專利名稱：下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種康復(fù)用醫(yī)療設(shè)備，尤其涉及一種下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人。
背景技術(shù)：
最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年我國60歲以上的老年人已超過I. 7億。2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查顯示，全國肢體殘疾者約2412萬人；由中國康復(fù)研究中心完成的北京市脊髓損傷流行病學調(diào)查結(jié)果顯示，我國每年有近十萬新增肢體殘疾病人；另外，日趨 嚴重的老齡化社會又會增加大量肢體殘障者。所以，對老人和肢體殘障者的康復(fù)訓練是我國康復(fù)醫(yī)療的一項艱巨任務(wù)。醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證明，對于截癱和中風肢體殘障患者，正確且科學的康復(fù)訓練對于肢體運動功能的恢復(fù)和提高起著非常重要的作用。然而，我國康復(fù)事業(yè)的現(xiàn)狀是肢體殘障患者人數(shù)眾多，而康復(fù)醫(yī)師缺口較大，康復(fù)醫(yī)療設(shè)備短缺，特別是高技術(shù)含量的機電一體化智能康復(fù)設(shè)備嚴重短缺。近年來，隨著機電一體化技術(shù)的高速發(fā)展，康復(fù)機器人以其人性化、模塊化及智能化的特點開始逐漸替代康復(fù)醫(yī)師完成更為科學的康復(fù)訓練。然而，國內(nèi)的康復(fù)設(shè)備功能單一，其應(yīng)用范圍僅限于局部關(guān)節(jié)的康復(fù)，沒有能夠?qū)崿F(xiàn)腿部各個關(guān)節(jié)康復(fù)的集成產(chǎn)品，自動化程度較高的康復(fù)設(shè)備大多數(shù)依賴進口，而且價格昂貴，致使康復(fù)訓練成本較高，只有很少一部分患者能夠得到充分的治療。因此，開發(fā)一種多關(guān)節(jié)智能化下肢康復(fù)訓練機器人是十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人，它具有三個自由度，包括踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置；同時小腿和大腿部分能夠伸縮以適應(yīng)不同身高患者。為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人，包括底座、大腿立柱、大腿、小腿、踝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、膝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、髖關(guān)節(jié)及其髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，大腿立柱垂直安裝在底座上，髖關(guān)節(jié)安裝在大腿立柱上，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置通過膝關(guān)節(jié)連接板安裝固定在大腿立柱上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置安裝固定在底座上，且通過皮帶與髖關(guān)節(jié)；大腿安裝固定在髖關(guān)節(jié)的前端，小腿和大腿通過膝關(guān)節(jié)連接在一起，踝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置安裝在小腿下端，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置安裝在髖關(guān)節(jié)上的末端；
所述的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、主動帶輪、從動帶輪、張緊輪、踝外側(cè)板、踏板壓力傳感器，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機套在踝關(guān)節(jié)套筒中，并安裝固定在踏板上，主動帶輪、從動帶輪、張緊輪均安裝固定在踝外側(cè)板上，電機輸出軸與主動帶輪同軸聯(lián)接，主動帶輪通過皮帶聯(lián)接到從動帶輪，從動帶輪與小腿通過軸聯(lián)接，踏板壓力傳感器通過螺釘固定在踏板底蓋上所述的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括箱體、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、齒輪組、帶輪、電磁制動器、絕對位置傳感器、，箱體通過連接板安裝固定在在髖關(guān)節(jié)上的末端，齒輪組安裝固定在箱體內(nèi)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在箱體的外部，其輸出軸與齒輪組的輸入端聯(lián)接，齒輪組輸出端與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪聯(lián)接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪通過膝關(guān)節(jié)皮帶與膝關(guān)節(jié)從動帶輪聯(lián)接，，絕對位置傳感器安裝在箱體上并通過位置傳感器齒輪與齒輪組聯(lián)接；
所述的齒輪組包括膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪C、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d和膝關(guān)節(jié)諧波減速器，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a的轉(zhuǎn)軸與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機同軸連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b相嚙合，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b的轉(zhuǎn)軸與膝關(guān)節(jié)諧波減速器的輸入軸同軸連接，膝關(guān)節(jié)諧波減速器的輸出軸于膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪c的轉(zhuǎn)軸同軸連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪c與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d相嚙合，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪同軸連接；
