一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構的製作方法

2023-10-09 12:58:04

專利名稱：一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，可以作為穿戴型下肢康復訓練機器人系統的基本組成單元，用於對下肢偏癱或下肢運動功能損傷的患者進行康復訓練，以幫助患者恢復下肢運動功能和正常步態的重建。
背景技術：
減重步行訓練是下肢康復醫療採用的主要方法，由吊帶承受患者部分體重以減少下肢的負荷，並在醫師幫助下藉助於運動平板進行康復訓練。訓練過程中一般需要兩名醫師相互協調，一名醫師幫助患者完成下肢擺動和足-板接觸運動，另一名醫師保持患者直立並幫助患者進行髖伸展。減重步行訓練可以獲得較為理想的下肢康復醫療效果，但在很大程度上取決於醫師的臨床經驗。另外，減重步行訓練還需要在特定環境中進行，訓練過程中醫師的工作強度大、佔時較長、效率較低。由於專業人員的缺乏，很多患者只能選擇自行訓練，往往因方法不夠科學或訓練量不足導致康復效果不夠理想。為彌補專業人員的不足，減輕醫師工作強度並為患者提供及時有效的醫療服務。自上世紀九十年代以來，一些研究機構相繼開展了穿戴型下肢康復訓練機器人系統的研製工作。穿戴型下肢康復訓練機器人系統可以顯著降低醫師的工作強度，並具有訓練參數重複性好、訓練指標可根據需要設定以及能夠有效加快下肢康復進程等優點。穿戴型下肢康復訓練機器人系統主要由減重裝置、運動平板和下肢康復訓練機器人等組成。下肢康復訓練的過程是患者穿戴下肢康復訓練機器人機構並經吊帶減重後，機器人機構根據預先規劃的運動規律導引下肢協同運動進行康復訓練。現有研製的有代表性的穿戴型下肢康復訓練機器人系統主要有蘇黎士 Balgrist醫學康復中心與Hocoma醫療器械公司研製的L0K0MAT系統，荷蘭Twente大學生物醫學工程研究所研製的LOPES系統和美國德拉瓦大學機械工程系統實驗室研製的ALEX系統等。其中，已有部分穿戴型下肢康復訓練機器人系統(如L0K0MAT系統)開始進入臨床應用階段。穿戴型下肢康復訓練機器人系統是典型的人-機一體化系統，為保證康復訓練過程中人-機系統的安全性，要求下肢康復訓練機器人機構與人體下肢之間具有良好的運動相容性，以避免人-機之間在連接(穿戴)部位產生較強的相互作用以及由此導致的人-機運動幹涉和安全問題。從現有下肢康復訓練機器人機構的結構組成看，機器人機構的髖關節多採用單自由度轉動關節(如L0K0MAT系統中的機器人機構)或兩個單自由度轉動關節(如LOPES系統中的機器人機構)通過高副低代來進行運動等效，膝關節均為單自由度轉動關節，各關節軸線擬人體下肢對應關節的結構與運動功能進行分解布位。機器人機構中構件的尺度參數則根據人體下肢骨胳的比例和長度確定，或構件設計成可調節式以增強對人體下肢尺度的適應性。在人-機連接(穿戴)方式上，均採用機器人機構與人體下肢在大、小腿的中下部通過固聯於機器人構件的綁帶或穿戴件以緊緻穿戴的形式相連接。根據人體解剖學，人體下肢骨胳的髖關節為如圖1所示的三自由度球窩關節，膝關節為圖2所示的單自由度滑車球狀關節，膝關節在繞其自身軸線轉動的同時還伴生有軸線的滑移運動。顯然，現有下肢康復訓練機器人機構與人體下肢在關節形式以及關節運動屬性上是不同的，區別在於人體下肢髖關節的運動為繞球窩中心的三自由度轉動，膝關節為單自由度滑車球狀關節，膝關節在轉動的同時其關節軸線還存在有滑移運動，而下肢康復訓練機器人機構各關節的運動只能是繞其自身軸線的轉動。當人體下肢與機器人機構在大、小腿的中下部穿戴連接(穿戴)後，人體下肢與機器人機構形成封閉的空間運動鏈。由於兩者在關節形式及關節運動屬性上的差異，容易出現運動學意義上的不相容現象，導致人-機之間在連接部位發生運動幹涉與衝突。若人-機在大、小腿連接部位為無相對運動的緊緻連接，僅由於兩者在膝關節運動屬性上的差異就可能導致人-機之間發生運動衝突，原因是人-機在大、小腿處連接後形成的局部閉鏈的理論自由度為零。如果允許在人-機連接部位處有很小的彈性變形(人體下肢連接部位的軟組織彈性變形)，則在康復訓練過程中當人-機之間大、小腿的相對位形偏離到一定幅度時，因連接部位的彈性變形過大，也必然會出現運動幹涉現象，導致康復訓練難以進行或出現安全問題。因此，應該綜合考慮下肢康復訓練機器人機構與人體下肢在關節形式、關節運動屬性上的差異以及人-機之間連接形式等對人-機系統運動相容性的影響，從人-機系統的整體角度出發進行下肢康復訓練機器人機構的設計，以改善機器人機構與人體下肢之間的運動相容性，提高下肢康復訓練的安全性和有效性。

