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CN110151496A - 一种多位姿下肢康复机器人及其使用方法 - Google Patents

一种多位姿下肢康复机器人及其使用方法 Download PDF

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CN110151496A
CN110151496A CN201910588207.8A CN201910588207A CN110151496A CN 110151496 A CN110151496 A CN 110151496A CN 201910588207 A CN201910588207 A CN 201910588207A CN 110151496 A CN110151496 A CN 110151496A
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driving unit
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CN201910588207.8A
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谢能刚
王璐
储继发
王丙柱
舒军勇
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Original Assignee
Anhui University of Technology AHUT
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Abstract

本发明公开了一种多位姿下肢康复机器人及其使用方法，属于医疗器械领域。该康复机器人包括从下到上依次设置的底座、抬升机构和床体，床体两侧分别对称设置有一对大腿训练机构和一对小腿训练机构，大腿训练机构和小腿训练机构用于对下肢具有运动功能障碍的患者进行下肢康复训练，能够通过多种方式对患者进行下肢康复训练，且通过将床体和坐垫翻转，能够实现坐、卧、立三种位姿下的训练，训练方式全面，训练效果好。该方法采用上述多位姿下肢康复机器人，训练效果极佳。

Description

一种多位姿下肢康复机器人及其使用方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，更具体地说，涉及一种多位姿下肢康复机器人及其使用方法。
背景技术
随着科学的发展，康复机器人技术作为机器人技术的一种，得到了迅速的发展。它是工业机器人和医用机器人的结合，其研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。
下肢康复机器人是肢体康复机器人的其中一种类型，其能够辅助下肢运动功能障碍患者模拟正常人的步态规律做康复训练运动，从而锻炼患者下肢肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力以及患者正常走路机能。
如中国专利申请号为：CN201610115660.3，公开日为：2016年7月20日的专利文献，公开了一种下肢康复机器人，包括底座、支撑柱、躺板、支撑杆和下肢外骨骼，所述的底座前部设有支撑柱，后部设有电机I和滑轨；所述的支撑杆的下端安装于滑轨内，所述的电机I与支撑杆的下端连动，驱动支撑杆的下端沿着滑轨做进给运动；所述的支撑柱的上端设有转轴I；所述的躺板的下端安装于转轴I上，躺板的中部或者后部设有转轴II，所述的支撑杆的上端安装于转轴II上；所述的下肢外骨骼安装于躺板的下端上。该下肢康复机器人可根据患者的身高进行大腿连杆长度、小腿连杆长度、躺板长度及倾角的自动化调节。该方案的康复机通过控制各个连杆和脚掌支撑座之间的相互转动来模拟患者的大腿、小腿和脚掌之间的相互转动，从而实现对患者下肢的适应性康复训练。但是，正常人的下肢动作是还包括腿部的上下抬升的，而该方案的训练方式则较为机械，使得对患者的训练效果很可能达不到期望的程度。另外，该方案的整体高度并不能调节，使得患者进入设备时较为麻烦。且设备的位置固定，患者无法采取坐姿进行训练，一方面使得设备的搬运较为麻烦，另一方面对于患者的训练也不够全面。
又如中国专利申请号为：CN201511005432.2，公开日为：2016年3月30日的专利文献，公开了一种两级床体、多角度调节、上下肢协同训练康复机器人，二级床体支撑架可以升降，在二级床体支撑架上设有能俯仰调节的活动床，活动床上部设有与其构成移动副的滑动床面，并在活动床的下部中空部分设有能够先移动后转动的腿部支撑床面，腿部支撑床面翻转上来时与活动床床面构成一个整体，翻转下去时可以与活动床形成近乎垂直的两个床面，上下翻转可以训练膝关节；在活动床底端设有脚踏支撑架，脚踏由曲柄、连杆带动做类椭圆轨迹的运动，通过调整脚踏在连杆的安装位置，以及调整脚踏的角度，还可以调整类椭圆的形状，即改变脚踏的运行轨迹，该发明结构简单、方便、步态轨迹可变、体重可调节，适用于不同身高的康复训练人群，且其设置的升降床体也方便患者进入设备。但是，该方案是针对四肢康复的患者进行训练的，因此其部分结构是对患者上肢进行康复训练的，从而导致其并没有针对下肢康复采取全面足够的结构，且其在对患者下肢进行训练时姿势单一，训练效果并不好。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有的下肢康复机器人训练姿势单一，对于患者下肢的训练效果较差的问题，本发明提供一种多位姿下肢康复机器人，其能够通过多种方式对患者进行下肢康复训练，且通过将床体和背垫翻转，能够实现坐、卧、立三种位姿下的训练，训练方式全面，训练效果好。
本发明还提供一种多位姿下肢康复机器人的使用方法，采用上述一种多位姿下肢康复机器人，通过多种方式对患者进行下肢康复训练，训练全面，且该方法使患者可以在坐、卧、立三种位姿下进行康复训练，整体训练效果极佳。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种多位姿下肢康复机器人，包括从下到上依次设置的底座、抬升机构和床体，床体两侧分别对称设置有一对大腿训练机构和一对小腿训练机构；
所述大腿训练机构包括小腿杆、固定脚板、大腿杆、滑轨、滑块和髋关节驱动单元；所述滑轨沿床体的长度方向设置在床体的侧边，所述滑块与滑轨连接形成移动副，滑块上端与小腿杆铰接连接；所述小腿杆的一端安装固定脚板，另一端与大腿杆的一端铰接连接，所述大腿杆的另一端铰接连接在床体上；所述髋关节驱动单元用于驱动大腿训练机构沿滑轨往复运动；
