專利名稱：下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，屬于醫(yī)療器械。用于心腦血管疾病致癱或因意外事故等造成的下肢體損傷的患者做下肢康復(fù)訓(xùn)練。
下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人包括機(jī)座、護(hù)欄、重力平衡系統(tǒng)、左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、動力源、計算機(jī)系統(tǒng)和控制臺。其中機(jī)座包括輪、平臺和機(jī)箱，四個輪裝于平臺的下表面，便于移動。機(jī)箱是位于平臺后部的方形箱體，內(nèi)裝動力源和計算機(jī)系統(tǒng)。護(hù)欄安裝于平臺四周，由立桿、橫桿和扶手組成，扶手高度可根據(jù)患者的身高調(diào)整，扶手上裝有控制臺，上邊提供功能鍵和狀態(tài)顯示，供患者自主選擇。重力平衡系統(tǒng)包括承重背心、吊環(huán)、吊纜、前后滑輪、偏心輪、環(huán)形纜線和立柱，立柱上端有一水平段，供安裝前、后滑輪用，下部穿過機(jī)座后部的機(jī)箱固定于機(jī)座的平臺上?；颊哒玖⒂谧o(hù)欄內(nèi)，穿上承重背心后用吊環(huán)、吊纜連接并繞過前后滑輪系于繞過偏心輪的環(huán)形纜線上，雙腳踩在左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的腳踏板上。這樣當(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)動時，只要偏心輪的偏心距和在輪軸上安裝角適當(dāng)，吊纜就會牽動人體重心做與步行同步的上下移動，進(jìn)而實現(xiàn)重心自動調(diào)整和重力的自動平衡。
左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)和右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)有相同的組成，只是安裝時兩腳在相位上相差180°，即左腳在前時，右腳應(yīng)在后，其中以左腳步態(tài)控制系統(tǒng)為例，它包括曲柄、連桿、腳踏板、導(dǎo)軌、滾輪、力放大桿和直線位移伺服機(jī)構(gòu)。其中導(dǎo)軌固定于機(jī)座平臺的上表面，滾輪裝于連桿的一端搭放在導(dǎo)軌上并可沿導(dǎo)軌來回滑動，連桿的另一端與曲柄端部鉸接，形成一個曲柄連桿機(jī)構(gòu)，它的運(yùn)動決定了腳的步態(tài)。腳踏板中點(diǎn)鉸接在連桿的滾輪側(cè)，直線位移伺服機(jī)構(gòu)的一端鉸接在曲柄側(cè)的連桿上，而其另一端與力放大桿的桿端鉸接，力放大桿的另一端抵在腳踏板上。這樣當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動一周時，腳踏板與連桿的鉸接點(diǎn)的軌跡為一橢圓，與正常人行走軌跡相近。直線位移伺服機(jī)構(gòu)可采用常規(guī)的直線伺服電機(jī)或迥轉(zhuǎn)直流電機(jī)與絲杠、螺母組成的直線伺服機(jī)構(gòu)，當(dāng)直線位移伺服機(jī)構(gòu)與力放大桿的鉸接點(diǎn)做直線運(yùn)動時，力放大桿的另一端帶動腳踏板繞其中點(diǎn)鉸鏈轉(zhuǎn)動，從而決定了腳的姿態(tài)。
動力源包括伺服電機(jī)、減速器、主動軸、小齒形帶輪、傳感器以及從動軸、大齒形帶輪和齒形帶。其中傳感器、伺服電機(jī)、減速器、小齒形帶輪同軸線順次安裝在主動軸上。重力平衡系統(tǒng)中的偏心輪也固定于主動軸端。從動軸與主動軸平行安裝，中部固裝大齒形帶輪，兩側(cè)分別固裝左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)中的曲柄，兩者空間夾角為180°，以保證運(yùn)動過程中左腳在前時右腳在后。大小齒形輪用齒形帶包繞，整個動力源通過軸承支座固裝在機(jī)座上的機(jī)箱內(nèi)。