發明內容
為了使下肢康復訓練機器人機構具有更好的人-機運動相容性，以提高下肢康復訓練的安全性與康復訓練的醫療效果，本發明設計了一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構。其設計理念是下肢康復訓練機器人機構由外骨骼機構以及用於與人體下肢相連的連接關節和連接件組成。其中，外骨骼機構實現的功能是帶動人體下肢作左、右側擺運動和前、後屈曲運動，連接關節和連接件的作用是在外骨骼構件與綁帶或穿戴件之間增加運動自由度以改善人-機之間的運動相容性。本發明的技術方案一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，由外骨骼機構以及用於與人體下肢相連的連接關節和連接件組成。如圖3所示，外骨骼機構含有兩條構成相同，且左、右對稱布置的分支機構。左分支機構由腰部構件1，上腿構件2，下腿構件3，單自由度轉動關節A，單自由度轉動關節B和單自由度轉動關節C組成。其中，轉動關節A與轉動關節B的迴轉軸線彼此正交，構成左分支機構的兩自由度髖關節。轉動關節C為左分支機構的膝關節，其迴轉軸線與關節B的迴轉軸線相平行。左分支機構中構件之間的連接關係是腰部構件1與上腿構件2通過轉動關節B相連，上腿構件2與下腿構件3通過轉動關節C相連。右分支機構由腰部構件4，上腿構件5，下腿構件6，單自由度轉動關節D，單自由度轉動關節E和單自由度轉動關節F組成。其中，轉動關節D與轉動關節E的迴轉軸線彼此正交，構成右分支機構的兩自由度髖關節。轉動關節F為右分支機構的膝關節，其迴轉軸線與關節E的迴轉軸線相平行。右分支機構中構件之間的連接關係是腰部構件4與上腿構件5通過轉動關節E相連，上腿構件5與下腿構件6通過轉動關節F相連。左、右兩條分支機構分別通過腰部構件1、轉動關節A以及腰部構件4、轉動關節D在腰部聯接構件0的兩端與其連接為一體，由此構成具有六個轉動自由度的外骨骼機構。
外骨骼機構與人體下肢的連接方式是左分支機構的上腿構件2和下腿構件3分別與人體左下肢的大腿和小腿通過連接關節及連接件相連接。上腿構件2與人體左下肢大腿之間的連接關節與連接件依次為沿上腿構件2桿長方向上移動的滑塊7、與滑塊7固聯的杆件8、與杆件8固聯的三自由度球副關節G以及與球副關節G固聯的綁帶9。下腿構件3與人體左下肢小腿之間的連接關節與連接間依次為沿下腿構件3桿長方向上移動的滑塊10、與滑塊10固聯的杆件11、沿杆件11桿長方向移動的滑塊12、與滑塊12固聯的杆件13、與杆件13固聯的三自由度球副關節H以及與球副關節H固聯的綁帶14。右分支機構的上腿構件5和下腿構件6分別與人體右下肢的大腿和小腿通過連接關節及連接件相連接。上腿構件5與人體右下肢大腿之間的連接關節與連接件依次為沿上腿構件5桿長方向上移動的滑塊15、與滑塊15固聯的杆件16、與杆件16固聯的三自由度球副關節I以及與球副關節I固聯的綁帶17。下腿構件6與人體右下肢小腿之間的連接關節與連接間依次為沿下腿構件6桿長方向上移動的滑塊18、與滑塊18固聯的杆件19、沿杆件19桿長方向移動的滑塊20、與滑塊20固聯的杆件21、與杆件21固聯的三自由度球副關節J以及與球副關節J固聯的綁帶22。所述的外骨骼機構和所有的連接關節及連接件共同構成具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構。