CN109833600B

CN109833600B - 一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置

Info

Publication number: CN109833600B
Application number: CN201711231116.6A
Authority: CN
Inventors: 邹任玲; 黄云龙; 胡秀枋; 徐秀林
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: CN109833600A

Abstract

本发明涉及基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，包括两个复合曲柄连杆机构、脚踏板和主被动训练切换单元，通过复合曲柄连杆机构，可以将主被动训练切换单元的圆周运动与脚踏板的步态模拟运动相互转化，从而实现下肢康复训练者的主动康复训练及被动康复训练。与现有技术相比，本发明通过该复合曲柄连杆机构，可以将曲柄的圆周运动转化成二号三角形框架的D顶点的模拟步态运动，且模拟步态运动的轨迹最符合人走路时的步态轨迹；另外，本装置设有主动康复训练和被动康复训练两种模式，训练效果更全面。

Description

一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，具体涉及一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置。

背景技术

脑卒中和脑损伤的最常见后遗症之一是肢体功能障碍，此类病人由于长期卧床会导致肌肉萎缩，给疾病的恢复和日后的康复带来阻碍。前期的运动被动训练和后期的主动训练能保持和恢复病人的关节运动幅度，有利于恢复肢体的主要运动功能，提高病人的日常生活能力。目前市场的下肢康复训练装置主要产品有多关节牵引式下肢康复装置和末端牵引式康复装置两种：多关节牵引式下肢康复装置可以实现单关节训练和多关节协调训练，运动轨迹在工作空间内可自由编程，多关节牵引式下肢康复装置对步态轨迹的模拟准确度高，但是机器结构复杂，成本高昂，不利于惠及广大病患；末端牵引式康复装置对末端运动轨迹进行一定程度的模拟，代表性产品有史帝飞公司生产的Steel Flex XE-3700型椭圆机，乔山公司生产的JOHNSON MX-E5X型椭圆机等。这些装置以脚踝为转动点，运动轨迹为椭圆，不能准确模拟人行走时的步态轨迹和关节特征，会对关节产生冲击，也使对肌肉产生过度拉伸，治疗效果差，对病人也造成很大的危害。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种康复效果更逼真的基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，该康复训练装置包括：

两个复合曲柄连杆机构：每一个复合曲柄连杆机构包括曲柄、两个三角形框架以及通过转轴与两个三角形框架及曲柄连接的多根连杆，其中，一号三角形框架的A顶点与曲柄的G端通过一号连杆连接，一号三角形框架的B顶点通过三号连杆与二号三角形框架的C顶点连接，一号三角形框架的F顶点通过四号连杆与二号三角形框架的E顶点连接，二号三角形框架的E顶点通过二号连杆与曲柄的G端连接，其中，所述一号三角形框架的A顶点高于一号三角形框架的B顶点和F顶点，二号三角形框架的D顶点低于二号三角形框架的C顶点和E顶点，所述曲柄以O端为圆心做圆周运动，两个复合曲柄连杆机构中一号三角形框架的F顶点与连接轴的两端轴接；

脚踏板：与每个复合曲柄连杆机构中二号三角形框架的D顶点轴接；

主被动训练切换单元：与两个复合曲柄连杆机构的曲柄的O端连接，用于驱动所述曲柄绕着O端旋转实现被动康复训练；或者用于给予两个复合曲柄连杆机构的曲柄旋转的阻力以实现被动康复训练。本发明通过复合曲柄连杆机构，可以将主被动训练切换单元的圆周运动与脚踏板的步态模拟运动相互转化，从而实现下肢康复训练者的主动康复训练及被动康复训练。

所述的主被动训练切换单元包括与曲柄的O端连接的传动轮、与传动轮通过皮带连接的皮带轮、穿过皮带轮中央并与皮带轮共同旋转的转轴、设置在转轴两端的主动电磁离合器和被动电磁离合器、通过齿轮组与主动电磁离合器连接的电磁阻尼器以及通过齿轮组与被动电磁离合器连接的减速电机，所述主动电磁离合器和被动电磁离合器无法同时与转轴啮合。本发明的工作原理如下：当主动电磁离合器与转轴的一端啮合时，主动康复训练开启，康复训练者的双脚踩在脚踏板上并通过行走的方式带动脚踏板按照步态模拟的轨迹运动，并通过复合曲柄连杆机构的传动，使得传动轮旋转，通过皮带带动皮带轮转动，然后通过转轴、主动电磁离合器和齿轮组将力传动给电磁阻尼器，因此，康复训练者的行走会受到较大的阻力，从而使得腿部的肌肉得到锻炼，实现主动康复训练。当被动电磁离合器与转轴的一端啮合时，被动康复训练开启，步进电机的转动依次通过齿轮组、被动电磁离合器、转轴、皮带轮、皮带带动传动轮转动，然后通过复合曲柄连杆机构的传递，使得脚踏板呈步态模拟轨迹运动，从而带动站在脚踏板上的康复训练者进行走路的模拟，实现被动康复训练。

