CN104127299B - 柔索气动肌肉联合驱动腰部康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，包括立方体基座，柔索驱动部件，气动肌肉驱动部件，旋转平台以及腰部平台，立方体基座底部中间设有旋转平台，在旋转平台上方，根据成人平均身高设有腰部平台，腰部平台为水平放置的U型腰部平台，U型腰部平台连接气动肌肉驱动部件柔索驱动部件；康复训练的过程中气动肌肉驱动部（3）带动腰部模拟沿X轴和Y轴的转动；柔索驱动部件带动腰部模拟正常行走过程中人体盆骨沿X、Y和Z轴的平动轨迹；旋转平台带动腰部模拟沿Z轴的转动，从而实现腰部6运动自由度的康复训练。该腰部康复训练机器人针对病人个体的差异可以调节训练强度和幅度大小，因此提高该发明的适应性。

Description

柔索气动肌肉联合驱动腰部康复机器人

技术领域

本发明涉及的是一种医疗康复训练器械，具体是一种具有6自由度的柔索气动肌肉联合驱动腰部康复机器人。

技术背景

由于社会老龄化和其它意外原因导致的腰部运动障碍的病人数量呈上升趋势，因此对提高腰部康复训练水平和效率有了进一步的要求。现有的技术条件下一般通过柔索驱动腰部进行转动,但柔索驱动转动的效果不是很明显,在这个过程中腰部转动的角度十分有限，很难适应较大角度的弯腰和摆动，且康复训练效率较低，然而气动肌肉却适合于驱动较大范围的转动。因此通过柔索气动肌肉联合驱动腰部康复机器人可以有效地解决上述问题，大大提高腰部康复训练的水平和效率。柔索气动肌肉联合驱动是指同时采用柔索和气动肌肉两种驱动方式，这样可以结合柔索柔顺性好、不易对患者造成伤害，气动肌肉重量轻、初始力大、具有良好的柔顺性和安全性的优点，并且能够提高腰部康复训练水平。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复机器人，能够对腰部实现6个运动自由度的全方位康复训练。该机器人中设计了一个气动肌肉驱动部件3，一个柔索驱动部件4和一个旋转平台2。康复训练的过程中气动肌肉驱动部件3带动腰部模拟沿X轴和Y轴的转动；柔索驱动部件4带动腰部模拟正常行走过程中人体盆骨沿X、Y和Z轴的平动轨迹；旋转平台2带动腰部模拟沿Z轴的转动，从而实现腰部6运动自由度的康复训练。该腰部康复训练机器人针对病人个体的差异可以调节训练强度和幅度大小，因此提高该发明的适应性。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，包括立方体基座，柔索驱动部件，气动肌肉驱动部件，旋转平台以及腰部平台，其特征在于：所述立方体基座底部中间设有旋转平台，用于人体站立和带动腰部转动，在所述旋转平台上方，根据成人平均身高设有腰部平台，用于辅助人体站立和带动腰部运动，所述的腰部平台为水平放置的U型腰部平台，所述的U型腰部平台两侧边分别连接一套气动肌肉驱动部件，两端头以及U型端底部分别连接一个柔索驱动部件；所述的两套气动肌肉驱动部件安装到所述立方体基座两侧面的横梁上，所述的两套气动肌肉驱动部件通过关节轴安装到所述立方体基座上，所述的三个柔索驱动部件通过安装到所述立方体基座顶部横梁上的三个滑轮模块给U型腰部平台提供向上拉力，所述的立方体基座内还设有位于腰部平台前方的人体扶手。

