CN110192964B - 一种踏板式步态康复机器人足部运动装置 - Google Patents

Abstract

针对现有足部驱动步态康复机器人存在的不足，本发明提供一种踏板式步态康复机器人足部运动装置，包括底座、横向导轨、两组左右对称的踏板运动机构、步宽调节连杆和步宽调节丝杆。本发明采用并联驱动方式，结构简单负载能力强，能够在零减重的状态下工作，与现有的踏板式下肢康复机器人相比结构精巧，多自由度，可同时相互协调工作，可以根据病人的情况进行步宽、背屈‑跖屈运动角度以及足部上下高度的任意调节，利用本发明，可根据患者的状况控制伺服电机的运动，从而生成康复所需的任意步态运动轨迹；可以适应不同康复进程、不同减重方案的患者进行康复训练。适用人群广，领先于现有的固定轨迹的踏板机器人。

Description

一种踏板式步态康复机器人足部运动装置

技术领域

本发明属于医疗康复器械技术领域，具体涉及一种踏板式步态康复机器人足部运动装置。

背景技术

随着我国人口老龄化进程的加快，脑卒中、脊髓损伤、帕金森症等神经***疾病的患病人数不断升高。另外，由于汽车的普及，交通事故的增多、运动性损伤的渐增，以及其他一些致伤、致残等因素引起的神经受损或肢体损伤的人数不断上升，因此，我国由于各种原因造成的步态异常的病患数量非常惊人，患者迫切需要得到有效的治疗。除手术或药物治疗，还需要合理的康复训练来帮助患者恢复步行运动功能。传统的人工步行康复训练存在诸多问题，如：治疗师劳动强度大；训练的效果过于依赖治疗师的经验和水平；难以保证患者获得足够的训练强度和训练周期等。步态康复机器人克服传统人工康复训练的缺点，是针对运动神经***疾病引起的步态异常患者进行步态康复训练的有效手段。步态康复机器人主要有腿部驱动式和足部驱动式两种机构形式。腿部驱动式步态康复机器人通常采用外骨骼形式，其局限性在于机械关节的自由度比实际人体关节少，不能准确复现正常步态中的关节运动。足部驱动式步态康复训练机器人是通过运动踏板带动患者的双足进行运动，进而连带患者的大、小腿产生运动。但是，现有的足部驱动式下肢康复机器人中，通常采用固定的机构实现类椭圆的运动轨迹，不能根据患者的身体需要灵活的调整足部运动轨迹，因此灵活性不够，难以达到理想的康复效果。

经对现有专利文献的检索发现，中国专利号201110103102.2公开了“一种步态康复训练机器人”，该机器人通过小链轮、大链轮和双排板式链构成板式链循环运转机构，来拟合人体下肢行走的封闭曲线轨迹。中国专利号201511033068.0公开了“踏步装置及具有该装置的步态康复训练机器人”，通过电机轮的转动带动推拉杆的另一端在滑道板上往复滑动，实现踏板的滑动和升降运动。中国专利号201210277695 .9公开了“一种通过绑缚脚与小腿带动人进行步态训练的装置”通过曲柄摇杆机构和连杆机构合成产生了一种上部为圆弧一部分，下部是近似直线的轨迹。这些足底驱动式步态康复机器人所生成足部轨迹过于简单，与正常人体步态差距很大，且不能根据训练者的病情和康复进程进行调整。

发明内容

针对现有足部驱动步态康复机器人存在的不足，本发明提出了一种踏板式步态康复机器人足部运动装置，本发明可根据患者的状况控制伺服电机的运动，从而生成康复所需的任意步态运动轨迹。同时，本发明提供的足部运动装置采用并联驱动方式，结构简单负载能力强，能够在零减重的状态下工作，能适应不同康复进程、不同减重方案的患者进行康复训练。另外，本发明采用伺服驱动还能实现患者主动的训练模式。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种踏板式步态康复机器人足部运动装置，包括底座及对称设置在底座顶部左、右两侧的两组踏板机构，底座与两组踏板机构通过设置在底座顶部的多条横向导轨滑动连接，横向导轨与踏板机构间垂直设置，两组踏板机构的前端通过步宽调节丝杠相连，两组踏板机构之间还设置有步宽调节连杆，步宽调节连杆的两端分别与两组踏板机构的底端铰接，步宽调节连杆的中间位置处通过销轴与底座的顶端铰接，通过旋转步宽调节丝杆使两组踏板运动机构做相向或相背运动，从而对两组踏板机构之间的距离进行调节。

