CN111821143A - 基于半直驱驱动器的下肢康复机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于半直驱驱动器的下肢康复机器人及其控制方法，涉及康复机器人技术领域，包括腰部调节结构及对称转动连接于腰部调节结构两侧且由上至下依次转动连接的两个大腿调节结构、两个小腿调节结构和两个脚部底板，腰部调节结构、大腿调节结构和小腿调节结构上分别安装有髋关节驱动结构、膝关节驱动结构及踝关节驱动结构。本发明能够辅助患者实现髋关节的屈伸、膝关节的屈伸、踝关节的跖屈和背屈，康复功能健全，能较好地满足患者下肢康复的康复训练要求；可通过输入患者的身材信息、选择康复训练的模式及首次采集康复训练参数的方式，实现康复训练高度的适应性和自主性，更好地适应患者康复训练的需要，改善康复训练效果。

Description

基于半直驱驱动器的下肢康复机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种用于辅助进行下肢康复治疗的康复机器人及其控制方法。

背景技术

下肢运动功能障碍是多种疾病和创伤均可能导致的后遗症，此种后遗症极大地影响了患者的个人生活，也给患者家庭带来沉重负担。下肢运动功能障碍经过积极的康复治疗，绝大多数能重新恢复步行和生活自理能力，部分能从事较轻的工作。传统的康复程序依赖于治疗师的经验和徒手操作技术，且可能难以达到康复需求；同时，随着病人数目的急剧上升，医疗资源呈愈发紧张的形势。

随着科学技术的发展和医疗水平的提升，协助康复治疗的康复机器人逐渐开始发展并且逐步替代传统的徒手治疗方法，许多的临床实验和研究证明了下肢康复机器人在对下肢运动康复等方面存在积极作用。现有的下肢康复机器人分为基于跑步机或地面两种类型，其中基于跑步机的下肢康复机器人一般带有减重装置，而基于地面的下肢康复机器人一般为穿戴式且可移动。

目前，现有的下肢康复机器人一般采用无刷直流电机和谐波减速器作为关节的驱动装置或者采用滚珠丝杠等结构组成驱动装置，其控制和使用方式也十分复杂，不适用于患者的一些简单康复需求。同时，采用谐波减速器的结构，成本相对较高，不利于下肢机器人的成本控制和普及；采用滚珠丝杠等结构作为驱动装置则使整个康复机器人结构复杂，也使其整体重量较大，导致运输、使用不便。此外，大部分康复机器人无法实现下肢三个关节的综合主动康复训练。

通过专利检索，存在以下已知的技术方案：

专利1：

申请号：CN201910223205.9，申请日：2019.03.22，公开(公告)日：2019.06.28，可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，包括腰部-髋关节装置、大小腿连续调节装置、踝关节-足部装置，腰部-髋关节装置中包含前后屈伸、内外收展、内外旋转三个自由度，可以提高运动的灵活性和穿戴的舒适性，增加运动步态的多样性和提升康复训练策略的全面性；在大小腿连续调节装置中，采用正反旋丝杆连续调节方式，提高了人体和外骨骼机器人之间的匹配精确度和电机的使用效率，减少外骨骼机器人自身零部件的磨损，提高外骨骼机器人的使用寿命；在踝关节-足部装置中，减轻外力对踝关节造成的冲击，起到省力和自动复位的功能，足部结构的缓冲结构，可以减缓因地面反射形成的刚性冲击力，同时保护外骨骼机器人本体和提高穿戴者的舒适性。

该发明的下肢外骨骼康复机器人在大小腿连续调节装置中，采用正反旋丝杆连续调节方式，结构十分复杂。同时，该发明在髋关节和膝关节处都采用了谐波减速器，制造成本相对较高，不利于下肢机器人的成本控制和普及。

专利2：

申请号：CN201810686182.0，申请日：2018.06.28，公开(公告)日：2018.12.18，本发明公开了一种可坐式下肢外骨骼康复机器人，涉及机器人技术领域,包括坐姿辅助装置、背部组件、髋关节组件、驱动装置、大腿组件、小腿组件、踝关节组件和脚部组件其中大腿板、小腿板、踝关节组件均为两个，背板分别与髋关节组件和坐姿辅助装置相连接，两个大腿板上端与髋关节组件铰接、下端分别与小腿组件相连，小腿组件两端分别与大腿组件及伸缩杆组件连接，伸缩组件与脚部组件相连，大腿组件和小腿组件可以通过驱动装置上的伸缩杆连接驱动，膝关节为人体关节仿形设计，在运动过程中使膝关节的弯曲工况与人体生理弯曲相接近，本发明结构紧凑，重量轻，具有环保、便捷、随时休息的功能。

该发明的下肢外骨骼康复机器人膝关节和踝关节都是采用滚珠丝杆制作的伸缩杆作为实现关节运动的驱动件，对于髋关节没有驱动，导致患者下肢康复不健全，尤其髋关节在下肢运动中起至关重要的作用，这将直接影响患者步行等下肢功能的恢复。

