一种多自由度移动式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，涉及一种多自由度移动式下肢康复机器人。

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。

现有技术中也有部分下肢康复机器人，比如申请号为cn201711011249.2，公开了一种下肢康复机器人，包括底座、髋关节、大腿机构、膝关节、小腿机构、踝关节、足掌支撑件；大腿机构的大腿滑杆通过髋关节的键一安装在髋关节的轴一上，轴一的转动带动大腿机构的运动，膝关节的膝关节支座安装在大腿机构的大腿导轨末端，小腿机构的小腿滑杆通过膝关节的键二安装在膝关节的轴二上，轴二的转动带动小腿机构的运动，足掌支撑件直接过盈配合安装在踝关节的轴三上，踝关节的第五步进电机通过主动小带轮、从动小带轮带动轴三转动，轴三转动带动足掌支撑件的运动。

但是上述专利存在以下不足：结构复杂，体积较大，不方便放置在床上进行康复训练，也不便于运输，虽然可以实现髋关节和膝关节的屈曲伸展运动以及踝关节的跖屈背屈运动，但对康复工艺尤其是脑卒中术后康复最关键的踝关节内收外展动作无法实现。

目前还没有一种方便搬运、有效的多自由度进行患者下肢运动的机构出现，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，本发明提供一种多自由度移动式下肢康复机器人，可以快捷的对患者脚踝进行髋关节屈曲伸展、膝关节屈曲伸展、踝关节跖屈背屈、踝关节内收外展的单独康复运动、两两协调运动、三自由度联动等康复动作，可以有效的进行患者下肢的康复训练。

为实现以上目的，本发明提供一种多自由度移动式下肢康复机器人，包括：机器人底座部分、腿部运动部分、脚踝跖屈背屈部分、脚踝内收外展部分、足部支持部分、驱动控制部分、手操盒和能源动力部分，其中：

所述机器人底座部分作为整个康复机器人的支架，用于承载腿部运动部分、脚踝跖屈背屈部分、脚踝内收外展部分、足部支持部分、驱动控制部分、手操盒和能源动力部分；

所述腿部运动部分安装在机器人底座部分上，腿部运动部分承载患者的小腿和大腿并带动患者的小腿和大腿进行往复运动，从而实现髋关节和膝关节的屈曲和伸展运动，进而实现大腿和小腿的康复训练；

所述脚踝跖屈背屈部分与腿部运动部分连接，且脚踝跖屈背屈部分的旋转中心轴和人体脚踝跖屈背屈运动的中心轴相重合，用于带动患者的脚踝进行跖屈和背屈转动，起到康复作用；

所述脚踝内收外展部分与脚踝跖屈背屈部分连接，且脚踝内收外展部分的运动中心轴和脚踝跖屈背屈部分的旋转中心轴相垂直，脚踝内收外展部分采用曲柄摇杆的方式连接足部支持部分，用于对患者脚踝进行内收和外展训练；

所述足部支持部分与所述脚踝内收外展部分连接，所述足部支持部分用于固定患者的足部；；

所述驱动控制部分，输入端连接所述手操盒，输出端连接腿部运动部分、脚踝跖屈背屈部分和脚踝内收外展部分，用于对腿部运动部分、脚踝跖屈背屈部分和脚踝内收外展部分进行角度和/或速度的驱动、控制；

所述手操盒为人机交互接口，手操盒与驱动控制部分进行无线和有线的通讯，用于接收用户设置的运动参数，并将运动参数传递给驱动控制部分，从而控制腿部运动部分、脚踝跖屈背屈部分和脚踝内收外展部分的运动速度和角度；

