CN104224494A - 一种六自由度并联腰部康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度并联腰部康复训练装置，其针对腰部康复训练过程中如何高效、安全的实现康复病人腰部的6个自由度以及增加训练装置的适应性等问题，通过柔索驱动单元与气动人工肌肉支撑单元有效组合，实现了腰部6个运动自由度的全方位康复训练。该腰部康复训练装置通过两种驱动方式的有效组合并且模块化后，可根据康复病人的病情以及个体的差异进行构型改变、调节训练强度和幅度大小，因此提高了适应性。

Description

一种六自由度并联腰部康复训练装置

技术领域

本发明涉及医疗康复训练器械领域，具体是一种六自由度并联腰部康复训练装置。

背景技术

由于社会老龄化和其它意外原因导致的腰部运动障碍的病人数量呈上升趋势，因此对提高腰部康复训练水平和效率有了进一步的要求。但是传统的康复治疗依赖于治疗师的经验及徒手操作技术，训练效率低下，工作量大，人力成本高。康复训练装置的产生有效地解决了以上问题，通过机器带动肢体做成千上万的重复性的运动，不仅将治疗师从繁重的体力劳动中解脱出来，康复治疗手段的量化有效地保证了康复治疗的质量。

现有的技术条件下康复训练装置一般通过柔索驱动腰部进行转动,但柔索驱动转动的效果不是很明显,在这个过程中腰部转动的角度十分有限，很难适应较大角度的弯腰和摆动，且康复训练效率较低。另一些康复训练装置采用刚性驱动如气缸、电机驱动等，由于缺乏柔顺性被认为安全性能差。并且现有的装置最大的问题是其根据特定的参数数据设计，结构固定不可调，导致康复训练装置可调节性和适应性差，不能够根据康复病人的个体差异调节结构，致使实用性不高。

发明内容    本发明的目的是提供一种六自由度并联腰部康复训练装置，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种六自由度并联腰部康复训练装置，包括有机架，所述机架由多个竖向设置的框边、连接在多个框边顶部的机架上连接板及连接在多个框边底部的机架下连接板构成，且机架左侧两框边下部之间、右侧两框边下部之间、后侧两框边下部之间分别水平连接有横梁，其特征在于：所述机架下连接板上设置有站立平台，机架左侧、后侧、右侧的横梁上分别竖向安装有气动人工肌肉支撑单元，左侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向左延伸出来的水平连接杆上，右侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向右延伸出来的水平连接杆上，后侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向后延伸出来的水平连接杆上，康复腰带悬于站立平台上方，所述机架上连接板底面安装有多组柔索驱动单元，多组柔索驱动单元沿环形均匀分布在机架上连接板底面，每个柔索驱动单元包括固定在机架上连接板底面的驱动电机支架，驱动电机支架中安装有驱动电机，驱动电机输出轴水平设置，且驱动电机输出轴上安装有卷筒，卷筒上缠绕有柔索，机架上连接板底面对应每个驱动电机支架所在位置还分别安装有滑轮基座，滑轮基座中分别转动安装有定向滑轮组，每个柔索一端绕制在所缠绕的卷筒上，另一端分别从对应的柔索驱动单元侧面穿过，再绕过对应的定向滑轮组后向下连接在站立平台上。

所述的一种六自由度并联腰部康复训练装置，其特征在于：所述定向滑轮组通过开口销及销轴转动安装在滑轮基座中。

所述的一种六自由度并联腰部康复训练装置，其特征在于：所述气动人工肌肉支撑单元包括竖向设置的杆状气动人工肌肉，气动人工肌肉顶端套有支撑单元上套筒，气动人工肌肉底端套有支撑单元下套筒，支撑单元上、下套筒之间连接有套在气动人工肌肉上的弹簧，所述支撑单元上套筒顶部安装有支撑单元球铰链，支撑单元下套筒底部安装有支撑单元底座，气动人工肌肉顶端通过气动人工肌肉上连接件在支撑单元上套筒顶部与支撑单元球铰链连接，气动人工肌肉底端通过气动人工肌肉下连接件在支撑单元下套筒底部与支撑单元底座连接，且气动人工肌肉下连接件上设置有与气动人工肌肉内连通的进气孔，气动人工肌肉支撑单元中，支撑单元底座固定在机架左侧、后侧、右侧的横梁上，支撑单元球铰链与对应的连接杆连接。

