專利名稱：一種五自由度混聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于醫(yī)療康復(fù)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，描述了一種適用于下肢康復(fù)治療的五自由度混聯(lián)康復(fù)機(jī)器人，可模擬下肢行走、腳踝活動(dòng)等實(shí)際康復(fù)運(yùn)動(dòng)，能有效實(shí)現(xiàn)下肢偏癱及下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等類似病癥患的康復(fù)訓(xùn)練功能。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)和世界許多國(guó)家一樣，正逐步步入老齡化社會(huì)，在老齡人群中腦血管、神經(jīng)系統(tǒng)疾病多發(fā)，多數(shù)有偏癱的癥狀。同時(shí)，因?yàn)榻煌ㄊ鹿识斐傻纳窠?jīng)損傷或肢體損傷的人數(shù)也越來(lái)越多。特別是下肢運(yùn)動(dòng)技能損傷，嚴(yán)重影響了患者的日常生活。這類患者除了早期手術(shù)、藥物治療外，后期的科學(xué)康復(fù)訓(xùn)練對(duì)下肢恢復(fù)治療起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練依賴于治療師的一對(duì)一徒手操作，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且效率低下。在這種背景下，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，它的主要功能是代替治療師幫助患者完成運(yùn)動(dòng)機(jī)能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走訓(xùn)練。對(duì)于中風(fēng)、下肢機(jī)能損傷患者來(lái)說(shuō)，下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能達(dá)到很好的治療效果。目前現(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人基本均為主動(dòng)式機(jī)器人，例如:申請(qǐng)?zhí)枮?01120422008.9的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)一種下肢康復(fù)踏步機(jī)，添加了阻尼滑輪等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制麻煩，需要患者本身較高的活動(dòng)機(jī)能，但對(duì)患者的前期恢復(fù)未給予足夠重視，這樣對(duì)于處在前期康復(fù)的患者不僅很難達(dá)到預(yù)期的康復(fù)效果，甚至?xí)?duì)病人的病情產(chǎn)生不良影響。本實(shí)用新型提出的混聯(lián)式空間五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)腳踝關(guān)節(jié)前后、左右、上下轉(zhuǎn)動(dòng)，以及下肢上下、前后移動(dòng)的5個(gè)動(dòng)作，真實(shí)模擬人體下肢及足的行走的多自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。相比傳統(tǒng)的下肢康復(fù)機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，容易控制，患者不僅在康復(fù)后期可進(jìn)行主動(dòng)下肢康復(fù)訓(xùn)練，而且在康復(fù)前期可進(jìn)行被動(dòng)的下肢關(guān)節(jié)康復(fù)活動(dòng)，使康復(fù)訓(xùn)練具有延續(xù)性，更好的達(dá)到下肢康復(fù)訓(xùn)練效果。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提出了一種混聯(lián)式空間五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人，康復(fù)前期可使患者被動(dòng)進(jìn)行腳踝運(yùn)動(dòng)、行走的康復(fù)訓(xùn)練，康復(fù)后期患者主動(dòng)進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)恢復(fù)訓(xùn)練，有效實(shí)現(xiàn)針對(duì)患者恢復(fù)前、后期的不同狀況下的復(fù)合下肢康復(fù)訓(xùn)練治療。本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于腳踝及下肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的混聯(lián)式空間五自由度康復(fù)機(jī)器人，它能實(shí)現(xiàn)繞x、Y、z軸的姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)及沿Y、Z軸的移動(dòng)，真實(shí)模擬人體下肢及足行走的多自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，幫助患者更好的進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。本實(shí)用新型一種五自由度混聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人，其特征是:包括機(jī)架和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；所述機(jī)架由底座和支架串聯(lián)而成，底座前后方向設(shè)置兩根平行的移動(dòng)導(dǎo)軌；支架包括四條支鏈，分別為支撐鏈Α、支撐鏈B、扶手鏈Α、扶手鏈B ;所述支撐鏈A和支撐鏈B結(jié)構(gòu)相同，由三根桿件由下至上依次通過(guò)移動(dòng)副Pl和轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl串聯(lián)組成，所述支撐鏈A和支撐鏈B的下端垂直連接在底座的左右兩側(cè)；所述扶手鏈A和扶手鏈B結(jié)構(gòu)相同，由四根桿件由下至上依次通過(guò)移動(dòng)副P2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R2和移動(dòng)副P3串聯(lián)組成，所述扶手鏈A和扶手鏈B的下端垂直連接在底座前端，所述扶手鏈A和扶手鏈B的上端通過(guò)一根桿件固定連接；所述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)相同，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由下平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)鏈A、運(yùn)動(dòng)鏈B、支撐鏈C、上平臺(tái)組成，所述運(yùn)動(dòng)鏈A由移動(dòng)副P6、轉(zhuǎn)動(dòng)副R3、圓柱副Cl組成，所述移動(dòng)副P6的下端與下平臺(tái)固定連接，移動(dòng)副P6的下端的上端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R3與圓柱副Cl連接，圓柱副Cl的側(cè)面與上平臺(tái)固定連接；運(yùn)動(dòng)鏈B由圓柱副C2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、圓柱副C3、轉(zhuǎn)動(dòng)副R5組成，圓柱副C2的下端與下平臺(tái)固定連接，圓柱副C2的上端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R4與圓柱副C3連接，圓柱副C3的側(cè)面與上平臺(tái)固定連接；支撐鏈C由支撐桿和萬(wàn)向節(jié)U組成，支撐桿的下端與下平臺(tái)固定連接，支撐桿的上端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)U與上平臺(tái)連接；所述下平臺(tái)的底部通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)R與移動(dòng)副P5連接，移動(dòng)副P5通過(guò)移動(dòng)副P4連接移動(dòng)導(dǎo)軌上。所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)鏈A、運(yùn)動(dòng)鏈B、支撐鏈C與下平臺(tái)垂直，支撐鏈C通過(guò)下平臺(tái)中心，初始位置當(dāng)上平臺(tái)與下平臺(tái)保持水平時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈A的圓柱副Cl的軸線和運(yùn)動(dòng)鏈B的圓柱副C3的軸線分別與萬(wàn)向節(jié)U的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相重合。支撐鏈A、支撐鏈B、扶手鏈A、扶手鏈B的角度長(zhǎng)短根據(jù)患者的訓(xùn)練位置調(diào)節(jié)。。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完全相同，分別實(shí)現(xiàn)左、右下肢的運(yùn)動(dòng)，康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，人體足部與兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上平臺(tái)接觸并固定。通過(guò)移動(dòng)副P4、移動(dòng)副P5以及轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)R組成的傳動(dòng)鏈串聯(lián)連接在底座移動(dòng)導(dǎo)軌上。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由上平臺(tái)、下平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)鏈A、運(yùn)動(dòng)鏈B、支撐鏈C組成，其中運(yùn)動(dòng)鏈A由移動(dòng)副P6、轉(zhuǎn)動(dòng)副R3、圓柱副Cl組成，運(yùn)動(dòng)鏈B由圓柱副C2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、圓柱副C3、轉(zhuǎn)動(dòng)副R5組成，支撐鏈C由支撐桿、萬(wàn)向節(jié)U組成。其中移動(dòng)副P6、圓柱副C2、支撐桿豎直固接在下平臺(tái)上，圓柱副Cl、轉(zhuǎn)動(dòng)副R5、萬(wàn)向節(jié)U連接在上平臺(tái)上。三條支鏈垂直分布，且呈直角三角形，即Z AOB為直角；裝配時(shí)初始位置保證當(dāng)上平臺(tái)與下平臺(tái)保持水平時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈A的圓柱副Cl的軸線和運(yùn)動(dòng)鏈B的圓柱副C3的軸線分別于萬(wàn)向節(jié)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相重合。本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z向轉(zhuǎn)動(dòng)，以及Υ、Ζ向的移動(dòng)，模擬再現(xiàn)下肢行走、腳踝活動(dòng)等實(shí)際康復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)支撐架可以使患者在下肢缺乏一定運(yùn)動(dòng)機(jī)能無(wú)法支撐身體時(shí)對(duì)人體起到支撐作用，并且通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)性的康復(fù)按摩訓(xùn)練，即前期被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，而在后期，當(dāng)患者的下肢肌體得到了一定程度的恢復(fù)后，機(jī)構(gòu)提供一定阻尼，患者可以借助扶手架輔助身體平衡，通過(guò)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)使得患者的下肢得到力量性恢復(fù)訓(xùn)練，即后期主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。所以此機(jī)器人能更好更全面的為患者提供康復(fù)訓(xùn)練，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,相對(duì)剛度大,成本低廉。

