一種五自由度混聯下肢康復機器人的製作方法

2023-05-14 04:53:01

專利名稱：一種五自由度混聯下肢康復機器人的製作方法
技術領域：
本發明屬於醫療康復機械技術領域，描述了一種適用於下肢康復治療的五自由度混聯康復機器人，可模擬下肢行走、腳踝活動等實際康復運動，能有效實現下肢偏癱及下肢運動機能損傷等類似病症患的康復訓練功能。
背景技術：
目前，我國和世界許多國家一樣，正逐步步入老齡化社會，在老齡人群中腦血管、神經系統疾病多發，多數有偏癱的症狀。同時，因為交通事故而造成的神經損傷或肢體損傷的人數也越來越多。特別是下肢運動技能損傷，嚴重影響了患者的日常生活。這類患者除了早期手術、藥物治療外，後期的科學康復訓練對下肢恢復治療起著非常重要的作用。傳統的康復訓練依賴於治療師的一對一徒手操作，不僅浪費時間，而且效率低下。在這種背景下，康復訓練機器人應運而生，它的主要功能是代替治療師幫助患者完成運動機能的恢復訓練，如行走訓練。對於中風、下肢機能損傷患者來說，下肢康復訓練機器人能達到很好的治療效果。目前現有的下肢康復機器人基本均為主動式機器人，例如:申請號為201120422008.9的中國專利申請公開一種下肢康復踏步機，添加了阻尼滑輪等，結構複雜，控制麻煩，需要患者本身較高的活動機能，但對患者的前期恢復未給予足夠重視，這樣對於處在前期康復的患者不僅很難達到預期的康復效果，甚至會對病人的病情產生不良影響。本發明提出的混聯式空間五自由度下肢康復機器人可以實現腳踝關節前後、左右、上下轉動，以及下肢上下、前後 移動的5個動作，真實模擬人體下肢及足的行走的多自由度複雜運動。相比傳統的下肢康復機器人，該機器人結構簡單，運行平穩，容易控制，患者不僅在康復後期可進行主動下肢康復訓練，而且在康復前期可進行被動的下肢關節康復活動，使康復訓練具有延續性，更好的達到下肢康復訓練效果。

發明內容
本發明提出了一種混聯式空間五自由度下肢康復機器人，康復前期可使患者被動進行腳踝運動、行走的康復訓練，康復後期患者主動進行下肢運動恢復訓練，有效實現針對患者恢復前、後期的不同狀況下的複合下肢康復訓練治療。本發明是通過以下技術方案實現的:設計一種適應於腳踝及下肢關節康復訓練的混聯式空間五自由度康復機器人，它能實現繞X、Y、Z軸的姿態轉動及沿Y、Z軸的移動，真實模擬人體下肢及足行走的多自由度複雜運動，幫助患者更好的進行下肢康復訓練。本發明一種五自由度混聯下肢康復機器人，其特徵是:包括機架和兩個運動平臺；所述機架由底座和支架串聯而成，底座前後方向設置兩根平行的移動導軌；支架包括四條支鏈，分別為支撐鏈A、支撐鏈B、扶手鍊A、扶手鍊B ;所述支撐鏈A和支撐鏈B結構相同，由三根杆件由下至上依次通過移動副Pl和轉動副Rl串聯組成，所述支撐鏈A和支撐鏈B的下端垂直連接在底座的左右兩側；所述扶手鍊A和扶手鍊B結構相同，由四根杆件由下至上依次通過移動副P2、轉動副R2和移動副P3串聯組成，所述扶手鍊A和扶手鍊B的下端垂直連接在底座前端，所述扶手鍊A和扶手鍊B的上端通過一根杆件固定連接；所述兩個運動平臺結構相同，運動平臺由下平臺、運動鏈A、運動鏈B、支撐鏈C、上平臺組成，所述運動鏈A由移動副P6、轉動副R3、圓柱副Cl組成，所述移動副P6的下端與下平臺固定連接，移動副P6的下端的上端通過轉動副R3與圓柱副Cl連接，圓柱副Cl的側面與上平臺固定連接；運動鏈B由圓柱副C2、轉動副R4、圓柱副C3、轉動副R5組成，圓柱副C2的下端與下平臺固定連接，圓柱副C2的上端通過轉動副R4與圓柱副C3連接，圓柱副C3的側面與上平臺固定連接；支撐鏈C由支撐杆和萬向節U組成，支撐杆的下端與下平臺固定連接，支撐杆的上端通過萬向節U與上平臺連接；所述下平臺的底部通過轉動驅動R與移動副P5連接，移動副P5通過移動副P4連接移動導軌上。所述運動平臺的運動鏈A、運動鏈B、支撐鏈C與下平臺垂直，支撐鏈C通過下平臺中心，初始位置當動平臺與下平臺保持水平時，運動鏈A的圓柱副Cl的軸線和運動鏈B的圓柱副C3的軸線分別與萬向節U的兩個轉動軸線相重合。