CN111150612B - 基于并联机构的下肢步态康复训练车 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于并联机构的下肢步态康复训练车，其包括小车支撑架、并联机构、可穿戴康复鞋以及体位升降装置四大部分。本发明将并联机构引用到整体的下肢康复过程中，利用动平台三平移的特性带动人体踝关节，从而带动整体下肢进行康复训练，不仅能在人体矢状面内进行普通的步态康复训练，还能在垂直于水平面的任意平面内进行康复训练，增加了下肢康复训练动作的多样性，且其整个康复训练过程，只对人体的踝关节进行约束，不对膝关节和髋关节进行约束，大大提高了康复训练的过程的舒适性。整个装置设计有体位升降装置，能够便于患者穿戴的同时还能很好的自适应不同体型的患者。

Description

基于并联机构的下肢步态康复训练车

技术领域

本发明涉及康复医疗器械领域，特别是一种基于并联机构的下肢步态康复训练车。

背景技术

根据相关研究报道，在我国城市和农村人口中，脑卒中的死亡率占第一位，每年我国新发脑卒中患者近150万～200万人，发病率116～219/10万、死亡率为58～142/10万。然而幸存者中约3/4留有残疾，不同程度的瘫痪，丧失了生活自理能力及劳动能力，这给患者家庭和社会带来了巨大的负担，因此研究偏瘫患者的康复训练，对促进偏瘫患者肢体功能康复，改善肢体运动能力、回归社会具有积极的意义。

经过对现有基于步态康复的医疗器械进行检索，国内科研团队研制的产品如尖叫一号、迈步机器人等外骨骼大多为三转动串联结构，而且这类外骨骼机器人进行步态康复时，需要智能拐杖来使得患者维持身体平衡的同时还需要人工对其进行平衡辅助。国内已经产品化的大艾外骨骼康复机器人，在采用转动结构的基础上，设计了支撑小车，小车能为康复训练提供支撑，为康复过程提供了巨大的便利。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于并联机构的多动作模式下肢康复医疗器械，能够帮助行动有障碍的患者进行站姿康复训练治疗，能够进行不同幅度的步态康复训练。该装置为3移动自由度的并联机构，不仅能对患者进行人体矢状面的康复运动训练，还能在任意垂直于人体水平面，并且过人体垂直轴的平面内进行康复运动训练，增加了康复运动的多维性，能够更好更全面的对患者进行康复训练，并且整个康复机构对人体的约束少，只对人体踝关节进行约束，能够使人体下肢的髋关节和膝关节处于自由状态，相比于现有3转动康复机器人，大大提高了康复的舒适度，并且避免了电机及其减速器给康复过程带来的累赘，同时相比其成本也大大降低，并且利用并联机构的运动空间小，在康复过程中能对人体下肢运动提供一定的保护性能，减少了二次伤害的概率，通过其滚珠丝杠能将人从坐姿调整到站姿，大大提高了穿戴的便利性，同时根据其调整的高度不同，能适应不同身高的人群，有很好的自适应性，省去了调整机构的繁琐步骤。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于并联机构的下肢步态康复训练车，其包括小车支撑架、并联机构、可穿戴康复鞋和体位升降装置，所述小车支撑架包括支撑架体、后方支撑板、侧方支撑板、前方支撑板，升降装置支撑架及万向轮，所述支撑架体的下方与所述万向轮相连，使支撑架体能水平移动，所述支撑架体的前侧、两侧、后侧分别安装有所述前方支撑板、所述侧方支撑板、所述后方支撑板，所述前方支撑板能相对所述支撑架体水平进行滑动，所述升降装置支撑架固接于所述支撑架体的上方；所述并联机构包括三个相同的分支机构，分支机构包括固定滑轨、滑块、滑块连接件、电动推杆和踝部连接件，所述固定滑轨与所述滑块相连构成第一移动副，所述滑块与所述滑块连接件固连，所述滑块连接件与所述电动推杆相连构成第一转动副，所述电动推杆作为分支机构的第二移动副，所述电动推杆与所述踝部连接件相连构成第二转动副；所述可穿戴康复鞋包括可调松紧护腿、动平台连接件和足底支撑板，所述可调松紧护腿的端部与所述足底支撑板连接，其内侧与人体踝部上方小腿贴合，所述足底支撑板与所述动平台连接件相连，为足部提供支撑力；所述体位升降装置包括两组滚珠丝杠、人体上肢固定板和可调松紧绑带；所述滚珠丝杠中的滑母与所述人体上肢固定板的后侧相连，以带动所述人体上肢固定板进行升降运动，所述可调松紧绑带与所述人体上肢固定板前侧连接，形成背包形式便于患者穿戴。

