本發(fā)明屬于康復機器人領域，涉及一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人。

背景技術：

近幾年來,隨著老齡化問題逐漸突出，老年人口所占比例逐漸增加，同時,由于人們的居住環(huán)境、食品安全遭到不同程度的污染與破壞,偏癱、中風疾病患者越來越多。對于這些在肢體上存在不便的人群來說，傳統(tǒng)的康復訓練方式不僅大量耗費人力，對康復師的技術水平也有很高的要求，因此，國內外諸多學者都在逐步探索可穿戴外骨骼康復機器人的設計與制造。可穿戴外骨骼康復機器人是一種具備協(xié)同動作能力且可以實現(xiàn)模擬人體運動的機器，它能夠承受的工作強度高，且性能穩(wěn)定，通過輔助肢體進行標準化運動，就能達到促進患者的運動能力和控制能力恢復的目的。因此，可穿戴外骨骼康復機器人在醫(yī)療康復訓練、輔助運動、以及身體支撐等方面的應用受到廣泛的關注。隨著外骨骼技術的不斷發(fā)展，人們對可穿戴外骨骼康復機器人的穿戴舒適性以及康復性能的要求越來越高，除了需要輕量級的，功能強大的外骨骼外，外骨骼康復機器人的設計應該更多的考慮人機交互性能，以保證外骨骼和人的下肢正確的對齊，這是不僅對舒適度至關重要，而且相對安全，因為關節(jié)錯位，特別是高扭矩時會引起嚴重的疼痛。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題：現(xiàn)有的國內大部分可穿戴康復機器人自由度過少，沒有考慮到人體肌肉的伸縮性會使得肢體在運動時，肢體和關節(jié)會產生一定偏差，并且，國內現(xiàn)有的設計中通常為了使結構簡單，所采用的驅動數較少，因此幾個關節(jié)之間通常是聯(lián)動的，那些沒有驅動的關節(jié)只能在別的有驅動的關節(jié)的帶動下才能運動，從而當有單一自由度的康復需求時，現(xiàn)有機構不能成功實現(xiàn)對特定的關節(jié)的動作，影響康復治療的效果。本發(fā)明提供了一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人，設計著重于機器人的自適應性，在髖關節(jié)和膝關節(jié)處設計有微調機構，可滿足單一自由度的康復需求，實現(xiàn)對特定關節(jié)的動作，使得患者穿戴機器人后更適應、更舒適，大大降低患者在康復運動中關節(jié)錯位的概率，有效促進患者運動能力和控制能力的恢復。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人，包括支撐機構、機架、髖關節(jié)自適應結構、膝關節(jié)自適應結構和踝關節(jié)結構；

所述支撐機構包括機械腳板支撐和腰胯支撐；所述機械腳板支撐為一個跑步機，用于支撐機械腳板，并保證在執(zhí)行行走運動時機器人相對于機架的水平位置不變；

所述腰胯支撐包括水平連桿機構和機架；所述水平連桿機構左端與機架相連，右端與腰胯部位相連，所述水平連桿機構由兩個平行四邊形連桿機構鉸接而成，所述平行四邊形連桿機構為上下結構，上結構為一根液壓桿，下結構為兩根承重連桿，所述液壓桿和所述承重連桿通過鉸接與構件左邊部位相連，所述構件左邊部分呈長方體條狀，右邊部分呈燕尾形，所述燕尾形部分活動連接于滑槽；所述平行四邊形結構可通過控制液壓桿的長度對腰胯部分的水平位置進行調整，以保證康復運動過程中外骨骼機構冠狀面與機架保持平行，從而提高機構在人體步態(tài)運動時的人機適應性；所述機架由上下兩部分固定連接而成，下部分為長方體板狀結構，上部分為長方體柱狀結構，其頂端到中部位置之間，開有呈燕尾形的滑槽，用于連接水平連桿機構；當患者穿戴上康復機器人進行康復運動時，由于髖關節(jié)的高度會隨著大腿和小腿的屈伸而變化，因此可通過水平連桿機構在滑槽內上下移動來調整整個下肢康復機器人的高度；

