CN112870022A - 一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备 - Google Patents

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许�鹏
侯卫坤
屠尧
黄虎
姚丹丹
段琛
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Xian Honghui Hospital
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Abstract

一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，包括可移动式围栏保护装置、串联弹性下肢套索外骨骼机器人、控制驱动***、交互显示***；所述可移动式围栏保护装置上分别设置有串联弹性下肢套索外骨骼机器人、控制驱动***和交互显示***；串联弹性下肢套索外骨骼机器人通过控制驱动***进行控制。本发明能够为下肢行走障碍人士或是由于下肢疾病进行手术后进行术后辅助训练的人群进行康复训练的设备，结合人机交互、意图感知技术，进一步提升康复训练效果，改善其疾病症状或促进术后恢复，实现患者的行走能力恢复或提升，提高其生活质量。

Description

一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备。
背景技术
下肢原地康复训练设备多用于下肢行走障碍人士或是由于下肢疾病进行手术后进行术后辅助训练的人群，通过不同的康复训练模式针对使用者的肌肉、关节以及神经进行恢复训练，改善其疾病症状或促进术后恢复，最终实现患者的行走能力恢复或提升，提高其生活质量。
一般的下肢康复训练设备只是简单的支撑患者，被动的对腿部进行训练，缺少保护围栏，导致患者在使用时存在摔倒的安全风险。为解决上述问题，出现了使用悬吊减重结构的下肢康复训练设备，通过悬吊装置与患者进行连接，确保安全性的同时实现减重功能，并通过运动传感器来检测使用者的运动。这样的下肢康复训练设备结构复杂，电子设备多，造价高，操作繁琐，且在使用过程中，只能进行原地康复训练，难以实现根据患者运动意愿进行在安全范围内移动的目的，同时需要人工干预调整牵引绳，造成使用的不便。
此外，现有基于下肢外骨骼机器人的康复训练装置多为驱动电机直接布置在人体关节处，通过电机及减速器带动外骨骼关节运动，从而实现带动人体下肢进行康复训练的效果，但该种形式使得外骨骼关节处体积庞大，且重量及转动惯量非常大，对穿戴及控制过程造成不便，同时患者使用难度较大，易产生安全问题。
因此针对现有下肢康复训练设备所存在的问题，需设计一种使用安全、结构简单、操作简便、运动柔顺、康复训练效果良好且能够根据患者康复情况进行原地或在安全空间内自由移动的康复训练设备。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，能够为下肢行走障碍人士或是由于下肢疾病进行手术后进行术后辅助训练的人群进行康复训练的设备，结合人机交互、意图感知技术，进一步提升康复训练效果，改善其疾病症状或促进术后恢复，实现患者的行走能力恢复或提升，提高其生活质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，包括可移动式围栏保护装置100、串联弹性下肢套索外骨骼机器人200、控制驱动***300、交互显示***400；所述可移动式围栏保护装置100上分别设置有串联弹性下肢套索外骨骼机器人200、控制驱动***300和交互显示***400；串联弹性下肢套索外骨骼机器人200通过控制驱动***300进行控制。
所述围栏保护装置100包括围栏主体框架104，所述围栏主体框架104为一缺失两前方连杆的立方体结构，位于围栏主体框架104侧面设置有围栏加固连杆103，所述主体框架104缺失处下方设置有环形型材111，主体框架104缺失处上方前侧面设置有护栏杆109，所述主体框架104后侧面通过滑轮座102设置有滑轮101，所述主体框架104下侧面四角设置有万向轮106。
所述万向轮106上设置有刹车机构105；所述护栏杆109两侧通过螺栓连接于主体框架104上的底座108，底座108与护栏杆109连接处设置有插销110。
所述套索驱动外骨骼***200包括套索外骨骼主体及用于外骨骼支撑固定的外骨骼支撑架202，其中套索外骨骼主要分为腰部机构和腿部机构；
所述腰部机构包括腰部连板205及固连腰带206，腰部连板205通过外骨骼支撑架202设置在围栏后侧固定板201上，围栏后侧固定板201安装在围栏保护装置100上，所述腿部机构又可分为大腿部分与小腿部分；大腿部分包括设置在腰部连板205两侧的联弹性机构207，所述联弹性机构207下方连接有腿部连杆208，腿部连杆208上设置有大腿固定板209和插扣210；
