CN114848390B - 一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其结构包括大腿组件、小腿组件、腰部组件、髋关节组件、膝关节组件、踝关节组件、动力装置、躺床组件，腰部组件与躺床组件固定连接，左、右两条机械腿呈对称布置。本发明针对关节置换、骨折或中枢神经损伤导致的肢体残障人群提供临床上所需要的康复训练，包括基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式，帮助患者恢复下肢肌力及活动能力，避免术后并发症的出现。康复训练过程中各传感器采集的数据实时上传至PC端，向患者和治疗师提供患肢的反馈信息，给临床诊断和治疗方案的制定提供有价值的参考数据。整机能自主调节长度和宽度且有多种训练模式，适用于各种身形以及不同康复程度的患者，且易于拆卸、搬运和安装。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体是涉及一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人。
背景技术
随着机器人和电子信息技术的发展，越来越多的下肢康复机器人应用于临床康复治疗中，该类机器人可提供高强度、高重复性的运动训练，帮助下肢行走障碍人群或关节置换、骨折等下肢疾病患者进行术后辅助康复训练，恢复患者下肢肌力及活动能力，防止肢体出现肌肉萎缩，关节粘连、肢体功能持续下降等不良后果。下肢康复机器人在临床上的应用不仅极大的缓解了康复医师的工作压力，也极大减轻了医疗人员的负担。
针对不同康复阶段的患者，下肢康复机器人又分为立式、坐式和卧式三种结构，公布号为CN 102697622 B的中国发明专利申请公开了一种“坐卧式下肢康复机器人”，该设计通过调节座椅实现坐姿和卧姿两种形式的康复训练，但是每个机械腿仅含有髋关节、膝关节和踝关节三个自由度，使得患者的活动范围大大受限，无法满足康复训练所需的要求。公布号为 CN 102727361B的中国发明专利公开了一种“坐卧式下肢康复机器人”，该设计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。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其髋关节、膝关节、踝关节处分别具有2、1、3个自由度，腰部和腿部调长机构的设计可以实现宽度和长度的自主调节，同时为患者提供基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式，更好的满足患者在康复训练中的需求。为解决上述技术问题，本发明采用的如下技术方案：
提供一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式进行康复训练，患者通过PC端进行人机交互操作；其特征在于：其机械结构包括大腿组件、小腿组件、腰部组件、髋关节组件、膝关节组件、踝关节组件、动力装置、躺床组件；
所述大腿组件包括大腿连接板、大腿连杆，大腿调长杆、绑带、绑带固定板；所述大腿连接板对称布置于大腿连杆两侧，一端与髋关节前屈后伸旋转轴相连接，中间通孔与髋关节前屈后伸旋转轴相配合，另一端与大腿连杆固定连接，将前屈后伸驱动力传导至大腿；所述大腿连杆中部设有方形槽口，槽内开有多个通孔与绑带固定板通过螺栓固定连接，一端设有长方形滑槽与大腿调长杆连接，所述大腿调长杆通过在滑槽内移动来调节大腿的长度，以满足不同身高人群的需求；所述绑带固定板为L型长板，开有多出通孔与所述绑带进行贴合以完成大腿的绑缚；
所述小腿组件包括小腿第一连接板、小腿第二连接板、小腿连杆、小腿调长杆、绑带固定板、膝关节保护器；所述小腿第一连接板一端与膝关节前屈后伸旋转轴相连接，一端与小腿连杆固定连接，将前屈后伸驱动力传导至小腿；所述小腿第二连接板与小腿第一连接板对称布置，一端连接大腿调长杆下端，中间通孔与膝关节前屈后伸旋转轴相配合，另一端与小腿连杆固定连接传递驱动力；所述小腿连杆中部设有方形槽口，槽内开有多个通孔与绑带固定板通过螺栓固定连接，一端设有长方形滑槽与小腿调长杆连接，所述小腿调长杆通过在滑槽内移动来调节小腿的长度；所述膝关节保护器一端与绑带固定板连接，一端通过绑带与大腿调长杆相连；