所述小腿训练机构包括小腿板、转动脚板、膝关节驱动单元和踝关节驱动单元；所述小腿板铰接连接在床体上，所述膝关节驱动单元用于驱动小腿板沿小腿板与床体的铰接处传动；所述转动脚板铰接连接在小腿板的后侧，所述踝关节驱动单元用于驱动转动脚板沿转动脚板与小腿板的铰接处转动；
所述床体铰接在抬升机构上，其上设置有能够翻转的背垫；所述抬升机构上铰接连接床体驱动单元的一端，所述床体驱动单元的另一端与床体铰接连接。
进一步地，所述小腿杆和大腿杆之间还包括互相铰接连接的小腿伸缩杆和大腿伸缩杆；
所述小腿杆的端面上沿其轴向设有通孔，小腿伸缩杆插入小腿杆上的通孔并通过紧固螺钉I与小腿杆固定连接；
所述大腿杆的端面上沿其轴向设有通孔，大腿伸缩杆插入大腿杆上的通孔并通过紧固螺钉II与大腿杆固定连接。
进一步地，所述髋关节驱动单元为电机，电机安装在床体的侧边，通过曲柄连杆机构I与大腿杆或小腿杆传动连接。
进一步地，还包括固定连接在小腿板上的伸缩板；所述转动脚板的两侧铰接有一对连杆，所述连杆上沿连杆的长度方向开设有卡槽；所述伸缩板插入一对连杆之间，所述连杆通过插入所述卡槽，并与伸缩板螺纹连接的紧定螺钉固定在伸缩板上。
进一步地，所述膝关节驱动单元为电机，其安装在床体的下端，通过曲柄连杆机构II与小腿板传动连接。
进一步地，所述踝关节驱动单元为电机，其安装在小腿板或伸缩板或转动脚板的下方，通过带传动机构与转动脚板传动连接。
进一步地，所述床体上相对于小腿训练机构的另一端装有减重支架，床体中部两侧对称安装有一对扶手。
进一步地，所述底座下端装有滚轮。
一种上述技术方案中的一种多位姿下肢康复机器人的使用方法，包括以下步骤：
一、预调：使患者躺在床体上，驱动抬升机构抬升床体至设定好的位置，再控制床体驱动单元调节床体的角度；
二、训练：包括两种训练模式：
①卧式：患者平躺在床体上，双腿固定在一对大腿训练机构上，髋关节驱动单元工作，使滑块在滑轨上做往复运动；
②坐式：驱动背垫翻转至设定的位置，使患者靠坐在背垫前，患者的双脚固定在转动脚板上；膝关节驱动单元工作，驱动小腿板转动；踝关节驱动单元工作，驱动转动脚板转动。
进一步地，当床体上装有减重支架时，
预调步骤为：使患者躺在床体上，穿上与减重支架相连的减重背心，驱动抬升机构抬升床体至设定好的位置，再控制床体驱动单元调节床体的角度；
训练步骤还包括：③立式：患者平躺在床体上，控制床体驱动单元调节床体角度，使患者接近直立状态：(a)当双腿固定在一对大腿训练机构上时，髋关节驱动单元工作，使滑块在滑轨上做往复运动；(b)当双腿固定在一对小腿训练机构上时，膝关节驱动单元和踝关节驱动单元工作，带动患者转动脚部和屈膝。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明一种多位姿下肢康复机器人，通过在床体上设置分别单独工作的大腿训练机构和小腿训练机构，使患者能够分别对髋关节、踝关节和膝关节进行训练，训练全面，训练效果好，同时，该方案的抬升机构使得患者可以方便地坐或躺在床体上后，再将床体抬升至设定的位置，而结合能够翻转的床体和背垫，使患者能够以卧、坐、立三种模式进行训练，床体的角度可以根据不同患者的不同情况进行调节，适应性强，训练效果好，舒适度高；
(2)本发明一种多位姿下肢康复机器人，通过在小腿杆和大腿杆之间安装小腿伸缩杆和大腿伸缩杆，能够根据不同患者的不同腿长来调节大腿训练机构的训练长度，提高康复训练效果和患者的舒适度；
(3)本发明一种多位姿下肢康复机器人，通过在转动脚板和小腿板之间设置伸缩板，在转动脚板上设置具有卡槽的连杆，从而使连杆和伸缩板的侧边紧贴后，通过插入卡槽并与伸缩板螺纹连接的紧定螺钉将二者固定连接在一起，根据不同的患者具有不同的小腿长度，可以松开紧定螺钉，使转动脚板沿床体的长度方向运动，当调节至合适的长度时，再将紧定螺钉锁紧，采用一对连杆，使得二者的连接更加稳定；
(4)本发明一种多位姿下肢康复机器人，在靠近大腿板的床体一端装有减重支架，当床体转动到一个比较大倾斜角度时，可以使患者穿上与减重支架相连的背心，防止患者对大腿训练机构产生过大的压力，另外，在床体中部设置一对扶手，进一步加强了患者在训练时的稳定性，两者相互配合，使得床体可以翻转至接近人体正常行走时的角度，最大程度上提高患者的训练效果；
(5)本发明一种多位姿下肢康复机器人，在底座下端装有滚轮，方便康复机器人的搬运，且床体翻转至接近人体直立行走的角度时，可以通过移动康复机器人来使得患者感受到行走的感觉，加强训练效果；
(6)本发明一种多位姿下肢康复机器人的使用方法，采用上述一种多位姿下肢康复机器人对患者进行下肢康复训练，患者可以躺在床体上后，在驱动抬升机构将床体抬升至适合训练的位置，从而方便患者进入康复机器人，而其采用针对患者的下肢训练，采用坐、卧、立三种训练模式，提高了对于患者的下肢训练的全明性，训练效果极佳。
附图说明
图1为卧式训练状态下的多位姿下肢康复机器人；
图2为坐式训练状态下的多位姿下肢康复机器人；
图3为床体处于翻转状态下的多位姿下肢康复机器人；
图4为坐式下肢康复机器人的等轴侧视图；
图5为坐式下肢康复机器人的主视图；
图6为卧式下肢康复机器人的等轴侧视图；
图7为卧式下肢康复机器人的主视图；
图8为本方案底座的结构示意图；
图9为本方案抬升机构的结构示意图；
图10为卧式下肢康复机器人中的床体的主视图；
图11为坐式下肢康复机器人和多位姿下肢康复机器人中的床体的主视图；
图12为坐式下肢康复机器人和多位姿下肢康复机器人中的床体的等轴侧视图；
图13为大腿训练机构的结构示意图；
图14为小腿训练机构的主视图；
图15为小腿训练机构的结构示意图；
图16为分数阶PIλDμ控制器的控制结构框图；
图17为用离子运动算法整定PIλDμ控制器中参数λ和μ的流程图；
图18为本发明控制系统的硬件控制流程图；
图19为本发明控制程序的搭建流程图；
图20为本发明控制方法的控制流程图；
图中：1、底座；101、滚轮；102、抬升驱动单元；
2、抬升机构；201、抬升平台；202、固定件；203、三角件；204、安装平台；
3、床体；301、背垫；302、床体驱动单元；303、减重支架；304、扶手；305、支架；306、坐垫；307、背垫驱动单元；308、安装架I；309、安装架II；
4、大腿训练机构；401、小腿杆；402、固定脚板；403、大腿杆；404、滑轨；405、滑块；406、髋关节驱动单元；407、小腿伸缩杆；408、紧固螺钉I；409、曲柄连杆机构I；410、小腿杆支撑杆；411、大腿杆支撑杆；412、大腿伸缩杆；413、紧固螺钉II；
