气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，包括支撑模块、主运动模块、动力传输模块和传感模块，动力传输模块的气动肌肉组件连接通过滑轮机构的柔索驱动主运动模块，主运动模块包括固定于底座上的一轴支撑以及一轴、二轴、三轴、脚踏板、动平台，支撑模块包括底座及固定于底座上的肌肉支架与腿托撑杆。本实用新型专利技术采用气动人工肌肉替代传统刚性电机驱动器，再配合柔索与滑轮机构改变气动肌肉单一驱动方向，为机器人辅助患者脚踝康复训练提供多自由度辅助动力，提高训练的安全性与柔顺性；通过内置多种机构调节装置提高机构的灵活度以适应不同患者需求，有效提高机器人辅助患者脚踝康复训练效果。

A three-degree-of-freedom ankle rehabilitation robot driven by pneumatic muscles and flexible cables

The utility model discloses a three-degree-of-freedom ankle rehabilitation robot driven by pneumatic muscles combined with flexible cables, which comprises a support module, a main motion module, a power transmission module and a sensing module. The pneumatic muscle components of the power transmission module are connected to drive the main motion module through the flexible cables of the pulley mechanism. The main motion module includes one-axis support fixed on the base, one-axis, two-axis, and one-axis. The support module includes a base, a muscle bracket fixed on the base and a leg brace. The utility model uses pneumatic artificial muscle instead of traditional rigid motor driver, and changes the single driving direction of pneumatic muscle with flexible cable and pulley mechanism to provide multi-degree-of-freedom auxiliary power for robot-assisted ankle rehabilitation training, so as to improve the safety and flexibility of the training, and improves the flexibility of the mechanism to meet the needs of different patients through the built-in multi-mechanism adjusting device. Effectively improve the effect of robot-assisted ankle rehabilitation training.

【技术实现步骤摘要】
气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人
本技术涉及医疗器械
，具体地指一种气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人。
技术介绍
截至2015年底，中国60岁以上老年人口已达2.22亿，脑卒中成为60岁以上老年人的第二大致残原因。脑卒中患者绝大多数伴随踝关节功能障碍，由于运动神经受损、下肢力量衰退与运动控制失常，导致患者难以保持正常步态。因此，提高患者踝关节运动能力、纠正步态，成为脑卒中患者康复急需解决的问题。研究表明，积极康复治疗可使90％脑卒中患者重新获得行走和生活自理能力，然而由于缺乏康复治疗，我国脑卒中患者残疾率高达75％。老龄化趋势与肢体残疾庞大基数，使得我国临床康复从业人员与康复设备的需求巨大，现有的人工康复方式和康复设备已远远不能满足市场需求，采用机器人进行康复辅助训练成为必然。设计一种脚踝康复机器人能满足人体脚踝日常运动的基本方式，包括背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展运动，对于患者脚踝康复训练具有重要作用。现有康复医疗器械多采用电机驱动器等刚性驱动方式。