所述腰部组件包括腰部支撑板、腰部第一伸缩板、腰部第二伸缩板、腰带；所述腰部支撑板两端对称设有两排通孔与电机固定块通过螺栓连接，中间开有多个弧边方槽，分别与腰部第一伸缩板、腰部第二伸缩板连接实现腰部的宽度调节；所述腰部第一伸缩板与腰部第二伸缩板对称布置，其两端设有多个通孔，一端与腰带连接固定，另一端与髋关节组件相连，形状呈半月形与腰带贴合；所述腰带两侧与腰部伸缩板贴合，前端设有方形扣环；
所述髋关节组件包括髋关节前屈后伸固定板、髋关节前屈后伸旋转轴、轴承、髋关节角度传感器、髋关节角度传感器外壳、髋关节外展内收旋转轴，第一带座轴承、第二带座轴承；所述髋关节前屈后伸固定板一端为方形，中部开有通孔与髋关节外展内收旋转轴相配合，一端为圆片状，中部开有通孔与髋关节前屈后伸旋转轴相配合使之固定；所述髋关节前屈后伸旋转轴为阶梯轴，一端与套索第二执行轮配合传递驱动力，一端与大腿连接板配合，主动驱动完成大腿的前屈/后伸运动；所述髋关节外展内收旋转轴两端分别与第一、二带座轴承配合，由患者被动完成小幅度的外展/内收运动；所述第一、二带座轴承呈T字形并对称布置于髋关节外展内收旋转轴两端，通过螺钉与腰部伸缩板固定连接；
所述膝关节组件包括膝关节前屈后伸旋转轴、膝关节角度传感器、膝关节角度传感器外壳；所述膝关节前屈后伸旋转轴为阶梯轴，一端与套索执行轮配合传递驱动力，一端与小腿第一、第二连接板配合，主动驱动完成小腿的前屈/后伸运动；
所述踝关节组件包括踝关节第一连接件、万向节阻尼球头球铰、踝关节第二连接件、脚板；所述踝关节第一连接件底部开有通孔与万向节阻尼球头球铰通过螺栓连接，侧边通孔通过螺栓连接固定在小腿调长杆上；所述万向节阻尼球头球铰下端球体上开有螺纹孔，通过双头螺柱与踝关节第二连接件连接，可实现被动三自由度，满足人体踝关节活动范围和自由度的要求；所述踝关节第二连接件为L形，一端开有螺纹孔与球铰相连，另一端开有通孔与脚板通过螺栓固定连接；所述脚板质地柔软，与患者足部贴合，完成踝关节的康复运动；
所述动力装置包括驱动电机、减速器、电机第一固定块、电机第二固定块、电机轴端盖、套索第一执行轮、套索第二执行轮、套索第一固定块、套索第二固定块、套索第三固定块、套索第四固定块、绳索、绳索卡扣、套管；所述驱动电机的输出轴与减速器内部的可变形抱箍通过锁紧螺丝抱紧连接，由减速器实现减速传动；所述减速器输出轴与套索第一执行轮中间孔相配合，由平键将输出轴的驱动力矩传递到套索第一执行轮；所述电机第一固定块四角开有通孔与电机第二固定块连接，中间通孔与减速器配合便于固定；所述电机第二固定块一端为片状开有多个通孔，另一端呈条状与套索第一固定块通过螺栓连接固定，且可以进行长度调节；所述套索第一执行轮侧面有环形槽口与所述绳索贴合，绳索由所述绳索卡扣限制在槽内；所述套索第二固定块两侧设有半圆形凹槽，中间开有螺纹孔与所述套索第一固定块连接，限制绳索的大幅摆动；所述套索第三固定块与所述套索第四固定块通过螺栓固定连接。
本发明的进一步技术方案是：所述大腿连杆、小腿连杆下端均设有长方形滑槽，大腿、小腿调长杆通过在滑槽内移动来调节大腿、小腿的长度。
本发明的进一步技术方案是：所述绑带内含透气网孔。
本发明的进一步技术方案是：所述腰部支撑板中间开有多个弧边方槽，分别与腰部第一、二伸缩板连接，伸缩板可以沿方槽向两边移动来调节腰部的宽度，同时腰部伸缩板可以拆卸。
本发明的进一步技术方案是：所述髋关节外展内收旋转轴两端分别与第一、二带座轴承配合并固定于腰部伸缩板上，由患者被动完成小幅度的外展/内收运动。
本发明的进一步技术方案是：所述膝关节保护器正面装有与膝关节贴合的绑带，背面装有三根扭簧为患者提供支持力，一端与绑带固定板连接，一端通过绑带与大腿调长杆相连。
本发明的进一步技术方案是：绑带固定板为L型长板，一端通过螺栓连接固定在大腿连杆上，另一端开有多处通孔可与绑带固定，通过调节绑带的松紧程度使其与大腿贴合。绑带内部均设置有压力传感器，反馈人机交互力的大小。