5、小腿训练机构；501、小腿板；502、转动脚板；5021、销块；503、膝关节驱动单元；504、踝关节驱动单元；505、伸缩板；506、连杆；507、紧定螺钉；508、曲柄连杆机构II；509、带传动机构；510、铰链。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图6和图7所示，一种卧式下肢康复机器人，其作用主要是在下肢具有运动功能障碍的患者处于卧姿状态时对患者的下肢进行康复训练。该卧式下肢康复机器人包括从下到上依次设置的底座1、抬升机构2和床体3，床体3两侧对称设置有一对大腿训练机构4。其中，底座1作为安装主体，抬升机构2用于升降床体3，床体3是患者进入康复机器人的位置，大腿训练机构4用于带动患者的髋关节进行康复训练。下面对本实施例的康复机器人的具体结构和工作原理做详细描述。
如图8所示，底座1由多根钢管纵横搭配固定连接组成，其上端为一个长方形框架，长方形框架的四个角的下端分别焊接有一根竖直方向上的支撑钢管。为了使康复机器人的移动更加方便，本实施例在四根竖直方向上的钢管的下端分别装有一个滚轮101，从而方便推送康复机器人。在长方形框架的两个长边上，铰接有一个控制抬升机构2升降的抬升驱动单元102，该抬升驱动单元102可以采用气缸、油缸或电动推杠。
如图9所示，抬升机构2包括抬升平台201、固定件202、三角件203和安装平台204。其中，固定件202具有两对，分别对称固定安装在底座1的长方形框架的两个长边的前后两端，相邻的一对固定件202之间铰接连接有一根销轴。三角件203具有两个，分别固定安装在两根销轴上。抬升平台201为一个长方形板，其前后两端分别与两个三角件203的下端铰接连接。安装平台204的主体结构同样为一个长方形板，其前后两端分别与两个三角件203的上端铰接连接。因此，抬升平台201、三角件203和安装平台204共同组成一个能够升降的平行四边形机构，且抬升平台201和安装平台204在升降过程中保持水平状态。底座1上的抬升驱动单元102的一段铰接在长方形框架上，另一端则与抬升平台201的下端铰接连接，从而控制抬升机构2的升降。
如图10所示，床体3包括长方形支架305、固定设置在支架305上的床垫、床体驱动单元302、减重支架303和一对扶手304。其中，支架305铰接连接在安装平台204的上端。床体驱动单元302可以采用气缸、油缸或电动推杠，其一端与抬升机构2的安装平台204铰接连接，另一端则铰接连接在支架305上。减重支架303固定安装在支架305的其中一端，其上连接有一件背心，一对扶手304则对称安装在支架305的中部两侧。当患者平躺在床垫上时，可以让患者穿上背心，患者的双手则可以握住扶手304，增加患者平躺在床垫上时的自身的稳定性。尤其是，当为了适应不同的患者情况、满足不同角度下的下肢训练或满足不同患者的舒适度感觉时，需要通过床体驱动单元302调节床体3的角度，使床体3倾斜甚至接近于直立状态，这时通过减重支架303和扶手304就可以大大加强患者的训练稳定性了，且二者结构简单，成本较低。另外，将床体3倾斜至接近于直立状态时，配合底座1下端的滚轮101，使患者在进行康复训练的同时，可以由工作人员来回推动机器人，从而使患者感受正常行走的感觉，提高康复训练效果。
如图13所示，大腿训练机构4包括小腿杆401、固定脚板402、大腿杆403、滑轨404、滑块405和髋关节驱动单元406。其中，滑轨404沿床体3的长度方向固定安装在床体3的侧边，滑块405活动安装在滑轨404上，与滑轨404形成一个直线移动副。滑块405上端设置有一根垂直于水平面的小腿杆支撑杆410，小腿杆401的一端与小腿杆支撑杆410的上端铰接连接，另一端则与大腿杆403的一端铰接连接，大腿杆403的另一端则铰接连接大腿杆支撑杆411的上端，大腿杆支撑杆411的下端固定设置在滑轨404上，从而保证滑块405移动不会受阻，固定脚板402则固定安装在小腿杆401上与小腿杆支撑杆410相连的一端。支撑杆的作用主要是为小腿杆401和大腿杆403的安装提供了一个方便的空间，使得二者的安装更加简便。本实施例采用电机作为髋关节驱动单元406，电机安装在床体3的侧边，通过曲柄连杆机构I 409与大腿杆403或小腿杆401传动连接，即曲柄连杆机构I 409的一端与电机的输出轴传动连接，另一端铰接连接在大腿杆403或小腿杆401，本实施例中与大腿杆403铰接连接。该大腿训练机构4的结构与人体下肢结构基本保持在一致性，从而带动患者下肢完成人体正常行走时的动作，运动一致性高，提高对患者下肢的髋关节处的康复训练效果。
然而，在康复机器人的使用中，不同患者的情况是不同的，对于舒适度的不同要求，我们可以通过调整床体3的倾斜角度来适应，但是由于小腿杆401和大腿杆403的长度是固定的，当患者的下肢相应部位的长度大于小腿杆401和大腿杆403时，就非常影响患者的康复训练效果了。针对这个问题，本实施例给出了以下解决方案。
在小腿杆401和大腿杆403之间，安装有小腿伸缩杆407和大腿伸缩杆412。具体的，小腿杆401的端面上沿其轴向设有通孔，小腿伸缩杆407和小腿杆401的侧面则沿其轴向等间隔开设有多个相互配合的螺孔，小腿伸缩杆407插入小腿杆401上的通孔后，通过依次插入小腿杆401的螺孔、小腿杆401的通孔和小腿伸缩杆407的紧固螺钉I 408将小腿杆401和小腿伸缩杆407固定连接。同理，大腿杆403和大腿伸缩杆412的连接结构与上述内容类似，在大腿杆403的端面上沿其轴向设有通孔，大腿杆403和大腿伸缩杆412的侧面则沿其轴向等间隔开设有多个相互配合的螺孔，大腿伸缩杆412插入大腿杆403上的通孔后，通过依次插入大腿杆403的螺孔、大腿杆403的通孔和大腿伸缩杆412的螺孔的紧固螺钉II 413将大腿杆403和大腿伸缩杆412固定连接。当患者进入康复机器人后，工作人员可以根据患者的大腿和小腿长度，调节大腿训练机构4的训练长度，具体调节过程为：将紧固螺钉从小腿伸缩杆407或大腿伸缩杆412的螺孔中拧出，抽动小腿伸缩杆407或大腿伸缩杆412，使小腿杆401和小腿伸缩杆407的总长等于患者的小腿长度，使大腿杆403和大腿伸缩杆412的总长等于患者的大腿长度，从而使康复机器人能够根据不同的患者进行调整训练长度，提高康复训练效果。
综上所述，本实施例的一种卧式下肢康复机器人，其大腿训练机构4能够和患者下肢保持很好地运动一致性，训练效果好，且可以对床体3进行升降和翻转操作，方便患者进入康复机器人，并根据不同的情况调整床体3的角度，提高训练效果和舒适度。
实施例2
如图4和图5所示，一种坐式下肢康复机器人，其作用主要是在下肢具有运动功能障碍的患者处于坐姿下时对患者的下肢关节进行康复训练。该坐式下肢康复机器人包括从下到上依次设置的底座1、抬升机构2、床体3，床体3其中一端的两侧对称设置有一对小腿训练机构5。其中，底座1作为安装主体，抬升机构2用于升降床体3，床体3是患者进入康复机器人的位置，小腿训练机构5用于带动患者下肢的踝关节和膝关节进行康复训练。下面对本实施例的康复机器人的具体结构和工作原理做详细描述。