控制左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)動作的是計算機(jī)系統(tǒng)，它包括主機(jī)、電源、D/A接口、通訊接口、交流調(diào)速器、單片機(jī)和PWM放大器(左、右腳各一套)。其中電源將AC220V轉(zhuǎn)換為DC5V和DC24V，分別供給主機(jī)和2個PWM放大器。主機(jī)接收來自動力源中傳感器的角位移和角速度信號，通過D/A接口和交流調(diào)速器控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)成一個閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)步態(tài)調(diào)整；與此同時主機(jī)又通過通訊接口同時向兩個單片機(jī)發(fā)出指令，產(chǎn)生控制信號，經(jīng)PWM放大器放大后控制左、右腳直線位移伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動腳踏板運(yùn)動，做姿態(tài)調(diào)整并與上述的步態(tài)運(yùn)動保持一定的函數(shù)關(guān)系。每組單片機(jī)、PWM放大器與直線位移伺服機(jī)構(gòu)亦構(gòu)成一個局部自主閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。
如


圖1、圖2所示，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人包括機(jī)座(1)、護(hù)欄(2)、重力平衡系統(tǒng)(3)、左腳步態(tài)控制系統(tǒng)(4)、右腳步態(tài)控制系統(tǒng)(5)、動力源(6)、計算機(jī)系統(tǒng)(7)和控制臺(8)。其中機(jī)座(1)包括輪(11)、平臺(12)和機(jī)箱(13)，四個輪(11)裝于平臺(12)的下表面。機(jī)箱(13)是位于平臺(12)后部的方形箱體，內(nèi)裝動力源(6)和計算機(jī)系統(tǒng)(7)。護(hù)欄(2)由立桿(21)、橫桿(22)和扶手(23)組成，安裝于平臺(12)四周。扶手(23)高度可根據(jù)患者的身高調(diào)整，控制臺(8)固裝其上。控制臺(8)上提供功能鍵和狀態(tài)顯示屏，供患者自主選擇。重力平衡系統(tǒng)(3)包括立柱(31)、承重背心(32)、吊環(huán)(33)、吊纜(34)、前后滑輪(35)和(36)、偏心輪(37)、環(huán)形纜線(38)。立柱(31)上端有一水平段供安裝前、后滑輪(35)、(36)用，下部穿過機(jī)座(1)后部的機(jī)箱(13)固定于平臺(12)上?；颊哒玖⒂谧o(hù)欄(2)內(nèi)，穿上承重背心(32)后用吊環(huán)(33)、吊纜(34)繞過前、后滑輪(35)和(36)系于在偏心輪(37)的環(huán)形纜線(38)上，雙腳踩在左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)、(5)的腳踏板(43)、(53)上。
左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)和右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(5)有相同的組成，只是安裝時須保證兩腳在相位上相差180°，即左腳在前時，右腳應(yīng)在后。左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)包括曲柄(41)、連桿(42)、腳踏板(43)、導(dǎo)軌(44)、滾輪(45)、直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)和力放大桿(47)。其中導(dǎo)軌(44)固定于平臺(12)上表面，滾輪(45)裝于連桿(42)的一端，搭放在導(dǎo)軌(44)上并可沿導(dǎo)軌(44)來回滑動，連桿(42)的另一端與曲柄(41)端部鉸接，形成一個曲柄連桿機(jī)構(gòu)。腳踏板(43)中點(diǎn)鉸接在連桿(42)的滾輪(45)側(cè)。直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)的一端鉸接在曲柄(41)側(cè)的連桿(42)上，而其另一端與力放大桿(47)的桿端鉸接，力放大桿(47)的另一端抵在腳踏板(43)上。這樣當(dāng)曲柄(41)轉(zhuǎn)動一周時，腳踏板(43)與連桿(42)的鉸接點(diǎn)的軌跡為一橢圓。直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)可采用常規(guī)的直線伺服電機(jī)或迥轉(zhuǎn)直流電機(jī)與絲杠、螺母組成的直線伺服機(jī)構(gòu)。右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(5)包括曲柄(51)、連桿(52)、腳踏板(53)、導(dǎo)軌(54)、滾輪(55)、直線位移伺服機(jī)構(gòu)(56)和力放大桿(57)，其連接方式同左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)。
