本发明属于辅助运动器械技术领域，具体涉及一种多关节辅助运动床。
背景技术：
身体因疾病或意外伤害可能须要长时间卧床休养时，常因身体手脚疏于活动，造成各部位肌肉萎缩无力。因此，医护人员需要经常为活动不便者进行辅助锻炼，这一过程大大增大了医护人员的工作量，降低了医疗效率。此外当前也存在一些辅助锻炼器械，但是活动不便者要使用这些设备时必须有人辅助其离开病床进行锻炼，这同样需要耗费较大的人力。并且，现有运动辅助器械大多只能进行单个部位的辅助运动。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种多关节辅助运动床。
本发明包括床架、床板组件、脚部运动机构、背板驱动件和肩部运动机构。所述的床板组件包括背板、插拔板、臀板、腿板和脚板。所述的臀板与床架固定。所述背板的内侧边缘与臀板的一侧边缘铰接。背板由背板驱动件驱动。两块腿板的内端均与臀板的另一侧边缘通过第一铰接轴铰接。两块腿板的外端与两块脚板的内端边缘分别通过第二铰接轴铰接。背板上开设有两个让位槽。两块插拔板与背板上的两个让位槽分别构成滑动副。
所述的脚部运动机构包括限位斜块、第一限位电磁铁、第二限位电磁铁、电动推杆、第一铰杆、第二铰杆和推杆架。两根第一铰杆分别位于床架的两侧，且一端与两块腿板的内端分别通过第三铰接轴铰接，另一端与两根第二铰杆的一端分别通过第四铰接轴铰接。两根第二铰杆的另一端与两块脚板的外端分别通过第五铰接轴铰接。所述第一铰接轴的轴线与第三铰接轴的轴线共线。两个第一限位电磁铁与床架的两侧分别固定，且分别位于两根第一铰杆的下方。两根第一铰杆上均固定有第一限位铁块。所述的限位斜块与床架固定，且位于臀板的下方。所述限位斜块的工作侧面倾斜朝上。所述限位斜块的工作侧面上嵌有两个第二限位电磁铁。两块腿板的底面上均固定有第二限位铁块。两个电动推杆的外壳均与床架的尾端构成转动副。两个电动推杆的推出杆与两块脚板的顶面分别通过第六铰接轴铰接。
所述的肩部运动机构包括肩架板、光轴、滑移板、第一驱动组件、第二驱动组件和手臂连接组件。所述光轴的一端与床板固定，另一端与肩架板固定。所述的滑移板与光轴构成滑动副。滑移板由第一驱动组件驱动。所述的手臂连接组件包括摆臂滑轨、摆臂滑块、第一旋块、第二旋块和绑臂件。所述摆臂滑轨的内端与滑移板构成第一转动副。摆臂滑轨由第二驱动件驱动。所述的摆臂滑块与摆臂滑轨构成滑动副。所述的第一旋块与摆臂滑块构成第二转动副。所述的第二旋块与第一旋块构成第三转动副。所述的绑臂件固定在第二旋块上。肩部运动机构共有两个。两个肩部运动机构分别位于背板上的两个让位槽处。
进一步地，所述的第一铰接轴轴线到限位斜块工作侧面的间距等于腿板底面到第一铰接轴轴线的距离。所述的第三铰接轴轴线到第四铰接轴轴线的距离等于第二铰接轴轴线到第五铰接轴轴线的距离。第二铰接轴轴线到第三铰接轴轴线的距离等于第四铰接轴轴线到第五铰接轴轴线的距离。所述限位斜块的工作侧面倾斜朝上，且与水平面成60°角。第六铰接轴轴线到第二铰接轴的距离小于第六铰接轴轴线到第五铰接轴的距离。
进一步地，所述第一转动副及第二转动副的公共轴线均垂直于背板。第二转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线相互垂直。所述摆臂滑块、摆臂滑轨所成滑动副的滑动方向垂直于第二转动副的公共轴线。
进一步地，所述的脚部运动机构还包括锁位电磁铁。两个锁位电磁铁均固定在床架顶部的尾端。两块脚板顶面的外端均嵌有锁位铁块。两块锁位铁块与两个锁位电磁铁分别位置对应。
