下肢康復訓練機器人的製作方法

2023-05-19 23:46:01 4

專利名稱：下肢康復訓練機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種下肢康復訓練機器人，屬於醫療器械。用於心腦血管疾病致癱或因意外事故等造成的下肢體損傷的患者做下肢康復訓練。
下肢康復訓練機器人包括機座、護欄、重力平衡系統、左腳步態與姿態協調機構、右腳步態與姿態協調機構、動力源、計算機系統和控制臺。其中機座包括輪、平臺和機箱，四個輪裝於平臺的下表面，便於移動。機箱是位於平臺後部的方形箱體，內裝動力源和計算機系統。護欄安裝於平臺四周，由立杆、橫杆和扶手組成，扶手高度可根據患者的身高調整，扶手上裝有控制臺，上邊提供功能鍵和狀態顯示，供患者自主選擇。重力平衡系統包括承重背心、吊環、吊纜、前後滑輪、偏心輪、環形纜線和立柱，立柱上端有一水平段，供安裝前、後滑輪用，下部穿過機座後部的機箱固定於機座的平臺上。患者站立於護欄內，穿上承重背心後用吊環、吊纜連接並繞過前後滑輪繫於繞過偏心輪的環形纜線上，雙腳踩在左、右腳步態與姿態協調機構的腳踏板上。這樣當偏心輪轉動時，只要偏心輪的偏心距和在輪軸上安裝角適當，吊纜就會牽動人體重心做與步行同步的上下移動，進而實現重心自動調整和重力的自動平衡。
左腳步態與姿態協調機構和右腳步態與姿態協調機構有相同的組成，只是安裝時兩腳在相位上相差180°，即左腳在前時，右腳應在後，其中以左腳步態控制系統為例，它包括曲柄、連杆、腳踏板、導軌、滾輪、力放大杆和直線位移伺服機構。其中導軌固定於機座平臺的上表面，滾輪裝於連杆的一端搭放在導軌上並可沿導軌來回滑動，連杆的另一端與曲柄端部鉸接，形成一個曲柄連杆機構，它的運動決定了腳的步態。腳踏板中點鉸接在連杆的滾輪側，直線位移伺服機構的一端鉸接在曲柄側的連杆上，而其另一端與力放大杆的杆端鉸接，力放大杆的另一端抵在腳踏板上。這樣當曲柄轉動一周時，腳踏板與連杆的鉸接點的軌跡為一橢圓，與正常人行走軌跡相近。直線位移伺服機構可採用常規的直線伺服電機或迥轉直流電機與絲槓、螺母組成的直線伺服機構，當直線位移伺服機構與力放大杆的鉸接點做直線運動時，力放大杆的另一端帶動腳踏板繞其中點鉸鏈轉動，從而決定了腳的姿態。
動力源包括伺服電機、減速器、主動軸、小齒形帶輪、傳感器以及從動軸、大齒形帶輪和齒形帶。其中傳感器、伺服電機、減速器、小齒形帶輪同軸線順次安裝在主動軸上。重力平衡系統中的偏心輪也固定於主動軸端。從動軸與主動軸平行安裝，中部固裝大齒形帶輪，兩側分別固裝左、右腳步態與姿態協調機構中的曲柄，兩者空間夾角為180°，以保證運動過程中左腳在前時右腳在後。大小齒形輪用齒形帶包繞，整個動力源通過軸承支座固裝在機座上的機箱內。
控制左、右腳步態與姿態協調機構動作的是計算機系統，它包括主機、電源、D/A接口、通訊接口、交流調速器、單片機和PWM放大器(左、右腳各一套)。其中電源將AC220V轉換為DC5V和DC24V，分別供給主機和2個PWM放大器。主機接收來自動力源中傳感器的角位移和角速度信號，通過D/A接口和交流調速器控制伺服電機的運轉構成一個閉環調速系統，實現步態調整；與此同時主機又通過通訊接口同時向兩個單片機發出指令，產生控制信號，經PWM放大器放大後控制左、右腳直線位移伺服機構驅動腳踏板運動，做姿態調整並與上述的步態運動保持一定的函數關係。每組單片機、PWM放大器與直線位移伺服機構亦構成一個局部自主閉環位置伺服系統。
如


圖1、圖2所示，下肢康復訓練機器人包括機座(1)、護欄(2)、重力平衡系統(3)、左腳步態控制系統(4)、右腳步態控制系統(5)、動力源(6)、計算機系統(7)和控制臺(8)。其中機座(1)包括輪(11)、平臺(12)和機箱(13)，四個輪(11)裝於平臺(12)的下表面。機箱(13)是位於平臺(12)後部的方形箱體，內裝動力源(6)和計算機系統(7)。護欄(2)由立杆(21)、橫杆(22)和扶手(23)組成，安裝於平臺(12)四周。扶手(23)高度可根據患者的身高調整，控制臺(8)固裝其上。控制臺(8)上提供功能鍵和狀態顯示屏，供患者自主選擇。重力平衡系統(3)包括立柱(31)、承重背心(32)、吊環(33)、吊纜(34)、前後滑輪(35)和(36)、偏心輪(37)、環形纜線(38)。立柱(31)上端有一水平段供安裝前、後滑輪(35)、(36)用，下部穿過機座(1)後部的機箱(13)固定於平臺(12)上。患者站立於護欄(2)內，穿上承重背心(32)後用吊環(33)、吊纜(34)繞過前、後滑輪(35)和(36)繫於在偏心輪(37)的環形纜線(38)上，雙腳踩在左、右腳步態與姿態協調機構(4)、(5)的腳踏板(43)、(53)上。
