一种安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构的制作方法

本实用新型属于下肢康复机构领域，具体指一种安装于轮椅座椅上并由绳驱动的下肢关节康复机构。

背景技术：

人口老龄化加剧及肢体伤残等弱势群体数量的增加，使得越来越多人因功能障碍不能独立行走。下肢瘫痪是由于神经系统受损而导致的感觉障碍，导致身体下肢丧失完全或部分运动功能。但临床表明适当的康复训练可以改善肢体麻木及运动障碍的症状。通过康复机构带动下肢关节做简单的伸曲可促进血液循环，促进功能改善。然而现有的下肢康复机构并不能够准确的让髋关节、膝关节和踝关节进行针对性的康复训练,并且结构复杂、设备笨重，价格昂贵。

申请号201810270119.9公开了一种可搭载在轮椅上的下肢康复设备，在设于h形支撑架左、右端部的一对第二驱动装置的驱动下、经连杆机构传动对大腿杆进行牵动，在设于膝关节外侧的盘式电机的驱动下对小腿杆进行牵动，在设于小腿杆上的第四驱动装置下对脚踏板进行牵动，实现了大腿杆、小腿杆及脚踏板的运动。该机构虽然具有下肢关节的康复功能，但是四个直线推杆电机使得控制系统复杂，并且机构容易自锁，由于直线推杆本身的长度和自由度，限制了关节的康复活动量和对某一单独关节的康复。驱动直接加在了人体关节的两侧，安全性也不能够得到保障。

技术实现要素：

针对现有能够对下肢关节的单独关节康复训练及多关节协调康复训练的机构较少，三个关节在同时运动时存在耦合问题且结构复杂，电机齿轮的传动方式使整体重量大、效率低、安全性差等不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种具有下肢关节的单独关节训练及多关节协调训练功能的康复机构。该机构利用绳驱动，拉动旋转关节绕轴心旋转，实现对其运动轨迹的控制，通过三个变刚度结构，改变关节刚度，实现运动的解耦，由于绳驱动的轻量化，该机构安装于轮椅座椅上时，可提高整机的载荷-自重比。

本实用新型的技术方案是：

一种安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构，包括主体部分、脚踏板机构、绳驱动装置和座椅框架，其特征在于：

所述主体部分上端由两个关节底座连接固定于座椅框架上，下端与脚踏板机构相连；主体部分包括关节底座、三个变刚度结构、第一关节、导向杆、直线推杆、第二关节、第三关节、支撑架、直线推杆底座，直线推杆沿竖直方向固定在直线推杆底座上，导向杆与脚踏板机构相连；在直线推杆底座的上端两侧面上分别连接第二关节和第二变刚度结构的关节驱动端，第二关节的另一端连接在第三变刚度结构的关节驱动端上，第三变刚度结构的关节输入端上连接第一关节，第一关节的上部通过销轴与一个关节底座连接，第三变刚度结构的关节输入端通过斜齿轮组与第三电机传递动力，所述第三电机固定在第一关节的下部；

第二关节和第三关节之间通过支撑架限制轴向运动，支撑架同时将第二关节和第二变刚度结构的电机底座连接到一起；

第三关节的另一端连接在第一变刚度结构的关节输入端上，第一变刚度结构的关节输入端通过第三关节连接第二变刚度结构的关节驱动端；第二变刚度结构的关节驱动端通过相应斜齿轮组与第二电机传递动力；第一变刚度结构的关节驱动端通过相应的斜齿轮组与第一电机传动动力，第一电机的电机底座与一个固定在座椅框架上的关节底座连接；

所述脚踏板机构包括齿轮、脚踏板电机、齿轮轴、脚踏板、角度限位开关、两个脚踏板连接架、丝杆、脚踏板底座、套筒底座；脚踏板电机的输出端通过齿轮组与齿轮轴连接，齿轮轴固定在一个脚踏板连接架上，两个脚踏板连接架的上部对称安装于丝杆两侧，脚踏板连接架下端固定于脚踏板的底面，在脚踏板连接架的一侧上安装角度限位开关；脚踏板连接架的上部同时与脚踏板底座固定，在脚踏板底座上设置用于支撑固定导向杆的套筒底座；

所述绳驱动装置有三组并联的独立驱动机构，每个驱动机构以相同方式连接，每个驱动机构均包括绳驱动电机、卷筒、滑轮组、绳索，所述滑轮组包括水平滑轮和竖直滑轮，二者正交分布于座椅框架前端底部；所述绳索一端与主体部分的相应关节固定，另一端缠绕在卷筒上；卷筒固定在绳驱动电机的输出轴上。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型为轮椅增加一种康复机构，可以带动下肢关节的康复训练，人体下肢的三个关节，连同座椅和主体关节，主体直线推杆，可组成具有3自由度的6杆机构，利用运动学逆解，根据脚踏板的运动轨迹可得到康复下肢关节时活动杆件的转动量以及绳索的运动量，只要通过控制相应电机就可以实现下肢关节康复训练，变刚度结构可以改变关节刚度，实现了踝关节、膝关节和髋关节中单个关节或者多个关节协调的康复训练。该机构可以进行主动及被动康复训练，驱动电机位于座椅下方，安全可靠性较高，旋转关节通过绳索牵引，较齿轮传动方式，空间利用率高，质量小，其轻量化的设计大大减少了整机的重量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步描述：

