一种七自由度的下肢康复机器人的制作方法

本发明涉及医疗设备领域，具体地，涉及一种七自由度的下肢康复机器人。

背景技术：

目前脑卒中患者或者肢体损伤患者术后最有效的恢复方法就是康复训练，而下肢康复训练是患者肢体康复运动中非常关键的一个环节，目前市面上还没有一种有效的多自由度进行患者下肢运动的机构出现，实现髋关节、膝关节和踝关节的同事协调康复动作，使得患者在康复运动过程中得到有效的多自由度下肢康复训练。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种七自由度的下肢康复机器人，其结构简单，操作便捷，具有良好的康复效果，具有广泛推广意义。

为实现以上目的，本发明提供一种七自由度的下肢康复机器人，包括：髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节、踝内收外展关节、大腿伸缩部分、小腿伸缩部分、大腿支持部分、小腿支持部分、腿部足部固定部分和控制部分，所述髋内收外展关节为第一个自由度关节，所述髋屈曲伸展关节为第二个自由度关节，所述髋内旋外旋关节为第三个自由度关节，所述膝屈曲伸展关节为第四个自由度关节，所述踝内翻外翻关节为第五个自由度关节，所述踝跖屈背屈关节为第六个自由度关节，所述踝内收外展关节为第七个自由度关节，七个自由度关节串联连接；其中：

所述髋内收外展关节与人体下肢的髋关节内收和外展动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展髋关节的内收和外展运动；

所述髋屈曲伸展关节连接髋内收外展关节，并与人体下肢的髋关节屈曲和伸展动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展髋关节的屈曲和伸展运动；

所述大腿伸缩部分连接髋屈曲伸展关节，大腿伸缩部分用于根据人体大腿的长度手工调节尺寸以适应不同肢体尺度的要求；

所述髋内旋外旋关节连接大腿伸缩部分，并与人体下肢的髋关节内旋和外旋动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展髋关节的内旋和外旋运动；

所述膝屈曲伸展关节连接大腿伸缩部分，并与人体膝关节的膝关节屈曲和伸展动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展膝关节的屈曲和伸展动作运动；

所述小腿伸缩部分与膝屈曲伸展关节连接，小腿伸缩部分用于根据人体小腿的长度手工调节尺寸以适应不同肢体尺度的要求；

所述踝内翻外翻关节连接小腿伸缩部分，并与人体下肢的踝关节内翻和外翻动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展踝关节的内翻和外翻运动；

所述踝跖屈背屈关节连接踝内翻外翻关节，并与人体下肢的踝关节跖屈和背屈动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展踝关节的跖屈和背屈运动；

所述踝内收外展关节连接踝跖屈背屈关节，并与人体下肢的踝关节内收和外展动作关节轴同心，用于辅助患者下肢开展踝关节的内收和外展运动；

所述大腿支持部分连接大腿伸缩部分，用于支撑人肢体的大腿部分；

所述小腿支持部分连接小腿伸缩部分，用于支撑人肢体的小腿部分；

所述腿部足部固定部分用于将患者的腿部和足部与踝内收外展关节固定；

所述控制部分，用于控制所述七个自由度关节的运动速度和运动角度，根据需求对患者进行主动式、被动式或抗阻控制，根据不同阶段的康复需求，实现康复效果。

优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节和踝内收外展关节，共七个自由度关节单独运动，或者几个自由度联动。

优选地，所述髋内收外展关节与髋屈曲伸展关节的运动关节轴垂直。

优选地，所述髋内旋外旋关节与髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节的运动关节轴垂直。

优选地，所述大腿伸缩部分包括：大腿固定部件，大腿滑动部件和大腿长度锁紧部件，其中：

所述大腿固定部件与髋屈曲伸展关节连接，用于承载大腿滑动部件和大腿长度锁紧部件；

所述大腿滑动部件与大腿固定部件呈直线滑动运动，并根据患者肢体大腿长度调节整个大腿伸缩部分的长度；

所述大腿长度锁紧部件用于大腿滑动部件进行直线滑动并满足患者大腿长度要求后锁紧，以固定大腿固定部件和大腿滑动部件的相互位置。

优选地，所述小腿伸缩部分包括：小腿固定部件，小腿滑动部件和小腿长度锁紧部件，其中：

所述小腿固定部件与膝屈曲伸展关节相连接，用于承载小腿滑动部件和小腿长度锁紧部件；

所述小腿滑动部件与小腿固定部件呈直线滑动运动，并根据患者肢体小腿长度调节整个小腿伸缩部分的长度；

所述小腿长度锁紧部件用于小腿滑动部件进行直线滑动并满足患者小腿长度要求后锁紧，以固定小腿固定部件和小腿滑动部件的相互位置。

优选地，所述踝内翻外翻关节与踝跖屈背屈关节的运动关节轴垂直。

优选地，所述踝内收外展关节与踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节的运动关节轴垂直。

优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节和踝内收外展关节的运动源采用直流步进电机、直流永磁电机、直流无刷电机、直流扭矩电机、交流伺服电机中的一种。

