一種下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，包括設(shè)置在一個升降平臺移動板上面的重心跟隨裝置和設(shè)置在該升降平臺移動板下面的升降裝置，其特征在于，所述重心跟隨裝置包括一個槽型凸輪、一個凸輪擺桿、一塊與動力外骨骼裝置連接的動力外骨骼支撐板，所述凸輪擺桿一端通過滾輪與槽型凸輪的環(huán)形滑槽接觸配合，凸輪擺桿的另一端連接一平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，該平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)的后邊鉸接在升降臺移動板的立柱上，前邊鉸接在與所述動力外骨骼支撐板構(gòu)成滑動副的上下運動機構(gòu)上。
【專利說明】一種下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)療器械，特別涉及一種下肢外骨骼康復(fù)機器人。

【背景技術(shù)】
[0002] 腦卒中等腦血管疾病，腦或脊柱損傷等中樞神經(jīng)損傷患者病殘率較高，主要后遺 癥包括急性神經(jīng)性癱瘓等，有不同程度的生活能力、勞動能力喪失。據(jù)統(tǒng)計，目前我國由于 中風(fēng)、脊柱損傷以及各種事故引起的肢體功能障礙患者有877萬人，而其中半數(shù)以上可以 通過訓(xùn)練改善肢體功能，包括重新獲得行走能力。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練是首先從專業(yè)理療師手把 手的指導(dǎo)下開始，而后由病人的健康上肢或者其家屬、護士人工對病人患肢進行反復(fù)牽引。 該種訓(xùn)練方式增加了醫(yī)院康復(fù)醫(yī)師的勞動強度與負(fù)擔(dān)，而且所需費用較高。
[0003] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機器人技術(shù)得以快速發(fā)展，康復(fù)機器人就是機器人技 術(shù)在康復(fù)醫(yī)療方面的新應(yīng)用。目前應(yīng)用于下肢康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)形式中，比較主 流的是基于跑步機的支撐減重裝置（BWS)配合動力外骨骼的下肢康復(fù)機器人形式，該類型 康復(fù)機器人的核心構(gòu)成主要包括兩大部分：支撐減重裝置與動力外骨骼。其中動力外骨骼 驅(qū)動患者下肢模擬正常步態(tài)運動，而步行康復(fù)訓(xùn)練中由于患者下肢無法承載自身的重量， 難以保持自身的平衡，所以在訓(xùn)練過程中，必須采用必要的方式為患者卸載自重，并幫助其 保持平衡。已有的研究表明，支撐減重裝置在恢復(fù)步行能力、糾正步態(tài)、改善平衡、減輕肌肉 痙攣及減少心肺負(fù)荷等方面較傳統(tǒng)治療方法均有很大的優(yōu)勢，同時還降低了治療師的工作 強度，保障了治療的安全性。
[0004] 近年來，國內(nèi)外應(yīng)用的支撐減重裝置主要有4種：靜平衡系統(tǒng)、被動配重系統(tǒng)、被 動彈性力減重系統(tǒng)和主動力減重系統(tǒng)。靜平衡系統(tǒng)、被動配重系統(tǒng)和被動彈性力減重系統(tǒng) 采用被動減重形式，都存在減重力不恒定和減重力大小調(diào)整困難等問題。而主動減重力系 統(tǒng)可以解決這些問題。申請?zhí)枮?00910048312. 9、201210081435· 4和201210516801. 4的 中國專利文獻公開了三種典型的主動支撐減重裝置。其中，第一種是懸吊式裝置，其整個體 積龐大，而且使患者上肢受到束縛，不能夠自主活動，長期訓(xùn)練患者容易產(chǎn)生不適感。后兩 種均為腰部支撐減重裝置，但都無法配套下肢外骨骼或其他矯正器使用，因此只適用于康 復(fù)后期且下肢具備一定肌力的患者進行康復(fù)訓(xùn)練，適用范圍較窄，同時為了獲得穩(wěn)定的減 重力，控制難度較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決【背景技術(shù)】中典型的主動支撐減重裝置所存在的缺陷，提供了一種結(jié) 合被動支撐減重裝置（使用凸輪與彈簧）與主動支撐減重裝置（使用電機閉環(huán)控制）各自 的優(yōu)勢，可降低系統(tǒng)成本與控制難度，但卻能夠獲得相對恒定減重力的自適應(yīng)減重支撐裝 置。
