一种可实现精准步态调节的机构及训练装置的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种可实现精准步态调节的机构及训练装置，该装置通过简单的机构组合和复杂的优化计算，得出人体的精确步态轨迹，且步态轨迹的尺寸可调，该装置结构简单，使用方便。

背景技术：
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目前，肢体训练成为研究热点，市面上广泛应用的训练设备很多只提供简单的曲线或直线轨迹，包括椭圆机和一些足底驱动式设备，其特点是运动轨迹和人体步态轨迹拟合度低、训练模式单一，使用者达不到良好的训练效果。

单自由度训练器结构简单，但其运动形式单一，无法提供多种尺寸的步态轨迹训练方式，无法精确的调节步态轨迹的尺寸。虽具有普惠性，但难以满足不同使用者个性化、精准化的训练要求。

市场上通用型上下肢训练装置的研究主要针对使用者的某一训练阶段进行训练，需要借助几台设备在不同训练期介入才能完成一个完整的训练周期。

开链式外骨骼式康复训练装置，价格昂贵，穿戴繁琐，使用不便，体现效果较差。

因此，开发出价格便宜、使用方便的一种可实现精准步态调节的机构及训练装置尤为重要。

技术实现要素：
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为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可实现精准步态调节的机构及训练装置，该装置通过简单的机构组合和复杂的优化计算，得出人体的精确步态轨迹，且步态轨迹的放大尺寸可调，该装置结构简单，使用方便，安全可靠。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种可实现精准步态调节的机构，包括机架、轨迹生成机构和带有可调连杆的轨迹调节机构，所述轨迹生成机构包括曲柄和连杆一，所述曲柄的一端与机架铰接，另一端与连杆一铰接；

所述轨迹调节机构包括可调连杆、平行四边形机构和若干连接杆，所述可调连杆的中部与所述连杆一铰接，可调连杆与连杆一的铰接点为步态轨迹输入点，该可调连杆的首端与机架形成可移动和可转动式连接，可调连杆的末端能可调节地放大或缩小所述步态轨迹；

所述平行四边形机构由摇杆二、连杆二、连杆三和连杆四构成，平行四边形机构与可调连杆铰接。

作为优选，进一步地，所述轨迹生成机构由安装在机架上的曲柄摇杆机构组成，曲柄摇杆机构包括曲柄、连杆一和摇杆一，所述连杆一具有处于三角形三个顶点上的三个铰接点，所述曲柄的一端与机架铰接，另一端与连杆一的a点铰接，所述摇杆一的一端与连杆一的b点铰接，摇杆一的另一端与机架铰接，连杆一的c点为步态轨迹输入点，连杆在c点与所述可调连杆的中部铰接。

作为优选，进一步地，所述轨迹调节机构由摇杆二、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五和可调连杆构成；

所述摇杆二的首端与机架铰接，中部与连杆二的首端铰接，摇杆末端与连杆四铰接，连杆二的末端在连杆一的步态轨迹输入点与连杆一铰接，连杆三的首端在连杆一的步态轨迹输入点与连杆一铰接，连杆三的末端与连杆四铰接；且摇杆二与连杆三平行，连杆二与连杆四平行，所述摇杆二、连杆二、连杆三和连杆四组成平行四边形结构；

所述可调连杆的中部在连杆一的步态轨迹输入点与连杆一铰接，可调连杆的首端在摇杆二与机架的铰接处与机架或摇杆二形成可转动和可移动式连接，可调连杆的末端设置支撑块；

连杆五一端与连杆四或连杆三铰接，另一端与支撑块铰接，所述可调连杆的首端与机架或摇杆形成可移动和可转动式连接具体为：在机架或摇杆上可转动地铰接第一滑块，所述第一滑块与可调连杆之间构成自由的移动副；所述可调连杆末端上的支撑块作为轨迹输出点，所述支撑块与可调连杆之间构成可控的移动副用以放大或缩小步态轨迹；所述可控的移动副具体为：支撑块与轨迹输入点之间的距离为可控变量s2，轨迹输入点与第一滑块之间的距离为自由变量s1，s2+s1/s1＝k，其中k为常量、或其中k接近常数。