进一步地，所述的背板驱动件包括翻转电机、翻转丝杠、翻转连杆、滑架和翻转滑块。所述的滑架与床架固定。所述的翻转丝杠支承在滑架上。所述的翻转电机固定在滑架上。翻转电机的输出轴与翻转丝杠的一端固定。翻转滑块与滑架构成滑动副，且与翻转丝杠构成螺旋副。翻转连杆的一端与翻转滑块铰接，另一端与背板的中部铰接。
进一步地，所述的第一驱动组件包括摆驱丝杠和第一摆驱电机。所述摆驱丝杠的一端与肩架板构成转动副，另一端与背板构成转动副。摆驱丝杠由第一摆驱电机驱动。滑移板与摆驱丝杠构成螺旋副。
所述的第二驱动组件包括曲柄、摆臂连杆和第二摆驱电机。所述曲柄的内端与滑移板铰接，外端与摆臂连杆的一端铰接。摆臂连杆的另一端端与摆臂滑轨的中部铰接。第二摆驱电机与滑移板固定。第二摆驱电机的输出轴与曲柄固定。
进一步地，两个让位槽与背板的两端边缘分别连通。两个让位槽的间距等于350mm。让位槽的两侧边缘处开设有滑槽。插拔板与与让位槽形状相同，且两侧边缘处设置有插拔凸条。腿板的长度等于500mm。
进一步地，所述的绑臂件由绑板和绑带组成。所述的绑板固定在第二旋块上。两根绑带的内端均与绑板固定，外端上设置有魔术贴。
进一步地，两个肩部运动机构内手臂连接组件在背板顶面上的投影分别完全位于两个让位槽在背板侧面上的投影内部。
进一步地，初始状态下，背板、臀板、腿板及脚板均水平设置；两个锁位电磁铁与两块脚板上的锁位铁块分别吸合；第一限位电磁铁与两根第一铰杆上的第一限位铁块分别吸合。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明既能作为普通的床使用，又能够辅助使用者坐起并进行肩关节、膝关节及踝关节的辅助运动。进而能够使得行动不便者在不离开病床的情况下即可进行关节锻炼。
2、本发明的腿板在初始状态下刚好位于平行四边形机构的死点，进而使得单独作用在腿板上的力无法带动其运动，大大增强了本发明作为普通床体使用时的负载承受能力。
3、本发明通过变换平行四边形机构的固定杆，进而以同一个动力源完成两种不同的腿部动作，实现膝关节和踝关节的辅助运动。
4、本发明利用肩关节类似一个球面副的特点，通过设置三个自由度的方式，使得各个动力源的运动均转化为臂套绕使用者肩部的翻转，从而满足不同身高、体型使用者的需求。
附图说明
图1为本发明在初始状态下的立体示意图；
图2为本发明在初始状态下的俯视示意图；
图3为本发明在进行辅助运动状态下的立体示意图；
图4为本发明在进行辅助运动状态下的侧面示意图；
图5为本发明中肩部运动机构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种多关节辅助运动床，包括床架1、床板组件2、脚部运动机构3、背板驱动件4和肩部运动机构5。床板组件2包括背板2-1、插拔板2-2、臀板2-3、腿板2-4和脚板2-5。臀板2-3与床架1的中部固定。背板2-1的内侧边缘与臀板2-3的一侧边缘铰接。两块腿板2-4的内端均与臀板2-3的另一侧边缘通过第一铰接轴铰接。两块腿板2-4的外端与两块脚板2-5的内端边缘分别通过第二铰接轴铰接。腿板2-4的长度等于500mm。背板2-1上开设有对中设置的两个让位槽。两个让位槽与背板2-1的两端边缘分别连通，从而使得背板2-1呈现工字形。两个让位槽的间距等于350mm。让位槽的两侧边缘处开设有滑槽。与让位槽形状相同的插拔板2-2两侧边缘处设置有插拔凸条。两块插拔板2-2与背板2-1上的两个让位槽分别构成滑动副。背板2-1、插拔板2-2、臀板2-3、腿板2-4和脚板2-5构成能够辅助使用者坐起的床板。
