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CN105997441B - 基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人 - Google Patents

基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人 Download PDF

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CN105997441B
CN105997441B CN201610300374.4A CN201610300374A CN105997441B CN 105997441 B CN105997441 B CN 105997441B CN 201610300374 A CN201610300374 A CN 201610300374A CN 105997441 B CN105997441 B CN 105997441B
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Abstract

本发明公开了一种基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，包括腰部装置、两个左右对称的腿部装置和两个左右对称的足部装置；腰部装置穿戴在人体腰间部位，包括腰部支撑部件、腰部驱动装置、腰部运动部件、腰带和连腿件；腿部装置与腰部装置铰接，并通过柔性绑带与人体腿部绑紧，包括腿部驱动装置、大腿部件和小腿部件；足部装置穿戴在人体脚部，与腿部装置的底端铰接，包括足部驱动装置、脚支架和底板。本发明用于帮助病患或者老人完成腰部运动在内的下肢康复训练，提高下肢康复训练效果，其结构简单紧凑，便于穿戴，通过调节机构可以满足不同体型的人群，适用范围广泛，且腰部机构可以满足不同步速下的腰部运动规律。

Description

基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人
技术领域
本发明涉及一种医疗康复器械，具体是一种基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人。
背景技术
随着我国人口老龄化的加剧，血管疾病或神经系统疾病造成患者肢体运动功能障碍从而引发偏瘫的人数不断增多；随着经济发展和人民生活水平提高，交通运输工具迅速增多，因交通事故造成神经损伤或肢体损伤而不能正常行走的人数不断增多，给家庭和社会带来了沉重的负担。在康复治疗过程中，改善患者的行走能力，提高其生活自理能力，是使其回归社会的重要方面，因此恢复独立行走能力是康复治疗努力的首要目标。
下肢康复机器人是康复工程的产物，能通过机器引导肢体做各种指定的重复性康复训练，对控制肢体运动的神经系统刺激并重建，达到恢复下肢运动功能的目的，是一种有效的临床干预手段。
下肢康复机器人的历史尚短，但发展迅速。瑞士LOKOMAT机器人于1999年研制成功,是出现最早的步态康复机器人；日本研制了HAL系列的穿戴式助力机器人，是世界上第一款商用外骨骼机器人；美国ELEGS下肢康复机器人配备了一对拐杖，并在其中安装了传感器来获取操作者的运动意图；荷兰LOPES下肢动力外骨骼除了提供正常关节的自由度外，还设计了盆骨上下移动的自由度。在国内，下肢康复机器人的研究工作起步较晚，清华大学研制了步行康复训练系统GRTS；浙江大学研制一款下肢辅助行走外骨骼机构，采用气动方式驱动，半主动的控制方式。国内其他科研机构也相继展开了下肢康复机器人的研究，但总体来说还处于实验室研究阶段，距离商用推广还任重道远。
现有的下肢康复机器人存在下列缺陷和不足：(1)下肢康复机器人结构设计不够拟人化，包括自由度的配置、骨骼结构与人体的贴合度、适应不同体型穿戴者的调节性等；(2)下肢康复机器人的研究多集中于腿部机构和足部机构，对腰部机构的研究较少，忽略了步行训练时的腰部运动；(3)下肢康复机器人多体积庞大，过于笨重，且功能单一，价格昂贵，不能满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，包括腰部装置、两个左右对称的腿部装置和两个左右对称的足部装置；