所述的一种六自由度并联腰部康复训练装置，其特征在于：所述康复腰带包括两个半环状康复腰带框架，其中第一个康复腰带框架向外延伸三根连接杆分别与气动人工肌肉支撑单元连接，且第一个康复腰带框架一端设置有铰接座，第二个康复腰带框架一端设置有铰接头，第二个康复腰带框架与第一个康复腰带框架对接为跑道形状，且康复腰带框架对接处铰接座、铰接头通过锁紧螺栓、锁紧螺母连接，铰接座、铰接头彼此接触的面之间设置有锁紧垫片，两康复腰带框架内壁还设置有可对合为跑道形状的海绵。

本发明中，通过对气动人工肌肉充气、放气实现肌肉的收缩与伸长，改变气动人工肌肉支撑单元的长度，从而改变康复腰带以及康复病人的腰部相对于站立平台的角度，完成腰部弯腰、后仰、摆动等动作。

本发明中，柔索驱动单元通过驱动电机带动卷筒改变柔索的长度，从而改变站立平台的高度以及位姿，四个柔索驱动部件相互配合带动人体下肢相对于腰部的左右、前后平动以及转动。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明装置中结构具有6个自由度，柔索驱动单元可以协助康复病人完成腰部X、Y、Z方向的平动以及Z方向上的转动，即协助康复病人完成腰部的前后、左右、上下平动以及扭腰动作；气动人工肌肉支撑单元协助康复病人完成X、Y方向上的转动以及Z方向的移动，即协助康复病人完成弯腰、后仰、左右摆动以及上下的平动；

2、本发明装置中驱动方式使用气动人工肌肉与柔索相结合的方式，充分考虑到各自的特点：气动人工肌肉外形柔顺，动作平滑，响应快，其运动更接近于自然的生物运动；柔索驱动技术具有结构简单、惯性小、质量轻、安全性高以及模块化程度高等优点，将两种驱动方式有效组合，使得本发明装置兼具两种驱动方式的特点并且具有模块化程度高、结构可调等特点；

3、本发明装置通过康复腰带以及结构的设计使得该发明装置可根据康复病人的人体差异作相应的结构调整，增加了本发明装置的适应性。并且通过气动人工肌肉支撑单元与柔索驱动单元的模块化，使得两个驱动单元可以同时工作也可以单独工作来完成患者的腰部康复训练，可通过各个单元的启动和停止按钮来控制每个单元的运行与否，康复病人可以根据自身需要作相应的运动强度和幅度的调整，从而达到更好的康复训练效果。

附图说明

图1是康复训练并联装置的整体结构示意图。

图2是气动人工肌肉支撑单元示意图。

图3是气动人工肌肉支撑单元的剖视图。

图4是柔索驱动单元示意图。

图5是定向滑轮组结构局部示意图。

图6是康复腰带局部结构示意图。

具体实施方式

如图1、图4、图5所示，一种六自由度并联腰部康复训练装置，包括有机架2，机架2由多个竖向设置的框边、连接在多个框边顶部的机架上连接板19及连接在多个框边底部的机架下连接板构成，且机架2左侧两框边下部之间、右侧两框边下部之间、后侧两框边下部之间分别水平连接有横梁，机架2下连接板上设置有站立平台5，机架2左侧、后侧、右侧的横梁上分别竖向安装有气动人工肌肉支撑单元4，左侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向左延伸出来的水平连接杆上，右侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向右延伸出来的水平连接杆上，后侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向后延伸出来的水平连接杆上，且康复腰带3悬于站立平台5上方，机架上连接板19底面安装有多组柔索驱动单元1，多组柔索驱动单元1沿环形均匀分布在机架上连接板19底面，每个柔索驱动单元1包括固定在机架上连接板19底面的驱动电机支架14，驱动电机支架14中安装有驱动电机15，驱动电机15输出轴水平设置，且驱动电机15输出轴上安装有卷筒16，卷筒16上缠绕有柔索17，机架上连接板19底面对应每个驱动电机支架14所在位置还分别安装有滑轮基座22，滑轮基座22中分别转动安装有定向滑轮组18，每个柔索17一端绕制在所缠绕的卷筒16上，另一端分别从对应的柔索驱动单元1侧面穿过，再绕过对应的定向滑轮组18后向下连接在站立平台5上。

定向滑轮组18通过开口销20及销轴23转动安装在滑轮基座22中。

如图2、图3所示，气动人工肌肉支撑单元4包括竖向设置的杆状气动人工肌肉12，气动人工肌肉12顶端套有支撑单元上套筒9，气动人工肌肉12底端套有支撑单元下套筒7，支撑单元上、下套筒9、7之间连接有套在气动人工肌肉12上的弹簧11，支撑单元上套筒9顶部安装有支撑单元球铰链8，支撑单元下套筒7底部安装有支撑单元底座6，气动人工肌肉12顶端通过气动人工肌肉上连接件10在支撑单元上套筒9顶部与支撑单元球铰链8连接，气动人工肌肉12底端通过气动人工肌肉下连接件13在支撑单元下套筒7底部与支撑单元底座6连接，且气动人工肌肉下连接件13上设置有与气动人工肌肉12内连通的进气孔，气动人工肌肉支撑单元4中，支撑单元底座6固定在机架2左侧、后侧、右侧的横梁上，支撑单元球铰链8与对应的连接杆连接。

