一种可穿戴式下肢康复机器人的制作方法

本公开涉及机器人技术领域，具体涉及一种可穿戴式下肢康复机器人。

背景技术：

据统计中国有数千万患者因中风、脊髓损伤以及各种事故导致神经传导通路中断而引起肢体麻痹，甚至导致下肢截瘫、以至于行走产生功能性障碍。目前有半数以上的患者通过训练改善肢体功能，其中传统康复训练方式是前期有专业康复师进行训练指导，后期由患者健康上肢、患者家属或者护工根据指导反复牵引病人患肢进行康复训练。随着医疗康复技术的快速发展，下肢康复机器人逐渐被引入到患者的康复过程中，其融合了人工智能、电气控制和仿生机械设计，能够满足不同患者训练强度的要求，适合于患者独立进行康复训练，实现站立以及行走。

经过对现有技术检索发现，公开号为CN1586434的发明专利提出了一种下肢康复机器人，由腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踝四杆机构和足底支撑依次串连构成。本发明面向截肢病人或者肌肉萎缩病人，可以根据预先设置步行程序辅助患者行走。本发明采用四杆机构进行传动，局部负荷较大，整体机构复杂度与重量偏大。

公开号为CN201310034245.1的发明专利提出一种穿戴式外骨骼助行机器人，髋关节和膝关节采用直线式串联弹性器驱动，同时系统简化自由度设置，腰部没有辅助自由度设计，同时将人体踝关节(球副)简化为一个旋转副，而未考虑外展内收方向的运动。系统设计未考虑针对大腿、小腿和腰部的长度调整机构，因此系统不适用于不同身高体重穿戴者。

公开号为CN201410827881.4的发明专利提供了一种下肢外骨骼助行康复机器人，其中髋关节没有采用两侧髋关节分别安装电机的方式，而是通过一个伺服电机以及“曲柄滑块”机构同时带动患者双侧下肢交替运动。通过膝关节和髋关节的屈伸运动实现跨步，踝关节的踌屈、背屈运动帮助患者减少来自地面的冲击、踝关节的内翻外翻被动驱动自由度的构型设计有助于穿戴者保持人机系统在额状面内平衡。

公开号为CN201110292009.0的发明专利提供了一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人，关节屈伸方向的驱动采用盘式电机及谐波减速器传动，实现驱动与患者关节良好的贴合。另外，外骨骼大腿和小腿部件采用类套筒设计，结合螺丝调节长度，使得各关节外骨骼能良好贴合患者关节。该发明中外骨骼机器人的关节未设置外展与内收、内旋与外旋方向的自由度，使得外骨骼机器人不能有效地模仿人体的行走状态。

技术实现要素：

本公开根据现有技术中的下肢康复机器人存在的不足，运动空间耦合度低，穿戴舒适性差、适应性差以及结构设计不紧凑等问题，提供一种可穿戴式下肢康复机器人。本公开通过以下技术方案实现：

一种可穿戴式下肢康复机器人，包括脚部穿戴底板、踝关节装置、小腿长度可调连接机构、膝关节驱动装置、大腿长度可调连接机构、髋关节驱动装置和腰部装置；

所述脚部穿戴底板与所述踝关节装置相连接，所述踝关节装置与所述小腿长度可调连接机构相连接，所述小腿长度可调连接机构与所述膝关节驱动装置相连接，所述膝关节驱动装置与所述大腿长度可调连接机构相连，所述大腿长度可调连接机构与所述髋关节驱动装置相连接，所述髋关节驱动装置与所述腰部装置相连接；

所述的踝关节装置包括踝关节与小腿连接板、踝关节屈伸连接座、踝关节被动屈伸装置、踝关节屈伸限位件、脚部穿戴支撑件、脚部穿戴绑带、脚踝连接件和脚部穿戴底板；

所述踝关节屈伸连接座的一侧与所述踝关节被动屈伸装置相连，另外一侧安装所述踝关节屈伸限位件，所述踝关节屈伸连接座与所述踝关节与小腿连接板相连接，所述踝关节被动屈伸装置与所述脚踝连接件相连，所述脚部穿戴支撑件固定在所述脚踝连接件上，所述脚部穿戴绑带与所述脚部穿戴支撑件固定连接，所述脚部穿戴底板放置于所述脚部穿戴绑带上。