进一步的，所述的踏板机构包括大滑座、第一纵向导轨、滑板、同步带轮、同步带、第一铰座、第二铰座、第三铰座、第一连杆、第二连杆、第三连杆、踏板、第二伺服电机丝杠、第三伺服电机丝杠、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第一伺服减速器、第二伺服减速器以及第三伺服减速器，大滑座的前、后两端均安装有所述的同步带轮，两个同步带轮的外侧共同绕设有所述的同步带，第一伺服电机通过第一伺服减速器与其中一个同步带轮相连，第一纵向导轨设置在大滑座的顶部，滑板滑动设置在第一纵向导轨上，滑板的底部与同步带的上沿固定连接，滑板可在同步带的带动下沿第一纵向导轨滑动；

所述的第一铰座、第二铰座、第三铰座、第二伺服电机丝杠以及第三伺服电机丝杠均设置在滑板的顶部，其中，第二伺服电机、第三伺服电机以及第二铰座均固设在滑板的顶部，且第二伺服电机和第三伺服电机对称设置在第二铰座的两侧，第一铰座和第三铰座分别安装在第二伺服电机丝杠和第三伺服电机丝杠上；第一铰座、第二铰座和第三铰座分别与第一连杆、第二连杆、第三连杆的一端铰接，第一连杆、第二连杆、第三连杆三者的另一端均与踏板的底端铰接，且第一连杆和第二连杆两者与踏板的铰接点同轴。

进一步的，所述滑板的顶部设置有铰座导轨，第一铰座和第三铰座均滑动设置在铰座导轨上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.满足不同人群对于个性化康复训练的需求，康复理疗师可以预先设定相对精确的运动轨迹，大大提高患者康复的疗效；2.本设计可以根据人体下肢的六个关节的运动自由度进行特殊的模拟康复训练；3.采用伺服电机，可以对康复过程中的速度与输出力矩进行相对精确的控制；4.通过精巧的设计，用简单的机构实现复杂的运动，降低了***制造难度；5.本设计大量采用标准件便于制造与后期检修保养，同时产品稳定性较高；6.产品体积相对紧凑，不会占用大量空间。

附图说明

图1为一种踏板式步态康复机器人足部运动装置的整体结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1在另一个角度下的结构示意图；

图中标记：1、滑板；2、第二铰座；3、第一铰座；4、底座；5、第一伺服电机； 6、大滑座；7、步宽调节丝杆； 8、同步带；9、第一伺服减速器；10、同步带轮；11、第二伺服电机；12、第二伺服减速器；13、第二伺服电机丝杠；14、第一连杆；15、第二连杆；16、踏板；17、第三连杆；18、第三铰座；19、第三伺服电机丝杠；20、第三伺服减速；21、第三伺服电机； 22、铰座导轨；23、第一纵向导轨；24、横向导轨；25、步宽调节连杆。

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，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。

一种踏板式步态康复机器人足部运动装置，如图1至图3所示，本发明提出的踏板式步态康复机器人足部运动机构包括底座4、横向导轨24、两组左右对称的踏板运动机构、步宽调节连杆25以及步宽调节丝杆7，其中右足踏板运动机构和左足踏板运动机构结构相同，相互对称。