支撐鏈A、支撐鏈B、扶手鍊A、扶手鍊B的角度長短根據患者的訓練位置調節。。兩個運動平臺完全相同，分別實現左、右下肢的運動，康復訓練時，人體足部與兩個運動平臺上平臺接觸並固定。通過移動副P4、移動副P5以及轉動驅動R組成的傳動鏈串聯連接在底座移動導軌上。運動平臺由上平臺、下平臺、運動鏈A、運動鏈B、支撐鏈C組成，其中運動鏈A由移動副P6、轉動副R3、圓柱副Cl組成，運動鏈B由圓柱副C2、轉動副R4、圓柱副C3、轉動副R5組成，支撐鏈C由支撐杆、萬向節U組成。其中移動副P6、圓柱副C2、支撐杆豎直固接在下平臺上，圓柱副Cl、轉動副R5、萬向節U連接在上平臺上。三條支鏈垂直分布，且呈直角三角形，即Z AOB為直角；裝配時初始位置保證當動平臺與下平臺保持水平時，運動鏈A的圓柱副Cl的軸線和運動鏈B的圓柱副C3的軸線分別於萬向節的兩個轉動軸線相重合。本發明的有益效果:本發明實現了 X、Y、Z向轉動，以及Y、Z向的移動，模擬再現下肢行走、腳踝活動等實際康復運動。通過支撐架可以使患者在下肢缺乏一定運動機能無法支撐身體時對人體起到支撐作用，並且通過機器人的運動進行被動性的康復按摩訓練，即前期被動康復訓練，而在後期，當患者的下肢肌體得到了一定程度的恢復後，機構提供一定阻尼，患者可以藉助扶手架 輔助身體平衡，通過主動運動使得患者的下肢得到力量性恢復訓練，即後期主動康復訓練。所以此機器人能更好更全面的為患者提供康復訓練，並且結構簡單，相對剛度大，成本低廉。


圖1為五自由度下肢康復機器人結構圖。圖2、3為兩自由度並聯平臺結構簡圖。圖4為五自由度下肢康復機器人結構示意圖。圖中，1，底座；2，支撐鏈A ;3，支撐鏈B ;4，扶手鍊A ;5，扶手鍊B ;6，傳動鏈；7，下平臺；8，運動鏈A ;9，運動鏈B ; 10，支撐鏈C ; 11，萬向節；12，上平臺。
具體實施例方式本發明中所提及的五自由度下肢康復機器人由機架及兩個運動平臺三部分組成，它可以實現Y、Z軸向移動及繞X、Y、Z軸轉動。其中機架由底座I和支架串聯而成，底座I內部平行分布兩移動導軌；支架包括四條支鏈，分別為支撐鏈A 2、支撐鏈B 3、扶手鍊A 4、扶手鍊B 5 ;其中支撐鏈A 2、支撐鏈B 3結構相同，由移動副P1、轉動副Rl串聯組成，垂直連接在底座左右兩端，扶手鍊A 4、扶手鍊B 5結構也相同，由移動副P2、轉動副R2、移動副P3串聯組成，垂直連接在底座前端。這樣可以使支撐鏈實現Z向移動及Y向轉動，使扶手鍊實現Y、z向移動及X向轉動，可以根據患者不同需要調節支架位置。兩個運動平臺完全相同，分別控制兩下肢的運動。通過移動副Ρ4、移動副Ρ5以及轉動驅動R組成的傳動鏈6分別串聯在底座的兩個移動導軌上。移動副Ρ4可實現下肢沿Y向行走移動，移動副Ρ5可實現下肢沿Z向的抬足運動，轉動驅動R副可實現足踝繞Z軸的轉動。運動平臺由下平臺7、運動鏈A 8、運動鏈B 9、支撐鏈C 10、上平臺12組成，其中運動鏈A 8由移動副Ρ6、轉動副R3、圓柱副Cl組成，運動鏈B 9由圓柱副C2、轉動副R4、圓柱副C3、轉動副R5組成，支撐鏈C 10由支撐杆和萬向節U 11組成。移動副Ρ6、圓柱副C2、支撐杆固接在下平臺7上，圓柱副Cl、轉動副R5、萬向節U 11連接在上平臺12上。三條支鏈垂直分布，且支撐鏈10通過下平臺7中心，裝配時初始位置保證當動平臺12與下平臺7保持水平時，運動鏈A 8的圓柱副Cl的軸線和運動鏈B 9的圓柱副C3的軸線分別於萬向節的兩個轉動軸線相重合，從而實現上平臺繞X、Y向的轉動。本發明中，傳動鏈6及運動鏈A 8、運動鏈B 9為主動運動鏈，傳動鏈6的驅動為移動副Ρ4、Ρ5及轉動驅動R，運動鏈A 8、運動鏈B 9的驅動分布為轉動副R3、R4。因此，該五自由度下肢康復機器人可以實現X、Y、Z向轉動，以及Υ、Ζ向的移動，模擬再現下肢行走、腳踝活動等實際康復運動。