所述能源动力部分用于为腿部运动部分、脚踝跖屈背屈部分、脚踝内收外展部分、足部支持部分、驱动控制部分、手操盒提供电力能源。

优选地，所述机器人底座部分包括：底座基座、底座外壳、移动把手、移动滑轮和滑轮收放机构，其中：

所述底座基座为整个康复机器人的基准，其它部件都在底座基座上展开；底座基座呈长方体结构，长方体长边的一端连接固定有移动把手，移动把手方便使用者抓握并使所述康复机器人移动；长方体长边的另一端连接移动滑轮和滑轮收放机构；底座外壳用于将驱动控制部分、移动滑轮和滑轮收放机构保护起来；滑轮收放机构用于触发和收纳移动滑轮，包括扭簧、触发机构和锁紧机构，扭簧和触发机构用于将收纳在底座外壳内的移动滑轮弹出，锁紧机构用于将弹开的移动滑轮收纳进底座外壳内并自锁。

优选地，所述康复机器人有两种工作模式：康复模式和移动模式；其中：

在康复模式下，移动滑轮收纳于底座外壳内部，以便于患者将整个所述康复机器人放置于床上使用；

在移动模式下，点击移动滑轮收放机构的触发机构以释放移动滑轮，并在扭簧力的传递下将移动滑轮弹出，将整个康复机器人放置于地面，拉起底座基座一端的移动把手，底座基座另一端的移动滑轮接触地面，使用者通过移动滑轮以方便对所述康复机器人进行搬运。

优选地，所述腿部运动部分包括：直线运动部件、小腿连接部件、小腿伸展部件、大腿运动部件、大腿伸展部件和角度传感器部件，其中：

所述直线运动部件位于机器人底座部分内，用于提供往复直线运动；

所述小腿连接部件与大腿运动部件组成平行四边形运动结构，同时小腿连接部件承载患者的小腿并与直线运动部件相连接，用于将直线运动部件的直线运动转换成患者髋关节和膝关节的屈曲和伸展运动；

所述小腿伸展部件用于微调以使整个所述康复机器人的小腿部分和患者小腿长度相匹配；

所述大腿运动部件承载患者的大腿，大腿运动部件与小腿连接部件组成平行四边形结构并保证平行四边形结构中的一个关节轴和患者的膝关节屈曲和伸展时的关节轴同心；

所述大腿伸展部件用于微调以使整个所述康复机器人的大腿部分和患者的大腿长度相匹配；

所述角度传感器部件用于检测患者膝关节屈曲和伸展时的角度，即检测大腿运动部件与小腿连接部件所组成平行四边形的与患者膝关节关节轴同轴相连两个边的角度。

更优选地，所述直线运动部件采用直线电机、旋转电机带动丝杠，或旋转电机带动齿轮齿条中的一种来实现。

优选地，所述脚踝跖屈背屈部分包括：跖屈背屈旋转动力源、内框架部件，其中：

所述跖屈背屈旋转动力源固定在腿部运动部分的小腿伸展部件上，并提供内框架部件与小腿伸展部件的旋转角度；

所述内框架部件由跖屈背屈旋转动力源带动旋转，并承载脚踝内收外展部分和足部支持部分的运动。

更优选地，所述跖屈背屈旋转动力源为旋转电机，所述旋转电机的定子安装在小腿伸展部件末端上，旋转电机的转子连接内框架部件，并带动内框架部件旋转，以实现脚踝的跖屈背屈动作。

