一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人的制作方法

本发明属于康复机器人领域，涉及一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人。

背景技术：

近几年来,随着老龄化问题逐渐突出，老年人口所占比例逐渐增加，同时,由于人们的居住环境、食品安全遭到不同程度的污染与破坏,偏瘫、中风疾病患者越来越多。对于这些在肢体上存在不便的人群来说，传统的康复训练方式不仅大量耗费人力，对康复师的技术水平也有很高的要求，因此，国内外诸多学者都在逐步探索可穿戴外骨骼康复机器人的设计与制造。可穿戴外骨骼康复机器人是一种具备协同动作能力且可以实现模拟人体运动的机器，它能够承受的工作强度高，且性能稳定，通过辅助肢体进行标准化运动，就能达到促进患者的运动能力和控制能力恢复的目的。因此，可穿戴外骨骼康复机器人在医疗康复训练、辅助运动、以及身体支撑等方面的应用受到广泛的关注。随着外骨骼技术的不断发展，人们对可穿戴外骨骼康复机器人的穿戴舒适性以及康复性能的要求越来越高，除了需要轻量级的，功能强大的外骨骼外，外骨骼康复机器人的设计应该更多的考虑人机交互性能，以保证外骨骼和人的下肢正确的对齐，这是不仅对舒适度至关重要，而且相对安全，因为关节错位，特别是高扭矩时会引起严重的疼痛。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：现有的国内大部分可穿戴康复机器人自由度过少，没有考虑到人体肌肉的伸缩性会使得肢体在运动时，肢体和关节会产生一定偏差，并且，国内现有的设计中通常为了使结构简单，所采用的驱动数较少，因此几个关节之间通常是联动的，那些没有驱动的关节只能在别的有驱动的关节的带动下才能运动，从而当有单一自由度的康复需求时，现有机构不能成功实现对特定的关节的动作，影响康复治疗的效果。本发明提供了一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人，设计着重于机器人的自适应性，在髋关节和膝关节处设计有微调机构，可满足单一自由度的康复需求，实现对特定关节的动作，使得患者穿戴机器人后更适应、更舒适，大大降低患者在康复运动中关节错位的概率，有效促进患者运动能力和控制能力的恢复。

本发明的技术方案如下：

一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人，包括支撑机构、机架、髋关节自适应结构、膝关节自适应结构和踝关节结构；

所述支撑机构包括机械脚板支撑和腰胯支撑；所述机械脚板支撑为一个跑步机，用于支撑机械脚板，并保证在执行行走运动时机器人相对于机架的水平位置不变；

所述腰胯支撑包括水平连杆机构和机架；所述水平连杆机构左端与机架相连，右端与腰胯部位相连，所述水平连杆机构由两个平行四边形连杆机构铰接而成，所述平行四边形连杆机构为上下结构，上结构为一根液压杆，下结构为两根承重连杆，所述液压杆和所述承重连杆通过铰接与构件左边部位相连，所述构件左边部分呈长方体条状，右边部分呈燕尾形，所述燕尾形部分活动连接于滑槽；所述平行四边形结构可通过控制液压杆的长度对腰胯部分的水平位置进行调整，以保证康复运动过程中外骨骼机构冠状面与机架保持平行，从而提高机构在人体步态运动时的人机适应性；所述机架由上下两部分固定连接而成，下部分为长方体板状结构，上部分为长方体柱状结构，其顶端到中部位置之间，开有呈燕尾形的滑槽，用于连接水平连杆机构；当患者穿戴上康复机器人进行康复运动时，由于髋关节的高度会随着大腿和小腿的屈伸而变化，因此可通过水平连杆机构在滑槽内上下移动来调整整个下肢康复机器人的高度；

所述髋关节自适应结构主要由电机、腰胯固定件、安装座、连杆和连接架组成；所述腰胯固定件为半个圆角矩形状；所述安装座由左右对称的两块圆形板构成，所述圆形板后端固定连接有第一连接架，前端固定连接有第二连接架；所述第一连接架和第二连接架均为燕尾形，第一连接架与水平连杆机构铰接，第二连接架与腰胯固定件固定连接；两块圆形板的圆心处还设计有连接杆穿过，所述连接杆固定于两个圆形板，连接杆的杆体为圆柱形，两端为板状，安装有第一电机和连杆，所述第一电机控制实现髋关节的屈伸和收展，所述连杆另一端安装有平行四边形微调装置，所述微调装置左边部分安装有第二电机，所述第二电机控制微调装置，调节在矢状面内屈伸运动和外展内收运动产生的误差；所述微调装置右边部分安装有第一活动板，所述第一活动板为直角梯形状，其连接髋关节旋转机构，所述髋关节旋转机构为双爪形外旋转中心机构，其左边部分安装有第三电机，所述第三电机控制髋关节旋转机构，调整冠状面内内旋和外旋运动产生的误差，所述髋关节旋转机构右边边沿处通过第二活动板连接于大腿板上端；

现有设计中，康复机器人的膝关节设计上通常为两根膝关节连杆，即一个自由度的旋转副，这种设计将膝关节牢固的固定在空间中某一位置，然而实际运动中，肢体和机械腿的中心轴不能始终保持对齐，当人的肢体和机器人下肢的中心轴产生偏差时，机器人会对人体的关节产生一个相对旋转的转矩，转矩过大时甚至会造成肌肉或关节的拉伤，因此，本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人将膝关节设计为一个自适应结构，用两个平行四边形结构代替两根膝关节连杆；