GironeM等设计了Rutgers机器人，它是一种双作用气缸驱动的六自由度Stewart机器人，通过对人的脚踝施加阻力来达到康复训练的效果，该机器人承载能力强，但自由度过多，超过了脚踝康复对自由度的要求，采用六个气缸驱动，结构复杂。此外，刚性电机驱动导致康复训练过程中的柔顺性和安全性不够，容易出现由于施力或训练角度过大对患者受伤肢体造成二次伤害。气动肌肉因其运动方式和物理特性与生物肌肉相似，并且具有内在柔顺性强、输出力-自重比大、结构简单轻便、适于穿戴等特点，成为机器人领域的新型驱动器。新西兰奥克兰大学Zhang,武汉理工大学Meng等提出一种三自由度气动肌肉驱动并联机构脚踝康复机器人，但是其工作空间与辅助输出没有完全覆盖人体脚踝康复训练需求范围。美国哈佛大学Park等设计了一种新型柔性踝关节康复机器人，采用气动肌肉模拟人体踝关节肌肉-肌腱-韧带模型，通过患者肌电信号控制气动肌肉施力完成背屈/跖屈和内翻/外翻动作，但无法帮助在训练初期自主运动能力较差的患者进行被动训练。美国密歇根大学Sawicki等采用多根气动肌肉分别为脚踝康复机器人提供背屈和跖屈力矩，仅能帮助患者完成单一自由度运动。国内目前对脚踝康复机器人的研究的机构还比较少。专利CN201510404891.1和CN201511007657.1均设计了刚性电机驱动的脚踝康复机器人，能满足基本的人体脚踝康复需求，但是机构固定装置太过简单，没有考虑腿部其它关节运动对脚踝康复训练的影响。专利CN201510472613.X提出了一种气动肌肉并联驱动的脚踝康复机器人，采用四根并联的驱动器直接拉动下平台，该装置在内翻/外翻动作上的旋转性能明显不足，无法完全覆盖脚踝训练运动范围与辅助力输出需求。综上所述，现有脚踝康复机器人多采用刚性电机驱动，但是刚性驱动柔顺性不够易导致对患者的二次伤害。少有的柔性驱动机器人在机构设计方面多只实现了基本运动功能，没有全面考虑患者的个性化需求及装备实用性。气动肌肉作为一种拟合人体肌肉工作特性的新型驱动器，具有很好的柔顺性、安全性与可穿戴性，其力矩输出与运动范围均能满足人体正常运动所需，适用于康复机器人领域。而且，脚踝康复机器人仍然存在机构笨重复杂、运动范围不够、辅助输出不足、功能不完善等问题，难以同时实现患者康复初期的被动训练以及在康复后期的主动训练；此外机构可调节的灵活度不够，无法适应不同生理条件患者的康复需求。此外，由于气动肌肉仅能在其伸缩轴向上提供拉力，限制了机器人运动范围并提高了机构复杂性，需要结合其他牵引装置改变驱动方向提升机构运动性能。因此，提出一种新的能完全满足人体踝关节运动辅助需求并且能适应患者个体差异性的脚踝康复机器人是十分必要的。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本技术提出了一种气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，采用气动肌肉驱动，结合柔索与滑轮机构改变气动肌肉辅助输出方向，可有效扩展机器人的运动范围，在保证辅助输出的同时提高机构的安全性与柔顺性，通过内置多种调节装置提高机构的灵活度，以适应不同患者使用，配置多种传感器件感知和监测患者与机器人的运动状态，从而实时优化机器人控制策略，提高机器人辅助患者脚踝康复训练效果。为达到上述目的，本技术提及的一种气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，其特殊之处在于，包括支撑模块、主运动模块、动力传输模块和传感模块；所述支撑模块包括底座、垂直设置于底座两侧的肌肉支架以及垂直设置于底座后部的腿托撑杆，所述腿托撑杆在垂直方向上设置有大腿托板，在水平方向上设置有小腿托板；所述主运动模块包括垂直设置于底座中部的一对支撑杆，所述支撑杆的顶端与矩形框架结构的一轴通过转轴连接，所述一轴的前端和后端中部通过转轴与曲柄轴连接，形成二轴，所述二轴中部通过转轴与三轴连接，所述三轴与设置于上方的动平台焊接，所述动平台的上方设置有脚踏板；所述动力传输模块包括五根气动肌肉组件，其中两根气动肌肉组件与动平台左前部连接，两根气动肌肉组件与动平台右前部连接，一根气动肌肉组件与动平台后部连接，五根气动肌肉组件控制动平台沿一轴、二轴、三轴旋转运动；所述传感模块包括分别设置于一轴、二轴、三轴转轴处的角度传感器和设置于脚踏板与动平台之间的力矩传感器。进一步地，所述腿托撑杆的上端通过伸缩杆与大腿托板连接，所述伸缩杆的一侧设置有导轨，另一侧设置有定位通孔，所述伸缩杆通过穿过定位通孔的定位销钉、顶丝、弹簧座、导轨螺栓固定在腿托撑杆上。伸缩杆通过定位销钉和导轨螺栓固定在腿托撑杆上，定位销钉用于定位调整高度，弹簧座中装有复位弹簧，导轨螺栓用于限制伸缩杆从腿托撑杆中拔出的范围，通过向外拉动左侧的定位销钉适当调整伸缩杆至合适高度后，微调伸缩杆使腿托撑杆上销钉孔与伸缩杆上的定位孔对齐，定位销钉在复位弹簧的作用下插入定位孔，调节伸缩杆长度满足不同腿长患者的使用需求。更进一步地，所述支撑杆与一轴之间的转轴、一轴的前端和后端中部与曲柄轴之间的转轴均通过深沟球轴承连接，所述二轴中部与三轴之间的转轴通过推力球轴承连接。