所述外骨骼小腿部分包含膝关节串联弹性机构211，膝关节串联弹性机构211设置在腿部连杆208下方，所述膝关节串联弹性机构211下方设置有小腿连杆212，小腿连杆212上设置有小腿固定板213及插扣210；
所述联弹性机构207和所述联弹性机构207通过控制箱301控制。
所述控制箱301中设置阵列式套索驱动***，阵列式套索驱动***通过髋关节套索204带动外骨骼髋关节串联弹性模块207的转动。
所述阵列式套索驱动***带动的膝关节套索203，带动外骨骼膝关节串联弹性模块211的转动。
所述控制驱动***300安装在围栏后侧固定板201一侧，控制驱动***300包括控制箱301，控制箱301上下两侧面设置有供髋关节套索204、膝关节套索203，控制箱301外侧设置有控制开关303，控制箱301内部设置有电机固定板306，电机固定板306通过螺栓连接于控制箱301内侧，电机固定板306通过螺栓连接电机307，电机307的输出轴上安装有锥齿轮组309，锥齿轮组309另一锥齿轮与盘线轮305布置于同一传动轴310上，所述套索一端固定于盘线轮305内部凹槽中，电机307通过电机控制板311控制。
所述交互显示***400位于围栏保护装置100上侧一角，所述交互显示***400包括可调支架座405，可调支架座405通过螺栓与围栏主体框架104连接，可调支架座405通过可调节支架402与可调节支架头401相连，所述可调节支架头401与显示固定架403通过螺栓固定，显示固定架403上设置有平板电脑404。
所述围栏保护装置100内侧设置有扶手107。
本发明的有益效果：
本发明能够在保证安全性的前提下辅助使用者进行下肢康复训练并达到良好效果，结合人机交互、意图感知技术，进一步实现人体运动辅助，实现人体运动能力提升。具有如下优点：
(1)结构新颖可靠：改善了一般的下肢康复训练设备只是简单的支撑患者被动的对腿部进行训练这一问题，通过增加保护围栏，在保证结构简洁的前提下大大提升了康复训练的有效性。
(2)驱动***后置：通过将关节处的电机、减速器等驱动***后置，电机依靠套索可远距离驱动关节，实现机构的运动。这样的结构布局解放了关节，大大降低了关节的重量与转动惯量，提高了自身承重比，避免了结构臃肿。
(3)人机交互性好：通过在外骨骼上安装陀螺仪及力传感器等感知设备，能够实现人体意图感知，克服现有康复设备仅支持被动训练这一问题，同时通过人机交互***，实时显示并反馈训练信息，实现更好的训练效果。
(4)刚柔结合：采用刚性支撑材料以及柔性传动方式，以刚柔结合的方式实现设备康复训练功能，增加了运动柔顺性，且能够降低设备在康复训练过程中对人体助力的瞬时冲击。
(4)安全性高：增加了安全保护围栏，并通过外骨骼支撑架将外骨骼重量通过围栏传递至地面，使用者无需负担外骨骼重量，使用过程中能够安全有效实现康复训练功能
(5)多种运动模式：通过下方带刹车的万向轮，能够选择原地康复训练模式或平地行走康复训练模式，根据使用者不同康复训练阶段，更好的实现康复训练。
附图说明
图1是本发明专利使用示意图。
图2是本发明专利整体结构轴测图。
图3是本发明专利围栏保护装置结构图。
图4是本发明专利套索驱动外骨骼结构图。
图5是本发明专利控制驱动箱外观图。
图6是本发明专利控制驱动箱内部结构图。
图7是本发明专利交互显示模块结构图。
图中，
100.围栏保护装置101.滑轮102.滑轮支座103.围栏加固连杆104.围栏主体框架105.万向轮刹车106.万向轮107.扶手108.护栏杆支座109.护栏杆110.护栏杆插销111.环形型材；
200.串联弹性下肢套索外骨骼机器人201.围栏后侧固定板202.外骨骼支撑架203.膝关节传动套索204髋关节传动套索205.腰部连板206.腰带207.髋关节串联弹性驱动机构208.大腿连杆209.大腿护板210.插扣211.膝关节串联弹性驱动机构212.小腿连杆213.小腿护板；
300.控制驱动***301.控制箱外壳302.控制箱盖303控制开关304.合页305.盘线轮306.电机固定板307.驱动电机308.锂电池309.锥齿轮组310.传动轴311.驱动板；
400.交互显示***401可调支架头402.可调支架403.显示固定板404.平板电脑405.可调支架座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图7所示：包括：可移动式围栏保护装置100、串联弹性下肢套索外骨骼机器人200、控制驱动***300、交互显示***400。
