本发明涉及康复训练辅助器械技术领域，特别是涉及一种下肢康复训练助行机器人。
背景技术
随着我国老龄化进程的加深，由老龄化带来的下肢健康问题也越来越突出。老年人由于生理机能的衰退导致下肢的灵活性不断下降，此外，因脊髓损伤、脑卒中等各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，因此人们对下肢康复领域愈发重视。
骨盆是连接躯干、下肢的枢纽，研究表明，锻炼患者骨盆运动控制对患者下肢运动能力的恢复具有明显效果，通过锻炼提高患者控制骨盆运动的能力成为下肢康复机器人研究的重点。
因此，如何提供一种用以辅助骨盆运动的下肢康复训练助行机器人，协助患者完成下肢康复训练，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种下肢康复训练助行机器人，用于患者在医师指导或家人陪同下进行自主的下肢康复训练，实现人体骨盆的水平旋转、水平摆动和侧方旋转，达到锻炼患者控制骨盆实现下肢平衡的效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种下肢康复训练助行机器人，包括底盘移动机构、支撑机构和骨盆辅助运动机构；所述支撑机构包括设置于所述底盘移动机构左右两侧的支撑杆和设置于所述底盘移动机构前侧的立柱；所述骨盆辅助运动机构包括平衡训练手臂机构、骨盆侧方旋转机构和骨盆水平旋转机构；所述平衡训练手臂机构包括左侧杆、右侧杆和连接所述左侧杆和所述右侧杆的翼板，所述左侧杆和所述右侧杆上设置有用以与安全带相连的连接结构；所述骨盆侧方旋转机构包括罩壳、设置于所述罩壳内的横轴和第一弹簧，所述横轴沿前后方向水平设置于所述罩壳内，所述横轴的前后两端均通过轴承与所述罩壳转动连接，所述第一弹簧为所述横轴的转动提供阻抗；所述骨盆水平旋转机构包括第一摆杆、第二摆杆、第二弹簧和第三弹簧，所述第一摆杆和所述第二摆杆的前端均与所述立柱以竖直方向为轴线转动连接，所述第一摆杆和所述第二摆杆的后端均与所述罩壳以竖直方向为轴线转动连接，所述第一摆杆和所述第二摆杆在同一水平面上平行设置，所述第二弹簧的两端分别与所述第一摆杆的前部和所述第二摆杆的后部连接，所述第三弹簧的两端分别与所述第一摆杆的后部和所述第二摆杆的前部连接。
优选地，还包括锁死杆，所述锁死杆的两端分别与所述第一摆杆的中部和所述第二摆杆的中部固定连接。
优选地，所述立柱为直线模组，所述第一摆杆和所述第二摆杆的前端连接于所述直线模组的滑座上。
优选地，还包括人机交互单元和控制单元，所述人机交互单元设置于所述直线模组上，所述控制单元与所述人机交互单元电连接，所述直线模组的驱动电机与所述控制单元电连接。
优选地，所述左侧杆和所述右侧杆均包括相互连接的纵向管和横向管，所述纵向管设置于所述横向管后侧，所述横向管内设置有称重传感器，所述称重传感器通过称重传感器安装座与所述翼板固定连接，所述称重传感器与所述人机交互单元电连接。
优选地，所述纵向管内沿前后方向设置有光轴，所述光轴上滑动设置有直线轴承，所述直线轴承通过球铰链与所述连接结构相连，两个所述纵向管的相对侧设置有供所述球铰链沿前后方向滑动的滑槽，所述直线轴承的前后两侧分别设置有第四弹簧和第五弹簧，所述第四弹簧前侧和所述第五弹簧的后侧分别设置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制单元电连接；
所述底盘移动机构包括左侧支架、右侧支架和连接所述左侧支架与所述右侧支架的前端的连接横板，所述左侧支架和所述右侧支架的中部均设置有主动轮和用以驱动所述主动轮的驱动结构，所述底盘移动机构的前端设置有万向轮，所述主动轮的后侧设置有从动轮，所述驱动结构与所述控制单元电连接。
优选地，所述左侧支架和所述右侧支架的后侧设置有用以探测后方障碍物的激光测距仪，所述连接横板上设置有用以探测前方障碍物的激光测距仪，所述激光测距仪与所述控制单元电连接。
优选地，所述左侧支架和所述右侧支架的相对侧设置有用以测量步态参数的步态激光测距仪，所述步态激光测距仪与所述人机交互单元电连接。