本发明的进一步技术方案是：所述PC端上位机的人机交互界面可以实时地记录、分析和反馈患肢的运动信息，让患者直观的看到自己的训练状况和康复水平，对康复效果进行客观评价。
本发明的进一步技术方案是：所述髋、膝关节处驱动电机预先设定训练过程中人机交互力、关节角度、角速度等关键参数的范围，一旦超出该范围，机器人立即停止训练并报警。
本发明的进一步技术方案是：所述髋、膝关节内部均置有角度传感器，反馈关节旋转角度信息。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其中腰部组件和大、小腿组件均设有调长装置，可以根据患者需求自主调节腰部宽度和大、小腿长度，适用于不同身高和形态的患者，同时腰部伸缩板可拆卸，将机器人拆为单腿，可以适用于单腿康复的患者；髋、膝关节处的电机、减速器等动力装置置于躺床底部，电机则依靠套索远距离驱动各个关节，实现机构的运动；膝关节处设有膝关节保护器既可以对小腿进行绑缚固定，减小康复运动中对膝关节的压力，起到缓震减压的作用，又可以将膝关节限位至-100°-0°范围内，保证患者的安全；躺床组件底端一侧为滚轮，一侧为支撑座，方便装置的移动和固定，同时背垫可根据患者需求调整倾斜角度，最大为180°，可保证患者完全躺平，适用于早期无法坐立训练的患者；***提供基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式，帮助不同康复时期、康复程度的患者进行康复训练，训练过程中传感器检测***将数据上传至 PC端。同时患者可以通过PC端人机交互软件选择合适的训练模式、训练动作、训练强度以及训练时间等，也可实时的看到自己的训练状况和康复水平，对康复效果进行客观评价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的腰部组件结构示意图。
图3为本发明的大腿组件结构示意图。
图4为本发明的小腿组件结构示意图。
图5为本发明的踝关节组件结构示意图。
图6为本发明的躺床组件结构示意图。
图7(a)为本发明的动力装置结构示意图。
图7(b)为本发明的动力装置***图。
图8(a)为本发明的髋关节组件结构示意图。
图8(b)为本发明的髋关节组件***图。
图9(a)为本发明的膝关节组件结构示意图。
图9(b)为本发明的膝关节组件***图。
图10为本发明的康复训练流程示意图
附图标记说明：1-躺床组件；2-腰部组件；3-大腿组件；4-小腿组件；5-踝关节组件；6- 膝关节组件；7-髋关节组件；8-动力装置；9-腰部第一伸缩板；10-腰带；11-腰部第二伸缩板； 12-腰部支撑板；13-大腿连接板；14-绑带；15-绑带固定板；16-大腿调长杆；17-大腿连杆； 18-膝关节保护器；19-小腿调长杆；20-小腿连杆；21-小腿第一连接板；22-小腿第二连接板； 23-踝关节第一连接件；24-脚板；25-踝关节第二连接件；26-双头螺柱；27-万向节阻尼球头球铰；28-床垫；29-支撑架；30-滚轮；31-支撑座；32-电机支撑板；33-背垫；34-头垫；35- 电机轴端盖；36-绳索；37-绳索卡扣；38-套索第一执行轮；39-谐波减速器；40-电机第一固定块；41-电机第二固定块；42-驱动电机；43-套索第一固定块；44-套索第二固定块；45-套索第三固定块；46-套索第二执行轮；47-套索第四固定块；48-套管；49-轴承；50-髋关节前屈后伸旋转轴；51-髋关节外展内收旋转轴；52-第一带座轴承；53-第二带座轴承；54-髋关节角度传感器外壳；55-髋关节角度传感器；56-髋关节前屈后伸固定板；57-膝关节前屈后伸旋转轴；58-膝关节角度传感器；59-膝关节角度传感器外壳。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参阅图1～图10，本实施例一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其结构包括躺床组件1、腰部组件2、大腿组件3、小腿组件4、踝关节组5、膝关节组件6、髋关节组件7、动力装置8。
