本實(shí)用新型涉及一種人體康復(fù)訓(xùn)練中的質(zhì)量卸載技術(shù)，一般用于機(jī)器人領(lǐng)域與康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

中風(fēng)和脊髓損傷是導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的主要原因，醫(yī)學(xué)研究表明，下肢康復(fù)訓(xùn)練可以幫助脊髓損傷患者恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)的功能。通過機(jī)器人輔助可以獲得高強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間的康復(fù)訓(xùn)練，得到優(yōu)于人力輔助或患者自行訓(xùn)練的效果。當(dāng)前，機(jī)器人輔助患者進(jìn)行下肢康復(fù)的技術(shù)主要有：1.外骨骼機(jī)器人技術(shù)，通過為患者穿戴外骨骼機(jī)器人來輔助患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)，大部分的外骨骼機(jī)器人也配有繩懸吊系統(tǒng)。2.單繩或多繩懸吊系統(tǒng)，通過吊繩為患者提供一個(gè)向上的減重力，從而減輕患者的下肢負(fù)擔(dān)。

要取得良好的康復(fù)訓(xùn)練效果，患者自身的強(qiáng)烈意愿和積極參與至關(guān)重要，病人參與的主動(dòng)性越高，訓(xùn)練的效果會(huì)越好?？祻?fù)訓(xùn)練不僅要最大化訓(xùn)練的重復(fù)次數(shù)，也要最大化病人的主動(dòng)努力，這是康復(fù)臨床和康復(fù)工程領(lǐng)域最廣為接受的原則之一。但是，在機(jī)器人輔助的康復(fù)訓(xùn)練中，機(jī)器人大多采用適應(yīng)性控制算法為患者提供助力，這使患者有機(jī)會(huì)降低自己的主動(dòng)努力，從而導(dǎo)致患者懈怠，產(chǎn)生惰性，降低康復(fù)效果。特別是對(duì)于中度或輕度神經(jīng)損傷后有一定運(yùn)動(dòng)能力的患者，僅提供身體重力支撐的減重步行訓(xùn)練可以更加激發(fā)病人的主動(dòng)參與，并有助于訓(xùn)練病人的步態(tài)和平衡控制能力，近年來得到更多的重視。

現(xiàn)有的繩懸吊式減重技術(shù)主要有兩種：1.被動(dòng)減重技術(shù)，由一個(gè)固定質(zhì)量的配重提供一個(gè)固定的拉力，這種被動(dòng)減重技術(shù)在患者運(yùn)動(dòng)過程中不僅不會(huì)減少患者的動(dòng)態(tài)負(fù)載還會(huì)使其增加。2.主動(dòng)減重技術(shù)，由卷繩電機(jī)通過絞盤始終保持吊繩上的拉力不變，這種方法改善了被動(dòng)減重技術(shù)會(huì)增加患者動(dòng)態(tài)負(fù)載的缺陷但也沒能減少患者在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)負(fù)載，無法達(dá)到良好的虛擬去質(zhì)量效果。

目前的下肢康復(fù)機(jī)器人都局限于病人在一個(gè)固定的位置，通過跑步機(jī)等設(shè)備來進(jìn)行步行訓(xùn)練，這種方法只能讓病人進(jìn)行簡(jiǎn)單的前后方向的步態(tài)訓(xùn)練或者固定位置的蹲起動(dòng)作，無法幫助患者進(jìn)行更多的康復(fù)動(dòng)作，造成了一定的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提出一種新型的主動(dòng)減重系統(tǒng)輔助患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練的架空移動(dòng)裝置——即面向步態(tài)和平衡康復(fù)訓(xùn)練的單繩懸吊主動(dòng)減重系統(tǒng)，通過模型分析和設(shè)計(jì)，解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

面向步態(tài)和平衡康復(fù)訓(xùn)練的單繩懸吊主動(dòng)減重系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括架空位移單元，豎直拉力單元和人機(jī)連接單元；其中架空位移單元包括一個(gè)主體支架，主體支架的頂端設(shè)置有兩根平行的橫向(亦即X方向)軌道構(gòu)成橋式吊架(長(zhǎng)寬高分別為3m*2.5m*2m)，兩根橫向軌道的下方設(shè)置有一套位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括橫向軌道兩端分別設(shè)置的傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸的兩端各設(shè)置有一個(gè)皮帶輪，同側(cè)兩個(gè)皮帶輪上套裝有與皮帶輪配合的橫向傳動(dòng)皮帶繩，在其中一個(gè)傳動(dòng)軸上同時(shí)固定有一個(gè)被動(dòng)齒輪，與被動(dòng)齒輪嚙合的主動(dòng)齒輪安裝在伺服電機(jī)軸上，該伺服電機(jī)安裝在主體支架上并用于驅(qū)動(dòng)縱向軌道在X方向移動(dòng)；所述橫向軌道上設(shè)置有兩根平行的縱向(亦即Y方向)軌道，兩根縱向軌道同時(shí)與橫向傳動(dòng)皮帶繩固定，兩根縱向軌道下方設(shè)置有一套相同的位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中的伺服電機(jī)安裝在縱向軌道上并用于驅(qū)動(dòng)豎直拉力單元在Y方向移動(dòng)。