专利3：

申请号：CN201110350834.1，申请日：2011.11.08，公开(公告)日：2012.06.20，本发明公开了一种医疗器械技术领域的下肢外骨骼康复机器人，包括：踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、髋部及支撑架模块和拐杖模块，膝关节运动模块一端与踝关节运动模块相连，另一端与髋关节运动模块相连，髋部及支撑架模块与髋关节运动模块相连，拐杖模块独立于外骨骼本体。本发明是帮助截瘫患者实现站立并行走，通过采集拐杖与地面的接触信息来控制膝关节和髋关节的屈伸运动，从而帮助患者实现跨步，踝关节的对拉弹簧可以帮助减少来自地面的冲击，有益于患者舒适行走，提高康复训练效率。

该发明的下肢外骨骼康复机器人在髋关节和膝关节处采用了复杂的滚珠丝杆结构实现康复运动，占用体积较大，在踝关节处没有驱动，导致患者下肢康复不健全，康复效果不理想，也无法满足患者对于踝关节专门康复的需求。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了基于半直驱驱动器的下肢康复机器人及其控制方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，包括腰部调节结构及对称转动连接于所述腰部调节结构两侧且由上至下依次转动连接的两个大腿调节结构、两个小腿调节结构和两个脚部底板，所述腰部调节结构、所述大腿调节结构和所述小腿调节结构上分别安装有用于驱动所述腰部调节结构和所述大腿调节结构相对转动的髋关节驱动结构、用于驱动所述大腿调节结构和所述小腿调节结构相对转动的膝关节驱动结构及用于驱动所述小腿调节结构和所述脚部底板相对转动的踝关节驱动结构；

膝关节半直驱驱动器安装于所述大腿调节结构上，膝关节电机外输出轴两端分别与所述膝关节半直驱驱动器的输出端和电机绳轮连接固定；两个中间绳轮分别通过两个销轴安装连接于所述大腿调节结构上，并分别与对应的所述销轴形成转动副；小腿上部绳轮与所述小腿调节结构固连，并通过膝关节中心轴、膝关节轴套及膝关节轴承与所述大腿调节结构转动连接，第一钢丝绳和第二钢丝绳分别由所述电机绳轮、两个所述中间绳轮、所述第二销轴和所述小腿上部绳轮两侧张紧绕设，构成所述膝关节驱动结构；

所述腰部调节结构、所述大腿调节结构、所述小腿调节结构和所述脚部底板分别与患者的腰部、大腿、小腿和脚部绑扎固定。

进一步的，所述膝关节半直驱驱动器外形呈扁圆柱形，独立安装于所述所述大腿调节结构顶部；所述第一钢丝绳于所述电机绳轮上绕设，并形成留设的负向转动余量，其前端和末端分别与所述电机绳轮和位于初始位置的小腿上部绳轮张紧连接固定；所述第二钢丝绳于所述小腿上部绳轮上绕设，并形成留设的屈膝余量，其前端和末端分别与所述电机绳轮和位于初始位置的小腿上部绳轮张紧连接固定；

进一步的，踝关节外侧支撑座、踝关节中间支撑座和踝关节内侧支撑座依次配合连接固定，踝关节步进电机和踝关节齿轮组减速器设于所述踝关节外侧支撑座和所述踝关节内侧支撑座内部；所述踝关节步进电机的输出端与所述踝关节齿轮组减速器的输入端连接固定，所述踝关节齿轮组减速器的输出端连接踝关节输出轴，所述踝关节输出轴与所述踝关节中间支撑座和所述踝关节内侧支撑座通过轴承和踝关节轴套转动连接，构成所述踝关节驱动结构；

所述踝关节驱动结构设于对应的所述小腿调节结构底部外侧，所述踝关节内侧支撑座与对应的小腿调节结构底端连接固定，所述脚部底板固定连接于所述踝关节输出轴上；所述踝关节内侧支撑座配合套设于所述小腿调节结构底端外部，并通过各螺钉与所述小腿调节结构连接固定。

进一步的，所述踝关节齿轮组减速器包括一对啮合的锥齿轮和一对啮合的直齿轮，其中齿数较多的锥齿轮和齿数较少的直齿轮安装固定于输入轴上，齿数较少的锥齿轮与所述踝关节步进电机的输出端连接固定，齿数较多的直齿轮安装固定于所述踝关节输出轴上，通过踝关节锁紧螺母轴向限位；所述输入轴与所述踝关节中间支撑座和所述踝关节内侧支撑座转动连接。

进一步的，髋关节外支撑座和髋关节内支撑座配合连接固定，髋关节齿轮组减速器设于所述髋关节外支撑座和所述髋关节内支撑座内部，髋关节半直驱驱动器安装固定于所述髋关节外支撑座上，其输出端转动安装于所述髋关节外支撑座上，髋关节电机外输出轴两端分别与所述髋关节半直驱驱动器的输出端和所述髋关节齿轮组减速器的输入端轴联；减速器输出轴与所述髋关节齿轮组减速器的输出端连接固定，并转动安装于所述髋关节内支撑座上，构成所述髋关节驱动结构；

两个所述髋关节驱动结构对称设于所述腰部调节结构两侧，所述髋关节内支撑座与所述腰部调节结构连接固定，所述减速器输出轴与所述大腿调节结构的顶部连接固定；所述髋关节半直驱驱动器以通过各螺钉与所述髋关节外支撑座连接固定的髋关节电机后盖遮蔽。

进一步的，所述髋关节电机外输出轴、所述膝关节中心轴和所述踝关节输出轴上分别设有转矩传感器，所述髋关节半直驱驱动器、所述髋关节半直驱驱动器和所述踝关节步进电机的输出端分别安装倾角传感器。