所述腰部装置包括腰部支撑部件、第一腰部驱动装置、第二腰部驱动装置、第三腰部驱动装置、腰部运动部件、腰带、第一连腿件和第二连腿件，所述腰部支撑部件的两端分别与第一连腿件和第二连腿件铰接，铰接处分别安装第二腰部驱动装置和第三腰部驱动装置，驱动第一连腿件和第二连腿件转动，所述腰部运动部件安装于腰部支撑部件上，腰部运动部件的末端与腰带相连，通过第一腰部驱动装置驱动腰带模拟人体步行时的骨盆运动；
所述腿部装置包括第一腿部驱动装置、第二腿部驱动装置、第三腿部驱动装置、大腿部件和小腿部件；所述大腿部件与腰部的第一连腿件或第二连腿件铰接，铰接处安装第二腿部驱动装置驱动大腿部件转动，所述小腿部件与大腿部件的底端铰接，铰接处安装第三腿部驱动装置驱动小腿部件转动，所述第一腿部驱动装置安装于大腿部件上，带动大腿部件沿大腿部件长度方向扭转；
所述足部装置包括足部驱动装置、脚支架和底板；所述脚支架和底板固定，所述底板与小腿部件的底端铰接，铰接处安装足部驱动装置驱动足部装置转动。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)本发明根据步行训练的腰部运动特点，通过调节腰部运动部件的滑动杆位置，其腰部装置能够模拟康复步行训练中不同步速下的腰部运动轨迹，满足康复治疗过程中不同阶段的康复步速要求；
(2)本发明对不同穿戴者的佩带要求有较好的适应性：通过腰部支撑部件的调节可以满足不同穿戴者的宽度要求，通过腰部运动部件的调节可以满足不同穿戴者的高度要求，通过大、小腿部件的调节可以满足不同穿戴者大、小腿长度的要求；
(3)本发明的腿部装置在模拟人体髋关节转动时腿部机构的旋转中心在人腿中心骨骼上，同时，在大腿部件靠近膝关节处预留一个局部旋转自由度来弥补大腿处外骨骼与人体腿骨之间由于腿部肌肉变形而引起的不匹配问题(特别是穿戴者处于坐立状态)，符合人机工程的要求，提高了穿戴的舒适性；
(4)本发明设计了下肢康复机器人的足部装置，除脚踝处的伸屈自由度外在脚支架铰接处留有一个局部旋转自由度，方便人体脚部做旋转康复训练，另外，其足部装置设置为双脚底板，脚支架下端也安有一个小底板，在穿戴者做脚部局部康复训练时能够由大底板承担康复机器人整体的重力，减轻穿戴者的负担；
(5)本发明结构简单紧凑，易于实现，采用轻质材料，具有较高的经济价值和实用性。
附图说明
图1是本发明的基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人结构示意图。
图2是本发明的腰部装置结构示意图。
图3是本发明的大腿部件结构示意图。
图4是本发明的小腿部件和足部装置结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，包括腰部装置1、两个左右对称的腿部装置2和两个左右对称的足部装置3；
所述腰部装置1包括腰部支撑部件4、第一腰部驱动装置5-1、第二腰部驱动装置5-2、第三腰部驱动装置5-3、腰部运动部件6、腰带7、第一连腿件8-1和第二连腿件8-2，所述腰部支撑部件4的两端分别与第一连腿件8-1和第二连腿件8-2铰接，铰接处分别安装第二腰部驱动装置5-2和第三腰部驱动装置5-3，驱动第一连腿件8-1和第二连腿件8-2转动，所述腰部运动部件6安装于腰部支撑部件4上，腰部运动部件6的末端与腰带7相连，通过第一腰部驱动装置5-1驱动腰带7模拟人体步行时的骨盆运动；
所述腿部装置2包括第一腿部驱动装置9-1、第二腿部驱动装置9-2、第三腿部驱动装置9-3、大腿部件10和小腿部件11；所述大腿部件10与腰部的第一连腿件8-1或第二连腿件8-2铰接，铰接处安装第二腿部驱动装置9-2驱动大腿部件10转动，所述小腿部件11与大腿部件10的底端铰接，铰接处安装第三腿部驱动装置9-3驱动小腿部件11转动，所述第一腿部驱动装置9-1安装于大腿部件10上，带动大腿部件10沿大腿部件10长度方向扭转；
所述足部装置3包括足部驱动装置12、脚支架13和底板14；所述脚支架13和底板14固定，所述底板14与小腿部件11的底端铰接，铰接处安装足部驱动装置12驱动足部装置3转动。
进一步的，如图2(a)所示，所述腰部支撑部件4包括中间支撑件4-1、第一滑动件4-2和第二滑动件4-3，所述第一滑动件4-2和第二滑动件4-3在中间支撑件4-1的槽中滑动，第一滑动件4-2、第二滑动件4-3以及中间支撑件4-1的槽上设置有多组螺栓孔，第一滑动件4-2、第二滑动件4-3与中间支撑件4-1通过螺栓固定连接，选择不同位置的螺栓能够调节腰带的宽度；所述第一滑动件4-2和第二滑动件4-3分别与第一连腿件8-1和第二连腿件8-2铰接，铰接处安装第二腰部驱动装置5-2和第三腰部驱动装置5-3，驱动第一连腿件8-1和第二连腿件8-2转动。