所述的豎直拉力單元設(shè)置在縱向軌道上并與縱向軌道下方的位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)皮帶繩固定。

豎直拉力單元包括一個(gè)金屬框架，在金屬框架上平行安裝有一對(duì)滑軌，所述滑軌上套裝有兩個(gè)動(dòng)板，兩個(gè)動(dòng)板之間的滑軌上各套裝有一個(gè)壓簧，在金屬框架的外側(cè)安裝有一個(gè)電缸，電缸的輸出軸穿過該金屬框架并與內(nèi)側(cè)緊鄰的一個(gè)動(dòng)板鉸接，在金屬框架該側(cè)同時(shí)安裝有滑輪a，另一動(dòng)板上安裝有滑輪b，在所述金屬框架的相對(duì)電缸另一邊外側(cè)安裝有一個(gè)卷繩電機(jī)，卷繩電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與絞盤連接，用于懸吊的鋼絲繩盤繞在絞盤上，鋼絲繩的末端依次繞過滑輪a和滑輪b，最后繞過安裝在金屬框架底部的壓力傳感器頂端的滑輪c豎直向下并與人機(jī)連接單元相連。在所述豎直拉力單元中的金屬框架上安裝有一個(gè)與所述滑軌平行的磁條，與磁條對(duì)應(yīng)在兩個(gè)動(dòng)板上各安裝有一個(gè)磁頭形成磁尺。

所述的滑輪c與金屬框架之間安裝有一個(gè)壓力傳感器，用來測(cè)量通過滑輪c的鋼絲繩上的拉力。

在位于豎直拉力單元的金屬框架的底部同時(shí)設(shè)置有一個(gè)偏角測(cè)量裝置，該偏角測(cè)量裝置包括兩個(gè)正交安裝在金屬框架底部的可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)半月板，兩個(gè)半月板的中間各開有一個(gè)供鋼絲繩穿過的滑槽，在兩個(gè)半月板一端的轉(zhuǎn)軸上各安裝有一個(gè)中空軸編碼器(即半月板軸端分別插入并固定在中空軸編碼器中)，所述豎直拉力單元中的鋼絲繩繞過滑輪c由兩個(gè)半月板的正交點(diǎn)處的滑槽中穿過后豎直向下，鋼絲繩的末端與人機(jī)連接單元相連。

鋼絲繩繞過滑輪c后變?yōu)樨Q直向下方向，經(jīng)過水平方向上相互垂直的兩個(gè)中空半月板，若鋼絲繩發(fā)生豎直方向上的偏移，則會(huì)帶動(dòng)兩個(gè)半月板旋轉(zhuǎn)，從而放置在軸端的中空軸編碼器會(huì)由于插入其中的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而測(cè)得相應(yīng)的角度，中空軸編碼器的測(cè)量值用于控制兩個(gè)伺服電機(jī)。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于，豎直拉力單元中采用繩牽引串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)的辦法，提高了拉力控制精度，并且提升了人機(jī)交互的舒適度。架空位移單元可以對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行隨動(dòng)跟蹤，解決了常見的下肢康復(fù)系統(tǒng)將患者局限于固定位置，只能通過跑步機(jī)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的問題。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種面向步態(tài)和平衡康復(fù)訓(xùn)練的單繩懸吊主動(dòng)減重系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是豎直拉力單元的正視圖。

圖3是豎直拉力單元的俯視圖。

圖4是架空位移單元的皮帶傳送裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖5是皮帶傳送裝置的傳動(dòng)原理及固定方式示意圖。

圖6是中空軸編碼器及半月板位置示意圖。

圖中，1軌道a，2軌道b，3豎直拉力單元，4軌道c，5軌道d，6偏角測(cè)量裝置，7鋼絲繩，8拉力傳感器，9人機(jī)連接單元，10電缸，11滑輪a，12滑軌a，13動(dòng)板a，14壓簧a，15動(dòng)板b，16滑輪b，17絞盤，18聯(lián)軸器，19滑輪c，20滑軌b，21磁條，22磁頭a，23壓簧b，24磁頭b，25卷繩電機(jī)，26中空軸編碼器a，27中空軸編碼器b，28半月板，29壓力傳感器，30傳動(dòng)皮帶繩，31傳動(dòng)皮帶輪，32被動(dòng)齒輪，33主動(dòng)齒輪，34伺服電機(jī)，35皮帶繩固定點(diǎn)，36鋼絲繩通過處(滑槽)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做更詳細(xì)的描述

本實(shí)用新型是一種基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)和橋式吊架結(jié)構(gòu)的、面向步態(tài)和平衡康復(fù)訓(xùn)練的單繩懸吊主動(dòng)減重系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括架空位移單元、豎直拉力單元和人機(jī)連接單元。