其中，优选的，所述脚部穿戴底板、所述踝关节装置、所述小腿长度可调连接机构、所述膝关节驱动装置、所述大腿长度可调连接机构以及所述髋关节驱动装置的数目均为2个，且每两个相同的部位均呈轴向对称、横向平行设置；所述脚部穿戴绑带通过螺钉与所述脚部穿戴支撑件固定连接。

进一步地，所述的踝关节被动屈伸装置包括外壳、小支撑轴承、扭簧、屈伸旋转轴、大支撑轴承、屈伸装置连接板、踝关节屈伸连接座、踝关节与小腿连接板和脚踝连接件；所述屈伸旋转轴的一端通过所述小支撑轴承与所述外壳相连，所述屈伸旋转轴的另外一端通过所述大支撑轴承与所述踝关节屈伸连接座相连，所述扭簧的一端与所述屈伸旋转轴相连，另外一端与所述外壳相连接。

进一步地，所述小腿长度可调连接机构包括小腿膝关节连接板、第一人机连接固定板和小腿外骨骼支撑板，所述小腿外骨骼支撑板上端套装在所述小腿膝关节连接板外部，所述小腿外骨骼支撑板下端与所述踝关节与小腿连接板相连，所述第一人机连接固定板与所述小腿外骨骼支撑板固定连接。

其中，优选的，所述小腿外骨骼支撑板与小腿膝关节连接板之间通过螺钉调节小腿外骨骼的长度。

进一步地，所述的大腿长度可调连接机构包括大腿髋关节连接板、第二人机连接固定板和膝关节大腿连接板，所述膝关节大腿连接板上端套装在所述大腿髋关节连接板外部，所述膝关节大腿连接板下端与所述膝关节驱动装置相连，所述第二人机连接固定板与所述膝关节大腿连接板固定连接。

其中，优选的，所述膝关节大腿连接板与所述大腿髋关节连接板之间通过螺钉调节大腿外骨骼的长度。

进一步地，所述膝关节驱动装置包括膝关节大腿连接板、膝关节旋转限位件、第一谐波减速器、第一驱动电机和第一编码器，所述小腿膝关节连接板一端与所述小腿外骨骼支撑板上端连接，另一端与所述第一谐波减速器相连，所述膝关节大腿连接板一端与所述第一谐波减速器相连，另一端与所述膝关节大腿连接板相连，所述膝关节旋转限位件的内侧与所述小腿膝关节连接板相接触，所述第一驱动电机的一端与所述第一谐波减速器相连，另一端与所述第一编码器固定连接。

其中，优选的，所述第一驱动电机选用盘式电机，所述第一驱动电机的输入端与所述第一编码器相连，输出端与所述第一谐波减速器相连，所述第一谐波减速器设有内法兰和外法兰，所述第一谐波减速器的内法兰与所述小腿膝关节连接板一端相连，所述谐波减速器的外法兰与所述膝关节大腿连接板的一端相连，所述膝关节旋转限位件一侧与所述膝关节大腿连接板通过螺钉固定连接。

进一步地，所述腰部装置包括第一轴承盖、支撑轴承、腰部连接板、外展内收限位块、外展内收旋转轴、扭簧、内外旋左连接件、内外旋轴、内外旋轴承盖、内外旋右连接件、外展内收限位连杆、腰部弧形连接板和第一髋关节腰部连接板，所述外展内收旋转轴一端通过所述支撑轴承与所述外展内收限位块相连，中部通过圆头平键与所述腰部弧形连接板上的键槽连接，所述扭簧一端与所述腰部弧形连接板通过定位孔相连，另一端与所述外展内收限位块连接，所述外展内收限位块一侧与所述腰部连接板固定连接，另一侧安装所述第一轴承盖，所述外展内收限位杆中部与所述腰部弧形连接板固定连接，两端与所述外展内收限位块接触连接，所述内外旋左连接件一端与所述内外旋右连接件的一端通过所述内外旋轴转动连接，所述内外旋左连接件的另一端与所述内外旋右连接件的另一端均与对应的所述腰部连接板相连，所述腰部弧形连接板一端与所述第一髋关节腰部连接板的一端相连。

其中，优选的，所述外展内收限位块一侧通过紧固螺钉与所述腰部连接板固定连接，所述第一髋关节腰部连接板与所述腰部弧形连接板之间通过螺钉调节腰部纵向长度，所述内外旋右连接件与所述腰部连接板之间通过螺钉调节腰部横向宽度，所述外展内收限位连杆中部通过定位孔与所述腰部连接板固定连接，两端通过限位槽孔与所述外展内收限位块接触连接，所述外展内收限位连杆与所述外展内收限位块之间通过所述外展内收限位块上的槽孔尺寸确定髋关节外展内收的活动范围。