為了簡化下肢康復訓練機器人機構的設計，可以根據需要在機器人機構中去除部分連接件，如去除滑塊12、杆件13以及滑塊20、杆件21，使杆件11與球副關節H、杆件19與球副關節J之間固聯。或鎖定部分連接關節中的部分自由度，如鎖定三自由度球副關節G繞杆件8、三自由度球副關節I繞杆件16的轉動自由度，使球副關節G和球副關節I均退化為兩自由度虎克鉸關節。或者球副關節H和球副關節J均退化為兩自由度虎克鉸關節；或者球副關節G和球副關節I，球副關節G和球副關節I均退化為兩自由度虎克鉸關節。與以上相類似的簡化設計方案均屬於本下肢康復訓練機器人機構技術方案所涵蓋的範圍。本發明的有益效果人體下肢通過綁帶9、綁帶14、綁帶17和綁帶22與下肢康訓練復機器人機構緊緻連接後，康復訓練機器人機構可以導引人體下肢進行康復訓練，實現人體下肢較大幅度的左、右側擺運動和前、後屈曲運動。由於在外骨骼機構與綁帶之間增置了連接關節和連接件，使人體下肢與康復訓練機器人機構通過綁帶緊緻連接所構成的人-機系統的運動相容性得到明顯改善，有助於提高下肢康復訓練的安全性及康復訓練的醫療效果。


圖1為人體下肢的三自由度球窩髖關節。圖2為人體下肢的單自由度滑車球狀膝關節。圖3為本發明的下肢康復訓練機器人機構。圖4為本發明的實施方式1。圖5為本發明的實施方式2。圖6為本發明的實施方式3。圖3中，0-腰部聯接構件，1-腰部構件，2-上腿構件，3-下腿構件，A-單自由度轉動關節，B-單自由度轉動關節，C-單自由度轉動關節，4-腰部構件，5-上腿構件，6-下腿構件，D-單自由度轉動關節，E-單自由度轉動關節，F-單自由度轉動關節，7-滑塊，8-杆件，G-三自由度球副關節，9-綁帶，10-滑塊，11-杆件，12-滑塊，13-杆件，H-三自由度球副關節，14-綁帶，15-滑塊，16-杆件，I-三自由度球副關節，17-綁帶，18-滑塊，19-杆件，20-滑塊，21-杆件，J-三自由度球副關節，22-綁帶。 圖4中，23-三自由度球窩髖關節，24-單自由度滑車球狀膝關節，25-大腿，26-小腿，27-三自由度球窩髖關節，28-單自由度滑車球狀膝關節，29-大腿，30-小腿。圖6中，31-兩轉動自由度虎克鉸關節，32-兩轉動自由度虎克鉸關節。
具體實施例方式實施方式1 本發明的實施方式1如圖4所示，下肢康復訓練機器人機構與人體下肢的連接(穿戴)方式是外骨骼左分支機構的轉動關節A和轉動關節B的迴轉軸線交點與人體左下肢球窩髖關節23的中心點重合，轉動關節C的迴轉軸線與人體左下肢滑車球狀膝關節M的迴轉軸線彼此平行，左分支機構分別通過綁帶9和綁帶14與左下肢的大、小腿緊緻連接。外骨骼右分支機構的轉動關節D和轉動關節E的迴轉軸線交點與人體由下肢球窩髖關節27的中心點重合，轉動關節F的迴轉軸線與人體右下肢滑車球狀膝關節觀的迴轉軸線彼此平行，右分支機構分別通過綁帶17和綁帶22與右下肢的大、小腿緊緻連接。實施方式2 本發明的實施方式2如圖5所示，在該實施方式中下肢康復訓練機器人機構與人體下肢的連接方式與實施方式1相同。實施方式2相對實施方式1的差異之處是在機器人機構中去掉了滑塊12、杆件13、滑塊20和杆件21，且杆件11和杆件19分別直接與球副關節H及球副關節J直接固聯。實施方式3 本發明的實施方式3如圖6所示，在該實施方式中下肢康復訓練機器人機構與人體下肢的連接方式與實施方式2相同。實施方式3相對實施方式2的差異之處是在球副關節H及球副關節J中，分別去掉了繞杆件11和杆件19桿長方向的轉動自由度，球副關節H及球副關節J分別退化為具有兩個轉動自由度的虎克鉸關節31和32。
權利要求
