CN110812130A - 一种骨盆辅助步行康复训练机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种骨盆辅助步行康复训练机器人：包括辅助跑台、变刚度驱动单元及骨盆运动辅助***；辅助跑台设有竖向设置的竖向滑轨，变刚度驱动单元可滑动连接于竖向滑轨；骨盆运动辅助***包括支撑板，支撑板设有固定块，支撑板的两端设有扶手，支撑板还连接腰带，固定块与支撑板之间设有弹性装置及旋转限位装置；变刚度驱动单元包括传动轴，传动轴连接固定块、用于驱动传动轴旋转的旋转动力结构、用于驱动传动轴弹性横移的水平限定机构；变刚度驱动单元还连接用于对患者减重的主动减重***。本发明的减重部位处于腰部，骨盆运动辅助***可对患者腰部进行四个自由度的康复运动，当患者进行坐‑站转换训练时，还能够对患者实现助力。

Description

一种骨盆辅助步行康复训练机器人
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种骨盆辅助步行康复训练机器人。
背景技术
目前针对下肢康复机器人的设计大部分都通过修正腿部步行动作来完成步态训练，部分通过外骨骼的方式对下肢进行约束以及驱动，而且对人体训练过程的减重基本都采用上悬吊的方案，缺乏对人体骨盆或腰部运动的控制，在这种方案下人体上半身受到向上的拉力以及下半身自身的重力，从而腰部附近将会形成僵直状态，导致步行训练时人体骨盆（腰部）和髋膝关节的运动异常，这对于因腰部及脊柱损伤引起下肢功能障碍的患者来说是不利的。目前有研究学者利用并联绳驱动的形式控制人体的腰部运动，如专利号为201110027352.2绳驱动腰部康复机器人采用一套重力平衡单元和多根牵引绳协调动作，再现康复病人在站立步行情况下的正常人骨盆运动轨迹，达到腰部的有效康复训练。但是需要至少六条牵引绳，驱动与穿戴复杂，控制难度大。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种骨盆辅助步行康复训练机器人，解决现有辅助步行康复训练缺乏人体腰部运动控制，或绳驱动多绳索难以控制、穿戴不便等问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种骨盆辅助步行康复训练机器人，包括辅助跑台、变刚度驱动单元及骨盆运动辅助***；
所述辅助跑台设有竖向设置的竖向滑轨，所述变刚度驱动单元可滑动连接于竖向滑轨；
所述骨盆运动辅助***包括支撑板，所述支撑板设有可水平旋转的固定块，所述支撑板的两端设有扶手，所述支撑板还连接腰带，所述固定块与支撑板之间设有弹性装置及旋转限位装置；
所述变刚度驱动单元包括传动轴，所述传动轴连接固定块、用于驱动传动轴旋转的旋转动力结构、用于驱动传动轴弹性横移的水平限定机构；
所述变刚度驱动单元还连接用于对患者减重的主动减重***。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，所述主动减重***包括绕绳电机，所述绕绳电机通过绳索连接变刚度驱动单元，所述绳索还穿过连接于竖向滑轨上端的上滑轮，所述上滑轮连接竖向弹簧。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，所述上滑轮连接于承重块，所述承重块可滑动连接于内导柱，所述内导柱套接有竖向弹簧，所述竖向弹簧上端连接承重块、下端固定连接于下挡块。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，所述变刚度驱动单元还包括过渡支撑、电机、电动缸、水平动杆及侧板，所述侧板通过线性滑块连接于竖向滑轨，所述水平动杆通过水平滑块连接于侧板，所述过渡支撑连接驱动传动轴及水平动杆，所述电动缸用于驱动过渡支撑、水平动杆沿着水平滑块滑动，所述电机用于驱动传动轴转动。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，所述电机连接于过渡支撑，所述电机通过同步带驱动传动轴旋转。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，还包括辅助屈膝机构，所述辅助屈膝机构包括依次连接的十字万向节、连杆、弹性体，所述十字万向节上端连接于支撑板，所述十字万向节还设有用于驱动连杆摆动的屈膝电机。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人：还包括助力坐起机构，所述助力坐起机构包括托板支撑杆及托板，所述托板支撑杆上端连接骨盆运动辅助***，所述托板支撑杆设有滑槽，所述托板可滑动连接于滑槽，所述托板支撑杆可旋转连接于骨盆运动辅助***。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人：所述托板支撑杆与骨盆运动辅助***之间还设有坐起电动缸。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，所述传动轴还连接扭矩传感器及下力传感器。
