CN102068367B - 下肢多训练模式康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢多训练模式康复机器人，包括踏板转动机构、膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构。踏板转动机构中踏板轴一端与踏板连接，另一端与腿膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构连接。膝髋关节运动机构中连杆与中轴的端部固定连接，减速传动装置的输入端与制动器和驱动源连接，输出端与中轴连接。脚踝关节运动机构的左、右套筒由传动方向相反的传动机构传动，输入传动机构与驱动源连接，输出传动机构与踏板轴连接。本装置实现了绕同一个中心线的膝髋和脚踝关节运动的传动，采用制动器和两个驱动源的实时控制，实现了患者下肢六个关节被动、助力、主动、阻尼四种康复训练模式，结构紧凑、控制准确、运行安全、易于实现批量生产。

Description

下肢多训练模式康复机器人

技术领域

本发明属于康复医疗机械领域，涉及一种下肢多训练模式康复机器人，具体涉及一种用于因疾病、下肢偏瘫、各种损伤等引起的腿部运动功能障碍患者的下肢多训练模式康复机器人。

背景技术

随着社会的发展，人口老龄化及各种疾病、事故等导致的肢体运动障碍患者日益增多。这类患者除了药物治疗或手术治疗外，科学的康复训练对于患肢运动功能改善非常重要，同时，随着科技的发展和人们生活质量的不断提高，人们对医疗保健的要求越来越高。这样的背景下，肢体康复机器人作为康复治疗的一种工具，得到了迅速的发展。

目前，世界上大约有十余家实验室从事下肢康复机器人的研究，其中日本和美国走在了前列。日本研制了旋转式康复机器人。德国柏林自由大学（FREE UNIVERSITY BERLIN）开展了腿部康复机器人的研究，并研制了MGT型康复机器人样机。美国的RUTGERS大学开展了脚部康复机器人的研究，并研制了RUTGER脚部康复训练机器人样机。瑞士苏黎士联邦工业大学在汉诺威2001年世界工业展览会上展出了名为LOKOMAT的康复机器人，LOKOMAT的康复机器人模型采用一种主动步态矫正装置带动患者的腿步在踏板机上训练，同时LOKOMAT辅助患者在整个跑台上的步行运动，并使用渐进的功能运动治疗和患者的评估、反馈系统有机结合。我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练机器人样机。

上述下肢康复机器人的优点是结构简单，易于控制，但是机器人自由度偏少，步态训练时，患者的一些重要关节运动得不到训练或者纠正。同时，这些下肢康复机器人运动模式单一，主要是进行各种类型的CPM（Continuous Passive Motion，连续被动运动），少量的下肢康复机器人可以以主动模式工作。最新研究表明，对因意外事故、先天缺陷、疾病、战争和机体老化等因素产生的功能障碍或残疾患者的康复训练通常需要四种训练模式，即被动训练模式、助力训练模式、主动训练模式、阻尼训练模式，目前国内外并没有同时支持上述多关节同时又有四种康复训练模式的康复机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于下肢功能障碍或残疾患者下肢六个关节（左踝关节、左膝关节、左髋关节、右踝关节、右膝关节、右髋关节）的康复训练，并实现被动训练模式、助力训练模式、主动训练模式、阻尼训练模式四种康复训练模式的下肢多训练模式康复机器人。

本发明所提供的下肢多训练模式康复机器人，包括踏板转动机构、膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构，

所述踏板转动机构包括踏板和踏板轴，踏板轴一端与踏板连接，另一端与膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构连接，所述踏板转动机构为两组；

所述膝髋关节运动机构包括中轴、两个连杆、第一离合器、制动器、减速传动装置、第二离合器和第一驱动电机，连杆的一端与中轴固定连接，另一端有一端孔，踏板轴穿过端孔与连杆活动连接，两个连杆结构和连接方式相同，相对中轴的中心点对称布置，减速传动装置的输入端通过第一离合器与制动器连接，同时所述输入端还通过第二离合器与第一驱动电机连接；减速传动装置的输出端与中轴在中间位置固定连接，所述减速传动装置能够正反两个方向传动；