左腳步態與姿態協調機構(4)和右腳步態與姿態協調機構(5)有相同的組成，只是安裝時須保證兩腳在相位上相差180°，即左腳在前時，右腳應在後。左腳步態與姿態協調機構(4)包括曲柄(41)、連杆(42)、腳踏板(43)、導軌(44)、滾輪(45)、直線位移伺服機構(46)和力放大杆(47)。其中導軌(44)固定於平臺(12)上表面，滾輪(45)裝於連杆(42)的一端，搭放在導軌(44)上並可沿導軌(44)來回滑動，連杆(42)的另一端與曲柄(41)端部鉸接，形成一個曲柄連杆機構。腳踏板(43)中點鉸接在連杆(42)的滾輪(45)側。直線位移伺服機構(46)的一端鉸接在曲柄(41)側的連杆(42)上，而其另一端與力放大杆(47)的杆端鉸接，力放大杆(47)的另一端抵在腳踏板(43)上。這樣當曲柄(41)轉動一周時，腳踏板(43)與連杆(42)的鉸接點的軌跡為一橢圓。直線位移伺服機構(46)可採用常規的直線伺服電機或迥轉直流電機與絲槓、螺母組成的直線伺服機構。右腳步態與姿態協調機構(5)包括曲柄(51)、連杆(52)、腳踏板(53)、導軌(54)、滾輪(55)、直線位移伺服機構(56)和力放大杆(57)，其連接方式同左腳步態與姿態協調機構(4)。
動力源(6)包括伺服電機(61)、減速器(62)、主動軸(63)、小齒形帶輪(64)、傳感器(65)以及從動軸(66)、大齒形帶輪(67)和齒形帶(68)。其中傳感器(65)、伺服電機(61)、減速器(62)、小齒形帶輪(64)同軸線順次安裝在主動軸(63)上。重力平衡系統(3)中的偏心輪(37)也固定於主動軸(63)端。從動軸(66)與主動軸(63)平行安裝，中部固裝大齒形帶輪(67)，兩側分別固裝左、右腳步態與姿態協調機構(4)和(5)中的曲柄(41)、(51)，兩者空間夾角為180°，以保證運動過程中左腳在前時右腳在後。大小齒形帶輪(67)、(64)用齒形帶(68)包繞，整個動力源(6)通過軸承、支座(圖中未示出)固裝在機座(1)後邊的機箱(13)內。
控制左、右腳步態與姿態協調機構(4)、(5)動作的是計算機系統(7)。如圖3所示，它包括主機(71)、電源(72)、D/A接口(73)、通訊接口(74)、交流調速器(75)、2個單片機(76)與(77)和2個PWM放大器(78)與(79)。其中電源(72)將AC220V轉換為DC5V和DC24V，分別供給主機(71)和2個PWM放大器(78)與(79)。主機(71)接收來自動力源(6)中傳感器(65)的角位移和角速度信號，通過D/A接口(73)和交流調速器(75)控制動力源(6)中的伺服電機(61)的運轉，構成一個閉環調速系統，實現步態調整。與此同時，主機(71)又通過通訊接口(74)同時向2個單片機(76)、(77)發出指令，產生控制信號，經2個PWM放大器(78)與(79)放大後控制左、右腳直線位移伺服機構(46)與(56)驅動左、右腳腳踏板(43)與(53)做姿態調整並與上述的步態運動保持一定的函數關係。每組單片機(76)或(77)、PWM放大器(78)或(79)與直線位移伺服機構(46)或(56)也構成一個局部自主閉環位置伺服系統。計算機系統(7)安裝於機箱(13)內(圖中未示出)。
控制臺(8)的檯面上布置功能鍵(81)和狀態顯示屏(82)供使用者選擇。功能鍵(81)發出的信息通過電纜進入主機(71)並在狀態顯示屏(82)上顯示。
本實用新型用於心腦血管疾病致癱或因意外事故等造成的下肢體損傷患者做下肢體康復訓練，也可用於健康老年人的體育鍛鍊。