所述的气动肌肉驱动部件包括第一平行四边形传动结构和第二平行四边形传动结构，所述的第一平行四边形传动机构由连接杆a1、b1、c1、d1依次连接而成，第二平行四边形传动机构由连接杆a2、b2、c2、d2依次连接而成，所述的连接杆c1和d1连接点处和a2与b2连接点处之间设有连接轴，所述的第一平行四边形传动机构和第二平行四边形传动机构通过该连接轴以平面相差90°角度连接起来形成总传动机构，所述的总传动机构一端通过连接在c2与d2连接点处的连接轴连接腰部平台，另一端通过连接在a1与b1连接轴上的关节轴安装在所述立方体基座侧面的横梁上，还包括与关节轴垂直安装的横梁，所述的横梁可围绕关节轴转动并带动总传动机构运动，所述的横梁两端分别安装有垂直横梁竖直设置的气动肌肉动力单元。

所述的柔索驱动部件包括连接在U型腰部平台上的柔索，所述的柔索穿过安装在立方基座顶端横梁上的滑轮模块，另一端缠绕在卷轴上。

所述的旋转平台由大V带轮支撑控制，所述的大V带轮通过轴承安装在立方基座底部中心，通过连接步进电机的V带驱动，所述的步进电机安装在立方基座一侧，其主轴和大V带轮之间通过V带连接，所述的V带一侧设有V带轮张紧模块。

所述的V带轮张紧模块通过张紧支座安装在立方基座底部，所述的张紧支座上设有能通过调整螺钉调整位置的张紧轮导轨，所述张紧轮导轨内通过转轴固定有张紧轮，所述V带能在张紧轮内滑动。

所述的卷轴均有相应的步进电机控制。

所述的气动肌肉驱动平台选用Festo公司的Mckibben型气动肌肉，通过对气动肌肉充气、放气实现肌肉的收缩与伸长，从而驱动两个串联的平行四边形传动机构，进而通过腰部平台带动腰部弯腰、后仰和左右摆动一定的角度。

柔索驱动部件通过步进电机带动柔索转动达到长度变化的效果，柔索悬挂通过安装在立方基座顶部横梁的滑轮模块实现换向，当三根柔索综合作用时可以模拟正常人走路过程中盆骨的平动轨迹。

通过步进电动机主轴通过V带传动，进而驱动大V带轮13转动实现旋转平台精确的转动角度，从而使腰部达到扭动的效果，且角度可以进行调节，适应个体差异。

与现有技术相比本发明具有以下优点：本发明中机器人结构具有6个运动自由度，协助患者腰部完成弯腰、后仰、左摆、右摆、扭腰、盆骨、上下平动、左右和前后平动6个运动自由度的康复训练。在驱动过程中气动肌肉和柔索相结合，驱动转动用气动肌肉，能够实现精确的角度控制；驱动平动采用柔索，能够精确实现距离控制，最大限度的发挥了两种驱动方式的优点。且该机器人可以根据患者个体的差异作相应的运动强度和幅度的调整，达到较好的康复训练效果。

附图说明

图1是康复机器人的整体结构示意图；

图2是气动肌肉驱动部件结构局部示意图；

图3是旋转平台机构局部示意图；

图4是柔索驱动部件结构局部示意图；

图5是V带轮张紧模块示意图；

图6是滑轮模块结构局部示意图；

图7是步进电机驱动V带轮结构局部示意图；

图中：1-基座，2-旋转平台，3-气动肌肉驱动部件，4-柔索驱动部件，5-连接轴，6-连接销钉，7-气动肌肉，8-关节轴，9-横梁，10-连接杆，11-步进电机驱动单元，12-V带，13-大V带轮，14-张紧装置，15-腰部平台，16-滑轮模块，17-柔索，18-张紧支座，19-张紧轮，20-张紧轮导轨，21-调节螺钉，22-滑轮基座，23-滑轮，24-开口销，25-电机座，26-步进电机，27-小V带轮。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，包括立方体基座1，柔索驱动部件4，气动肌肉驱动部件3，旋转平台2以及腰部平台15，所述立方体基座1底部中间设有旋转平台2，用于人体站立和带动腰部转动，在所述旋转平台2上方，根据成人平均身高设有腰部平台15，用于辅助人体站立和带动腰部运动，所述的腰部平台15为水平放置的U型腰部平台，所述的U型腰部平台两侧边分别连接一套气动肌肉驱动部件3，两端头以及U型端底部分别连接一个柔索驱动部件4；所述的两套气动肌肉驱动部件3安装到所述立方体基座两侧面的横梁上，所述的两套气动肌肉驱动部件通过关节轴安装到所述立方体基座上，所述的三个柔索驱动部件通过安装到所述立方体基座顶部横梁上的三个滑轮模块给U型腰部平台提供向上拉力，所述的立方体基座内还设有位于腰部平台前方的人体扶手。