进一步地，所述髋关节驱动装置包括大腿髋关节连接板、髋关节旋转限位件、第二谐波减速器、第二驱动电机、第二编码器和第二髋关节腰部连接板，所述大腿髋关节连接板一端与所述膝关节大腿连接板上端连接，另一端与所述第二谐波减速器相连，所述第二髋关节腰部连接板一端与所述谐波减速器相连，另一端与所述第一髋关节腰部连接板相连，所述髋关节旋转限位件的内侧与所述大腿髋关节连接板相接触，所述第二驱动电机的输出端与所述第二谐波减速器相连，另一端与所述第二编码器固定连接。

其中，优选的，所述髋关节外骨骼支撑板与所述大腿髋关节连接板之间通过螺钉调节大腿外骨骼的长度。

本公开的有益效果是：

1)踝关节被动屈伸装置及腰部装置中采用扭簧与限位块的组合机构，在满足患者关节被动自由度运动范围的同时，可有效地进行约束。

2)膝关节驱动装置和髋关节驱动装置中选用盘式无框电机和谐波减速器传动，并与限位块结合，使结构紧凑、驱动与关节旋转匹配度高，回转误差小。

3)小腿、大腿以及腰部装置采用长度可调的结构设计以满足不同患者的身体特征，同时根据膝关节生理特征以及人体身形特征，对膝关节布局与小腿外骨骼支撑板采用仿生设计，使得身体各部位的外骨骼运动能吻合患者的关节运动，同时减轻下肢康复机器人系统的重量，减低患者负担。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的结构示意图；

图2是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的踝关节装置的结构示意图；

图3是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的踝关节被动屈伸装置的结构示意图；

图4是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的小腿长度可调连接机构的结构示意图；

图5是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的膝关节驱动装置的结构示意图；

图6是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的大腿长度可调连接机构的结构示意图；

图7是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的髋关节驱动装置的结构示意图；

图8是本公开具体实施方式的可穿戴式下肢康复机器人的腰部装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-8并结合实施例来详细说明本公开的可穿戴式下肢康复机器人的具体实施方式。

本公开具体实施方式的一种可穿戴式下肢康复机器人，包括脚部穿戴底板101、踝关节装置102、小腿长度可调连接机构103、膝关节驱动装置104、大腿长度可调连接机构105、髋关节驱动装置106和腰部装置107；

脚部穿戴底板101与踝关节装置102相连接，踝关节装置102与小腿长度可调连接机构103相连接，小腿长度可调连接机构103与膝关节驱动装置104相连接，膝关节驱动装置104与大腿长度可调连接机构105相连，大腿长度可调连接机构105与髋关节驱动装置106相连接，髋关节驱动装置106与腰部装置107相连接；

踝关节装置102包括踝关节与小腿连接板201、踝关节屈伸连接座202、踝关节被动屈伸装置203、踝关节屈伸限位件204、脚部穿戴支撑件205、脚部穿戴绑带206、脚踝连接件207和脚部穿戴底板101；

踝关节屈伸连接座202一侧与踝关节被动屈伸装置203相连，另外一侧安装踝关节屈伸限位件204，踝关节屈伸连接座202与踝关节与小腿连接板201相连接，踝关节被动屈伸装置203与脚踝连接件207 相连，脚部穿戴支撑件205固定在脚踝连接件207上，脚部穿戴绑带 206与脚部穿戴支撑件205固定连接，脚部穿戴底板101放置于脚部穿戴绑带206上。

踝关节被动屈伸装置203包括外壳301、小支撑轴承302、扭簧 303、屈伸旋转轴304、大支撑轴承305、屈伸装置连接板302、踝关节屈伸连接座202、踝关节与小腿连接板201和脚踝连接件207；

屈伸旋转轴304一端通过小支撑轴承302与外壳301相连，屈伸旋转轴304另外一端通过大支撑轴承305与踝关节屈伸连接座202相连，扭簧303一端与屈伸旋转轴304相连，另外一端与外壳301相连接。

小腿长度可调连接机构103包括小腿膝关节连接板401、第一人机连接固定板402和小腿外骨骼支撑板403；小腿外骨骼支撑板403 上端套装在小腿膝关节连接板401外部，小腿外骨骼支撑板403下端与踝关节与小腿连接板201相连，第一人机连接固定板402与小腿外骨骼支撑板403固定连接。