所述的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、諧波減速器、扭矩傳感器、同步帶輪、絕 對位置編碼器、調(diào)節(jié)部底架、諧波減速器及通過螺釘固定在其上的電機架安裝固定在調(diào)節(jié)部底架上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝固定在電機架上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機輸出軸與諧波減速器輸入軸聯(lián)接，諧波減速器輸出軸與同步帶輪聯(lián)接，同步帶輪通過皮帶與髖關(guān)節(jié)聯(lián)接。


圖I為康復(fù)機器人腿部裝置機構(gòu)總 圖2為康復(fù)機器人腿總裝配 圖3為踝關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu) 圖4a為康復(fù)機器人膝關(guān)節(jié)機構(gòu) 圖4b為康復(fù)機器人膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)示意 圖4c為康復(fù)機器人膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)的背向視 圖5a為髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置視 圖5b為散關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置及底座視 圖5c為髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置爆炸視圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。為描述方便，首先對本發(fā)明涉及的各個結(jié)構(gòu)件進行標號說明
1-踝關(guān)節(jié)及其驅(qū)動裝置，
2-小腿，
3-膝關(guān)節(jié)，
4-大腿，
5-髖關(guān)節(jié)，
6-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，
7-電磁鐵組件，
8-髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，9-大腿立柱，
10-皮帶，
11-膝關(guān)節(jié)皮帶，
12-踝關(guān)節(jié)套筒，
13-電機，
14-踏板底蓋，
15-主動帶輪，
16-皮帶，
17-張緊輪，
18-從動帶輪，
19-踝外側(cè)，
20-壓力傳感器。
21-扭矩傳感器，
22-傳感器套，
23-膝關(guān)節(jié)從動帶輪，
24-電機，
25-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪C，
26-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b，27-箱體，
28-膝關(guān)節(jié)連接板，
29-膝關(guān)節(jié)撞鐵，
30-膝關(guān)節(jié)限位開關(guān)架，
31-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪，
32-位置傳感器齒輪，
33-絕對位置傳感器，
34-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a，
35-膝關(guān)節(jié)諧波減速器，
36-電磁制動器，
37-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d，
38-髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，
39-電機架，
40-髖關(guān)節(jié)輸入軸，
41-諧波減速器，
42-聯(lián)軸器十字滑塊，
43-輸出軸連接片，
44-扭矩傳感器，
45-同步帶輪，
46-輸出軸，
47-調(diào)節(jié)底板，48-調(diào)節(jié)螺栓，
49-調(diào)節(jié)部底架，
50-減速器殼體，
51-繩輪，
52-傳感器卸荷套，
53-編碼器連接軸。如圖I所示，本發(fā)明的一種下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人，包括底座、大腿立柱、大腿、小腿、踝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、膝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、髖關(guān)節(jié)及其髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，踝關(guān)節(jié)及其驅(qū)動裝置I通過定位銷與小腿2相連接，小腿2和大腿4通過膝關(guān)節(jié)3連接在一起，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置6的膝關(guān)節(jié)連接板28由兩個螺釘和大腿4固連，髖關(guān)節(jié)5經(jīng)大腿立柱9固定在底座上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置8由四個螺栓固定在底座；踝關(guān)節(jié)及其驅(qū)動裝置I上裝有電機13，對其進行驅(qū)動；同時裝有壓力傳感器20，能感受壓力并轉(zhuǎn)換成電壓輸出信號，進而獲得踝關(guān)節(jié)的扭矩；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置6安裝在髖關(guān)節(jié)5的末端，作為配重來平衡機器人運動部分的重量，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置8放置于調(diào)節(jié)部底架49，不參與機器人的運動，使得整個機器人運動部分的重量大大減輕，符合輕量化、人性化的設(shè)計；
如圖2-3所示，在踝關(guān)節(jié)及其驅(qū)動裝置I中，電機13套在踝關(guān)節(jié)套筒12中，然后由螺釘固定在踏板底蓋14上，輸出動力傳遞到由螺釘固定在踝外側(cè)板19上的主動帶輪15，經(jīng)過皮帶16傳遞到從動帶輪18而帶動踝關(guān)節(jié)動作；通過調(diào)整固定在踝外側(cè)板19的張緊輪17使得皮帶16張緊；踏板壓力傳感器20由螺釘固定安裝在踏板底蓋14上，其可以精確反饋出力；