如图2所示，所述的气动肌肉驱动部件3包括第一平行四边形传动结构和第二平行四边形传动结构，所述的第一平行四边形传动机构由连接杆a1、b1、c1、d1依次连接而成，第二平行四边形传动机构由连接杆a2、b2、c2、d2依次连接而成，所述的连接杆c1和d1连接点处和a2与b2连接点处之间设有连接轴，所述的第一平行四边形传动机构和第二平行四边形传动机构通过该连接轴以平面相差90°角度连接起来形成总传动机构，所述的总传动机构一端通过连接在c2与d2连接点处的连接轴5连接腰部平台，另一端通过连接在a1与b1连接轴上的关节轴8安装在所述立方体基座侧面的横梁上，还包括与关节轴垂直安装的横梁9，所述的横梁9可围绕关节轴转动并带动总传动机构运动，所述的横梁两端分别安装有垂直横梁竖直设置的气动肌肉动力单元7。

如图4所示，所述的柔索驱动部件4包括连接在U型腰部平台15上的柔索17，所述的柔索17穿过安装在立方基座顶端横梁上的滑轮模块16，另一端缠绕在卷轴上。柔索17绕过滑轮模块16进行换向。所述的卷轴由电机控制，所述的电机带动三根柔索17的长度发生变化从而带动腰部平台15模拟人体运动时盆骨的轨迹，实现康复训练。

如图3所示，所述的旋转平台2由大V带轮13支撑控制，所述的大V带轮13通过轴承安装在立方基座1底部中心，通过连接步进电机驱动单元11的V带12驱动，所述的步进电机26安装在立方基座1一侧，其主轴和大V带轮13之间通过V带12连接，所述的V带12一侧设有V带轮张紧模块14。步进电26通过V带12传动带动大V带轮13进行转动，其中通过张紧装置14来调节V带12的张紧程度。大V带轮13通过推力轴承与基座1装配在一起。

如图5所示，所述的V带轮张紧模块14通过张紧支座18安装在立方基座1底部，所述的张紧支座18上设有可通过调整螺钉21调整位置的张紧轮导轨20，所述张紧轮导轨20内通过转轴固定有张紧轮19，所述V带12可以在张紧轮19内滑动。其中张紧支座18通过四根螺钉固定在基座1上，张紧轮导轨20通过燕尾槽与张紧支座18相连，转动调节螺钉21时可以带动张紧轮导轨20和张紧轮19移动实现调节张进力的功能。

如图6所示，所述的安装在立方基座顶端横梁的滑轮模块包括焊接在横梁的上滑轮基座22，所述的滑轮23通过开口销24安装在滑轮基座22内。

所述步进电机驱动单元11结构，如图7所示，包括电机座25，步进电机26和小V带轮27。其中的机座25与基座1之间通过螺纹连接，步进电机26与电机座25之间通过螺钉连接，小V带轮27与步进电机26之间通过键连接。步进电机26转动时带动小V带轮27转动，进而通过V带12传动到大V带轮13，从而实现扭腰康复训练。