1.一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，包括外骨骼機構以及用於與人體下肢相連接的連接關節和連接件；其特徵在於外骨骼機構含有兩條構成相同，且左、右對稱布置的分支機構，左、右兩條分支機構通過腰部連接構件連接為一體；左分支機構由腰部構件(1)，上腿構件O)，下腿構件(3)，單自由度轉動關節(A)，單自由度轉動關節(B)和單自由度轉動關節(C)組成；其中，轉動關節(A)與轉動關節(B)的迴轉軸線彼此正交，構成左分支機構的兩自由度髖關節；轉動關節(C)為左分支機構的膝關節，其迴轉軸線與關節(B)的迴轉軸線相平行；右分支機構由腰部構件G)，上腿構件(5)，下腿構件(6)，單自由度轉動關節(D)，單自由度轉動關節(E)和單自由度轉動關節(F)組成；其中，轉動關節(D)與轉動關節(E)的迴轉軸線彼此正交，構成右分支機構的兩自由度髖關節；轉動關節(F)為右分支機構的膝關節，其迴轉軸線與關節(E)的迴轉軸線相平行；左分支機構中各構件之間的連接關係是腰部構件(1)與上腿構件(2)通過轉動關節⑶相連，上腿構件⑵與下腿構件⑶通過轉動關節(C)相連；右分支機構中各構件之間的連接關係是腰部構件⑷與上腿構件(5)通過轉動關節(E)相連，上腿構件(5)與下腿構件(6)通過轉動關節(F)相連；左、右兩條分支機構分別通過腰部構件(1)、轉動關節(A)以及腰部構件G)、轉動關節(D)在腰部聯接構件(0)的兩端與其連接為一體，由此構成具有六個轉動自由度的外骨骼機構。
2.根據權利要求(1)所述的具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，其特徵在於外骨骼左分支機構的上腿構件(2)和下腿構件(3)分別與人體左下肢的大腿和小腿通過連接關節及連接件相連接；上腿構件( 與人體左下肢大腿之間的連接關節與連接件依次為沿上腿構件( 杆長方向上移動的滑塊(7)、與滑塊(7)固聯的杆件(8)、與杆件⑶固聯的三自由度球副關節(G)以及與球副關節(G)固聯的綁帶(9)；下腿構件(3)與人體左下肢小腿之間的連接關節與連接間依次為沿下腿構件C3)杆長方向上移動的滑塊(10)、與滑塊(10)固聯的杆件(11)、沿杆件(11)杆長方向移動的滑塊(12)、與滑塊(12)固聯的杆件(13)、與杆件(13)固聯的三自由度球副關節(H)以及與球副關節(H)固聯的綁帶(14)；外骨骼右分支機構的上腿構件( 和下腿構件(6)分別與人體右下肢的大腿和小腿通過連接關節及連接件相連接；上腿構件( 與人體右下肢大腿之間的連接關節與連接件依次為沿上腿構件( 杆長方向上移動的滑塊(15)、與滑塊(15)固聯的杆件(16)、與杆件(16)固聯的三自由度球副關節(I)以及與球副關節(I)固聯的綁帶(17)；下腿構件(6)與人體右下肢小腿之間的連接關節與連接間依次為沿下腿構件(6)杆長方向上移動的滑塊(18)、與滑塊(18)固聯的杆件(19)、沿杆件(19)杆長方向移動的滑塊(20)、與滑塊00)固聯的杆件(21)、與杆件(21)固聯的三自由度球副關節(J)以及與球副關節(J)固聯的綁帶02)；或者杆件(11)與球副關節(H)、杆件(19)與球副關節(J)之間固聯；或球副關節(G)和球副關節(I)均退化為兩自由度虎克鉸關節；或者球副關節(H)和球副關節(J)均退化為兩自由度虎克鉸關節；或者球副關節(G)和球副關節(I)，球副關節(H)和球副關節(J)均退化為兩自由度虎克鉸關節。
全文摘要
本發明涉及一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，由外骨骼機構以及用於與人體下肢相連的連接關節和連接件構成。其中，外骨骼機構含有左、右兩條對稱布置的分支機構，兩條分支機構均由腰部構件、上腿構件、下腿構件以及髖關節和膝關節組成。兩條分支機構通過腰部連接構件聯為一體，每條分支機構的上腿構件和下腿構件分別與人體單側下肢的大腿和小腿通過連接關節及連接件相連，外骨骼機構以及全部的連接關節和連接件共同組成下肢康復訓練機器人機構。本發明可導引人體下肢作較大幅度的左、右側擺運動和前、後屈曲運動。此外還使穿戴後形成的人-機系統的運動相容性得到明顯改善，能夠提高下肢康復訓練的安全性和有效性。
文檔編號A61H1/02GK102389359SQ201110196558
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者吳希瑤, 張自強, 李劍鋒, 肖博, 鄧楚慧 申請人:北京工業大學