如图8所示，底座1由多根钢管纵横搭配固定连接所组成，其上端为一个长方形框架，长方形框架的四个角的下端分别焊接有一根竖直方向上的支撑钢管。为了使康复机器人的移动更加方便，本实施例在四根竖直方向上的钢管的下端分别装有一个滚轮101，从而方便推送康复机器人。在长方形框架的两个长边上，铰接有一个控制抬升机构2升降的抬升驱动单元102，该抬升驱动单元102可以采用气缸、油缸或电动推杠。
如图9所示，抬升机构2包括抬升平台201、固定件202、三角件203和安装平台204。其中，固定件202具有两对，分别对称固定安装在底座1的长方形框架的两个长边的前后两端，相邻的一对固定件202之间铰接连接有一根销轴。三角件203具有两个，分别固定安装在两根销轴上。抬升平台201为一个长方形板，其前后两端分别与两个三角件203的下端铰接连接。安装平台204的主体结构同样为一个长方形板，其前后两端分别与两个三角件203的上端铰接连接。因此，抬升平台201、三角件203和安装平台204共同组成一个能够升降的平行四边形机构，且抬升平台201和安装平台204在升降过程中保持水平状态。底座1上的抬升驱动单元102的一端铰接在长方形框架上，另一端则与抬升平台201的下端铰接连接，从而控制抬升机构2的升降。
如图11和图12所示，床体3包括长方形支架305、固定设置在支架305上的床垫、床体驱动单元302和一对扶手304。其中，支架305铰接连接在安装平台204的上端。床垫包括背垫301和坐垫306，坐垫306呈水平状态固定安装在支架305上；背垫301铰接连接在坐垫306上，能够沿背垫301和坐垫306的铰接处转动，通过背垫驱动单元307驱动转动。更具体的，支架305下端设有一个用于安装背垫驱动单元307的安装架II 309，背垫驱动单元307可以采用气缸、油缸或电动推杠，其一端铰接连接在安装架II 309上，另一端则与背垫301的背面铰接连接。床体驱动单元302可以采用气缸、油缸或电动推杠，其一端与抬升机构2的安装平台204铰接连接，另一端则铰接连接在支架305上。一对扶手304对称安装在支架305的中部两侧，当患者坐在坐垫306上时，患者的双手可以握住扶手304，增加患者坐在床垫上时的自身的稳定性。尤其是，当为了适应不同的患者情况、满足不同角度下的下肢训练或满足不同患者的舒适度感觉时，需要通过床体驱动单元302调节床体3的角度，使床体3倾斜，这时通过扶手304就可以大大加强患者的训练稳定性了，且其结构简单，成本较低。且背垫301和床体3的角度能够根据不同患者的不同情况进行调节，从而令患者能够在不同角度的坐姿下进行关节的康复训练，提高训练效果和患者的舒适度。
如图14所示，小腿训练机构5包括小腿板501、转动脚板502、膝关节驱动单元503和踝关节驱动单元504。其中，小腿板501通过铰链510与坐垫306铰接连接，膝关节驱动单元503用于驱动小腿板501沿小腿板501与床体3的铰接处传动。本实施例中，采用电机作为膝关节驱动单元503，在床体3的支架305的下端靠近小腿板501的位置，两侧对称设置有一对安装架I 308，电机固定安装在安装架I 308上，通过曲柄连杆机构II 508与小腿板501传动连接，即曲柄连杆机构II 508的一端与电机的输出轴传动连接，另一端铰接连接在小腿板501的下端。转动脚板502铰接连接在小腿板501的后侧，踝关节驱动单元504用于驱动转动脚板502沿转动脚板502与小腿板501的铰接处转动。本实施例中，采用电机作为踝关节驱动单元504，其安装在小腿板501或伸缩板505或转动脚板502的下方的支架305上，通过带传动机构509与转动脚板502传动连接。更具体的，转动脚板502的下端固定安装有一对具有间隙的销块5021，两个销块5021相对的一面上开设有相互配合的销孔，销孔内插有一根销轴，带传动机构509的一端与销轴连接，另一端则与电机的输出轴连接，该结构简单巧妙，便于安装制作和维修。该小腿训练机构5可以方便地控制小腿板501和转动脚板502转动，从而带动患者的膝关节和踝关节转动，两者既可以单独进行训练，也可以联动一起训练，训练模式多样，训练效果好。
然而，在康复机器人的使用中，不同患者的情况是不同的，对于舒适度的不同要求，我们可以通过调整床体3的倾斜角度来适应，但是由于小腿板501的长度是固定的，当患者的小腿长度大于小腿板501的长度时，就非常影响患者的康复训练效果了。针对这个问题，本实施例给出了以下解决方案。
在小腿板501和转动脚板502之间，安装有伸缩板505和连杆506。具体的，伸缩板505固定连接在小腿板501上，其上端面与小腿板501的上端面处于同一水平面。连杆506具有两个，对称铰接在转动脚板502的两侧，其上沿连杆506的长度方向开设有长条形卡槽。两个连杆506分别紧贴于伸缩板505的两侧，通过插入所述卡槽，并与伸缩板505螺纹连接的紧定螺钉507固定在伸缩板505上。安装时，先将连杆506紧贴于伸缩板505，并使伸缩板505上的螺孔处于卡槽中，再将紧定螺钉507旋入螺孔中将伸缩板505和连杆506固定住。当需要调节小腿训练长度时，松开紧定螺钉507，移动连杆506，当连杆506、伸缩板505和小腿板501的总长度与患者的小腿长度一致时，再通过紧定螺钉507将伸缩板505和连杆506固定住，从而使康复机器人能够根据不同的患者进行调整，提高康复训练效果。
综上所述，本实施例的一种坐式下肢康复机器人，能够根据不同患者的情况对床体3和背垫301进行角度上的调节，使患者在各种角度下进行坐姿康复训练，训练效果好，舒适度得到了提高。
实施例3
如图1至图3所示，一种多位姿下肢康复机器人，用于对下肢具有运动功能障碍的患者进行下肢康复训练。该康复机器人包括从下到上依次设置的底座1、抬升机构2、床体3两侧分别对称设置有一对大腿训练机构4和一对小腿训练机构5。其中，底座1作为安装主体，抬升机构2用于升降床体3，床体3是患者进入康复机器人的位置，大腿训练机构4用于带动患者的髋关节进行康复训练，小腿训练机构5用于带动患者下肢的踝关节和膝关节进行康复训练。下面对本实施例的康复机器人的具体结构和工作原理做详细描述。
如图8所示，底座1由多根钢管纵横搭配固定连接所组成，其上端为一个长方形框架，长方形框架的四个角的下端分别焊接有一根竖直方向上的支撑钢管。为了使康复机器人的移动更加方便，本实施例在四根竖直方向上的钢管的下端分别装有一个滚轮101，从而方便推送康复机器人。在长方形框架的两个长边上，铰接有一个控制抬升机构2升降的抬升驱动单元102，该抬升驱动单元102可以采用气缸、油缸或电动推杠。