所述髖關節(jié)自適應結構主要由電機、腰胯固定件、安裝座、連桿和連接架組成；所述腰胯固定件為半個圓角矩形狀；所述安裝座由左右對稱的兩塊圓形板構成，所述圓形板后端固定連接有第一連接架，前端固定連接有第二連接架；所述第一連接架和第二連接架均為燕尾形，第一連接架與水平連桿機構鉸接，第二連接架與腰胯固定件固定連接；兩塊圓形板的圓心處還設計有連接桿穿過，所述連接桿固定于兩個圓形板，連接桿的桿體為圓柱形，兩端為板狀，安裝有第一電機和連桿，所述第一電機控制實現(xiàn)髖關節(jié)的屈伸和收展，所述連桿另一端安裝有平行四邊形微調裝置，所述微調裝置左邊部分安裝有第二電機，所述第二電機控制微調裝置，調節(jié)在矢狀面內屈伸運動和外展內收運動產生的誤差；所述微調裝置右邊部分安裝有第一活動板，所述第一活動板為直角梯形狀，其連接髖關節(jié)旋轉機構，所述髖關節(jié)旋轉機構為雙爪形外旋轉中心機構，其左邊部分安裝有第三電機，所述第三電機控制髖關節(jié)旋轉機構，調整冠狀面內內旋和外旋運動產生的誤差，所述髖關節(jié)旋轉機構右邊邊沿處通過第二活動板連接于大腿板上端；

現(xiàn)有設計中，康復機器人的膝關節(jié)設計上通常為兩根膝關節(jié)連桿，即一個自由度的旋轉副，這種設計將膝關節(jié)牢固的固定在空間中某一位置，然而實際運動中，肢體和機械腿的中心軸不能始終保持對齊，當人的肢體和機器人下肢的中心軸產生偏差時，機器人會對人體的關節(jié)產生一個相對旋轉的轉矩，轉矩過大時甚至會造成肌肉或關節(jié)的拉傷，因此，本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人將膝關節(jié)設計為一個自適應結構，用兩個平行四邊形結構代替兩根膝關節(jié)連桿；

所述膝關節(jié)自適應結構主要由大腿板、大腿固定件、電機、膝關節(jié)緩沖結構、小腿板和小腿固定件組成；所述大腿固定件通過銷釘固定于大腿板下端靠近中間位置處，所述大腿板下端連接于膝關節(jié)緩沖結構上端，所述緩沖結構為雙平行四邊結構，該結構增加了膝關節(jié)的自由度，使得大腿和小腿的空間位置有了一定緩沖空間，從而使膝關節(jié)能有效的緩沖運動時所受到的沖擊，增加了膝關節(jié)的自由度，提高機器人膝關節(jié)自適應力；所述大腿板下端連接膝關節(jié)緩沖結構處還安裝有第四電機，所述第四電機用于控制膝關節(jié)緩沖結構；

所述踝關節(jié)結構為兩個自由度的結構，主要由踝關節(jié)板、踝固定件、踝擺動件和機械腳板組成，所述踝關節(jié)板上端連接于小腿版，底端安裝有踝固定件，安裝處還連接有踝擺動件，所述踝擺動件與機械腳板固定連接；由于康復機器人是在跑步機上進行康復訓練，不會發(fā)生路面不平等沖擊的狀況，且運動范圍小，所以踝關節(jié)不會產生生偏心問題，因此無需對踝關節(jié)結構進行微調設計。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人，設計著重于機器人的自適應性，在髖關節(jié)和膝關節(jié)處設計有微調機構，可滿足單一自由度的康復需求，實現(xiàn)對特定關節(jié)的動作，使得患者穿戴機器人后更適應、更舒適，大大降低患者在康復運動中關節(jié)錯位的概率，有效促進患者運動能力和控制能力的恢復。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人整體結構示意圖。

