一种下肢康复机器人的制作方法

本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种下肢康复机器人。

背景技术：

对于遭受脊椎损伤、中风等中枢神经系统疾病的患者来说，绝大多数会面临运动性障碍，患者大多有不同程度的生活能力、劳动能力丧失，这严重危害着他们的健康。现代医学认为，通过向中枢神经不断重复地提供一定强度的刺激，能够恢复中枢神经损伤后患者的功能性行走能力。目前传统的下肢康复训练是由专业理疗师“手把手”地按照正常人体行走的步态对病人患肢进行反复牵引以刺激其运动中枢神经，辅助其获得行走能力，或者由护理人员搀扶病人进行步态运动，上述康复手段都需要医护人员参与，增加了医护人员的劳动强度，且必须在医院进行康复治疗，无法居家进行康复治疗，因此急需一种下肢康复装置，以便病人能够自行居家进行步态训练。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种下肢康复机器人，从而解决现有的下肢康复设备需要医护人员参与，增加了医护人员的劳动强度，且必须在医院进行康复治疗，无法居家进行自我康复治疗的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型所提出了一种下肢康复机器人，包括：

训练仓，所述训练仓包括下仓体以及与下仓体相连接的上仓体，上仓体底部设置有平衡机构；

跑步机，设置在所述下仓体底部；

提升减重机构，包括用于人体穿戴并驱使人体下肢运动的绑缚装置，以及用于挂载所述绑缚装置的提升装置，提升装置的一端与平衡机构相连接并可沿所述平衡机构做直线移动，提升装置的另一端连接所述绑缚装置并可调节绑缚装置距离跑步机的高度。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述平衡机构包括导向板，所述导向板固定安装在上仓体底部中心，所述导向板与跑步机运动方向相齐平，导向板底部开设有用于连接所述提升装置的导向槽。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述提升装置包括提升座及缆绳，所述提升座滑动设置在导向槽中，缆绳的一端用于连接提升座，另一端用于连接绑缚装置，提升座中设置有用于调节缆绳长度的升降装置，以及用于采集缆绳拉力的拉力传感器，所述升降装置包括用于缠绕缆绳的绕线座及用于驱动绕线座转动的伺服电机。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述绑缚装置包括承重背心及两条外骨骼式机械腿，所述承重背心与缆绳相连接，两条所述外骨骼式机械腿分别与承重背心相连接，外骨骼式机械腿包括小腿固定架、膝关节、大腿固定架及髋关节，所述小腿固定架通过所述膝关节与所述大腿固定架相连，大腿固定架与髋关节相连，所述膝关节内设置有第一驱动电机，所述第一驱动电机用于驱动小腿固定架和大腿固定架相连进行相对转动，所述髋关节内设置有驱动大腿固定架前后摆动的第二驱动电机。

进一步，优选的，所述小腿固定架上安装有第一姿态传感器和第一肌电仪，所述第一姿态传感器用于测量使用者的小腿与竖直方向的实际夹角，所述第一肌电仪用于根据所述使用者小腿的肌电信号预测使用者小腿运动的期望夹角；所述大腿固定架上安装有第二姿态传感器和第二肌电仪，所述第二姿态传感器用于测量使用者的大腿与竖直方向的实际夹角，所述第二肌电仪用于根据所述使用者小腿的肌电信号预测使用者大腿运动的期望夹角。

更进一步，优选的，所述小腿固定架内侧壁及大腿固定架内侧壁均设置有绑带。

在上述技术方案的基础上，优选的，控制系统，设置在训练仓内，所述控制系统包括工控机、控制电路板及操作面板，所述工控机安装在上仓体内壁上，控制电路板安装在工控机内，控制电路板上设置有信号处理器及伺服驱动器，操作面板安装在工控机外表面并与控制电路板相连接，信号处理器分别连接拉力传感器、第一姿态传感器、第一肌电仪、第二姿态传感器及第二肌电仪，伺服驱动器分别连接跑步机、伺服电机、第一驱动电机及第二驱动电机。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述下仓体前侧内壁上还设置有液晶显示屏，所述液晶显示屏与控制电路板相连接。

本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本实用新型公开的下肢康复机器人，可以带动受训者下肢模拟正常步态运动；提升装置可在受训者的步态训练过程中为其提供一定的减重力，同时可按照预定的轨迹通过调节缆绳长度以跟随患者重心变化，并结合绑缚装置维持其身体稳定性，克服了在训练中不易保持身体平衡的不足，使得重心跟随效果更好，可以重塑患者的运动中枢神经，同时绑缚装置可以驱动受训者下肢在跑步机上进行康复运动，无需专业理疗师看护，在家便可自行训练，节省了医护资源和劳动力，通过康复治疗，让受训者重新获得行走能力。