如图1、2、3和4所示，脚部运动机构3包括限位斜块3-1、第一限位电磁铁3-2、第二限位电磁铁、电动推杆3-3、锁位电磁铁3-4、第一铰杆3-5、第二铰杆3-6和推杆架3-7。两根第一铰杆3-5分别位于床架1顶部的两侧，且一端与两块腿板2-4的内端分别通过第三铰接轴铰接，另一端与两根第二铰杆3-6的一端分别通过第四铰接轴铰接。两根第二铰杆3-6的另一端与两块脚板2-5的外端分别通过第五铰接轴铰接。第一铰接轴轴线与第三铰接轴轴线共线。第三铰接轴轴线到第四铰接轴轴线的距离等于第二铰接轴轴线到第五铰接轴轴线的距离。第二铰接轴轴线到第三铰接轴轴线的距离等于第四铰接轴轴线到第五铰接轴轴线的距离。从而使得第一铰杆3-5、第二铰杆3-6、腿板2-4、脚板2-5构成了平行四边形机构。
两个第一限位电磁铁3-2与床架1顶部的两侧分别固定，且分别位于两根第一铰杆3-5的下方。第一铰杆3-5靠近对应第一限位电磁铁3-2侧面上嵌有第一限位铁块。通过第一限位电磁铁3-2与第一限位铁块的吸合，能够使得第一铰杆3-5与床架1固定，从而成为平行四边形机构中的固定杆。
限位斜块3-1与床架1固定，且位于臀板2-3的下方。限位斜块3-1靠近床架1尾端的工作侧面倾斜朝上，且与水平面成60°角。第一铰接轴轴线到限位斜块3-1工作侧面的间距等于腿板2-4底面到第一铰接轴轴线的距离。限位斜块3-1能够使得腿板2-4被限位在与水平面成60°角的位置。
限位斜块3-1的工作侧面上嵌有两个第二限位电磁铁。两块腿板2-4的底面上均嵌有第二限位铁块。两个第二限位电磁铁与两块第二限位铁块分别沿第一铰接轴的周向对齐。通过第二限位电磁铁与第二限位铁块的吸合，能够使得腿板2-4与床架1固定，从而成为平行四边形机构中的固定杆。
两根推杆架3-7的底端均与床架1顶部的尾端固定，顶端与两个电动推杆3-3的外壳分别构成转动副。两个电动推杆3-3的推出杆与两块脚板2-5的顶面分别通过第六铰接轴铰接。第六铰接轴轴线到第二铰接轴的距离小于第六铰接轴轴线到第五铰接轴的距离。当第一限位电磁铁3-2与第一限位铁块的吸合时，电动推杆3-3的伸缩能够驱动两块腿板2-4保持水平的运动，从而使得使用者坐起后，脚掌能够具有水平的支撑。当第二限位电磁铁与第二限位铁块的吸合时，电动推杆3-3的伸缩能够驱动两块腿板2-4翻转，从而实现对使用者踝关节的辅助运动。
两个锁位电磁铁3-4均固定在床架1顶部的尾端。两块脚板2-5顶面的外端均嵌有锁位铁块。两块锁位铁块与两个锁位电磁铁3-4分别位置对应，即当脚板2-5、腿板2-4均水平的状态下，锁位铁块与锁位电磁铁3-4接触。
如图1、2和4所示，背板驱动件4包括翻转电机4-1、翻转丝杠、翻转连杆4-2、滑架4-3和翻转滑块4-4。沿床架1长度方向设置的滑架4-3与床架1固定。翻转丝杠支承在滑架4-3上，且位于背板2-1的正下方。翻转电机4-1固定在滑架4-3上。翻转电机4-1的输出轴与翻转丝杠的一端固定。翻转滑块4-4与滑架4-3构成滑动副，且与翻转丝杠构成螺旋副。翻转连杆4-2的一端与翻转滑块4-4铰接，另一端与背板2-1的中部铰接。通过翻转电机4-1的转动能够驱动背板2-1翻转。