结合图2说明本实施方式，本实施方式所述腰部组件2包括腰部支撑板12、腰部第一伸缩板9、腰部第二伸缩板11、腰带10；所述腰部支撑板12两端对称设有两排通孔与电机第一固定块40通过螺栓连接，中间开有多个弧边方槽，分别与腰部第一伸缩板9、腰部第二伸缩板11连接实现腰部的宽度调节；所述腰部第一伸缩板9与腰部第二伸缩板11对称布置，其两端设有多个通孔，一端与腰带10连接固定，另一端与髋关节组件7相连，形状呈半月形与腰带10贴合；所述腰带10两侧与腰部伸缩板贴合，前端设有方形扣环，可调节腰带的松紧程度，保证患者的舒适性。
结合图3说明本实施方式，本实施方式所述大腿组件3包括大腿连接板13、大腿连杆17、大腿调长杆16、绑带14、绑带固定板15；所述大腿连接板13对称布置于大腿连杆17两侧，一端与髋关节前屈后伸旋转轴50相连接，中间通孔与髋关节前屈后伸旋转轴50相配合，另一端与大腿连杆17固定连接，将前屈后伸驱动力传导至大腿；所述大腿连杆17中部设有方形槽口，槽内开有多个通孔与绑带固定板15通过螺栓固定连接，一端设有长方形滑槽与大腿调长杆16连接，所述大腿调长杆16通过在滑槽内移动来调节大腿的长度，以满足不同身高人群的需求；所述绑带固定板15为L型长板，开有多出通孔与所述绑带14进行贴合以完成大腿的绑缚。
结合图4说明本实施方式，本实施方式所述小腿组件4包括小腿第一连接板21、小腿第二连接板22、小腿连杆20、小腿调长杆19、绑带固定板15、膝关节保护器18；所述小腿第一连接板21一端与膝关节前屈后伸旋转轴57相连接，一端与小腿连杆20固定连接，将前屈后伸驱动力传导至小腿；所述小腿第二连接板22与小腿第一连接板21对称布置，一端连接大腿调长杆16下端，中间通孔与膝关节前屈后伸旋转轴57相配合，另一端与小腿连杆20固定连接传递驱动力；所述小腿连杆20中部设有方形槽口，槽内开有多个通孔与绑带固定板15通过螺栓固定连接，一端设有长方形滑槽与小腿调长杆19连接，所述小腿调长杆19通过在滑槽内移动来调节小腿的长度；所述膝关节助力器18一端与绑带固定板15连接，一端通过绑带与大腿调长杆16相连，既可以对小腿进行绑缚固定，又能减小运动中对膝关节的压力，防止膝关节损伤。
结合图5说明本实施方式，本实施方式所述踝关节组件5包括踝关节第一连接件23、万向节阻尼球头球铰27、踝关节第二连接件25、脚板24；所述踝关节第一连接件23底部开有通孔与万向节阻尼球头球铰27通过螺栓连接，侧边通孔通过螺栓连接固定在小腿调长杆19 上；所述万向节阻尼球头球铰27下端球体上开有螺纹孔，通过双头螺柱26与踝关节第二连接件25连接，可实现被动三自由度，满足人体踝关节活动范围和自由度的要求；所述踝关节第二连接件25为L形，一端开有螺纹孔与球铰相连，另一端开有通孔与脚板24通过螺栓固定连接；所述脚板质地柔软，与患者足部贴合，完成踝关节的康复运动
结合图6说明本实施方式，本实施方式所述躺床组件1包括支撑架29、床垫28、背垫33、头垫34、滚轮30、支撑座31、电机支撑板32；所述支撑架29呈工字型，底部一侧装有滚轮30，一侧装有支撑座31，方便移动和固定；所述床垫28与背垫33相连，床垫28底部与支撑架29固定连接；所述背垫33可根据患者需求调整倾斜角度，最大为180°，可保证患者完全躺平，适用于早期无法坐立训练的患者；所述电机支撑板32通过螺栓连接固定在支撑架29的中部，呈对称布置，用以支撑驱动电机42。
结合图7(a)(b)说明本实施方式，本实施方式所述动力装置8包括驱动电机42、谐波减速器39、电机第一固定块40、电机第二固定块41、电机轴端盖35、套索第一执行轮38、套索第二执行轮46、套索第一固定块43、套索第二固定块44、套索第三固定块45、套索第四固定块47、绳索36、绳索卡扣37、套管48；所述电机第一固定块40四角开有通孔与电机第二固定块41连接，中间通孔与谐波减速器39配合便于固定；所述电机第二固定块41一端为片状开有多个通孔，另一端呈条状与套索第一固定块43通过螺栓连接固定，且可以进行长度调节；所述套索第一执行轮38直接与谐波减速器39相连，侧面有环形槽口与所述绳索36贴合，绳索36由所述绳索卡扣37限制在槽内；所述套索第二固定块44两侧设有半圆形凹槽，中间开有螺纹孔与所述套索第一固定块43连接，限制绳索的大幅摆动；所述套索第三固定块45与所述套索第四固定块47通过螺栓固定连接。