优选地，还包括水平旋转编码器和侧方旋转编码器，所述第一摆杆和所述第二摆杆的两端均具有上凸出部和下凸出部，所述直线模组的滑座上和所述罩壳上均设置有分别与所述上凸出部和所述下凸出部匹配的轴承，所述上凸出部和所述下凸出部通过限位端盖进行固定，所述滑座上的所述限位端盖上设置有所述水平旋转编码器，与所述水平旋转编码器对应的所述限位端盖上设置有用以监测转角的通孔，所述侧方旋转编码器设置于所述罩壳内，所述侧方旋转编码器用以监测所述横轴的转角，所述水平旋转编码器和所述侧方旋转编码器均与所述人机交互单元电连接。
优选地，所述罩壳的上表面设置有左柱塞旋钮和右柱塞旋钮，所述左柱塞旋钮和所述右柱塞旋钮的下端分别用以限制所述左侧杆和所述右侧杆的侧方旋转角度。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的下肢康复训练助行机器人，用于患者在医师指导或家人陪同下进行自主的下肢康复训练，实现人体骨盆的水平旋转、水平摆动和侧方旋转，达到锻炼患者控制骨盆实现下肢平衡的效果，训练过程安全、方便。该机器人能够提供运动阻尼、辅助支撑、避障以及辅助行走，为患者提供站立平衡训练、行走静态训练和行走动态训练三种训练方式，并可将训练效果通过人机交互单元实时显示，从而针对不同康复阶段患者选择相应的训练方式，提高康复训练效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明提供的下肢康复训练助行机器人轴测图；
图2为本发明提供的下肢康复训练助行机器人后视图；
图3为本发明提供的下肢康复训练助行机器人左视图；
图4为本发明提供的下肢康复训练助行机器人底盘移动机构轴侧图；
图5为本发明提供的下肢康复训练助行机器人底盘移动机构部分剖视图；
图6为本发明提供的下肢康复训练助行机器人立柱轴侧图；
图7为本发明提供的下肢康复训练助行机器人立柱剖视图；
图8为本发明提供的下肢康复训练助行机器人平衡训练手臂机构轴侧图；
图9为本发明提供的下肢康复训练助行机器人平衡训练手臂机构俯视图；
图10为本发明提供的下肢康复训练助行机器人平衡训练手臂机构一个视角的部分剖视图；
图11为本发明提供的下肢康复训练助行机器人平衡训练手臂机构另一个视角的部分剖视图；
图中：1-人机交互单元、2-支架、3-弯管、4-立柱罩壳、5-坦克链、6-控制单元罩壳、7-激光测距仪、8-右支撑杆、9-开关、10-蓝波开关、11-半圆环、12-急停按钮、13-线缆收纳盒、14-底座、15-激光测距仪罩壳、16-左侧支架、17-第二封装板、18-主动轮罩壳、19-连接横板、20-激光测距仪支架、21-万向轮、22-延伸段、23-右侧支架、24-主动轮、25-支撑弹簧、26-钢套、27-套筒、28-步进电机、29-减速机、30-直角减速机、31-锂电池、32-卡座、33-左支撑杆、34-连接座、35-滑座、36-直线模组、37-减速器、38-驱动电机、39-连接结构、40-内侧第二封装板、41-盖板、42-球铰链、43-外侧罩壳、44-安装座、45-异形弯管、46-90度弯管接头、47-横向管、48-水平旋转编码器、49-海绵垫、50-罩壳、51-称重传感器安装座、52-柱塞旋钮、53-吊环螺栓、54-限位端盖、55-旋钮、56-第一摆杆、57-第二弹簧、58-第三弹簧、59-锁死杆、60-垫片、61-第二摆杆、62-压力传感器，63-第五弹簧、64-直线轴承、65-第四弹簧、66-光轴、67-轴端、68-侧方旋转编码器、69-横轴、70-翼板、71-称重传感器、72-第一弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用以辅助骨盆运动的下肢康复训练助行机器人，协助患者完成下肢康复训练。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-11所示，本实施例提供一种下肢康复训练助行机器人，包括底盘移动机构、支撑机构和骨盆辅助运动机构。
支撑机构包括设置于底盘移动机构左右两侧的支撑杆和设置于底盘移动机构前侧的立柱，其中支撑杆包括左支撑杆33和右支撑杆8，用于进行左右两侧的防护，并作为手掌抓握结构为患者提供支撑；立柱用以固定骨盆辅助运动机构。