所述脚踝关节运动机构包括左套筒、右套筒、输入传动机构、左传动机构、右传动机构、两组输出传动机构、第三离合器和第二驱动电机，左、右套筒分别套于中轴两端且能够绕中轴转动，左套筒右端与左传动机构的从动端连接，左套筒左端与一组输出传动机构的主动端通过第三离合器与第二驱动电机连接；右套筒左端与右传动机构的从动端连接，右套筒右端与另一组输出传动机构的主动端连接，所述左、右传动机构的传动方向相反，输入传动机构的从动端同时与左传动机构、右传动机构的主动端连接，输入传动机构的主动端与第二驱动源连接，输出传动机构的从动端与踏板轴远离踏板的轴端固定连接，所述输入传动机构、左传动机构、右传动机构、两组输出传动机构都能够正反两个方向传动。

所述下肢多训练模式康复机器人，其进一步特征在于：

所述减速传动装置由相互外啮合的齿轮轴和齿轮组成的齿轮传动装置和与传动链相互啮合的前链轮和后链轮组成的链轮传动装置组成，减速传动装置的输入端为齿轮轴，输出端为后链轮，齿轮轴左端通过第一离合器与制动器相连、右端通过第二离合器与第一驱动电机相连，齿轮与前链轮固定连接在同一根后轴上。

左传动机构由相互外啮合的从动齿轮和主动齿轮组成；右传动机构由与第一同步带相互啮合的第一从动同步带轮和第一主动同步带轮组成；输入传动机构由相互啮合的蜗轮和蜗杆组成，主动齿轮、主动同步带轮和蜗轮固定连接在同一根下轴上，主动齿轮、主动同步带轮分别位于蜗轮两侧，蜗杆通过第三离合器与第二驱动电机相连，第二驱动电机每转180°反向；输出传动机构由与第二同步带相互啮合的第二主动同步带轮和第二从动同步带轮组成。

制动器为磁粉制动器。

中轴上设置有两个轴端定位部，所述轴端定位部由锁紧挡圈和旋入锁紧挡圈的紧定螺钉组成。

左右套筒通过轴承与中轴连接，轴承位于套筒两端，其中用于定位左套筒的左轴承轴向内圈由轴端定位部定位，外圈由套筒内台阶定位；用于定位左套筒的右轴承轴向内圈由中轴台阶定位，外圈由套筒内台阶定位，右套筒与中轴的连接定位方式与左套筒与中轴的连接定位方式相同。

踏板轴通过平键、紧定螺钉与踏板连接，平键对该连接起径向定位，紧定螺钉对该连接起轴向定位。

所述减速传动装置的传动比为8，所述左、右传动机构的传动比均为1.5，所述输出传动机构的传动比为1。

所述下肢多训练模式康复机器人还包括放置整个机构的箱体，除了踏板转动机构、连杆、输出传动机构露在箱体外，其他所有机构都密封在箱体内。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.本发明采用后轴传动带动中轴转动、中轴上两端活动链接两套筒、下轴传动带动两套筒绕中轴转动的机构形式，绕同一个中心线实现了膝髋关节运动和脚踝关节运动的传动，实现了患者下肢六个关节的康复训练，结构紧凑，空间利用充分，同时，采用链传动使得各传动机构位置放置更加合理，整体结构更加紧凑，空间利用更加充分。

2.本发明提供的下肢多训练模式康复机器人具有多个自由度，采用制动器和两个驱动电机的实时控制，实现了患者下肢六个关节被动、助力、主动、阻尼四种训练模式，控制准确，运行安全。