所述围栏保护装置100包括围栏主体框架104、围栏加固连杆103、滑轮装置101、安全扶手107、、万向轮106等。其中围栏主体框架104为一缺失两前方连杆的立方体结构，考虑结构强度问题，在其主要侧面增加了围栏加固连杆103，并在其下方增加了环形型材111，通过焊接与主体框架104固连，加强主体框架104结构强度的同时将使用者的下肢活动空间限制在安全范围内，避免其与该康复设备其他零部件接触，提高其安全性。安全扶手107通过螺栓固定形式安装于围栏主体框架104上侧面两连杆上，使用者使用过程中可手扶该位置，增加使用稳定性的同时降低下肢运动负担。护栏杆109安装于主体框架104前侧面上方，通过两侧通过螺栓连接于主体框架104上的底座108实现与护栏主体框架104的连接，在使用者进入康复设备前可将护栏杆109与底座108间的插销110取出，将护栏杆109垂直放下，待使用者进入后将插销110重新插上，用于避免外界物品进入康复设备内部的同时避免围栏主体框架104的变形。滑轮101通过滑轮座102固定于主体框架104后侧面，用于实现套索的导向功能。万向轮106通过螺栓连接安装于主体框架104下侧面四角，其带有主动刹车机构105，可将刹车机构105抱死从而将康复设备整体固定于地面不发生移动，亦可将刹车105放开，跟随使用者在使用过程中移动。
所述套索驱动外骨骼***200包括套索外骨骼主体及用于外骨骼支撑固定的外骨骼支撑架202，其中套索外骨骼主要分为腰部机构和腿部机构，腰部机构包括腰部连板205及固连腰带206，用于实现与使用者腰部的固定连接。腿部机构又可分为大腿部分与小腿部分，其中大腿部分包含髋关节串联弹性机构207、腿部连杆208、大腿固定板209和插扣210等，通过控制箱300中阵列式套索驱动***带动的髋关节套索204，带动外骨骼髋关节串联弹性模块207的转动，从而实现外骨骼髋关节处的灵活摆动，并通过大腿固定板209及插扣210实现外骨骼大腿与使用者大腿的固连，带动受试者大腿处运动。外骨骼小腿部分包含膝关节串联弹性机构211、小腿连杆212、小腿固定板213及插扣210等，通过控制箱300中阵列式套索驱动***带动的膝关节套索203，带动外骨骼膝关节串联弹性模块211的转动，从而实现外骨骼膝关节处的灵活摆动，并通过小腿固定板213及插扣210实现外骨骼小腿与使用者小腿的固连，带动受试者小腿处运动。外骨骼支撑架202一侧与套索外骨骼腰部固定板205通过螺栓固定连接，另一侧连接于围栏后侧固定板201上，起到固定外骨骼的作用，同时将外骨骼重量通过围栏保护装置100转移至地面，避免外骨骼对使用者造成重量上的负担。
所述控制驱动***300包括控制箱301、控制开关303、驱动机构、控制板311及电源308等，其中控制箱300安装于围栏后侧固定板201一侧，控制箱301上下两侧面设置有供髋关节套索204、膝关节套索203运动的开槽，外侧面安装有控制开关303等。控制箱内部布置有驱动机构、控制板311及电源308等，其中驱动机构为阵列式套索传动机构，主要包括驱动电机307、电机固定板306、锥齿轮组309、盘线轮305等，电机固定板306通过螺栓连接于控制箱301内侧，电机307与电机固定板306通过螺栓连接，电机输出轴上安装有锥齿轮组309，通过锥齿轮传动增大其输出转矩并改变输出动力方向，盘线轮305与锥齿轮组309另一锥齿轮布置于同一传动轴310上，套索一端固定于盘线轮305内部凹槽中，电机307转动带动锥齿轮309及盘线轮305转动，从而带动套索运动，并将驱动力传递至外骨骼髋关节串联弹性机构207及膝关节串联弹性机构211中，实现外骨骼驱动。电机控制板311及电源308布置于控制箱301内部隔板上，为驱动控制提供必要条件。
所述交互显示***400包括可调节支架402、显示固定架403、平板电脑404等，其中可调支架座405通过螺栓连接于围栏主体框架104上侧一角，可调节支架头401与显示固定架403通过螺栓固定，平板电脑404置于显示固定架403上，交互显示***400可在围栏保护装置100上实现全方向旋转，供使用者操作选择康复训练模式及相关参数，同时显示相关康复训练信息。
第二部分：
为确保使用者安全，本发明增加了围栏保护装置100，改善了一般的下肢康复训练设备只是简单的支撑患者被动的对腿部进行训练这一问题，通过增加保护围栏且在围栏内部增加扶手107，有效降低使用者发生跌倒的风险；通过环形型材111划分使用者安全使用区域，加强围栏主体框架104结构强度的同时将使用者的下肢活动空间限制在安全范围内，避免其与该康复设备其他零部件接触，提高其安全性；通过增加护栏杆109，避免外界物品在康复设备运行中进入设备内部，进一步增强其安全性。
为避免外骨骼机器人对使用者造成重量负担，本发明通过外骨骼支撑架202将套索外骨骼连接于围栏后侧固定板201上，将外骨骼重量通过围栏支架100转移至地面，避免外骨骼对使用者造成重量上的负担；同时为降低康复设备整体重量，本发明基于套索外骨骼实现康复训练功能。通过髋关节套索204与膝关节套索203传动，增加动力传递距离，通过远端传送动力，带动髋关节串联弹性结构207与膝关节串联弹性结构211运动，进而带动外骨骼腿部结构摆动，将驱动机构布置于驱动控制箱300内，避免了传统外骨骼将电机及减速器直接布置于关节处而造成关节处重量及转动惯量的增加，影响外骨骼性能且降低康复训练效果这一缺陷。