如圖4a、4b和4c所示，在膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置6中，由螺釘固定在箱體27上的電機24帶動膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a34，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a34和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b26嚙合，經(jīng)過膝關(guān)節(jié)諧波減速器35，把運動傳輸至膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪c25，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪c25和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d37嚙合，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d37輸出軸和電磁制動器36鏈接將扭力傳給膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪31，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪31經(jīng)過膝關(guān)節(jié)皮帶11帶動膝關(guān)節(jié)從動帶輪23運動，完成膝關(guān)節(jié)3及小腿2的回轉(zhuǎn)運動；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動連接板28通過螺栓和大腿4末端鏈接，將孔設(shè)計成U型的，調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置6和大腿4的相對位置可以張緊膝關(guān)節(jié)皮帶11。絕對位置傳感器33通過其架用螺釘固定在箱體27上，絕對位置傳感器33軸端裝有位置傳感器齒輪32，位置傳感器齒輪32和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d37嚙合，絕對位置傳感器33可以準確檢測出位置；膝關(guān)節(jié)處的固定在傳感器套22里面的扭矩傳感器21 —起安裝在膝關(guān)節(jié)的軸端，扭矩傳感器21將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號，能夠獲得關(guān)節(jié)的扭矩，并方便對此進行精確的控制；用電磁制動器36在突然停電或掉電情況下，將運動部位鎖死，以免對人體造成傷害；
如圖5a、5b和5c所示，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置8中，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機38通過螺釘固定在電機架39上，與由緊盯螺釘固定在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機38輸出軸上的聯(lián)軸器十字滑塊42和髖關(guān)節(jié)輸入軸40連接，由螺釘固定在調(diào)節(jié)部底架49上的減速器殼體50中裝有的諧波減速器41與輸出軸連接片43連接，經(jīng)過諧波減速器41的速度調(diào)節(jié)作用，帶動輸出軸連接片43運動，從而使固定在其上的輸出軸46運動，輸出軸46帶動絕對位置編碼器連接軸53回轉(zhuǎn)，而扭矩傳感器44與絕對位置編碼器連接軸53通過鍵連接，扭矩傳感器44通過螺釘固定在傳感器卸荷套52上，將運動傳遞到同步帶輪45，同步帶輪45帶動皮帶10運動，從此完成髖關(guān)節(jié)5及大腿4的回轉(zhuǎn)運動；調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓48的旋入長度可以使由螺栓相連的調(diào)節(jié)底板47和調(diào)節(jié)部底架49的相對位置，從而可以張緊皮帶10 ;傳感器卸荷套52保證了扭矩傳感器44不受徑向力，卸荷功能的引入，有效保護了扭矩傳感器44，從此完成髖關(guān)節(jié)5及大腿4的回轉(zhuǎn)運動。扭矩傳感器44安裝在輸出軸端，能夠精確測量髖關(guān)節(jié)的力矩。力矩傳感器與傳感器卸荷套連接，保證了傳感器不受徑向力，機構(gòu)的卸荷功能保護了扭矩傳感器的安全，進而保證了系統(tǒng)的高可靠性。絕對位置編碼器用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)絕對位置，避免了開機后的原點復(fù)位。電磁制動器在突然停電或掉電情況下，將運動部位鎖死，以免對人體造成傷害。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人，具有這樣的有益效果是
本發(fā)明中各個關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)緊湊，符合人性化設(shè)計。機構(gòu)的卸荷功能保證了傳動系統(tǒng)的可靠性，機械限位的應(yīng)用保證了機構(gòu)的安全性，絕對位置編碼 器的應(yīng)用避免了開機后的原點復(fù)位，關(guān)節(jié)力矩傳感器的使用提高了機器人的智能化程度。在驅(qū)動裝置的布置方式上是將膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置放置于大腿轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)后面的最末端，作為配重來平衡機器人運動部分的重量，髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動部分放置于底座，不參與機器人的運動，使得整個機器人運動部分的重量大大減輕，符合輕量化、人性化的設(shè)計。
權(quán)利要求