圖1為五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖。圖2、3為兩自由度并聯(lián)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖4為五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1，底座；2，支撐鏈A ;3，支撐鏈B ;4，扶手鏈A ;5，扶手鏈B ;6，傳動(dòng)鏈；7，下平臺(tái)；8，運(yùn)動(dòng)鏈A ;9，運(yùn)動(dòng)鏈B ; 10，支撐鏈C ; 11，萬(wàn)向節(jié)；12，上平臺(tái)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型中所提及的五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人由機(jī)架及兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)三部分組成，它可以實(shí)現(xiàn)Y、z軸向移動(dòng)及繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其中機(jī)架由底座I和支架串聯(lián)而成，底座I內(nèi)部平行分布兩移動(dòng)導(dǎo)軌；支架包括四條支鏈，分別為支撐鏈A 2、支撐鏈B 3、扶手鏈A 4、扶手鏈B 5;其中支撐鏈A 2、支撐鏈B 3結(jié)構(gòu)相同，由移動(dòng)副Ρ1、轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl串聯(lián)組成，垂直連接在底座左右兩端，扶手鏈A 4、扶手鏈B 5結(jié)構(gòu)也相同，由移動(dòng)副Ρ2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R2、移動(dòng)副Ρ3串聯(lián)組成，垂直連接在底座前端。這樣可以使支撐鏈實(shí)現(xiàn)Z向移動(dòng)及Y向轉(zhuǎn)動(dòng)，使扶手鏈實(shí)現(xiàn)Υ、Ζ向移動(dòng)及X向轉(zhuǎn)動(dòng)，可以根據(jù)患者不同需要調(diào)節(jié)支架位置。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完全相同，分別控制兩下肢的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)移動(dòng)副Ρ4、移動(dòng)副Ρ5以及轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)R組成的傳動(dòng)鏈6分別串聯(lián)在底座的兩個(gè)移動(dòng)導(dǎo)軌上。移動(dòng)副Ρ4可實(shí)現(xiàn)下肢沿Y向行走移動(dòng)，移動(dòng)副Ρ5可實(shí)現(xiàn)下肢沿Z向的抬足運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)R副可實(shí)現(xiàn)足踝繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由下平臺(tái)7、運(yùn)動(dòng)鏈A 8、運(yùn)動(dòng)鏈B 9、支撐鏈C 10、上平臺(tái)12組成，其中運(yùn)動(dòng)鏈A 8由移動(dòng)副Ρ6、轉(zhuǎn)動(dòng)副R3、圓柱副Cl組成，運(yùn)動(dòng)鏈B 9由圓柱副C2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、圓柱副C3、轉(zhuǎn)動(dòng)副R5組成，支撐鏈C 10由支撐桿和萬(wàn)向節(jié)U 11組成。移動(dòng)副Ρ6、圓柱副C2、支撐桿固接在下平臺(tái)7上，圓柱副Cl、轉(zhuǎn)動(dòng)副R5、萬(wàn)向節(jié)U 11連接在上平臺(tái)12上。三條支鏈垂直分布，且支撐鏈10通過(guò)下平臺(tái)7中心，裝配時(shí)初始位置保證當(dāng)上平臺(tái)12與下平臺(tái)7保持水平時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈A 8的圓柱副Cl的軸線和運(yùn)動(dòng)鏈B 9的圓柱副C3的軸線分別于萬(wàn)向節(jié)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相重合，從而實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)繞X、Y向的轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)用新型中，傳動(dòng)鏈6及運(yùn)動(dòng)鏈A 8、運(yùn)動(dòng)鏈B 9為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈，傳動(dòng)鏈6的驅(qū)動(dòng)為移動(dòng)副Ρ4、Ρ5及轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)R，運(yùn)動(dòng)鏈A 8、運(yùn)動(dòng)鏈B 9的驅(qū)動(dòng)分布為轉(zhuǎn)動(dòng)副R3、R4。因此，該五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)Χ、Υ、Ζ向轉(zhuǎn)動(dòng)，以及Υ、Ζ向的移動(dòng)，模擬再現(xiàn)下肢行走、腳踝活動(dòng)等實(shí)際康復(fù)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型中所描述的五自由度下肢康復(fù)機(jī)器人適用于各種不同患者，按照患者要求調(diào)節(jié)支撐架、扶手架的位置。扶手架與支撐架的角度長(zhǎng)短均可調(diào)，滿足不同患者的訓(xùn)練位置需求。并且考慮到患者前后期康復(fù)狀況不同，設(shè)計(jì)了前后期都適用的康復(fù)機(jī)器人。通過(guò)支撐架可以使患者在下肢無(wú)法支撐人體時(shí)對(duì)人體起到支撐作用，并且通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)性的康復(fù)按摩訓(xùn)練，即前期被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，而在后期，當(dāng)患者的下肢肌體得到了一定程度的恢復(fù)后，機(jī)構(gòu)提供一定阻尼，患者可以借助扶手架輔助身體平衡，通過(guò)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)使得患者的下肢得到力量性恢復(fù)訓(xùn)練，即后期主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。所以此機(jī)器人能更好更全面的為患者提供康復(fù)訓(xùn)練，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，相對(duì)剛度大，成本低廉。