如图9所示，抬升机构2包括抬升平台201、固定件202、三角件203和安装平台204。其中，固定件202具有两对，分别对称固定安装在底座1的长方形框架的两个长边的前后两端，相邻的一对固定件202之间铰接连接有一根销轴。三角件203具有两个，分别固定安装在两根销轴上。抬升平台201为一个长方形板，其前后两端分别与两个三角件203的下端铰接连接。安装平台204的主体结构同样为一个长方形板，其前后两端分别与两个三角件203的上端铰接连接。因此，抬升平台201、三角件203和安装平台204共同组成一个能够升降的平行四边形机构，且抬升平台201和安装平台204在升降过程中保持水平状态。底座1上的抬升驱动单元102的一端铰接在长方形框架上，另一端则与抬升平台201的下端铰接连接，从而控制抬升机构2的升降。
如图11和图12所示，床体3包括长方形支架305、固定设置在支架305上的床垫、床体驱动单元302、减重支架303和一对扶手304。其中，支架305铰接连接在安装平台204的上端。床垫包括背垫301和坐垫306，坐垫306呈水平状态固定安装在支架305上；背垫301铰接连接在坐垫306上，能够沿背垫301和坐垫306的铰接处转动，通过背垫驱动单元307驱动转动。更具体的，支架305下端设有一个用于安装背垫驱动单元307的安装架II 309，背垫驱动单元307可以采用气缸、油缸或电动推杠，其一端铰接连接在安装架II 309上，另一端则与背垫301的背面铰接连接。床体驱动单元302可以采用气缸、油缸或电动推杠，其一端与抬升机构2的安装平台204铰接连接，另一端则铰接连接在支架305上。一对扶手304对称安装在支架305的中部两侧，当患者平躺在坐垫306上时，患者的双手可以握住扶手304，增加患者坐在床垫上时的自身的稳定性。尤其是，当为了适应不同的患者情况、满足不同角度下的下肢训练或满足不同患者的舒适度感觉时，需要通过床体驱动单元302调节床体3的角度，使床体3倾斜甚至接近于直立状态，这时通过减重支架303和扶手304就可以大大加强患者的训练稳定性了，且二者结构简单，成本较低。另外，将床体3倾斜至接近于直立状态时，配合底座1下端的滚轮101，使患者在进行康复训练的同时，可以由工作人员来回推动机器人，从而使患者感受正常行走的感觉，提高康复训练效果。实际使用时，背垫301和床体3的角度能够根据不同患者的不同情况进行调节，从而令患者能够在不同角度的坐姿下进行关节的康复训练，提高训练效果和患者的舒适度。
如图13所示，大腿训练机构4包括小腿杆401、固定脚板402、大腿杆403、滑轨404、滑块405和髋关节驱动单元406。其中，滑轨404沿床体3的长度方向固定安装在床体3的侧边，滑块405活动安装在滑轨404上，与滑轨404形成一个直线移动副。滑块405上端设置有一根垂直于水平面的小腿杆支撑杆410，小腿杆401的一端与小腿杆支撑杆410的上端铰接连接，另一端则与大腿杆403的一端铰接连接，大腿杆403的另一端则铰接连接大腿杆支撑杆411的上端，大腿杆支撑杆411的下端固定设置在滑轨404上，从而保证滑块405移动不会受阻，固定脚板402则固定安装在小腿杆401上与小腿杆支撑杆410相连的一端。支撑杆的作用主要是为小腿杆401和大腿杆403的安装提供了一个方便的空间，使得二者的安装更加简便。本实施例采用电机作为髋关节驱动单元406，电机安装在床体3的侧边，通过曲柄连杆机构I 409与大腿杆403或小腿杆401传动连接，即曲柄连杆机构I 409的一端与电机的输出轴传动连接，另一端铰接连接在大腿杆403或小腿杆401，本实施例中与大腿杆403铰接连接。该大腿训练机构4的结构与人体下肢结构基本保持在一致性，从而带动患者下肢完成人体正常行走时的动作，运动一致性高，提高对患者下肢的髋关节的康复训练效果。
然而，在康复机器人的使用中，不同患者的情况是不同的，对于舒适度的不同要求，我们可以通过调整床体3的倾斜角度来适应，但是由于小腿杆401和大腿杆403的长度是固定的，当患者的下肢相应部位的长度大于小腿杆401和大腿杆403时，就非常影响患者的康复训练效果了。针对这个问题，本实施例给出了以下解决方案。
在小腿杆401和大腿杆403之间，安装有小腿伸缩杆407和大腿伸缩杆412。具体的，小腿杆401的端面上沿其轴向设有通孔，小腿伸缩杆407和小腿杆401的侧面则沿其轴向等间隔开设有多个相互配合的螺孔，小腿伸缩杆407插入小腿杆401上的通孔后，通过依次插入小腿杆401的螺孔、小腿杆401的通孔和小腿伸缩杆407的紧固螺钉I 408将小腿杆401和小腿伸缩杆407固定连接。同理，大腿杆403和大腿伸缩杆412的连接结构与上述内容类似，在大腿杆403的端面上沿其轴向设有通孔，大腿杆403和大腿伸缩杆412的侧面则沿其轴向等间隔开设有多个相互配合的螺孔，大腿伸缩杆412插入大腿杆403上的通孔后，通过依次插入大腿杆403的螺孔、大腿杆403的通孔和大腿伸缩杆412的螺孔的紧固螺钉II 413将大腿杆403和大腿伸缩杆412固定连接。当患者进入康复机器人后，工作人员可以根据患者的大腿和小腿长度，调节大腿训练机构4的训练长度，具体调节过程为：将紧固螺钉从小腿伸缩杆407或大腿伸缩杆412的螺孔中拧出，抽动小腿伸缩杆407或大腿伸缩杆412，使小腿杆401和小腿伸缩杆407的总长等于患者的小腿长度，使大腿杆403和大腿伸缩杆412的总长等于患者的大腿长度，从而使康复机器人能够根据不同的患者进行调整，提高康复训练效果。
如图14所示，小腿训练机构5包括小腿板501、转动脚板502、膝关节驱动单元503和踝关节驱动单元504。其中，小腿板501通过铰链510与坐垫306铰接连接，膝关节驱动单元503用于驱动小腿板501沿小腿板501与床体3的铰接处传动。本实施例中，采用电机作为膝关节驱动单元503，在床体3的支架305的下端靠近小腿板501的位置，两侧对称设置有一对安装架I 308，电机固定安装在安装架I 308上，通过曲柄连杆机构II 508与小腿板501传动连接，即曲柄连杆机构II 508的一端与电机的输出轴传动连接，另一端铰接连接在小腿板501的下端。转动脚板502铰接连接在小腿板501的后侧，踝关节驱动单元504用于驱动转动脚板502沿转动脚板502与小腿板501的铰接处转动。本实施例中，采用电机作为踝关节驱动单元504，其安装在小腿板501或伸缩板505或转动脚板502的下方的支架305上，通过带传动机构509与转动脚板502传动连接。更具体的，转动脚板502的下端固定安装有一对具有间隙的销块5021，两个销块5021相对的一面上开设有相互配合的销孔，销孔内插有一根销轴，带传动机构509的一端与销轴连接，另一端则与电机的输出轴连接，该结构简单巧妙，便于安装制作和维修。该小腿训练机构5可以方便地控制小腿板501和转动脚板502转动，从而带动患者的膝关节和踝关节转动，两者既可以单独进行训练，也可以联动一起训练，训练模式多样，训练效果好。
然而，在康复机器人的使用中，不同患者的情况是不同的，对于舒适度的不同要求，我们可以通过调整床体3的倾斜角度来适应，但是由于小腿板501的长度是固定的，当患者的小腿长度大于小腿板501的长度时，就非常影响患者的康复训练效果了。针对这个问题，本实施例给出了以下解决方案。