进一步的，所述腰部调节结构包括电源控制箱及对称设于所述电源控制箱两侧的两个腰部连接板和两个腰部绑带，所述电源控制箱上对称设有水平向的滑槽，两个所述腰部连接板分别通过其上设置的滑块配合连接于所述滑槽内，与所述电源控制箱形成水平向的滑动副，两个所述腰部绑带分别设于两个所述腰部连接板内侧，与对应的所述腰部连接板连接固定。

进一步的，所述大腿调节结构包括位于上方的大腿上连杆和位于下方的大腿下连杆，两者相互套接配合形成竖直向滑动副；所述大腿上连杆或所述大腿下连杆上设有用于锁定所述大腿上连杆和所述大腿下连杆相对滑动的大腿手拧紧固螺钉，两者内侧各固设至少一个大腿固定绑带；

所述小腿调节结构包括位于上方的小腿上连杆和位于下方的小腿下连杆，两者相互套接配合形成竖直向滑动副；所述小腿上连杆或所述小腿下连杆上设有用于锁定所述小腿上连杆和所述小腿下连杆相对滑动的小腿手拧紧固螺钉，所述小腿上连杆内侧固设至少一个小腿固定绑带，顶部固连所述小腿上部绳轮。

进一步的，所述膝关节驱动结构设于所述大腿调节结构内部，所述膝关节中心轴端部和所述膝关节半直驱驱动器分别以通过各螺钉与所述大腿调节结构连接固定的膝关节端盖和膝关节电机外盖遮蔽；所述脚部底板上设有用于固定患者脚部的金属环套。

一种基于半直驱驱动器的下肢康复机器人的控制方法，其中基于半直驱驱动器的下肢康复机器人的结构为：还设有接收、处理和记录各转矩传感器和倾角传感器采集信息的控制器，所述控制器用于控制髋关节半直驱驱动器、膝关节半直驱驱动器和踝关节步进电机的工作；

所述基于半直驱驱动器的下肢康复机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，控制器初始化，然后检查髋关节半直驱驱动器、膝关节半直驱驱动器和踝关节步进电机，确认其复位至初始位置，此时，各倾角传感器也相应复位；

步骤二，对腰部调节结构、大腿调节结构、小腿调节结构作匹配患者身材的调节，随后，将各腰部绑带、大腿固定绑带和小腿固定绑带分别于患者的腰部、大腿和小腿上绑扎系紧，将患者脚部固定于脚部底板的金属环套内，并拧紧大腿手拧紧固螺钉和小腿手拧紧固螺钉；

步骤三，开启控制器，向控制器内输入患者身份、身高、体重的信息；

步骤四，设定康复训练的时间，并进行训练模式的选择：

若选择步行康复训练模式，则继续向控制器输入髋关节、膝关节和踝关节的最大屈伸角度信息，并执行步骤五；

否则，执行步骤六；

步骤五，控制器按输入的信息由预设的控制程序中选择合适的控制程序，控制患者进行步行康复训练，并执行步骤八；

步骤六，若选择髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则控制器根据身份信息判断该患者是否首次进行该模式的康复训练：

若该患者是首次进行该模式的康复训练，则患者在家人或医生的帮助下，人工进行对应关节的一次完成康复运动，力矩传感器和倾角传感器采集相应信息并传递至控制器进行记录，随后执行步骤七；

否则，直接执行步骤七；

若未选择髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则执行步骤十；

步骤七，控制器按记录的该患者进行该模式康复训练的信息，控制患者进行康复训练；

步骤八，康复训练过程中，力矩传感器和倾角传感器采集相应信息并反馈至控制器，控制器根据采集的信息进行反馈式调节；

步骤九，康复训练到达设定的康复训练的时间后：

若选择继续进行该模式的康复训练，且当前康复训练模式为步行康复训练模式，则执行步骤五；

若选择继续进行该模式的康复训练，且当前为康复训练模式为髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则执行步骤七；

若选择切换康复训练的模式，则执行步骤四；

否则，执行步骤十；

步骤十，控制器复位，各力矩传感器和倾角传感器复位，结束康复训练。

本发明提供了基于半直驱驱动器的下肢康复机器人及其控制方法，具有以下有益效果：

1、能够辅助患者实现髋关节、膝关节和踝关节的康复训练，包括髋关节的屈伸、膝关节的屈伸、踝关节的跖屈和背屈，康复功能健全，能较好地满足患者下肢康复的康复训练要求；

2、膝关节驱动结构采用膝关节半直驱驱动器驱动，并以第一钢丝绳和第二钢丝绳柔索传动，以小结构实现大传动比，膝关节驱动结构体积小、质量轻，同时，柔索传动具有柔性且转动惯性小，能有效避免对患者造成二次伤害，提高康复安全性；

3、针对膝关节的运动特点，第一钢丝绳和第二钢丝绳于电机绳轮或小腿上部绳轮留设或不留设余量，从结构上直接限制膝关节的转动范围，进一步提高膝关节康复训练的安全性；

4、髋关节驱动结构和膝关节驱动结构分别采用髋关节半直驱驱动器和膝关节半直驱驱动器驱动，踝关节采用踝关节步进电机驱动，整体体积小、质量轻，大大降低了康复机器人结构的复杂程度；