本發明中所描述的五自由度下肢康復機器人適用於各種不同患者，按照患者要求調節支撐架、扶手架的位置。扶手架與支撐架的角度長短均可調，滿足不同患者的訓練位置需求。並且考慮到患者前後期康復狀 況不同，設計了前後期都適用的康復機器人。通過支撐架可以使患者在下肢無法支撐人體時對人體起到支撐作用，並且通過機器人的運動進行被動性的康復按摩訓練，即前期被動康復訓練，而在後期，當患者的下肢肌體得到了一定程度的恢復後，機構提供一定阻尼，患者可以藉助扶手架輔助身體平衡，通過主動運動使得患者的下肢得到力量性恢復訓練，即後期主動康復訓練。所以此機器人能更好更全面的為患者提供康復訓練，並且結構簡單，操作方便，相對剛度大，成本低廉。
權利要求
1.一種五自由度混聯下肢康復機器人，其特徵是:包括機架和兩個運動平臺；所述機架由底座(I)和支架串聯而成，底座(I)前後方向設置兩根平行的移動導軌；支架包括四條支鏈，分別為支撐鏈A (2)、支撐鏈B (3)、扶手鍊A (4)、扶手鍊B (5);所述支撐鏈A (2)和支撐鏈B (3)結構相同，由三根杆件由下至上依次通過移動副Pl和轉動副Rl串聯組成，所述支撐鏈A (2)和支撐鏈B (3)的下端垂直連接在底座的左右兩側；所述扶手鍊A (4)和扶手鍊B (5)結構相同，由四根杆件由下至上依次通過移動副P2、轉動副R2和移動副P3串聯組成，所述扶手鍊A (4)和扶手鍊B (5)的下端垂直連接在底座前端，所述扶手鍊A (4)和扶手鍊B (5)的上端通過一根杆件固定連接；所述兩個運動平臺結構相同，運動平臺由下平臺(7)、運動鏈A (8)、運動鏈B (9)、支撐鏈C (10)、上平臺(12)組成，所述運動鏈A(S)由移動副P6、轉動副R3、圓柱副Cl組成，所述移動副P6的下端與下平臺(7)固定連接，移動副P6的下端的上端通過轉動副R3與圓柱副Cl連接，圓柱副Cl的側面與上平臺(12)固定連接；運動鏈B (9)由圓柱副C2、轉動副R4、圓柱副C3、轉動副R5組成，圓柱副C2的下端與下平臺(7)固定連接，圓柱副C2的上端通過轉動副R4與圓柱副C3連接，圓柱副C3的側面與上平臺(12)固定連接；支 撐鏈C(IO)由支撐杆和萬向節U (11)組成，支撐杆的下端與下平臺(7)固定連接，支撐杆的上端通過萬向節U (11)與上平臺(12)連接；所述下平臺(7)的底部通過轉動驅動R與移動副P5連接，移動副P5通過移動副P4連接移動導軌上。
2.根據權利要求1所述一種五自由度混聯下肢康復機器人，其特徵是:所述運動平臺的運動鏈A (8)、運動鏈B (9)、支撐鏈C (10)與下平臺垂直，支撐鏈C (10)通過下平臺(7)中心，初始位置當動平臺(12)與下平臺(7)保持水平時，運動鏈A (8)的圓柱副Cl的軸線和運動鏈B (9)的圓柱副C3的軸線分別與萬向節U的兩個轉動軸線相重合。
3.根據權利要求1所述一種五自由度混聯下肢康復機器人，其特徵是:所述支撐鏈A(2)、支撐鏈B (3)、扶手鍊A (4)、扶手鍊B (5)的角度長短根據患者的訓練位置調節。
全文摘要
本發明公開了一種五自由度混聯下肢康復機器人，屬於醫療康復機械技術領域，實現繞Ｘ、Ｙ、Ｚ軸的姿態轉動及沿Ｙ、Ｚ軸向移動，真實模擬人體下肢及足的行走的多自由度複雜運動。本發明包括機架和兩個運動平臺，機架由底座和支架串聯而成。在康復前期，患者可以在支撐架的幫助下保持平衡，被動的進行下肢關節活動的康復訓練；在康復後期，患者又可以在扶手架的幫助下主動進行行走等康復運動，這樣更有效更有延續性的為患者提供康復訓練。本發明功能全面、結構簡單、操作方便、適用於不同患者的不同訓練階段，使下肢行動機能損傷的患者更有效更全面更有延續性的進行康復訓練。
文檔編號A63B21/00GK103083157SQ20131002262
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者楊啟志, 姚斌斌, 曹電鋒, 吳偉光, 宋俊朋, 趙金海 申請人:江蘇大學