所述膝关节自适应结构主要由大腿板、大腿固定件、电机、膝关节缓冲结构、小腿板和小腿固定件组成；所述大腿固定件通过销钉固定于大腿板下端靠近中间位置处，所述大腿板下端连接于膝关节缓冲结构上端，所述缓冲结构为双平行四边结构，该结构增加了膝关节的自由度，使得大腿和小腿的空间位置有了一定缓冲空间，从而使膝关节能有效的缓冲运动时所受到的冲击，增加了膝关节的自由度，提高机器人膝关节自适应力；所述大腿板下端连接膝关节缓冲结构处还安装有第四电机，所述第四电机用于控制膝关节缓冲结构；

所述踝关节结构为两个自由度的结构，主要由踝关节板、踝固定件、踝摆动件和机械脚板组成，所述踝关节板上端连接于小腿版，底端安装有踝固定件，安装处还连接有踝摆动件，所述踝摆动件与机械脚板固定连接；由于康复机器人是在跑步机上进行康复训练，不会发生路面不平等冲击的状况，且运动范围小，所以踝关节不会产生生偏心问题，因此无需对踝关节结构进行微调设计。

本发明的有益效果是：本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人，设计着重于机器人的自适应性，在髋关节和膝关节处设计有微调机构，可满足单一自由度的康复需求，实现对特定关节的动作，使得患者穿戴机器人后更适应、更舒适，大大降低患者在康复运动中关节错位的概率，有效促进患者运动能力和控制能力的恢复。

附图说明

图1是本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人整体结构示意图。

图2是本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人腰胯支撑结构示意图。

图3是本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人水平连杆机构结构示意图。

图4是本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人髋关节自适应结构示意图。

图5是本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人膝关节自适应结构示意图。

图6是本发明一种可穿戴外骨骼下肢康复机器人踝关节结构示意图。

附图标记说明：1、机架；2、水平连杆机构；3、第一连接架；4、第二连接架；5、髋关节自适应结构；6、膝关节自适应结构；7、踝关节结构；8、跑步机；9、滑槽；10、液压杆；11、承重连杆；12、构件；13、圆形板；14、连接杆；15、第一电机；16、髋关节连杆；17、第二电机；18、第一活动板；19、第三电机；20、髋关节旋转机构；21、第二活动板；22、腰胯固定件；23、大腿板；24、第四电机；25、小腿板；26、踝关节板；27、大腿固定件；28、膝关节缓冲结构；29、小腿固定件；30、踝固定件；31、踝摆动件；32、机械脚板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

本发明包括支撑机构、机架1、髋关节自适应结构5、膝关节自适应结构6和踝关节结构7；所述支撑机构包括机械脚板支撑和腰胯支撑，所述机械脚板支撑为一个跑步机4，所述腰胯支撑包括水平连杆机构2和机架1，所述水平连杆机构2左端通过构件12安装进滑槽9，实现与机架1的活动连接，右端与第一连接架3铰接固定，第一连接架3固定连接于安装座，所述安装座由左右对称的两块圆形板13构成，第一连接架3固定连接于圆形板13后端，实现水平连杆机构2与髋关节自适应结构5的连接；所述圆形板13的前端固定连接于腰胯固定件21，圆形板13的圆心处有连接杆14穿过，并固定于两个圆形板13，所述连接杆14两端安装有第一电机15和髋关节连杆16，所述髋关节连杆16另一端安装有平行四边形微调装置，所述微调装置左边部分安装有第二电机17，右边部分安装有第一活动板18，所述活动板另一端连接于髋关节旋转机构20，所述髋关节旋转机构20左边部分安装有第三电机19，右边边沿处通过第二活动板21连接于大腿版23上端，所述大腿板23下端靠近中间位置处安装有大腿固定件27，下端连接于膝关节缓冲结构28的上端，连接处安装有第四电机24，所述膝关节缓冲结构28下端连接于小腿板25顶端，靠近连接处的下边安装有小腿固定件29，所述小腿板25下端连接于踝关节板26，所述踝关节板底端安装有踝固定件30，安装处还连接有踝摆动件31，所述踝摆动件31与机械脚板32固定连接。

穿戴时，患者依次将腰胯固定件22卡在腰胯处，将大腿固定件27卡在大腿处，将小腿固定件29卡在小腿处，将踝固定件30卡在踝关节处即可完成机器人穿戴工作。

训练时，患者在跑步机上行走，足跟接地时，人体盆骨会旋转，此时机器人髋关节自适应结构5先经第一电机17驱动，控制大腿在髋关节处屈，接着第二电机17控制微调装置，调节在矢状面内患者屈运动时产生的误差，再接着第三电机19控制髋关节旋转机构20，调整冠状面旋转运动产生的误差，脚掌着地时，膝关节缓冲结构28经第四电机24驱动，缓冲运动时所受到的冲击，提高机器人膝关节的自适应力，降低康复运动中患者关节错位的概率；行走过程中，可通过控制水平连杆机构2上液压杆10的长度对腰胯部分的水平位置进行调整，保证康复运动过程中外骨骼机构冠状面与机架保持相对平行，还可通过水平连杆机构2在滑槽9内上下移动，调整整个下肢康复机器人的高度，从而提高机构在人体步态运动时的人机适应性。