更优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节和踝内收外展关节的运动模式采用旋转电机直接驱动的方式，或者采用rv减速器、行星减速器、谐波减速器、齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器中的一种。

更优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节和踝内收外展关节配合驱动控制器，采用旋转电机、减速器和编码器独立使用；或者采用旋转电机、减速器、编码器和驱动控制器一体化模块，通过通讯进行关节轴的操控。

更优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节和踝内收外展关节根据需要设置扭矩传感器，以计算关节轴在旋转过程中的扭矩输出，用于主动康复控制和抗阻康复控制；

或者，不设置扭矩传感器，直接驱动关节轴的旋转，用于被动康复控制。

更优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节、髋内旋外旋关节、膝屈曲伸展关节、踝内翻外翻关节、踝跖屈背屈关节和踝内收外展关节根据需要设置陀螺仪、角加速度传感器或地磁传感器的惯性元件，以计算患者大腿、小腿和足部的姿态。

优选地，所述髋内收外展关节、髋屈曲伸展关节采用皮带轮进行动力传递，或者直接驱动旋转。

优选地，所述腿部足部固定部分采用魔术贴、粘扣带，或者绑带、尼龙带加插扣的方式，与踝内收外展关节固定。

优选地，所述控制部分包括：关节轴运动控制部件和人机交互部件，其中：

所述关节轴运动控制部件根据人机交互部件设定的参数，控制康复机器人的七自由度关节的运动速度和运动角度；

所述人机交互部件用于设定不同时间段上各个自由度关节的运动速度和运动角度。

更优选地，所述人机交互部件直接根据不同时间段设定不同运动速度和运动角度；

或者，所述人机交互部件基于虚拟现实技术，直观的设定不同时间段上各关节的运动速度和运动角度，并通过虚拟现实进行效果实时呈现。

优选地，所述能源供应直接接入市电，或者通过铅酸蓄电池、锂电池形式提供能源。

优选地，所述大腿支持部分直接固定在大腿伸缩部分，并且通过魔术贴、粘扣带或者绑带、尼龙带加插扣的方式，将患者大腿与大腿伸缩部分固定。

优选地，所述小腿支持部分直接固定在小腿伸缩部分，并且通过魔术贴、粘扣带或者绑带、尼龙带加插扣的方式，将患者小腿与小腿伸缩部分固定。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明操作便捷，只需将患者的大腿和小腿放入大腿支持部分和小腿支持部分内，通过腿部足部固定部分将患者的腿部和足部固定于踝内收外展关节，就可以提供患者髋内收外展运动、髋屈曲伸展运动、髋内旋外旋运动、膝屈曲伸展运动、踝内翻外翻运动、踝跖屈背屈运动和踝内收外展运动，共七个自由度关节的康复训练，起到肢体康复的作用。本发明结构简单，具有良好的康复效果，具有广泛推广意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的整体结构示意图，

图中：010-髋内收外展关节，020-髋屈曲伸展关节，030-髋内旋外旋关节，040-膝屈曲伸展关节，050-踝内翻外翻关节，060-踝跖屈背屈关节，070-踝内收外展关节，080-大腿伸缩部分，090-小腿伸缩部分，100-大腿支持部分，110-小腿支持部分，120-腿部足部固定部分；