作为优选，进一步地，所述可控变量s2的实现方式为：

所述连杆五的下半段设置直线滑台，直线滑台设置有与所述支撑块铰接的第二滑块，所述第二滑块由电机驱动，通过控制器控制电机的速度使得支撑块与可调连杆之间构成可控的移动副，在所述支撑块上安装与其构成转动副的脚踏。

作为优选，进一步地，所述轨迹调节机构还包括连杆六，所述连杆六的首端与第三滑块铰接，中部与第四滑块铰接，所述第三滑块安装在摇杆二上与摇杆二形成移动副，所述第四滑块安装在连杆三上与连杆三形成移动副，连杆六和连杆二平行且两者之间间距可调节固定用以不同比例地放大支撑块输出的步态轨迹；

所述连杆六的末端与所述支撑块铰接，在所述支撑块上安装与其构成转动副的脚踏。

一种可实现精准步态调节的训练装置，其包括支撑装置、轨迹生成机构和带有可调连杆的轨迹调节机构、传动机构，所述支撑装置包括底座和在所述底座两侧对称布置的机架，所述轨迹生成机构包括曲柄和连杆一，所述曲柄的一端与机架铰接，另一端与连杆一铰接；

所述轨迹调节机构包括可调连杆、平行四边形机构和若干连接杆，所述可调连杆的中部与所述连杆一铰接，可调连杆与连杆一的铰接点为步态轨迹输入点，该可调连杆的首端与机架形成可移动和可转动式连接，可调连杆的末端能可调节地放大或缩小所述步态轨迹；

所述平行四边形机构由摇杆二、连杆二、连杆三和连杆四构成，平行四边形机构与可调连杆铰接。

所述传动机构包括设于底座上的电机以及由所述电机驱动的主动链轮，从动链轮固联于所述曲柄的轴上，主动链轮与从动链轮之间通过链传动将电机轴的输出转动传递到曲柄的轴上。

作为优选，进一步地，所述轨迹生成机构由安装在机架上的曲柄摇杆机构组成，曲柄摇杆机构包括曲柄、连杆一和摇杆一，所述连杆一具有处于三角形三个顶点上的三个铰接点，所述曲柄的一端与机架铰接，另一端与连杆一的a点铰接，所述摇杆一的一端与连杆一的b点铰接，摇杆一的另一端与机架铰接，连杆一的c点为步态轨迹输入点，连杆在c点与所述可调连杆的中部铰接。

作为优选，进一步地，所述轨迹调节机构由摇杆二、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五和可调连杆构成；

所述摇杆二的首端与机架铰接，中部与连杆二的首端铰接，摇杆末端与连杆四铰接，连杆二的末端在连杆一的步态轨迹输入点与连杆一铰接，连杆三的首端在连杆一的步态轨迹输入点与连杆一铰接，连杆三的末端与连杆四铰接；且摇杆二与连杆三平行，连杆二与连杆四平行，所述摇杆二、连杆二、连杆三和连杆四组成平行四边形结构；

所述可调连杆的中部在连杆一的步态轨迹输入点与连杆一铰接，可调连杆的首端在摇杆二与机架的铰接处与机架或摇杆二形成可转动和可移动式连接，可调连杆的末端设置支撑块；

连杆五一端与连杆四或连杆三铰接，另一端与支撑块铰接，

所述可调连杆的首端与机架或摇杆形成可移动和可转动式连接具体为：在机架或摇杆上可转动地铰接第一滑块，所述第一滑块与可调连杆之间构成自由的移动副；所述可调连杆末端上的支撑块作为轨迹输出点，所述支撑块与可调连杆之间构成可控的移动副用以放大或缩小步态轨迹；所述可控的移动副具体为：支撑块与轨迹输入点之间的距离为可控变量s2，轨迹输入点与第一滑块之间的距离为自由变量s1，s2+s1/s1＝k，其中k为常量、或其中k接近常数。

作为优选，进一步地，所述可控变量s2的实现方式为：

所述连杆五的下半段设置直线滑台，直线滑台设置有与所述支撑块铰接的第二滑块，所述第二滑块由电机驱动，通过控制器控制电机的速度使得支撑块与可调连杆之间构成可控的移动副，在所述支撑块上安装与其构成转动副的脚踏。