3.本发明提供的下肢多训练模式康复机器人85%以上的零件为标准件，易于实现批量生产、更新升级，降低了成本。

附图说明

图1是本发明下肢多训练模式康复机器人的立体示意图；

图2是本发明下肢多训练模式康复机器人部分机构的半剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，下肢多训练模式康复机器人包括踏板转动机构、膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构。

踏板转动机构包括踏板31和踏板轴32。踏板轴32一端通过平键33、紧定螺钉34与踏板31连接，平键33对该连接起径向定位，紧定螺钉34对该连接起轴向定位，踏板轴32另一端与膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构连接。本装置中踏板转动机构为两组。

膝髋关节运动机构包括中轴1、两个连杆2、第一离合器111、磁粉制动器10、减速传动装置、第二离合器112和第一驱动电机121。

如图2所示，连杆2的一端与中轴1的端部固定连接，连杆2的另一端有一端孔，踏板轴32穿过端孔通过轴承93与连杆2活动连接，两个连杆2结构和连接方式相同，相对中轴1的中心点对称布置。

中轴1上设置有两个轴端定位部15，所述轴端定位部15由锁紧挡圈和旋入锁紧挡圈的紧定螺钉组成。

减速传动装置由相互外啮合的齿轮轴41、齿轮42以及与传动链45相互啮合的前链轮43和后链轮44组成，减速传动装置的传动比为8:1。齿轮轴41左端通过第一离合器111与磁粉制动器10连接、右端通过第二离合器112与第一驱动电机121连接，齿轮42与前链轮43固定连接在同一根后轴14上，后链轮44与中轴1在中间位置固定连接。

脚踝关节运动机构包括左套筒51、右套筒52、输入传动机构、左传动机构、右传动机构、两组输出传动机构、第三离合器113和第二驱动电机122。

左、右套筒51、52通过轴承与中轴1连接，轴承位于套筒两端，其中用于定位左套筒51的左轴承91轴向内圈由轴端定位部15定位，外圈由套筒内台阶定位，用于定位左套筒51的右轴承92轴向内圈由中轴1台阶定位，外圈由套筒内台阶定位，右套筒52与中轴1的连接定位方式与左套筒51与中轴1的连接定位方式相同。

左传动机构由相互外啮合的从动齿轮62和主动齿轮61组成。右传动机构由与同步带65相互啮合的从动同步带轮64和主动同步带轮63组成。输入传动机构由相互啮合的蜗轮72和蜗杆71组成。其中，从动齿轮62与左套筒51右端固定连接，从动同步带轮64与右套筒52左端固定连接，主动齿轮61、主动同步带轮63和蜗轮72固定连接在同一根下轴13上，主动齿轮61、主动同步带轮63分别位于蜗轮72两侧，蜗杆71通过第三离合器113与第二驱动电机122相连，电机每转180°反向。

左传动机构的传动比和右传动机构的传动比均为1.5:1。所述输入传动机构的蜗轮蜗杆为非自锁蜗轮蜗杆。

输出传动机构由与同步带83相互啮合的主动同步带轮81和从动同步带轮82组成，两组输出传动机构的两主动同步带轮81分别与左套筒51左端和右套筒52右端固定连接，从动同步带轮82与踏板轴32远离踏板34轴端固定连接，输出传动机构的传动比为1:1。

本发明所述的下肢多训练模式康复机器人，减速传动装置中的传动组合可以由满足空间要求以及减速要求的带轮传动、齿轮传动、链轮传动等单一或组合传动代替。左传动机构的齿轮传动可由链轮传动、带轮传动、等传动代替，相应的右传动机构的带轮传动可由齿轮传动、齿轮传动等传动代替。输入传动机构的非自锁蜗轮蜗杆传动可由直齿轮传动、锥齿轮传动、链轮传动或各种减速传动等代替。输出传动机构的带轮传动可由齿轮传动或链轮传动代替。第一驱动电机和第二驱动电机可以用其他单一或组合驱动装置代替。磁粉制动器可以用其他可调制动力矩的制动器代替。