[0006] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0007] -種下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，包括設(shè)置在一個升降平臺移 動板上面的重心跟隨裝置和設(shè)置在該升降平臺移動板下面的升降裝置，其特征在于，所述 重心跟隨裝置包括一個槽型凸輪、一個凸輪擺桿、一塊與動力外骨骼裝置連接的動力外骨 骼支撐板，所述凸輪擺桿一端通過滾輪與槽型凸輪的環(huán)形滑槽接觸配合，凸輪擺桿的另一 端連接一平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，該平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)的后邊鉸接在升降臺移動板的立柱 上，前邊鉸接在與所述動力外骨骼支撐板構(gòu)成滑動副的上下運動機構(gòu)上。
[0008] 上述方案中，所述上下運動機構(gòu)包括一個堅直的彈簧支撐板，該彈簧支撐板通過 兩組垂直線性導(dǎo)軌與所述動力外骨骼支撐板構(gòu)成滑動副，在彈簧支撐板的上下兩端各有一 組用于向動力外骨骼支撐板傳遞上下運動力的壓縮彈簧。
[0009] 所述的升降裝置為剪叉型升降平臺結(jié)構(gòu)，包括升降平臺固定板、電動推桿和中部 相互鉸接的固定撐桿對與移動撐桿對，其中，固定撐桿對的上端鉸接在升降平臺移動板前 邊的下方；移動撐桿對的下端鉸接在升降平臺固定板前邊的上方；固定撐桿對的下端通過 滾輪在升降平臺固定板后邊兩側(cè)的導(dǎo)軌中滾動滑行；移動撐桿對的上端通過滾輪在升降平 臺移動板后邊兩側(cè)的導(dǎo)軌中滾動滑行；電動推桿一端鉸接在固定撐桿對下端連接板的中 間，另一端絞接在移動撐桿對中部連接板的中間。
[0010] 所述槽型凸輪由一個直流電機通過同步齒形帶傳動副連接驅(qū)動。該槽型凸輪的外 形輪廓曲線為人體重心上下運動軌跡曲線。
[0011] 本發(fā)明在分析了現(xiàn)有的支撐減重系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點情況下，結(jié)合被動彈性力減重 系統(tǒng)和主動力減重系統(tǒng)（電機閉環(huán)控制支撐減重裝置）的兩者的優(yōu)點，通過槽型凸輪與平 行四邊形機構(gòu)，實現(xiàn)動力外骨骼裝置中的骨盆支撐墊始終跟隨人體重心在垂直方向上的運 動軌跡，并由上下兩組彈簧補償個體間重心軌跡的差異，從而使支撐墊與患者之間的相互 作用力（即減重力）維持大致恒定。其最大的優(yōu)點是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電機只需要采 用普通直流電機即可，通過位置關(guān)系函數(shù)使支撐減重裝置與動力外骨骼協(xié)調(diào)運動，控制難 度低、設(shè)備投資低但能夠獲得相對恒定的減重力，性價比高。所配套的動力外骨骼裝置能夠 驅(qū)動患者下肢在三維空間內(nèi)模擬步行運動，同時能夠?qū)崿F(xiàn)骨盆左右側(cè)向移動，促進身體重 心的轉(zhuǎn)移，以獲得更加自然的步態(tài)特征，增加康復(fù)效果，可適用于各康復(fù)期內(nèi)的患者進行康 復(fù)訓(xùn)練。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為基于本發(fā)明裝置的下肢外骨骼康復(fù)機器人的總體結(jié)構(gòu)及各部分示意圖。圖 中：1_支撐減重裝置；2-動力外骨骼裝置；3-醫(yī)用跑步平臺；4-移動架。
[0013] 圖2為圖1中的支撐減重裝置1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖3為圖2中的上半部重心跟隨裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：5_直流電機；6-槽型 凸輪；7-凸輪滾輪；8-凸輪擺桿；9-平行四邊形機構(gòu)；10-動力外骨骼支撐板；11-彈簧； 12-直線導(dǎo)軌；13-彈簧支撐板；14-彈簧；15-下壓板；16-同步齒形帶傳動副；17-升降平 臺移動板。
[0015] 圖4為圖2中的下半部剪叉型升降平臺結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：18_升降平臺固定 板；19-電動推桿；20-固定撐桿；21-移動撐桿；22-滾輪；23-移動板導(dǎo)軌；24-固定撐桿； 25-移動撐桿；26-固定板導(dǎo)軌
[0016] 圖5為圖2中重心跟隨裝置的控制策略框圖。
[0017] 圖6為圖2中剪叉型升降平臺的減重力控制策略框圖。
[0018] 圖7為骨盆重心在垂直軸方向上的運動軌跡。

【具體實施方式】