動力源(6)包括伺服電機(jī)(61)、減速器(62)、主動軸(63)、小齒形帶輪(64)、傳感器(65)以及從動軸(66)、大齒形帶輪(67)和齒形帶(68)。其中傳感器(65)、伺服電機(jī)(61)、減速器(62)、小齒形帶輪(64)同軸線順次安裝在主動軸(63)上。重力平衡系統(tǒng)(3)中的偏心輪(37)也固定于主動軸(63)端。從動軸(66)與主動軸(63)平行安裝，中部固裝大齒形帶輪(67)，兩側(cè)分別固裝左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)和(5)中的曲柄(41)、(51)，兩者空間夾角為180°，以保證運(yùn)動過程中左腳在前時右腳在后。大小齒形帶輪(67)、(64)用齒形帶(68)包繞，整個動力源(6)通過軸承、支座(圖中未示出)固裝在機(jī)座(1)后邊的機(jī)箱(13)內(nèi)。
控制左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)、(5)動作的是計算機(jī)系統(tǒng)(7)。如圖3所示，它包括主機(jī)(71)、電源(72)、D/A接口(73)、通訊接口(74)、交流調(diào)速器(75)、2個單片機(jī)(76)與(77)和2個PWM放大器(78)與(79)。其中電源(72)將AC220V轉(zhuǎn)換為DC5V和DC24V，分別供給主機(jī)(71)和2個PWM放大器(78)與(79)。主機(jī)(71)接收來自動力源(6)中傳感器(65)的角位移和角速度信號，通過D/A接口(73)和交流調(diào)速器(75)控制動力源(6)中的伺服電機(jī)(61)的運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)步態(tài)調(diào)整。與此同時，主機(jī)(71)又通過通訊接口(74)同時向2個單片機(jī)(76)、(77)發(fā)出指令，產(chǎn)生控制信號，經(jīng)2個PWM放大器(78)與(79)放大后控制左、右腳直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)與(56)驅(qū)動左、右腳腳踏板(43)與(53)做姿態(tài)調(diào)整并與上述的步態(tài)運(yùn)動保持一定的函數(shù)關(guān)系。每組單片機(jī)(76)或(77)、PWM放大器(78)或(79)與直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)或(56)也構(gòu)成一個局部自主閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。計算機(jī)系統(tǒng)(7)安裝于機(jī)箱(13)內(nèi)(圖中未示出)。
控制臺(8)的臺面上布置功能鍵(81)和狀態(tài)顯示屏(82)供使用者選擇。功能鍵(81)發(fā)出的信息通過電纜進(jìn)入主機(jī)(71)并在狀態(tài)顯示屏(82)上顯示。
本實用新型用于心腦血管疾病致癱或因意外事故等造成的下肢體損傷患者做下肢體康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。
權(quán)利要求1.一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，它包括機(jī)座(1)、護(hù)欄(2)、重力平衡系統(tǒng)(3)、左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(5)、動力源(6)、計算機(jī)系統(tǒng)(7)和控制臺(8)；其特征在于機(jī)座(1)包括輪(11)、平臺(12)和機(jī)箱(13)，四個輪(11)裝于平臺(12)的下表面，機(jī)箱(13)是位于平臺(12)后部的方形箱體；護(hù)欄(2)由立桿(21)、橫桿(22)和扶手(23)組成，安裝于平臺(12)四周，扶手(23)高度可根據(jù)患者的身高調(diào)整；重力平衡系統(tǒng)(3)包括立柱(31)、承重背心(32)、吊環(huán)(33)、吊纜(34)、前后滑輪(35)與(36)、偏心輪(37)、環(huán)形纜線(38)；其中立柱(31)上端有一水平段供安裝前、后滑輪(35)與(36)用，下部穿過機(jī)座(1)后部的機(jī)箱(13)固定于平臺(12)上；患者站立于護(hù)欄(2)內(nèi)，穿上承重背心(32)后用吊環(huán)(33)、吊纜(34)繞過前、后滑輪(35)與(36)系于在偏心輪(37)的環(huán)形纜線(38)上，雙腳踩在左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)、(5)的腳踏板(43)、(53)上；動力源(6)通過軸承、支座固裝在機(jī)座(1)后邊的機(jī)箱(13)內(nèi)，計算機(jī)系統(tǒng)(7)亦安裝于機(jī)箱(13)內(nèi)，控制臺(8)固裝在扶手(23)上。