图1是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构的整体结构示意图；

图2是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构的主体部分的结构示意图；

图3是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构的脚踏板机构的结构示意图；

图4是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构的绳驱动装置的结构示意图；

图5是以进行膝关节康复训练为例，机构的某一位置示意图；

图6是以进行膝关节康复训练为例，机构的另一位置示意图；

图7是以进行髋关节康复训练为例，机构的某一位置示意图；

图8是以进行髋关节康复训练为例，机构的另一位置示意图；

图9是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构一种实施例的变刚度结构中关节实施刚度调节部分的结构示意图；

图10是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构一种实施例的变刚度结构中关节实施刚度调节部分的内部结构示意图；

图11是图7中的结构沿a-a方向剖面结构示意图；

图12是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构一种实施例的变刚度结构的套筒立体结构示意图；

图13是本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构一种实施例的变刚度结构的中心轴结构示意图；

(图中:

101、第一电机；102、第一变刚度结构；103、第二电机；104、导向杆；105、第三电机；106、直线推杆；107、直线推杆底座；108、第二关节；109、第一关节；110、关节底座；111、支撑架；112、第三关节；113、第二变刚度结构；114、第三变刚度结构；

1021、第一锥盘；1022、扭簧；1023、第一碟簧；1024、中心轴；1025、第一组钢珠；1026、第一滑块；1027、第二滑块；1028、第二碟簧；1029、第二锥盘；1030、第二组钢珠；1031、左端盖；1032、第一压簧；1033、右旋螺母；1034、左旋螺母；1035、套筒；1036、第二压簧；1037第一轴套、1038第二轴套；1039斜齿大齿轮；

21、绳驱动电机；22、卷筒；23、水平滑轮；24、竖直滑轮；25、绳索；

30、齿轮；31、脚踏板电机；32、齿轮轴；33、脚踏板；34、角度限位开关；35、脚踏板连接架；36、丝杆；37、脚踏板底座；38、套筒底座；4、座椅框架。

具体实施方式

下面给出实用新型的具体实施方式，并结合图示做进一步说明：

本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构，包括主体部分、脚踏板机构和绳驱动装置，

所述主体部分上端由两个关节底座110连接固定于座椅框架4上，下端与脚踏板机构相连；主体部分包括关节底座110、三个变刚度结构、第一关节109、导向杆104、直线推杆106、第二关节108、第三关节112、支撑架111、直线推杆底座107，直线推杆106沿竖直方向固定在直线推杆底座107上，导向杆104与脚踏板机构的套筒底座38相连，保证直线推杆的运动只能沿着轴向，不会有径向力；在直线推杆底座107的上端两侧面上分别连接第二关节108和第二变刚度结构113的关节驱动端，第二关节108的另一端连接在第三变刚度结构114的关节驱动端上，第三变刚度结构114的关节输入端上连接第一关节109，第一关节109的上部通过销轴与一个关节底座110连接，第三变刚度结构114的关节输入端通过斜齿轮组与第三电机105传递动力，所述第三电机105固定在第一关节的下部，且第三电机位于

第一关节的内侧；

第二关节108和第三关节112之间通过支撑架111连接，第二关节和第三关节通过支撑架限制轴向运动，支撑架111同时将第二关节和第二变刚度结构113的电机底座连接到一起；

第三关节112的另一端连接在第一变刚度结构的关节输入端上，第一变刚度结构102的关节输入端通过第三关节112连接第二变刚度结构113的关节驱动端；第二变刚度结构113的关节驱动端通过相应斜齿轮组与第二电机103传递动力；第一变刚度结构的关节驱动端通过相应的斜齿轮组与第一电机101传动动力，第一电机101的电机底座与一个固定在座椅框架4上的关节底座110连接；

所述脚踏板机构包括齿轮30、脚踏板电机31、齿轮轴32、脚踏板33、角度限位开关34、两个脚踏板连接架35、丝杆36、脚踏板底座37、套筒底座38；脚踏板电机31的输出端通过齿轮组与齿轮轴32连接，齿轮轴32固定在一个脚踏板连接架35上，两个脚踏板连接架的上部对称安装于丝杆36两侧，脚踏板连接架下端固定于脚踏板33的底面，在脚踏板连接架35的一侧上安装角度限位开关34，用于控制脚踏板摆动的角度；脚踏板连接架的上部同时与脚踏板底座37固定，在脚踏板底座37上设置套筒底座38，套筒底座用于支撑固定导向杆104；