大腿长度可调连接机构105包括大腿髋关节连接板602、第二人机连接固定板601和膝关节大腿连接板501；

膝关节大腿连接板501上端套装在大腿髋关节连接板602外部，膝关节大腿连接板501下端与膝关节驱动装置104相连，第二人机连接固定板601与膝关节大腿连接板501固定连接。

膝关节驱动装置104包括膝关节大腿连接板501、膝关节旋转限位件502、第一谐波减速器503、第一驱动电机504和第一编码器505；

小腿膝关节连接板401一端与小腿外骨骼支撑板403上端连接，另一端与第一谐波减速器503相连，膝关节大腿连接板501一端与第一谐波减速器503相连，另一端与膝关节大腿连接板501相连，膝关节旋转限位件502的内侧与小腿膝关节连接板401相接触，第一驱动电机504的一端与第一谐波减速器503相连，另一端与第一编码器505 固定连接。

腰部装置107包括第一轴承盖801、支撑轴承802、腰部连接板 803、外展内收限位块804、外展内收旋转轴805、扭簧806、内外旋左连接件807、内外旋轴808、内外旋轴承盖809、内外旋右连接件810、外展内收限位连杆811、腰部弧形连接板812和第一髋关节腰部连接板813；

外展内收旋转轴805一端通过支撑轴承802与外展内收限位块 804相连，中部通过圆头平键与腰部弧形连接板812上的键槽连接，扭簧806一端与腰部弧形连接板812相连，另一端与外展内收限位块 804连接，外展内收限位块804一侧与腰部连接板803固定连接，另一侧安装第一轴承盖801，外展内收限位连杆811中部与腰部弧形连接板812固定连接，两端与外展内收限位块804接触连接，内外旋左连接件807一端与内外旋右连接件810的一端通过内外旋轴808转动连接，内外旋左连接件807的另一端与内外旋右连接件810的另一端均与对应的腰部连接板803相连，腰部弧形连接板812一端与第一髋关节腰部连接板813的一端相连。

髋关节驱动装置106包括大腿髋关节连接板602、髋关节旋转限位件702、第二谐波减速器704、第二驱动电机703、第二编码器701 和第二髋关节腰部连接板705；

大腿髋关节连接板602一端与膝关节大腿连接板501上端连接，另一端与第二谐波减速器704相连，第二髋关节腰部连接板705一端与第二谐波减速器704相连，另一端与第一髋关节腰部连接板813相连，髋关节旋转限位件702的内侧与大腿髋关节连接板602相接触，第二驱动电机703的输出端与第二谐波减速器704相连，另一端与第二编码器701固定连接。

更为详细的，如图1所示，脚部穿戴底板101与踝关节装置102相连，可以直接支撑患者脚部，踝关节装置102与小腿长度可调连接机构103相连，约束踝关节屈伸和外展内收方向上的自由度，小腿长度可调连接机构103一端与踝关节装置102相连接，通过人机连接固定板402和绑带固定于患者小腿部，并通过改变螺钉位置间断地调节小腿机构的长度；膝关节驱动装置104与小腿长度可调连接机构103相连接，可以驱动患者膝关节屈伸方向的自由度，大腿长度可调连接机构105与膝关节驱动装置104相连，可通过改变螺钉位置间断调节长度，并通过人机连接固定板601和绑带绑定于患者大腿，髋关节驱动装置106与大腿长度可调连接机构105相连接，驱动髋关节屈伸方向的自由度，腰部装置107 与髋关节驱动装置106相连接，绑定于患者腰部，约束髋关节外展内收方向自由度，并可通过改变螺钉位置调节康复机器人的纵向深度和横向宽度。

脚部穿戴底板101、踝关节装置102、小腿长度可调连接机构103、膝关节驱动装置104、大腿长度可调连接机构105以及髋关节驱动装置 106的数目均为2个，且每2个相同的部件均呈轴向对称、横向平行设置。

如图2和3所示，所述的踝关节装置102包括踝关节与小腿连接板 201、踝关节屈伸连接座202、踝关节被动屈伸装置203、踝关节屈伸限位件204、脚部穿戴支撑件205、脚部穿戴绑带206和脚踝连接件207；其中，所述踝关节被动屈伸装置203包括外壳301、小支撑轴承302、扭簧303、屈伸旋转轴304、大支撑轴承305、踝关节屈伸连接座202、踝关节与小腿连接板201和脚踝连接件207。