进一步的，如图2(a)、图2(b)所示，所述腰部运动部件6包括小锥齿轮6-1、大锥齿轮轴6-2、滑动头6-3、后嵌套6-4、连杆6-5、中心移动件6-6、连接件6-7、小锥齿轮轴6-8、第一滑动杆6-9、第二滑动杆6-10、第一嵌套6-11和第二嵌套6-12；
所述腰部运动部件6通过中心移动件6-6与中间支撑件4-1滑动连接，第一腰部驱动装置5-1安装在小锥齿轮6-1上，小锥齿轮6-1与大锥齿轮轴6-2啮合，滑动头6-3与大锥齿轮轴6-2的曲柄滑动连接，后嵌套6-4由滑动头6-3带动作左右平动，通过与中间支撑件4-1滑动连接的连杆6-5将平动传递给与连杆6-5铰接的中心移动件6-6，中心移动件6-6在中间支撑件4-1的滑槽内左右滑动，所述小锥齿轮轴6-8与连接件6-7铰接，同时还与大锥齿轮轴6-2啮合，所述第一滑动杆6-9和第二滑动杆6-10均与小锥齿轮轴6-8滑动连接，小锥齿轮轴6-8分别带动第一滑动杆6-9和第二滑动杆6-10转动，第一嵌套6-11和第二嵌套6-12分别由第一滑动杆6-9和第二滑动杆6-10带动作上下平动；所述腰带7与中心移动件6-6通过圆柱副连接，并由第一嵌套6-11和第二嵌套6-12的上端支撑，腰带7通过柔性绑带系在人体腰间部位。
进一步的，如图3(a)、图3(b)所示，所述大腿部件10包括小齿轮10-1、大腿上杆10-2、大腿中杆10-3、大腿下杆10-4和连膝件10-5，所述大腿部件10通过大腿上杆10-2与腰部的第一连腿件8-1或第二连腿件8-2铰接，铰接处安装第二腿部驱动装置9-2驱动大腿部件10转动，大腿上杆10-2和大腿中杆10-3上分别设置有弧形滑槽和齿圈，所述齿圈由小齿轮10-1带动在弧形滑槽内转动，小齿轮10-1上安装第一腿部驱动装置9-1，大腿下杆10-4与大腿中杆10-3上设置有多个不同高度的螺栓孔，大腿下杆10-4与大腿中杆10-3通过螺栓固定连接；连膝件10-5上端的外齿圈与大腿下杆10-4下端的内齿圈通过啮合连接；所述大腿部件10通过柔性绑带系绑在人的大腿上。
进一步的，如图4所示，所述小腿部件11包括小腿上杆11-1和小腿下杆11-2，小腿上杆11-1与连膝件10-5的底端铰接，铰接处安装第三腿部驱动装置9-3驱动小腿部件11转动，小腿下杆11-2与小腿上杆11-1上设置有多个不同高度的螺栓孔，小腿下杆11-2与小腿上杆11-1通过螺栓固定连接；所述小腿部件11通过柔性绑带系绑在人的小腿上。
进一步的，所述脚支架13包括转板13-1、连接板13-2、脚上板13-3和脚下板13-4，转板13-1和底板14连接，底板14与小腿下杆11-2的底端铰接，铰接处安装足部驱动装置12驱动足部装置3转动，连接板13-2与转板13-1通过螺栓固定连接，脚上板13-3与连接板13-2通过螺栓13-5铰接，脚下板13-4与脚上板13-3上设置有不同高度的螺栓孔，脚下板13-4与脚上板13-3通过螺栓固定连接。底板14直接与地面接触，支撑整个基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人。
基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人的腰部装置1、腿部装置2和足部装置3分别穿在人体的腰部、腿部和脚部，通过外骨骼的运动带动人体相应部位作整体或局部的康复训练。
所述腰部装置1通过腰部支撑部件4的第一滑动件4-2和第二滑动件4-3调节满足不同穿戴者对于腰带的宽度要求；通过腰部运动部件6的连接件6-7调节满足不同穿戴者对于腰带的高度要求。腰部装置1能够模拟康复患者步行训练的腰部运动轨迹，通过调节其腰部运动部件6可以适应不同步速下的腰部运动轨迹。
所述腿部装置2模拟人体髋关节转动时腿部机构的旋转中心在人腿中心骨骼上，在靠近膝关节处预留一个局部旋转自由度，弥补大腿处外骨骼与人体腿骨由于腿部肌肉变形引起的不匹配问题。
所述足部装置3通过调节脚支架13，可以满足不同穿戴者对于脚部高度的要求，并在脚支架13铰接处留有一个局部旋转自由度，方便人体脚部做旋转康复训练。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