圖2是本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人腰胯支撐結構示意圖。

圖3是本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人水平連桿機構結構示意圖。

圖4是本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人髖關節(jié)自適應結構示意圖。

圖5是本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人膝關節(jié)自適應結構示意圖。

圖6是本發(fā)明一種可穿戴外骨骼下肢康復機器人踝關節(jié)結構示意圖。

附圖標記說明：1、機架；2、水平連桿機構；3、第一連接架；4、第二連接架；5、髖關節(jié)自適應結構；6、膝關節(jié)自適應結構；7、踝關節(jié)結構；8、跑步機；9、滑槽；10、液壓桿；11、承重連桿；12、構件；13、圓形板；14、連接桿；15、第一電機；16、髖關節(jié)連桿；17、第二電機；18、第一活動板；19、第三電機；20、髖關節(jié)旋轉機構；21、第二活動板；22、腰胯固定件；23、大腿板；24、第四電機；25、小腿板；26、踝關節(jié)板；27、大腿固定件；28、膝關節(jié)緩沖結構；29、小腿固定件；30、踝固定件；31、踝擺動件；32、機械腳板。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明：

本發(fā)明包括支撐機構、機架1、髖關節(jié)自適應結構5、膝關節(jié)自適應結構6和踝關節(jié)結構7；所述支撐機構包括機械腳板支撐和腰胯支撐，所述機械腳板支撐為一個跑步機4，所述腰胯支撐包括水平連桿機構2和機架1，所述水平連桿機構2左端通過構件12安裝進滑槽9，實現(xiàn)與機架1的活動連接，右端與第一連接架3鉸接固定，第一連接架3固定連接于安裝座，所述安裝座由左右對稱的兩塊圓形板13構成，第一連接架3固定連接于圓形板13后端，實現(xiàn)水平連桿機構2與髖關節(jié)自適應結構5的連接；所述圓形板13的前端固定連接于腰胯固定件21，圓形板13的圓心處有連接桿14穿過，并固定于兩個圓形板13，所述連接桿14兩端安裝有第一電機15和髖關節(jié)連桿16，所述髖關節(jié)連桿16另一端安裝有平行四邊形微調裝置，所述微調裝置左邊部分安裝有第二電機17，右邊部分安裝有第一活動板18，所述活動板另一端連接于髖關節(jié)旋轉機構20，所述髖關節(jié)旋轉機構20左邊部分安裝有第三電機19，右邊邊沿處通過第二活動板21連接于大腿版23上端，所述大腿板23下端靠近中間位置處安裝有大腿固定件27，下端連接于膝關節(jié)緩沖結構28的上端，連接處安裝有第四電機24，所述膝關節(jié)緩沖結構28下端連接于小腿板25頂端，靠近連接處的下邊安裝有小腿固定件29，所述小腿板25下端連接于踝關節(jié)板26，所述踝關節(jié)板底端安裝有踝固定件30，安裝處還連接有踝擺動件31，所述踝擺動件31與機械腳板32固定連接。

穿戴時，患者依次將腰胯固定件22卡在腰胯處，將大腿固定件27卡在大腿處，將小腿固定件29卡在小腿處，將踝固定件30卡在踝關節(jié)處即可完成機器人穿戴工作。

訓練時，患者在跑步機上行走，足跟接地時，人體盆骨會旋轉，此時機器人髖關節(jié)自適應結構5先經第一電機17驅動，控制大腿在髖關節(jié)處屈，接著第二電機17控制微調裝置，調節(jié)在矢狀面內患者屈運動時產生的誤差，再接著第三電機19控制髖關節(jié)旋轉機構20，調整冠狀面旋轉運動產生的誤差，腳掌著地時，膝關節(jié)緩沖結構28經第四電機24驅動，緩沖運動時所受到的沖擊，提高機器人膝關節(jié)的自適應力，降低康復運動中患者關節(jié)錯位的概率；行走過程中，可通過控制水平連桿機構2上液壓桿10的長度對腰胯部分的水平位置進行調整，保證康復運動過程中外骨骼機構冠狀面與機架保持相對平行，還可通過水平連桿機構2在滑槽9內上下移動，調整整個下肢康復機器人的高度，從而提高機構在人體步態(tài)運動時的人機適應性。