CN108721059A - 一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，涉及医疗仪器技术领域，两个髋关节带轮分别连接至髋关节减速器的输出端和大腿杆的侧面顶部，髋关节皮带安装于两个髋关节带轮上，用于将髋关节电机的动力经两个髋关节带轮传递至大腿杆；两个膝关节带轮分别连接至膝关节减速器的输出端和小腿杆的侧面顶部，膝关节皮带安装于两个膝关节带轮上，用于将膝关节电机的动力经两个膝关节带轮传递至小腿杆。本发明分别在髋关节电机与髋关节减速器之间以及膝关节电机与膝关节减速器之间设置圆盘式磁流变阻尼器，实现了电机输出力矩的控制，解决了驱动电机输出力矩过大的问题，同时可以在患者主动训练时提供抗阻作用，利于增强康复治疗的效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗仪器技术领域，具体涉及一种用于下肢康复治疗的机器人。
背景技术
康复治疗又称康复物理治疗，是针对病人身体的功能障碍和功能低下起到预防、改善和恢复作用的一种特殊疗法。传统的康复程序依赖于治疗师的经验与徒手操作技术，近年来，随着病人数量的迅速增加，节省医疗资源与提高康复治疗效率的改革迫在眉睫。
康复机器人是近年出现的一种新型机器人，属于医疗机器人的范畴。其主要通过机器带动肢体做重复性的运动，对控制肢体运动的神经系统进行刺激并促使其重建，是一种替代徒手操作康复治疗的新型临床干预手段。
下肢康复机器人是康复机器人的一种，它可以模拟正常人的行走姿态，并且可以承担一部分人体的重量，能够对下肢有运动障碍的病人进行有效的下肢康复训练。患者的病情千差万别，在不同的康复分期还需要通过不同的运动模式进行康复治疗，因此，机器人提供的训练动作应有被动、主动、助动三种运动模式。同时，康复训练还应对不同患者设计不同的康复方案，并有针对性地设计训练所需要的各种参数。机器人也应能实时监测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足时提供更大的辅助力，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助力甚至施加阻力，以便充分发挥患者残存的功能。
通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：
1.Adam B.Zoss,H.Kazerooni andAndrew Chu,“Biomechanical Design oftheBerkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX),”IEEE/ASME Transactions onMechatronics,vol.11,no.2,pp.128-138,April,2006.
该技术方案采用液压直线驱动，不利于肢体运动的柔顺性，关节运动范围有限，易产生运动干涉，且耗能大。
2.Erhan an,Mehmet Arif Adli,“The design and control of atherapeutic exercise robot for lower limb rehabilitation:Physiotherabot,”Mechatronics,vol.21,pp.509-522,2011.
该技术方案控制方式复杂，电机输出扭矩控制精度不高，且输出扭矩过大时对人体无安装保障措施；在人进行抗阻训练时，无法调节阻力。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，腰杆两端结构对称设置，髋关节支架顶端与所述腰杆一端固连，所述髋关节支架、大腿杆、小腿杆和鞋底由上至下依次通过轴转动连接，髋关节电机、膝关节电机和踝关节电机分别设于所述髋关节支架、所述大腿杆和所述小腿杆侧面；所述踝关节电机的输出轴与所述鞋底连接；
所述髋关节电机的输出轴、髋关节圆盘式磁流变阻器和髋关节减速器依次连接，两个髋关节带轮分别连接至所述髋关节减速器的输出端和所述大腿杆的侧面顶部，髋关节皮带安装于两个所述髋关节带轮上，用于将所述髋关节电机的动力经两个所述髋关节带轮传递至所述大腿杆；
所述膝关节电机的输出轴、膝关节圆盘式磁流变阻器和膝关节减速器依次连接，两个膝关节带轮分别连接至所述膝关节减速器的输出端和所述小腿杆的侧面顶部，膝关节皮带安装于两个所述膝关节带轮上，用于将所述膝关节电机的动力经两个所述膝关节带轮传递至所述小腿杆。
进一步的，所述腰杆、所述大腿杆和所述小腿杆均由构成滑动副的两部分组成，两部分别设有互相啮合的调整齿轮和调整齿条；所述调整齿轮上设有锁定结构。
进一步的，所述髋关节减速器、所述膝关节减速器和所述踝关节减速器均为谐波减速器。
进一步的，所述腰杆整体呈弧形结构。
本发明提供了一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，具有以下有益效果：
1、分别在髋关节电机与髋关节减速器之间以及膝关节电机与膝关节减速器之间设置髋关节圆盘式磁流变阻尼器和膝关节圆盘式磁流变阻尼器，实现了电机输出力矩的控制，解决了驱动电机输出力矩过大的问题，同时可以在患者主动训练时提供抗阻作用，利于增强康复治疗的效果；
2、采用髋关节皮带和膝关节皮带传动的柔索驱动方式驱动机器人的关节运动，传动柔顺可靠，具有较高的安全性；
3、腰杆、大腿杆和小腿杆的长度可以调节，适用于各种身材的患者，适应性强，实用性好。