作为本发明的一种优选方案，前述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，所述上滑轮与承重块之间还设有上力传感器。
本发明所达到的有益效果：
相对于现有技术，本发明的减重部位处于腰部，避免提拉患者上身，使患者被迫处于僵直状态，主动减重***能够减小患者的下肢及腰部的承载力，并且该承载力可进行调节。
本发明可对患者腰部进行四个自由度的康复运动，辅助患者步行康复训练时骨盆的运动控制，达到腰部的有效康复训练，当患者进行坐-立位转换训练时，主动减重***、助力坐起机构和辅助屈膝机构等还能够对患者实现助力。
附图说明
图1是本发明整体结构图；
图2是本发明骨盆运动辅助***结构图；
图3是本发明变刚度驱动单元结构图；
图4是本发明变刚度驱动单元结构图（隐藏一个侧板）；
图5是本发明主动减重***结构图；
图6是本发明辅助跑台结构图；
图7是本发明辅助屈膝机构图；
图8是本发明助力坐起机构结构图；
附图标记的含义：1-人体模型；2-骨盆运动辅助***；3-变刚度驱动单元；4-主动减重***；5-辅助跑台；6-辅助屈膝机构；7-助力起坐机构；2-1-扶手；2-2-连接杆；2-3-腰带；2-4-下支撑板；2-5-上支撑板；2-6-弹簧固定板；2-7-腰型槽；2-8-固定块；2-9-弹簧一；2-10-弧板；4-1-上力传感器；4-2-过渡滑轮；4-4承重块；4-5-竖向弹簧；4-6-内导柱；4-8-下挡块；4-9-绳索；5-1-显示器；5-4-竖向滑轨；5-5-顶板；3-2-过渡交接处支撑；3-3-大带轮；3-4-同步带；3-5-小带轮；3-6-侧板； 5-4-直线滑轨；3-7-线性滑块；3-8-水平滑块；3-9-扭矩传感器；3-10-下力传感器；3-11-连接件；3-12-电动缸；3-13-动杆；3-14-固定件；3-15-挡环；3-16-弹簧二；3-17-伺服电机；3-18-传动轴；6-1-锁紧螺母；6-2-连接块；6-3-十字万向节；6-4-连杆；6-5-弹性体；6-6-屈膝电机；7-3-滑槽；7-2-锁紧弹簧；7-1-托板；7-4-托板支撑杆；7-5-坐起电动缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图8所示：本实施例公开了一种骨盆辅助步行康复训练机器人：包括辅助跑台5、变刚度驱动单元3及骨盆运动辅助***2；辅助跑台5设有竖向设置的竖向滑轨5-4，变刚度驱动单元3可滑动连接于竖向滑轨5-4。
骨盆运动辅助***2包括支撑板，支撑板设有可水平旋转的固定块2-8，支撑板的两端设有扶手2-1，支撑板还连接腰带2-3，固定块2-8与支撑板之间设有弹性装置及旋转限位装置。支撑板包括上支撑板2-5及下支撑板2-4，两个支撑板平行设置。
结合图3至图4：本实施例的变刚度驱动单元3包括传动轴3-18，传动轴3-18连接固定块2-8、用于驱动传动轴3-18旋转的旋转动力结构、用于驱动传动轴3-18弹性横移的水平限定机构。
具体的，变刚度驱动单元3还包括过渡支撑3-2、电机3-17（旋转动力结构）、电动缸3-12、水平动杆3-13及侧板3-6，侧板3-6通过线性滑块3-7连接于竖向滑轨5-4，水平动杆3-13通过水平滑块3-8连接于侧板3-6，过渡支撑3-2连接驱动传动轴3-18及水平动杆3-13，电动缸3-12用于驱动过渡支撑3-2、水平动杆3-13沿着水平滑块3-8滑动，电机3-17用于驱动传动轴3-18转动。
其中，电机3-17连接于过渡支撑3-2，电机3-17的动力输出端设有小带轮3-5，传动轴3-18设有大带轮3-3，两个带轮之间通过同步带3-4实现传动，继而实现电机3-17驱动传动轴3-18旋转。
本实施例的变刚度驱动单元3还连接用于对患者腰部减重的主动减重***。主动减重***对患者的腰部提供一个向上的提升力，实现减重。
结合图1及图5：主动减重***具体包括绕绳电机4-10，绕绳电机4-10通过绳索4-9连接变刚度驱动单元3，绳索4-9还穿过连接于竖向滑轨5-4上端的上滑轮4-7，上滑轮4-7连接竖向弹簧4-5。