在小腿板501和转动脚板502之间，安装有伸缩板505和连杆506。具体的，伸缩板505固定连接在小腿板501上，其上端面与小腿板501的上端面处于同一水平面。连杆506具有两个，对称铰接在转动脚板502的两侧，其上沿连杆506的长度方向开设有长条形卡槽。两个连杆506分别紧贴于伸缩板505的两侧，通过插入所述卡槽，并与伸缩板505螺纹连接的紧定螺钉507固定在伸缩板505上。安装时，先将连杆506紧贴于伸缩板505，并使伸缩板505上的螺孔处于卡槽中，再将紧定螺钉507旋入螺孔中将伸缩板505和连杆506固定住。当需要调节小腿训练长度时，松开紧定螺钉507，移动连杆506，当连杆506、伸缩板505和小腿板501的总长度与患者的小腿长度一致时，再通过紧定螺钉507将伸缩板505和连杆506固定住，从而使康复机器人能够根据不同的患者进行调整，提高康复训练效果。
综上所述，本实施例的一种多位姿下肢康复机器人，能够通过多种方式对患者进行下肢康复训练，且通过将床体3和背垫301翻转，能够实现坐、卧、立三种位姿下的训练，训练方式全面，训练效果好。
当对患者进行康复训练时，我们可以通过以下步骤使用上述多位姿下肢康复机器人：
一、预调
在对患者下肢康复训练前，需要对康复机器人进行调节，使患者在一个较好的舒适度下进行训练。
首先，抬升机构2处于初始收缩状态，床体3保持水平，患者进入康复机器人并平躺在床体3上后，患者穿上与减重支架303相连的背心，抬升机构2将床体3抬升至设定好的高度，该高度需满足床体3呈90°翻转后，小腿训练机构5与地面不接触。由于患者具有下肢运动功能障碍，因此其进入康复机器人较为困难，而先使床体3处于一个较低的高度，等患者进入康复机器人中后再通过抬升机构2将床体3抬升至设定好的高度，使得患者可以方便地进入康复机器人中。
接着，通过床体驱动单元302的伸缩驱动床体3沿抬升机构2与床体3的铰接处转动，进行一个细微的角度调整，使患者处于一个较佳舒适度的状态。
二、训练
该步骤总共包括三种训练模式：
①卧式：该模式下，患者平躺在床体3上，其双腿通过魔术贴或胶布等固定部件固定在一对大腿训练机构4上，接着，髋关节驱动单元406工作，驱动大腿训练机构4做往复伸缩运动，滑块405在滑轨404上做往复运动，滑块405和滑轨404保证了大腿训练机构4运动方向的精确性。
②坐式：该模式下，患者需要脱下背心，并坐在坐垫306上，接着，背垫驱动单元307工作，驱动背垫301翻转，翻转角度根据患者的实际情况进行调整，保证患者靠在背垫301上时处于较佳的舒适度。此时，患者的双腿平伸，通过魔术贴或胶布等固定部件固定在小腿训练机构5上，患者的大腿位于坐垫306和小腿板501上，患者的小腿则位于小腿板501、伸缩板505上，患者的双脚与转动脚板502贴合。膝关节驱动单元503工作，驱动小腿板501转动，带动患者做屈膝动作，训练患者的膝关节；踝关节驱动单元504工作，驱动转动脚板502转动，带动患者的脚部上下转动，训练患者的踝关节。膝关节和踝关节的训练可以分开进行针对训练，也可以协同进行训练，训练效果极佳。
③立式：患者平躺在床体3上后，控制床体驱动单元302调节床体3至近似垂直角度，患者双手握紧扶手304，此时，患者的状态接近直立行走时的状态。接着，根据情况选择下面两种方式进行训练：(a)将患者双腿通过魔术贴或胶布等固定部件固定在大腿训练机构4上，接着，驱动髋关节驱动单元406工作，带动患者进行髋关节的康复训练；(b)将患者双腿通过魔术贴或胶布等固定部件固定在小腿训练机构5，接着，驱动膝关节驱动单元503和踝关节驱动单元504工作，对患者的膝关节和踝关节进行康复训练。另外，底座1下端装有滚轮101，因此可由工作人员推动康复机器人，并根据患者的动作调整推动速度，进一步加强患者对于正常行走的感觉，提高康复训练效果。
综上所述，该多位姿下肢康复机器人的使用方法，通过多种方式对患者采取下肢康复训练，训练全面，且该方法使患者可以在坐、卧、立三种位姿下进行康复训练，整体训练效果极佳。
实施例4
如图18所示，一种下肢康复机器人控制系统，主要用于控制实施例3中的下肢康复机器人进行训练工作。其包括动力模块、开发板、驱动模块、机器人本体、数据采集模块和工控机，下面对该系统的结构及工作原理做出详细描述。
动力模块用于为整个系统提供工作电源，包括基于CAN通讯的锂电池和电源转换器，锂电池连接电源转换器，电源转换器连接开发板。开发板为嵌入式开发板，其内部植入有整个控制系统的控制程序，与驱动模块连接。机器人本体即实施例3中的一种多位姿下肢康复机器人。驱动模块与机器人本体上的驱动单元连接，用于驱动机器人本体进行工作，其主要包括控制机器人本体上的六个关节驱动单元(一对踝关节、一对膝关节和一对髋关节)工作的六个驱动器以及控制抬升驱动单元102、床体驱动单元302和背垫驱动单元307工作的三个驱动器，驱动单元可采用电机、电磁推杆等，驱动器的种类则与驱动单元一一对应。
数据采集模块与工控机相连接，用于采集和向工控机传输信息。其包括用于采集患者下肢肌电信号的sEMG采集仪以及安装于机器人本体上，用于采集机器人本体工作时的数据并将数据传递至工控机的传感器和光电编码器。其中，本实施例的sEMG采集仪的核心部分为NIUSB-6211数据采集卡，AD转换模块和数据处理模块，分别采集患者下肢的股直肌、股外侧肌、股内侧肌、腘绳肌、排肠肌、比目鱼肌六个通道的sEMG信号并经过处理后得到相应的数值。传感器包括角度传感器、压力传感器和脉搏传感器。角度传感器安装在机器人本体的各个关节处的曲柄连杆机构上，用于测量关节的角度变化情况；压力传感器安装在固定脚板402和转动脚板502上，用于采集患者脚部施加在脚板上的压力值；脉搏传感器用于测量患者的脉搏变化，其安装位置并不固定，保持与工控机连接，工作时，装在患者身体上能够检测脉搏的位置。另外，当六个关节驱动单元采用电机时，在六个电机的输出轴上安装有扭矩传感器，用于检测各个电机扭矩。光电编码器安装在电机的转轴上，用于测量各个关节电机的转速。当各项数据尤其是患者脉搏出现异常情况时，可以根据实际情况选择终止训练，并做记录。工控机接收数据采集模块的各项数据，并对数据进行处理后，反馈至开发板，由开发板调节机器人本体的工作。
另外，在工控机中还装有无线蓝牙模块。无线蓝牙模块与远程设备建立连接，使得远程设备能够通过无线蓝牙模块远程控制工控机工作。本实施例中，在Android Studio集成开发环境下开发出可以远程遥控下肢康复机器人的手机APP，采用Handler、Message和AsyncTask的通信机制，实现手机端和无线蓝牙模块之间的通信控制，同时，利用基于TCP/IP协议的Socket通信机制实现两者的数据传输与记录。通过这种方式，可以方便康复机器人的控制和进行多方位的训练监测，确保训练时的安全与高效。
