一种面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统的制作方法

本实用新型涉及一种人体康复训练中的质量卸载技术，一般用于机器人领域与康复医疗领域。

背景技术：

中风和脊髓损伤是导致下肢运动功能障碍的主要原因，医学研究表明，下肢康复训练可以帮助脊髓损伤患者恢复神经系统的功能。通过机器人辅助可以获得高强度长时间的康复训练，得到优于人力辅助或患者自行训练的效果。当前，机器人辅助患者进行下肢康复的技术主要有：1.外骨骼机器人技术，通过为患者穿戴外骨骼机器人来辅助患者进行康复运动，大部分的外骨骼机器人也配有绳悬吊系统。2.单绳或多绳悬吊系统，通过吊绳为患者提供一个向上的减重力，从而减轻患者的下肢负担。

要取得良好的康复训练效果，患者自身的强烈意愿和积极参与至关重要，病人参与的主动性越高，训练的效果会越好。康复训练不仅要最大化训练的重复次数，也要最大化病人的主动努力，这是康复临床和康复工程领域最广为接受的原则之一。但是，在机器人辅助的康复训练中，机器人大多采用适应性控制算法为患者提供助力，这使患者有机会降低自己的主动努力，从而导致患者懈怠，产生惰性，降低康复效果。特别是对于中度或轻度神经损伤后有一定运动能力的患者，仅提供身体重力支撑的减重步行训练可以更加激发病人的主动参与，并有助于训练病人的步态和平衡控制能力，近年来得到更多的重视。

现有的绳悬吊式减重技术主要有两种：1.被动减重技术，由一个固定质量的配重提供一个固定的拉力，这种被动减重技术在患者运动过程中不仅不会减少患者的动态负载还会使其增加。2.主动减重技术，由卷绳电机通过绞盘始终保持吊绳上的拉力不变，这种方法改善了被动减重技术会增加患者动态负载的缺陷但也没能减少患者在运动过程中的动态负载，无法达到良好的虚拟去质量效果。

目前的下肢康复机器人都局限于病人在一个固定的位置，通过跑步机等设备来进行步行训练，这种方法只能让病人进行简单的前后方向的步态训练或者固定位置的蹲起动作，无法帮助患者进行更多的康复动作，造成了一定的局限性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种新型的主动减重系统辅助患者进行下肢康复训练的架空移动装置——即面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统，通过模型分析和设计，解决上述现有技术中的缺陷。

本实用新型的技术方案如下：

面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统，该系统包括架空位移单元，竖直拉力单元和人机连接单元；其中架空位移单元包括一个主体支架，主体支架的顶端设置有两根平行的横向(亦即X方向)轨道构成桥式吊架(长宽高分别为3m*2.5m*2m)，两根横向轨道的下方设置有一套位移驱动机构，位移驱动机构包括横向轨道两端分别设置的传动轴，传动轴的两端各设置有一个皮带轮，同侧两个皮带轮上套装有与皮带轮配合的横向传动皮带绳，在其中一个传动轴上同时固定有一个被动齿轮，与被动齿轮啮合的主动齿轮安装在伺服电机轴上，该伺服电机安装在主体支架上并用于驱动纵向轨道在X方向移动；所述横向轨道上设置有两根平行的纵向(亦即Y方向)轨道，两根纵向轨道同时与横向传动皮带绳固定，两根纵向轨道下方设置有一套相同的位移驱动机构，其中的伺服电机安装在纵向轨道上并用于驱动竖直拉力单元在Y方向移动。

所述的竖直拉力单元设置在纵向轨道上并与纵向轨道下方的位移驱动机构中的传动皮带绳固定。

竖直拉力单元包括一个金属框架，在金属框架上平行安装有一对滑轨，所述滑轨上套装有两个动板，两个动板之间的滑轨上各套装有一个压簧，在金属框架的外侧安装有一个电缸，电缸的输出轴穿过该金属框架并与内侧紧邻的一个动板铰接，在金属框架该侧同时安装有滑轮a，另一动板上安装有滑轮b，在所述金属框架的相对电缸另一边外侧安装有一个卷绳电机，卷绳电机的输出轴通过联轴器与绞盘连接，用于悬吊的钢丝绳盘绕在绞盘上，钢丝绳的末端依次绕过滑轮a和滑轮b，最后绕过安装在金属框架底部的压力传感器顶端的滑轮c竖直向下并与人机连接单元相连。在所述竖直拉力单元中的金属框架上安装有一个与所述滑轨平行的磁条，与磁条对应在两个动板上各安装有一个磁头形成磁尺。

所述的滑轮c与金属框架之间安装有一个压力传感器，用来测量通过滑轮c的钢丝绳上的拉力。

在位于竖直拉力单元的金属框架的底部同时设置有一个偏角测量装置，该偏角测量装置包括两个正交安装在金属框架底部的可任意转动的两个半月板，两个半月板的中间各开有一个供钢丝绳穿过的滑槽，在两个半月板一端的转轴上各安装有一个中空轴编码器(即半月板轴端分别插入并固定在中空轴编码器中)，所述竖直拉力单元中的钢丝绳绕过滑轮c由两个半月板的正交点处的滑槽中穿过后竖直向下，钢丝绳的末端与人机连接单元相连。

钢丝绳绕过滑轮c后变为竖直向下方向，经过水平方向上相互垂直的两个中空半月板，若钢丝绳发生竖直方向上的偏移，则会带动两个半月板旋转，从而放置在轴端的中空轴编码器会由于插入其中的旋转轴的转动而测得相应的角度，中空轴编码器的测量值用于控制两个伺服电机。