[0019] 參考圖1，一種下肢外骨骼康復(fù)機器人，用于腦中風(fēng)與脊椎損傷等造型中樞神經(jīng)損 傷患者的下肢康復(fù)訓(xùn)練。該機器人包括醫(yī)用跑步平臺3,設(shè)置在該平臺上的移動架4及其上 的支撐減重裝置1，支撐減重裝置與動力外骨骼裝置2相連。
[0020] 參考圖2-圖4,圖1中的支撐減重裝置1，主要分為上下兩個部分：重心跟隨裝置 (圖3)與剪叉型升降平臺（圖4)。
[0021] 重心跟隨裝置的具體結(jié)構(gòu)為：直流電機5通過同步齒形帶傳動副16連接槽型凸輪 6,該槽型凸輪的外形輪廓曲線為人體重心上下運動軌跡曲線，凸輪擺桿8 -端通過滾輪7 與槽型凸輪的環(huán)形滑槽接觸配合，凸輪擺桿8的另一端參與構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)9,平行四 邊形機構(gòu)一端鉸接在剪叉型的升降臺移動板17上，另一端鉸接在彈簧支撐板13上；彈簧支 撐板通過兩組線性導(dǎo)軌12與動力外骨骼支撐板10構(gòu)成滑動副，在彈簧支撐板13的上下兩 端各有一組（3個）壓縮彈簧11，14,用來向動力外骨骼支撐板10傳遞上下運動力。動力外 骨骼支撐板10與動力外骨骼裝置連接。
[0022] 該重心跟隨裝置的作用是：當(dāng)動力外骨骼裝置2輔助患者在醫(yī)用跑步平臺上行走 時，重心跟隨裝置通過動力外骨骼支撐板10與緊貼患的者的支撐墊間接連接（該支撐墊固 定在動力外骨骼裝置的骨盆支撐板上，圖中未畫出）并始終跟隨患者重心上下運動，以維 持減重力的相對恒定。整體工作過程為：直流電機通過同步齒形帶傳動副驅(qū)動槽型凸輪旋 轉(zhuǎn)，凸輪擺桿上下擺動，進而帶動鉸接在平行四邊形機構(gòu)上的彈簧支撐板上下擺動，而彈簧 支撐板又通過壓縮彈簧把上下運動傳遞給動力外骨骼支撐板，最終實現(xiàn)動力外骨骼與支撐 墊上下運動，其運動軌跡大致跟隨人體重心上下運動的軌跡，其中彈簧的作用是用來補償 每個患者行走時重心上下運動軌跡的微小差異，因此，支撐墊能夠始終緊貼在患者身上并 使得患者與支撐墊間的相互作用力（即減重力）維持大致恒定。
[0023] 該重心跟隨裝置中的兩個關(guān)鍵部件是槽型凸輪6與壓縮彈簧11，14。研究發(fā)現(xiàn)，正 常人在行走時，人體重心上下移動軌跡大致相同，但存在少量個體差異。為了獲得滿足使用 條件的槽型凸輪，可以使用函數(shù)擬合法獲得該軌跡曲線的擬合函數(shù)（圖7)，并用數(shù)控銑床 加工出槽型凸輪外形輪廓曲線。接下來，通過建立正常人行走時重心上下運動軌跡數(shù)據(jù)庫， 確定運動軌跡的個體差異范圍，以此來確定彈簧的彈性系數(shù)與變形量。
[0024] 參照圖5,圖3重心跟隨裝置的控制策略：研究表明，人體在正常步行時，步態(tài)特征 與人體重心運動軌跡有著確定的關(guān)系，即左右腿在步行時的位置狀態(tài)與重心位置有著一一 確定的關(guān)系，此處建立了腿部位置狀態(tài)與人體重心在垂直方向上位置的關(guān)系函數(shù)（以下簡 稱位置關(guān)系函數(shù)）?；诖嗽?，本發(fā)明重心跟隨裝置的控制策略具體實現(xiàn)方式為：布置在 動力外骨骼膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)上的光電編碼器實時測量外骨骼關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，該旋轉(zhuǎn)角度值 可用來判斷當(dāng)前患者左右腿的位置狀態(tài)，進而根據(jù)已有的位置關(guān)系函數(shù)確定當(dāng)前重心在垂 直方向上的位置，而重心跟隨裝置的位置是由驅(qū)動槽型凸輪的直流電機旋轉(zhuǎn)角度確定。即 動力外骨骼關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)位置關(guān)系函數(shù)控制槽型凸輪直流電機旋轉(zhuǎn)，使槽型凸輪旋轉(zhuǎn) 合適的角度，最終使重心跟隨裝置配合動力外骨骼輔助患者實現(xiàn)正常步態(tài)，同時獲得大致 穩(wěn)定的減重力。圖5中qp q2, q3, q4分別表不動力外骨豁左腿散；關(guān)節(jié)，左腿膝關(guān)節(jié)，右腿散；關(guān) 節(jié)，右腿膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度；Θ ^表示直流電機理論角度；Θ artual表示直流電機實際輸出角 度；Λ θ表示理論角度與實際輸出角度差值。
