人体下肢外骨骼助行康复机器人的制作方法
【专利摘要】一种康复医疗器械【技术领域】的下肢外骨骼助行康复机器人，包括：腰部后背运动模块、髋关节运动模块、膝关节运动模块、踝关节运动模块，后背伺服电机通过曲柄摇杆机构和空间四连杆机构带动髋关节运动，膝部电动推杆带动膝关节运动；踝部电动推杆带动踝关节运动。本发明是帮助下肢瘫痪患者实现站立并行走，通过采集脚底压力信号来控制髋关节、膝关节和踝关节的屈伸运动，从而帮助患者实现跨步，踝关节内翻/外翻被动驱动自由度的构型设计可以帮助减少来自地面的冲击，有助于减轻使用者保持自身及外骨骼机器人在额状面内平衡性的负担，有益于患者舒适行走，提高康复训练效率。
【专利说明】人体下肢外骨骼助行康复机器人
所属【技术领域】
[0001]本发明涉及康复医疗器械领域，确切地说是指一种下肢外骨骼助行康复机器人。
【背景技术】
[0002]目前，随着现代社会的老龄化，脑卒中、偏瘫等心血管疾病患者以及下肢肌肉萎缩、脊髓损伤患者已经逐步成为现代社会的一种常见群体。脊髓是感觉、运动神经系统的传导通路，因此脊髓损伤的主要症状是因传导通路的中断而引起的麻痹。脊髓损伤是指由于各种外力作用于脊柱所造成的脊髓压迫或断裂，严重的脊髓损伤将导致下肢瘫痪，患者往往因为遗留不同程度的功能障碍而无法恢复和准确掌握步行运动技能。因此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻家庭和社会的总体负担。下肢外骨骼助行康复机器人是一种可穿戴的、具有人工智能的机器人外骨骼系统，结合了人的智能和机械装置的机械能量，瘫痪患者借助此系统可以摆脱轮椅，实现站立并行走训练，建立起对生活的信心。
[0003]经过对现有技术的检索发现，申请号为200910088396.9的中国发明专利，名称:穿戴式下肢外骨骼装置，该技术包括:腰部支撑架和载物架，可调整髋部机构，连杆可调膝关节机构，连杆可调踝关节机构，压力检测鞋，腿部连杆，约束部件及各连接件，该外骨骼装置单下肢有六个自由度，分别是髋关节两个，膝关节一个和踝关节三个自由度，该装置可用于增强穿戴者步行负重和长时间行走的能力，但该装置并未涉及驱动，故此发明所提供的功能有限，不能用于康复，不能用于帮助患者行走。申请号为200410053695.6的中国发明专利，名称:可穿戴式的下肢步行外骨骼，该技术包括: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，该外骨骼单下肢有四个自由度，使用四杆机构可以很好的完成较大的负载，但该外骨骼机器人只用于辅助或者增强穿戴者的步行运动能力，不能用于帮助患者实现行走，且结构中没有机械限位。申请号为201010158178.0的中国发明专利申请公开的下肢康复训练机器人是帮助脑卒中患者训练的设备，不能用于帮助患者行走。申请号为201310726945.7的中国发明专利申请公开的脑瘫综合康复训练辅具，下肢外骨骼装置固装在支架上，能够实现患者髋关节前屈/后伸、外展/内收、旋内/旋外、膝关节/屈伸、足背屈/趾屈、足内翻/外翻、足旋内/旋外等康复训练，但是每个关节都没有驱动，是被动自由度，同时也不能用于帮助患者行走。申请号为201310688125.3的中国发明专利申请公开的一种拟人化的下肢外骨骼机器人，它包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统和脚部穿戴系统，但是它的脚部没有驱动，是被动自由度，它能够用于助力行走，但是不能用于患者的康复训练。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种下肢外骨骼助行康复机器人，辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走训练，此发明装置单下肢包括四个自由度，髋关节的屈伸运动，膝关节的屈伸运动以及踝关节的跖屈/背屈和内翻/外翻运动，其中内翻/外翻自由度没有驱动。通过外骨骼机器人带动下肢功能障碍的患者进行下肢运动，从而使患者改善或者逐步恢复和准确掌握步行运动技能。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:外骨骼本体和拐杖模块；其中，所述外骨骼本体包括腰部后背运动及支撑架模块、髋关节运动模块、膝关节运动模块、踝关节运动模块，其中:所述外骨骼下肢由髋部杆、大腿杆、小腿杆和足部杆依次串联构成，所述髋部杆和所述大腿杆铰接构成髋关节，所述大腿杆和所述小腿杆铰接构成膝关节，所述小腿杆和所述足部杆铰接构成踝关节；膝部电动推杆的两端分别与大腿下杆和所述小腿上杆铰接，踝部电动推杆的两端分别与小腿下杆和足部杆的后端铰接，拐杖模块结构上独立于外骨骼本体。