为了增加患者在训练时的主动积极性，在工控机内装有无线模块，并搭建有虚拟现实场景的程序。虚拟现实场景通过外部相机展示，同时，无线模块与sEMG采集仪、压力传感器和脉搏传感器连接，采集患者训练时下肢的运动信息，并将其反馈至外部相机，从而实现虚拟现实场景的变化和患者下肢运动的同步。本实施例中，外部相机采用ZED双目立体相机。
综上所述，本实施例的一种下肢康复机器人控制系统，解决了康复机器人使用时，不能很好地监测患者的实时情况，导致对于康复机器人的训练模式和训练程度控制不方便的问题，其能够实时准确地检测患者下肢的训练和恢复情况，从而根据患者下肢实际情况调整训练模式和训练程度，提高了患者的康复训练效果。
如图20所示，为了进一步提高康复机器人对患者的康复训练效果，本实施例还提供了一种康复机器人的控制方法，采用上述康复机器人控制系统控制实施例3中的康复机器人对患者进行康复训练。其包括以下步骤：
一、利用sEMG采集仪采集患者下肢的股直肌、股外侧肌、股内侧肌、腘绳肌、排肠肌、比目鱼肌六个通道的sEMG信号，经过去燥、滤波、放大，得到原始sEMG信号。为了避免偶然误差和机器误差的等随机性的干扰，采集信号时，让六处肌肉运动的每个动作做120组，每个动作周期是2s，即每个通道采集120组数据，并分别去除数值最大的10组数据和数值最小的10组数据，每个通道留100组数据，之后对留下的600组数据进行处理得到原始sEMG信号。
二、在工控机中，通过工控机内的MATLAB R2018a软件，利用时域分析法提取原始sEMG中的积分肌电值和均方根值，公式如下：
其中，IEMG为积分肌电值，RMS为均方根值，N为sEMG信号的采样数；Xi为sEMG信号第i个采样点数的幅值。
三、该步骤与步骤二可以同时进行，通过压力传感器采集患者脚部施加在机器人本体的脚板上的压力信号，并传递至工控机处理，通过工控机内将足底压力的模拟信号转换成数字信号，经过去燥、放大、整流处理后得到足底压力值。
四、首先，在工控机中设定两种阈值T1和T2，其中，T1为健康人员在正常状态下进行缓慢步态行走时的下肢sEMG值大小和足底压力值大小经过归一化处理后的和，T2为健康人员在骑助力车时的下肢sEMG值大小和足底压力值大小经过归一化处理后的和。接着，对步骤二中的积分肌电值、均方根值和步骤三中的足底压力值进行归一化处理后相加，得到数值T0。根据在患者身上采集的数值T0的大小，分为三种训练模式：
需要说明的是，在开始训练前，需要规划机器人本体的关节运动轨迹，并对机器人本体的驱动元件进行选型。
关节运动轨迹的规划过程为：通过运动捕捉系统采集正常人体行走步态轨迹，经过处理后得到关节轨迹曲线。
驱动元件的选型过程为：建立下肢康复机器人运动学模型，建立康复机器人髋关节、膝关节和踝关节之间的位置动态关系。然后建立人机简化的动力学模型，利用Lagrange法分析其动力学模型，建立三个关节位置与驱动力矩之间的关系，并通过仿真分析计算出驱动元件所需的功率，从而完成相对应的驱动元件的选型工作。
当T0＜T1时，采取被动训练，这种状态下，患者的康复状态并不达标，需要由机器人本体为患者下肢提供助力，带动患者进行康复训练。而机器人本体在带动患者训练时，由于机器人本体的关节的转动是一个非线性的控制过程，其柔顺性和阻抗控制较差。如图16所示(其中，r(t)为总输入量，e(t)为控制器的输入量，u(t)为控制器的输出量，G(s)为分数阶闭环系统的传递函数，和y(t)为总输出量)，为了解决这个问题，本实施例采取分数阶PIλDμ控制器来控制患者的被动训练过程，由于分数阶PIλDμ控制器处理非线性控制具有独特的优势，且超调量小，响应速度快，能够有效地解决上述问题。进一步地，为了提高上述分数阶PIλDμ控制器的控制效果，本实施例还通过Caputo型算子对其进行了优化，该算子的具体公式如下：
其中，为微分或积分操作算子，a和t为微积分的上下限，m为常数，λ为积分阶次，μ为微分阶次。
另外，本实施例还利用现有技术中的仿生智能算法离子运动算法对PIλDμ控制器进行了改进，该算法分为液态和固态两种状态，在液态中，利用云自适应进行优化；在固态阶段，利用混沌映射进行优化，使得PIλDμ控制器中的参数λ和μ得到快速整定，很好的解决了这两种参数繁琐的整定过程。具体过程如图17所示。通过此种策略的处理，使得在被动训练模式下，机器人本体运动更加平稳，柔顺，可以保证初期患者在训练时的安全和训练的循序渐进。
当T0＞T2时，采取主动训练，其具体工作过程为：将步骤二所获得的sEMG信号的积分肌电值和均方根值输入到极限学习机中进行训练，之后所得的数据结合足底压力值进行模式识别，从而判断出患者主观意识上想要完成的下肢运动动作，然后机器人本体跟随其完成相应动作，但是在此期间不提供助力，靠患者自身发力进行训练运动。另外，在进行主动训练时，还设定有三种训练方式，分别为0°平躺训练、45°斜躺训练和90°直立行走，通过调节床体3的角度来改变训练模式。
当T1＜T0＜T2时，采取助力训练，其具体过程为：当T0大小由小于T1变为T1＜T0＜T2时，机器人本体上的训练机构开始由完全带动患者进行训练动作的被动训练模式，变为提供部分助力带动患者运动，另一部分则靠患者自身的发力的状态。随着T0大小逐渐向T2靠近，机器人本体向患者提供的助力会逐渐减小，直到T0大于T2时，进入主动训练模式，机器人本体不再为患者提供助力，患者的训练完全靠自身发力。反之，当T0的大小由T2逐渐向T1靠近时，机器人本体提供的助力会逐渐增大，当小于T1时进入被动训练，完全由机器人本体带动患者进行训练。
通过这种方式，使得康复机器人在切换训练模式时，能够根据患者的康复情况进行模式切换，切换训练模式时自适应效果较佳，使得切换较为流畅，不会发生突兀切换对患者造成伤害或使得患者产生训练力度突变的不适应感的情况。
五、控制程序的搭建过程如图19所示，为基于Qt/E 5.9C++的开发环境。首先安装编译环境和交叉编译环境，然后在PC机上编写驱动模块、数据采集模块和工控机的应用程序，并移植到开发板中，完成人机交互界面和控制程序的搭建。
六、在远程设备上搭建控制程序并与无线蓝牙模块连接，控制工控机工作。具体方式为，在Android Studio集成开发环境下开发出可以远程遥控下肢康复机器人的手机APP，采用Handler、Message和AsyncTask的通信机制，实现手机端和无线蓝牙模块之间的通信控制，同时，利用基于TCP/IP协议的Socket通信机制实现两者的数据传输与记录。