如图1所示，以右足踏板运动机构为例，踏板运动机构包括大滑座6、第一纵向导轨23、铰座导轨22、滑板1、同步带轮10、同步带8、第一铰座3、第二铰座2、第三铰座18、第一连杆14、第二连杆15、第三连杆17、踏板16、第二伺服电机丝杠13、第三伺服电机丝杠19、第一伺服电机5、第二伺服电机11、第三伺服电机21、第一伺服减速器9、第二伺服减速器12以及第三伺服减速器20，大滑座6设置在底座4的横向导轨24上，可沿导轨横向运动。在大滑座6的前后两端安装有同步带轮10，同步带轮10上装有同步带8，第一伺服电机5通过第一伺服减速器9将运动传递给前端的同步带轮10，带动同步带8转动。第一纵向导轨23固定在大滑座6上，其上安装有滑板1，滑板1与同步带8的上沿固定连接，滑板1可在同步带8的带动下沿纵向导轨滑动。

如图2所示，滑板1顶部安装有第二电机座、第三电机座、第一铰座3、第二铰座2、第三铰座18及铰座导轨22，其中第一铰座3和第三铰座18设置在滑板的铰座导轨22上，第二铰座2固定在滑板1上。第一铰座3、第二铰座2和第三铰座18分别与第一连杆14、第二连杆15、第三连杆17的一端铰接，第一连杆14、第二连杆15、第三连杆17的另一端与踏板16铰接，其中第一连杆14、第二连杆15与踏板16的铰接点同轴。

如图2所示，第一连杆14和第二连杆15通过同轴铰接点和第一铰座3、第二铰座2以及滑板1的上端面构成等腰三角形的结构。第二连杆15、第三连杆17和踏板16通过两个铰接点和第二铰座2第三铰座18构成第一个四边形结构。第一连杆14、第三连杆17、滑板1面和踏板16构成第二个四边形结构。其中在踏板面与滑板面平行时，第一个四边形结构为平行四边形，第二个四边形结构为等腰梯形。

如图2所示，第二电机座和第三电机座上分别安装有第二伺服电机11和第三伺服电机21，第二伺服电机丝杠13和第三伺服电机丝杠19分别安装在第二伺服电机11和第三伺服电机21的减速器传动轴上。第一铰座和第三铰座的内孔螺纹分别与第二伺服电机丝杠13和第三伺服电机丝杠19配合。第二伺服电机11和第三伺服电机21通过各自的伺服减速器将运动传递给自己前端的伺服电机丝杠，丝杠的转动分别带动第一铰座3和第三铰座18沿铰座导轨22上运动，从而分别带动第一连杆14和第三连杆17的一端运动，通过机构的结合实现踏板的上下与背屈-跖屈运动。

如图3所示, 大滑座6在步宽调节连杆25的约束下，通过旋转步宽调节丝杆7，两组踏板运动机构可同步靠近或远离，从而调节踏板之间的距离来适应不同体型训练者的步宽，此处，步宽调节丝杆7的左右两端螺纹对称，并在两组踏板运动机构内均设置相同的丝杠螺母，从而实现两组踏板运动机构同步做相向或相背运动，从而对两组踏板机构之间的距离进行调节。

本发明提供的踏板式下肢康复机器人足部运动装置所能实现的足部运动可以分解为三个方向的运动：前后方向的运动、上下方向的运动和背屈-跖屈运动，其中前后方向的运动为独立运动，上下方向的运动与背屈-跖屈运动耦合。下面分别说明这三个运动的实现方式：

1足部前后的运动：

第一伺服电机5通过第一伺服减速器9将运动传递给前端的同步带轮10，带动同步8带转动，滑板1可在同步带8的带动下沿第一纵向导轨23滑动，从而带动足部实现前后运动。

2足部的上下运动：

第二伺服电机11通过第二伺服减速器12将动力传递给前端的第二伺服电机丝杠13，进而带动第一铰座3沿滑板1上的铰座导轨22运动，从而改变第一铰座3与第二铰座2之间的距离，在第一连杆14和第二连杆15的作用下改变踏板的高度，实现足部上下方向的运动。需要说明的是，足部上下运动与背屈-跖屈运动相耦合，即，上下方向的运动会带来踏板角度的改变，因此需要控制***进行协调控制。