其中踝关节屈伸连接座202与踝关节与小腿连接板201相连接，踝关节被动装置203的输出端设置有屈伸旋转轴304，通过大轴承305和踝关节屈伸连接座202相连，屈伸旋转轴304通过紧固螺钉与脚踝连接件 207固定连接，扭簧303一端通过定位孔与屈伸旋转轴304相连，另外一端通过定位孔与外壳301相连接，脚部穿戴支撑件205固定于脚踝连接件207，脚部穿戴绑带206通过螺钉与脚部穿戴支撑件205固定连接，脚部穿戴底板101放置于脚部穿戴绑带206之上，踝关节被动装置采用扭簧303组件约束屈伸旋转轴304的转动幅度进而控制脚部穿戴底板101 的俯仰角度。

如图4所示，小腿外骨骼支撑板403下端与踝关节与小腿连接板201 相连，小腿外骨骼支撑板403上端套装在小腿膝关节连接板401外部，可以通过改变螺钉位置调节小腿外骨骼的长度，人机连接固定板402与小腿外骨骼支撑板403固定连接，通过绑带可实现与患者小腿的绑定。

如图5所示，膝关节驱动装置104采用谐波减速器503和盘式驱动电机504，谐波减速器503设有内法兰和外法兰，小腿膝关节连接板401 与谐波减速器503的内法兰相连，膝关节大腿连接板501与谐波减速器 503的外法兰相连，对膝关节屈伸方向的自由度进行驱动，膝关节旋转限位件502一侧与膝关节大腿连接板501通过螺钉固定连接，膝关节旋转限位件502的内侧与小腿膝关节连接板401接触连接，用于限制屈伸方向的运动范围，编码器505与驱动电机504固定连接用于采集膝关节的转动角度。

如图6所示，膝关节大腿连接板501下端与谐波减速器503的外法兰相连，膝关节大腿连接板501上端套装在大腿髋关节连接板602的外部，通过改变螺钉位置调节大腿机构的长度，人机连接固定板601与膝关节大腿连接板501固定连接，通过绑带实现与患者大腿的绑定。

如图7所示，髋关节驱动装置106采用谐波减速器704及盘式驱动电机703，谐波减速器704设有内法兰和外法兰，大腿髋关节连接板602 一端与谐波减速器704的内法兰相连，第二髋关节腰部连接板705一端与谐波减速器704的外法兰相连，对髋关节屈伸方向的自由度进行驱动；膝关节旋转限位件702一侧与第二髋关节腰部连接板705通过螺钉固定连接，膝关节旋转限位件502的内侧与大腿髋关节连接板602接触连接，用于限制髋关节屈伸方向的运动范围，编码器701与驱动电机703固定连接用于采集髋关节的转动角度。

如图8所示，外展内收旋转轴805一端与外展内收限位块804相连，中部通过圆头平键与腰部弧形连接板812上的键槽连接，扭簧806一端通过定位孔与腰部弧形连接板812相连，另一端与外展内收限位块804 连接，外展内收限位块804一侧通过紧固螺钉与腰部连接板803固定连接，通过扭簧806的弹性约束髋关节外展内收方向的运动范围，外展内收限位连杆811的中部通过定位孔与腰部弧形连接板812固定连接，两端通过限位槽孔与外展内收限位块804接触连接，用于限定髋关节外展内收方向的运动范围。内外旋左连接件807的一端与内外旋右连接件810 的一端通过内外旋轴808转动连接，内外旋左连接件807与内外旋右连接件810的另外一端均与腰部连接板803相连，通过调整螺钉位置可连续调节腰部横向宽度，腰部弧形连接板812一端与第一髋关节腰部连接板813的一端相连，通过调整螺钉连续调节腰部纵向长度。

本公开采用的驱动电机可以通过总线和串口与上位机进行通讯，通过上位机发送预设的步态轨迹给驱动电机，实时地驱动患者特定的关节，同时各个编码器可采集特定关节转动的角度并发送给上位机用于与期望步态轨迹进行比较分析。

本公开的一种可穿戴式下肢康复机器人工作时，首先测量患者小腿、大腿和腰部的尺寸，然后调节小腿和大腿长度可调机构以及腰部装置到合适尺寸，本公开通过绑带将患者的大小腿与可穿戴式下肢康复机器人机构的大小腿相连，同时借助腰带将患者腰部和腰部装置连接在一起。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。