结合图8(a)(b)说明本实施方式，本实施方式所述髋关节组件7包括髋关节前屈后伸固定板56、髋关节前屈后伸旋转轴50、轴承49、髋关节角度传感器55、髋关节角度传感器外壳 54、髋关节外展内收旋转轴51，第一带座轴承52、第二带座轴承53；所述髋关节前屈后伸固定板56一端为方形，中部开有通孔与髋关节外展内收旋转轴51相配合，一端为圆片状，中部开有通孔与髋关节前屈后伸旋转轴50相配合使之固定；所述髋关节前屈后伸旋转轴50为阶梯轴，一端与套索第二执行轮46配合传递驱动力，一端与大腿连接板13配合，主动驱动完成大腿的前屈/后伸运动；所述髋关节外展内收旋转轴51两端分别与第一带座轴承52、第二带座轴承53配合，由患者被动完成小幅度的外展/内收运动；所述第一、二带座轴承呈T字形并对称布置于髋关节外展内收旋转轴51两端，通过螺钉与腰部伸缩板固定连接。
结合图9(a)(b)说明本实施方式，本实施方式所述膝关节组件6包括膝关节前屈后伸旋转轴57、膝关节角度传感器58、膝关节角度传感器外壳59；所述膝关节前屈后伸旋转轴57为阶梯轴，一端与套索第二执行轮46配合传递驱动力，一端与小腿第一连接板21、小腿第二连接板配合22，主动驱动完成小腿的前屈/后伸运动。
结合图10说明本实施方式，本实施方式所述***提供基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式，训练过程中传感器检测***将数据上传至PC端，适用于不同损伤程度和康复阶段的患者。
所述康复训练流程为：
首先根据实际康复需求与医师建议选择单侧或双侧外骨骼机器人进行训练，之后患者躺在躺床上，利用绑缚结构将患肢与机器人固定好，通过PC端的人机交互界面，选择康复训练模式(包括被动训练和主动训练)、训练动作(直腿抬高、踝泵动作、屈膝屈髋、脚踏车动作等)、训练周期、训练强度以及训练时间等，确定安全后开始进行康复训练。
被动训练：对于康复初期的患者，其肌力处于0-1级，肌力严重不足，肌肉完全瘫痪，无收缩能力，选择基于轨迹牵引的被动训练模式。此时患者采取躺姿或半躺姿，***采用轨迹跟踪控制方法，使患肢在外骨骼机器人的牵引作用下，进行髋、膝某单关节的屈、伸运动训练或沿着预设的运动轨迹(以模仿生活中的某些运动轨迹为主)进行多关节协调训练，最后被动完成康复训练任务，以延缓肌肉萎缩，唤醒神经。
主动训练：患者经过前期的被动训练之后，患肢肌力得到恢复，各关节的运动较灵活，协调运动大致正常，部分运动功能恢复，康复训练的重心转移到增加患肢的肌力、耐力上，选择主动控制训练模式，***通过检测机器人与患者之间的人机交互力，将患者的主动运动意图融入康复训练过程，提高患者的主动参与程度和训练效果，实现患肢、神经和心理的同步康复治疗。
康复训练的同时，传感器检测***(力传感器、角度传感器、电极等)对患肢关键部位进行检测，采集关节角度、速度、加速度、人机之间的接触力、力矩等各项训练状态信息以及采集处理肌电信号获得肌疲劳特性、肌痉挛、肌萎缩等各种肌病的特征曲线，并上传显示在人机交互界面上，实时地记录、分析和反馈患肢的运动信息，让患者直观的看到自己的训练状况和康复水平，对康复效果进行客观评价。
综上所述，本发明提供了一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其中腰部组件和大、小腿组件均设有调长装置，可以根据患者需求自主调节腰部宽度和大、小腿长度，适用于不同身高和形态的患者；髋、膝关节处的电机、减速器等动力装置置于躺床底部，电机则依靠套索远距离驱动各个关节，实现机构的运动；髋关节具有2个自由度，其中外展/内收为被动自由度，前屈/后伸为主动自由度；膝关节具有1个前屈后伸主动自由度，设有膝关节保护器，其一端与绑带固定板连接，一端通过绑带与大腿调长杆相连，既可以对小腿进行绑缚固定，又能减小康复运动中对膝关节的压力，起到缓震减压的作用，防止膝关节损伤；踝关节位于外骨骼运动链末端，采用球铰结构与脚板连接，具有3个被动自由度，符合人体踝关节活动范围要求，保证患者正常进行踝关节旋转、踝泵运动等康复训练；躺床组件底端一侧为滚轮，一侧为支撑座，方便装置的移动和固定，同时背垫可根据患者需求调整倾斜角度，最大为 