如图1、3、4和5所示，肩部运动机构5包括肩架板5-1、光轴5-2、滑移板5-3、第一驱动组件、第二驱动组件和手臂连接组件。两根光轴5-2的一端与床板的底面固定，另一端与肩架板5-1的两个对角分别固定。位于背板2-1、肩架板5-1之间的滑移板5-3与两根光轴5-2构成滑动副。第一驱动组件包括摆驱丝杠5-4和第一摆驱电机5-5。两根摆驱丝杠5-4的一端与肩架板5-1的另两个对角分别构成转动副，另一端均与背板2-1的底面构成转动副。两个第一摆驱电机5-5均固定在肩架板5-1上。两个第一摆驱电机5-5的输出轴与两根摆驱丝杠5-4的一端分别固定。固定在滑移板5-3上的两个螺母与两根摆驱丝杠5-4分别构成螺旋副。
手臂连接组件包括摆臂滑轨5-6、摆臂滑块5-7、第一旋块5-8、第二旋块5-9和绑臂件5-10。摆臂滑轨5-6的内端与滑移板5-3构成第一转动副。摆臂滑块5-7与摆臂滑轨5-6构成滑动副。第一旋块5-8与摆臂滑块5-7构成第二转动副。第二旋块5-9与第一旋块5-8构成第三转动副。绑臂件5-10由绑板和绑带组成。绑板固定在第二旋块5-9上。两根绑带的内端均与绑板固定，外端上设置有魔术贴。第一转动副及第二转动副的公共轴线均垂直于背板2-1。第二转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线相互垂直。摆臂滑块5-7、摆臂滑轨5-6所成滑动副的滑动方向垂直于第二转动副的公共轴线。
第二驱动组件包括曲柄5-11、摆臂连杆5-12和第二摆驱电机5-13。曲柄5-11的内端与滑移板5-3铰接，外端与摆臂连杆5-12的一端铰接。摆臂连杆5-12的另一端端与摆臂滑轨5-6的中部铰接。第二摆驱电机5-13与滑移板5-3固定。第二摆驱电机5-13的输出轴与曲柄5-11固定。
肩部运动机构5共有两个。两个肩部运动机构5分别位于背板2-1上的两个让位槽处。两个肩部运动机构5内手臂连接组件在背板2-1顶面上的投影分别完全位于两个让位槽在背板2-1侧面上的投影内部(即抽出插拔板2-2后，第一驱动组件能够驱动绑臂件5-10穿过对应让位槽)。
手臂连接组件中具有三个未提供动力源的自由度(分别是摆臂滑轨5-6与摆臂滑块5-7的滑动副、摆臂滑块5-7与第一旋块5-8的转动副、第一旋块5-8与第二旋块5-9的滑动副)。而人的肩关节可以看作一个球面副，球面副限制三个转动自由度。故当使用者的大臂与绑臂件5-10固定时，未提供动力源的三个自由度刚好被肩关节的球面副所约束。这就使得不论是什么身材的人的手臂都能以合适的角度与绑臂件5-10固定，并形成完全约束(即自由度数量等于动力源数量)。并且第一摆驱电机5-5及第二摆驱电机5-13的运动均能够转化为大臂绕肩关节的转动，从而实现对肩关节的辅助运动。
初始状态下，背板2-1、臀板2-3、腿板2-4及脚板2-5均水平设置；两个锁位电磁铁3-4与两块脚板2-5上的锁位铁块分别吸合；第一限位电磁铁3-2与两根第一铰杆3-5上的第一限位铁块分别吸合；此时，第一铰杆3-5、第二铰杆3-6、腿板2-4及脚板2-5连成一条直线，平行四边形机构到达死点状态，单独作用在腿板2-4或第二铰杆3-6上的力无法带动平行四边形机构运动。在使用者平躺时脚部仅与腿板2-4接触，脚板2-5受力很小，而作用在腿板2-4上的力又无法驱动平行四边形运动，故平行四边形机构死点的设计能够大大增强本发明在初始状态下的负载能力。
本发明的工作原理如下：