[0006]所述的腰部后背运动模块及支撑架模块包括:腰部支撑、支架支撑板、支架立板、支架底板、伺服电机、曲柄滑块机构、连杆、背部摇杆和定位螺栓，其中:背部曲柄滑块机构的摇杆固定，伺服电机驱动曲柄转动，带动连杆往复摆动，从而带动与该连杆相连的背部摇杆上下摆动。同时背部摇杆转动副还是空间四杆机构的输入端，从而实现髋关节在矢状面内的转动。两侧机构完全对称，实现两侧髋关节的往复交替运动。
[0007]所述的髋关节运动模块包括:髋关节、大腿杆件、大腿杆件尼龙绑带、定位螺栓、髋关节限位机构、髋关节角度传感器、空间四连杆驱动机构、销钉、大腿长度调节机构，其中:大腿长度调节机构可以调节大腿杆件对应部分的长度，并用定位螺栓锁紧，髋关节上的限位机构连接于髋关节上，通过限位机构来限制髋关节旋转的极限位置，销钉用来定位髋关节限位机构的位置，角度传感器安装在髋关节的外侧，用来实时监测髋关节运动的角度反馈值。
[0008]所述的膝关节运动模块包括:电动推杆、膝关节、小腿杆件、小腿长度调节机构、定位螺栓、小腿杆件尼龙绑带、膝关节限位机构、膝关节角度传感器，其中:膝部电动推杆的两端分别与大腿下杆和所述小腿上杆铰接，通过控制电动推杆的运动来驱动膝关节的屈伸运动，小腿长度调节机构可以调节小腿杆件对应部分的长度，并用定位螺栓锁紧，膝关节上的限位机构连接于膝关节上，通过限位机构来限制膝关节旋转的极限位置，销钉用来定位膝关节限位机构的位置，角度传感器安装在膝关节的外侧，用来实时监测膝关节运动的角度反馈值，小腿杆件尼龙绑带固定在小腿上，小腿的一端通过轴承连接与脚部相连。
[0009]所述的踝关节运动模块包括:电动推杆、踝关节、足托、足部杆件、足底拉簧、关节铰链、销轴、足底关节、定位螺栓、踝关节限位机构、踝关节角度传感器、足底压力传感器，其中:踝部电动推杆的两端分别与小腿下杆和踝部后端铰接，通过控制电动推杆的运动来驱动踝关节的屈伸运动，踝关节上的限位机构连接于踝关节上，通过限位机构来限制踝关节旋转的极限位置，销钉用来定位踝关节限位机构的位置，角度传感器安装在踝关节的外侧，用来实时监测踝关节运动的角度反馈值，脚底压力传感器安装于足托，用来检测脚底压力的变化情况，踝部尼龙绑带固定在踝部杆件上，足底拉簧安装在足部关节下面，用于足部关节运动时产生回复力，内翻/外翻运动采用被动自由度，通过铰链和销轴连接。
[0010]本发明工作时:首先测量瘫痪患者髋部、大腿和小腿的尺寸，然后调节外骨骼机器人髋部、大腿和小腿到合适的尺寸。穿戴外骨骼机器人时，通过尼龙宽腰带将患者和髋部连接在一起，通过尼龙绑带将患者的大小腿与外骨骼的大小腿相连，瘫痪患者双手握住拐杖来平衡身体并通过采集脚底压力信号来控制外骨骼机器人的运动。
[0011]本发明相比现有技术具有以下优点:为实现结构轻便的特点，本发明中外骨骼机器人的髋关节没有采用通常情况下在双侧髋关节分别安装电机的设计方式，而是通过一个伺服电机同时带动患者双侧下肢交替运动。其中，背部“曲柄滑块”机构的摇杆固定，电机驱动曲柄转动，带动连杆往复摆动，从而带动与该连杆相连的背部摇杆上下摆动。同时背部摇杆转动副还是空间四杆机构的输入端，从而实现髋关节在矢状面内的转动。两侧机构完全对称，实现两侧髋关节的往复交替运动。本发明中外骨骼机器人的机械装置单下肢具有四个自由度，利用较少却必须的自由度来实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置的效率，通过膝关节和髋关节的屈伸运动实现跨步，踝关节的跖屈、背屈运动可以帮助患者在迈步的过程中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减轻使用者保持自身及外骨骼机器人在额状面内平衡性的负担；膝关节和髋关节的运动范围在95°，即患者可以借助此外骨骼实现行走和坐下。且每个机器人关节运动自由度与人体关节运动自由度基本保持了同轴，这一仿生设计增强了机器的舒适性和可靠性，更有益于机器人辅助患者行走，从而使患者改善或者逐步恢复和准确掌握步行运动技能。