5、可通过输入患者的身材信息、选择康复训练的模式及首次采集康复训练参数的方式，实现康复训练高度的适应性和自主性，更好地适应患者康复训练的需要，改善康复训练效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明腰部调节结构的结构示意图；

图3为本发明髋关节驱动结构的结构示意图；

图4为本发明大腿调节结构的结构示意图；

图5为本发明膝关节驱动结构的结构示意图；

图6为本发明小腿调节结构的结构示意图；

图7为本发明踝关节驱动结构的结构示意图；

图8为本发明控制方法的流程图。

图中：

1、腰部调节结构，101、电源控制箱，102、腰部绑带，103、腰部连接板；2、髋关节驱动结构，201、髋关节外支撑座，202、髋关节内支撑座，203、髋关节半直驱驱动器，204、髋关节电机外输出轴，205、髋关节齿轮组减速器，206、减速器输出轴，207、轴套，208、髋关节电机后盖；3、大腿调节结构，301、大腿上连杆，302、大腿下连杆，303、大腿固定绑带，304、大腿手拧紧固螺钉；4、膝关节驱动结构，401、膝关节半直驱驱动器，402、膝关节电机外输出轴，403、电机绳轮，404、中间绳轮，405、第一钢丝绳，406、第二钢丝绳，407、第一销轴，408、第二销轴，409、膝关节中心轴，410、小腿上部绳轮，411、膝关节电机外盖，412、膝关节端盖；5、小腿调节结构，501、小腿上连杆，502、小腿下连杆，503、小腿固定绑带，504、小腿手拧紧固螺钉；6、踝关节驱动结构，601、踝关节外侧支撑座，602、踝关节中间支撑座，603、踝关节内侧支撑座，604、踝关节步进电机，605、踝关节齿轮组减速器，606、踝关节输出轴，607、踝关节轴套，608、踝关节锁紧螺母；7、脚部底板，701、金属环套。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1～图7所示，其结构关系为：包括腰部调节结构1及对称转动连接于腰部调节结构1两侧且由上至下依次转动连接的两个大腿调节结构3、两个小腿调节结构5和两个脚部底板7，腰部调节结构1、大腿调节结构3和小腿调节结构5上分别安装有用于驱动腰部调节结构1和大腿调节结构3相对转动的髋关节驱动结构2、用于驱动大腿调节结构3和小腿调节结构5相对转动的膝关节驱动结构4及用于驱动小腿调节结构5和脚部底板7相对转动的踝关节驱动结构6；

膝关节半直驱驱动器401安装于大腿调节结构3上，膝关节电机外输出轴402两端分别与膝关节半直驱驱动器401的输出端和电机绳轮403连接固定；两个中间绳轮404分别通过两个销轴407安装连接于大腿调节结构3上，并分别与对应的销轴407形成转动副；小腿上部绳轮410与小腿调节结构5固连，并通过膝关节中心轴409、膝关节轴套413及膝关节轴承与大腿调节结构3转动连接，第一钢丝绳405和第二钢丝绳406分别由电机绳轮403、两个中间绳轮404、第二销轴408和小腿上部绳轮410两侧张紧绕设，构成膝关节驱动结构4；

第一钢丝绳405和第二钢丝绳406中任一用于驱动小腿调节结构5向大腿调节结构3后方转动，实现屈膝动作，另一用于驱动小腿调节结构5由大腿调节结构3后方向前转动复位，实现伸膝动作；

腰部调节结构1、大腿调节结构3、小腿调节结构5和脚部底板7分别与患者的腰部、大腿、小腿和脚部绑扎固定。

优选的，膝关节半直驱驱动器401外形呈扁圆柱形，独立安装于大腿调节结构3顶部；

相较于传统的使用电机和谐波减速器直接连接于膝关节轴的结构，该设置大大降低了膝关节处结构的复杂程度，解决了膝关节处纵向尺寸过大的问题；

第一钢丝绳405于电机绳轮403上绕设，并形成留设的负向转动余量，其前端和末端分别与电机绳轮403和位于初始位置的小腿上部绳轮410张紧连接固定；

第一钢丝绳405用于驱动小腿调节结构5正向转动至初始位置，由于小腿运动只有负向转动，因此第一钢丝绳405不需要在小腿上部绳轮410上留设正向转动余量；

第二钢丝绳406于小腿上部绳轮410上绕设，并形成留设的屈膝余量，其前端和末端分别与电机绳轮403和位于初始位置的小腿上部绳轮410张紧连接固定；

屈膝余量的长度与小腿调节结构5负向转动不小于90°的过程中第二钢丝绳406沿其长度方向移动的路径长度相等；

第二钢丝绳406用于驱动小腿调节结构5负向转动，留设的屈膝余量用于限制小腿调节结构5负向转动的极限角度；

康复过程中，第一钢丝绳405和第二钢丝绳406在中间绳轮404的限位作用下，始终绕其圆周作同步运动，从而可以保持运动过程中第一钢丝绳405和第二钢丝绳406的张紧。

优选的，踝关节外侧支撑座601、踝关节中间支撑座602和踝关节内侧支撑座603依次配合连接固定，踝关节步进电机604和踝关节齿轮组减速器605设于踝关节外侧支撑座和踝关节内侧支撑座603内部；踝关节步进电机604的输出端与踝关节齿轮组减速器605的输入端连接固定，踝关节齿轮组减速器605的输出端连接踝关节输出轴606，踝关节输出轴606与踝关节中间支撑座602和踝关节内侧支撑座603通过轴承和踝关节轴套607转动连接，构成踝关节驱动结构6；

