本實用新型屬于康復醫(yī)學中的康復工程技術領域,涉及一種對截癱患者進行康復訓練的機電一體化的單驅動仿生步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)。

背景技術：

對胸腰段非永久性截癱和脊髓損傷(如胸6以下)患者，由于支配下肢的神經傳導障礙，早期完全喪失自主支配下肢活動能力，因而無法進行自主的主動訓練。康復醫(yī)學臨床實踐證明，對非永久性截癱患者進行被動式步態(tài)訓練，可有效激發(fā)其神經肌肉系統(tǒng)的活力，而對患者進行被動式步態(tài)訓練一般都借助于機電一體化的步態(tài)康復訓練系統(tǒng)。

目前，國內外推出的用于步態(tài)訓練的設備均為兩自由度或以上的機構系統(tǒng)，即每側腿的機構由兩套或以上的動力驅動系統(tǒng)分別驅動大腿和小腿，再通過控制系統(tǒng)協(xié)調髖、膝關節(jié)和大、小腿，形成行走步態(tài)。通過檢索發(fā)現，申請?zhí)枮?01510126371.9的中國專利申請《一種多姿位下肢康復訓練機器人》，其腿部機構包括髖、膝、髁三個關節(jié)，各自由電機驅動，即整個系統(tǒng)配備了三套動力系統(tǒng)；申請?zhí)枮?01610176243.X的中國專利申請《連桿機構仿生機械腿及其四足機器人》，其機構具有抬腿和邁步兩個自由度，分別通過大腿主驅動部分和大腿副驅動部分驅動。為了追求步態(tài)多樣性，上述現有技術均采用了不止一個自由度的機構來實現機器人腿部的步態(tài)運動，這導致了系統(tǒng)的結構和控制復雜，成本升高，造價昂貴，難于在普通醫(yī)院和康復機構中推廣，更難以走入家庭。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于，克服現有技術的不足，提供一種單驅動仿生步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)，基于機構學原理和優(yōu)化設計方法，通過由兩個單一動力源驅動的單自由度機構，實現對健全人的步態(tài)進行仿生模擬運動，從而達到簡化結構、降低成本和優(yōu)化仿生的效果。

本實用新型解決其技術問題的技術方案如下：

一種單驅動仿生步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)，其包括：

醫(yī)用跑臺，設有速度可調的傳送帶；

減重器，設置于所述醫(yī)用跑臺的側方，用以懸掛康復者的軀干，包括有承重的立柱；

機器人支撐部件，包括便于康復者進出的活動門架和機器人腰部支架，其中，活動門架安裝于所述減重器的立柱上，機器人腰部支架固定在活動門架上且伸向所述醫(yī)用跑臺的上方；

仿生步態(tài)機器人，連接于所述機器人支撐部件的機器人腰部支架上且位于所述醫(yī)用跑臺的上方，包括兩個結構對稱相同的康復者可穿戴的外骨骼式步行機構，對健全人的步態(tài)進行仿生模擬運動，該外骨骼式步行機構為由單一動力源驅動的具有一個自由度的機構；

控制系統(tǒng)，分別與所述醫(yī)用跑臺和仿生步態(tài)機器人連接，按照預先設定的參數，控制所述仿生步態(tài)機器人的兩個外骨骼式步行機構實現正確的交替步態(tài)運動，并且達到所述醫(yī)用跑臺的傳送帶的速度與該仿生步態(tài)機器人的步速協(xié)調。

作為進一步改進，所述的外骨骼式步行機構由第一連桿機構、第二連桿機構和連接該第一連桿機構和第二連桿機構的驅動機構組成；

所述第一連桿機構包括依次鉸接形成曲柄搖桿機構的腰托、大腿主桿、曲柄和第一大腿支桿；其中，腰托固定于所述機器人腰部支架上，第一大腿支桿和大腿主桿分別鉸接于腰托上，模擬人體的大腿股骨，大腿主桿與腰托的鉸接點形成所述外骨骼式步行機構的髖關節(jié)鉸鏈，曲柄的中心端鉸接于大腿主桿的上部；

所述驅動機構包括電機、減速器、傳動連桿、扇形齒輪和小齒輪；其中，電機通過減速器連接并驅動所述第一連桿機構的曲柄旋轉，小齒輪的中心軸接于所述第一連桿機構的大腿主桿的中部，扇形齒輪與該小齒輪嚙合，傳動連桿的一端與所述第一連桿機構的第一大腿支桿的一端重合，并且共同鉸接于所述曲柄的外端上，傳動連桿的另一端鉸接于扇形齒輪的圓周上；