优选地，所述并联机构中各分支由第一移动副、第一转动副、第二移动副、第二转动副依次连接构成PRPR分支，三个分支共同作用限制了所述并联机构绕X轴、Y轴、Z轴的三个转动自由度，使所述并联机构末端的踝部动平台仅具有沿X向、Y向、Z向的三个移动自由度。

优选地，所述并联机构的数量为两个，对称布置于所述小车支撑架的内部，分别为对应下肢的左、右腿，各分支机构中的固定滑轨依次呈90°放置，其固定滑轨分别与所述前方支撑板、所述侧方支撑板、所述后方支撑板固连。

优选地，所述足底支撑板与所述动平台连接件在踝关节处形成轴线垂直于矢状面的转动副，以满足踝关节的伸展弯曲，所述动平台连接件与所述踝部动平台相连接在踝关节处形成轴线垂直于冠状面的转动副，能满足踝关节的外展内收；所述踝部动平台通过康复鞋带动人体下肢进行沿X向、Y向、Z向的移动，使人体下肢能在垂直于人体水平面内的任意过人体垂直轴的平面内进行康复训练。

一种根据所述基于并联机构的下肢步态康复训练车的使用方法，其包括以下步骤：S1、使用者穿戴所述可穿戴康复鞋，使所述可调松紧护腿与小腿贴合，所述足底支撑板与脚底贴合，并与所述动平台连接件在踝关节处形成轴线垂直于矢状面的转动副，以满足人体踝关节的伸展弯曲运动；S2、将所述前方支撑板滑至两侧，使用者以坐姿姿态由前侧开口进入康复车，调节所述滚珠丝杠以改变所述人体上肢固定板的上下位置以便患者穿戴，调整所述可调松紧绑带，使背部与所述人体上肢固定板扣合；S3、将所述前方支撑板扣合，进入准康复状态，调整两个并联机构中的所述电动推杆，改变所述踝部动平台的位置，并使所述动平台连接件与所述踝部动平台相连接，在踝关节处形成轴线垂直于冠状面的转动副，以满足人体踝关节的外展内收运动；S4、再次调节所述滚珠丝杠，使人体上肢随所述人体上肢固定板运动，使用者呈站姿姿态后，分别控制各并联机构中的所述电动推杆，使所述踝部动平台带动下肢运动，完成不同模式的步态康复训练。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)结构方面，定平台3个P副中，两个P副垂直于另一个P副，能巧妙地将两个P副分布于大腿前后，将另一个P副分布于人体一侧位置，从而与人体不会产生干涉，采用单关节约束，提高了穿着的舒适性。加入升降调整装置，针对不同的人群具有很好的自适应性。传动采用并联机构，继承了并联机构误差累计小，运动精度高，结构紧凑的优点，并且其工作空间小，能有效减少二次伤害的概率；

2)运动空间方面，应用一种特殊的能够实现空间中3平移运动的3-PRPR并联机构，能在垂直于人体水平面的任意面进行康复训练，使训练范围扩大，从而能够更全面的进行康复治疗；

3)驱动控制方面，对3-PRPR的三个P副进行驱动，通过驱动器驱动三个移动副实现动平台的位姿变化，驱动器安装简单，力和运动反馈控制容易。

附图说明

图1为本发明基于并联机构的下肢步态康复训练车的总体示意图；

图2为本发明的支撑架体示意图；

图3为本发明的并联机构示意图；

图4为本发明的可穿戴康复鞋机构示意图；

图5为本发明的体位升降装置示意图。

附图标记：

1-小车支撑架、2-并联机构、3-可穿戴康复鞋、4-体位升降装置；

101-升降装置支撑架、102-后方支撑板、103-侧方支撑板、104-前方支撑板、105-支撑架体、106-万向轮；

201-固定滑轨、202-滑块、203-滑块连接件、204-电动推杆、205-踝部动平台；

301-可调松紧护腿、302-动平台连接件、303-足底支撑板；

401-可调松紧绑带、402-人体上肢固定板、403-滚珠丝杠。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