踝关节驱动结构6设于对应的小腿调节结构5底部外侧，踝关节内侧支撑座603与对应的小腿调节结构5底端连接固定，脚部底板7固定连接于踝关节输出轴606上；踝关节内侧支撑座603配合套设于小腿调节结构5底端外部，并通过各螺钉与小腿调节结构5连接固定。

优选的，踝关节齿轮组减速器605包括一对啮合的锥齿轮和一对啮合的直齿轮，其中齿数较多的锥齿轮和齿数较少的直齿轮安装固定于输入轴上，齿数较少的锥齿轮与踝关节步进电机604的输出端连接固定，齿数较多的直齿轮安装固定于踝关节输出轴606上，通过踝关节锁紧螺母608轴向限位；输入轴与踝关节中间支撑座602和踝关节内侧支撑座603转动连接。

优选的，髋关节外支撑座201和髋关节内支撑座202配合连接固定，髋关节齿轮组减速器205设于髋关节外支撑座201和髋关节内支撑座202内部，髋关节半直驱驱动器203安装固定于髋关节外支撑座201上，其输出端转动安装于髋关节外支撑座201上，髋关节电机外输出轴204两端分别与髋关节半直驱驱动器203的输出端和髋关节齿轮组减速器205的输入端轴联；减速器输出轴206与髋关节齿轮组减速器205的输出端连接固定，并转动安装于髋关节内支撑座202上，构成髋关节驱动结构2；

两个髋关节驱动结构2对称设于腰部调节结构1两侧，髋关节内支撑座202与腰部调节结构1连接固定，减速器输出轴206与大腿调节结构3的顶部连接固定；

髋关节半直驱驱动器203可以采用自带行星轮减速器的盘式直流无刷电机，其转矩由髋关节电机外输出轴204传递至髋关节齿轮组减速器205，经髋关节齿轮组减速器205放大后由减速器输出轴206输出，作用于大腿调节结构3上，驱动大腿调节结构3实现髋关节的屈伸动作；

髋关节半直驱驱动器203以通过各螺钉与髋关节外支撑座201连接固定的髋关节电机后盖207遮蔽。

优选的，髋关节电机外输出轴204、膝关节中心轴402和踝关节输出轴606上分别设有转矩传感器，髋关节半直驱驱动器203、髋关节半直驱驱动器401和踝关节步进电机604的输出端分别安装倾角传感器。

优选的，腰部调节结构1包括电源控制箱101及对称设于电源控制箱101两侧的两个腰部连接板103和两个腰部绑带102，电源控制箱101上对称设有水平向的滑槽，两个腰部连接板103分别通过其上设置的滑块配合连接于滑槽内，与电源控制箱101形成水平向的滑动副，两个腰部绑带102分别设于两个腰部连接板103内侧，与对应的腰部连接板103连接固定。

实际使用时，首先将两个腰部连接板103向两侧滑动打开，然后将患者腰部置于两个腰部连接板103之间，随后将两个腰部绑带102由患者腰部外侧扎紧，并相互连接固定，即可实现患者腰部的绑扎固定；两个腰部连接板103的间距可调，能较好地适应不同身材的患者，紧密贴合患者腰部，保证舒适度。

优选的，大腿调节结构3包括位于上方的大腿上连杆301和位于下方的大腿下连杆302，两者相互套接配合形成竖直向滑动副；大腿上连杆301或大腿下连杆302上设有用于锁定大腿上连杆301和大腿下连杆302相对滑动的大腿手拧紧固螺钉304，两者内侧各固设至少一个大腿固定绑带303；

实际使用时，首先拧松大腿手拧紧固螺钉304，根据患者的腿长相对滑动大腿上连杆301和大腿下连杆302，将其总长调节至合适值，再拧紧大腿手拧紧固螺钉304，锁定大腿上连杆301和大腿下连杆302的相对位置，随后，将患者的大腿通过各大腿固定绑带303与大腿调节结构3绑扎固定；大腿上连杆301和大腿下连杆302的总长可调，能较好地适应各种腿长的患者的需要。

小腿调节结构5包括位于上方的小腿上连杆501和位于下方的小腿下连杆502，两者相互套接配合形成竖直向滑动副；小腿上连杆501或小腿下连杆502上设有用于锁定小腿上连杆501和小腿下连杆502相对滑动的小腿手拧紧固螺钉504，小腿上连杆501内侧固设至少一个小腿固定绑带503，顶部固连小腿上部绳轮410。

实际使用时，首先拧松小腿手拧紧固螺钉504，根据患者的腿长相对滑动小腿上连杆501和小腿下连杆502，将其总长调节至合适值，再拧紧小腿手拧紧固螺钉504，锁定小腿上连杆501和小腿下连杆502的相对位置；随后，将患者的小腿通过各小腿固定绑带503与小腿调节结构5绑扎固定；小腿上连杆501和小腿下连杆502的总长可调，能较好地适应各种腿长的患者的需要。

各转矩传感器分别用于测量髋关节电机外输出轴204、膝关节中心轴402和踝关节输出轴606的转矩，各倾角传感器分别用于测量髋关节半直驱驱动器203、髋关节半直驱驱动器401和踝关节步进电机604输出的转角和角速度。