所述脚踏板电机31通过齿轮组传动带动脚踏板连接架35转动，脚踏板连接架35绕齿轮轴32转动带动脚踏板33上下摆动；所述角度限位开关34由脚踏板33下摆到一定角度而触发，切断脚踏板电机31转动；

所述绳驱动装置有三组并联的独立驱动机构，每个驱动机构以相同方式连接，每个驱动机构均包括绳驱动电机21、卷筒22、滑轮组、绳索25，所述滑轮组包括水平滑轮23和竖直滑轮24，二者正交分布于座椅框架前端底部；所述绳索25一端与主体部分的相应关节固定，另一端缠绕在卷筒22上；卷筒22固定在绳驱动电机21的输出轴上。

本实用新型中的下肢关节主要包括踝关节、膝关节、髋关节。该机构能单独针对一个关节进行康复训练及多个关节进行协调训练。

第一关节109上端通过销轴与关节底座110连接，下端与第三变刚度结构114相连；由于第一关节109，第二关节108和第三关节112在运动中的耦合性，如果在控制的过程中依次施加动力，这种方法显然是低效率的，所以引入变刚度结构来进行解耦。本实用新型中三个变刚度结构的结构相同，限制条件是：由于康复机构的整体空间限制，并且要满足其使用功能，三套变刚度结构同时作用到三个活动杆件(即三个关节)上。

所述变刚度结构(参见图7)，包括中心轴、扭簧、第一组钢珠、第一锥盘、第一碟簧、第一滑块、第二滑块、第二碟簧、第二锥盘、第二组钢珠、左端盖、第一压簧、右旋螺母、左旋螺母、套筒、第二压簧、第一轴套、第二轴套；中心轴的两端分别连接关节关节输入端和关节驱动端，关节关节输入端与相应电机连接，并通过相应电机安装座固定；斜齿大齿轮与中心轴配合，且与关节关节输入端固定；在套筒外缠绕扭簧，所述扭簧的一端与关节关节输入端固定，另一端与关节驱动端固定；斜齿大齿轮与斜齿小齿轮相啮合，通过斜齿小齿轮连接相应电机；

上述第一锥盘、第一滑块、第一碟簧、第一压簧分别与相应的第二锥盘、第二滑块、第二碟簧、第二压簧形状结构相同；

所述中心轴1024中部为中心轴肩10241，中心轴肩两端的轴段是丝杠10242，两个丝杠旋向相反，丝杠的外侧是第一光轴10243；第一光轴的外侧为第二光轴10244，在一侧的第二光轴上设有键槽10245；第二光轴的外侧为第三光轴10246，第三光轴的外侧为螺纹轴10247，第一光轴、第二光轴、第三光轴、螺纹轴两两之间均存在轴肩；

所述中心轴1024上从驱动端到关节输入端依次嵌套有左端盖1031、第二压簧1036、第二锥盘1029、第二碟簧1028、左旋螺母1034、右旋螺母1033、第一碟簧1023、第一锥盘1021、第一压簧1032、斜齿大齿轮1039，所述左旋螺母1034、右旋螺母1033通过螺纹连接在中心轴1024的相应丝杠上，第二锥盘1029、第一锥盘1021分别固定在中心轴1024的第一光轴上；斜齿大齿轮通过键槽10245安装在第一锥盘外侧的中心轴1024的第二光轴上，左端盖1031位于第二锥盘外侧的中心轴的第二光轴上；所述第一碟簧1023、第一压簧1032、第二碟簧1028、第二压簧1036均与中心轴1024之间存在间隙；所述左端盖1031通过过盈配合安装在在中心轴1024的第二光轴10244上，通过第二轴套1038对其进行轴向定位；

所述套筒1035套在第一组钢珠1040和第二组钢珠1041上，套筒两端分布相同数量，但位置错开的滑槽，滑槽的数量可以有3个、4个、5个、6个等，同时在套筒的圆周侧面上开有一个通槽10351；所述第一组钢珠1040位于第一锥盘1021的钢珠槽里，通过左端盖1031伸出的凸缘限制其轴向位移；所述第二组钢珠1041位于第二锥盘1029的钢珠槽里，通过斜齿大齿轮1039限制其轴向位移；

所述第一滑块1026套在右旋螺母1033上限制其转动，同时左、右端螺母的外侧分布有同等数量的凸起形状，凸起形状与套筒上的滑槽相配合，凸起能在滑槽内左右滑动；所述第二滑块1027套在左旋螺母1034上限制其转动。