图2a、图2b为本发明一优选实施例的髋内收外展运动示意图；

图3a、图3b为本发明一优选实施例的髋屈曲伸展运动示意图；

图4a、图4b本发明一优选实施例的髋内旋外旋运动示意图；

图5a、图5b为本发明一优选实施例的膝屈曲伸展运动示意图；

图6a、图6b为本发明一优选实施例的踝内翻外翻运动示意图；

图7a、图7b为本发明一优选实施例的踝跖屈背屈运动示意图；

图8a、图8b为本发明一优选实施例的踝内收外展运动示意图；

图9为本发明一优选实施例的大腿伸缩部分的结构示意图，

图中：081-大腿固定部件，082-大腿滑动部件，083-大腿长度锁紧部件；

图10a、图10b为本发明一优选实施例的大腿伸缩部分工作示意图；

图11为本发明一优选实施例的小腿伸缩部分的结构示意图，

图中：091-小腿固定部件，092-小腿滑动部件，093-小腿长度锁紧部件；

图12a、图12b为本发明一优选实施例的小腿伸缩部分工作示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种七自由度的下肢康复机器人，包括：髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020、髋内旋外旋关节030、膝屈曲伸展关节040、踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060、踝内收外展关节070、大腿伸缩部分080、小腿伸缩部分090、大腿支持部分100、小腿支持部分110、腿部足部固定部分120和控制部分，其中：

所述髋内收外展关节010为第一个自由度关节，所述髋屈曲伸展关节020为第二个自由度关节，所述髋内旋外旋关节030为第三个自由度关节，所述膝屈曲伸展关节040为第四个自由度关节，所述踝内翻外翻关节050为第五个自由度关节，所述踝跖屈背屈关节060为第六个自由度关节，所述踝内收外展关节070为第七个自由度关节，共七个自由度关节，七个自由度关节采用串联的方式进行连接，七个自由度关节单独运动，或者其中几个自由度联动。

如图1和图2a、图2b所示，所述髋内收外展关节010与人体下肢的髋关节内收和外展动作关节轴同心，帮助患者下肢开展髋关节的内收、外展运动；

如图1和图3a、图3b所示，所述髋屈曲伸展关节020连接髋内收外展关节010，髋屈曲伸展关节020与人体下肢的髋关节屈曲和伸展动作关节轴同心，帮助患者下肢开展髋关节的屈曲、伸展运动，并且所述髋内收外展关节010与髋屈曲伸展关节020的运动关节轴相互垂直；

如图1所示，所述大腿伸缩部分080连接髋屈曲伸展关节020，大腿伸缩部分080根据人体大腿的长度手工调节尺寸以适应不同肢体尺度的要求；

如图1和图4a、图4b所示，所述髋内旋外旋关节030连接大腿伸缩部分080，髋内旋外旋关节030与人体下肢的髋关节内旋和外旋动作关节轴同心，帮助患者下肢开展髋关节的内旋、外旋运动；同时所述髋内旋外旋关节030与髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020的运动关节轴相互垂直；

如图1和图5a、图5b所示，所述膝屈曲伸展关节040连接大腿伸缩部分080，膝屈曲伸展关节040与人体膝关节的膝关节屈曲和伸展动作关节轴同心，帮助患者下肢开展膝关节的屈曲、伸展动作运动；

如图1所示，所述小腿伸缩部分090与膝屈曲伸展关节040连接，小腿伸缩部分090根据人体小腿的长度手工调节尺寸以适应不同肢体尺度的要求；

如图1和图6a、图6b所示，所述踝内翻外翻关节050连接小腿伸缩部分090，踝内翻外翻关节050与人体下肢的踝关节内翻和外翻动作关节轴同心，帮助患者下肢开展踝关节的内翻、外翻运动；

如图1和图7a、图7b所示，所述踝跖屈背屈关节060连接踝内翻外翻关节050，踝跖屈背屈关节060与人体下肢的踝关节跖屈和背屈动作关节轴同心，帮助患者下肢开展踝关节的跖屈、背屈运动；同时所述踝内翻外翻关节050与踝跖屈背屈关节060的运动关节轴相互垂直；

如图1和图8a、图8b所示，所述踝内收外展关节070连接踝跖屈背屈关节060，踝内收外展关节070与人体下肢的踝关节内收和外展动作关节轴同心，帮助患者下肢开展踝关节的内收、外展运动；同时所述踝内收外展关节070与踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060的运动关节轴相垂直。

如图1所示，所述大腿支持部分100为一个u型板，用于支撑人肢体的大腿部分；

如图1所示，所述小腿支持部分110为一个u型板，用于支撑人肢体的小腿部分；

如图1所示，所述腿部足部固定部分120为柔性绑带，用于将患者的腿部和足部与踝内收外展关节070固定；

所述控制部分为一套具有计算能力的控制系统，用于控制七个自由度关节的运动速度和运动角度，根据需求对患者进行主动式、被动式或抗阻控制，根据不同阶段的康复需求，实现康复效果。