骨盆辅助运动机构包括平衡训练手臂机构、骨盆侧方旋转机构和骨盆水平旋转机构，其中平衡训练手臂机构用以通过安全带连接于人体腰部两侧，当人体骨盆进行水平旋转和侧方旋转时，通过安全带和平衡训练手臂机构带动骨盆水平旋转机构和骨盆侧方旋转机构动作，骨盆水平旋转机构和骨盆侧方旋转机构提供阻尼力，从而进行康复训练。
平衡训练手臂机构包括左侧杆、右侧杆和连接左侧杆和右侧杆的翼板70，左侧杆和右侧杆上设置有用以与安全带相连的连接结构39。
进一步的，左侧杆和右侧杆均包括相互连接的纵向管和横向管47，纵向管设置于横向管47后侧，纵向管和横向管47通过90度弯管接头46相连。纵向管包括与90度弯管接头46相连的异形弯管45和与异形弯管45相连的纵向尾管，异形弯管45的后端高于前端，异形弯管45与纵向尾管通过安装座44相连。
骨盆侧方旋转机构包括罩壳50、设置于罩壳50内的横轴69和第一弹簧72，横轴69沿前后方向水平设置于罩壳50内，横轴69的前后两端均通过轴承与罩壳50转动连接，第一弹簧72为横轴69的转动提供阻抗。
进一步的，第一弹簧72为异形弹簧，第一弹簧72的一端固定于罩壳50上，第一弹簧72的另一端固定于横轴69上，当横轴69和罩壳50发生相对转动时，第一弹簧72将产生阻尼力。
骨盆水平旋转机构包括第一摆杆56、第二摆杆61、第二弹簧57和第三弹簧58，第一摆杆56和第二摆杆61的前端均与立柱以竖直方向为轴线转动连接，第一摆杆56和第二摆杆61的后端均与罩壳50以竖直方向为轴线转动连接，第一摆杆56和第二摆杆61在同一水平面上平行设置，第二弹簧57的两端分别与第一摆杆56的前部和第二摆杆61的后部连接，第三弹簧58的两端分别与第一摆杆56的后部和第二摆杆61的前部连接。当骨盆进行水平旋转训练时，第一摆杆56、第二摆杆61、罩壳50和立柱组成平行四边形机构。在第一摆杆56和第二摆杆61摆动时，第一摆杆56的前部和第二摆杆61的后部间的距离将发生变化，第一摆杆56的后部和第二摆杆61的前部间的距离将发生相反的变化，从而带动第二弹簧57和第三弹簧58产生形变，为骨盆水平旋转提供阻尼力。
进一步的，为了减小摩擦力，第一摆杆56和第二摆杆61的前端和后端的转动方式为通过轴承转动连接。
为了限制第一摆杆56和第二摆杆61的摆动，本实施例还设置有锁死杆59，锁死杆59的两端分别与第一摆杆56的中部和第二摆杆61的中部固定连接。
进一步的，锁死杆59一端通过内六角螺栓和垫片60固定在第二摆杆61上，锁死杆59另一端连接旋钮55，旋钮55底部顶入第一摆杆56上的凹槽中。当旋紧内六角螺栓和旋钮55后，第一摆杆56和第二摆杆61即被锁死，无法转动。
为防止因腿部力量不足影响患者的骨盆恢复训练进度，本实施例将立柱设置为直线模组36，第一摆杆56和第二摆杆61的前端连接于直线模组36的滑座35上，可根据需要调整滑座35的竖直高度，进而为患者提供可调的支撑力。
进一步的，直线模组36为kk6005升降模组，包括驱动电机38、与驱动电机38传动连接的减速器37、与减速器37传动连接的丝杠和与丝杠螺纹连接的滑座35。驱动电机38为直流伺服电机，直线模组36的底部为底座14，驱动电机38固定于底座14上，底座14固定于底盘移动机构上。
为了使底座14的升降控制更方便，本实施例还设置有人机交互单元1和控制单元，人机交互单元1设置于直线模组36上，控制单元与人机交互单元1电连接，直线模组36的驱动电机38与控制单元电连接。
进一步的，人机交互单元1为平板电脑，人机交互单元1通过支架2固定于直线模组36顶部。控制单元设置于底盘移动机构上，控制单元外侧设置有控制单元罩壳6，控制单元罩壳6固定于底盘移动机构上，用以保护控制单元。控制单元罩壳6上设置有供直线模组36穿过的通孔，底座14固定于底盘移动机构上与该通孔对应位置处。直线模组36的上部设置有供线缆穿过的弯管3和用以容纳线缆的线缆收纳盒13，控制单元上的部分线缆通过弯管3和线缆收纳盒13与人机交互单元1相连，以实现信号传递。直线模组36前侧设置有坦克链5，坦克链5前侧设置有立柱罩壳4，用以保护线缆，避免线缆裸露在外。在控制单元罩壳6上还设置有开关9和红蓝波开关10，用于控制机器人的开关和供电状态的显示。