180°，可保证患者完全躺平，适用于早期无法坐立训练的患者；***提供基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式，帮助不同康复时期、康复程度的患者进行康复训练，同时患者可以通过PC端人机交互软件选择合适的训练模式、训练动作、训练强度以及训练时间等，也可实时的看到自己的训练状况和康复水平，对康复效果进行客观评价。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和改进。
Claims (10)
1.一种基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，基于预定轨迹牵引的被动训练模式和基于主动运动意图的主动训练模式进行康复训练，患者通过PC端进行人机交互操作；其特征在于：其机械结构包括大腿组件、小腿组件、腰部组件、髋关节组件、膝关节组件、踝关节组件、动力装置、躺床组件；
所述大腿组件包括大腿连接板、大腿连杆，大腿调长杆、绑带、绑带固定板；所述大腿连接板对称布置于大腿连杆两侧，一端与髋关节前屈后伸旋转轴相连接，中间通孔与髋关节前屈后伸旋转轴相配合，另一端与大腿连杆固定连接，将前屈后伸驱动力传导至大腿；所述大腿连杆中部设有方形槽口，槽内开有多个通孔与绑带固定板通过螺栓固定连接，一端设有长方形滑槽与大腿调长杆连接，所述大腿调长杆通过在滑槽内移动来调节大腿的长度，以满足不同身高人群的需求；所述绑带固定板为L型长板，开有多出通孔与所述绑带进行贴合以完成大腿的绑缚；
所述小腿组件包括小腿第一连接板、小腿第二连接板、小腿连杆、小腿调长杆、绑带固定板、膝关节保护器；所述小腿第一连接板一端与膝关节前屈后伸旋转轴相连接，一端与小腿连杆固定连接，将前屈后伸驱动力传导至小腿；所述小腿第二连接板与小腿第一连接板对称布置，一端连接大腿调长杆下端，中间通孔与膝关节前屈后伸旋转轴相配合，另一端与小腿连杆固定连接传递驱动力；所述小腿连杆中部设有方形槽口，槽内开有多个通孔与绑带固定板通过螺栓固定连接，一端设有长方形滑槽与小腿调长杆连接，所述小腿调长杆通过在滑槽内移动来调节小腿的长度；所述膝关节保护器一端与绑带固定板连接，一端通过绑带与大腿调长杆相连；
所述腰部组件包括腰部支撑板、腰部第一伸缩板、腰部第二伸缩板、腰带；所述腰部支撑板两端对称设有两排通孔与电机固定块通过螺栓连接，中间开有多个弧边方槽，分别与腰部第一伸缩板、腰部第二伸缩板连接实现腰部的宽度调节；所述腰部第一伸缩板与腰部第二伸缩板对称布置，其两端设有多个通孔，一端与腰带连接固定，另一端与髋关节组件相连，形状呈半月形与腰带贴合；所述腰带两侧与腰部伸缩板贴合，前端设有方形扣环；
所述髋关节组件包括髋关节前屈后伸固定板、髋关节前屈后伸旋转轴、轴承、髋关节角度传感器、髋关节角度传感器外壳、髋关节外展内收旋转轴，第一带座轴承、第二带座轴承；所述髋关节前屈后伸固定板一端为方形，中部开有通孔与髋关节外展内收旋转轴相配合，一端为圆片状，中部开有通孔与髋关节前屈后伸旋转轴相配合使之固定；所述髋关节前屈后伸旋转轴为阶梯轴，一端与套索第二执行轮配合传递驱动力，一端与大腿连接板配合，主动驱动完成大腿的前屈/后伸运动；所述髋关节外展内收旋转轴两端分别与第一、二带座轴承配合，由患者被动完成小幅度的外展/内收运动；所述第一、二带座轴承呈T字形并对称布置于髋关节外展内收旋转轴两端，通过螺钉与腰部伸缩板固定连接；
所述膝关节组件包括膝关节前屈后伸旋转轴、膝关节角度传感器、膝关节角度传感器外壳；所述膝关节前屈后伸旋转轴为阶梯轴，一端与套索执行轮配合传递驱动力，一端与小腿第一、第二连接板配合，主动驱动完成小腿的前屈/后伸运动；
