可实现正常步态轨迹的四肢联动康复训练机器人的制作方法

本发明涉及一种康复医疗器械与健身器械领域的机器人，具体涉及一种可实现正常步态轨迹的四肢联动康复训练机器人。

背景技术：

调查显示，每年都有相当数量的人由于疾病、交通事故等原因造成下肢功能障碍。相关研究表明，对于运动失能的人群，尽早进行合理的康复训练，可以促进大脑皮层的可塑性发展，恢复肢体功能，有效的缓解病症，降低残疾程度，减少并发症。以神经可塑性原理为基础的重复性训练可实现患者大脑功能重组，通过机械装置辅助训练有望使患者逐渐康复。部分减重步行训练(PBWSTT)在临床上的应用就是基于上述原理。患者进行减重步行训练时，一般需要两名康复师来辅助，但是康复师的数量有限，难以满足患者的需求，也无法保证患者的康复训练时间和强度，这使需要人工辅助的康复训练的实际疗效受到制约。为此，欧美、日本等发达国家的科研工作者和医疗机构率先展开了对康复机器人技术的研究，目前研究较为成熟的有Lokomat，LOPES，ALEX以及NaTUre-gaits等。这些机器人由于结构复杂，价格昂贵，难以推广应用于一般家庭当中。

除少数外骨骼式下肢康复机器人能近似实现正常步态轨迹外，大部分足部驱动的康复机器人所能实现的轨迹与人体正常步态轨迹有一定的偏差，造成使用者在长期训练之后步态与自然步态不相符，肌肉发动模式异于常人，影响康复训练效果。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足之处，提供了一种新型可实现正常步态轨迹的康复训练机器人。使用本发明能够根据康复训练者的身体特征及康复理论进行设计，解决了康复训练轨迹与自然步态轨迹不匹配的问题，使其能够产生与康复训练者匹配的标准步态轨迹，通过带动脚部运动进而完成整个下肢的康复训练动作。该发明结构简单，仅需要一个电机即可完成康复训练，成本较低，很适合用于普通家庭。此外，本发明既可以通过电机驱动带动患者被动的完成四肢联动的康复训练，也可以通过手部转动扶手主动地完成康复训练过程，适合不同需求的康复或健身训练对象。结构简单，成本较低，适合推广于一般家庭使用。

为了解决现有的技术问题，本发明提出的一种可实现正常步态轨迹的四肢联动康复训练机器人，包括机架、动力装置、传动系统和两个脚踏板；所述传动系统由主动链轮、链条、从动链轮和传动轴组成，所述主动链轮设置在所述减速电机的输出轴上；所述机架的左右两侧对称地分布有两套运动辅助系统，所述两套运动辅助系统的末端分别连接至两个脚踏板；两套运动辅助系统的结构相同；每套运动辅助系统是由凸轮机构和四杆机构连接组成的凸轮-连杆机构；所述凸轮机构包括通过螺栓固定在所述机架上的带有沟槽的凸轮，所述凸轮的沟槽内设有凸轮滚子；所述连杆机构包括依次与长度可变的曲柄相连的连杆和摆杆；所述长度可变的曲柄由第一段曲柄和第二段曲柄构成，所述第一段曲柄的一端与所述传动轴键连接，所述第二段曲柄的一端与所述凸轮滚子铰接，所述第二段曲柄内设有滑轨，所述第一段曲柄的另一端插装在所述第二段曲柄的滑轨内，并可沿第二段曲柄的长度方向滑动；所述连杆的一端与第二段曲柄的另一端铰接，所述连杆另一端与所述摆杆的一端铰接，所述摆杆与机架铰接于点B，所述摆杆的另一端设有扶手，所述连杆上的一点C与所述脚踏板铰接；所述凸轮机构用于控制曲柄的长度；两套运动辅助系统中的曲柄以180°的相位差安装。所述动力装置是减速电机或是两个设置在两套运动辅助系统的摆杆端部的扶手。

本发明相对于现有技术的优点：本发明能够实现人体正常的步态轨迹，相比于其他末端驱动康复训练机器人具有更好的康复性能。患者既可以选择用电机带动运动辅助系统被动的完成康复训练，也可以选择用手操作扶手主动地完成康复训练。本发明可以实现四肢协调训练，既可以用于康复训练，也可以用于健身训练，结构简单，成本较低，适合推广于一般家庭使用。