所述的两个复合曲柄连杆机构的曲柄的O端与传动轮的圆心轴接，且两个曲柄呈180°分布。

所述的齿轮组包括至少两个相互啮合的齿轮，这样传动距较长，传动更平稳且易于控制。

所述的一号三角形框架的一号边、二号边、三号边与曲柄的长度比为(5～5.3)：(4～4.2)：(3.7～4)：1，所述二号三角形框架的一号边、二号边、三号边与曲柄的长度比为(6.4～7.2)：(5.2～5.5)：(3.8～4)：1，所述一号连杆、二号连杆、三号连杆、四号连杆与曲柄的长度比为(4.5～5)：(7～7.5)：(4.5～4.8)：(4.3～4.5)：1，通过计算机模拟后发现，在满足上述长度比例的复合曲柄连杆机构，其最终二号三角形框架的D顶点的模拟步态运动的轨迹最符合人走路时的步态轨迹。

所述曲柄的长度与下肢康复训练者的身高之比为1：(2.9～3)，在该比例下，下肢康复训练者双脚的摆动幅度与正常人走路的幅度相近，模拟轨迹更真实，康复训练的效果也更好。

所述的二号三角形框架的D顶点处设有用于控制脚踏板绕着D顶点旋转的步进电机，通过在D顶点设置步进电机，使得下肢康复训练者的脚可以绕着脚踝转动，与走路的轨迹更加接近。

所述的脚踏板包括与二号三角形框架的D顶点连接的前部、与前部通过圆形光杆连接的后部以及设置在前部和后部边缘的凸起，所述后部的底部设有用于插设圆形光杆的孔道，所述孔道上设有一个销孔，所述圆形光杆上设有多个定位孔，一根定位销穿过销孔和定位孔将后部与圆形光杆固定连接，通过该设置，可以调节脚踏板的长度，使之与康复训练者的脚更加贴合。

所述的二号三角形框架的D顶点处设有两个通孔，并在两个通孔中穿有用于绑住下肢康复训练者脚踝的绷带。

所述的康复训练装置包括底座、支架和扶手，所述主被动训练切换单元与支架固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)通过该复合曲柄连杆机构，可以将曲柄的圆周运动转化成二号三角形框架的D顶点的模拟步态运动，且模拟步态运动的轨迹最符合人走路时的步态轨迹；

(2)根据下肢康复训练者的身高，改变曲柄的长度，使下肢康复训练者双脚的摆动幅度与正常人走路的幅度相近，模拟轨迹更真实，康复训练的效果也更好；

(3)本装置设有主动康复训练和被动康复训练两种模式，训练效果更全面。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明复合曲柄连杆机构的结构示意图；

图4为实施例1中曲柄连杆机构的运动轨迹示意图；

图5为本发明主被动训练切换单元的结构示意图；

图6为本发明脚踏板的结构示意图；

图7为实施例2中曲柄连杆机构的运动轨迹示意图；

图8为实施例3中曲柄连杆机构的运动轨迹示意图.

其中，1为复合曲柄连杆机构，11为通孔，2为脚踏板，21为前部，22为圆形光杆，23为后部，24为凸起，25为销孔，26为定位销，27为定位孔，3为主被动训练切换单元，31为传动轮，32为皮带，33为皮带轮，34为转轴，35为主动电磁离合器，36为被动电磁离合器，37a、37b为齿轮组，38为电磁阻尼器，39为减速电机，4为步进电机，5为底座，6为支架，7为扶手，8为连接轴，OG为曲柄，AB为一号三角形框架的一号边，AF为一号三角形框架的二号边，BF为一号三角形框架的三号边，CD为二号三角形框架的一号边，DE为二号三角形框架的二号边，CE为二号三角形框架的三号边，AG为一号连杆，EG为二号连杆，BC为三号连杆，EF为四号连杆。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种基于复合曲柄连杆机构1的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，该康复训练装置包括两个复合曲柄连杆机构1、脚踏板2、主被动训练切换单元3、底座5、支架6和扶手7，其外部结构如图1所示。