如图6所示。康复腰带包括两个康复腰带框架，其中第一个康复腰带框架向外延伸三根连接杆分别与气动人工肌肉支撑单元连接，且第一个康复腰带框架25一端设置有铰接座，第二个康复腰带框架28一端设置有铰接头，第二个康复腰带框架28与第一个康复腰带框架25对接为跑道形状，且两康复腰带框架对接处铰接座、铰接头通过锁紧螺栓24、锁紧螺母27连接，铰接座、铰接头彼此接触的面之间设置有锁紧垫片26，两康复腰带框架内壁还设置有可对合为跑道形状的海绵。

本发明中，如图1所示，一种6自由度的并联腰部康复训练装置，包括机架2，柔索驱动单元1，气动人工肌肉支撑单元4，站立平台5以及康复腰带3，所述的站立平台5用于康复病人站立并且与均匀分布的四个柔索驱动单元1通过柔索连接，所述的站立平台5可以通过柔索17的长短升降，从而调节所述站立平台5与所述的康复腰带3的距离，并且所述的康复腰带3设有锁紧机构，所述的三组气动人工肌肉支撑单元4分别安装到所述机架2的左右侧以及后侧，并与所述的康复腰带3连接，所述的机架2是由框架以及焊接在框架上下两端的连接板组成，所述的机架下连接板上位于康复病人前方还设有人体扶手。

如图2、3所示，每个气动人工肌肉支撑单元4包括气动人工肌肉12，气动人工肌肉上端通过气动人工肌肉上连接件10与支撑单元球铰链8连接，支撑单元球铰链8通过螺栓联接安装在支撑单元上套筒9端部，气动人工肌肉12下端通过气动人工肌肉下连接件13与支撑单元底座6连接，气动人工肌肉下连接件13通过螺栓连接安装在支撑单元下套筒7端部，支撑单元上、下套筒9、7之间连接有套在气动人工肌肉12外的弹簧11，所述支撑单元球铰链8固定于康复腰带3底面，支撑单元底座6通过螺栓连接固定于机架2上。

如图4所示，每个柔索驱动单元1包括柔索驱动单元基座14、驱动电机15，卷筒16，定向滑轮组18以及柔索17，所述的驱动电机输出轴与卷筒的轴同轴连接，所述的柔索17一端绕制在所述的卷筒16上，另一端从柔索驱动单元基座14侧面的开口槽穿过，绕过定向滑轮组18后与所述的站立平台5连接，所述的定滑轮组18均匀分布通过螺纹连接在所述的机架上连接板上，所述的驱动电机15安装在电机机架14并焊接在所述的机架上连接板上。

如图5所示，所述的定向滑轮组18包括通过螺栓连接在机架上连接板19底面的滑轮基座22，所述的滑轮21通过开口销20以及销轴23安装在滑轮基座22内。

如图6所示，所述的康复腰带3包括第一个康复腰带框架25，康复腰带锁紧装置以及第二个康复腰带框架28，康复腰带锁紧装置通过锁紧螺栓24、锁紧螺母27的配合锁紧两个康复腰带框架，所述第一个康复腰带框架25与第二个康复腰带框架28之间两个配合面分别装配有锁紧垫片26，且两个康复腰带框架的内里为柔软的海绵，可满足各种体型的康复病人。

康复病人可根据自己的身材通过旋转康复腰带3的锁紧螺栓24调节康复腰带第二个康复腰带框架28的位置。

柔索驱动单元可以协助康复病人完成腰部X、Y、Z方向的平动以及Z方向上的转动，即协助康复病人完成腰部的前后、左右、上下平动以及扭腰动作。当同时按下控制四个柔索驱动单元1中驱动电机15的启动按钮后，四根均匀分布的柔索17同时伸长或缩短，完成站立平台5的升降，根据康复病人的身高调节站立平台5与康复腰带3之间的距离，也可通过控制站立平台5的升降完成对康复病人腰部在Z方向上的移动。柔索驱动单元驱动腰部完成其他动作实现形式相似，下面以实现康复病人腰部向右平动为例，同时按下右侧的两个柔索驱动单元1中驱动电机15的正转启动按钮、左侧的两个柔索驱动单元1中驱动电机15的反转启动按钮后，右侧的两根柔索17同时伸长，左侧的两根柔索17同时缩短，带动站立平台5及康复病人下肢向左侧移动，即实现腰部的相对向右平动。根据四个柔索驱动单元之间的配合使站立平台5产生不同的位姿从而使康复病人腰部完成不同的动作。