2、通过设置平衡机构，可以受训者在跑步机上进行康复运动时，提升装置可以自动跟随受训者的运动，并时刻对受训者保持减重平衡，实现了随动的功能。

3、本实用新型设计的绑缚装置中的姿态传感器可以测量使用者大小腿与竖直方向之间的夹角，信号处理器将夹角与期望夹角进行误差计算并进行误差的反向传播，对绑缚装置中的驱动电机实现力矩补偿控制。利用姿态传感器和肌电仪可以实时获取使用者的运动参数，检测并判断受训者的运动意图，从而调整辅助力矩大小，实现对受训者腿部运动提供助力的功能，进而实现了运动减重的功能，提高了受训者的康复效率。

4、通过设置液晶显示屏，既可以实时监测康复训练时各个部位的运动情况和各关节的运动轨迹，又可以通过康复训练游戏，实现人机交互，并提高康复效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所公开的下肢康复机器人的立体结构示意图；

图2为本实用新型所公开的下肢康复机器人的平面结构示意图；

图3为本实用新型所公开的提升装置的平面结构示意图；

图4为本实用新型所公开的绑缚装置的立体结构示意图；

图5为本实用新型所公开的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，结合图2，本实用新型实施例公开了一种下肢康复机器人，包括训练仓1、跑步机2、提升减重机构3及控制系统4。

其中，训练仓1包括下仓体11和上仓体12，下仓体11和上仓围合成一个半封闭的空间，为受训者营造一个自我训练的空间，更具安全性，保证了受训者的体验，提升了受训者的内心安全感，保护了受训者的敏感心态。上仓体12底部设置有平衡机构5，用于挂载下文所述提升减重机构3，并使提升减重机构3沿平衡机构5进行移动。

跑步机2，设置在下仓体11底部，跑步机2用于配合受训者进行步态运动。

提升减重机构3，包括绑缚装置31及提升装置32，绑缚装置31用于人体人体穿戴并驱使人体下肢运动，提升装置32用于挂载所述绑缚装置31，并提供受训者一定的减重力；具体的，提升装置32的一端与平衡机构5相连接并可沿所述平衡机构5做直线移动，提升装置32的另一端连接所述绑缚装置31并可调节绑缚装置31距离跑步机2的高度。

控制系统4，设置在训练仓1内，用于对跑步机2、提升减重机构3进行控制。

采用上述技术方案，提升装置32可在受训者的步态训练过程中为其提供一定的减重力，同时可跟随受训者重心变化，并结合绑缚装置31维持其身体稳定性，克服了在训练中不易保持身体平衡的不足，使得重心跟随效果更好，可以重塑受训者的运动中枢神经，同时绑缚装置31可以驱动受训者下肢在跑步机2上进行步态康复运动，无需专业理疗师看护，可以居家进行康复训练，节省了医护人员的劳动力，通过康复治疗，让受训者重新获得行走能力。

具体的，参照附图3所示，在本实施例中，平衡机构5包括导向板51，导向板51固定安装在上仓体12底部中心，导向板51与跑步机2运动方向相齐平，导向板51底部开设有用于连接提升装置32的导向槽511。采用上述技术方案，提升装置32带动绑缚装置31可以通过导向槽511在导向板51上进行滑动，使得受训者在通过提升装置32进行减重的同时，并随着下肢在跑步机2上做步态运动，可以对人体进行重心平衡。另一方面，当受训者重心偏移时，提升装置32通过绑缚装置31牵引受训者保持竖直状态，同时受制于跑步机2的传输速度，提升减重机构3带动受训者可以在平衡机构5上进行滑移。

参照附图3所示，提升装置32包括提升座321及缆绳322，提升座321滑动设置在导向槽511中，缆绳322的一端用于连接提升座321，另一端用于连接绑缚装置31，提升座321中设置有用于调节缆绳322长度的升降装置323，以及用于采集缆绳322拉力的拉力传感器324，升降装置323包括用于缠绕缆绳322的绕线座3231及用于驱动绕线座3231转动的伺服电机3232。采用上述技术方案，提升座321可以在导向槽511中进行滑动，通过拉力传感器324可以检测受训者在进行运动时下肢对身体的承载力，当拉力传感器324检测到缆绳322拉力过大时，则说明受训者下肢肌无力严重，则需要调整缆绳322的长度，从而将穿戴绑缚装置31的受训者牵引至竖直状态。伺服电机3232转动从而带动绕线座3231转动，进而调整缆绳322的长度。