其中，每一个复合曲柄连杆机构1包括曲柄OG、两个三角形框架以及通过转轴与两个三角形框架及曲柄OG连接的多根连杆，其中，一号三角形框架的A顶点与曲柄OG的G端通过一号连杆AG连接，一号三角形框架的B顶点通过三号连杆BC与二号三角形框架的C顶点连接，一号三角形框架的F顶点通过四号连杆EF与二号三角形框架的E顶点连接，二号三角形框架的E顶点通过二号连杆EG与曲柄OG的G端连接，其中，一号三角形框架的A顶点高于一号三角形框架的B顶点和F顶点，二号三角形框架的D顶点低于二号三角形框架的C顶点和E顶点，曲柄OG以O端为圆心做圆周运动，两个复合曲柄连杆机构1中一号三角形框架的F顶点与连接轴8的两端轴接，如图2、图3所示；其中，本实施例中各连杆长度、三角形框架边长、曲柄长度及下肢康复训练者的身高如表1所示。

线段	长度(cm)	线段	长度(cm)
				身高	175	DE	327.2
OG	59.7	CE	220
				AB	310.5	AG	290.5
AF	248.2	EG	430.3
				BF	229.1	BC	269
CD	422.36	EF	261.5

经计算机模拟，采用上述长度的复合曲柄连杆机构，其模拟步态轨迹如图4所示，从中我们可以发现，该轨迹与正常人走路使得步态轨迹非常接近。

脚踏板2：与每个复合曲柄连杆机构1中二号三角形框架的D顶点轴接，脚踏板2的结构如图6所示，包括与二号三角形框架的D顶点连接的前部21、与前部通过圆形光杆22连接的后部23以及设置在前部21和后部23边缘的凸起24，后部23的底部设有用于插设圆形光杆22的孔道，孔道上设有一个销孔25，圆形光杆22上设有多个定位孔27，一根定位销26穿过销孔25和定位孔27将后部23与圆形光杆22固定连接，通过该设置，可以调节脚踏板2的长度，使之与康复训练者的脚更加贴合。

主被动训练切换单元3：与两个复合曲柄连杆机构1的曲柄的O端连接，用于驱动曲柄绕着O端旋转实现被动康复训练；或者用于给予两个复合曲柄连杆机构1的曲柄旋转的阻力以实现被动康复训练。本发明通过复合曲柄连杆机构1，可以将主被动训练切换单元3的圆周运动与脚踏板2的步态模拟运动相互转化，从而实现下肢康复训练者的主动康复训练及被动康复训练。

主被动训练切换单元3的结构如图5所示，包括与曲柄的O端连接的传动轮31、与传动轮31通过皮带32连接的皮带轮33、穿过皮带轮33中央并与皮带轮33共同旋转的转轴34、设置在转轴34两端的主动电磁离合器35和被动电磁离合器36、通过齿轮组与主动电磁离合器35连接的电磁阻尼器38以及通过齿轮组与被动电磁离合器36连接的减速电机39，主动电磁离合器35和被动电磁离合器36无法同时与转轴啮合，其中，传动轮31和皮带32显示在图2中；

当主动电磁离合器35与转轴34的一端啮合时，主动康复训练开启，康复训练者的双脚踩在脚踏板2上并通过行走的方式带动脚踏板2按照步态模拟的轨迹运动，并通过复合曲柄连杆机构1的传动，使得传动轮31旋转，通过皮带32带动皮带轮33转动，然后通过转轴34、主动电磁离合器35和齿轮组将力传动给电磁阻尼器38，因此，康复训练者的行走会受到较大的阻力，从而使得腿部的肌肉得到锻炼，实现主动康复训练。当被动电磁离合器36与转轴的一端啮合时，被动康复训练开启，步进电机4的转动依次通过齿轮组、被动电磁离合器36、转轴34、皮带轮33、皮带32带动传动轮31转动，然后通过复合曲柄连杆机构1的传递，使得脚踏板2呈步态模拟轨迹运动，从而带动站在脚踏板2上的康复训练者进行走路的模拟，实现被动康复训练。

二号三角形框架的D顶点处设有用于控制脚踏板2绕着D顶点旋转的步进电机4，通过在D顶点设置步进电机4，使得下肢康复训练者的脚可以绕着脚踝转动，与走路的轨迹更加接近。

二号三角形框架的D顶点处设有两个通孔，并在两个通孔中穿有用于绑住下肢康复训练者脚踝的绷带。

实施例2

采用与实施例1相同的下肢康复训练装置结构，不同之处在于：

本实施例中各连杆长度、三角形框架边长、曲柄长度及下肢康复训练者的身高如表2所示。

经计算机模拟，采用上述长度的复合曲柄连杆机构，其模拟步态轨迹如图7所示，从中我们可以发现，该轨迹与正常人走路使得步态轨迹较为接近。

实施例3

本实施例中各连杆长度、三角形框架边长、曲柄长度及下肢康复训练者的身高如表3所示。

线段	长度(cm)	线段	长度(cm)
				身高	175	DE	320.82
OG	58.33	CE	233.32
				AB	309.15	AG	291.65
AF	245	EG	437.48
				BF	215.82	BC	279.98
CD	419.98	EF	262.49