附图说明

图1是本发明四肢联动康复训练机器人的整体结构示意图。

图2是单侧运动辅助系统的结构示意图。

图中：

1-机架 2-传动轴 3-从动链轮

4-运动辅助系统 5-链条 6-主动链轮

7-减速电机 40-凸轮 41-第一段曲柄

42-凸轮滚子 43-第二段曲柄 44-扶手

45-摆杆 46-连杆 47-脚踏板

A-曲柄旋转中心 B-摆杆旋转中心 C-连杆与脚踏板的铰接点

G-C点的运动轨迹

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示：本发明提出的一种可实现正常步态轨迹的四肢联动康复训练机器人，包括机架1、动力装置、传动系统和两个脚踏板47；所述传动系统由主动链轮6、链条5、从动链轮3和传动轴2组成，所述主动链轮6设置在所述减速电机7的输出轴上；所述机架1的左右两侧对称地分布有两套运动辅助系统4，所述动力装置通过传动系统与运动辅助系统4相连，为运动辅助体统4提供驱动力。

所述两套运动辅助系统的末端分别连接至两个脚踏板47。

本发明中，两套运动辅助系统4的结构相同，如图2所示，每套运动辅助系统是由凸轮机构和四杆机构连接组成的凸轮-连杆机构；所述凸轮机构包括通过螺栓固定在所述机架1上的带有沟槽的凸轮40，所述凸轮40的沟槽内设有凸轮滚子42；所述连杆机构包括依次与长度可变的曲柄相连的连杆46和摆杆45；所述长度可变的曲柄由第一段曲柄41和第二段曲柄43构成，所述第一段曲柄41的一端与所述传动轴2键连接，所述第二段曲柄43的一端与所述凸轮滚子42铰接，所述第二段曲柄43内设有滑轨，所述第一段曲柄41的另一端插装在所述第二段曲柄43的滑轨内，并可沿第二段曲柄43的长度方向滑动；所述连杆46的一端与第二段曲柄43的另一端铰接，所述连杆46另一端与所述摆杆45的一端铰接，所述摆杆45与机架1铰接于点B，所述摆杆45的另一端设有扶手44，所述连杆46上的一点C与所述脚踏板47铰接；所述凸轮机构用于控制曲柄的长度。如图1所示，两套运动辅助系统4中的曲柄以180°的相位差安装。减速电机7通过链传动带动传动轴2转动以带动整个曲柄转动，曲柄转动过程中其长度随着凸轮40的转动而改变，运动辅助系统4带动两个脚踏板47分别按照如图2中G所示的运动轨迹循环动作，从而帮助站在两个脚踏板47上的使用者完成康复训练。

本发明既可以通过减速电机7带动使用者完成被动的康复训练，也可以通过转动扶手44主动地完成康复训练，即所述动力装置是减速电机7或是两个设置在两套运动辅助系统4的摆杆端部的扶手44。若所述动力装置是减速电机7，则通过传动装置与运动辅助系统相连，为运动辅助体统提供驱动力(如前述)。若不用减速电机7驱动，则可以通过转动扶手44主动地完成康复训练。

在康复训练的过程中，第一段曲柄41在动力装置和传动系统的带动下，产生旋转运动，第一段曲柄41的转动一方面带动第一段曲柄43的转动，在踏板47与连杆46的铰接点处产生特定的运动轨迹，另一方面通过凸轮滚子42在凸轮40的沟槽内沿着曲柄旋转中心A滚动，进而带动第一段曲柄41沿着第二段曲柄43的长度方向移动，从而改变第二段曲柄43与连杆46之间的铰接点到曲柄旋转中心A的距离。本发明通过将曲柄设计为长度可变的曲柄，从而对C点的轨迹进行修正，使脚踏板47的轨迹更加接近人体正常步态轨迹。本发明中将两侧的运动辅助系统设计为相同的结构，而且是按照曲柄的相位差为180°安装，使用者足部与运动辅助系统4的脚踏板47相连，通过脚踏板47引导使用者的足部运动，使用本发明进行康复训练，踝关节轨迹与目标轨迹点重合，手部与两个扶手44相连，进而完成四肢联动的康复训练过程。

本发明运动辅助系统4的机构尺寸可以根据人体正常步态轨迹进行设计，从而可以实现个性化康复训练需求。首先，根据人体正常步态轨迹，优化得到四杆机构的尺寸，然后以曲柄长度为因变量，通过运动学逆解得到精确通过目标轨迹点所需的曲柄长度的变化量，即为凸轮的理论廓线。采用第一段曲柄和第二段曲柄插装滑动，使得整个曲柄随着凸轮的转动而改变长度，从而在满足运动学性能的情况下减小了凸轮的尺寸。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。