大齿轮706和小齿轮707；其中，第五减速电机705固定在L型脚踏连接板703水平段的底部，且第五减速电机705的输出轴与小齿轮707通过键配合安装，小齿轮707与大齿轮706之间啮合；所述大齿轮706套装在第二传动轴上，并通过键配合固定；以此可通过踝关节水平面驱动装置实现脚踏板704在水平面内的旋转运动。

本实用新型中腿部固定件502通过第一滑块可移动的设置在髋关节连接板503和膝关节第一连接板603上；所述膝关节固定件602通过第二滑块可移动的设置在膝关节第二连接板604和踝关节连接板702上，以此可根据不同病患需求，调整腿部固定件502和膝关节固定件602之间的间距，提高与病患下肢关节部位的贴合度。

值得说明的是，本实用新型中提到的所有减速电机均与单片机相连接，并可通过外接装置实现调节与记录电机转速和扭矩的作用。

本实用新型将机器人运动学与传统医疗器械相结合，结构简单且重量轻，可减少神经损伤病人的运动负担且避免二次损伤的风险，通过对各驱动电机旋转角度与扭矩等参数及各关节间间距的调整，可针对不同病人调整合适的训练方案，保证稳定性、安全性的同时，具有较高的自由度。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种五自由度外骨骼下肢康复机器人，包括轮椅框架、下肢辅助机构和侧置箱体，其特征在于，所述轮椅框架设置有背部支撑、坐垫部、交叉支撑杆、主轮以及扶手；所述交叉支撑杆设置在坐垫部的下方；所述扶手对称设置在坐垫部的左右两侧；所述背部支撑的上部对称设置有手柄；所述主轮位于轮椅框架的左右两侧，所述主轮外侧设置有握环；所述轮椅框架的底部前端对称设置有两个辅轮；所述轮椅框架的左右两侧还设置有侧置箱体，且侧置箱体位于两个主轮的前侧；所述侧置箱体的顶部通过L型外接板与下肢辅助机构转动连接。

2.根据权利要求1所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述侧置箱体包括保护壳；所述保护壳内部设置有髋关节水平驱动装置，所述髋关节水平驱动装置包括第一减速电机，所述第一减速电机的输出轴通过联轴器与L型外接板水平段底部的第一传动轴相连；所述L型外接板的竖直段通过螺栓与下肢辅助机构连接板固定；所述髋关节水平驱动装置实现下肢辅助机构在水平面内的旋转运动。

3.根据权利要求1所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述下肢辅助机构共两件，且呈镜像对称设置在侧置箱体的顶部；每件所述下肢辅助机构均包括髋关节机构，膝关节机构和踝关节机构。

4.根据权利要求3所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述髋关节机构包括第二减速电机、腿部固定件和髋关节连接板；所述第二减速电机固定在下肢辅助机构连接板远离轮椅框架的一端；所述第二减速电机的输出轴与髋关节连接板的一端固定，所述腿部固定件设置在髋关节连接板远离第二减速电机的一侧；所述髋关节连接板设置有第一滑槽；所述腿部固定件设置有第一滑块。

5.根据权利要求4所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述膝关节机构包括第三减速电机、膝关节固定件、膝关节第一连接板和膝关节第二连接板；所述膝关节第一连接板设置有第二滑槽；所述膝关节第二连接板上设置有第三滑槽；所述膝关节第一连接板和髋关节连接板通过腿部固定件上的第一滑块连接，并通过加紧盖紧固；所述第三减速电机固定在膝关节第一连接板远离第二减速电机的一端；所述第三减速电机的输出轴与膝关节第二连接板的一端固定；所述膝关节固定件设置在膝关节第二连接板远离第三减速电机的一侧；所述膝关节固定件设置有第二滑块。

6.根据权利要求5所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述踝关节机构包括踝关节矢状面驱动装置和踝关节水平面驱动装置。

7.根据权利要求6所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述踝关节矢状面驱动装置包括第四减速电机、踝关节连接板、L型脚踏连接板和脚踏板；所述第四减速电机安装在踝关节连接板远离第三减速电机的一端，所述第四减速电机的输出轴与L型脚踏连接板的竖直段固定；所述踝关节连接板设置有第四滑槽；所述膝关节第二连接板和踝关节连接板通过膝关节固定件上的第二滑块连接，并通过加紧盖紧固；所述脚踏板设置在L型脚踏连接板水平段的顶部；所述脚踏板的底部设置有第二传动轴。

8.根据权利要求7所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述踝关节水平面驱动装置包括第五减速电机、大齿轮和小齿轮；所述第五减速电机固定在L型脚踏连接板水平段的底部；所述第五减速电机的输出轴与小齿轮连接，所述小齿轮与大齿轮之间啮合；所述大齿轮套装在第二传动轴上，并通过键配合固定；所述踝关节水平面驱动装置实现脚踏板在水平面内的旋转运动。

9.根据权利要求8所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述腿部固定件通过第一滑块可移动的设置在髋关节连接板和膝关节第一连接板上；所述膝关节固定件通过第二滑块可移动的设置在膝关节第二连接板上和踝关节连接板上。

10.根据权利要求1所述的五自由度外骨骼下肢康复机器人，其特征在于，所述主轮设置有锁定装置。