结合图1，本实施例以基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人带动穿戴者作下肢康复步行训练为例，基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人包括腰部装置1、腿部装置2和足部装置3，分别通过柔性绑带系或穿在人体腰部、腿部和脚部，通过外骨骼的运动带动人体相应部位作步行康复训练。
结合图2，腰部装置1中通过调节第一滑动件4-2和第二滑动件4-3在中间支撑件的位置来调节腰部机构的宽度，通过调节连接件6-7在中间支撑件4-1的位置来调节腰部机构的高度；由第一腰部驱动装置5-1驱动大锥齿轮轴6-2转动，滑动头6-3在大锥齿轮轴6-2的位置由训练步速决定，带动后嵌套6-4左右平动，通过连杆6-5将左右平动传递到中心移动件6-6上，中心移动件6-6通过圆柱副与腰带7铰接并带动腰带7左右移动；大锥齿轮轴6-2转动，通过啮合将运动传递至小锥齿轮轴6-8及第一滑动杆6-9、第二滑动杆6-10，第一嵌套6-11和第二嵌套6-12在第一滑动杆6-9和第二滑动杆6-10的带动下上下平动，第一嵌套6-11和第二嵌套6-12上端支撑腰带7下端引导腰带7上下移动；第二腰部驱动装置5-2和第三腰部驱动装置5-3驱动第一连腿件8-1和第二连腿件8-2带动腿部和足部机构作侧向伸展运动。
结合图3，大腿上杆10-2与腰部的第一连腿件8-1或第二连腿件8-2铰接，由第二腿部驱动装置9-2驱动带动大腿部件10转动；第一腿部驱动装置9-1驱动小齿轮10-1，通过与大腿中杆10-3的齿圈相啮合带动其在大腿上杆10-2的弧形滑槽内转动，从而带动整个腿部机构和足部机构的转动；大腿下杆10-4与大腿中杆10-3通过螺栓固定连接，不同高度螺栓孔的选择可以调节大腿杆长；连膝件10-5上端的外齿圈与大腿下杆10-4下端的内齿圈通过啮合连接，预留一个局部旋转自由度由人腿部自行调节，来弥补大腿处外骨骼与人体腿骨由于腿部肌肉变形引起的不匹配。
结合图4，小腿上杆11-1与连膝件10-5铰接，由第三腿部驱动装置9-3驱动带动小腿部件11转动；小腿下杆11-2与小腿上杆11-1通过螺栓固定连接，不同螺栓孔的选择可以调节小腿杆长；足部装置3中脚支架13的转板13-1和底板14与小腿下杆11-2的底端铰接，铰接处安装足部驱动装置12，驱动足部装置3转动；脚上板13-3与连接板13-2通过螺栓13-5铰接，在脚悬空状态下脚支架13可以左右旋转来适应人步行时脚部的旋转动作；脚下板13-4与脚上板13-3通过螺栓固定连接，不同螺栓孔的选择可以适合不同脚的高度；底板14直接与地面接触，支撑整个基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，其特征在于，包括腰部装置(1)、两个左右对称的腿部装置(2)和两个左右对称的足部装置(3)；
所述腰部装置(1)包括腰部支撑部件(4)、第一腰部驱动装置(5-1)、第二腰部驱动装置(5-2)、第三腰部驱动装置(5-3)、腰部运动部件(6)、腰带(7)、第一连腿件(8-1)和第二连腿件(8-2)，所述腰部支撑部件(4)的两端分别与第一连腿件(8-1)和第二连腿件(8-2)铰接，铰接处分别安装第二腰部驱动装置(5-2)和第三腰部驱动装置(5-3)，驱动第一连腿件(8-1)和第二连腿件(8-2)转动，所述腰部运动部件(6)安装于腰部支撑部件(4)上，腰部运动部件(6)的末端与腰带(7)相连，通过第一腰部驱动装置(5-1)驱动腰带(7)模拟人体步行时的骨盆运动；
所述腿部装置(2)包括第一腿部驱动装置(9-1)、第二腿部驱动装置(9-2)、第三腿部驱动装置(9-3)、大腿部件(10)和小腿部件(11)；所述大腿部件(10)与腰部的第一连腿件(8-1)或第二连腿件(8-2)铰接，铰接处安装第二腿部驱动装置(9-2)驱动大腿部件(10)转动，所述小腿部件(11)与大腿部件(10)的底端铰接，铰接处安装第三腿部驱动装置(9-3)驱动小腿部件(11)转动，所述第一腿部驱动装置(9-1)安装于大腿部件(10)上，带动大腿部件(10)沿大腿部件(10)长度方向扭转；
所述足部装置(3)包括足部驱动装置(12)、脚支架(13)和底板(14)；所述脚支架(13)和底板(14)固定，所述底板(14)与小腿部件(11)的底端铰接，铰接处安装足部驱动装置(12)驱动足部装置(3)转动；
