CN110478196B - 一种下肢康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于康复医疗器械领域，特别设计一种下肢康复训练机器人，由支撑机构、康复运动机构和驱动系统等三部分组成，其中支撑机构主要包括底座、尾座和导轨；康复运动机构由曲柄摇杆机构，凸轮摆杆机构和摇杆滑块机构组成。充分利用四杆机构及凸轮摆杆机构的运动原理完成主要训练任务，带动患者下肢产生不同的训练模式和易于缩放的下肢运动轨迹路径。训练模式包括主动训练和被动训练。该结构运动灵活，稳定可靠，外观简单，价格低廉。下肢运动轨迹路径模仿真实下肢的动作姿态，帮助患者准确的完成生活中的相应动作，具备广泛的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，特别设计了一种下肢康复训练机器人，可用于脑血管疾病，脑或脊柱受伤等中枢神经损伤的患者在早期康复技术领域。
背景技术
随着科学技术的不断发展，上述各学科领域的各项伟大的突破，医疗器械领域的发展也在有条不紊的向前推进着。而下肢康复训练机器人作为近年来医疗器械领域的热点研究方向，在世界各国内都得到了广泛的关注、研究与开发。
近年来，康复训练机器人对患者进行科学而又有效的康复训练的方式表现出来越来越多的优势。及早开展康复训练不仅能够维持关节活动范围、防止关节挛缩，而且能够显著提高患者运动功能的最终恢复程度。其中被动训练是肢体运动康复训练疗法中的一种基本方法。
现有的有关步态康复训练机器人一般是通过大腿、小腿摆动和脚踝的转动实现对人类步态的模拟，忽略了不同步长对腿部肌肉运动机能的康复训练效果不同和脚踝姿态不同时期的姿态也不相同，更重要的是忽略了趾骨关节在整个康复训练过程中所起到的关键作用。一组完美的步态，必须允许患者能够轻松地、长时间正确地进行步行运动，才能达到康复训练的预期效果。
目前,少数的外骨骼式下肢康复机器人可以近似的复现出正常人体健肢的正常行走步态.然而,大部分的关节驱动的下肢康复训练机器人在足踝跖骨处所实现的行走轨迹与人体正常行走步态轨迹还是有一定的偏差。这样会造成患者在使用这样的康复训练机构在长期训练之后与正常的步态不相符，造成肌肉的运动模式和原来健康状态下的运动模式有很大的不同，最终会影响康复训练效果。
为了解决现有技术存在的不足之处，提供一种新型的可以实现正常的步态轨迹的下肢康复训练机器人，这样的一种新型的下肢康复训练机器人可以满足康复训练者的身体特征，目的是解决康复训练步态轨迹与自然步态轨迹不相符的问题，使其能够产生与康复训练者相匹配的标准步态轨迹,通过带动脚部运动进而完成整个下肢的康复训练动作。
在结构上，力求简单，需要一个电机可以完成康复训练动作，成本较低，适用于普通家庭。运动更加舒适，为了满足人体工程学而设计，使得康复训练者的下肢摆动更加自然。
在整体上，要求性能更加稳定，减少因为摩擦而消耗掉的能量，部件单独设计，减轻单个部件的重量，安装后，康复训练机器人的整理结构重量也减轻，不会过于笨重，不会对康复训练者造成过大的冲击力。能够有效防止二次受伤。
发明内容
针对目前市场上产品的不足，本发明提出了一种下肢康复训练机器人。
本发明采用的技术方案为：
该系统由支撑机构、康复运动机构和驱动系统等三部分组成：
所述支撑机构：包括起固定作用的底座和尾座；底座和尾座之间采用焊接的方式连接在一起，保证了运动机构在运动过程中保持一定的稳定性和运动的灵活性，同时也起到了固定和定位的作用。
所述康复运动机构：主要由曲柄摇杆机构，凸轮摆杆机构和摇杆滑块机构等部分组成。曲柄摇杆机构主要包括以下部件：摇杆、固定滑块、曲柄、连杆；摇杆滑块机构由长连杆、脚踏板等组成；凸轮摆杆机构由凸轮、导轨组成。曲柄通过曲柄轴与底座连接在一起，由曲柄轴带动曲柄实现360°的圆周运动，连杆的一端与曲柄铰接，另一端与摇杆连接，摇杆和底座之间由摇杆轴连接，两者之间采用旋转副的方式连接在一起，在曲柄进行圆周运动的过程中，带动连杆运动，进而带动摇杆在一定角度内进行循环往复的摆动运动。在摇杆的沟槽结构两侧中安装有两个固定滑块，该滑块可以在槽内的位置进行调整，用螺栓进行紧固装配，所述滑块在远离机构中心一侧与长连杆铰接连接，长连杆的另一端与脚踏板铰接，所述脚踏板的下部分结构与导轨之间依靠滑动副连接，摇杆的循环往复摆动带动长连杆进行运动，从而带动脚踏板在导轨上进行前后循环往复的滑动运动。导轨的回转中心在导轨轴上，两者保证在同一个轴线上，导轨的前端与凸轮之间以高副线接触的形式接触在一起，凸轮在绕自身回转中心运动的时候带动导轨绕自身回转中心进行上下摆动运动。三个机械结构之间相互配合运动就可以实现踝关节的趾屈和背屈；