上滑轮4-7连接于承重块4-4，承重块4-4可滑动连接于内导柱4-6，内导柱4-6套接有竖向弹簧4-5，竖向弹簧4-5上端连接承重块4-4、下端连接于下挡块4-8。为了便于检测减重量的大小，在上滑轮4-7与承重块4-4之间还设有上力传感器4-1。
在实际应用时，绕绳电机4-10可安装在辅助跑台5上，但可能会出现绕绳电机4-10与变刚度驱动单元3之间横向距离过大的现象，此时绳索4-9可能发生倾斜（并非竖向设置），这样就会导致上力传感器4-1的检测值与实际值偏差，为了避免这一现象，本实施例还包括过渡滑轮4-2，过渡滑轮4-2-与上滑轮4-7平行相对设置，用于保证绳索4-9竖向设置。
结合图1及图6：本实施例还包括辅助屈膝机构6，辅助屈膝机构6包括依次连接的十字万向节6-3、连杆6-4、弹性体6-5，十字万向节6-3上端连接于支撑板，十字万向节6-3还设有用于驱动连杆6-4摆动的屈膝电机6-6。十字万向节6-3的一端设有连接块6-2，连接块6-2通过锁紧螺母6-1连接于下支撑板2-4。当屈膝电机6-6旋转时，能够驱动十字万向节6-3中的一个轴旋转，继而带动驱动连杆6-4摆动，驱动连杆6-4通过连接块6-2驱动患者膝关节弯曲，实现步行训练时患者的辅助屈膝动作。
如图8所示，当患者下肢力量较弱时，还可通过本实施例的助力坐起机构7实现辅助蹲起，助力坐起机构7具体包括托板支撑杆7-4及托板7-1，托板支撑杆7-4上端连接骨盆运动辅助***（2），托板支撑杆7-4设有滑槽7-3，托板7-1可滑动连接于滑槽7-3。托板7-1与滑槽7-3之间还设有锁紧弹簧7-2，锁紧弹簧7-2的数量不少于两个。托板7-1下端设有连接柱，该连接柱可滑动连接于滑槽7-3，并且设置在锁紧弹簧7-2的内部，锁紧弹簧7-2能够起到减震缓冲的作用。再者，患者在从蹲起到站立的过程中，骨盆不仅向上运动，同时还向前运动，托板7-1可在滑槽7-3内滑动能够补偿该向前运动。
当骨盆运动辅助***2上下运动时，能够驱动整个助力坐起机构7上升或下降，但这样助力坐起机构7只能跟随骨盆运动辅助***2同步上下。为了使助力坐起机构7能够单独运行，并且为了便于调节托板7-1与骨盆运动辅助***2之间的相对高度，满足不同身高患者的使用需求，本实施例还在托板支撑杆7-4与骨盆运动辅助***2之间还设有坐起电动缸7-5，坐起电动缸7-5伸缩时，坐起电动缸7-5上端连接骨盆运动辅助***2，下端连接托板支撑杆7-4。托板支撑杆7-4可旋转连接于骨盆运动辅助***，旋转机构可采用现有技术中的任意一种，当不需要使用助力坐起机构7时，可通过旋转机构将托板支撑杆7-4旋转至其他位置，避免对患者的下肢造成影响。
使用时，托板7-1托住患者的裆部，通过坐起电动缸7-5的伸缩实现对患者裆部的支撑，辅助患者进行蹲起运动。另一方面，减重***绳索带动整体升起，同时电动缸3-12向前移动，也可以实现辅助患者由坐位到站立位的转换，即辅助患者进行蹲起运动；反之也可以实现从站立位到坐位的转换运动。
使用时，患者腰部通过腰带2-3固定在弧板2-10上，当患者扭动腰部时，整个变刚度驱动单元3以传动轴3-18为轴心旋转，该旋转可通过电机3-17实现提供一定扭矩，电机3-17的输出扭矩还可通过扭矩传感器3-9进行实时监测，这是第一个康复自由度（旋转）。当患者水平方向扭动时，即以固定块2-8为轴心扭动，两个弹簧一2-9可提供恢复力，使该方向的扭动具备一定的弹性阻力，并且扭动幅度越大，该弹性阻力越大，这是第二个康复自由度（旋转）。
当患者腰部前后摆动时，即以水平动杆3-13为轴线摆动，当电动缸3-12不工作时，处于随动状态，弹簧二3-16向整个骨盆运动辅助***2提供一定的弹力，使患者自由摆动；当电动缸3-12工作时，电动缸3-12实现伸缩，实现对患者腰部的驱动，下力传感器3-10可实时检测电动缸3-12的输出力。这是第三个康复自由度（横向平移）。
当患者腰部需要上下蹲起时，整个骨盆运动辅助***2及变刚度驱动单元3可沿着竖向滑轨5-4滑动，在该滑动过程中，主动减重***提供一定的向上拉力，该向上拉力可通过竖向弹簧4-5进行缓冲，连接在上滑轮4-7的上力传感器4-1可实时检测该减重力的大小。这是第四个康复自由度（竖向平移）。
患者在康复的过程中，双脚站立在辅助跑台5上，辅助跑台5设有传动带，类似于跑步机，使患者不需要移动即可进行康复。同时辅助跑台5设有人机交互设备—显示器5-1，能够显示当前设备的工作状态，或播放康复动作引导视频，引导患者进行康复；显示屏也可是触控的方式，使医生能够通过控制***对设备的工作参数进行设置，患者也可以选择康复训练模式及相应的康复训练参数。
相对于现有技术，本发明的减重部位处于腰部，避免提拉患者上身，使患者被迫处于僵直状态，主动减重***能够减小患者的下肢及腰部的承载力，并且该承载力可进行调节。