所述第二連桿機構包括小連桿、第二大腿支桿和小腿連桿；其中，小連桿沿徑向地固定于所述驅動機構的小齒輪上，并且能夠繞該小齒輪與大腿主桿中部的軸接點轉動，第二大腿支桿的一端鉸接于小連桿的外端，小腿連桿用以模擬人體的小腿脛骨，一端與所述大腿主桿下部的末端鉸接，另一端與第二大腿支桿的另一端鉸接，小連桿、第二大腿支桿、小腿連桿與所述大腿主桿的下部依次鉸接形成四連桿機構，該小腿連桿與大腿主桿下部末端的鉸接點形成所述外骨骼式步行機構的膝關節(jié)鉸鏈；

所述電機是整個外骨骼式步行機構的唯一動力源，其通過所述減速器驅動曲柄持續(xù)旋轉，帶動所述第一大腿支桿和大腿主桿相對所述腰托進行擺動，實現對人體的大腿股骨的模擬擺動，與此同時，所述曲柄通過所述傳動連桿驅動所述扇形齒輪和小齒輪轉動，進而通過所述小連桿和第二大腿支桿驅動所述小腿連桿繞所述膝關節(jié)鉸鏈轉動，實現對直膝和曲膝的模擬運動，從而實現整個外骨骼式步行機構對人體下肢的步態(tài)仿生運動。

作為進一步改進，所述的減速器為相互嚙合的蝸桿和蝸輪，所述蝸桿同軸地連接于所述電機的輸出軸上，所述蝸輪與所述第一連桿機構的曲柄固定在一起并同步旋轉，該曲柄的中心端與所述蝸輪的中心重合固定，外端固定在該蝸輪的圓周上。

作為進一步改進，所述的蝸輪與曲柄為一體化結構，所述小連桿與小齒輪為一體化結構，所述腰托與機器人腰部支架為一體化結構。

作為進一步改進，所述的電機為直流伺服電機。

作為進一步改進，所述的控制系統(tǒng)包括主控板、第一驅動板、第二驅動板、控制面板和計算機，所述主控板分別連接所述醫(yī)用跑臺、兩個外骨骼式步行機構、第一驅動板、第二驅動板、控制面板和計算機，所述第一驅動板分別連接兩個外骨骼式步行機構，所述第二驅動板連接所述醫(yī)用跑臺；所述預先設定的參數通過所述控制面板輸入所述主控板，該主控板通過內置軟件對該預先設定的參數進行處理并向所述第一驅動板和第二驅動板發(fā)送控制命令，所述醫(yī)用跑臺和兩個外骨骼式步行機構根據所述控制命令進行運轉并且向所述主控板反饋運動信息，該主控板根據所述控制命令與反饋信息的比較結果控制所述醫(yī)用跑臺和兩個外骨骼式步行機構按照預先設定的參數進行運動，實現兩個外骨骼式步行機構的步態(tài)仿生運動及相互之間的交替步態(tài)配合，確保所述醫(yī)用跑臺的速度與所述仿生步態(tài)機器人的步速的協(xié)調。

作為進一步改進，所述的主控板上還連接有急停按鈕。

作為進一步改進，所述的仿生步態(tài)機器人的構件尺寸和仿生模擬運動是基于機構學原理和優(yōu)化設計方法，以采集的中等身材健全人的步態(tài)曲線函數為目標，通過優(yōu)化計算獲得的。

作為進一步改進，所述的機器人腰部支架的兩側之間空擋的距離寬度能夠根據康復者的身體尺寸無級調節(jié)，所述仿生步態(tài)機器人的構件長度能夠根據康復者的身高進行調節(jié)，以適應不同康復者的體型。

作為進一步改進，所述的機器人腰部支架與活動門架之間連接有緩沖彈簧。

與現有技術相比，本實用新型達到了如下技術效果：

1、采用單自由度系統(tǒng)，實現了每側腿只用單一的動力源驅動即可實現仿生步態(tài)，大為簡化了康復訓練系統(tǒng)的總體結構，降低了成本和造價；

2、所述系統(tǒng)的結構和仿生模擬控制軟件是以采集的中等身材健全人的步態(tài)曲線函數為目標，通過優(yōu)化計算獲得的，因此康復訓練機器人系統(tǒng)實現的仿生模擬運動更科學合理，更逼近健全人的步態(tài)，從而能夠獲得更良好的康復效果；