所述腰部支撑部件(4)包括中间支撑件(4-1)、第一滑动件(4-2)和第二滑动件(4-3)，所述第一滑动件(4-2)和第二滑动件(4-3)在中间支撑件(4-1)的槽中滑动，并通过螺栓固定连接，所述第一滑动件(4-2)和第二滑动件(4-3)分别与第一连腿件(8-1)和第二连腿件(8-2)铰接，铰接处安装第二腰部驱动装置(5-2)和第三腰部驱动装置(5-3)，驱动第一连腿件(8-1)和第二连腿件(8-2)转动；
所述腰部运动部件(6)包括小锥齿轮(6-1)、大锥齿轮轴(6-2)、滑动头(6-3)、后嵌套(6-4)、连杆(6-5)、中心移动件(6-6)、连接件(6-7)、小锥齿轮轴(6-8)、第一滑动杆(6-9)、第二滑动杆(6-10)、第一嵌套(6-11)和第二嵌套(6-12)；
所述腰部运动部件(6)通过中心移动件(6-6)与中间支撑件(4-1)滑动连接，第一腰部驱动装置(5-1)安装在小锥齿轮(6-1)上，小锥齿轮(6-1)与大锥齿轮轴(6-2)啮合，滑动头(6-3)与大锥齿轮轴(6-2)的曲柄滑动连接，后嵌套(6-4)由滑动头(6-3)带动作左右平动，通过与中间支撑件(4-1)滑动连接的连杆(6-5)将平动传递给与连杆(6-5)铰接的中心移动件(6-6)，中心移动件(6-6)在中间支撑件(4-1)的滑槽内左右滑动，所述小锥齿轮轴(6-8)与连接件(6-7)铰接，同时还与大锥齿轮轴(6-2)啮合，所述第一滑动杆(6-9)和第二滑动杆(6-10)均与小锥齿轮轴(6-8)滑动连接，小锥齿轮轴(6-8)分别带动第一滑动杆(6-9)和第二滑动杆(6-10)转动，第一嵌套(6-11)和第二嵌套(6-12)分别由第一滑动杆(6-9)和第二滑动杆(6-10)带动作上下平动；所述腰带(7)与中心移动件(6-6)通过圆柱副连接，并由第一嵌套(6-11)和第二嵌套(6-12)的上端支撑，腰带(7)通过柔性绑带系在人体腰间部位。
2.根据权利要求1所述的基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，其特征在于，所述大腿部件(10)包括小齿轮(10-1)、大腿上杆(10-2)、大腿中杆(10-3)、大腿下杆(10-4)和连膝件(10-5)，所述大腿部件(10)通过大腿上杆(10-2)与腰部的第一连腿件(8-1)或第二连腿件(8-2)铰接，铰接处安装第二腿部驱动装置(9-2)驱动大腿部件(10)转动，大腿上杆(10-2)和大腿中杆(10-3)上分别设置有弧形滑槽和齿圈，所述齿圈由小齿轮(10-1)带动在弧形滑槽内转动，小齿轮(10-1)上安装第一腿部驱动装置(9-1)，大腿下杆(10-4)与大腿中杆(10-3)上设置有多个不同高度的螺栓孔，大腿下杆(10-4)与大腿中杆(10-3)通过螺栓固定连接；连膝件(10-5)上端的外齿圈与大腿下杆(10-4)下端的内齿圈啮合连接。
3.根据权利要求2所述的基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，其特征在于，所述大腿部件(10)通过柔性绑带系绑在人的大腿上。
4.根据权利要求2所述的基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，其特征在于，所述小腿部件(11)包括小腿上杆(11-1)和小腿下杆(11-2)，小腿上杆(11-1)与连膝件(10-5)的底端铰接，铰接处安装第三腿部驱动装置(9-3)驱动小腿部件(11)转动，小腿下杆(11-2)与小腿上杆(11-1)上设置有多个不同高度的螺栓孔，小腿下杆(11-2)与小腿上杆(11-1)通过螺栓固定连接；所述小腿部件(11)通过柔性绑带系绑在人的小腿上。
5.根据权利要求4所述的基于外骨骼的穿戴式下肢康复机器人，其特征在于，所述脚支架(13)包括转板(13-1)、连接板(13-2)、脚上板(13-3)和脚下板(13-4)，转板(13-1)和底板(14)连接，底板(14)与小腿下杆(11-2)的底端铰接，铰接处安装足部驱动装置(12)驱动足部装置(3)转动，连接板(13-2)与转板(13-1)通过螺栓固定连接，脚上板(13-3)与连接板(13-2)通过螺栓(13-5)铰接，脚下板(13-4)与脚上板(13-3)上设置有不同高度的螺栓孔，脚下板(13-4)与脚上板(13-3)通过螺栓固定连接。
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