基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人制造技术

一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构。本发明专利技术提供了一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，能够满足下肢康复患者在平地上行走的基本步态，能够更好的实现人机之间的耦合。

\4+2\ Lower Limb Rehabilitation Robot Driven by Rope

A rope-driven \4+2\ lower limb rehabilitation robot consists of a rack and four external foot mechanisms mounted on the rack for supporting, two rope-driven inner foot mechanisms and motion monitoring devices. The rack comprises a platform and a waist structure located in the middle of the platform and can be set at the waist of the user. Two or two groups of four external foot mechanisms are arranged at the waist. On the left and right sides of the structure, two groups of external foot mechanisms are arranged symmetrically, one group of external foot mechanisms on the same side is arranged in front and back dislocation, and two internal foot mechanisms are arranged symmetrically between the two groups of external foot mechanisms; each internal foot mechanism includes hip joint, thigh mechanism, knee joint and leg mechanism. The invention provides a \4+2\ lower limb rehabilitation robot driven by rope, which can satisfy the basic gait of lower limb rehabilitation patients walking on flat ground, and can better realize the coupling between human and machine.

【技术实现步骤摘要】
基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人
本专利技术涉及康复机器人
，尤其是涉及一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人。
技术介绍
康复机器人是近年来出现的一种新型机器人，作为医疗机器人的一个重要分支，他的研究贯穿了康复医学、机械学、力学、材料学、数学分析、有限元仿真以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域研究的一个热点。近年来，由于经济的飞速发展，交通运输工具迅速增多，因交通事故而造成肢体损伤的人数直线上升。同时，随着人民生活水平的提高，我国和许多国家一样，正在步入老龄化。据统计，我国60岁即以上的人口已有2.22亿，占全国人口的16.5％。在老龄人群众中有大量的心脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。目前患心脑血管疾病的中老年人出现偏瘫的人数不断增多，而且年龄呈现年轻化趋势。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到很重要的作用。尽早进行康复训练不仅能够维持关节活动度，防止关节挛缩，而且能够明显提高患者运动功能的最终恢复程度。目前，在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但康复机器人研究仍处于起步阶段。近几年我国康复工程在个方面取得了一定的成果，特别是在技术含量不太高的中档产品如康复器械发展较快。浙江大学机电所开发研制了可穿戴式假肢，该研究致力于开发一套用于增强人体步行能力的可穿戴式下肢假肢，他引入人作为整个控制系统的主要部分，可以缓解人们由于过量的双足步行所引起的身体疲劳。目前，已经开发了一套下肢的原型试验系统，用来验证一些理论成果并依次为平台进行下一阶段的实验研究。