2.如權(quán)利要求1所述的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)和右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(5)有相同的組成，只是安裝時須保證兩腳在相位上相差180°，即左腳在前時，右腳應(yīng)在后；左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)包括曲柄(41)、連桿(42)、腳踏板(43)、導(dǎo)軌(44)、滾輪(45)、直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)和力放大桿(47)，其中導(dǎo)軌(44)固定于平臺(12)上表面，滾輪(45)裝于連桿(42)的一端，搭放在導(dǎo)軌(44)上，并可沿導(dǎo)軌(44)來回滑動，連桿(42)的另一端與曲柄(41)端部鉸接，形成一個曲柄連桿機(jī)構(gòu)，腳踏板(43)中點(diǎn)鉸接在連桿(42)的滾輪(45)側(cè)，直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)的一端鉸接在曲柄(41)側(cè)的連桿(42)上，而其另一端與力放大桿(47)的桿端鉸接，力放大桿(47)的另一端抵在腳踏板(43)上，這樣當(dāng)曲柄(41)轉(zhuǎn)動一周時，腳踏板(43)與連桿(42)的鉸接點(diǎn)的軌跡為一橢圓，直線位移伺服機(jī)構(gòu)(46)可采用常規(guī)的直線伺服電機(jī)或迥轉(zhuǎn)直流電機(jī)與絲杠、螺母組成的直線伺服機(jī)構(gòu)；右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(5)包括曲柄(51)、連桿(52)、腳踏板(53)、導(dǎo)軌(54)、滾輪(55)、直線位移伺服機(jī)構(gòu)(56)和力放大桿(57)，其連接方式同左腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)。
3.如權(quán)利要求1所述的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于動力源(6)包括伺服電機(jī)(61)、減速器(62)、主動軸(63)、小齒形帶輪(64)、傳感器(65)以及從動軸(66)、大齒形帶輪(67)和齒形帶(68)，其中傳感器(65)、伺服電機(jī)(61)、減速器(62)、小齒形帶輪(64)同軸線順次安裝在主動軸(63)上，重力平衡系統(tǒng)(3)中的偏心輪(37)也固定于主動軸(63)端，從動軸(66)與主動軸(63)平行安裝，中部固裝大齒形帶輪(67)，兩側(cè)分別固裝左、右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(4)和(5)中的曲柄(41)、(51)，兩者空間夾角為180°，以保證運(yùn)動過程中左腳在前時右腳在后，大小齒形帶輪(67)、(64)用齒形帶(68)包繞。
專利摘要本實用新型涉及一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，屬于醫(yī)療器械。它包括機(jī)座、護(hù)欄、重力平衡系統(tǒng)、左右腳步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、動力源、計算機(jī)系統(tǒng)和控制臺。根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，通過一套人體站立重力平衡系統(tǒng)和計算機(jī)控制下的步態(tài)與姿態(tài)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的有序動作使患者在站立情況下模擬正常人的步伐規(guī)律自主地操作控制臺上的鍵盤進(jìn)行肌肉鍛煉和行走功能訓(xùn)練，運(yùn)動速度和強(qiáng)度也可根據(jù)患者患病的輕重和患者體能自主調(diào)整，無需他人過多的介入即可達(dá)到最佳康復(fù)鍛煉效果。本實用新型用于心腦血管疾病致癱或因意外事故等造成的下肢體損傷患者做下肢體康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。
文檔編號A63B23/04GK2558375SQ0225161
公開日2003年7月2日 申請日期2002年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者張立勛, 張今瑜 申請人:哈爾濱工程大學(xué)