本发明所述的下肢多训练模式康复机器人可通过位于左套筒51中间、右套筒52中间、下轴13两轴端、后轴14两轴端、蜗杆71两轴端、齿轮轴41两轴端的定位轴承放置整个机构于箱体中。整个机构除了踏板转动机构、连杆2、输出传动机构露在箱体外，其他所有机构都密封在箱体中。

本实施例以本下肢多训练模式康复机器人置于轮椅前，患者坐在轮椅上，脚置于踏板上为例，说明下肢多训练模式康复机器人实现患者下肢六个关节（左踝关节、左膝关节、左髋关节、右踝关节、右膝关节、右髋关节）被动、助力、主动、阻尼四种训练模式：

（1）被动训练模式

第一驱动电机121工作，第二离合器112工作在接合状态，膝髋关节运动机构中的减速传动装置带动中轴1转动，将第一驱动电机121的输出力矩平稳地传递给连杆2，连杆2带动患者腿近步态运动，从而康复训练患者膝关节和髋关节。同时，第二驱动电机122工作，第三离合器113工作在接合状态，脚踝关节运动机构中的左、右传动机构带动左、右套筒51、52绕中轴1转动，然后通过输出传动机构将第二驱动电机122的输出力矩平稳地传递给踏板31，踏板31与踏板轴32一起在连杆2端孔内自转，由于左传动机构的齿轮传动是外啮合传动，右传动机构的带轮传动是内啮合传动，两个套筒转动方向正好相反，从而两个踏板31自转方向相反，第二驱动电机每转180°反向，，踏板31带动患者脚做脚姿运动，从而康复训练患者脚踝关节。踏板31拟人脚踝关节运动的自转角和公转角通过两个驱动电机实时控制。

（2）助力训练模式

第一驱动电机121、第二驱动电机122处在工作状态，第二离合器112、第三离合器113工作在结合状态，检测患者下肢神经肌肉的肌电信号，控制第一驱动电机121、第二去驱动电机122的输出力矩的大小和方向，膝髋关节运动机构中的减速传动装置带动中轴1转动，将第一驱动电机121的输出力矩平稳地传递给连杆2，连杆2施加和患者腿企图运动方向一致的力，同时，脚踝关节运动机构中的左右传动机构带动左、右套筒51、52绕中轴1转动，通过输出传动机构将第二驱动电机122的输出力矩平稳地传递给踏板31，踏板31施加和患者脚踝企图运动方向一致的力，帮助患者下肢进行康复训练。

（3）主动训练模式

第一驱动电机121、第二驱动电机122停止工作，第二离合器112、第三离合器113工作在分离状态，由于减速传动装置、左传动机构、右传动机构、输出传动机构都可正反方向传动，输入传动机构的蜗轮蜗杆采用非自锁蜗轮蜗杆，输入传动机构也可以正反方向传动，中轴1处于自由转动状态，踏板31也处于自由转动状态，此时，恢复到一定程度的患者人脚可置于踏板31上进行下肢无阻尼主动康复训练。

（4）阻尼训练模式

在主动训练模式中，磁粉制动器10工作，第一离合器111工作在接合状态，踏板31可自由转动，通过控制磁粉制动器10的电流大小对齿轮轴41施加阻力距从而调节控制中轴1的阻力矩，此时，恢复到一定程度的患者人脚可置于踏板31上进行下肢有阻尼康复训练。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：包括踏板转动机构、膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构，

所述踏板转动机构包括踏板（31）和踏板轴（32），踏板轴（32）一端与踏板（31）连接，另一端与膝髋关节运动机构和脚踝关节运动机构连接，所述踏板转动机构为两组；

所述膝髋关节运动机构包括中轴（1）、两个连杆（2）、第一离合器（111）、制动器(10)、减速传动装置、第二离合器(112)和第一驱动电机(121)，连杆（2）的一端与中轴（1）的端部固定连接，另一端有一端孔，踏板轴（32）穿过端孔与连杆（2）活动连接，两个连杆（2）结构和连接方式相同，相对中轴（1）的中心点对称布置；减速传动装置的输入端通过第一离合器（111）与制动器（10）连接，同时所述输入端还通过第二离合器(112)与第一驱动电机(121)连接；减速传动装置的输出端与中轴（1）在中间位置固定连接，所述减速传动装置能够正反两个方向传动；

所述脚踝关节运动机构包括左套筒（51）、右套筒（52）、输入传动机构、左传动机构、右传动机构、两组输出传动机构、第三离合器（113）和第二驱动电机（122），左、右套筒（51、52）分别套于中轴（1）两端且能够绕中轴（1）转动，左套筒（51）右端与左传动机构的从动端连接，左套筒（51）左端与一组输出传动机构的主动端连接；右套筒（52）左端与右传动机构的从动端连接，右套筒（52）右端与另一组输出传动机构的主动端连接，所述左、右传动机构的传动方向相反，输入传动机构的从动端同时与左传动机构、右传动机构的主动端连接，输入传动机构的主动端通过第三离合器(113)与第二驱动电机（122）连接，输出传动机构的从动端与踏板轴（32）远离踏板（31）的轴端固定连接，所述输入传动机构、左传动机构、右传动机构、两组输出传动机构都能够正反两个方向传动。

2.根据权利要求1所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：所述减速传动装置由相互外啮合的齿轮轴（41）和齿轮（42）组成的齿轮传动装置和与传动链（45）相互啮合的前链轮（43）和后链轮（44）组成的链轮传动装置组成，减速传动装置的输入端为齿轮轴（41），输出端为后链轮（44），齿轮轴（41）左端通过第一离合器（111）与制动器（10）相连，右端通过第二离合器（112）与第一驱动电机（121）相连，齿轮（42）与前链轮（43）固定连接在同一根后轴（14）上。

3.根据权利要求1或2所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：左传动机构由相互外啮合的从动齿轮（62）和主动齿轮（61）组成；右传动机构由与第一同步带（65）相互啮合的第一从动同步带轮（64）和第一主动同步带轮（63）组成；输入传动机构由相互啮合的蜗轮（72）和蜗杆（71）组成，主动齿轮（61）、第一主动同步带轮（63）和蜗轮（72）固定连接在同一根下轴（13）上，主动齿轮（61）、第一主动同步带轮（63）分别位于蜗轮（72）两侧，蜗杆（71）通过第三离合器（113）与第二驱动电机（122）相连，第二驱动电机（122）每转180°反向，输出传动机构由与第二同步带（83）相互啮合的第二主动同步带轮（81）和第二从动同步带轮（82）组成。

4.根据权利要求1或2所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：所述制动器（10）为磁粉制动器。

5.根据权利要求1所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：中轴（1）上设置有两个轴端定位部（15），所述轴端定位部（15）由锁紧挡圈和旋入锁紧挡圈的紧定螺钉组成。

6.根据权利要求5所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：左右套筒（51、52）通过轴承与中轴（1）连接，轴承位于套筒两端，其中用于定位左套筒（51）的左轴承（91）轴向内圈由轴端定位部（15）定位，外圈由左套筒内台阶定位；用于定位左套筒（51）的右轴承（92）轴向内圈由中轴（1）台阶定位，外圈由左套筒内台阶定位，右套筒（52）与中轴（1）的连接定位方式与左套筒（51）与中轴（1）的连接定位方式相同。

7.根据权利要求1所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：踏板轴（32）通过平键（33）、紧定螺钉（34）与踏板（31）连接，平键（33）对该连接起径向定位，紧定螺钉（34）对该连接起轴向定位。

8.根据权利要求1所述的下肢多训练模式康复机器人，其特征在于：所述减速传动装置的传动比为8，所述左、右传动机构的传动比均为1.5，所述输出传动机构的传动比为1。

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