一轴支撑用螺栓固定在底座上，一轴支撑通过转轴和深沟球轴承与一轴连接，保证良好的转动能力，一轴通过转轴和深沟球轴承与二轴曲轴连接，二轴曲轴由前后两段构成并用螺栓连接组合在一起以便于安装，二轴曲轴通过三轴和推力球轴承于动平台连接，三轴通过焊接固定在动平台上，所述六维力/力矩传感器上下两个部位各有安装螺纹孔，上部通过螺栓与脚踏板连接，下部通过螺栓与动平台连接，用于监测人体脚踝与机器人在各个方向上的交互力。更进一步地，所述气动肌肉组件包括对称设置于动平台前部的左前气动组件、右前气动组件，设置于动平台中部的左中气动组件、右中气动组件和设置于动平台后部的后气动组件，所述左前气动组件、右前气动组件的上端分别设置有左前摆动滑轮、右前摆动滑轮，所述左前气动组件、右前气动组件分别连接柔索通过左前摆动滑轮、右前摆动滑轮与动平台前部的左侧、右侧连接，所述左中气动组件、右中气动组件的下端分别设置有左中摆动滑轮、右中摆动滑轮，所述左中摆动滑轮、右中摆动滑轮分别连接柔索通过左中摆动滑轮、右中摆动滑轮与动平台前部的左侧、右侧连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：包括支撑模块、主运动模块、动力传输模块和传感模块；所述支撑模块包括底座(1)、垂直设置于底座(1)两侧的肌肉支架(7)以及垂直设置于底座(1)后部的腿托撑杆(4)，所述腿托撑杆(4)在垂直方向上设置有大腿托板(6)，在水平方向上设置有小腿托板(5)；所述主运动模块包括垂直设置于底座(1)中部的一对支撑杆(20)，所述支撑杆(20)的顶端与矩形框架结构的一轴(9a)通过转轴连接，所述一轴(9a)的前端和后端中部通过转轴与曲柄轴(16)连接，形成二轴(9b)，所述二轴(9b)中部通过转轴与三轴(9c)连接，所述三轴(9c)与设置于上方的动平台(17)焊接，所述动平台(17)的上方设置有脚踏板(10)；所述动力传输模块包括五根气动肌肉组件，其中两根气动肌肉组件与动平台(17)左前部连接，两根气动肌肉组件与动平台(17)右前部连接，一根气动肌肉组件与动平台(17)后部连接，五根气动肌肉组件控制动平台(17)沿一轴(9a)、二轴(9b)、三轴(9c)旋转运动；所述传感模块包括分别设置于一轴(9a)、二轴(9b)、三轴(9c)转轴处的角度传感器(14)和设置于脚踏板(10)与动平台(17)之间的力矩传感器(15)。...

【技术特征摘要】
1.一种气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：包括支撑模块、主运动模块、动力传输模块和传感模块；所述支撑模块包括底座(1)、垂直设置于底座(1)两侧的肌肉支架(7)以及垂直设置于底座(1)后部的腿托撑杆(4)，所述腿托撑杆(4)在垂直方向上设置有大腿托板(6)，在水平方向上设置有小腿托板(5)；所述主运动模块包括垂直设置于底座(1)中部的一对支撑杆(20)，所述支撑杆(20)的顶端与矩形框架结构的一轴(9a)通过转轴连接，所述一轴(9a)的前端和后端中部通过转轴与曲柄轴(16)连接，形成二轴(9b)，所述二轴(9b)中部通过转轴与三轴(9c)连接，所述三轴(9c)与设置于上方的动平台(17)焊接，所述动平台(17)的上方设置有脚踏板(10)；所述动力传输模块包括五根气动肌肉组件，其中两根气动肌肉组件与动平台(17)左前部连接，两根气动肌肉组件与动平台(17)右前部连接，一根气动肌肉组件与动平台(17)后部连接，五根气动肌肉组件控制动平台(17)沿一轴(9a)、二轴(9b)、三轴(9c)旋转运动；所述传感模块包括分别设置于一轴(9a)、二轴(9b)、三轴(9c)转轴处的角度传感器(14)和设置于脚踏板(10)与动平台(17)之间的力矩传感器(15)。2.根据权利要求1所述的气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：所述腿托撑杆(4)的上端通过伸缩杆(11)与大腿托板(6)连接，所述伸缩杆(11)的一侧设置有导轨(11a)，另一侧设置有定位通孔(11b)，所述伸缩杆(11)通过穿过定位通孔(11b)的定位销钉(12)、顶丝(12a)、弹簧座(12b)、导轨螺栓(12c)固定在腿托撑杆(4)上。3.根据权利要求1所述的气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：所述支撑杆(20)与一轴(9a)之间的转轴、一轴(9a)的前端和后端中部与曲柄轴(16)之间的转轴均通过深沟球轴承(21)连接，所述二轴(9b)中部与三轴(9c)之间的转轴通过推力球轴承(13)连接。4.根据权利要求1所述的气动肌肉结合柔索驱动的三自由度脚踝康复机器人，其特征在于：所述气动肌肉组件包括对称设置于动平台(17)前部的左前气动组件(3a)、右前气动组件(3b)，设置于动平台(17)中部的左中气动组件(3c)、右中气动组件(3d)和设置于动平台(17)后部的后气动组件(3e)，所述左前气动组件(3a)、右前气动...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟伟，刘泉，艾青松，左洁，谢胜泉，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42