当按下气动肌肉驱动部件3启动按钮后，控制气压回路对气动肌肉7进行充气与放气实现肌肉的收缩与伸长，从而带动横梁9转动，进而通过关节轴8驱动两个串联的平行四边形传动机构，通过腰部平台15带动腰部弯腰、后仰和左右摆动一定的角度，在按下停止按钮之前一直进行上述循环。按下柔索驱动部件4的启动按钮后，步进电机带动绕过滑轮模块16的三根柔索17使其长度发生变化从而带动腰部平台15模拟人体运动时盆骨的轨迹，实现康复训练，在按下停止按钮之前一直进行上述循环。按下旋转平台2启动按钮后，步进电机26通过V带12进行传动，带动大V带轮13进行转动，当步进电机26转过一定的角度后，经过减速传动后大V带轮13转过与其相对应的角度，其中通过张紧装置14来调节V带12的张紧程度。大V带轮13通过推力轴承与基座装配在一起，按下停止按钮之前一直进行该循环。三个运动平台可以同时工作也可以单独工作来完成患者的腰部康复训练，可通过各个平台的启动和停止按钮来控制每个平台的运行与否，患者可以自行选择适合自己的最佳训练，从而达到较好的康复训练效果。

Claims (5)

1.一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，包括立方体基座，柔索驱动部件，气动肌肉驱动部件，旋转平台以及腰部平台，其特征在于：所述立方体基座底部中间设有旋转平台，用于人体站立和带动腰部转动，在所述旋转平台上方，根据成人平均身高设有腰部平台，用于辅助人体站立和带动腰部运动，所述的腰部平台为水平放置的U型腰部平台，所述的U型腰部平台两侧边分别连接一套气动肌肉驱动部件，两端头以及U型端底部分别连接一个柔索驱动部件；所述的两套气动肌肉驱动部件通过关节轴安装到所述立方体基座上，所述的三个柔索驱动部件通过安装到所述立方体基座顶部横梁上的三个滑轮模块给U型腰部平台提供向上拉力，所述的立方体基座内还设有位于腰部平台前方的人体扶手。

2.根据权利要求1所述的一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，其特征在于：所述的气动肌肉驱动部件包括第一平行四边形传动结构和第二平行四边形传动结构，所述的第一平行四边形传动机构由连接杆a1、连接杆b1、连接杆c1、连接杆d1依次连接而成，第二平行四边形传动机构由连接杆a2、连接杆b2、连接杆c2、连接杆d2依次连接而成，所述的连接杆c1和连接杆d1连接点处和连接杆a2与连接杆b2连接点处之间设有连接轴，所述的第一平行四边形传动机构和第二平行四边形传动机构通过该连接轴以平面相差90°角度连接起来形成总传动机构，所述的总传动机构一端通过连接在连接杆c2与连接杆d2连接点处的连接轴连接腰部平台，另一端通过连接在连接杆a1与连接杆b1连接点处的连接轴上的关节轴安装在所述立方体基座侧面的横梁上，还包括与关节轴垂直安装的横梁，所述的横梁两端分别安装有垂直横梁竖直设置的气动肌肉动力单元，所述的横梁可围绕关节轴转动并带动总传动机构运动。

3.根据权利要求1所述的一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，其特征在于：所述的柔索驱动部件包括连接在U型腰部平台上的柔索，所述的柔索穿过安装在立方基座顶端横梁上的滑轮模块，另一端缠绕在卷轴上，所述的滑轮模块在立方基座顶端横梁上均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，其特征在于：所述的旋转平台由大V带轮支撑控制，所述的大V带轮通过轴承安装在立方基座底部中心，通过连接步进电机的V带驱动，所述的步进电机安装在立方基座一侧，其主轴和大V带轮之间通过V带连接，所述的V带一侧设有V带轮张紧模块。

5.根据权利要求4所述的一种柔索气动肌肉联合驱动腰部康复装置，其特征在于：所述的V带轮张紧模块通过张紧支座安装在立方基座底部，所述的张紧支座上设有能通过调整螺钉调整位置的张紧轮导轨，所述张紧轮导轨内通过转轴固定有张紧轮，所述V带能在张紧轮内滑动。