本发明可对患者腰部进行四个自由度的康复运动，辅助患者步行康复训练时骨盆的运动控制，达到腰部的有效康复训练，当患者进行坐-立位转换训练时，主动减重***、助力坐起机构7和辅助屈膝机构6等还能够对患者实现助力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：包括辅助跑台（5）、变刚度驱动单元（3）及骨盆运动辅助***（2）；
所述辅助跑台（5）设有竖向设置的竖向滑轨（5-4），所述变刚度驱动单元（3）可滑动连接于竖向滑轨（5-4）；
所述骨盆运动辅助***（2）包括支撑板，所述支撑板设有固定块（2-8），所述支撑板的两端设有扶手（2-1），所述支撑板还连接腰带（2-3），所述固定块（2-8）与支撑板之间设有弹性装置及旋转限位装置；
所述变刚度驱动单元（3）包括传动轴（3-18），所述传动轴（3-18）连接固定块（2-8）、用于驱动传动轴（3-18）旋转的旋转动力结构、用于驱动传动轴（3-18）弹性横移的水平限定机构；
所述变刚度驱动单元（3）还连接用于对患者减重的主动减重***。
2.根据权利要求1所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述主动减重***包括绕绳电机（4-10），所述绕绳电机（4-10）通过绳索（4-9）连接变刚度驱动单元（3），所述绳索（4-9）还穿过连接于竖向滑轨（5-4）上端的上滑轮（4-7），所述上滑轮（4-7）连接竖向弹簧（4-5）。
3.根据权利要求2所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述上滑轮（4-7）连接于承重块（4-4），所述承重块（4-4）可滑动连接于内导柱（4-6），所述内导柱（4-6）套接有竖向弹簧（4-5），所述竖向弹簧（4-5）上端连接承重块（4-4）、下端固定连接于下挡块（4-8）。
4.根据权利要求1所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述变刚度驱动单元（3）还包括过渡支撑（3-2）、电机（3-17）、电动缸（3-12）、水平动杆（3-13）及侧板（3-6），所述侧板（3-6）通过线性滑块（3-7）连接于竖向滑轨（5-4），所述水平动杆（3-13）通过水平滑块（3-8）连接于侧板（3-6），所述过渡支撑（3-2）连接驱动传动轴（3-18）及水平动杆（3-13），所述电动缸（3-12）用于驱动过渡支撑（3-2）、水平动杆（3-13）沿着水平滑块（3-8）滑动，所述电机（3-17）用于驱动传动轴（3-18）转动。
5.根据权利要求4所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述电机（3-17）连接于过渡支撑（3-2），所述电机（3-17）通过同步带（3-4）驱动传动轴（3-18）旋转。
6.根据权利要求1所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：还包括辅助屈膝机构（6），所述辅助屈膝机构（6）包括依次连接的十字万向节（6-3）、连杆（6-4）、弹性体（6-5），所述十字万向节（6-3）上端连接于支撑板，所述十字万向节（6-3）还设有用于驱动连杆（6-4）摆动的屈膝电机（6-6）。
7.根据权利要求1所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：还包括助力坐起机构（7），所述助力坐起机构（7）包括托板支撑杆（7-4）及托板（7-1），所述托板支撑杆（7-4）上端连接骨盆运动辅助***（2），所述托板支撑杆（7-4）设有滑槽（7-3），所述托板（7-1）可滑动连接于滑槽（7-3），所述托板支撑杆（7-4）可旋转连接于骨盆运动辅助***（2）。
8.根据权利要求7所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述托板支撑杆（7-4）与骨盆运动辅助***（2）之间还设有坐起电动缸（7-5）。
9.根据权利要求1所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述传动轴（3-18）还连接扭矩传感器（3-9）及下力传感器（3-10）。
10.根据权利要求1所述的一种骨盆辅助步行康复训练机器人，其特征在于：所述上滑轮（4-7）与承重块（4-4）之间还设有上力传感器（4-1）。
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