3、所述康復訓練機器人系統(tǒng)的結構尺寸能夠根據康復者的具體身體體型進行調整，控制系統(tǒng)能夠保證仿生步態(tài)機器人實現正確的交替步態(tài)運動，并且達到與醫(yī)用跑臺的協(xié)調，從而達到更好的控制和適應效果。

總之，本實用新型具有結構合理、造價低廉、仿生效果好、人體適應范圍廣泛等優(yōu)點，適于在普通的康復機構和康復者中進行推廣。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是外骨骼式步行機構的結構立體示意圖。

圖3是外骨骼式步行機構對人體下肢的模擬示意圖。

圖4是外骨骼式步行機構的直膝狀態(tài)示意圖。

圖5是外骨骼式步行機構的曲膝狀態(tài)示意圖。

圖6是控制系統(tǒng)的結構示意圖。

圖中：01—仿生步態(tài)機器人，011—外骨骼式步行機構，02—醫(yī)用跑臺，021—傳送帶，022—雙杠，03—機器人支撐部件，031—活動門架，032—機器人腰部支架，033—緩沖彈簧，04—減重器，041—立柱，1—電機，2—蝸桿，3—傳動連桿，4—第一大腿支桿，5—蝸輪，6—髖關節(jié)鉸鏈，7—大腿主桿，8—第二大腿支桿，9—曲柄，10—膝關節(jié)鉸鏈，11—小腿連桿，12—腰托，13—扇形齒輪，14—小連桿，15—小齒輪，51—第一驅動板，52—第二驅動板，53—主控板，54—控制面板，55—計算機，56—編碼器，57—急停按鈕。

具體實施方式

本實用新型所述單驅動仿生步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)基于機構學原理和優(yōu)化設計方法，以采集的中等身材健全人的步態(tài)曲線函數為目標，通過由兩個單一動力源驅動的外骨骼式步行機構，實現了對健全人的步態(tài)的仿生模擬，通過控制系統(tǒng)保證了仿生步態(tài)機器人實現正確的交替步態(tài)運動，并且達到與醫(yī)用跑臺的協(xié)調，從而獲得了簡化結構、降低成本、優(yōu)化仿生效果的效果。本實用新型具有結構合理、造價低廉、康復效果良好、人體適應范圍廣泛等優(yōu)點，適于在普通的康復機構、醫(yī)院和家庭中進行推廣，對胸腰段非永久性截癱或脊髓損傷(胸6以下)患者進行康復訓練。

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型所述的單驅動仿生步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)做進一步的詳細說明，但不能因此而限制本實用新型要求保護的范圍。

實施例

請參閱圖1，圖示單驅動仿生步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)包括：醫(yī)用跑臺02、減重器04、機器人支撐部件03、仿生步態(tài)機器人01和控制系統(tǒng)。

所述醫(yī)用跑臺02設有速度可調的傳送帶021，其兩側設有供康復者扶持的雙杠022，傳送帶021的速度通過所述控制系統(tǒng)與仿生步態(tài)機器人01的步速協(xié)調。

所述減重器04為門框式結構，設置于所述醫(yī)用跑臺02的側方，本實施例中設于醫(yī)用跑臺022的后側方，用以懸掛康復者的軀干，其包括有用以承重的兩根立柱041。

所述機器人支撐部件03包括便于康復者坐輪椅進出的活動門架031、緩沖彈簧033和機器人腰部支架032；其中，活動門架031安裝于所述減重器04的立柱041上，機器人腰部支架032固定在活動門架031上，并且伸向所述醫(yī)用跑臺02的上方，該機器人腰部支架032兩側之間空擋的距離寬度能夠根據康復者的身體尺寸實現無級調節(jié)，緩沖彈簧033連接于該機器人腰部支架032與活動門架031之間，以緩沖康復者訓練時的運動力。

所述的仿生步態(tài)機器人01是所述康復訓練機器人系統(tǒng)的主體部件，能夠實現交替步態(tài)的仿生行走運動。所述仿生步態(tài)機器人01的構件尺寸和仿生模擬運動是基于機構學原理和優(yōu)化設計方法，以事先采集的中等身材健全人的步態(tài)數據所擬合的曲線函數為目標，通過機構優(yōu)化計算獲得的。該仿生步態(tài)機器人01的構件長度，如腿的長度，能夠根據康復者的身高進行調節(jié)，以適應不同康復者的體型。