[0025] 參照圖4,本發(fā)明支撐減重裝置的剪叉型升降平臺的具體結(jié)構(gòu)為：固定撐桿對 20, 24與移動撐桿對21，25的中部相互鉸接，其中，固定撐桿對的上端鉸接在升降平臺移動 板17前邊的下方；移動撐桿對的下端鉸接在升降平臺固定板18前邊的上方。固定撐桿對 的下端通過滾輪22在固定板后邊兩側(cè)的固定板導(dǎo)軌26中滾動滑行；移動撐桿對的上端通 過滾輪22在移動板后邊兩側(cè)的移動板導(dǎo)軌23中滾動滑行。電動推桿19 一端鉸接在固定 撐桿對下端連接板的中間，另一端鉸接在移動撐桿對21、25中部連接板的中間。當(dāng)電動推 桿工作時，推桿伸出，推動固定撐桿繞著底部鉸接點旋轉(zhuǎn)，提升升降平臺移動板。重心跟隨 裝置連接在升降平臺移動板17上。
[0026] 該剪叉型升降平臺起到兩個方面的作用，一方面，手動調(diào)節(jié)電動推桿19推動升降 平臺快速升降，調(diào)整動力外骨骼支撐板10的高度，以適應(yīng)不同身高患者使用；另一方面該 剪叉型升降平臺通過重心跟隨裝置能間接的、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)減重力（支撐墊與患者之間的相 互作用力）的大小達(dá)到設(shè)定值大小，調(diào)節(jié)范圍為〇%-100%。具體實現(xiàn)方式為：在動力外骨 骼裝置的支撐墊與患者骨盆之間安裝有壓力傳感器，能夠精確的測量支撐減重裝置與患者 之間的相互作用力-即減重力的大小。在開始康復(fù)訓(xùn)練前，康復(fù)醫(yī)師根據(jù)訓(xùn)練要求設(shè)定減 重力的大小，該設(shè)定減重力值與由壓力傳感器實時測量到的減重力測量值對比，所得的差 值將反饋作用于剪叉型升降平臺的電動推桿的控制器上，控制電動推桿推動升降平臺微量 提升或降低，來調(diào)整測量值達(dá)到設(shè)定減重力大小。一旦設(shè)定完成，升降平臺將維持現(xiàn)狀，康 復(fù)訓(xùn)練期間內(nèi)只是重心跟隨裝置工作以維持減重力大致恒定。
[0027] 參考圖6,圖4剪叉型升降平臺的控制策略中，fsrt表示設(shè)定減重力值；f artual表示 支撐墊壓力傳感器實際檢測減重力值；Λ f表示設(shè)定差值。
【權(quán)利要求】
1. 一種下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，包括設(shè)置在一個升降平臺移 動板上面的重心跟隨裝置和設(shè)置在該升降平臺移動板下面的升降裝置，其特征在于，所述 重心跟隨裝置包括一個槽型凸輪、一個凸輪擺桿、一塊與動力外骨骼裝置連接的動力外骨 骼支撐板，所述凸輪擺桿一端通過滾輪與槽型凸輪的環(huán)形滑槽接觸配合，凸輪擺桿的另一 端連接一平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)，該平行四邊形連桿結(jié)構(gòu)的后邊鉸接在升降臺移動板的立柱 上，前邊鉸接在與所述動力外骨骼支撐板構(gòu)成滑動副的上下運動機構(gòu)上。
2. 如權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，其特征在于， 所述上下運動機構(gòu)包括一個堅直的彈簧支撐板，該彈簧支撐板通過兩組垂直線性導(dǎo)軌與所 述動力外骨骼支撐板構(gòu)成滑動副，在彈簧支撐板的上下兩端各有一組用于向動力外骨骼支 撐板傳遞上下運動力的壓縮彈簧。
3. 如權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，其特征在于， 所述的升降裝置為剪叉型升降平臺結(jié)構(gòu)，包括升降平臺固定板、電動推桿和中部相互鉸接 的固定撐桿對與移動撐桿對，其中，固定撐桿對的上端鉸接在升降平臺移動板前邊的下方； 移動撐桿對的下端鉸接在升降平臺固定板前邊的上方；固定撐桿對的下端通過滾輪在升降 平臺固定板后邊兩側(cè)的導(dǎo)軌中滾動滑行；移動撐桿對的上端通過滾輪在升降平臺移動板后 邊兩側(cè)的導(dǎo)軌中滾動滑行；電動推桿一端鉸接在固定撐桿對下端連接板的中間，另一端鉸 接在移動撐桿對中部連接板的中間。
4. 如權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，其特征在于， 所述槽型凸輪由一個直流電機通過同步齒形帶傳動副連接驅(qū)動。
5. 如權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼康復(fù)機器人的自適應(yīng)支撐減重裝置，其特征在于， 所述槽型凸輪的外形輪廓曲線為人體重心上下運動軌跡曲線。
【文檔編號】A61H1/00GK104107131SQ201410310514
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】張小棟, 石強勇, 陳江城, 王賀 申請人:西安交通大學(xué)