本实用新型的优点在于，竖直拉力单元中采用绳牵引串联弹性驱动的办法，提高了拉力控制精度，并且提升了人机交互的舒适度。架空位移单元可以对人体的运动进行随动跟踪，解决了常见的下肢康复系统将患者局限于固定位置，只能通过跑步机进行康复训练的问题。

附图说明

图1是本实用新型一种面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统的整体结构示意图。

图2是竖直拉力单元的正视图。

图3是竖直拉力单元的俯视图。

图4是架空位移单元的皮带传送装置结构图。

图5是皮带传送装置的传动原理及固定方式示意图。

图6是中空轴编码器及半月板位置示意图。

图中，1轨道a，2轨道b，3竖直拉力单元，4轨道c，5轨道d，6偏角测量装置，7钢丝绳，8拉力传感器，9人机连接单元，10电缸，11滑轮a，12滑轨a，13动板a，14压簧a，15动板b，16滑轮b，17绞盘，18联轴器，19滑轮c，20滑轨b，21磁条，22磁头a，23压簧b，24磁头b，25卷绳电机，26中空轴编码器a，27中空轴编码器b，28半月板，29压力传感器，30传动皮带绳，31传动皮带轮，32被动齿轮，33主动齿轮，34伺服电机，35皮带绳固定点，36钢丝绳通过处(滑槽)。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做更详细的描述

本实用新型是一种基于串联弹性驱动和桥式吊架结构的、面向步态和平衡康复训练的单绳悬吊主动减重系统，该系统包括架空位移单元、竖直拉力单元和人机连接单元。

其中架空位移单元包括一个主体支架，主体支架的顶端设置有两根平行的横向轨道(即1轨道a、2轨道b)构成桥式吊架，两根横向轨道的下方设置有一套位移驱动机构，位移驱动机构的传动方式如图4和图5所示，在横向轨道(即1轨道a和2轨道b)下以及纵向轨道(即4轨道c和5轨道d)下分别装载着两套图4所示的位移驱动结构，固定方式如图5所示。所述的横向位移驱动机构包括横向轨道(即1轨道a、2轨道b)两端分别设置的传动轴，传动轴的两端各设置有一个横向传动皮带轮31，同侧两个皮带轮上套装有与皮带轮配合的传动皮带绳30，在其中一个传动轴上同时固定有一个被动齿轮32，与被动齿轮啮合的主动齿轮33安装在伺服电机34的输出轴上，其中横向轨道(即1轨道a与2轨道b)下的位移驱动机构中的伺服电机安装在主体支架上并负责驱动纵向轨道进行移动，纵向轨道下的位移驱动机构与横向位移驱动机构相同，只是其中的伺服电机安装在纵向轨道(即4轨道c和5轨道d)上并负责驱动竖直拉力单元3进行移动。

纵向轨道(即4轨道c和5轨道d)构成的长方形框架两端同时与横向传动皮带绳固定，固定点35如图5所示。竖直拉力单元3悬挂在纵向轨道(即4轨道c和5轨道d)上并与纵向轨道下方的位移驱动机构中的传动皮带绳固定。

竖直拉力单元3(如图2和图3所示)包括一个金属框架，在金属框架上平行安装有一对滑轨，即12滑轨a和20滑轨b，所述滑轨上套装有两个动板，即13动板a和15动板b，两个动板之间的滑轨上各套装有一个压簧，即14压簧a和23压簧b，在金属框架的外侧安装有一个电缸10，电缸的输出轴穿过该金属框架并与内侧紧邻的一个动板如13动板a铰接，在金属框架该侧同时安装有11滑轮a，另一动板上安装有16滑轮b，在所述金属框架的相对电缸另一边外侧安装有一个卷绳电机25，卷绳电机的输出轴通过联轴器18与绞盘17连接，用于悬吊的钢丝绳盘绕在绞盘上，钢丝绳的末端依次绕过滑轮a和滑轮b，最后绕过安装在金属框架底部的压力传感器29顶端的19滑轮c竖直向下并通过人机连接单元9连接于需要被提供拉力的目标物体。

在所述金属框架上同时安装有一个与滑轨平行的磁条21，与磁条对应在两个动板上各安装有一个磁头即22磁头a和24磁头b形成磁尺。

位于竖直拉力单元的金属框架的底部同时设置有一个偏角测量装置6(如图2和图6所示)，该偏角测量装置包括两个正交安装在金属框架底部的可任意转动的两个半月板28，两个半月板的中间各开有一个供钢丝绳穿过的滑槽，在两个半月板一端的转轴上各安装有一个中空轴编码器(即26中空轴编码器a，27中空轴编码器b)，所述竖直拉力单元中的钢丝绳绕过滑轮c由两个半月板的正交点处的滑槽36中穿过后竖直向下，钢丝绳的末端与人机连接单元9相连。

整套单绳悬吊主动减重系统的动力传动过程为：控制单元(图中略)接收吊绳偏角测量装置中的中空轴编码器的读数来控制两个伺服电机从而控制竖直拉力单元在水平方向上的运动，使吊绳的拉力方向始终保持竖直。

综上所述，本实用新型的结构设计，在水平方向上可以通过桥式吊架结构和伺服控制器使得吊绳保持垂直状态，避免了对患者侧向和前后的拉力干扰。在竖直方向上，通过绳牵引串联弹性驱动器，实现了对吊绳拉力的精确控制以及更高的人机交互舒适度。