和第三伺服电机21分别和第三伺服减速器20将动力传递给前端的第三伺服电机丝杠，进而带动第一铰座3和第三铰座18沿滑板1上的铰座导轨22运动，当第一铰座3和第三铰座18运动方向相反时，带动第一连杆14和第三连杆17下端相反运动，改变第一连杆14和第三连杆17与滑板面的夹角，从而改变踏板的高度，实现足部的上下运动；

3背屈-跖屈运动

当第一铰座3静止时，第三伺服电机21通过第三伺服减速器20将动力传递给丝杠19，进而带动第三铰座18沿滑板1上的铰座导轨22运动，并通过第三连杆17驱动踏板16摆动，实现足部的背屈-跖屈运动。

本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，所做出的变形和修改，并不影响本发明的实质内容，均在本发明专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种踏板式步态康复机器人足部运动装置，其特征在于：包括底座（4）及对称设置在底座（4）顶部左、右两侧的两组踏板机构，底座（4）与两组踏板机构通过设置在底座（4）顶部的多条横向导轨（24）滑动连接，横向导轨（24）与踏板机构间垂直设置，两组踏板机构的前端通过步宽调节丝杠（7）相连，两组踏板机构之间还设置有步宽调节连杆（25），步宽调节连杆（25）的两端分别与两组踏板机构的底端铰接，步宽调节连杆（25）的中间位置处通过销轴与底座（4）的顶端铰接，通过旋转步宽调节丝杆（7）使两组踏板运动机构做相向或相背运动，从而对两组踏板机构之间的距离进行调节；

所述的踏板机构包括大滑座（6）、第一纵向导轨（23）、滑板（1）、同步带轮（10）、同步带（8）、第一铰座（3）、第二铰座（2）、第三铰座（18）、第一连杆（14）、第二连杆（15）、第三连杆（17）、踏板（16）、第二伺服电机丝杠（13）、第三伺服电机丝杠（19）、第一伺服电机（5）、第二伺服电机（11）、第三伺服电机（21）、第一伺服减速器（9）、第二伺服减速器（12）以及第三伺服减速器（20），大滑座（6）的前、后两端均安装有所述的同步带轮（10），两个同步带轮（10）的外侧共同绕设有所述的同步带（8），第一伺服电机（5）通过第一伺服减速器（9）与其中一个同步带轮（10）相连，第一纵向导轨（23）设置在大滑座（6）的顶部，滑板（1）滑动设置在第一纵向导轨（23）上，滑板（1）的底部与同步带（8）的上沿固定连接，滑板（1）可在同步带（8）的带动下沿第一纵向导轨（23）滑动；

所述的第一铰座（3）、第二铰座（2）、第三铰座（18）、第二伺服电机丝杠（13）以及第三伺服电机丝杠（19）均设置在滑板（1）的顶部，其中，第二伺服电机（11）、第三伺服电机（21）以及第二铰座（2）均固设在滑板（1）的顶部，且第二伺服电机（11）和第三伺服电机（21）对称设置在第二铰座（2）的两侧，第一铰座（3）和第三铰座（18）分别安装在第二伺服电机丝杠（13）和第三伺服电机丝杠（19）上；第一铰座（3）、第二铰座（2）和第三铰座（18）分别与第一连杆（14）、第二连杆（15）、第三连杆（17）的一端铰接，第一连杆（14）、第二连杆（15）、第三连杆（17）三者的另一端均与踏板（16）的底端铰接，且第一连杆（14）和第二连杆（15）两者与踏板（16）的铰接点同轴。

2.根据权利要求1所述的一种踏板式步态康复机器人足部运动装置，其特征在于：所述滑板（1）的顶部设置有铰座导轨（22），第一铰座（3）和第三铰座（18）均滑动设置在铰座导轨（22）上。

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