优选的，膝关节驱动结构4设于大腿调节结构3内部，膝关节中心轴409端部和膝关节半直驱驱动器401分别以通过各螺钉与大腿调节结构3连接固定的膝关节端盖412和膝关节电机外盖411遮蔽；脚部底板7上设有用于固定患者脚部的金属环套701。

上述半直驱驱动器的下肢康复机器人还可设有接收、处理和记录各转矩传感器和倾角传感器采集信息的控制器，控制器用于控制髋关节半直驱驱动器203、膝关节半直驱驱动器401和踝关节步进电机604的工作；

其控制方法，如图8所示，包括以下步骤：

步骤一，控制器初始化，然后检查髋关节半直驱驱动器203、膝关节半直驱驱动器401和踝关节步进电机604，确认其复位至初始位置，此时，各倾角传感器也相应复位；

步骤二，对腰部调节结构1、大腿调节结构3、小腿调节结构5作匹配患者身材的调节，随后，将各腰部绑带102、大腿固定绑带303和小腿固定绑带503分别于患者的腰部、大腿和小腿上绑扎系紧，将患者脚部固定于脚部底板7的金属环套701内，并拧紧大腿手拧紧固螺钉304和小腿手拧紧固螺钉504；

步骤三，开启控制器，向控制器内输入患者身份、身高、体重的信息；

步骤四，设定康复训练的时间，并进行训练模式的选择：

若选择步行康复训练模式，则继续向控制器输入髋关节、膝关节和踝关节的最大屈伸角度信息，并执行步骤五；

否则，执行步骤六；

步骤五，控制器按输入的信息由预设的控制程序中选择合适的控制程序，控制患者进行步行康复训练，并执行步骤八；

步骤六，若选择髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则控制器根据身份信息判断该患者是否首次进行该模式的康复训练：

若该患者是首次进行该模式的康复训练，则患者在家人或医生的帮助下，人工进行对应关节的一次完成康复运动，力矩传感器和倾角传感器采集相应信息并传递至控制器进行记录，随后执行步骤七；

否则，直接执行步骤七；

若未选择髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则执行步骤十；

步骤七，控制器按记录的该患者进行该模式康复训练的信息，控制患者进行康复训练；

步骤八，康复训练过程中，力矩传感器和倾角传感器采集相应信息并反馈至控制器，控制器根据采集的信息进行反馈式调节；

在康复过程中，由于患者自身肢体运动力矩的不断变化，需要康复机器人实时输出合适的力矩辅助，以与患者自身肢体运动力矩配合，共同完成康复运动；

因此，康复过程中各倾角传感器分别采集对应位置的转角信息，并将实时采集的转角信息反馈至控制器，控制器将实时采集的转角信息与理论肢体运动角速度进行比较计算，并在角速度大于理论值时降低对应位置输出的转矩，角速度小于理论值时增大对应位置输出的转矩，实现反馈式调节；

同时，康复过程中各转矩传感器分别采集对应位置的转矩信息，并将实时采集的转矩信息反馈至控制器，控制器对实时采集的转角信息进行计算，得出转矩的变化速度，并在转矩的变化速度过快或过慢时，减小或增大其变化速度，以配合实现反馈式调节，保证康复过程平稳、连续及有序完成；

步骤九，康复训练到达设定的康复训练的时间后：

若选择继续进行该模式的康复训练，且当前康复训练模式为步行康复训练模式，则执行步骤五；

若选择继续进行该模式的康复训练，且当前为康复训练模式为髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则执行步骤七；

若选择切换康复训练的模式，则执行步骤四；

否则，执行步骤十；

步骤十，控制器复位，各力矩传感器和倾角传感器复位，结束康复训练。

具体使用时，髋关节、膝关节和踝关节按如下方式进行驱动：

髋关节的驱动由髋关节驱动结构2实现，具体过程为髋关节半直驱驱动器203工作输出的动力经髋关节电机外输出轴204传递至髋关节齿轮组减速器205，髋关节齿轮组减速器205降低动力的转速并提高动力的扭矩后将其由减速器输出轴206输出，驱动大腿调节结构3相对于腰部调节结构1转动，实现髋关节的屈伸动作。

膝关节的驱动由膝关节驱动结构4实现，具体过程为膝关节半直驱驱动器401工作输出的动力经膝关节电机外输出轴402传递至电机绳轮403，并由安装张紧于电机绳轮403、两个中间绳轮404及小腿上部绳轮410上的第一钢丝绳405和第二钢丝绳406驱动小腿上部绳轮410转动，进而带动小腿调节结构5相对于大腿调节结构3转动，实现膝关节的屈伸动作。

当膝关节驱动结构4输出负向转动的扭矩时，第二钢丝绳406张紧并驱动小腿上部绳轮410负向转动，带动小腿调节结构5向大腿调节结构3后方转动，实现屈膝动作；该过程中，小腿调节结构5负向转动的极限位置受屈膝余量长度限制。

当膝关节驱动结构4输出正向转动的扭矩时，第一钢丝绳405张紧并驱动小腿上部绳轮410正向转动，带动小腿调节结构5由大腿调节结构3后方向前转动复位，实现伸膝动作；该过程中，因第二钢丝绳406在电机绳轮403上未设余量，其极限位置为复位至小腿调节结构5和大腿调节结构3位于同直线的初始位置。