七、通过创建虚拟场景、安装外部相机、加载实体、最后渲染等步骤搭建虚拟现实场景，其中，虚拟现实场景的搭建在工控机中进行，再通过外部相机展示，同时，工控机接收sEMG采集仪、压力传感器和脉搏传感器采集的患者训练时的运动信息，并将其反馈至外部相机，从而实现虚拟现实场景的变化和患者下肢运动的同步，虚拟现实场景主要有城市、山区步行，爬楼梯，足球射门等模式。相对于传统的搭建过程，本实施例利用WebGL的第三方库Three.js工具，操作过程简单，场景更加形象生动。而且，在场景中添加了虚拟力反馈效果，能够做到避障的功能。同时，大大提高了场景交互的真实感，如上坡时，关节电机的转速变慢，下坡时，关节电机的转速变快等。场景同步效果好，能够几乎做到与人体动作幅度和位置范围完全匹配与同步的效果。通过这种方式，使患者能够体验到真实行走时的场景变化感，增加训练趣味性，提高患者的训练主动性和训练效果。
综上所述，本实施例的一种下肢康复机器人的控制方法，康复机器人的柔顺性和阻抗控制效果好，切换训练模式时自适应效果较佳，能够准确识别患者的主动意识指令，与患者的交互性高，有效地增加了患者的训练积极性和训练效果。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多位姿下肢康复机器人，包括从下到上依次设置的底座(1)、抬升机构(2)和床体(3)，其特征在于：还包括分别对称设置在床体(3)两侧的一对大腿训练机构(4)和一对小腿训练机构(5)；
所述大腿训练机构(4)包括小腿杆(401)、固定脚板(402)、大腿杆(403)、滑轨(404)、滑块(405)和髋关节驱动单元(406)；所述滑轨(404)沿床体(3)的长度方向设置在床体(3)的侧边，所述滑块(405)与滑轨(404)连接形成移动副，滑块(405)上端与小腿杆(401)铰接连接；所述小腿杆(401)的一端安装固定脚板(402)，另一端与大腿杆(403)的一端铰接连接，所述大腿杆(403)的另一端铰接连接在床体(3)上；所述髋关节驱动单元(406)用于驱动大腿训练机构(4)沿滑轨(404)往复运动；
所述小腿训练机构(5)包括小腿板(501)、转动脚板(502)、膝关节驱动单元(503)和踝关节驱动单元(504)；所述小腿板(501)铰接连接在床体(3)上，所述膝关节驱动单元(503)用于驱动小腿板(501)沿小腿板(501)与床体(3)的铰接处传动；所述转动脚板(502)铰接连接在小腿板(501)的后侧，所述踝关节驱动单元(504)用于驱动转动脚板(502)沿转动脚板(502)与小腿板(501)的铰接处转动；
所述床体(3)铰接在抬升机构(2)上，其上设置有能够翻转的背垫(301)；所述抬升机构(2)上铰接连接床体驱动单元(302)的一端，所述床体驱动单元(302)的另一端与床体(3)铰接连接。
2.根据权利要求1所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：所述小腿杆(401)和大腿杆(403)之间还包括互相铰接连接的小腿伸缩杆(407)和大腿伸缩杆(412)；
所述小腿杆(401)的端面上沿其轴向设有通孔，小腿伸缩杆(407)插入小腿杆(401)上的通孔并通过紧固螺钉I(408)与小腿杆(401)固定连接；
所述大腿杆(403)的端面上沿其轴向设有通孔，大腿伸缩杆(412)插入大腿杆(403)上的通孔并通过紧固螺钉II(413)与大腿杆(403)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：所述髋关节驱动单元(406)为电机，电机安装在床体(3)的侧边，通过曲柄连杆机构I(409)与大腿杆(403)或小腿杆(401)传动连接。
4.根据权利要求1所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：还包括固定连接在小腿板(501)上的伸缩板(505)；所述转动脚板(502)的两侧铰接有一对连杆(506)，所述连杆(506)上沿连杆(506)的长度方向开设有卡槽；所述伸缩板(505)插入一对连杆(506)之间并与连杆(506)接触，所述连杆(506)通过插入所述卡槽，并与伸缩板(505)螺纹连接的紧定螺钉(507)固定在伸缩板(505)上。
5.根据权利要求4所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：所述膝关节驱动单元(503)为电机，其安装在床体(3)的下端，通过曲柄连杆机构II(508)与小腿板(501)传动连接。
6.根据权利要求4所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：所述踝关节驱动单元(504)为电机，其安装在小腿板(501)或伸缩板(505)或转动脚板(502)的下方，通过带传动机构(509)与转动脚板(502)传动连接。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：所述床体(3)上相对于小腿训练机构(5)的另一端装有减重支架(303)，床体(3)中部两侧对称安装有一对扶手(304)。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种多位姿下肢康复机器人，其特征在于：所述底座(1)下端装有滚轮(101)。
9.一种权利要求1-8中任意一项所述的一种多位姿下肢康复机器人的使用方法，包括以下步骤：
一、预调：使患者躺在床体(3)上，驱动抬升机构(2)抬升床体(3)至设定好的位置，再控制床体驱动单元(302)调节床体(3)的角度；
二、训练：包括两种训练模式：
①卧式：患者平躺在床体(3)上，双腿固定在一对大腿训练机构(4)上，髋关节驱动单元(406)工作，使滑块(405)在滑轨(404)上做往复运动；
②坐式：驱动背垫(301)翻转至设定的位置，使患者靠坐在背垫(301)前，患者的双脚固定在转动脚板(502)上；膝关节驱动单元(503)工作，驱动小腿板(501)转动；踝关节驱动单元(504)工作，驱动转动脚板(502)转动。
10.根据权利要求9所述的一种多位姿下肢康复机器人的使用方法，其特征在于：当床体(3)上装有减重支架(303)时，
预调步骤为：使患者躺在床体(3)上，穿上与减重支架(303)相连的减重背心，驱动抬升机构(2)抬升床体(3)至设定好的位置，再控制床体驱动单元(302)调节床体(3)的角度；
训练步骤还包括：③立式：患者平躺在床体(3)上，控制床体驱动单元(302)调节床体(3)角度，使患者接近直立状态：(a)当双腿固定在一对大腿训练机构(5)上时，髋关节驱动单元(406)工作，使滑块(405)在滑轨(404)上做往复运动；(b)当双腿固定在一对小腿训练机构(4)上时，膝关节驱动单元(503)和踝关节驱动单元(504)工作，带动患者转动脚部和屈膝。
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