步骤一、锁位电磁铁3-4断电，两个电动推杆3-3同步推出，使得两块腿板2-4及两根第二铰杆3-6翻转，两块脚板2-5保持水平运动。同时，翻转电机4-1转动，使得背板2-1向上翻转。使用者随着背板2-1、腿板2-4及脚板2-5的运动逐渐坐起。
步骤二、两块腿板2-4均与限位斜块3-1接触后，两个电动推杆3-3停止运动，两个第二限位电磁铁通电与两块腿板2-4上的第二限位铁块吸合。背板2-1翻转至与水平面成60°角的状态后，翻转电机4-1停转。此时，使用者呈完全坐起的状态(背部与水平面呈60°角，小腿与水平面成60°角)。
步骤三、辅助人员抽出两块插拔板2-2，使得两个手臂连接组件与使用者的肩部之间不再有阻隔。
步骤四、第一摆驱电机5-5正转，使得绑臂件5-10与背板的顶面平齐。之后，第一摆驱电机5-5停转，辅助人员用两个绑臂件5-10上的绑带分别绑住使用者的两个大臂。
步骤五、同步进行脚部辅助运动和肩关节辅助运动。
脚部辅助运动的具体原理如下：
(1)两个第一限位电磁铁3-2断电，两个第二限位电磁铁通电，此时，第一铰杆3-5、第二铰杆3-6、腿板2-4、脚板2-5所组成的平行四边形机构中固定杆由第一铰杆3-5变为腿板2-4，脚板2-5的运动方式由保持水平状态移动变为翻转运动。两个电动推杆3-3中的一个作为第一电动推杆3-3，另一个作为第二电动推杆3-3。
(2)第一电动推杆3-3缩回，直至第一电动推杆3-3对应的脚板2-5与水平面成30°角。
(3)第二电动推杆3-3缩回，直至第二电动推杆3-3对应的脚板2-5与水平面成30°角。同时，第一电动推杆3-3推出，直至第一电动推杆3-3对应的脚板2-5回复到水平状态。
(4)第一电动推杆3-3缩回，直至第一电动推杆3-3对应的脚板2-5与水平面成30°角。同时，第二电动推杆3-3推出，直至第二电动推杆3-3对应的脚板2-5回复到水平状态。
(5)重复执行步骤(3)和(4)十次后，进入步骤(6)
(6)第一电动推杆3-3推出，使得第一电动推杆3-3对应的脚板2-5回复到水平状态。
(7)两个第一限位电磁铁3-2通电，两个第二限位电磁铁断电，使得第一铰杆3-5、第二铰杆3-6、腿板2-4、脚板2-5所组成的平行四边形机构中固定杆由腿板2-4变为第一铰杆3-5，脚板2-5的运动方式由翻转运动变为保持水平状态移动。
(8)第一电动推杆3-3缩回，直至第一电动推杆3-3对应的腿板2-4与水平面成30°角。
(9)第二电动推杆3-3缩回，直至第二电动推杆3-3对应的脚板2-5与水平面成30°角。同时，第一电动推杆3-3推出，直至第一电动推杆3-3对应的脚板2-5与限位斜块3-1的工作侧面接触。
(10)第一电动推杆3-3缩回，直至第一电动推杆3-3对应的脚板2-5与水平面成30°角。同时，第二电动推杆3-3推出，直至第二电动推杆3-3对应的脚板2-5与限位斜块3-1的工作侧面接触。
(11)重复执行步骤(9)和(10)十次后，进入步骤(12)。
(12)第一电动推杆3-3推出，直至第一电动推杆3-3对应的脚板2-5与限位斜块3-1的工作侧面接触。之后进入步骤(13)
(13)重复执行步骤(2)至(12).
肩部辅助运动的具体原理如下：
(1)第二摆驱电机5-13转动，使得使用者的大臂随摆臂滑轨5-6翻转至与肩部平齐的状态。
(2)第一摆驱电机5-5正转，使得使用者的大臂向身前翻转至与背板2-1成45°角位置。
(3)第一摆驱电机5-5正转，第二摆驱电机5-13转动，使得使用者的大臂恢复到与身体侧部贴合的状态。进入步骤(4)。
(4)重复执行步骤(1)至(3)。