当按下气动人工肌肉支撑单元4启动按钮后，控制气压回路对气动人工肌肉12进行充气与放气实现肌肉的收缩与伸长，从而带动气动人工肌肉支撑单元4伸缩，进而通过球铰链8带动康复腰带3。三组气动人工肌肉支撑单元4协助康复病人完成X、Y方向上的转动以及Z方向的移动，即协助康复病人完成弯腰、后仰、左右摆动以及上下的平动。以协助康复病人完成弯腰动作为例，按动康复病人后侧的气动人工肌肉12启动按钮后，控制气压回路对气动人工肌肉进行充气，从而带动气动人工肌肉支撑单元4伸长，使得康复腰带3携同康复病人腰部向前倾斜，即协助康复病人完成弯腰动作。

两个驱动单元可以同时工作也可以单独工作来完成患者的腰部康复训练，可通过各个单元的启动和停止按钮来控制每个单元的运行与否，并且康复病人可以根据自身需要作相应的运动强度和幅度的调整，从而达到更好的康复训练效果。

Claims (4)

1.一种六自由度并联腰部康复训练装置，包括有机架，所述机架由多个竖向设置的框边、连接在多个框边顶部的机架上连接板及连接在多个框边底部的机架下连接板构成，且机架左侧两框边下部之间、右侧两框边下部之间、后侧两框边下部之间分别水平连接有横梁，其特征在于：所述机架下连接板上设置有站立平台，机架左侧、后侧、右侧的横梁上分别竖向安装有气动人工肌肉支撑单元，左侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向左延伸出来的水平连接杆上，右侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向右延伸出来的水平连接杆上，后侧的气动人工肌肉支撑单元顶端连接在康复腰带向后延伸出来的水平连接杆上，康复腰带悬于站立平台上方，所述机架上连接板底面安装有多组柔索驱动单元，多组柔索驱动单元沿环形均匀分布在机架上连接板底面，每个柔索驱动单元包括固定在机架上连接板底面的驱动电机支架，驱动电机支架中安装有驱动电机，驱动电机输出轴水平设置，且驱动电机输出轴上安装有卷筒，卷筒上缠绕有柔索，机架上连接板底面对应每个驱动电机支架所在位置还分别安装有滑轮基座，滑轮基座中分别转动安装有定向滑轮组，每个柔索一端绕制在所缠绕的卷筒上，另一端分别从对应的柔索驱动单元侧面穿过，再绕过对应的定向滑轮组后向下连接在站立平台上。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度并联腰部康复训练装置，其特征在于：所述定向滑轮组通过开口销及销轴转动安装在滑轮基座中。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度并联腰部康复训练装置，其特征在于：所述气动人工肌肉支撑单元包括竖向设置的杆状气动人工肌肉，气动人工肌肉顶端套有支撑单元上套筒，气动人工肌肉底端套有支撑单元下套筒，支撑单元上、下套筒之间连接有套在气动人工肌肉上的弹簧，所述支撑单元上套筒顶部安装有支撑单元球铰链，支撑单元下套筒底部安装有支撑单元底座，气动人工肌肉顶端通过气动人工肌肉上连接件在支撑单元上套筒顶部与支撑单元球铰链连接，气动人工肌肉底端通过气动人工肌肉下连接件在支撑单元下套筒底部与支撑单元底座连接，且气动人工肌肉下连接件上设置有与气动人工肌肉内连通的进气孔，气动人工肌肉支撑单元中，支撑单元底座固定在机架左侧、后侧、右侧的横梁上，支撑单元球铰链与对应的连接杆连接。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度并联腰部康复训练装置，其特征在于：所述康复腰带包括两个半环状康复腰带框架，其中第一个康复腰带框架向外延伸三根连接杆分别与气动人工肌肉支撑单元连接，且第一个康复腰带框架一端设置有铰接座，第二个康复腰带框架一端设置有铰接头，第二个康复腰带框架与第一个康复腰带框架对接为跑道形状，且两康复腰带框架对接处铰接座、铰接头通过锁紧螺栓、锁紧螺母连接，铰接座、铰接头彼此接触的面之间设置有锁紧垫片，两康复腰带框架内壁还设置有可对合为跑道形状的海绵。