踝关节的驱动由踝关节驱动结构6实现，具体过程为踝关节步进电机604工作输出的动力经踝关节齿轮组减速器605降低转速并提高扭矩后，由踝关节输出轴606输出，驱动脚部底板7相对于小腿调节结构5转动，实现踝关节的跖屈和背屈动作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以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当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，包括腰部调节结构(1)及对称转动连接于所述腰部调节结构(1)两侧且由上至下依次转动连接的两个大腿调节结构(3)、两个小腿调节结构(5)和两个脚部底板(7)，其特征在于：所述腰部调节结构(1)、所述大腿调节结构(3)和所述小腿调节结构(5)上分别安装有用于驱动所述腰部调节结构(1)和所述大腿调节结构(3)相对转动的髋关节驱动结构(2)、用于驱动所述大腿调节结构(3)和所述小腿调节结构(5)相对转动的膝关节驱动结构(4)及用于驱动所述小腿调节结构(5)和所述脚部底板(7)相对转动的踝关节驱动结构(6)；

膝关节半直驱驱动器(401)安装于所述大腿调节结构(3)上，膝关节电机外输出轴(402)两端分别与所述膝关节半直驱驱动器(401)的输出端和电机绳轮(403)连接固定；两个中间绳轮(404)分别通过两个销轴(407)安装连接于所述大腿调节结构(3)上，并分别与对应的所述销轴(407)形成转动副；小腿上部绳轮(410)与所述小腿调节结构(5)固连，并通过膝关节中心轴(409)、膝关节轴套及膝关节轴承与所述大腿调节结构(3)转动连接，第一钢丝绳(405)和第二钢丝绳(406)分别由所述电机绳轮(403)、两个所述中间绳轮(404)、所述第二销轴(408)和所述小腿上部绳轮(410)两侧张紧绕设，构成所述膝关节驱动结构(4)；

所述腰部调节结构(1)、所述大腿调节结构(3)、所述小腿调节结构(5)和所述脚部底板(7)分别与患者的腰部、大腿、小腿和脚部绑扎固定。

2.根据权利要求1所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：所述膝关节半直驱驱动器(401)外形呈扁圆柱形，独立安装于所述所述大腿调节结构(3)顶部；所述第一钢丝绳(405)于所述电机绳轮(403)上绕设，并形成留设的负向转动余量，其前端和末端分别与所述电机绳轮(403)和位于初始位置的小腿上部绳轮(410)张紧连接固定；所述第二钢丝绳(406)于所述小腿上部绳轮(410)上绕设，并形成留设的屈膝余量，其前端和末端分别与所述电机绳轮(403)和位于初始位置的小腿上部绳轮(410)张紧连接固定。

3.根据权利要求2所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：踝关节外侧支撑座(601)、踝关节中间支撑座(602)和踝关节内侧支撑座(603)依次配合连接固定，踝关节步进电机(604)和踝关节齿轮组减速器(605)设于所述踝关节外侧支撑座和所述踝关节内侧支撑座(603)内部；所述踝关节步进电机(604)的输出端与所述踝关节齿轮组减速器(605)的输入端连接固定，所述踝关节齿轮组减速器(605)的输出端连接踝关节输出轴(606)，所述踝关节输出轴(606)与所述踝关节中间支撑座(602)和所述踝关节内侧支撑座(603)通过轴承和踝关节轴套(607)转动连接，构成所述踝关节驱动结构(6)；

所述踝关节驱动结构(6)设于对应的所述小腿调节结构(5)底部外侧，所述踝关节内侧支撑座(603)与对应的小腿调节结构(5)底端连接固定，所述脚部底板(7)固定连接于所述踝关节输出轴(606)上；所述踝关节内侧支撑座(603)配合套设于所述小腿调节结构(5)底端外部，并通过各螺钉与所述小腿调节结构(5)连接固定。

4.根据权利要求3所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：所述踝关节齿轮组减速器(605)包括一对啮合的锥齿轮和一对啮合的直齿轮，其中齿数较多的锥齿轮和齿数较少的直齿轮安装固定于输入轴上，齿数较少的锥齿轮与所述踝关节步进电机(604)的输出端连接固定，齿数较多的直齿轮安装固定于所述踝关节输出轴(606)上，通过踝关节锁紧螺母(608)轴向限位；所述输入轴与所述踝关节中间支撑座(602)和所述踝关节内侧支撑座(603)转动连接。

5.根据权利要求3所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：髋关节外支撑座(201)和髋关节内支撑座(202)配合连接固定，髋关节齿轮组减速器(205)设于所述髋关节外支撑座(201)和所述髋关节内支撑座(202)内部，髋关节半直驱驱动器(203)安装固定于所述髋关节外支撑座(201)上，其输出端转动安装于所述髋关节外支撑座(201)上，髋关节电机外输出轴(204)两端分别与所述髋关节半直驱驱动器(203)的输出端和所述髋关节齿轮组减速器(205)的输入端轴联；减速器输出轴(206)与所述髋关节齿轮组减速器(205)的输出端连接固定，并转动安装于所述髋关节内支撑座(202)上，构成所述髋关节驱动结构(2)；