[0012]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步的说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的一个较佳实施例的外骨骼助行康复机器人的整体结构示意图。
[0014]图2、3是图1所示实施例中腰部后背运动及支撑架模块局部示意图。
[0015]图4是图1所不实施例中散关节运动|旲块的局部不意图。
[0016]图5是图1所不实施例中膝关节运动|旲块的局部不意图。
[0017]图6是图1所示实施例中踝关节运动模块的局部示意图。
[0018]图7是图1所示实施例的下肢外骨骼助行康复机器人的控制原理流程图。
[0019]图8是图1所示实施例的下肢外骨骼助行康复机器人的闭环控制图。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本实施例包括:腰部后背运动及支撑架模块1、髋关节运动模块2、膝关节运动模块3、踝关节运动模块4，其中:膝关节运动模块3两端分别与髋关节运动模块2和踝关节运动模块4相连，腰部后背运动及支撑架模块I和髋关节运动模块2相连，拐杖模块独立于外骨骼机器人本体。
[0021]如图2、3所示，所述的腰部后背运动模块及支撑架模块I包括:腰部支撑10、支架支撑板11、支架立板12、支架底板13、伺服电机14、曲柄滑块机构15、空间四连杆机构16、背部摇杆17和定位螺栓18，其中:背部曲柄滑块机构15的摇杆17固定，伺服电机14驱动曲柄转动，带动连杆往复摆动，从而带动与该连杆相连的背部摇杆17上下摆动。同时背部摇杆17转动副还是空间四杆机构16的输入端，从而实现髋关节在矢状面内的转动。两侧机构完全对称，实现两侧髋关节的往复交替运动。
[0022]如图4所示，所述的髋关节运动模块2包括:支架20、髋关节21、大腿杆件22、大腿杆件尼龙绑带23、定位螺栓24、髋关节限位机构25、髋关节角度传感器26、销钉27、大腿长度调节机构28，其中:大腿长度调节机构28可以调节大腿杆件22对应部分的长度，并用定位螺栓24锁紧，髋关节21上的限位机构25连接于髋关节21上，通过限位机构25来限制髋关节21旋转的极限位置，销钉27用来定位髋关节限位机构25的位置，角度传感器26安装在髋关节21的外侧，用来实时监测髋关节21运动的角度反馈值。
[0023]如图5所示，所述的膝关节运动模块3包括:支架30、电动推杆31、膝关节32、小腿杆件33、小腿长度调节机构34、定位螺栓35、小腿杆件尼龙绑带36、膝关节限位机构37、膝关节角度传感器38，其中:膝部电动推杆31的两端分别与大腿下杆和所述小腿上杆33铰接，通过控制电动推杆31的运动来驱动膝关节32的屈伸运动，小腿长度调节机构34可以调节小腿杆件33对应部分的长度，并用定位螺栓35锁紧，膝关节32上的限位机构37连接于膝关节32上，通过限位机构37来限制膝关节32旋转的极限位置，销钉用来定位膝关节32限位机构37的位置，角度传感器38安装在膝关节32的外侧，用来实时监测膝关节32运动的角度反馈值，小腿杆件尼龙绑带36固定在小腿杆件上，小腿杆件的一端通过轴承与脚部相连接。
[0024]如图6所示，所述的踝关节运动模块4包括:支架40、电动推杆41、踝关节42、足托43、足部杆件44、足底拉簧45、关节铰链46、销轴47、足底关节48、定位螺栓49、踝关节限位机构410、踝关节角度传感器411、足底压力传感器412，其中:踝部电动推杆41的两端分别与小腿下杆和踝部42后端铰接，通过控制电动推杆41的运动来驱动踝关节42的屈伸运动，踝关节42上的限位机构410连接于踝关节42上，通过限位机构410来限制踝关节42旋转的极限位置，销钉用来定位踝关节42限位机构410的位置，角度传感器411安装在踝关节42的外侧，用来实时监测踝关节42运动的角度反馈值，脚底压力传感器412安装于足托，用来检测脚底压力的变化情况，踝部尼龙绑带固定在踝部杆件44上，足底拉簧45安装在足部关节43下面，用于足部关节43运动时产生回复力，内翻/外翻运动采用被动自由度，通过铰链和销轴47连接。