權利要求1.一種下肢康復訓練機器人，它包括機座(1)、護欄(2)、重力平衡系統(3)、左腳步態與姿態協調機構(4)、右腳步態與姿態協調機構(5)、動力源(6)、計算機系統(7)和控制臺(8)；其特徵在於機座(1)包括輪(11)、平臺(12)和機箱(13)，四個輪(11)裝於平臺(12)的下表面，機箱(13)是位於平臺(12)後部的方形箱體；護欄(2)由立杆(21)、橫杆(22)和扶手(23)組成，安裝於平臺(12)四周，扶手(23)高度可根據患者的身高調整；重力平衡系統(3)包括立柱(31)、承重背心(32)、吊環(33)、吊纜(34)、前後滑輪(35)與(36)、偏心輪(37)、環形纜線(38)；其中立柱(31)上端有一水平段供安裝前、後滑輪(35)與(36)用，下部穿過機座(1)後部的機箱(13)固定於平臺(12)上；患者站立於護欄(2)內，穿上承重背心(32)後用吊環(33)、吊纜(34)繞過前、後滑輪(35)與(36)繫於在偏心輪(37)的環形纜線(38)上，雙腳踩在左、右腳步態與姿態協調機構(4)、(5)的腳踏板(43)、(53)上；動力源(6)通過軸承、支座固裝在機座(1)後邊的機箱(13)內，計算機系統(7)亦安裝於機箱(13)內，控制臺(8)固裝在扶手(23)上。
2.如權利要求1所述的下肢康復訓練機器人，其特徵在於左腳步態與姿態協調機構(4)和右腳步態與姿態協調機構(5)有相同的組成，只是安裝時須保證兩腳在相位上相差180°，即左腳在前時，右腳應在後；左腳步態與姿態協調機構(4)包括曲柄(41)、連杆(42)、腳踏板(43)、導軌(44)、滾輪(45)、直線位移伺服機構(46)和力放大杆(47)，其中導軌(44)固定於平臺(12)上表面，滾輪(45)裝於連杆(42)的一端，搭放在導軌(44)上，並可沿導軌(44)來回滑動，連杆(42)的另一端與曲柄(41)端部鉸接，形成一個曲柄連杆機構，腳踏板(43)中點鉸接在連杆(42)的滾輪(45)側，直線位移伺服機構(46)的一端鉸接在曲柄(41)側的連杆(42)上，而其另一端與力放大杆(47)的杆端鉸接，力放大杆(47)的另一端抵在腳踏板(43)上，這樣當曲柄(41)轉動一周時，腳踏板(43)與連杆(42)的鉸接點的軌跡為一橢圓，直線位移伺服機構(46)可採用常規的直線伺服電機或迥轉直流電機與絲槓、螺母組成的直線伺服機構；右腳步態與姿態協調機構(5)包括曲柄(51)、連杆(52)、腳踏板(53)、導軌(54)、滾輪(55)、直線位移伺服機構(56)和力放大杆(57)，其連接方式同左腳步態與姿態協調機構(4)。
3.如權利要求1所述的下肢康復訓練機器人，其特徵在於動力源(6)包括伺服電機(61)、減速器(62)、主動軸(63)、小齒形帶輪(64)、傳感器(65)以及從動軸(66)、大齒形帶輪(67)和齒形帶(68)，其中傳感器(65)、伺服電機(61)、減速器(62)、小齒形帶輪(64)同軸線順次安裝在主動軸(63)上，重力平衡系統(3)中的偏心輪(37)也固定於主動軸(63)端，從動軸(66)與主動軸(63)平行安裝，中部固裝大齒形帶輪(67)，兩側分別固裝左、右腳步態與姿態協調機構(4)和(5)中的曲柄(41)、(51)，兩者空間夾角為180°，以保證運動過程中左腳在前時右腳在後，大小齒形帶輪(67)、(64)用齒形帶(68)包繞。
專利摘要本實用新型涉及一種下肢康復訓練機器人，屬於醫療器械。它包括機座、護欄、重力平衡系統、左右腳步態與姿態協調機構、動力源、計算機系統和控制臺。根據康復醫學理論和人機合作機器人原理，通過一套人體站立重力平衡系統和計算機控制下的步態與姿態協調機構的有序動作使患者在站立情況下模擬正常人的步伐規律自主地操作控制臺上的鍵盤進行肌肉鍛鍊和行走功能訓練，運動速度和強度也可根據患者患病的輕重和患者體能自主調整，無需他人過多的介入即可達到最佳康復鍛鍊效果。本實用新型用於心腦血管疾病致癱或因意外事故等造成的下肢體損傷患者做下肢體康復訓練，也可用於健康老年人的體育鍛鍊。
文檔編號A63B23/04GK2558375SQ0225161
公開日2003年7月2日 申請日期2002年8月14日 優先權日2002年8月14日
發明者張立勳, 張今瑜 申請人:哈爾濱工程大學