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CN108553271A - 一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人 - Google Patents

一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人 Download PDF

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CN108553271A CN201810703528.3A CN201810703528A CN108553271A CN 108553271 A CN108553271 A CN 108553271A CN 201810703528 A CN201810703528 A CN 201810703528A CN 108553271 A CN108553271 A CN 108553271A
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刘进福
李小虎
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Abstract

本发明公开了一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，涉及医疗仪器技术领域，髋关节支架竖直设置，其底端与髋关节外展支架固连，并通过髋关节外展支架连接至髋关节外展驱动机构的输出端；大腿杆的前端和尾端分别转动连接至髋关节支架顶端和小腿杆顶端，髋关节支架和大腿杆外侧各设一个磁流变驱动机构，两个磁流变驱动机构的从动带轮分别连接至大腿杆的前端和小腿杆的顶端。本发明磁流变驱动机构中设有圆盘式磁流变阻尼器，实现了电机输出力矩的控制，解决了驱动电机输出力矩过大的问题，同时可以在患者主动训练时提供抗阻作用，利于增强康复治疗的效果；整体结构精简，使用便捷，实用性好。

Description

一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人
技术领域
本发明涉及医疗仪器技术领域，具体涉及一种用于下肢康复治疗的机器人。
背景技术
康复治疗又称康复物理治疗，是针对病人身体的功能障碍和功能低下起到预防、改善和恢复作用的一种特殊疗法。传统的康复程序依赖于治疗师的经验与徒手操作技术，近年来，随着病人数量的迅速增加，节省医疗资源与提高康复治疗效率的改革迫在眉睫。
康复机器人是近年出现的一种新型机器人，属于医疗机器人的范畴。其主要通过机器带动肢体做重复性的运动，对控制肢体运动的神经系统进行刺激并促使其重建，是一种替代徒手操作康复治疗的新型临床干预手段。
下肢康复机器人是康复机器人的一种，它可以模拟正常人的行走姿态，并且可以承担一部分人体的重量，能够对下肢有运动障碍的病人进行有效的下肢康复训练。患者的病情千差万别，在不同的康复分期还需要通过不同的运动模式进行康复治疗，因此，机器人提供的训练动作应有被动、主动、助动三种运动模式。同时，康复训练还应对不同患者设计不同的康复方案，并有针对性地设计训练所需要的各种参数。机器人也应能实时监测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足时提供更大的辅助力，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助力甚至施加阻力，以便充分发挥患者残存的功能。
通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：
1.Adam B.Zoss,H.Kazerooni andAndrew Chu,“Biomechanical Design oftheBerkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX),”IEEE/ASME Transactions onMechatronics,vol.11,no.2,pp.128-138,April,2006.
该技术方案采用液压直线驱动，不利于肢体运动的柔顺性，关节运动范围有限，易产生运动干涉，且耗能大。
2.ErhanMehmetArifAdli,“The design and control ofatherapeutic exercise robot for lower limb rehabilitation:Physiotherabot,”Mechatronics,vol.21,pp.509-522,2011.
该技术方案控制方式复杂，电机输出扭矩控制精度不高，且输出扭矩过大时对人体无安装保障措施；在人进行抗阻训练时，无法调节阻力。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，工作台固连于支脚上，其两侧结构对称设置；髋关节支架竖直设置，其底端与髋关节外展支架固连，并通过所述髋关节外展支架连接至髋关节外展驱动机构的输出端，所述髋关节外展驱动机构用于经所述髋关节外展支架驱动所述髋关节支架绕竖直向的轴线转动；
电机的输出轴、圆盘式磁流变阻尼器、减速器和主动带轮依次连接，所述主动带轮和从动带轮通过同步带连接，构成磁流变驱动机构；大腿杆的前端和尾端分别转动连接至所述髋关节支架顶端和小腿杆顶端，所述髋关节支架和所述大腿杆外侧各设一个所述磁流变驱动机构，两个所述磁流变驱动机构的从动带轮分别连接至所述大腿杆的前端和所述小腿杆的顶端；踝关节电机设于所述小腿杆底端外侧，其输出端连接鞋底，用于驱动所述鞋底相对于所述小腿杆转动。
进一步的，所述大腿杆和所述小腿杆均由构成滑动副的两部分组成，两部分别设有互相啮合的调节齿轮和调节齿条，所述调节齿轮上设有锁定结构。
进一步的，所述工作台上设置座椅，所述座椅的坐垫安装于所述工作台顶部，与所述工作台形成两个所述髋关节支架连线方向的移动副；所述座椅的坐垫与所述座椅的靠背夹角可调。
进一步的，所述大腿杆底部和所述小腿杆的后侧设置托板，所述托板用于承托、固定病人的大腿或小腿。
进一步的，所述电机和所述踝关节电机使用的减速器为谐波减速器。
本发明提供了一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，具有以下有益效果：