优选地，所述脚踝内收外展部分包括：内收外展旋转动力源和曲柄摇杆部件，其中：

所述内收外展旋转动力源固定在脚踝跖屈背屈部分的内框架部件上并提供旋转动力；

所述曲柄摇杆部件与内收外展旋转动力源相配合，用于将内收外展旋转动力源的旋转运动转化成设定角度的往复运动，以实现患者脚踝跖屈和背屈的运动。

优选地，所述足部支持部分包括：足部框架、足部尺寸调整部件、足部绑定部件、前脚掌压力传感器和后脚掌压力传感器，其中：

所述足部框架与脚踝内收外展部分的曲柄摇杆部件输出端相连接，足部框架呈l型，用于支撑足部绑定部件、足部尺寸调整部件、前脚掌压力传感器和后脚掌压力传感器；

所述足部尺寸调整部件为平板状，通过人工调节足部尺寸调整部件和足部框架的相对移动至患者足部尺寸相匹配，并锁定；

所述足部绑定部件用于将患者的足部与足部尺寸调整部件相固定；

所述前脚掌压力传感器位于足部尺寸调整部件的前部，用于采集患者前脚掌对足部支持部分的压力；

所述后脚掌压力传感器位于足部尺寸调整部件的后部，用于采集患者脚跟对足部支持部分的压力。

更优选地，所述前脚掌压力传感器和后脚掌压力传感器为包含有弹簧的压力传感器。

本发明中，所述的下肢康复运动，是髋膝关节屈曲伸展运动、踝关节跖屈背屈运动和踝关节内收外展运动中的单独运动，或者是髋膝关节屈曲伸展运动、踝关节跖屈背屈运动和踝关节内收外展运动中的两两之间协调联动，或者是髋膝关节屈曲伸展运动、踝关节跖屈背屈运动和踝关节内收外展运动一起协调运动。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明方便运输，通过滑轮收放机构即可将移动滑轮从机器人底座部分中伸出，拉着移动把手即可实现快速转移。本发明操作方便，只需患者将腿部放入腿部运动部分，足部放入足部支持部分并加以固定，不仅可以实现髋关节屈曲伸展运动、膝关节屈曲伸展运动和踝关节跖屈背屈运动，还可以实现踝关节的内收外展运动，可以满足更多的康复需求。本发明结构简单，操作便捷，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结构示意图，

图中：010-机器人底座部分，020-腿部运动部分，030-脚踝跖屈背屈部分，040-脚踝内收外展部分，050-足部支持部分，060-驱动控制部分，070-手操盒，080-能源动力部分；

图2为本发明一优选实施例的机器人底座部分结构示意图，

图中：011-底座基座，012-底座外壳，013-移动把手，014-移动滑轮，015-滑轮收放机构；

图3中(a)、(b)分别为本发明一优选实施例的移动滑轮弹出和收纳运动示意图；

图4为本发明一优选实施例的腿部运动部分结构示意图，

图中：021-直线运动部件，022-小腿连接部件，023-小腿伸展部件，024-大腿运动部件，025-大腿伸展部件，026-角度传感器部件；

图5中(a)、(b)分别为本发明一优选实施例的腿部运动部分屈曲伸展运动示意图；

图6为本发明一优选实施例的脚踝跖屈背屈部分结构示意图，

图中：031-跖屈背屈旋转动力源，032-内框架部件；

图7中(a)、(b)分别为本发明一优选实施例的脚踝跖屈背屈部分跖屈背屈运动示意图；

图8为本发明一优选实施例的脚踝内收外展部分结构示意图，

图中：041-内收外展旋转动力源，042-曲柄摇杆部件；

图9中(a)、(b)分别为本发明一优选实施例的脚踝内收外展部分内收外展运动示意图；

图10为本发明一优选实施例的足部支持部分结构示意图，

图中：051-足部框架，052-足部尺寸调整部件，053-足部绑定部件，054-前脚掌压力传感器，055-后脚掌压力传感器。

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，一种多自由度移动式下肢康复机器人，包括：机器人底座部分010、腿部运动部分020、脚踝跖屈背屈部分030、脚踝内收外展部分040、足部支持部分050、驱动控制部分060、手操盒070和能源动力部分080，其中：

所述机器人底座部分010作为整个康复机器人的支架，用于承载腿部运动部分020、脚踝跖屈背屈部分030、脚踝内收外展部分040、足部支持部分050、驱动控制部分060、手操盒070和能源动力部分080；

所述腿部运动部分020由一个直线运动机构带动一个摇杆机构和四连杆机构，进行往复运动以实现患者髋关节和膝关节的屈曲和伸展运动，从而实现大腿和小腿的康复训练；

所述脚踝跖屈背屈部分030与腿部运动部分020连接，脚踝跖屈背屈部分030的旋转中心轴和人体脚踝跖屈背屈运动的中心轴相重合，并且通过旋转电机加减速器的方式带动患者脚踝进行跖屈和背屈转动，起到康复作用；

