CN111053674A

CN111053674A - 一种柔索驱动卧式下肢康复机器人

Info

Publication number: CN111053674A
Application number: CN201911155378.8A
Authority: CN
Inventors: 王正雨; 刘光明; 訾斌; 钱钧; 王道明; 钱森; 陈兵
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: CN111053674B

Abstract

本发明涉及一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，属于机器人辅助下肢康复用医疗设备。包括一对脚部固定机构和支座机构；脚部固定机构包括脚部机架、柔索导向机构、竖直驱动机构、水平驱动机构和脚踝放置机构；水平驱动机构驱动一对脚部固定机构相对于支座机构前后滑动；所述竖直驱动机构通过柔索导向机构和脚踝放置机构实现对抬腿康复运动中竖直运动的控制。本发明创新性的引入前后方向自由度并采用柔索驱动，实现抬腿康复训练运动中不只是进行上抬运动，而且配合以前后补偿运动，能够更好的模拟抬腿的动作；还增加双腿的开合辅助自由度，能够更好的完成柔性下肢康复运动过程，达到更好的康复治疗效果。本发明结构设计合理、拆装方便，制造成本低。

Description

一种柔索驱动卧式下肢康复机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种机器人辅助下肢康复用医疗设备；应用于下肢康复机器人执行康复训练，更尤其涉及一种基于柔索驱动方式、且具有两自由度的机器人辅助器械，具体为一种柔索驱动卧式下肢康复机器人及康复训练方法。

背景技术

在机器人应用于医疗康复领域之前，瘫痪患者只能采用传统的康复手段进行康复训练，即只能通过康复医疗师与护理师的全程看护、面对面指导进行康复训练。这就需要大量的康复医疗师和护理师，而实际上康复医疗师和护理师数量不可能完成与患者数量的匹配，这就使得瘫痪患者的康复训练治疗需要高额的治疗费用。而康复医疗师和护理师精力也是有限的，因此在康复训练过程中也存在一定的风险。总的来说，传统的康复手段会使得大部分患者不能得到及时的康复训练，错过最佳治疗时期，使得患者并不能回复如初。近些年来，随着机器人的高速发展，在医疗康复领域的应用也逐渐增多，这就大大解决了传统康复训练治疗难、费用高的问题。市面上已经存在各种样式的下肢康复机器人，但大多为刚性连接，其运动过程也多为刚性的，对于下肢康复训练的动态过程来说，刚性连接的康复机器人并不能很好的满足康复训练的要求，其适应性有限。例如美国的Nustep和德国的THERA-Vital这种脚踏板式下肢康复机器人，这种康复机器人通常采用一对脚踏板与患者的双足接触，利用踏板带动双足做来回往复运动，这种类型的下肢康复机器人多为单自由度，并不能很好的模拟双腿的实际运动。也有些康复机器人改善了这一不足，例如瑞士SWORTEC公司研发的下肢康复机器人MotionMaker，但是，下肢康复机器人MotionMaker仍无法实现双腿的前后运动和开合运动。

发明内容

为了提高康复人员下肢更好的康复训练效果，本发明提供一种柔索驱动卧式下肢康复机器人。

一种柔索驱动卧式下肢康复机器人包括一对脚部固定机构1和支座机构2；

所述脚部固定机构1包括脚部机架11、柔索导向机构12、竖直驱动机构13、水平驱动机构14和脚踝放置机构15；

所述脚部机架11包括底板111、一对侧板113和工字型支架112；一对侧板113平行直立设于底板111上，工字型支架112设于一对侧板113之间的底板111中部；工字型支架112的前面对应着底板111的前部，工字型支架112的背面对应着底板111的后部；

所述柔索导向机构12包括张紧机构、收线滑动机构、驱动柔索121和一对脚踝柔索129；所述张紧机构包括定位轮124和一对张紧轮组128，定位轮124固定设于工字型支架112后侧的底板111上，一对张紧轮组128分别设于一对侧板113相对应面的上部；收线滑动机构包括对应配合滑动的滑块127、滑轨125和收线器126，滑轨125设于工字型支架112背面的直杆上，收线器126设于滑块127上；驱动柔索121跨设在定位轮124上，一端由收线器126固定夹持，另一端绕设在绕线轮135上；