[0025]本实例工作时:瘫痪患者坐于座椅的合适位置上穿戴外骨骼机器人本体,调整外骨骼机器人本体的各个部分的尺寸，使人体的髋关节、膝关节、踝关节对应于机器人相应的旋转轴，以适应瘫痪患者身体穿戴。穿戴好外骨骼本体后患者借助拐杖模块站立起来。髋-膝关节控制原理流程图和闭环控制图如图7、8所示，患者通过身体重心的左右摆动，实现脚底压力的变化，检测到双脚脚底压力差值达到额定值后触发电机/电动推杆运动，从而实现迈步，患者得以借助外骨骼机器人进行行走训练。
[0026]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种下肢外骨骼助行康复机器人，其特征在于，包括:外骨骼本体和拐杖模块；其中，所述外骨骼本体包括腰部后背运动及支撑架模块、髋关节运动模块、膝关节运动模块、踝关节运动模块，其中:所述外骨骼下肢由髋部杆、大腿杆、小腿杆和足部杆依次串联构成，所述髋部杆和所述大腿杆铰接构成髋关节，所述大腿杆和所述小腿杆铰接构成膝关节，所述小腿杆和所述足部杆铰接构成踝关节；膝部电动推杆的两端分别与大腿下杆和所述小腿上杆铰接，踝部电动推杆的两端分别与小腿下杆和足部杆的后端铰接，拐杖模块结构上独立于外骨骼本体。
2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼助行康复机器人，其特征是，所述的腰部后背运动模块及支撑架模块包括:腰部支撑、支架支撑板、支架立板、支架底板、伺服电机、曲柄滑块机构、连杆、背部摇杆和定位螺栓，其中:背部曲柄滑块机构的摇杆固定，伺服电机驱动曲柄转动，带动连杆往复摆动，从而带动与该连杆相连的背部摇杆上下摆动。同时背部摇杆转动副还是空间四杆机构的输入端，从而实现髋关节在矢状面内的转动。两侧机构完全对称，实现两侧髋关节的往复交替运动。
3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼助行康复机器人，其特征是，所述的髋关节运动模块包括:髋关节、大腿杆件、大腿杆件尼龙绑带、定位螺栓、髋关节限位机构、髋关节角度传感器、空间四连杆驱动机构、销钉、大腿长度调节机构，其中:大腿长度调节机构可以调节大腿杆件对应部分的长度，并用定位螺栓锁紧，髋关节上的限位机构连接于髋关节上，通过限位机构来限制髋关节旋转的极限位置，销钉用来定位髋关节限位机构的位置，角度传感器安装在髋关节的外侧，用来实时监测髋关节运动的角度反馈值。
4.根据权利要求1所述的下肢外骨骼助行康复机器人，其特征是，所述的膝关节运动模块包括:电动推杆、膝关节、小腿杆件、小腿长度调节机构、定位螺栓、小腿杆件尼龙绑带、膝关节限位机构、膝关节角度传感器，其中:膝部电动推杆的两端分别与大腿下杆和所述小腿上杆铰接，通过控制电动推杆的运动来驱动膝关节的屈伸运动，小腿长度调节机构可以调节小腿杆件对应部分的长度，并用定位螺栓锁紧，膝关节上的限位机构连接于膝关节上，通过限位机构来限制膝关节旋转的极限位置，销钉用来定位膝关节限位机构的位置，角度传感器安装在膝关节的外侧，用来实时监测膝关节运动的角度反馈值，小腿杆件尼龙绑带固定在小腿上，小腿的一端通过轴承连接与脚部相连。
5.根据权利要求1所述的下肢外骨骼助行康复机器人，其特征是，踝关节运动模块包括:电动推杆、踝关节、足托、足部杆件、足底拉簧、关节铰链、销轴、足底关节、定位螺栓、踝关节限位机构、踝关节角度传感器、足底压力传感器，其中:踝部电动推杆的两端分别与小腿下杆和踝部后端铰接，通过控制电动推杆的运动来驱动踝关节的屈伸运动，踝关节上的限位机构连接于踝关节上，通过限位机构来限制踝关节旋转的极限位置，销钉用来定位踝关节限位机构的位置，角度传感器安装在踝关节的外侧，用来实时监测踝关节运动的角度反馈值，脚底压力传感器安装于足托，用来检测脚底压力的变化情况，踝部尼龙绑带固定在踝部杆件上，足底拉簧安装在足部关节下面，用于足部关节运动时产生回复力，内翻/外翻运动采用被动自由度，通过铰链和销轴连接。
【文档编号】A61H3/00GK104490568SQ201410827881
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】陈殿生, 宁萌, 张本光 申请人:北京航空航天大学