所述脚踝内收外展部分040与脚踝跖屈背屈部分030连接，并且脚踝内收外展部分040的运动中心轴和脚踝跖屈背屈部分030的运动中心轴相垂直，采用曲柄摇杆的方式连接足部支持部分050，对患者脚踝进行内收和外展训练；

所述足部支持部分050固定患者的足部；

所述驱动控制部分060，用于对腿部运动部分020、脚踝跖屈背屈部分030和脚踝内收外展部分040所需要的旋转电机进行角度和速度的驱动控制；

所述手操盒070为人机交互接口，与驱动控制部分060进行无线或有线的通讯，接收用户设置的运动参数，并将运动参数传递给驱动控制部分060从而控制腿部运动部分020、脚踝跖屈背屈部分030和脚踝内收外展部分040所需要的旋转电机的运动速度和运动角度；

所述能源动力部分080为康复机器人提供电力能源，可以是以铅酸蓄电池、锂电池等电池的模式存在，也可以通过外界电源适配器提供能源，也可以直接与市电相连接。

本实施例所述的下肢康复运动，可以是髋膝关节屈曲伸展运动、踝关节跖屈背屈运动和踝关节内收外展运动中的单独运动，也可以上述两两之间协调联动，也可以是上述三种运动一起协调运动。

在一优选的实施例里，所述手操盒070与所述驱动控制部分060之间通过rs232、rs485、usb、can总线、spi总线、i2c总线的有线形式进行数据通讯，或者通过蓝牙、zigbee、wifi、13.56mhz、433mhz的无线形式进行数据通讯。

如图2所示，在一优选的实施例里，所述机器人底座部分010包括：底座基座011、底座外壳012、移动把手013、移动滑轮014和滑轮收放机构015，其中：底座基座011为整个康复机器人的基准，所有的其它部件都是在底座基座011上展开；底座基座011整体呈现长方形，长方形的长边两端中：一端安装有移动把手013、另一端安装移动滑轮014和滑轮收放机构015，驱动控制部分060安放在底座基座011上并由底座外壳012保护；底座外壳012用于将驱动控制部分060、移动滑轮014和滑轮收放机构015保护起来；移动把手013位于底座基座011的长边一端，当康复机器人处于移动状态时，方便使用者抓握并使其移动；移动滑轮014位于底座基座011的长边另一端，其可以藏纳在底座外壳012内部，也可以弹出底座外壳012以便于移动；滑轮收放机构015用于触发和收纳移动滑轮014，滑轮收放机构015包括扭簧、触发机构、锁紧机构，通过扭簧和触发机构将收纳于底座外壳012内的移动滑轮014弹出，通过锁紧机构将弹开的移动滑轮014收纳进底座外壳012并自锁。

如图3a、图3b所示，所述康复机器人有两种工作模式：康复模式和移动模式，其中：

在康复模式下，移动滑轮014收纳于底座外壳012内部，便于患者将整个康复机器人放置于床上使用(如图3b所示)；

在移动模式下，点击滑轮收放机构015的触发机构，释放移动滑轮014，并在扭簧力的传递下将移动滑轮014弹出，并将整个康复机器人放置于地面，拉起底座基座011一端的移动把手013，底座基座011另一端的移动滑轮014接触地面，使用者就可以通过移动滑轮014方便的对康复机器人进行搬运(如图3a所示)。