所述竖直驱动机构13固定设于底板111的后部上，包括竖直电机136、带传动机构、绕线轮135和编码器132；

所述脚踝放置机构15包括一对脚踝半圆环155、两根连接轴154和一对脚踝柔索129；一对脚踝半圆环155连接形成一个圆环，分别通过两根连接轴154对应连接着一对脚踝柔索129的一端，一对脚踝柔索129的另一端分别固定连接着收线器126；

所述水平驱动机构14包括水平电机141、丝杠机构、导轨滑块机构和水平底板142；所述机架11通过导轨滑块机构的滑块设于水平驱动机构14的水平底板142上；水平驱动机构14通过水平底板142设于支座机构2的旋转架25上；

所述支座机构2包括板状的固定支座21、一对旋转架25和支座滑动机构；一对旋转架25的一端均转动连接着固定支座21，一对旋转架25的另一端均通过支座滑动机构设于固定底座21上；

通过一对旋转架25和固定底座21上的支座滑动机构的配合实现一对脚部固定机构1后部的开合滑动；

水平驱动机构14驱动一对脚部固定机构1相对于支座机构2前后滑动；

所述竖直驱动机构13通过柔索导向机构12和脚踝放置机构15实现对抬腿康复运动中竖直运动的控制。

进一步限定的技术方案如下：

所述一对侧板113上部之间固定设有横杆115和张紧轮组支架114，所述横杆115对应位于工字型支架112上部的前方，所述张紧轮组支架114固定位于工字型支架112上部的背面；张紧轮组支架114呈水平的杆件状。

所述张紧轮组128包括6个以上的张紧轮，其3-5个固定设于张紧轮组支架114上，其它沿着对应侧的侧板113上部边缘处布设。

所述竖直电机136为伺服电机；竖直电机136的输出轴上设有小带轮138，大带轮139位于小带轮138下方，所述大带轮139和绕线轮135均设于绕线轮轴134上，所述编码器132通过联轴器133连接着绕线轮轴134的一端。

所述水平电机141为伺服电机；所述丝杠机构包括丝杠144和丝杠螺母145；所述丝杠144的一端通过丝杠联轴器143固定连接着水平电机141的输出轴，丝杠144的另一端通过丝杠支座147固定在水平底板142中部；所述导轨滑块机构包括两根导轨148和四块滑块149，两根导轨148平行设于水平底板142，每根导轨148上配合设有两块滑块149，四块滑块149分别固定连接着所述脚部机架11的底板111底部，实现脚部机架11的前后移动。

所述丝杠机构为滚珠丝杠机构。

所述脚踝放置机构15的一对半圆环155分别通过两块半圆连接块156以孔销配合的插接连接方式连接形成一个圆环；所述两根连接轴154的一端分别连接着一块连接块156，两根连接轴154的另一端分别通过轴承固定连接着一块柔索连接块153。两块柔索连接块153分别固定连接着一对脚踝柔索129的一端。

所述轴承为深沟球轴承152。

所述固定支座21为扇形板状；一对旋转架25的一端均通过转动轴承转动连接着与扇形板圆心处对应的固定支座21上；所述支座滑动机构包括两根圆弧形的支座导轨26和四块支座滑块27，每根支座导轨26上配合设有两块支座滑块27，四块支座滑块27分别对应固定连接着水平驱动机构14的水平底板142底部，实现对应的脚指对应的一对脚部固定机构1的开合。

转动轴承为推力球轴承23。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明具有竖直和前后两个方向的自由度和一个辅助开合自由度，创新性的引入前后方向自由度并采用柔索驱动，实现抬腿康复训练运动中不只是进行上抬运动，而且配合以前后补偿运动，能够更好的模拟抬腿的动作；还增加双腿的开合辅助自由度，能够更好的完成柔性下肢康复运动过程，达到更好的康复治疗效果。

本发明的竖直运动采用柔索传动，使得整个机器轻便，用交流伺服电机提供动力，保证柔索驱动的平稳性。

本发明的前后补偿运动采用滚珠丝杠传动，交流伺服电机提供动力，能够保证补偿运动的运动精度。

4.本发明结构设计合理、各固定连接处采用螺纹连接固定，拆装方便，可靠性高，使用方便。制造成本低，具有很好的可维护性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为脚部固定机构结构示意图。