其中架空位移單元包括一個(gè)主體支架，主體支架的頂端設(shè)置有兩根平行的橫向軌道(即1軌道a、2軌道b)構(gòu)成橋式吊架，兩根橫向軌道的下方設(shè)置有一套位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式如圖4和圖5所示，在橫向軌道(即1軌道a和2軌道b)下以及縱向軌道(即4軌道c和5軌道d)下分別裝載著兩套圖4所示的位移驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，固定方式如圖5所示。所述的橫向位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括橫向軌道(即1軌道a、2軌道b)兩端分別設(shè)置的傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸的兩端各設(shè)置有一個(gè)橫向傳動(dòng)皮帶輪31，同側(cè)兩個(gè)皮帶輪上套裝有與皮帶輪配合的傳動(dòng)皮帶繩30，在其中一個(gè)傳動(dòng)軸上同時(shí)固定有一個(gè)被動(dòng)齒輪32，與被動(dòng)齒輪嚙合的主動(dòng)齒輪33安裝在伺服電機(jī)34的輸出軸上，其中橫向軌道(即1軌道a與2軌道b)下的位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)安裝在主體支架上并負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)縱向軌道進(jìn)行移動(dòng)，縱向軌道下的位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與橫向位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相同，只是其中的伺服電機(jī)安裝在縱向軌道(即4軌道c和5軌道d)上并負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)豎直拉力單元3進(jìn)行移動(dòng)。

縱向軌道(即4軌道c和5軌道d)構(gòu)成的長(zhǎng)方形框架兩端同時(shí)與橫向傳動(dòng)皮帶繩固定，固定點(diǎn)35如圖5所示。豎直拉力單元3懸掛在縱向軌道(即4軌道c和5軌道d)上并與縱向軌道下方的位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)皮帶繩固定。

豎直拉力單元3(如圖2和圖3所示)包括一個(gè)金屬框架，在金屬框架上平行安裝有一對(duì)滑軌，即12滑軌a和20滑軌b，所述滑軌上套裝有兩個(gè)動(dòng)板，即13動(dòng)板a和15動(dòng)板b，兩個(gè)動(dòng)板之間的滑軌上各套裝有一個(gè)壓簧，即14壓簧a和23壓簧b，在金屬框架的外側(cè)安裝有一個(gè)電缸10，電缸的輸出軸穿過該金屬框架并與內(nèi)側(cè)緊鄰的一個(gè)動(dòng)板如13動(dòng)板a鉸接，在金屬框架該側(cè)同時(shí)安裝有11滑輪a，另一動(dòng)板上安裝有16滑輪b，在所述金屬框架的相對(duì)電缸另一邊外側(cè)安裝有一個(gè)卷繩電機(jī)25，卷繩電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器18與絞盤17連接，用于懸吊的鋼絲繩盤繞在絞盤上，鋼絲繩的末端依次繞過滑輪a和滑輪b，最后繞過安裝在金屬框架底部的壓力傳感器29頂端的19滑輪c豎直向下并通過人機(jī)連接單元9連接于需要被提供拉力的目標(biāo)物體。

在所述金屬框架上同時(shí)安裝有一個(gè)與滑軌平行的磁條21，與磁條對(duì)應(yīng)在兩個(gè)動(dòng)板上各安裝有一個(gè)磁頭即22磁頭a和24磁頭b形成磁尺。

位于豎直拉力單元的金屬框架的底部同時(shí)設(shè)置有一個(gè)偏角測(cè)量裝置6(如圖2和圖6所示)，該偏角測(cè)量裝置包括兩個(gè)正交安裝在金屬框架底部的可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)半月板28，兩個(gè)半月板的中間各開有一個(gè)供鋼絲繩穿過的滑槽，在兩個(gè)半月板一端的轉(zhuǎn)軸上各安裝有一個(gè)中空軸編碼器(即26中空軸編碼器a，27中空軸編碼器b)，所述豎直拉力單元中的鋼絲繩繞過滑輪c由兩個(gè)半月板的正交點(diǎn)處的滑槽36中穿過后豎直向下，鋼絲繩的末端與人機(jī)連接單元9相連。

整套單繩懸吊主動(dòng)減重系統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)過程為：控制單元(圖中略)接收吊繩偏角測(cè)量裝置中的中空軸編碼器的讀數(shù)來控制兩個(gè)伺服電機(jī)從而控制豎直拉力單元在水平方向上的運(yùn)動(dòng)，使吊繩的拉力方向始終保持豎直。

綜上所述，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在水平方向上可以通過橋式吊架結(jié)構(gòu)和伺服控制器使得吊繩保持垂直狀態(tài)，避免了對(duì)患者側(cè)向和前后的拉力干擾。在豎直方向上，通過繩牽引串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)吊繩拉力的精確控制以及更高的人機(jī)交互舒適度。