作为优选，进一步地，所述训练装置还包括消除重力影响机构，所述消除重力影响机构包括支撑板以及滚子，所述支撑板安装在底座上且在支撑板上镂空有凹槽，所述滚子设于连杆一的轨迹输入点处且滚子处于凹槽中，所述凹槽的轮廓曲线为所述滚子的包络线。

所述支撑装置的两侧对称布置的机架上设置有扶手，扶手为固定扶手或与步态轨迹点联动的训练扶手，所述扶手上设置有绑带，进一步为使用者提供减重功能。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明采用了曲柄摇杆和带有可调连杆的轨迹调节机构的组合，实现了精确人体步态轨迹运动，改变了圆周、椭圆或类人体步态运动轨迹的训练模式，符合人行走时的足部精确步态轨迹，且步态轨迹的大小可调节，运动时自由度少，调节方法简单，性能稳定，使用方便，安全性高，并可满足不同身高的使用者使用。

采用减重机构，使得驱动负载大大减小，节省功耗，减小设备制造成本和使用成本。

本发明集成了下肢外骨骼式轨迹复现程度高的优点和踝关节末端牵引式闭链机构安全可靠的优点，能够实现精确步态训练的需求，大大提高了使用者的训练效果。

在训练中，若适当调节k值，可以相应地改变轨迹的形状，从而满足个性化的训练需求。

附图说明：

图1是本发明的轨迹生成机构和轨迹调节机构示意图一；

图2是本发明的轨迹生成机构和轨迹调节机构示意图二；

图3是本发明的轨迹生成机构和轨迹调节机构示意图三；

图4是本发明的轨迹生成机构和轨迹调节机构示意图四；

图5是本发明的局部结构示意图一；

图6是本发明的局部结构示意图二；

图7是本发明的下肢训练装置示意图一；

图8是本发明的下肢训练装置示意图二；

图9是本发明的上下肢联动训练装置示意图一；

图10是本发明的上下肢联动训练装置示意图二；

图11是本发明的轨迹调节机构结构示意图一；

图12是本发明的轨迹调节机构结构示意图二；

图13是本发明的输出轨迹示意图。

图中标号：1曲柄，2连杆一，3机架，4可调连杆，5摇杆二，6连杆二，7连杆三，8连杆四，9摇杆一，10，连杆五，11支撑块，12第一滑块，13直线滑台，14第二滑块，15脚踏，16连杆六，17第三滑块，18第四滑块，19底座，20主动链轮，21从动链轮，22链，23支撑板，24滚子，25扶手，26绑带。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种可实现精准步态调节的机构，包括机架、轨迹生成机构和带有可调连杆的轨迹调节机构，其中，轨迹生成机构包括曲柄1和连杆一2，曲柄1的一端与机架3铰接，另一端与连杆一2铰接；轨迹调节机构包括可调连杆4、平行四边形机构和多根连接杆，可调连杆4的中部与连杆一2铰接，可调连杆与连杆一的铰接点为步态轨迹输入点，该可调连杆4的首端与机架3形成可移动和可转动式连接，可调连杆4的末端能可调节地放大或缩小所述步态轨迹；

其中，平行四边形机构由摇杆二5、连杆二6、连杆三7和连杆四8构成，平行四边形机构与可调连杆铰接。

所述轨迹生成机构由安装在机架上的曲柄摇杆机构组成，曲柄摇杆机构包括曲柄1、连杆一2和摇杆一9，所述连杆一2具有处于三角形三个顶点上的三个铰接点，所述曲柄1的一端与机架铰接，另一端与连杆一2的a点铰接，所述摇杆一9的一端与连杆一的b点铰接，摇杆一的另一端与机架3铰接，连杆一的c点为步态轨迹输入点，连杆在c点与所述可调连杆4的中部铰接。

所述轨迹调节机构由摇杆二5、连杆二6、连杆三7、连杆四8、连杆五10和可调连杆4构成；

所述摇杆二5的首端与机架3铰接，中部与连杆二6的首端铰接，摇杆末端与连杆四8铰接，连杆二6的末端在连杆一2的步态轨迹输入点与连杆一铰接，连杆三7的首端在连杆一2的步态轨迹输入点与连杆一2铰接，连杆三7的末端与连杆四8铰接；且摇杆二5与连杆三7平行，连杆二6与连杆四8平行，所述摇杆二5、连杆二6、连杆三7和连杆四8组成平行四边形结构；