图3为脚部固定机构结构去除一侧脚部机架示意图。

图4为脚部机架示结构示意图。

图5为柔索导向机构结构示意图。

图6为张紧轮组和柔索结构示意图。

图7为竖直驱动机构结构示意图。

图8为水平驱动机构结构示意图。

图9为水平—支座装配关系示意图。

图10为脚踝放置机构结构示意图。

图11为支座机构结构示意图。

图1-11中序号：脚部固定机构1、支座机构2、脚部机架11、柔索导向机构12、竖直驱动机构13、水平驱动机构14、脚踝放置机构15、底板111、工字型支架112、侧板113、张紧轮组支架114、横杆115、驱动柔索121、定位轮支架122、定位轮轴123、定位轮124、滑轨125,、收线器126、滑块127、张紧轮组128、脚踝柔索129、竖直驱动机架131、编码器132、联轴器133、绕线轮轴134、绕线轮135、竖直电机136、同步带137、小带轮138、大带轮139、水平电机141、水平底板142、丝杠联轴器143、丝杠144、丝杠螺母145、丝杠连接块146、丝杠支座147、导轨148、滑块149、轴承挡圈151、深沟球轴承152、柔索连接块153、连接轴154、脚踝半圆环155、半圆连接块156、固定支座21、轴承座22、推力球轴承23、轴承端盖24、旋转架25、支座导轨26、支座滑块27。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明加以进一步地说明。

实施例

参见图1，一种柔索驱动卧式下肢康复机器人包括一对脚部固定机构1和支座机构2。

参见图2和图3，脚部固定机构1包括脚部机架11、柔索导向机构12、竖直驱动机构13、水平驱动机构14和脚踝放置机构15。

参见图4，脚部机架11包括底板111、一对侧板113和工字型支架112；一对侧板113平行直立固定安装于底板111上，工字型支架112安装于一对侧板113之间的底板111中部；工字型支架112的前面对应着底板111的前部，工字型支架112的背面对应着底板111的后部。一对侧板113上部之间固定安装有横杆115和张紧轮组支架114，横杆115对应位于工字型支架112上部的前方，张紧轮组支架114固定位于工字型支架112上部的背面；张紧轮组支架114呈水平的杆件状。

参见图5，柔索导向机构12包括张紧机构、收线滑动机构、驱动柔索121和一对脚踝柔索129。张紧机构包括定位轮124和一对张紧轮组128，定位轮124通过定位轮支架122和定位轮轴123安装于工字型支架112后侧的底板111上，一对张紧轮组128分别安装于一对侧板113相对应面的上部。收线滑动机构包括对应配合滑动的滑块127、滑轨125，以及安装在滑块127上的收线器126。滑轨125固定安装于工字型支架112背面的直杆上。驱动柔索121跨设在定位轮124上，一端由收线器126固定夹持，另一端绕设在绕线轮135上。参见图5和图6，一组张紧轮组128包括十个张紧轮，其中五个张紧轮固定安装于张紧轮组支架114上，其它五个沿着对应侧的侧板113上部边缘处布设。另一组张紧轮组的十个张紧轮对称安装于另侧。一对脚踝柔索129分别跨设在一对张紧轮组128上。

参见图7，竖直驱动机构13固定安装于底板111的后部上，包括竖直电机136、带传动机构、绕线轮135和编码器132，以及用于安装的竖直驱动机架131。竖直电机136为伺服电机，竖直电机136的输出轴上固定安装有小带轮138，大带轮139位于小带轮138下方，小带轮138和大带轮139之间采用同步带137连接传动，大带轮139和绕线轮135均安装于绕线轮轴134上，编码器132通过联轴器133连接着绕线轮轴134的一端。

参见图8，水平驱动机构14包括水平电机141、丝杠机构、导轨滑块机构和水平底板142。水平电机141为伺服电机。丝杠机构为滚珠丝杠机构，包括丝杠144和丝杠螺母145；丝杠144的一端通过丝杠联轴器143固定连接着水平电机141的输出轴，丝杠144的另一端通过丝杠支座147固定在水平底板142中部，丝杠连接块146固定在丝杠螺母145上。导轨滑块机构包括两根导轨148和四块滑块149，两根导轨148平行安装于水平底板142，每根导轨148上配合安装有两块滑块149。丝杠连接块146和四块滑块149分别固定连接着所述脚部机架11的底板111底部，实现脚部机架11的前后移动。脚部机架11通过导轨滑块机构的滑块安装于水平驱动机构14的水平底板142上；水平驱动机构14通过水平底板142安装于支座机构2的旋转架25上。