1 ー種下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓練機器人，包括底座、大腿立柱、大腿、小腿、踝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、膝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、髖關(guān)節(jié)及其髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，其特征在干大腿立柱垂直安裝在底座上，髖關(guān)節(jié)安裝在大腿立柱上，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置通過膝關(guān)節(jié)連接板安裝固定在大腿立柱上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置安裝固定在底座上，且通過皮帶與髖關(guān)節(jié)；大腿安裝固定在髖關(guān)節(jié)的前端，小腿和大腿通過膝關(guān)節(jié)連接在一起，踝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置安裝在小腿下端，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置安裝在髖關(guān)節(jié)上的末端； 所述的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、主動帶輪、從動帶輪、張緊輪、踝外側(cè)板、踏板壓カ傳感器，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機套在踝關(guān)節(jié)套筒中，并安裝固定在踏板上，主動帶輪、從動帶輪、張緊輪均安裝固定在踝外側(cè)板上，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機輸出軸與主動帶輪同軸聯(lián)接，主動帶輪通過皮帶聯(lián)接到從動帶輪，從動帶輪與小腿通過軸聯(lián)接； 所述的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括箱體、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、齒輪組、帶輪、電磁制動器、絕對位置傳感器、，箱體通過連接板安裝固定在在髖關(guān)節(jié)上的末端，齒輪組安裝固定在箱體內(nèi)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝在箱體的外部，其輸出軸與齒輪組的輸入端聯(lián)接，齒輪組輸出端與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪聯(lián)接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪通過膝關(guān)節(jié)皮帶與膝關(guān)節(jié)從動帶輪聯(lián)接，，絕對位置傳感器安裝在箱體上并通過位置傳感器齒輪與齒輪組聯(lián)接； 所述的齒輪組包括膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪C、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d和膝關(guān)節(jié)諧波減速器，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a的轉(zhuǎn)軸與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機同軸連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪a與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b相嚙合，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪b的轉(zhuǎn)軸與膝關(guān)節(jié)諧波減速器的輸入軸同軸連接，膝關(guān)節(jié)諧波減速器的輸出軸于膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪c的轉(zhuǎn)軸同軸連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪c與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d相嚙合，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動齒輪d與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動主動帶輪同軸連接； 所述的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、諧波減速器、扭矩傳感器、同步帶輪、絕對位置編碼器、調(diào)節(jié)部底架、諧波減速器及通過螺釘固定在其上的電機架安裝固定在調(diào)節(jié)部底架上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機安裝固定在電機架上，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機輸出軸與諧波減速器輸入軸聯(lián)接，諧波減速器輸出軸與同步帶輪聯(lián)接，同步帶輪通過皮帶與髖關(guān)節(jié)聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種下肢康復(fù)訓練機器人，旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的、各個關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)緊湊的康復(fù)訓練機器人。其技術(shù)方案的要點是，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置；小腿和大腿部分可伸縮以適應(yīng)不同身高患者。膝關(guān)節(jié)驅(qū)動放置于大腿轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)后面的最末端，作為配重來平衡機器人運動部分的重量，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動放置于底座，不參與機器人的運動，使得整個機器人運動部分的重量大大減輕。關(guān)節(jié)的驅(qū)動均由電機經(jīng)過減速器來實現(xiàn)，并裝有力矩(力)傳感器，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)還裝有絕對位置編碼器和電磁制動器。本發(fā)明的主要用途是對下肢殘障患者可被動、主動、助力訓練。
文檔編號A61H1/02GK102949281SQ201210439539
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者王洪波, 胡國清, 孫利, 侯增廣, 甄紅衛(wèi), 梁言, 王建軍, 張 雄, 楊鳳霞 申請人:燕山大學