变刚度结构的刚度调节方法是：电机(第一电机、第二电机、第三电机)通过齿轮传动带动中心轴转动，中心轴上的左、右旋螺母分别向两端沿轴向移动，使得第一锥盘和第二锥盘上的钢珠在钢珠槽里移动进而与套筒接触，进而阻碍扭簧的扭转，通过调整两个碟簧的压缩量，使得刚度发生变化，实现主动变刚度功能；当发生相对转对时，扭簧发生扭转，其内径发生径向变形，套筒被挤压变形，进而使得第一组钢珠和第一锥盘以及第二组钢珠和第二锥盘两两相互配合，将径向位移转换为轴向位移，压缩第一碟簧和第二碟簧，阻碍关节驱动端和关节关节输入端的相对转动，实现柔性输出，即实现被动变刚度功能。

本实用新型安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构的工作原理和工作过程是：

利用该康复机构进行关节的康复过程：根据康复人体下肢关节时脚踏板的运动轨迹，逆向推导出第一关节109、第二关节108、第三关节112的转动位置和直线推杆106的推程以及脚踏板33的摆动角度。关节的转动位置可通过绳驱动电机21带动卷筒22顺时针或者逆时针转动，一端固定于卷筒22上的绳索25绕水平滑轮23和竖直滑轮24移动，可拉动关节的旋转。脚踏板机构通过脚踏板电机31提供转矩，带动齿轮30转动，齿轮轴32与脚踏板连接架35固定，可使脚踏板33绕丝杆36上下摆动，当脚踏板33下摆到极限位置，触发角度限位开关34，则脚踏板电机31停止转动。

该康复机构具有控制系统，可实现髋关节、膝关节和踝关节单独的康复训练，康复者只需坐在轮椅上，将脚放在脚踏板上，将脚踏板作为一个平台，通过事先规划好的人体脚的运动轨迹实现髋关节、膝关节及踝关节的单独训练或者协调训练，舒适性和安全性较高，即使控制出现故障，人体下肢关节的活动度也能减缓冲击性伤害，由于绳驱动的轻量化，该机构安装于轮椅座椅上，可提高整机的载荷-自重比。

实施例1

本实施例安装于轮椅座椅的绳驱动下肢关节康复机构，包括主体部分1、脚踏板机构3和绳驱动装置2，

所述主体部分上端由两个关节底座110连接固定于座椅框架4上，下端与脚踏板机构相连；主体部分包括关节底座110、三个变刚度结构、第一关节109、导向杆104、直线推杆106、第二关节108、第三关节112、支撑架111、直线推杆底座107，

所述第三变刚度结构114由内侧第三电机105通过齿轮组带动其中心轴1024旋转，内部螺母轴向移动挤压碟簧，利用滚珠和锥盘将轴向力转换为径向力，从而实现变刚度。所述第二关节108一端与第三变刚度结构114连接，另一端与直线推杆底座106连接。所述直线推杆末端连接脚踏板底座37。所述第三关节112外侧连接第一变刚度结构102，第一电机底座固定于轮椅框架上，第二关节108和第三关节112通过支撑架111限制轴向运动。

所述脚踏板机构包括齿轮30、脚踏板电机31、齿轮轴32、脚踏板33、角度限位开关34、脚踏板连接架35、丝杆36、脚踏板底座37、套筒底座38。所述脚踏板连接架35对称安装于丝杆36两侧，另一端固定于脚踏板33底面。所述脚踏板电机31固定于底座一端，通过齿轮传动带动脚踏板连接架35转动，脚踏板连接架35绕丝杆36转动，带动脚踏板33上下摆动。所述角度限位开关34由脚踏板33下摆到极限角度而触发，切断脚踏板电机31转动。

所述绳驱动装置有三组并联的机构组成，包括绳驱动电机21，卷筒22，水平滑轮23，竖直滑轮24，绳索25。绳驱动装置包含三套独立的机构，每套绳索以相同方式连接。所述绳索25一端与主体部分的关节固定，另一端缠绕在卷筒22上。

以康复膝关节为例，人体膝关节角度由图5的95o变化到图6的130o时，绳驱动电机21带动卷筒22转动，使得绳索25绕水平滑轮23和竖直滑轮24移动，在绳索25的牵引下第一关节109绕顶部销轴逆时针转动，第二关节108绕第三变刚度结构114的中心轴顺时针转动，直线推杆106绕顶部销轴逆时针转动，其中第三变刚度结构114的动作情况是第三电机105通过齿轮组带动其中心轴1024旋转，内部螺母向轴中心位置移动，释放碟簧压力，第一组钢珠1040和第二组钢珠1041沿滑槽向中间移动，套筒1035直径减少，从而减少了其对扭簧1022的挤压。脚踏板电机31带动齿轮30旋转，使得脚踏板33绕齿轮轴32瞬时针转动。

依据本实用新型所做的修改和同等变换仍属于本实用新型的保护范围。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。