参见图10，脚踝放置机构15包括一对脚踝半圆环155、两根连接轴154和一对脚踝柔索129；一对脚踝半圆环155连接分别通过一对半圆连接块156以孔销配合的插接连接方式连接形成一个圆环。两根连接轴154的一端分别连接着一块连接块156，两根连接轴154的另一端分别通过深沟球轴承152固定连接着一块柔索连接块153；深沟球轴承152通过轴承挡圈151安装在连接轴154上，一对柔索连接块153分别固定连接着一对脚踝柔索129的一端，一对脚踝柔索129的另一端分别固定连接着收线器126；

参见图11，支座机构2包括板状的固定支座21、一对旋转架25和支座滑动机构。固定支座21为扇形板状；一对旋转架25的一端分别通过推力球轴承23转动连接着与扇形板圆心处对应的固定支座21上，推力球轴承23通过轴承端盖24安装在轴承座22中；参见图9，一对旋转架25的另一端均通过支座滑动机构安装于固定底座21上；支座滑动机构包括两根圆弧形的支座导轨26和四块支座滑块27，每根支座导轨26上配合安装有两块支座滑块27，四块支座滑块27分别对应固定连接着水平驱动机构14的水平底板142底部，实现对应的脚指对应的一对脚部固定机构1的开合。

本下肢康复机器人的使用操作详细说明如下：

把柔索驱动卧式下肢康复机器人放置妥当，康复训练患者躺在床上或地板上，两脚踝放在脚踝放置机构15中，两脚部固定机构1的开合角度可根据患者的需求自行调整。

启动柔索驱动卧式下肢康复机器人，右脚的脚部固定机构1中的电机优先启动，竖直电机136转动，通过键连接带动小带轮138转动，小带轮138通过同步带带动大带轮139转动，从而使得绕线轮轴134能够带动绕线轮135转动。驱动柔索121绕在绕线轮135上，通过定位论124，带动着收线器126在收线器导轨125上上下运动，从而使得脚踝的第一柔索129和第二柔索1210能够穿过张紧轮组128带动脚踝放置机构15上下运动。与此同时，水平电机141也开始转动，通过丝杠联轴器146带动丝杠144旋转，使得丝杠螺母145在丝杠上来回运动，丝杠螺母145与驱动机架机构11中的底板111连接，从而使得脚踝放置机构15进行水平的往复移动。

竖直电机136和水平电机141按照一定的关系进行转动，使得脚踝放置机构15的运动轨迹近似圆弧，从而使得抬腿康复训练更加完善。

当右脚的脚部固定机构1中脚踝放置机构15到达最高位置时，左脚的脚部固定机构1中的电机开始启动，完成与右脚的脚部固定机构1相同的工作。

左右两脚的脚部固定机构1中的两脚踝放置机构15实现上下交替运动并且补偿一水平运动，从而实现患者康复训练所需的抬腿运动。

Claims

1.一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：包括一对脚部固定机构（1）和支座机构（2）；

所述脚部固定机构（1）包括脚部机架（11）、柔索导向机构（12）、竖直驱动机构（13）、水平驱动机构（ 14）和脚踝放置机构（15）；

所述脚部机架（11）包括底板（111）、一对侧板（113）和工字型支架（112）；一对侧板（113）平行直立设于底板（111）上，工字型支架（112）设于一对侧板（113）之间的底板（111）中部；工字型支架（112）的前面对应着底板（111）的前部，工字型支架（112）的背面对应着底板（111）的后部；

所述柔索导向机构（12）包括张紧机构、收线滑动机构、驱动柔索（121）和一对脚踝柔索（129）；所述张紧机构包括定位轮（124）和一对张紧轮组（128），定位轮（124）固定设于工字型支架（112）后侧的底板（111）上，一对张紧轮组（128）分别设于一对侧板（113）相对应面的上部；收线滑动机构包括对应配合滑动的滑块（127）、滑轨（125）和收线器（126），滑轨（125）设于工字型支架（112）背面的直杆上，收线器（126）设于滑块（127）上；驱动柔索（121）跨设在定位轮（124）上，一端由收线器（126）固定夹持，另一端绕设在绕线轮（135）上；