为实现不同康复训练模式，本发明通过保护围栏100下方安装的带刹车万向轮106，可将刹车机构105抱死从而将康复设备整体固定于地面不发生移动，亦可将刹车105放开，跟随使用者在使用过程中移动。能够选择原地康复训练模式或平地行走康复训练模式，根据使用者不同康复训练阶段，更好的实现康复训练。

Claims (8)

1.一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，包括可移动式围栏保护装置(100)、串联弹性下肢套索外骨骼机器人(200)、控制驱动***(300)、交互显示***(400)；所述可移动式围栏保护装置(100)上分别设置有串联弹性下肢套索外骨骼机器人(200)、控制驱动***(300)和交互显示***(400)；串联弹性下肢套索外骨骼机器人(200)通过控制驱动***(300)进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述围栏保护装置(100)包括围栏主体框架(104)，所述围栏主体框架(104)为一缺失两前方连杆的立方体结构，位于围栏主体框架(104)侧面设置有围栏加固连杆(103)，所述主体框架(104)缺失处下方设置有环形型材(111)，主体框架(104)缺失处上方前侧面设置有护栏杆(109)，所述主体框架(104)后侧面通过滑轮座(102)设置有滑轮(101)，所述主体框架(104)下侧面四角设置有万向轮(106)。
3.根据权利要求2所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述万向轮(106)上设置有刹车机构(105)；所述护栏杆(109)两侧通过螺栓连接于主体框架(104)上的底座(108)，底座(108)与护栏杆(109)连接处设置有插销(110)。
4.根据权利要求1所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述套索驱动外骨骼***(200)包括套索外骨骼主体及用于外骨骼支撑固定的外骨骼支撑架(202)，其中套索外骨骼主要分为腰部机构和腿部机构；
所述腰部机构包括腰部连板(205)及固连腰带(206)，腰部连板(205)通过外骨骼支撑架(202)设置在围栏后侧固定板(201)上，围栏后侧固定板(201)安装在围栏保护装置(100)上，所述腿部机构分为大腿部分与小腿部分；大腿部分包括设置在腰部连板(205)两侧的联弹性机构(207)，所述联弹性机构(207)下方连接有腿部连杆(208)，腿部连杆(208)上设置有大腿固定板(209)和插扣(210)；
所述外骨骼小腿部分包含膝关节串联弹性机构(211)，膝关节串联弹性机构(211)设置在腿部连杆(208)下方，所述膝关节串联弹性机构(211)下方设置有小腿连杆(212)，小腿连杆(212)上设置有小腿固定板(213)及插扣(210)；
所述髋关节串联弹性机构(207)和所述膝关节串联弹性机构(211)通过控制箱(301)控制。
5.根据权利要求4所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述控制箱(301)中设置阵列式套索驱动***，阵列式套索驱动***通过髋关节套索(204)带动外骨骼髋关节串联弹性模块(207)的转动；
所述阵列式套索驱动***带动的膝关节套索(203)，带动外骨骼膝关节串联弹性模块(211)的转动。
6.根据权利要求1所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述控制驱动***(300)安装在围栏后侧固定板(201)一侧，控制驱动***(300)包括控制箱(301)，控制箱(301)上下两侧面设置有供髋关节套索(204)、膝关节套索(203)运行的开槽，控制箱(301)外侧设置有控制开关(303)，控制箱(301)内部设置有电机固定板(306)，电机固定板(306)通过螺栓连接于控制箱(301)内侧，电机固定板(306)通过螺栓连接电机(307)，电机(307)的输出轴上安装有锥齿轮组(309)，锥齿轮组(309)另一锥齿轮与盘线轮(305)布置于同一传动轴(310)上，所述套索一端固定于盘线轮(305)内部凹槽中，电机(307)通过电机控制板(311)控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述交互显示***(400)位于围栏保护装置(100)上侧一角，所述交互显示***(400)包括可调支架座(405)，可调支架座(405)通过螺栓与围栏主体框架(104)连接，可调支架座(405)通过可调节支架(402)与可调节支架头(401)相连，所述可调节支架头(401)与显示固定架(403)通过螺栓固定，显示固定架(403)上设置有平板电脑(404)。
8.根据权利要求1所述的一种基于套索外骨骼的下肢原地康复训练设备，其特征在于，所述围栏保护装置(100)内侧设置有扶手(107)。
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