所述驱动系统：包括步进电机和安装在电机轴、曲柄轴和凸轮轴上的V带带轮；步进电机控制转动速度，所述底座上设有电机座，电机安装在电机座上，步进电机上安装有两个V带带轮，其中一个通过V带与曲柄轴上的带轮连接，主要带动曲柄轴运动，进而带动曲柄实现圆周运动，另一个带轮与凸轮轴上的带轮相连，带动凸轮轴运动，进而带动凸轮实现圆周运动，从而实现导轨的上下摆动运动。
因为脚踏板的安装要求与导轨保持一定的平行度，这样脚踏板同样会跟着导轨在一定角度之间实现上下循环往复的摆动运动。因为脚踏板同时进行着两种运动，所以会在脚踏板的任意一点上拟合出一条封闭的曲线，该曲线就是人体健肢的运动步态轨迹路径。
可以生成类似的步态轨迹，这个机构可以将脚约束到正常的步态轨迹路径上，补偿在15.24-101.6㎝之间，而且在保证轨迹形状不变额前提下，可以产生一个易于缩放的全脚轨迹；
步态轨迹路径的缩放是线性的，这是最容易的缩放方式，保证使用该设备的治疗师可以很容易的读取或者调整时间比例，使得机构运行过程中得步频和步速更适合使用者；
机动化程度高，该机构产生的步态轨迹是通过电动机组件带动机械结构进行运动的，该电动机组件对于帮助低肌肉强度的患者来说至关重要，可以仅通过一个电动机控制整个系统，便于操控。
发明的工作原理为：患者患病初期无法站立，将康复装置和患者下肢进行固定，通过电动机实现患者脚角的变化，即可实现患者姿态的改变，采用导轨直接承重的方式带动患者下肢进行运动。
本发明的有益效果为：
针对心脑血管疾病，中枢神经损伤的患者进行有针对性的下肢康复训练，安装在摇杆上的固定滑块可以调节其与摇杆之间连接的紧密程度，通过调节松紧可以实现固定滑块在摇杆槽上的移动，移动到固定位置在进行紧固连接，可以实现在脚踏板上复制出来的跖骨轨迹路径线性缩放。适合的患者人群更广泛，充分利用了四杆机构的原理完成了不同的训练任务；下肢康复装置可以带动患者的下肢产生不同的训练模式，相似的训练轨迹；训练机构利用了曲柄摇杆机构，摇杆滑块机构，凸轮摆杆机构等。将远东装置前置，运动灵活，稳定可靠，外观简单，易于被患者接受。
附图说明
图1为下肢康复训练机器人机构的正面结构示意图；
图2为下肢康复训练机器人机构的单腿运动结构示意图；
图3为凸轮摆杆机构示意图；
图中标号：
1-摇杆；2-固定滑块；3-曲柄；4-连杆；5-长连杆；6-脚踏板；7-导轨；8-尾座；
9-导轨轴；10-凸轮；11-凸轮轴带轮；12-曲柄轴带轮；13-电机轴带轮；14-电机；15-底座。
具体实施方式
本发明提供了一种下肢康复训练机器人，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
本发明的结构如图1所示，主要分为支撑机构、康复运动机构和驱动系统等三部分。
所述支撑机构：包括起固定作用的底座和尾座；底座和尾座之间采用焊接的方式连接在一起，保证了运动机构在运动过程中保持一定的稳定性和运动的灵活性，同时也起到了固定和定位的作用。
所述康复运动机构：主要由曲柄摇杆机构，凸轮摆杆机构和摇杆滑块机构等部分组成。曲柄摇杆机构主要包括以下部件：摇杆、固定滑块、曲柄、连杆；摇杆滑块机构由长连杆、脚踏板等组成；凸轮摆杆机构由凸轮、导轨组成。曲柄通过曲柄轴与底座连接在一起，由曲柄轴带动曲柄实现360°的圆周运动，连杆的一端与曲柄铰接，另一端与摇杆连接，摇杆和底座之间由摇杆轴连接，两者之间采用旋转副的方式连接在一起，在曲柄进行圆周运动的过程中，带动连杆运动，进而带动摇杆在一定角度内进行循环往复的摆动运动。在摇杆的沟槽结构两侧中安装有两个固定滑块，该滑块可以在槽内的位置进行调整，用螺栓进行紧固装配，所述滑块在远离机构中心一侧与长连杆铰接连接，长连杆的另一端与脚踏板铰接，所述脚踏板的下部分结构与导轨之间依靠滑动副连接，摇杆的循环往复摆动带动长连杆进行运动，从而带动脚踏板在导轨上进行前后循环往复的滑动运动。导轨的回转中心在导轨轴上，两者保证在同一个轴线上，导轨的前端与凸轮之间以高副线接触的形式接触在一起，凸轮在绕自身回转中心运动的时候带动导轨绕自身回转中心进行上下摆动运动。三个机械结构之间相互配合运动就可以实现踝关节的趾屈和背屈；