所述竖直驱动机构（13）固定设于底板（111）的后部上，包括竖直电机（136）、带传动机构、绕线轮（135）和编码器（132）；

所述脚踝放置机构（15）包括一对脚踝半圆环（155）、两根连接轴（154）和一对脚踝柔索（129）；一对脚踝半圆环（155）连接形成一个圆环，分别通过两根连接轴（154）对应连接着一对脚踝柔索（129）的一端，一对脚踝柔索（129）的另一端分别固定连接着收线器（126）；

所述水平驱动机构（14）包括水平电机（141）、丝杠机构、导轨滑块机构和水平底板（142）；所述机架（11）通过导轨滑块机构的滑块设于水平驱动机构（14）的水平底板（142）上；水平驱动机构（14）通过水平底板（142）设于支座机构（2）的旋转架（25）上；

所述支座机构（2）包括板状的固定支座（21）、一对旋转架（25）和支座滑动机构；一对旋转架（25）的一端均转动连接着固定支座（21），一对旋转架（25）的另一端均通过支座滑动机构设于固定底座（21）上；

通过一对旋转架（25）和固定底座（21）上的支座滑动机构的配合实现一对脚部固定机构（1）后部的开合滑动；

水平驱动机构（14）驱动一对脚部固定机构（1）相对于支座机构（2）前后滑动；

所述竖直驱动机构（13）通过柔索导向机构（12）和脚踝放置机构（15）实现对抬腿康复运动中竖直运动的控制。

2.根据权利要求1所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述一对侧板（113）上部之间固定设有横杆（115）和张紧轮组支架（114），所述横杆（115）对应位于工字型支架（112）上部的前方，所述张紧轮组支架（114）固定位于工字型支架（112）上部的背面；张紧轮组支架（114）呈水平的杆件状。

3.根据权利要求1所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述张紧轮组（128）包括6个以上的张紧轮，其3-5个固定设于张紧轮组支架（114）上，其它沿着对应侧的侧板（113）上部边缘处布设。

4.根据权利要求1所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述竖直电机（136）为伺服电机；竖直电机（136）的输出轴上设有小带轮（138），大带轮（139）位于小带轮（138）下方，所述大带轮（139）和绕线轮（135）均设于绕线轮轴（134）上，所述编码器（132）通过联轴器（133）连接着绕线轮轴（134）的一端。

5.根据权利要求1所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述水平电机（141）为伺服电机；所述丝杠机构包括丝杠（144）和丝杠螺母（145）；所述丝杠（144）的一端通过丝杠联轴器（143）固定连接着水平电机（141）的输出轴，丝杠（144）的另一端通过丝杠支座（147）固定在水平底板（142）中部；所述导轨滑块机构包括两根导轨（148）和四块滑块（149），两根导轨（148）平行设于水平底板（142），每根导轨（148）上配合设有两块滑块（149），四块滑块（149）分别固定连接着所述脚部机架（11）的底板（111）底部，实现脚部机架（11）的前后移动。

6.根据权利要求5所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述丝杠机构为滚珠丝杠机构。

7.根据权利要求1所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述脚踝放置机构（15）的一对半圆环（155）分别通过两块半圆连接块（156）以孔销配合的插接连接方式连接形成一个圆环；所述两根连接轴（154）的一端分别连接着一块连接块（156），两根连接轴（154）的另一端分别通过轴承固定连接着一块柔索连接块（153）；两块柔索连接块（153）分别固定连接着一对脚踝柔索（129）的一端。

8.根据权利要求7所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述轴承为深沟球轴承（152）。

9.根据权利要求1所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述固定支座（21）为扇形板状；一对旋转架（25）的一端均通过转动轴承转动连接着与扇形板圆心处对应的固定支座（21）上；所述支座滑动机构包括两根圆弧形的支座导轨（26）和四块支座滑块（27），每根支座导轨（26）上配合设有两块支座滑块（27），四块支座滑块（27）分别对应固定连接着水平驱动机构（14）的水平底板（142）底部，实现对应的脚指对应的一对脚部固定机构（1）的开合。

10.根据权利要求9所述的一种柔索驱动卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述转动轴承为推力球轴承（23）。