可调连杆4的中部在连杆一2的步态轨迹输入点与连杆一2铰接，可调连杆的首端在摇杆二与机架的铰接处与机架或摇杆二形成可转动和可移动式连接，可调连杆4的末端设置支撑块11；

连杆五10一端与连杆四8或连杆三7铰接，另一端与支撑块11铰接，

可调连杆4的首端与机架或摇杆5形成可移动和可转动式连接具体为：在机架3或摇杆5上可转动地铰接第一滑块12，所述第一滑块12与可调连杆之间构成自由的移动副；所述可调连杆4末端上的支撑块6作为轨迹输出点，所述支撑块与可调连杆4之间构成可控的移动副用以放大或缩小步态轨迹；所述可控的移动副具体为：支撑块11与轨迹输入点之间的距离为可控变量s2，轨迹输入点与第一滑块12之间的距离为自由变量s1，s2+s1/s1＝k，其中k为常量、或其中k接近常数。

所述可控变量s2的实现方式为：

所述连杆五10的下半段设置直线滑台13，直线滑台设置有与所述支撑块6铰接的第二滑块14，第二滑块由电机驱动，通过控制器控制电机的速度使得支撑块6与可调连杆之间构成可控的移动副，在所述支撑块6上安装与其构成转动副的脚踏15，训练时，人体脚踝高度处于脚踏与支撑块的铰接轴线上。

轨迹调节机构还包括连杆六(16)，所述连杆六(16)的首端与第三滑块(17)铰接，中部与第四滑块(18)铰接，所述第三滑块(17)安装在摇杆二(5)上与摇杆二形成移动副，所述第四滑块(18)安装在连杆三(7)上与连杆三形成移动副，连杆六(16)和连杆二(6)平行且两者之间间距可调节固定用以不同比例地放大支撑块输出的步态轨迹；

所述连杆六(17)的末端与所述支撑块(6)铰接，在所述支撑块(6)上安装与其构成转动副的脚踏(15)。

实施例2，一种可实现精准步态调节的训练装置，其包括支撑装置、轨迹生成机构和带有可调连杆的轨迹调节机构、传动机构，支撑装置包括底座19和在底座两侧对称布置的机架3，轨迹生成机构包括曲柄1和连杆一2，曲柄1的一端与机架3铰接，另一端与连杆一2铰接；

轨迹调节机构包括可调连杆4、平行四边形机构和多根连接杆，可调连杆4的中部与连杆一2铰接，可调连杆与连杆一的铰接点为步态轨迹输入点，该可调连杆4的首端与机架3形成可移动和可转动式连接，可调连杆4的末端能可调节地放大或缩小所述步态轨迹；

平行四边形机构由摇杆二5、连杆二6、连杆三7和连杆四8构成，平行四边形机构与可调连杆铰接。

传动机构包括设于底座上的电机以及由所述电机驱动的主动链轮20，从动链轮21的轴固联于所述曲柄2的轴上，主动链轮20与从动链轮21之间通过链22传动将电机轴的输出转动传递到曲柄2的轴上，带动曲柄做整周转动。

其中，轨迹生成机构和轨迹调节机构如前所述，不再赘述。

训练装置还包括消除重力影响机构，该消除重力影响机构包括支撑板23以及滚子24，所述支撑板23安装在底座19上且在支撑板上镂空有凹槽，滚子24设于连杆一2的轨迹输入点处且滚子处于凹槽中，凹槽的轮廓曲线为所述滚子的包络线。

支撑装置的两侧对称布置的机架上设置有扶手25，扶手为固定扶手或与步态轨迹点联动的训练扶手，扶手上设置有绑带26，进一步为使用者提供减重功能。

需要说明的是，本发明中未详细阐述部分属于本领域公知技术，或可直接从市场上采购获得，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可获得，其具体的连接方式在本领域或日常生活中有着极其广泛的应用，此处不再详述。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。