经计算机模拟，采用上述长度的复合曲柄连杆机构，其模拟步态轨迹如图8所示，从中我们可以发现，该轨迹与正常人走路使得步态轨迹较为接近。

Claims

1.一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，该康复训练装置包括：

两个复合曲柄连杆机构(1)：每一个复合曲柄连杆机构包括曲柄(OG)、两个三角形框架以及通过转轴与两个三角形框架及曲柄连接的多根连杆，其中，一号三角形框架的A顶点与曲柄(OG)的G端通过一号连杆(AG)连接，一号三角形框架的B顶点通过三号连杆(BC)与二号三角形框架的C顶点连接，一号三角形框架的F顶点通过四号连杆(EF)与二号三角形框架的E顶点连接，二号三角形框架的E顶点通过二号连杆(EG)与曲柄(OG)的G端连接，其中，所述一号三角形框架的A顶点高于一号三角形框架的B顶点和F顶点，二号三角形框架的D顶点低于二号三角形框架的C顶点和E顶点，所述曲柄(OG)以O端为圆心做圆周运动，两个复合曲柄连杆机构中一号三角形框架的F顶点与连接轴(8)的两端轴接；

脚踏板(2)：与每个复合曲柄连杆机构中二号三角形框架的D顶点轴接；

主被动训练切换单元(3)：与两个复合曲柄连杆机构的曲柄(OG)的O端连接，用于驱动所述曲柄(OG)绕着O端旋转实现被动康复训练；或者用于给予两个复合曲柄连杆机构的曲柄(OG)旋转的阻力以实现被动康复训练。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的主被动训练切换单元(3)包括与曲柄(OG)的O端连接的传动轮(31)、与传动轮(31)通过皮带(32)连接的皮带轮(33)、穿过皮带轮(33)中央并与皮带轮(33)共同旋转的转轴(34)、设置在转轴(34)两端的主动电磁离合器(35)和被动电磁离合器(36)、通过齿轮组(37a)与主动电磁离合器(35)连接的电磁阻尼器(38)以及通过齿轮组(37b)与被动电磁离合器(36)连接的减速电机(39)，所述主动电磁离合器(35)和被动电磁离合器(36)无法同时与转轴(34)啮合。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的两个复合曲柄连杆机构的曲柄(OG)的O端与传动轮(31)的圆心轴接，且两个曲柄(OG)呈180°分布。

4.根据权利要求2所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的齿轮组(37a、37b)包括至少两个相互啮合的齿轮。

5.根据权利要求1所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的一号三角形框架的一号边(AB)、二号边(AF)、三号边(BF)与曲柄(OG)的长度比为(5～5.3)：(4～4.2)：(3.7～4)：1，所述二号三角形框架的一号边(CD)、二号边(DE)、三号边(CE)与曲柄(OG)的长度比为(6.4～7.2)：(5.2～5.5)：(3.8～4)：1，所述一号连杆(AG)、二号连杆(EG)、三号连杆(BC)、四号连杆(EF)与曲柄(OG)的长度比为(4.5～5)：(7～7.5)：(4.5～4.8)：(4.3～4.5)：1。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述曲柄(OG)的长度与下肢康复训练者的身高之比为1：(2.9～3)。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的二号三角形框架的D顶点处设有用于控制脚踏板(2)绕着D顶点旋转的步进电机(4)。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的脚踏板(2)包括与二号三角形框架的D顶点连接的前部(21)、与前部(21)通过圆形光杆(22)连接的后部(23)以及设置在前部(21)和后部(23)边缘的凸起(24)，所述后部(23)的底部设有用于插设圆形光杆(22)的孔道，所述孔道上设有一个销孔(25)，所述圆形光杆(22)上设有多个定位孔(27)，一根定位销(26)穿过销孔(25)和定位孔(27)将后部(23)与圆形光杆(22)固定连接。

9.根据权利要求1所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的二号三角形框架的D顶点处设有两个通孔(11)，并在两个通孔(11)中穿有用于绑住下肢康复训练者脚踝的绷带。

10.根据权利要求1所述的一种基于复合曲柄连杆机构的步态模拟下肢康复训练装置，其特征在于，所述的康复训练装置包括底座(5)、支架(6)和扶手(7)，所述主被动训练切换单元(3)与支架(6)固定连接。