两个所述髋关节驱动结构(2)对称设于所述腰部调节结构(1)两侧，所述髋关节内支撑座(202)与所述腰部调节结构(1)连接固定，所述减速器输出轴(206)与所述大腿调节结构(3)的顶部连接固定；所述髋关节半直驱驱动器(203)以通过各螺钉与所述髋关节外支撑座(201)连接固定的髋关节电机后盖(207)遮蔽。

6.根据权利要求5中任一项所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：所述髋关节电机外输出轴(204)、所述膝关节中心轴(402)和所述踝关节输出轴(606)上分别设有转矩传感器，所述髋关节半直驱驱动器(203)、所述髋关节半直驱驱动器(401)和所述踝关节步进电机(604)的输出端分别安装倾角传感器。

7.根据权利要求5所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：所述腰部调节结构(1)包括电源控制箱(101)及对称设于所述电源控制箱(101)两侧的两个腰部连接板(103)和两个腰部绑带(102)，所述电源控制箱(101)上对称设有水平向的滑槽，两个所述腰部连接板(103)分别通过其上设置的滑块配合连接于所述滑槽内，与所述电源控制箱(101)形成水平向的滑动副，两个所述腰部绑带(102)分别设于两个所述腰部连接板(103)内侧，与对应的所述腰部连接板(103)连接固定。

8.根据权利要求7所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿调节结构(3)包括位于上方的大腿上连杆(301)和位于下方的大腿下连杆(302)，两者相互套接配合形成竖直向滑动副；所述大腿上连杆(301)或所述大腿下连杆(302)上设有用于锁定所述大腿上连杆(301)和所述大腿下连杆(302)相对滑动的大腿手拧紧固螺钉(304)，两者内侧各固设至少一个大腿固定绑带(303)；

所述小腿调节结构(5)包括位于上方的小腿上连杆(501)和位于下方的小腿下连杆(502)，两者相互套接配合形成竖直向滑动副；所述小腿上连杆(501)或所述小腿下连杆(502)上设有用于锁定所述小腿上连杆(501)和所述小腿下连杆(502)相对滑动的小腿手拧紧固螺钉(504)，所述小腿上连杆(501)内侧固设至少一个小腿固定绑带(503)，顶部固连所述小腿上部绳轮(410)。

9.根据权利要求8所述的基于半直驱驱动器的下肢康复机器人，其特征在于：所述膝关节驱动结构(4)设于所述大腿调节结构(3)内部，所述膝关节中心轴(409)端部和所述膝关节半直驱驱动器(401)分别以通过各螺钉与所述大腿调节结构(3)连接固定的膝关节端盖(412)和膝关节电机外盖(411)遮蔽；所述脚部底板(7)上设有用于固定患者脚部的金属环套(701)。

10.根据权利要求8所述的一种基于半直驱驱动器的下肢康复机器人的控制方法，其特征在于，其中基于半直驱驱动器的下肢康复机器人的结构为：还设有接收、处理和记录各转矩传感器和倾角传感器采集信息的控制器，所述控制器用于控制髋关节半直驱驱动器(203)、膝关节半直驱驱动器(401)和踝关节步进电机(604)的工作；

所述基于半直驱驱动器的下肢康复机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，控制器初始化，然后检查髋关节半直驱驱动器(203)、膝关节半直驱驱动器(401)和踝关节步进电机(604)，确认其复位至初始位置，此时，各倾角传感器也相应复位；

步骤二，对腰部调节结构(1)、大腿调节结构(3)、小腿调节结构(5)作匹配患者身材的调节，随后，将各腰部绑带(102)、大腿固定绑带(303)和小腿固定绑带(503)分别于患者的腰部、大腿和小腿上绑扎系紧，将患者脚部固定于脚部底板(7)的金属环套(701)内，并拧紧大腿手拧紧固螺钉(304)和小腿手拧紧固螺钉(504)；

步骤三，开启控制器，向控制器内输入患者身份、身高、体重的信息；

步骤四，设定康复训练的时间，并进行训练模式的选择：

若选择步行康复训练模式，则继续向控制器输入髋关节、膝关节和踝关节的最大屈伸角度信息，并执行步骤五；

否则，执行步骤六；

步骤五，控制器按输入的信息由预设的控制程序中选择合适的控制程序，控制患者进行步行康复训练，并执行步骤八；

步骤六，若选择髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则控制器根据身份信息判断该患者是否首次进行该模式的康复训练：

若该患者是首次进行该模式的康复训练，则患者在家人或医生的帮助下，人工进行对应关节的一次完成康复运动，力矩传感器和倾角传感器采集相应信息并传递至控制器进行记录，随后执行步骤七；

否则，直接执行步骤七；

若未选择髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则执行步骤十；

步骤七，控制器按记录的该患者进行该模式康复训练的信息，控制患者进行康复训练；

步骤八，康复训练过程中，力矩传感器和倾角传感器采集相应信息并反馈至控制器，控制器根据采集的信息进行反馈式调节；

步骤九，康复训练到达设定的康复训练的时间后：

若选择继续进行该模式的康复训练，且当前康复训练模式为步行康复训练模式，则执行步骤五；

若选择继续进行该模式的康复训练，且当前为康复训练模式为髋关节康复训练模式、膝关节康复训练模式或踝关节康复训练模式，则执行步骤七；

若选择切换康复训练的模式，则执行步骤四；

否则，执行步骤十；

步骤十，控制器复位，各力矩传感器和倾角传感器复位，结束康复训练。

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