如图4和图5a、5b所示，在一优选的实施例里，所述腿部运动部分020包括：直线运动部件021、小腿连接部件022、小腿伸展部件023、大腿运动部件024、大腿伸展部件025和角度传感器部件026，其中：直线运动部件021位于机器人底座部分010内，并提供往复的直线运动；小腿连接部件022与大腿运动部件024组成平行四边形运动结构，小腿连接部件022用于承载患者的小腿并与直线运动部件021相连接，用于将直线运动部件021的直线运动转换成患者髋关节和膝关节的屈曲和伸展运动；小腿伸展部件023可以人工进行微调，使整个康复机器人的小腿部分和患者的小腿长度相匹配；大腿运动部件024与小腿连接部件022组成平行四边形结构，并且保证平行四边形结构中的一个关节轴和患者的膝关节屈曲和伸展时的关节轴同，同时承载患者的大腿；大腿伸展部件025可以人工进行微调，使整个康复机器人的大腿部分和患者的大腿长度相匹配；角度传感器部件026用于检测患者膝关节屈曲和伸展时的角度，即检测大腿运动部件024与小腿连接部件022所组成平行四边形的与患者膝关节关节轴同轴相连的两个边角度。这些检测的角度信息可以作为康复参数设置的参考。

进一步的，所述直线运动部件021采用直线电机、旋转电机带动丝杠，或者旋转电机带动齿轮齿条中的一种来实现。

如图6和图7a、图7b所示，在一优选的实施例里，所述脚踝跖屈背屈部分030包括：跖屈背屈旋转动力源031、内框架部件032，其中：跖屈背屈旋转动力源031固定在腿部运动部分020的小腿伸展部件023上，并提供内框架部件032与小腿伸展部件023的旋转角度，跖屈背屈旋转动力源031是旋转电机直接提供旋转运动，或者是旋转电机匹配rv减速器、谐波减速器、新星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器中的一种来提供旋转动力；内框架部件032由跖屈背屈旋转动力源031带动旋转，并承载脚踝内收外展部分040和足部支持部分050的运动，具体的：跖屈背屈旋转动力源031电机的定子安装在小腿伸展部件023末端上，跖屈背屈旋转动力源电机031的转子连接内框架部件032，并带动内框架部件032旋转，实现脚踝的跖屈背屈动作。

如图8和图9a、图9b所示，在一优选的实施例里，所述脚踝内收外展部分040包括：内收外展旋转动力源041和曲柄摇杆部件042，其中：内收外展旋转动力源041固定于脚踝跖屈背屈部分030的内框架部件032上，并提供旋转运动，曲柄摇杆部件042与内收外展旋转动力源041相配合，用于将内收外展旋转动力源041提供的旋转运动变成一定角度的往复运动，从而实现患者脚踝跖屈和背屈的运动。

进一步的，所述内收外展旋转动力源041是旋转电机直接提供旋转运动，或者是旋转电机匹配rv减速器、谐波减速器、新星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器中的一种来提供旋转动力。

如图10所示，在一优选的实施例里，所述足部支持部分050包括：足部框架051、足部尺寸调整部件052、足部绑定部件053、前脚掌压力传感器054和后脚掌压力传感器055，其中：足部框架051与脚踝内收外展部分040的曲柄摇杆部件042输出端相连接，足部框架051整体呈l型，用于支撑足部绑定部件053、足部尺寸调整部件052、前脚掌压力传感器054和后脚掌压力传感器055；足部尺寸调整部件052为平板状，通过人工调节足部尺寸调整部件052与足部框架051的相对移动，使调节到与患者足部尺寸相匹配并锁定；足部绑定部件053采用魔术贴、粘扣带，或者采用绑带、尼龙带加插扣的方式，将患者的足部与足部尺寸调整部件052相固定；前脚掌压力传感器054位于足部尺寸调整部件052的前部，包含有弹簧，并采用压力传感器来采集患者前脚掌对足部支持部分050的压力；后脚掌压力传感器055位于足部尺寸调整部件052的后部，包含有弹簧，并采用压力传感器来采集患者脚跟对足部支持部分050的压力。前脚掌压力传感器054、后脚掌压力传感器055的检测结果可以作为康复参数设置的参考。

本发明所述康复机器人操作方便，只需患者将腿部放入腿部运动部分020，足部放入足部支持部分050并加以固定，就可以实现髋关节屈曲伸展、膝关节屈曲伸展、踝关节跖屈背屈、踝关节内收外展等动作，起到下肢康复的作用。本发明结构简单，操作便捷，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。