本发明提供一种基于并联机构的下肢步态康复训练车，具体包括小车支撑架1、并联机构2、可穿戴康复鞋3以及体位升降装置4。在图1所示的康复训练车的总体示意图和图2所示的小车支撑架示意图中，整个小车支撑架1在支撑架体105和万向轮106的作用下，能支撑整个小车框架，并且具有前后移动和左右移动的自由度，能使得小车水平移动至目标位置，其万向轮106具有自锁功能。后方支撑板102和侧方支撑板103分别固定于支撑架体105的后方与两侧，前方支撑板104位于支撑架体105的前侧，并且能在其轨道内滑动，使得小车前方能处于打开和关闭两种状态，打开状态方便患者进出小车，当处于关闭状态时，进行康复训练，所有的支撑板为并联机构提供了支撑部分。升降装置支撑架101位于支撑小车的上方，为体位升降装置4提供支撑。

在图3所示的并联机构的示意图中，固定滑轨201分别分布于人体的前后方以及侧方，通过螺栓分别固定于后方支撑板102、侧方支撑板103、前方支撑板104，从而使小车支撑架1作为并联机构2的固定平台。每个分支上均含有滑块202，它能在滑轨上进行滑动，从而形成第一移动副，滑块连接件203的第一端通过螺钉与滑块202连接，另一端与电动推杆204的第一段形成第一转动副，电动推杆204整体自成第二移动副，并作为分支的驱动，电动推杆204的第二段与踝部动平台205形成第二转动副，移动副以P表示，转动副以R表示，从而形成一个PRPR分支，三个分支分别分布于人体前后与侧面。通过控制电动推杆204，从而使得踝部动平台205处于目标位置。针对人体下肢双腿康复，所以对称的分布两个相同的并联机构2。

在图4所示的可穿戴康复鞋机构示意图中，可调松紧护腿301内侧与人体踝关节上部小腿部分相贴合，外侧与足底支撑板303连接，足底支撑板303与动平台连接件302在踝关节处形成轴线垂直于矢状面的转动副,通过动平台连接件302与踝部动平台205连接在踝关节处形成轴线垂直于冠状面的转动副。

在图5所示的体位升降装置示意图中，滚珠丝杠403一端固定在升降装置支撑架101，滚珠丝杠403的滑母与人体上肢固定板402连接，通过滑母的滑动，能使人体上肢固定板402上下滑动，可调松紧绑带401位于人体上肢固定板402上，形成一个类似于背包的形状，使得位于车架中心的患者便于穿戴，从而通过整个上肢固定板的滑动，能使得人体由坐姿调整为站立姿态。

本发明在结构设计方面，将并联机构运用到整体的下肢康复训练运动中，由于并联机构其工作空间的限制，使得整个康复机构提供了一定的限位保护作用，并且康复运动的精度要高很多，提高了康复治疗的质量；同时，将并联机构的三个分支分布在人体的前后以及侧面，使得人体下肢很好的能够与并联机构相融合，不造成干涉问题。

实施例

步骤一：由于患者下肢处于无力的状态，所以在进入康复装置前需要旁人辅助患者处于坐姿，首先要将可穿戴康复鞋3为患者穿上，可穿戴康复鞋3的可调松紧护腿301与人体踝关节上部小腿贴合，足底支撑板303与人的脚底贴合，为下肢运动提供一定的支撑力，足底支撑板303与动平台连接件302在踝关节处形成轴线垂直于矢状面的转动副，从而满足人体踝关节的伸展弯曲运动。此时鞋子穿好，使人体处于坐姿；

步骤二：将前方支撑板104置于两侧，从而前侧形成开口，方便患者进入康复小车。通过旁人控制小车移动，使得处于坐姿的患者进入小车，通过滚珠丝杠403滑母的运动调整人体上肢固定板402滑到易穿戴位置，然后调整可调松紧绑带401，使得处于坐姿的患者的上肢与人体上肢固定板402扣合；