参照附图4所示，绑缚装置31包括承重背心300及两条外骨骼式机械腿310，承重背心300与缆绳322相连接，两条外骨骼式机械腿310分别与承重背心300相连接。绑缚装置31用来固定受训者的上半身和下肢，承载背心可以对受训者上半身进行承重，外骨骼式机械腿310固定在受训者的下肢，根据受训者的步态提供行走助力，帮助受训者完成行走动作。提升装置32和绑缚装置31相连，起到支撑受训者和减重的作用，并且根据病人的行走实现相应的跟随移动。外骨骼式机械腿310包括小腿固定架311、膝关节312、大腿固定架313及髋关节314，小腿固定架311用来固定受训者的小腿部位，大腿固定架313用来固定受训者的大腿部位，小腿固定架311通过膝关节312与大腿固定架313相连，大腿固定架313与髋关节314相连，膝关节312内设置有第一驱动电机3121，第一驱动电机3121用于驱动小腿固定架311和大腿固定架313相连进行相对转动，髋关节314内设置有驱动大腿固定架313前后摆动的第二驱动电机3141。在本实施例中，第一驱动电机3121和第二驱动电机3141均采用直流伺服电机3232，电机的内圈是输出端，经过100:1谐波减速器减速后，输出速度较低。电机上都连接有绝对值编码器，可以测量关节的转角度数，并将数据作为反馈信号传入控制系统4进行误差补偿。

在上述实施例中，小腿固定架311上安装有第一姿态传感器3111和第一肌电仪3112，第一姿态传感器3111中包含三轴陀螺仪和三轴加速度计和三轴电子罗盘等辅助运动传感器，可以测量受训者的小腿与竖直方向的夹角、小腿加速度的大小和磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态的测量，从而判断受训者的运动状态，第一肌电仪3112可以采集受训者小腿上的肌电信号，进行信号处理后，可以预测受训者小腿的运动意图，控制系统4根据受训者的运动状态和运动意图，进行力矩补偿控制，调节小腿补偿力矩的大小，从而实现对受训者小腿运动提供助力的功能。

大腿固定架313上安装有第二姿态传感器3131和第二肌电仪3132，第二姿态传感器3131中包含三轴陀螺仪和三轴加速度计和三轴电子罗盘等辅助运动传感器，可以测量受训者的大腿与竖直方向的夹角、大腿加速度的大小和磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态的测量，从而判断受训者的运动状态，第二肌电仪3132可以采集受训者大腿上的肌电信号，进行信号处理后，可以预测受训者大腿的运动意图，控制系统4根据受训者的运动状态和运动意图，进行力矩补偿控制，调节大腿补偿力矩的大小，从而实现对受训者大腿运动提供助力的功能。

小腿固定架311内侧壁及大腿固定架313内侧壁均设置有绑带315。通过绑带315可以对受训者的小腿和大腿进行柔性绑定，便于外骨骼式机械腿310带动腿部运动。

参照附图5所示，本实用新型还包括控制系统，其中，控制系统4包括工控机41、控制电路板42及操作面板43，工控机41安装在上仓体12内壁上，控制电路板42安装在工控机41内，控制电路板42上设置有信号处理器421及伺服驱动器422，操作面板43安装在工控机41外表面并与控制电路板42相连接，信号处理器421分别连接拉力传感器324、第一姿态传感器3111、第一肌电仪3112、第二姿态传感器3131及第二肌电仪3132，伺服驱动器422分别连接跑步机2、伺服电机3232、第一驱动电机3121及第二驱动电机3141。采用上述技术方案，受训者通过在操作面板43上输入康复信息，康复信息包括受训者下肢运动轨迹，即小腿和大腿在竖直方向的摆动角度，以及跑步机2的传输速度，绑缚装置31距离跑步机2的高度；康复信息传输到控制电路板42上，工控机41根据康复信息发出控制指令，伺服驱动器422接收到指令，进而驱动跑步机2、提升装置32和绑缚装置31工作，实现外骨骼式机械腿310带动受训者在跑步机2上进行步态训练。并经过信号处理器421进行处理，工控机41通过伺服驱动器422来跑步机2、提升装置32和绑缚装置31。拉力传感器324获取受训者下肢对身体的承载力信号，并由信号处理器421进行处理反馈给伺服驱动器422，伺服驱动器422驱动伺服电机3232调整缆绳322长度，以平衡受训者重心。姿态传感器和肌电仪可以实时获取使用者的运动参数，检测并判断受训者的运动意图，并由信号处理器421进行处理反馈给伺服驱动器422，伺服驱动器422调整相应驱动电机的力矩，从而实现对受训者腿部运动提供助力。

在本实施中，下仓体11前侧内壁上还设置有液晶显示屏13，液晶显示屏13与控制电路板42相连接。通过设置液晶显示屏13，并与控制电路板42相连接，既可以实时监测康复训练时各个部位的运动情况和各关节的运动轨迹，又可以通过康复训练游戏，实现人机交互，并提高康复效率。

以上仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。