權(quán)利要求1.一種五自由度混聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人，其特征是:包括機(jī)架和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；所述機(jī)架由底座(I)和支架串聯(lián)而成，底座(I)前后方向設(shè)置兩根平行的移動(dòng)導(dǎo)軌；支架包括四條支鏈，分別為支撐鏈A (2)、支撐鏈B (3)、扶手鏈A (4)、扶手鏈B (5);所述支撐鏈A (2)和支撐鏈B (3)結(jié)構(gòu)相同，由三根桿件由下至上依次通過(guò)移動(dòng)副Pl和轉(zhuǎn)動(dòng)副Rl串聯(lián)組成，所述支撐鏈A (2)和支撐鏈B (3)的下端垂直連接在底座的左右兩側(cè)；所述扶手鏈A (4)和扶手鏈B (5)結(jié)構(gòu)相同，由四根桿件由下至上依次通過(guò)移動(dòng)副P2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R2和移動(dòng)副P3串聯(lián)組成，所述扶手鏈A (4)和扶手鏈B (5)的下端垂直連接在底座前端，所述扶手鏈A (4)和扶手鏈B (5)的上端通過(guò)一根桿件固定連接；所述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)相同，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由下平臺(tái)(7)、運(yùn)動(dòng)鏈A (8)、運(yùn)動(dòng)鏈B (9)、支撐鏈C (10)、上平臺(tái)(12)組成，所述運(yùn)動(dòng)鏈A(S)由移動(dòng)副P6、轉(zhuǎn)動(dòng)副R3、圓柱副Cl組成，所述移動(dòng)副P6的下端與下平臺(tái)(7)固定連接，移動(dòng)副P6的下端的上端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R3與圓柱副Cl連接，圓柱副Cl的側(cè)面與上平臺(tái)(12)固定連接；運(yùn)動(dòng)鏈B (9)由圓柱副C2、轉(zhuǎn)動(dòng)副R4、圓柱副C3、轉(zhuǎn)動(dòng)副R5組成，圓柱副C2的下端與下平臺(tái)(7)固定連接，圓柱副C2的上端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副R4與圓柱副C3連接，圓柱副C3的側(cè)面與上平臺(tái)(12)固定連接；支撐鏈C(IO)由支撐桿和萬(wàn)向節(jié)U (11)組成，支撐桿的下端與下平臺(tái)(7)固定連接，支撐桿的上端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)U (11)與上平臺(tái)(12)連接；所述下平臺(tái)(7)的底部通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)R與移動(dòng)副P5連接，移動(dòng)副P5通過(guò)移動(dòng)副P4連接移動(dòng)導(dǎo)軌上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種五自由度混聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人，其特征是:所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)鏈A (8)、運(yùn)動(dòng)鏈B (9)、支撐鏈C (10)與下平臺(tái)垂直，支撐鏈C (10)通過(guò)下平臺(tái)(7)中心，初始位置當(dāng)上平臺(tái)(12)與下平臺(tái)(7)保持水平時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈A (8)的圓柱副Cl的軸線和運(yùn)動(dòng)鏈B (9)的圓柱副C3的軸線分別與萬(wàn)向節(jié)U的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種五自由度混聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人，其特征是:所述支撐鏈A(2)、支撐鏈B (3)、扶手鏈A (4)、扶手鏈B (5)的角度長(zhǎng)短根據(jù)患者的訓(xùn)練位置調(diào)節(jié)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種五自由度混聯(lián)下肢康復(fù)機(jī)器人，屬于醫(yī)療康復(fù)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)繞Ｘ、Ｙ、Ｚ軸的姿態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)及沿Ｙ、Ｚ軸向移動(dòng)，真實(shí)模擬人體下肢及足的行走的多自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型包括機(jī)架和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，機(jī)架由底座和支架串聯(lián)而成。在康復(fù)前期，患者可以在支撐架的幫助下保持平衡，被動(dòng)的進(jìn)行下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練；在康復(fù)后期，患者又可以在扶手架的幫助下主動(dòng)進(jìn)行行走等康復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣更有效更有延續(xù)性的為患者提供康復(fù)訓(xùn)練。本實(shí)用新型功能全面、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用于不同患者的不同訓(xùn)練階段，使下肢行動(dòng)機(jī)能損傷的患者更有效更全面更有延續(xù)性的進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
文檔編號(hào)A63B23/04GK203060235SQ20132003216
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者楊啟志, 姚斌斌, 曹電鋒, 吳偉光, 宋俊朋, 趙金海 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)