所述驱动系统：包括步进电机和安装在电机轴、曲柄轴和凸轮轴上的V带带轮；步进电机控制转动速度，所述底座上设有电机座，电机安装在电机座上，步进电机上安装有两个V带带轮，其中一个通过V带与曲柄轴上的带轮连接，主要带动曲柄轴运动，进而带动曲柄实现圆周运动，另一个带轮与凸轮轴上的带轮相连，带动凸轮轴运动，进而带动凸轮实现圆周运动，从而实现导轨的上下摆动运动。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (4)
1.一种下肢康复训练机器人，由支撑机构、康复运动机构和驱动系统三部分组成，其特征在于，所述支撑机构：包括起固定作用的底座(15)和尾座(8)；底座(15)和尾座(8)之间采用焊接的方式连接在一起，保证了运动机构在运动过程中保持一定的稳定性和运动的灵活性，同时也起到了固定和定位的作用；
所述康复运动机构：由曲柄摇杆机构，凸轮摆杆机构和摇杆滑块机构部分组成，曲柄摇杆机构包括以下部件：摇杆(1)、固定滑块(2)、曲柄(3)、连杆(4)；摇杆滑块机构由长连杆(5)、脚踏板(6)组成；凸轮摆杆机构由凸轮(10)、导轨(7)组成，曲柄(3)通过曲柄轴与底座(15)连接在一起，由曲柄轴带动曲柄(3)实现360°的圆周运动，连杆(4)的一端与曲柄(3)铰接，另一端与摇杆(1)连接，摇杆和底座之间由摇杆轴连接，两者之间采用旋转副的方式连接在一起，在曲柄(3)进行圆周运动的过程中，带动连杆(4)运动，进而带动摇杆(1)在一定角度内进行循环往复的摆动运动，在摇杆(1)的沟槽结构两侧中安装有两个固定滑块(2)，该滑块(2)可以在槽内的位置进行调整，用螺栓进行紧固装配，所述滑块(2)在远离机构中心一侧与长连杆(5)铰接连接，长连杆(5)的另一端与脚踏板(6)铰接，所述脚踏板(6)的下部分结构与导轨(7)之间依靠滑动副连接，摇杆(1)的循环往复摆动带动长连杆(5)进行运动，从而带动脚踏板(6)在导轨(7)上进行前后循环往复的滑动运动，导轨(7)的回转中心在导轨轴(9)上，两者保证在同一个轴线上，导轨(7)的前端与凸轮(10)之间以高副线接触的形式接触在一起，凸轮(10)在绕自身回转中心运动的时候带动导轨(7)绕自身回转中心进行上下摆动运动，三个机械结构之间相互配合运动就可以实现踝关节的趾屈和背屈；所述驱动系统：包括步进电机(14)和安装在电机轴、曲柄轴和凸轮轴上的V带带轮；步进电机(14)控制转动速度，所述底座(15)上设有电机座，步进电机(14)安装在电机座上，步进电机(14)上安装有两个V带带轮(13)，其中一个通过V带与曲柄轴上的带轮(12)连接，带动曲柄轴运动，进而带动曲柄(3)实现圆周运动，另一个与凸轮轴上的带轮(11)相连，带动凸轮轴运动，进而带动凸轮(10)实现圆周运动，从而实现导轨(7)的上下摆动运动，因为脚踏板(6)的安装要求与导轨(7)保持一定的平行度，这样脚踏板(6)同样会跟着导轨(7)在一定角度之间实现上下循环往复的摆动运动，因为脚踏板(6)同时进行着两种运动，所以会在脚踏板(6)的任意一点上拟合出一条封闭的曲线，该曲线就是人体健肢的运动步态轨迹路径。
2.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人，其特征在于，可以生成步态轨迹，这个下肢康复训练机器人可以将脚约束到正常的步态轨迹路径上，补偿15.24-101.6㎝之间，而且在保证轨迹形状不变前提下，可以产生一个易于缩放的全脚轨迹。
3.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人，其特征在于，步态轨迹路径的缩放是线性的，这种缩放方式保证了使用所述的一种下肢康复训练机器人的治疗师可以读取或者调整时间比例，使得下肢康复训练机器人运行过程中的步频和步速适合使用者。
4.根据权利要求1所述的一种下肢康复训练机器人，其特征在于，该下肢康复训练机器人产生的步态轨迹是通过电动机组件带动机械结构进行运动的，该电动机组件可以帮助低肌肉强度的患者进行康复，可以仅通过一个电动机控制整个系统，便于操控。
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