1、磁流变驱动机构中设有圆盘式磁流变阻尼器，实现了电机输出力矩的控制，解决了驱动电机输出力矩过大的问题，同时可以在患者主动训练时提供抗阻作用，利于增强康复治疗的效果；
2、通过磁流变驱动机构驱动大腿杆和小腿杆的转动，采用同步带驱动的柔索驱动方式，传动柔顺可靠，具有较高的安全性；
3、大腿杆和小腿杆的长度可以调节，座椅位置可调，适用于各种身材的患者，适应性强，座椅的椅背和坐垫夹角可调，实用性好，使用舒适性高；
4、整体结构精简，使用便捷，实用性好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：
1、座椅，21、主动带轮，22、从动带轮，3、同步带，4、减速器，5、圆盘式磁流变阻尼器，6、电机，7、髋关节支架，8、髋关节外展支架，9、髋关节外展驱动机构，10、调节齿轮，11、调节齿条，12、大腿杆，13、托板，14、小腿杆，15、鞋底，16、工作台，17、踝关节电机。
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。
如图1所示，其结构关系为：工作台16固连于支脚上，其两侧结构对称设置；髋关节支架7竖直设置，其底端与髋关节外展支架8固连，并通过髋关节外展支架8连接至髋关节外展驱动机构9的输出端，髋关节外展驱动机构9用于经髋关节外展支架8驱动髋关节支架7绕竖直向的轴线转动；
电机6的输出轴、圆盘式磁流变阻尼器5、减速器4和主动带轮22依次连接，主动带轮21和从动带轮22通过同步带3连接，构成磁流变驱动机构；大腿杆12的前端和尾端分别转动连接至髋关节支架7顶端和小腿杆14顶端，髋关节支架7和大腿杆12外侧各设一个磁流变驱动机构，两个磁流变驱动机构的从动带轮22分别连接至大腿杆12的前端和小腿杆14的顶端；踝关节电机17设于小腿杆14底端外侧，其输出端连接鞋底15，用于驱动鞋底15相对于小腿杆14转动。
优选的，大腿杆12和小腿杆14均由构成滑动副的两部分组成，两部分别设有互相啮合的调节齿轮10和调节齿条11，调节齿轮10上设有锁定结构。
优选的，工作台16上设置座椅1，座椅1的坐垫安装于工作台16顶部，与工作台16形成两个髋关节支架7连线方向的移动副；座椅1的坐垫与座椅1的靠背夹角可调。
优选的，大腿杆12底部和小腿杆14的后侧设置托板13，托板13用于承托、固定病人的大腿或小腿。
优选的，电机6和踝关节电机17使用的减速器为谐波减速器。
具体使用时，下肢康复机器人有三种康复训练模式，分别为被动模式、主动模式和抗阻模式。使用前应根据患者身材和实际治疗需要，调整座椅1相对于工作台16的位置，并利用调节齿轮10和调节齿条11调节大腿杆12和小腿杆14的长度。当座椅1移动至左侧时，患者左腿可穿戴上左侧机器人，而不接触右侧机器人，当座椅1移动至右侧时，患者右腿可穿戴上右侧机器人，而不接触左侧机器人，从而实现临床需求的单肢康复。
被动模式下，机器人有源驱动，电机6输出的动力经圆盘式磁流变阻尼器5控制后传递至减速器4，由减速器4将动力调节至合适转速后，通过主动带轮21、从动带轮22和同步带3驱动大腿杆12相对于髋关节支架7转动或驱动小腿杆14相对于大腿杆12转动，进行髋关节和膝关节的康复治疗。髋关节外展驱动机构9通过髋关节外展支架8驱动髋关节支架7外展转动，进行髋关节的外展康复治疗。出于安全考虑，脚踝处直接使用踝关节电机17驱动鞋底15相对于小腿杆14转动，进行踝关节的康复治疗。踝关节电机17处可安装踝关节减速器，踝关节减速器用于调节踝关节电机17的输出力矩和输出转速。
主动模式下，康复机器人无源驱动，不提供动力，穿戴患者依靠主动肢体运动来驱动机器人运动。
抗阻模式下，穿戴患者主动运动，下肢康复机器人通过圆盘式磁流变阻尼器5提供阻力，使患者在抗阻的环境下进行康复锻炼。
被动模式和抗阻模式下，医护人员应针对患者病情设计圆盘式磁流变阻尼器的输入电流，以使圆盘式磁流变阻尼器5提供合适的阻尼，进而使下肢康复机器人实现不同程度的康复训练。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，其特征在于：工作台(16)固连于支脚上，其两侧结构对称设置；髋关节支架(7)竖直设置，其底端与髋关节外展支架(8)固连，并通过所述髋关节外展支架(8)连接至髋关节外展驱动机构(9)的输出端，所述髋关节外展驱动机构(9)用于经所述髋关节外展支架(8)驱动所述髋关节支架(7)绕竖直向的轴线转动；
电机(6)的输出轴、圆盘式磁流变阻尼器(5)、减速器(4)和主动带轮(22)依次连接，所述主动带轮(21)和从动带轮(22)通过同步带(3)连接，构成磁流变驱动机构；大腿杆(12)的前端和尾端分别转动连接至所述髋关节支架(7)顶端和小腿杆(14)顶端，所述髋关节支架(7)和所述大腿杆(12)外侧各设一个所述磁流变驱动机构，两个所述磁流变驱动机构的从动带轮(22)分别连接至所述大腿杆(12)的前端和所述小腿杆(14)的顶端；踝关节电机(17)设于所述小腿杆(14)底端外侧，其输出端连接鞋底(15)，用于驱动所述鞋底(15)相对于所述小腿杆(14)转动。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿杆(12)和所述小腿杆(14)均由构成滑动副的两部分组成，两部分别设有互相啮合的调节齿轮(10)和调节齿条(11)，所述调节齿轮(10)上设有锁定结构。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述工作台(16)上设置座椅(1)，所述座椅(1)的坐垫安装于所述工作台(16)顶部，与所述工作台(16)形成两个所述髋关节支架(7)连线方向的移动副；所述座椅(1)的坐垫与所述座椅(1)的靠背夹角可调。
4.根据权利要求1所述的一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿杆(12)底部和所述小腿杆(14)的后侧设置托板(13)，所述托板(13)用于承托、固定病人的大腿或小腿。
5.根据权利要求1所述的一种磁流变阻尼器坐卧式下肢康复机器人，其特征在于：所述电机(6)和所述踝关节电机(17)使用的减速器为谐波减速器。
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