所述踝关节组件包括踝关节第一连接件、万向节阻尼球头球铰、踝关节第二连接件、脚板；所述踝关节第一连接件底部开有通孔与万向节阻尼球头球铰通过螺栓连接，侧边通孔通过螺栓连接固定在小腿调长杆上；所述万向节阻尼球头球铰下端球体上开有螺纹孔，通过双头螺柱与踝关节第二连接件连接，可实现被动三自由度，满足人体踝关节活动范围和自由度的要求；所述踝关节第二连接件为L形，一端开有螺纹孔与球铰相连，另一端开有通孔与脚板通过螺栓固定连接；所述脚板质地柔软，与患者足部贴合，完成踝关节的康复运动；
所述动力装置包括驱动电机、减速器、电机第一固定块、电机第二固定块、电机轴端盖、套索第一执行轮、套索第二执行轮、套索第一固定块、套索第二固定块、套索第三固定块、套索第四固定块、绳索、绳索卡扣、套管；所述驱动电机的输出轴与减速器内部的可变形抱箍通过锁紧螺丝抱紧连接，由减速器实现减速传动；所述减速器输出轴与套索第一执行轮中间孔相配合，由平键将输出轴的驱动力矩传递到套索第一执行轮；所述电机第一固定块四角开有通孔与电机第二固定块连接，中间通孔与减速器配合便于固定；所述电机第二固定块一端为片状开有多个通孔，另一端呈条状与套索第一固定块通过螺栓连接固定，且可以进行长度调节；所述套索第一执行轮侧面有环形槽口与所述绳索贴合，绳索由所述绳索卡扣限制在槽内；所述套索第二固定块两侧设有半圆形凹槽，中间开有螺纹孔与所述套索第一固定块连接，限制绳索的大幅摆动；所述套索第三固定块与所述套索第四固定块通过螺栓固定连接。
2.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述大腿连杆、小腿连杆下端均设有长方形滑槽，大腿、小腿调长杆在滑槽内可自由移动。
3.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述绑带内含透气网孔。
4.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述腰部支撑板中间开有多个弧边方槽，分别与腰部第一、二伸缩板连接，伸缩板可以沿方槽向两边移动来调节腰部的宽度，同时腰部伸缩板可以拆卸。
5.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述髋关节外展内收旋转轴两端分别与第一、二带座轴承配合并固定于腰部伸缩板上，由患者被动完成小幅度的外展/内收运动。
6.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述膝关节保护器正面装有与膝关节贴合的绑带，背面装有三根扭簧为患者提供支持力，一端与绑带固定板连接，一端通过绑带与大腿调长杆相连。
7.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述绑带固定板为L型长板，一端通过螺栓连接固定在大腿连杆上，另一端开有多处通孔可与绑带固定，通过调节绑带的松紧程度使其与大腿贴合；绑带内部均设置有压力传感器，反馈人机交互力的大小。
8.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述PC端上位机的人机交互界面实时地记录、分析和反馈患肢的运动信息，让患者直观的看到自己的训练状况和康复水平，对康复效果进行客观评价。
9.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述髋、膝关节处驱动电机预先设定训练过程中关节角度、角速度等关键参数的范围，一旦超出该范围，机器人立即停止训练并报警。
10.一种如权利要求1所述的基于套索驱动的卧式下肢康复机器人，其特征在于，所述髋、膝关节内部均置有角度传感器，反馈关节旋转角度信息。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 新型卧式下肢康复训练机器人机械***设计;方涛涛;韩建海;王会良;尤爱民;;中国康复医学杂志;20130315(03);全文 * |
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