所述仿生步態(tài)機器人01包括兩個可供康復者穿戴的外骨骼式步行機構011，該兩外骨骼式步行機構011結構相同、左右對稱，連接于所述機器人支撐部件03的機器人腰部支架032上，并且位于所述醫(yī)用跑臺02的傳送帶021的上方。請參閱圖2和圖3，所述外骨骼式步行機構011為具有一個自由度的機構，由單一動力源驅動，能夠實現對預設步態(tài)的仿生性模擬。

請結合參閱圖3和圖4，所述的外骨骼式步行機構011由第一連桿機構、第二連桿機構和連接該第一連桿機構和第二連桿機構的驅動機構組成，該驅動機構以單一動力源驅動所述第一連桿機構和第二連桿機構實現步態(tài)仿生運動。

所述第一連桿機構包括依次鉸接的腰托12、大腿主桿7、曲柄9和第一大腿支桿4，它們共同形成曲柄搖桿機構；其中，曲柄9是第一連桿機構的主動件，其中心端鉸接于大腿主桿7的上部；腰托12為固定件，是整個機構的機架，固定于所述機器人腰部支架032上；第一大腿支桿4和大腿主桿7分別鉸接于腰托12上，是該第一連桿機構的兩個搖桿，模擬人體的大腿股骨，該大腿主桿7與腰托12的鉸接點形成所述外骨骼式步行機構011的髖關節(jié)鉸鏈6。為了簡化結構，所述的腰托12可以與機器人腰部支架032為一整體構件，形成一體化結構。

所述驅動機構包括電機1、減速器、傳動連桿3、扇形齒輪13和小齒輪15。本實施例中，該電機1為直流伺服電機，該減速器為相互嚙合的蝸桿2和蝸輪5。所述蝸桿2同軸地連接于所述電機1的輸出軸上，所述蝸輪5與所述第一連桿機構的曲柄9固定在一起并同步旋轉，該蝸輪5的中心與所述曲柄9的中心端重合固定，并且共同鉸接于第一連桿機構的大腿主桿7的上部，該曲柄9的外端固定在所述蝸輪5的圓周上。為了簡化結構，所述的蝸輪5與曲柄9可以為一整體構件，形成一體化結構。所述小齒輪15的中心與所述第一連桿機構的大腿主桿7的中部軸接，所述扇形齒輪13與該小齒輪15嚙合。所述傳動連桿3的一端與所述第一連桿機構的第一大腿支桿4的一端重合，并且共同鉸接于位于所述蝸輪5圓周上的曲柄9的外端上，該傳動連桿3的另一端鉸接于所述扇形齒輪13的圓周上。所述蝸輪5、曲柄9、傳動連桿3、扇形齒輪13和小齒輪15一起設置在齒輪連桿分動箱罩內。所述電機1通過所述蝸桿2驅動所述蝸輪5和曲柄9旋轉，再通過所述傳動連桿3推動所述扇形齒輪13和小齒輪15轉動，進而驅動第二連桿機構運動。

所述第二連桿機構包括小連桿14、第二大腿支桿8和小腿連桿11。其中，小連桿14沿徑向地固定于驅動機構的小齒輪15上，并且能夠繞該小齒輪15與大腿主桿7中部的軸接點轉動；第二大腿支桿8的一端鉸接于小連桿14的外端；小腿連桿11用以模擬人體的小腿脛骨，其一端與所述大腿主桿7下部的末端鉸接，另一端與第二大腿支桿8的另一端鉸接。為了簡化結構，所述小連桿14與小齒輪15可以為一整體構件，形成一體化結構。所述小連桿14、第二大腿支桿8、小腿連桿11與所述大腿主桿7的下部依次鉸接，形成四連桿機構，其中，大腿主桿7是第二連桿機構的機架，小腿連桿11與大腿主桿7下部末端的鉸接點形成所述外骨骼式步行機構011的膝關節(jié)鉸鏈10。所述小齒輪15的轉動帶動小連桿14擺動，進而通過第二大腿支桿8推動小腿連桿11繞膝關節(jié)鉸鏈10轉動，實現直膝和曲膝的步態(tài)仿生運動。

所述電機1是整個外骨骼式步行機構011的唯一動力源，其通過所述蝸桿2和蝸輪5驅動曲柄9持續(xù)旋轉，帶動所述第一大腿支桿4和大腿主桿7相對所述腰托12進行擺動，實現對人體的大腿股骨的模擬擺動，與此同時，所述曲柄9通過所述傳動連桿3驅動所述扇形齒輪13和小齒輪15轉動，進而通過所述小連桿14和第二大腿支桿8驅動所述小腿連桿11繞所述膝關節(jié)鉸鏈10轉動，實現對直膝和曲膝的模擬運動，從而實現整個外骨骼式步行機構011對人體下肢的步態(tài)仿生運動。