为了提高滑座35高度调整的智能化和自动化，本实施例在横向管47内设置有称重传感器71，称重传感器71通过称重传感器安装座51与翼板70固定连接，称重传感器71与人机交互单元1电连接。称重传感器71可将感应到的辅助支撑力(即患者施加给装置的压力)数据传递至人机交互单元1，由人机交互单元1进行显示，患者读取数据后通过人机交互单元1改变滑座35的位置；也可在控制器内事先存储好控制程序，当称重传感器71感应到的辅助支撑力达到某一设定值后，自动提升滑座35。
进一步的，称重传感器安装座51上设置两组螺栓孔，两组螺栓孔均可通过螺栓固定连接翼板70，用于适应不同身形的患者，调节左侧杆和右侧杆间的距离。
上述直线模组36仅能够在患者行走时提供竖直方向的支撑力，为了进一步辅助患者的前进、后退和转向动作，本实施例相应设置有用以感应患者的前进、后退和转向意图的感应结构和用以完成辅助动作的驱动结构。
具体的，本实施例在纵向尾管内沿前后方向设置有光轴66，光轴66上滑动设置有直线轴承64，直线轴承64通过球铰链42与连接结构39相连，两个纵向管的相对侧设置有供球铰链42沿前后方向滑动的滑槽，直线轴承64的前后两侧分别设置有第四弹簧65和第五弹簧63，第四弹簧65前侧和第五弹簧63的后侧分别设置有压力传感器62，压力传感器62与控制单元电连接。压力传感器62将其感应到的弹簧压力传递至控制单元，由控制单元对患者的动作意图进行判断，并控制设置于底盘移动机构上的驱动结构完成辅助动作。若直线轴承64处于平衡位置时第四弹簧65和第五弹簧63为自然长度，那么当左侧的第四弹簧65和右侧的第五弹簧63承压时患者意图右转；当左侧的第五弹簧63和右侧的第四弹簧65承压时患者意图左转；当两侧的第四弹簧65承压时患者意图前进；当两侧的第五弹簧63承压时患者意图后退。
进一步的，该连接结构39为金属插口，用以与安全带的端部相连。纵向尾管由外侧罩壳43、内侧第一封装板、内侧第二封装板40和盖板41拼装而成，以便于纵向尾管内部结构的装配。两个内侧第二封装板40分别位于内侧第一封装板的前后两侧，供球铰链42沿前后方向滑动的滑槽设置于内侧第一封装板上，盖板41设置于纵向尾管的后端。
具体的，底盘移动机构包括左侧支架16、右侧支架23和连接左侧支架16前端与右侧支架23前端的连接横板19，左侧支架16和右侧支架23的中部均设置有主动轮24和用以驱动主动轮24的驱动结构，底盘移动机构的前端设置有万向轮21，主动轮24的后侧设置有从动轮，驱动结构与控制单元电连接。通过将主动轮24设置于中间，在前侧设置万向轮21，在后侧设置从动轮，可提高平稳性，防止底盘移动机构向前后两侧倾覆。
进一步的，左侧支架16和右侧支架23均为矩形钢，左侧支架16和右侧支架23的相对侧设置有可拆卸连接的封板，以便于将驱动结构装配至矩形钢内。驱动结构包括依次传动连接的步进电机28、减速机29和直角减速机30，直角减速机30驱动主动轮24转动。左侧支架16和右侧支架23内还设置有锂电池31，用以为驱动结构提供动力。主动轮24为橡胶轮，主动轮24外侧设置有主动轮罩壳18。
进一步的，左侧支架16和右侧支架23的前端均具有延伸段22，连接横板19固定于延伸段22上。万向轮21通过套筒27与钢套26固定在延伸段22上，在万向轮21与延伸段22之间安装有支撑弹簧25，支撑弹簧25具有缓冲作用，以提高机器人的运行稳定性。
上述结构能够感应患者的动作意图并辅助完成动作，但在面对障碍物时不能及时停止运动。因此，为了提高安全性，本实施例在左侧支架16和右侧支架23的后侧设置有用以探测后方障碍物的激光测距仪7，在连接横板19上设置有用以探测前方障碍物的激光测距仪7，激光测距仪7与控制单元电连接。当底盘移动机构朝向障碍物运动，并且底盘移动机构与障碍物的距离小于安全距离时，控制单元将立即停止驱动结构的动作。