步骤三：将前方支撑板104扣合，使得前侧开口闭合，进入准康复状态，调整两个并联机构2，通过驱动第二移动副，使得踝部动平台205的位置改变到容易与踝关节扣合的位置，将已经穿戴好的可穿戴康复鞋4中的动平台连接件302与并联机构2中的踝部动平台205通过销轴相连接，在踝关节处形成轴线垂直于冠状面的转动副，从而满足人体踝关节的外展内收；

步骤四：再次调节滚珠丝杠403使得整个人体上肢随固定板402上升而上升，从而使得人体由坐姿转换到站姿，通过控制每个并联机构的电动推杆204，使得动平台能在人体安全运动范围内运动，从而带动整个下肢的运动，完成康复训练，通过随动小车的移动，能使得患者能进行不同模式的步态康复训练。

现有下肢康复机器人，大多都是基于矢状面内的康复训练，在其他平面设置随动自由度，然而该发明并联机构的动平台具有三平移的运动特性，使得整个下肢只在三个驱动的情况下，不仅能在人体矢状面内进行康复训练，还能在与人体水平面垂直，与矢状面呈任意角度的过人体垂直轴的平面内进行康复训练，增加了康复训练模式的多样性，能够更好对患者提供更多样化的训练规划。另外，整个康复助行器只对踝关节进行约束，不对其膝关节和髋关节进行约束，相比于现有机构，大大增加了其舒适性。该机构能很好地自适应不同体型的人群。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然能对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于并联机构的下肢步态康复训练车，其包括小车支撑架、并联机构、可穿戴康复鞋和体位升降装置，其特征在于：

所述小车支撑架包括支撑架体、后方支撑板、侧方支撑板、前方支撑板，升降装置支撑架及万向轮，所述支撑架体的下方与所述万向轮相连，使支撑架体能水平移动，所述支撑架体的前侧、两侧、后侧分别安装有所述前方支撑板、所述侧方支撑板、所述后方支撑板，所述前方支撑板能相对所述支撑架体水平进行滑动，所述升降装置支撑架固接于所述支撑架体的上方；

所述并联机构包括三个相同的分支机构，分支机构包括固定滑轨、滑块、滑块连接件、电动推杆和踝部动平台，所述固定滑轨与所述滑块相连构成第一移动副，所述滑块与所述滑块连接件固连，所述滑块连接件与所述电动推杆相连构成第一转动副，所述电动推杆作为分支机构的第二移动副，所述电动推杆与所述踝部动平台相连构成第二转动副；

所述可穿戴康复鞋包括可调松紧护腿、动平台连接件和足底支撑板，所述可调松紧护腿的端部与所述足底支撑板连接，其内侧与人体踝部上方小腿贴合，所述足底支撑板与所述动平台连接件相连，为足部提供支撑力；

所述体位升降装置包括两组滚珠丝杠、人体上肢固定板和可调松紧绑带；所述滚珠丝杠中的滑母与所述人体上肢固定板的后侧相连，以带动所述人体上肢固定板进行升降运动，所述可调松紧绑带与所述人体上肢固定板前侧连接，形成背包形式便于患者穿戴；

所述并联机构中各分支由第一移动副、第一转动副、第二移动副、第二转动副依次连接构成PRPR分支，三个分支共同作用限制了并联机构动平台沿X向、Y向、Z向的三个转动自由度，使所述并联机构末端的踝部动平台仅具有沿X向、Y向、Z向的三个移动自由度；

所述并联机构的数量为两个，对称布置于所述小车支撑架的内部，分别为对应下肢的左右腿，各分支机构中的固定滑轨依次呈90°放置，其固定滑轨分别与所述前方支撑板、所述侧方支撑板、所述后方支撑板固连；

所述足底支撑板与所述动平台连接件在踝关节处形成轴线垂直于矢状面的转动副，以满足踝关节的伸展弯曲，所述动平台连接件与所述踝部动平台相连接在踝关节处形成轴线垂直于冠状面的转动副，能满足踝关节的外展内收；所述踝部动平台通过康复鞋带动人体下肢进行沿X向、Y向、Z向的移动，使人体下肢能在垂直于人体水平面内的任意平面内进行康复训练。

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