所述控制系統(tǒng)分別與所述醫(yī)用跑臺02和仿生步態(tài)機器人01連接，按照預先設定的參數，控制所述仿生步態(tài)機器人01的兩個外骨骼式步行機構11實現正確的交替步態(tài)運動，并且達到所述醫(yī)用跑臺02的傳送帶021的速度與該仿生步態(tài)機器人01的步速協(xié)調。

具體請參閱圖6，所述的控制系統(tǒng)包括主控板53、第一驅動板51、第二驅動板52、控制面板54、編碼器56、急停按鈕57和計算機55。所述主控板53為微機控制板，其內部設有通訊功能的硬件和軟件，同時CPU含有系統(tǒng)控制軟件，該主控板53分別連接所述醫(yī)用跑臺02、第一驅動板51、第二驅動板52、控制面板54、計算機55和急停按鈕57，該主控板53還通過編碼器56分別連接兩個外骨骼式步行機構11的電機1，該編碼器56安裝在所述電機1的端部。所述第一驅動板51分別連接兩個外骨骼式步行機構11的電機1，所述第二驅動板52連接所述醫(yī)用跑臺02。所述計算機55上裝有人機交互界面和相應的管理軟件。所述急停按鈕57用以緊急情況下對整個系統(tǒng)進行制動，以免康復者受到意外傷害。所述控制系統(tǒng)的工作流程如下：操作者通過控制面板54輸入預先設定的工作模式和步速等參數，所述主控板53接受數據后通過內置軟件對該預先設定的參數進行處理并向所述第一驅動板51和第二驅動板52發(fā)送控制命令，所述醫(yī)用跑臺02和兩個外骨骼式步行機構11的電機1根據所述控制命令進行運轉，醫(yī)用跑臺02和編碼器56向所述主控板53反饋運動信息，該主控板53根據所述控制命令與反饋信息的比較結果控制所述醫(yī)用跑臺02和兩個外骨骼式步行機構11按照預先設定的參數進行運動，實現兩個外骨骼式步行機構11的步態(tài)仿生運動及相互之間的交替步態(tài)配合，確保所述醫(yī)用跑臺02的速度與所述仿生步態(tài)機器人01的步速的協(xié)調。

所述外骨骼式步行機構011的工作原理如下：

一、直膝步態(tài)——

參閱圖4，電機1啟動，通過蝸桿2驅動蝸輪5依照圖4中箭頭所示方向逆時針旋轉，與蝸輪5固定在一起的曲柄9同步旋轉，并帶動第一大腿支桿4和大腿主桿7相對腰托12進行擺動，實現對人體大腿股骨的模擬擺動。

與此同時，曲柄9(蝸輪5)推動傳動連桿3向右，并帶動扇形齒輪13依照圖4中箭頭所示方向順時針轉動，同時與之嚙合的小齒輪15逆時針轉動，小齒輪15的旋轉帶動與之固定在一起的小連桿14向下擺動，進而通過第二大腿支桿8推動小腿連桿11繞膝關節(jié)鉸鏈10順時針轉動，使小腿連桿11與大腿主桿7下部延長線之間的夾角變小(見圖3)，達到直膝的狀態(tài)，從而實現向前行走的步態(tài)仿生運動。

二、曲膝步態(tài)——

參閱圖5，電機1啟動，通過蝸桿2驅動蝸輪5繼續(xù)依照圖5中箭頭所示方向逆時針旋轉，與蝸輪5固定在一起的曲柄9同步旋轉，并帶動第一大腿支桿4和大腿主桿7相對腰托12進行擺動，實現對人體大腿股骨的模擬擺動。

與此同時，曲柄9(蝸輪5)拉動傳動連桿3向左，并帶動扇形齒輪13依照圖5中箭頭所示方向逆時針轉動，同時與之嚙合的小齒輪15順時針轉動，小齒輪15的轉動帶動與之固定在一起的小連桿14向上擺動，進而通過第二大腿支桿8拉動小腿連桿11繞膝關節(jié)鉸鏈10逆時針轉動，使小腿連桿11與大腿主桿7下部延長線之間的夾角變大，達到曲膝的狀態(tài)，從而實現抬腿向前換步的步態(tài)仿生運動。

上述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用來限定本實用新型的實施范圍，即凡依本實用新型申請專利范圍的內容所作的等效變化與修飾，都應為本實用新型的技術范疇。