作为一优选的实施方式，所述控制部分包括：关节轴运动控制部件和人机交互部件，其中：

所述关节轴运动控制部件控制康复机器人的七自由度关节的运动速度和运动角度；

所述人机交互部件，用于设定不同时间段上各个自由度关节的运动速度和运动角度。

进一步的，所述人机交互部件直接根据不同时间段设定不同运动速度和运动角度；

或者，所述人机交互部件基于虚拟现实技术，直观的设定不同时间段上各关节的运动速度和运动角度，并通过虚拟现实进行效果实时呈现。

作为一优选的实施方式，所述髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020采用皮带轮进行动力传递，或者直接驱动旋转。

作为一优选的实施方式，所述腿部足部固定部分120采用魔术贴、粘扣带，或者绑带、尼龙带加插扣的方式与下肢康复机器人相固定。

作为一优选的实施方式，所述康复机器人的能源供应是直接接入市电，或者通过铅酸蓄电池、锂电池形式提供能源。

作为一优选的实施方式，如图9和图10a、图10b所示，所述大腿伸缩部分080包括：大腿固定部件081，大腿滑动部件082和大腿长度锁紧部件083，其中：

所述大腿固定部件081与髋屈曲伸展关节020相连接，用于承载大腿滑动部件082和大腿长度锁紧部件083；

所述大腿滑动部件082与大腿固定部件081呈现直线滑动运动，并根据患者肢体大腿长度调节整个大腿伸缩部分080的长度；

所述大腿长度锁紧部件083用于当大腿滑动部件082进行直线滑动并满足患者大腿长度要求后进行锁紧，以固定大腿固定部件081和大腿滑动部件082的相互位置。

作为一优选的实施方式，如图11和图12a、图12b所示，所述小腿伸缩部分090包括：小腿固定部件091，小腿滑动部件092和小腿长度锁紧部件093；其中：

所述小腿固定部件091与膝屈曲伸展关节040相连接，用于承载小腿滑动部件092和小腿长度锁紧部件093；

所述小腿滑动部件092与小腿固定部件091呈现直线滑动运动，并根据患者肢体小腿长度调节整个小腿伸缩部分090的长度；

所述小腿长度锁紧部件093用于当小腿滑动部件092进行直线滑动并满足患者小腿长度要求后进行锁紧，以固定小腿固定部件091和小腿滑动部件092的相互位置。

作为一优选的实施方式，所述髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020、髋内旋外旋关节030、膝屈曲伸展关节040、踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060和踝内收外展关节070的运动源采用直流步进电机、直流永磁电机、直流无刷电机、直流扭矩电机、交流伺服电机中的一种。

作为一优选的实施方式，所述髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020、髋内旋外旋关节030、膝屈曲伸展关节040、踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060和踝内收外展关节070的运动模式采用旋转电机直接驱动的方式，或者采用rv减速器、行星减速器、谐波减速器、齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器中的一种。

作为一优选的实施方式，所述髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020、髋内旋外旋关节030、膝屈曲伸展关节040、踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060和踝内收外展关节070配合驱动控制器，采用旋转电机、减速器和编码器独立使用；或者采用旋转电机、减速器、编码器和驱动控制器一体化模块，通过通讯进行关节轴的操控。

作为一优选的实施方式，所述髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020、髋内旋外旋关节030、膝屈曲伸展关节040、踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060和踝内收外展关节070根据需要设置扭矩传感器，以计算关节轴在旋转过程中的扭矩输出，用于主动康复控制和抗阻康复控制；或者，不设置扭矩传感器，直接驱动关节轴的旋转，用于被动康复控制。

作为一优选的实施方式，所述髋内收外展关节010、髋屈曲伸展关节020、髋内旋外旋关节030、膝屈曲伸展关节040、踝内翻外翻关节050、踝跖屈背屈关节060和踝内收外展关节070根据需要设置陀螺仪、角加速度传感器或地磁传感器的惯性元件，用以计算患者大腿、小腿和足部的姿态。

作为一优选的实施方式，所述康复机器人的能源供应是直接接入市电，或者通过铅酸蓄电池、锂电池形式提供能源。

本发明所述的一种七自由度的下肢康复机器人，其操作方便，只需将患者的大腿和小腿放入大腿支持部分100和小腿支持部分110内，通过腿部足部固定部分120将患者的腿部和足部固定在踝内收外展关节070，就可以提供患者髋内收外展运动、髋屈曲伸展运动、髋内旋外旋运动、膝屈曲伸展运动、踝内翻外翻运动、踝跖屈背屈运动和踝内收外展运动共七个自由度的康复训练，起到肢体康复的作用。本发明结构简单，具有良好的康复效果，具有广泛推广意义。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。