进一步的，为了对激光测距仪7进行保护，左侧支架16和右侧支架23的后端设置有激光测距仪罩壳15，用以探测后方障碍物的激光测距仪7设置于激光测距仪罩壳15内。用以探测前方障碍物的激光测距仪7设置于控制单元罩壳6内，并通过激光测距仪支架20固定于连接横板19上。
为了在康复训练过程中及时了解患者下肢康复情况，本实施例在左侧支架16和右侧支架23的相对侧设置有用以测量步态参数的步态激光测距仪，步态激光测距仪与人机交互单元1电连接，步态参数可在人机交互单元1上实时显示。
同时，为了及时了解患者盆骨的水平旋转能力和侧方旋转能力，本实施例在滑座35上的限位端盖54上设置有水平旋转编码器48，与水平旋转编码器48对应的限位端盖54上设置有用以监测第一摆杆56或第二摆杆61转角的通孔，侧方旋转编码器68设置于罩壳50内，侧方旋转编码器68用以监测横轴69的转角，水平旋转编码器48和侧方旋转编码器68均与人机交互单元1电连接。
通过对患者的步态参数、患者盆骨的水平旋转能力和侧方旋转能力进行评估，有利于进一步的康复治疗。
进一步的，本实施例在罩壳50的上表面设置有柱塞旋钮52，包括左柱塞旋钮和右柱塞旋钮，左柱塞旋钮和右柱塞旋钮的下端分别用以限制左侧杆和右侧杆的最大侧方旋转角度，以便根据患者的实际身体状况进行循序渐进的锻炼。
为了防止患者在进行康复训练时身体后倾，保护用户安全，本实施例在罩壳50上设置有吊环螺栓53，吊环螺栓53通过绳索与患者上半身相连。同时，为了防止患者在运动过程中与罩壳50相撞，本实施例在罩壳50后端设置有海绵垫49。
为了提高整体结构的稳定性，两个支撑杆的下端分别通过卡座32固定于左侧支架16和右侧支架23上，两个支撑杆的上端通过连接座34相连，连接座34固定于直线模组36上，连接座34上设置有半圆环11，半圆环11与支架2固定连接，从而使支撑杆和立柱的上端固定在一起。支撑杆上设置有急停按钮12，急停按钮12与控制单元电连接，保证在紧急情况下的快速停止，保证用户安全。
上述第一弹簧72、第二弹簧57、第三弹簧58、第四弹簧65和第五弹簧63偏离自由位置的距离越远，提供阻抗也越大，进而能够帮助患者控制骨盆的水平摆动寻找平衡点，其弹性系数可根据实际需要进行选择。
患者进行康复训练时，可通过人机交互单元1选择训练模式，包括站立平衡训练、行走静态训练和行走动态训练。在训练过程中，患者或者陪护人员可通过人机交互单元1实时查看患者训练过程中的步态参数及运动轨迹，训练结束后，患者和医护人员可依据人机交互单元1上显示的训练效果，进行下一步的康复训练。
当患者进行站立平衡训练时，底盘移动机构中的驱动结构不工作，万向轮21锁定，机器人相对于地面处于静止状态，患者腰部通过安全带连接到平衡训练手臂机构上，患者腰部骨盆的三种运动控制平衡手臂做相应的运动。平衡训练手臂机构提供的阻抗帮助患者寻找平衡位置，当患者偏离平衡点的距离越远，提供的阻抗越大，患者则较易改变站立姿态以达到站立平衡。同时，可通过左柱塞旋钮、右柱塞旋钮和锁死杆59限制平衡训练手臂机构在相应自由度上的运动，依据患者康复状态改变训练的难易程度。通过控制直线模组36，结合称重传感器71和控制单元调控机器提供给患者站立时的辅助提升力，上升量越多，患者将更容易进行站立，以逐步提升患者的平衡控制能力。
当患者取得一定的康复效果后，可进行行走静态训练。此时，平衡训练手臂机构处于固定状态，万向轮21活动，驱动结构处于工作状态，驱动机器人行进。患者可自行操控机器人行走，患者的行走意图通过纵向尾管内的压力传感器62传递给控制单元，控制信号将控制两驱动结构带动两个主动轮24同步转动或差速转动，机器人将进行相应的直行或者转弯。此外，机器人的运动还可通过医护人员进行控制，通过机器辅助患者进行行走静态训练，逐步提高患者的自由行走能力。
当患者进行行走动态训练时，平衡训练手臂机构与万向轮21均处于活动状态，驱动结构工作。患者在使用机器时，不仅要控制平衡训练手臂机构寻找平衡点，同时仍需进行下肢的行走训练。
需要说明的是，上述三种训练方式可结合vr技术进行游戏训练，在提升患者训练兴趣的同时提高康复效果。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。