4、整体结构精简，使用便捷，实用性好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：
1、腰杆，2、髋关节支架，3、髋关节电机，4、髋关节圆盘式磁流变阻尼器，5、髋关节减速器，6、髋关节皮带，7、髋关节带轮，8、膝关节电机，9、膝关节圆盘式磁流变阻尼器，10、膝关节减速器，11、膝关节皮带，12、膝关节带轮，13、小腿杆齿条，14、踝关节电机，15、鞋底，16、大腿杆，17、小腿杆齿轮，18小腿杆，19、大腿杆齿轮，20、大腿杆齿条，21、踝关节减速器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，其结构关系为：腰杆1两端结构对称设置，髋关节支架2顶端与腰杆1一端固连，髋关节支架2、大腿杆16、小腿杆18和鞋底15由上至下依次通过轴转动连接，髋关节电机3、膝关节电机8和踝关节电机14分别设于髋关节支架2、大腿杆16和小腿杆18侧面；踝关节电机14的输出轴与鞋底15连接；
髋关节电机3的输出轴、髋关节圆盘式磁流变阻器4和髋关节减速器5依次连接，两个髋关节带轮8分别连接至髋关节减速器5的输出端和大腿杆16的侧面顶部，髋关节皮带6安装于两个髋关节带轮8上，用于将髋关节电机3的动力经两个髋关节带轮7传递至大腿杆16；
膝关节电机8的输出轴、膝关节圆盘式磁流变阻器9和膝关节减速器10依次连接，两个膝关节带轮12分别连接至膝关节减速器10的输出端和小腿杆18的侧面顶部，膝关节皮带11安装于两个膝关节带轮12上，用于将膝关节电机8的动力经两个膝关节带轮12传递至小腿杆18。
优选的，腰杆1、大腿杆16和小腿杆18均由构成滑动副的两部分组成，两部分别设有互相啮合的调整齿轮和调整齿条；调整齿轮上设有锁定结构。
优选的，髋关节减速器5、膝关节减速器10和踝关节减速器21均为谐波减速器。
优选的，腰杆1整体呈弧形结构。
具体使用时，下肢康复机器人有三种康复训练模式，分别为被动模式、主动模式和抗阻模式。使用前应根据患者身材，利用调节齿条和调节齿轮调节腰杆1、大腿杆16和小腿杆18的长度。
被动模式下，机器人有源驱动，髋关节电机3输出的动力经髋关节圆盘式磁流变阻尼器4控制后传递至髋关节减速器5，由髋关节减速器5将动力调节至合适转速后，通过髋关节皮带6和两个髋关节带轮7驱动大腿杆16相对于髋关节支架2转动；膝关节电机8输出的动力经膝关节圆盘式磁流变阻尼器9控制后传递至膝关节减速器10，由膝关节减速器10将动力调节至合适转速后，通过膝关节皮带11和两个膝关节带轮12驱动小腿杆18相对于大腿杆16转动。出于安全考虑，脚踝处直接使用踝关节电机14驱动，训练时可通过踝关节减速器21调节输出至鞋底15的扭矩和转速。
主动模式下，康复机器人无源驱动，不提供动力，穿戴患者依靠主动肢体运动来驱动机器人运动。
抗阻模式下，穿戴患者主动运动，下肢康复机器人通过髋关节圆盘式磁流变阻尼器4和膝关节圆盘式磁流变阻尼器9提供阻力，使患者在抗阻的环境下进行康复锻炼。
被动模式和抗阻模式下，医护人员应针对患者病情设计髋关节圆盘式磁流变阻尼器4和膝关节圆盘式磁流变阻尼器9的输入电流，以使髋关节圆盘式磁流变阻尼器4和膝关节圆盘式磁流变阻尼器9提供合适的阻尼，进而使下肢康复机器人实现不同程度的康复训练。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，其特征在于：腰杆(1)两端结构对称设置，髋关节支架(2)顶端与所述腰杆(1)一端固连，所述髋关节支架(2)、大腿杆(16)、小腿杆(18)和鞋底(15)由上至下依次通过轴转动连接，髋关节电机(3)、膝关节电机(8)和踝关节电机(14)分别设于所述髋关节支架(2)、所述大腿杆(16)和所述小腿杆(18)侧面；所述踝关节电机(14)的输出轴与所述鞋底(15)连接；
所述髋关节电机(3)的输出轴、髋关节圆盘式磁流变阻器(4)和髋关节减速器(5)依次连接，两个髋关节带轮(8)分别连接至所述髋关节减速器(5)的输出端和所述大腿杆(16)的侧面顶部，髋关节皮带(6)安装于两个所述髋关节带轮(8)上，用于将所述髋关节电机(3)的动力经两个所述髋关节带轮(7)传递至所述大腿杆(16)；
所述膝关节电机(8)的输出轴、膝关节圆盘式磁流变阻器(9)和膝关节减速器(10)依次连接，两个膝关节带轮(12)分别连接至所述膝关节减速器(10)的输出端和所述小腿杆(18)的侧面顶部，膝关节皮带(11)安装于两个所述膝关节带轮(12)上，用于将所述膝关节电机(8)的动力经两个所述膝关节带轮(12)传递至所述小腿杆(18)。
2.根据权利要求1所述的一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，其特征在于：所述腰杆(1)、所述大腿杆(16)和所述小腿杆(18)均由构成滑动副的两部分组成，两部分别设有互相啮合的调整齿轮和调整齿条；所述调整齿轮上设有锁定结构。
3.根据权利要求1所述的一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，其特征在于：所述髋关节减速器(5)、所述膝关节减速器(10)和所述踝关节减速器(21)均为谐波减速器。
4.根据权利要求1所述的一种圆盘式磁流变阻尼器下肢康复机器人，其特征在于：所述腰杆(1)整体呈弧形结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181102 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |