CN103126851A - 步态训练机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步态训练机械腿。它包括一台跑步机和两套单腿模拟装置，两个单腿模拟装置左右对称并排安置在一个机架上，该机架与跑步机固定连接，使两套单腿模拟装置下端的训练鞋能踩踏在所述跑步机的踏板上；髋关节、膝关节和踝关节各跨接一个驱动器，三个驱动器结构相同。本发明的六个关节的相互协调转动即可实现完整的人体步态训练，模拟出人在行走时髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹。该装置能有效模拟人体步态训练时髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹，且整体结构紧凑，重量轻，性能稳定，控制易实现。

Description

步态训练机械腿

技术领域

本发明涉及一种步态训练机械腿，可以模拟正常人的行走步态，包括髋关节、膝关节、踝关节在行走时的运动轨迹。属于机电一体化产品技术领域。

技术背景

近年来随着我国经济的腾飞，人民生活水平不断提高，对人的研究也越来越多。国内外关于上肢步态训练及局部关节训练机器人的研究起步较早，理论和技术相对成熟，而关于下肢步态训练机械腿，研究机构主要集中在国外，国内在该方向的研究还较少。由于受人体行走的平衡及协调机理仍不明确等因素影响，下肢步态训练机械腿的研究较上肢训练机器人具有更大的难度，研究进展一直比较缓慢。因此，研究和开发下肢步态训练机械腿技术对增强步态训练效果显得尤为重要。

目前对于人体下肢步态训练的装置主要有两类：脚踏板式步态训练机器人和外骨骼式步态训练机器人。这两种装置均能起到人体下肢步态训练的作用，但两者之间有明显的区别。

踏板式步态训练机器人能够模拟人体步行时踝关节的运动轨迹，满足各种人体的步态训练要求，但是在其步态训练中不能很好地模拟步行时髋关节和膝关节的运动轨迹，下肢步态训练的效果比较单一。

外骨骼式步态训练机器人采用完全模拟人体下肢的结构，国内外现有的大部分下肢外骨骼步态训练机器人只能模拟髋关节和膝关节的运动轨迹。在步态训练效果方面，它不能模拟踝关节的步态训练，步态训练效果不能完全符合人体步行时踝关节的运动轨迹。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种步态训练机械腿，它不仅能模拟髋关节和膝关节的运动轨迹，同时还能模拟踝关节的运动轨迹，步态训练效果完全符合人体步行时髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹，并且它具有结构紧凑，重量轻，制造成本低，安全，可靠，舒适，易控制等特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：

步态训练机械腿，包括两套单腿模拟装置，由于是模拟人体在矢状平面的步态行走轨迹，因此，每套单腿模拟装置在髋关节、膝关节和踝关节处各设计了在矢状平面的转动，因而，髋关节、膝关节和踝关节各有一个转动自由度，形成了单腿装置三个自由度，双腿装置六个自由度。步态训练机械腿的特征在于：两套单腿模拟装置对称地布置在机架上，并在跑步机上做步态训练，每套单腿模拟装置包括一个机械腿骨架结构和三个驱动器结构。

所述的机械腿骨架结构，由固定部件、大腿部件、小腿部件和足部部件四大部分固定连接而成。髋关节固定杆水平固定在机架上，且于髋关节固定块呈垂直状态固定连接，髋关节固定块、关节轴和髋关节驱动器连接块组成髋关节结构，髋关节驱动器连接块及大腿以下结构可在矢状平面绕关节轴转动；髋关节驱动器连接块的下端与大腿部件固定连接，在大腿部件中，其下端的膝关节上连接块、关节轴和膝关节驱动器连接块组成膝关节结构，膝关节驱动器连接块及小腿以下结构可在矢状平面绕关节轴转动；同理，膝关节驱动器连接块的下端与小腿部件固定连接，在小腿部件中，其下端的踝关节上连接块、关节轴和踝关节驱动器连接块组成踝关节结构，踝关节驱动器连接块及足部结构可在矢状平面绕关节轴转动；踝关节驱动器连接块的下端与足部连接块固定连接，之后通过导向轴承座连接足部连接轴，从而安装训练鞋；在髋关节固定杆、大腿下块和小腿下块各安装一个驱动器悬挂块，与各自的关节驱动器连接块共同用于安装驱动器结构；在三个关节处，编码器架在编码器安装片上使编码器的旋转轴与一端中空的关节轴配合，靠紧定螺钉压紧保证两轴的同步转动，从而构成关节运动角度和驱动力检测系统；限位块固定安装在髋关节固定块、膝关节上连接块和踝关节上连接块，电气限位杆固定安装在关节轴的另一端，电气限位开关固定安装在关节轴承内盖上，共同组成了关节安全限位结构；大小腿上下块用插销插接的形式调节机械腿大小腿长度，固定把手紧固大小腿上下块。

所述的驱动器结构，其电机安装在支架板上，通过带传动将电机输出传递给滚珠丝杆，从而把电机输出的回转运动转化为滚珠丝杆的直线运动，从而推拉关节驱动器连接块使其绕着关节轴做旋转运动，模拟人体步行时各个关节的运动轨迹。丝杆一端连接关节轴承，与关节驱动器连接块连接，另一端安装导向套，保证丝杆沿着自身的轴向直线移动。力传感器连接在驱动器后端的悬挂块与端盖之间，用于测量电动驱动器推动机械腿所提供的拉力或压力。

根据上述发明的构思，本发明采用下述技术方案：

一种步态训练机械腿，包括一台跑步机和两套单腿模拟装置，所述两个单腿模拟装置左右对称并排安置在一个机架上，该机架与跑步机固定连接，使两套单腿模拟装置下端的训练鞋能踩踏在所述跑步机的踏板上；每套所述单腿模拟装置是：一根髋关节固定杆经一个髋关节与一个大腿上块铰连，大腿上块与一个大腿下块伸缩套接，大腿下块通过一个膝关节与一个小腿上块铰连，小腿上块与一个小腿下块伸缩套接，小腿下块通过一个踝关节与一个足部连接块铰连；所述髋关节、膝关节和踝关节各跨接一个驱动器，三个驱动器结构相同。

所述的单腿模拟装置由固定部件、大腿部件、小腿部件和足部部件四大部分固定连接而成，包括髋关节固定杆、髋关节固定块、关节轴承内盖、角接触球轴承、关节轴、大腿上块、大腿下块、膝关节驱动器连接块、驱动器前端旋转轴、电器限位开关、电气限位杆、小腿上块、驱动器后端旋转轴、驱动器悬挂块、踝关节上连接块、踝关节驱动器连接块、足部连接轴、导向轴承座、训练鞋、鞋固定板、足部连接块、小腿下块、驱动器后端轴承盖、深沟球轴承2、后端挡圈轴套、驱动器前端轴承盖、深沟球轴承1、前端挡圈轴套、膝关节上连接块、插销、固定把手、髋关节驱动器连接块、关节轴承外盖、限位块、编码器和编码器安装片；所述结构也就是使髋关节固定杆水平固定安装在机架上，与髋关节固定块呈垂直状态固定安装，髋关节固定块、关节轴和髋关节驱动器连接块组成髋关节结构，在关节轴两端安装角接触球轴承，用关节轴承外盖和关节轴承内盖封盖两端的角接触球轴承，使得髋关节驱动器连接块绕着关节轴做旋转运动；髋关节驱动器连接块的下端与大腿上块固定安装，大腿下块套在大腿上块上，通过插销插接的形式调节大腿长度，通过固定把手紧固大腿上下块；膝关节上连接块固定安装在大腿下块上，与关节轴和膝关节驱动器连接块组成膝关节结构，在关节轴两端也安装角接触球轴承，用关节轴承外盖和关节轴承内盖封盖两端的角接触球轴承，使得膝关节驱动器连接块绕着关节轴做旋转运动；膝关节驱动器连接块的下端与小腿上块固定安装，小腿下块套在小腿上块上，通过插销插接的形式调节小腿长度，通过固定把手紧固小腿上下块；踝关节上连接块固定安装在小腿下块上，与关节轴和踝关节驱动器连接块组成踝关节结构，在关节轴两端也安装角接触球轴承，用关节轴承外盖和关节轴承内盖封盖两端的角接触球轴承，使得踝关节驱动器连接块绕着关节轴做旋转运动；踝关节驱动器连接块的下端与足部连接块固定安装，导向轴承座固定安装在足部连接块上，足部连接轴与导向轴承座旋配，鞋固定板与足部连接轴固定安装，训练鞋侧面与鞋固定板滑配；在髋关节固定杆下端、大腿下块一侧和小腿下块一侧固定安装驱动器悬挂块，驱动器后端旋转轴、深沟球轴承2、驱动器后端轴承盖、后端挡圈轴套装配在驱动器悬挂块上，用于安装驱动器结构后端的悬挂块一端；驱动器前端旋转轴、深沟球轴承1、驱动器前端轴承盖、前端挡圈轴套装配在髋关节驱动器连接块、膝关节驱动器连接块和踝关节驱动器连接块上，用于安装驱动器结构前端的关节轴承一端；在三个关节外侧，编码器安装片固定安装在关节轴承外盖上，编码器固定安装在编码器安装片上使编码器的旋转轴与一端中空的关节轴配合，靠紧定螺钉压紧保证两轴的同步转动；在三个关节内侧，电气限位杆固定安装在关节轴的内侧一端，电气限位开关固定安装在关节轴承内盖上；限位块固定安装在髋关节固定块、膝关节上连接块和踝关节上连接块上。

所述的驱动器包括关节轴承、滚珠丝杆、丝杆螺母套、套筒、导向套、导向柱、导向柱挡板、端盖、力传感器、悬挂块、支架板、大带轮、小带轮、同步带、张紧轴、张紧轴承和电机；所述结构安装在机械腿骨架结构上，其电机固定安装在支架板上，丝杆螺母套和套筒固定安装在支架板两侧，端盖与套筒固定安装，力传感器旋配在悬挂块与端盖之间，小带轮固定安装在电机的输出轴上，小带轮通过同步带与大带轮连接，大带轮固定安装在丝杆螺母套上，导向套固定安装在套筒内部，丝杆一端与导向柱旋配，导向柱挡板固定安装在导向柱上，丝杆另一端与关节轴承旋配，张紧轴固定安装在支架板上，张紧轴承固定安装在张紧轴上。所述驱动器前端旋转轴安装在关节轴承上，所述驱动器后端旋转轴安装在悬挂块上。

本发明与现有技术的比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1、  现有步态训练机械腿结构复杂、体积大、整体笨重、制造成本高等缺点。而本发明设计克服了以上缺点，设计了一个机械腿骨架结构与一个驱动器结构，然后它们相结合组成单腿装置，最后再由两个单腿装置组成完整的步态训练机械腿。

2、  现有脚踏板式步态训练机器人只能模拟踝关节的步态运动轨迹，训练模式比较少，运动幅度较小，对大腿和小腿的步行训练具有局限性。而本发明设计的步态训练机械腿能模拟人步行时的各个关节的步态运动轨迹，训练模式更加贴近人体步行训练。

3、  现有步态训练机械腿忽略了对踝关节的步态训练模拟，对髋关节和膝关节的步态训练模拟效果不是特别明显。而本发明设计的步态训练机械腿既可以模拟髋关节和膝关节的步态运动轨迹，又可以模拟踝关节的步态运动轨迹，训练效果更加符合人体步行训练。

附图说明

图1为步态训练机械腿装配图

图2为机械腿骨架结构装配图

图3为图2在A处悬挂轴系结构图

图4为图2在B处连接轴系结构图

图5为图2在C处关节结构图

图6为驱动器结构示意图

图7为图6的A向剖视图

图8为图6在B-B处的局部左视图

图9为单腿模拟装置图

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明做进一步介绍。

实施例一：

1.        参见图1、图2、图3、图4，图5，图6，图7，图8，图9，步态训练机械腿，包括一台跑步机（I）和两套单腿模拟装置（II），其特征在于：

1)        所述两个单腿模拟装置（II）左右对称并排安置在一个机架（54）上，该机架（54）与跑步机（I）固定连接，使两套单腿模拟装置（II）下端的训练鞋（19）能踩踏在所述跑步机（I）的踏板（55）上；

2)        每套所述单腿模拟装置是：一根髋关节固定杆（1）经一个髋关节与一个大腿上块（6）铰连，大腿上块（6）与一个大腿下块（7）伸缩套接，大腿下块（7）通过一个膝关节与一个小腿上块（12）铰连，小腿上块（12）与一个小腿下块（22）伸缩套接，小腿下块（22）通过一个踝关节与一个足部连接块（21）铰连；

3)        所述髋关节、膝关节和踝关节各跨接一个驱动器（III），三个驱动器（III）结构相同。

两套单腿模拟装置组合在一起通过六个驱动器结构对髋关节驱动器连接块、膝关节驱动器连接块和踝关节驱动器连接块的推拉作用，六个关节的相互协调转动即可实现完整的人体步态训练。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：髋关节固定杆（1）水平固定安装在机架（54）上，与髋关节固定块（2）呈垂直状态固定安装，髋关节固定块（2）、关节轴（5）和髋关节驱动器连接块（32）组成髋关节结构，在关节轴两端安装角接触球轴承（4），用关节轴承外盖（33）和关节轴承内盖（3）封盖两端的角接触球轴承（4），使得髋关节驱动器连接块（32）绕着关节轴（5）做旋转运动；髋关节驱动器连接块（32）的下端与大腿上块（6）固定安装，大腿下块（7）套在大腿上块（6）上，通过插销（30）调节大腿长度，通过固定把手（31）紧固大腿上下块；膝关节上连接块（29）固定安装在大腿下块（7）上，与关节轴（5）和膝关节驱动器连接块（8）组成膝关节结构，在关节轴（5）两端也安装角接触球轴承（4），用关节轴承外盖（33）和关节轴承内盖（3）封盖两端的角接触球轴承（4），使得膝关节驱动器连接块（8）绕着关节轴（5）做旋转运动；膝关节驱动器连接块（8）的下端与小腿上块（12）固定安装，小腿下块（22）套在小腿上块（12）上，通过插销（30）调节小腿长度，通过固定把手（31）紧固小腿上下块；踝关节上连接块（15）固定安装在小腿下块（22）上，与关节轴（5）和踝关节驱动器连接块（16）组成踝关节结构，在关节轴（5）两端也安装角接触球轴承（4），用关节轴承外盖（33）和关节轴承内盖（3）封盖两端的角接触球轴承（4），使得踝关节驱动器连接块（16）绕着关节轴（5）做旋转运动；踝关节驱动器连接块（16）的下端与足部连接块（21）固定安装，导向轴承座（18）固定安装在足部连接块（21）上，足部连接轴（17）与导向轴承座（18）旋配，鞋固定板（20）与足部连接轴（17）固定安装，训练鞋（19）侧面与鞋固定板（20）滑配；在髋关节固定杆（1）下端、大腿下块（7）一侧和小腿下块（22）一侧固定安装驱动器悬挂块（14），驱动器后端旋转轴（13）、深沟球轴承2（24）、驱动器后端轴承盖（23）、后端挡圈轴套（25）装配在驱动器悬挂块（14）上，用于安装驱动器结构后端的悬挂块（46）一端；驱动器前端旋转轴（9）、深沟球轴承1（27）、驱动器前端轴承盖（26）、前端挡圈轴套（28）装配在髋关节驱动器连接块（32）、膝关节驱动器连接块（8）和踝关节驱动器连接块（16）上，用于安装驱动器结构前端的关节轴承（37）一端；在三个关节外侧，编码器安装片（36）固定安装在关节轴承外盖（33）上，编码器（35）固定安装在编码器安装片（36）上使其旋转轴与一端中空的关节轴（5）配合，靠紧定螺钉压紧保证两轴的同步转动；在三个关节内侧，电气限位杆（11）固定安装在关节轴（5）的内侧一端，电气限位开关（10）固定安装在关节轴承内盖（3）上；限位块（34）固定安装在髋关节固定块（2）、膝关节上连接块（29）和踝关节上连接块（15）上。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：所述驱动器结构安装在机械腿骨架结构上，其电机（53）固定安装在支架板（47）上，丝杆螺母套（39）和套筒（40）固定安装在支架板（47）两侧，端盖（44）与套筒（40）固定安装，力传感器（45）旋配于悬挂块（46）与端盖（44）之间，小带轮（49）固定安装在电机（53）的输出轴上，小带轮（49）通过同步带（50）与大带轮（48）连接，大带轮（48）固定安装在丝杆螺母套（39）上，导向套（41）固定安装在套筒（40）内部，滚珠丝杆（38）一端与导向柱（42）旋配，导向柱挡板（43）固定安装在导向柱（42）上，滚珠丝杆（38）另一端与关节轴承（37）旋配，张紧轴（51）固定安装在支架板（47）上，张紧轴承（52）固定安装在张紧轴（51）上。上述驱动器前端旋转轴（9）安装在关节轴承（37）上，驱动器后端旋转轴（13）安装在悬挂块（46）上。

本发明为一种步态训练机械腿，其结构紧凑、重量轻、性能稳定、易控制。在功能上，能准确模拟人在步态训练时髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹，步态训练效果更加符合人体步行时髋关节、膝关节和踝关节的运动轨迹，很好地解决了当前国内外人体步态训练装置存在的问题。

Claims (3)

1.一种步态训练机械腿，包括一台跑步机（I）和两套单腿模拟装置（II），其特征在于：

1)        所述两个单腿模拟装置（II）左右对称并排安置在一个机架（54）上，该机架（54）与跑步机（I）固定连接，使两套单腿模拟装置（II）下端的训练鞋（19）能踩踏在所述跑步机（I）的踏板（55）上；

2)        每套所述单腿模拟装置是：一根髋关节固定杆（1）经一个髋关节与一个大腿上块（6）铰连，大腿上块（6）与一个大腿下块（7）伸缩套接，大腿下块（7）通过一个膝关节与一个小腿上块（12）铰连，小腿上块（12）与一个小腿下块（22）伸缩套接，小腿下块（22）通过一个踝关节与一个足部连接块（21）铰连；

3）所述髋关节、膝关节和踝关节各跨接一个驱动器（III），三个驱动器（III）结构相同。

2.根据权利要求1所述的步态训练机械腿，其特征在于：所述单腿模拟装置的结构是：包括所述髋关节固定杆（1）、髋关节固定块（2）、关节轴承内盖（3）、角接触球轴承（4）、三根关节轴（5）、所述大腿上块（6）、所述大腿下块（7）、膝关节驱动器连接块（8）、三个驱动器前端旋转轴（9）、电器限位开关（10）、电气限位杆（11）、所述小腿上块（12）、三个驱动器后端旋转轴（13）、驱动器悬挂块（14）、踝关节上连接块（15）、踝关节驱动器连接块（16）、足部连接轴（17）、导向轴承座（18）、所述训练鞋（19）、鞋固定板（20）、所述足部连接块（21）、所述小腿下块（22）、驱动器后端轴承盖（23）、深沟球轴承2（24）、后端挡圈轴套（25）、驱动器前端轴承盖（26）、深沟球轴承1（27）、前端挡圈轴套（28）、膝关节上连接块（29）、插销（30）、固定把手（31）、髋关节驱动器连接块（32）、关节轴承外盖（33）、限位块（34）、三个编码器（35）和编码器安装片（36）；所述结构髋关节固定杆（1）水平固定安装在机架（54）上，与髋关节固定块（2）呈垂直状态固定安装，髋关节固定块（2）、关节轴（5）和髋关节驱动器连接块（32）构成髋关节，在关节轴（5）两端安装角接触球轴承（4），用关节轴承外盖（33）和关节轴承内盖（3）封盖两端的角接触球轴承（4）；髋关节驱动器连接块（32）的下端与大腿上块（6）固定安装，大腿下块（7）套在大腿上块（6）上，通过插销（30）插接而调节大腿长度，通过固定把手（31）紧固大腿上下块；膝关节上连接块（29）固定安装在大腿下块（7）上，与关节轴（5）和膝关节驱动器连接块（8）组成膝关节，在关节轴（5）两端安装角接触球轴承（4），用关节轴承外盖（33）和关节轴承内盖（3）封盖两端的角接触球轴承（4）；膝关节驱动器连接块（8）的下端与小腿上块（12）固定安装，小腿下块（22）套在小腿上块（12）上，通过插销（30）插接而调节小腿长度，通过固定把手（31）紧固小腿上下块；踝关节上连接块（15）固定安装在小腿下块（22）上，与关节轴（5）和踝关节驱动器连接块（16）组成踝关节，在关节轴（5）两端安装角接触球轴承（4），用关节轴承外盖（33）和关节轴承内盖（3）封盖两端的角接触球轴承（4）；踝关节驱动器连接块（16）的下端与足部连接块（21）固定安装，导向轴承座（18）固定安装在足部连接块（21）上，足部连接轴（17）与导向轴承座（18）旋配，鞋固定板（20）与足部连接轴（17）固定安装，所述训练鞋（19）侧面与鞋固定板（20）滑配；在髋关节固定杆（1）下端、大腿下块（7）一侧和小腿下块（22）一侧固定安装驱动器悬挂块（14），驱动器后端旋转轴（13）、深沟球轴承2（24）、驱动器后端轴承盖（23）、后端挡圈轴套（25）装配在驱动器悬挂块（14）上；驱动器前端旋转轴（9）、深沟球轴承1（27）、驱动器前端轴承盖（26）、前端挡圈轴套（28）装配在髋关节驱动器连接块（32）、膝关节驱动器连接块（8）和踝关节驱动器连接块（16）上；编码器安装片（36）固定安装在关节轴承外盖（33）上，编码器（35）固定安装在编码器安装片（36）上使其旋转轴与一端中空的关节轴（5）配合；电气限位杆（11）固定安装在关节轴（5）的内侧一端，电气限位开关（10）固定安装在关节轴承内盖（3）上；限位块（34）固定安装在髋关节固定块（2）、膝关节上连接块（29）和踝关节上连接块（15）上。

3.根据权利要求1所述的步态训练机械腿，其特征在于：所述的驱动器（III）结构是：包括关节轴承（37）、滚珠丝杆（38）、丝杆螺母套（39）、套筒（40）、导向套（41）、导向柱（42）、导向柱挡板（43）、端盖（44）、力传感器（45）、悬挂块（46）、支架板（47）、大带轮（48）、小带轮（49）、同步带（50）、张紧轴（51）、张紧轴承（52）和电机（53）；所述驱动器结构安装在机械腿骨架结构上，其电机（53）固定安装在支架板（47）上，丝杆螺母套（39）和套筒（40）固定安装于支架板（47）两侧，端盖（44）与套筒（40）固定安装，力传感器（45）旋接在悬挂块（46）与端盖（44）之间，小带轮（49）固定安装在电机（53）的输出轴上，小带轮（49）通过同步带（50）与大带轮（48）传动联接，大带轮（48）固定安装在丝杆螺母套（39）上，导向套（41）固定安装在套筒（40）内部，滚珠丝杆（38）一端与导向柱（42）旋配，导向柱挡板（43）固定安装在导向柱（42）上，滚珠丝杆（38）另一端与关节轴承（37）旋配，张紧轴（51）固定安装在支架板（47）上，张紧轴承（52）固定安装在张紧轴（51）上；所述驱动器前端旋转轴（9）安装在关节轴承（37）上，所述驱动器后端旋转轴（13）安装在悬挂块（46）上。

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