上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了一套可穿戴式助力机械腿，单侧下肢有两个自由度，分别为髋关节和膝关节的屈伸自由度，这两个自由度分别有电动缸驱动。美国麻省理工学院研制了著名的PAMM系统，包括智能型步行机和智能手杖装置，该系统利用力觉传感器作为主要的输入接口，驱动系统底部的主动轮，从而实现用户行走的功能。为解决穿戴不方便问题，日本本田公司设计智能下肢助力系统，这种佩戴在图nude机械装置可以帮助肌肉力量不足的老年人提高行走速度、延长行走距离、改善步伐整齐性。通过对市场上已有的类似产品的分析我们总结如下：1.质量过大，导致体积过大、动作笨拙的问题。由于康复机器人在助力用户行走的过程中所需要的自由度过多，多数产品添加的电机数量过多，由此导致控制困难、体积过大、噪声、舒适度等一系列问题。2.自适应能力不够，学习能力差。要想更好地达到康复训练的目的，学习使用者的行走规律和习惯，同时根据使用者不同阶段的状况机器人提供不同大小的助力是必不可少的。3.信号传输的延迟导致与操作者的预期动作不符合。目前多采用sEMG传感器和压力传感器，信号传输到中央处理器后经过分析，再将操作指令传送出去，由此导致信号的滞后问题。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，能够满足下肢康复患者在平地上行走的基本步态，能够更好的实现人机之间的耦合。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构，所述大腿机构包括大腿杆和用于固定大腿的大腿助力板，所述大腿助力板安装在大腿杆的内侧，所述小腿机构包括小腿杆和用于固定小腿的小腿助力板，所述小腿助力板安装在小腿杆的内侧，所述小腿助力板和大腿助力板均为弧形，所述大腿杆的上端通过髋关节与机架的腰部结构连接，所述大腿杆的下端通过膝关节与小腿杆的上端连接；所述膝关节包括大腿转轮、小腿转轮、两个弧形连接块、两根膝关节线绳和膝关节驱动电机，所述大腿转轮与小腿转轮始终相切并布置在两个弧形连接块之间，两个弧形连接块的上下两端分别通过一根转动轴连接，所述大腿转轮通过大腿三角支架可转动的安装在位于上侧的转动轴上，所述大腿三角支架固定在大腿杆的下端，所述小腿转轮通过小腿三角支架可转动的安装在位于下侧的转动轴上，小腿三角支架固定在小腿杆的上端，所述大腿三角支架的前部和小腿三角支架的前部分别设置两个弹簧连接柱，两个弹簧连接柱分别对称布置在相应的转轮的左右两侧，大腿三角支架上的每个弹簧连接柱与同一侧的小腿三角支架上的弹簧连接柱分别通过膝关节复位弹簧连接；所述大腿三角支架的后部和小腿三角支架的后部分别设置两个线轮，两个线轮分别对称布置在相应的转轮的左右两侧；在大腿杆的下端左右两侧分别对称设有一个线轮，每根膝关节线绳的一端绕在小腿三角支架上的线轮并固定在该线轮上，其另一端绕过位于同一侧的大腿三角支架上的线轮后，再绕回小腿三角支架上的线轮，接着经过大腿三角支架上的线轮、大腿杆上的线轮后贴着大腿杆向上延伸，两根膝关节线绳向上延伸后与膝关节驱动电机同步联动，膝关节驱动电机安装在机架的腰部结构上；所述运动监测装置包括用于测量关节运动角度的硅胶模块和中央处理器，所述硅胶模块设置在膝关节的后侧上，包括光纤传感器和柔性底板，所述光纤传感器嵌入到柔性底板内，柔性底板的上下两端分别与大腿三角支架、小腿三角支架连接，所述光纤传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与膝关节驱动电机连接。进一步，每个外足机构均包括连杆机构、外足驱动电机和足关节，所述连杆机构包括大腿三角连杆、小腿三角连杆、第一三角连杆、第二三角连杆、主动连杆和从动连杆，所述大腿三角连杆的上顶点与第一三角连杆的前顶点铰接，所述第一三角连杆固定安装在平台上，所述主动连杆的上端与第一三角连杆的下顶点通过传动轴铰接，所述主动连杆的下端与第二三角连杆的后侧上顶点铰接，所述第二三角连杆的前顶点与大腿三角连杆的后顶点铰接，第二三角连杆的后侧下顶点与从动连杆的上端铰接，所述从动连杆的下端与小腿三角连杆的后顶点铰接，所述小腿三角连杆的前侧上顶点与大腿三角连杆的下顶点铰接，所述小腿三角连杆的前侧下顶点安装在足关节上，所述外足驱动电机设在机架腰部结构上且其输出轴通过同步带与传动轴连接；其中，所述主动连杆与第一三角连杆、第二三角连杆、大腿三角连杆组成曲柄摇杆机构，同时大腿三角连杆与小腿三角连杆、从动连杆、第二三角连杆组成双摇杆机构。再进一步，所述髋关节包括上下两块平板、三根曲线连杆、三个球铰链、三个万向节、四根髋关节线绳和两个髋关节驱动电机，三个万向节等圆周设置在上侧的平板底面上，三个球铰链与三个万向节上下错位布置且等圆周设置在下侧的平板顶面上，三个万向节分别通过三根曲线连杆与三个球铰链连接，每根曲线连杆上端连接的万向节与该根曲线连杆下端连接的球铰链映射在同一个平面上呈中心对称布置；上下两块平板的四周分别设有四个线轮，位于上下同一侧的两块平板上的线轮通过一根髋关节线绳连接，髋关节线绳的一端固定，另一端与髋关节驱动电机的电机轴同步联动，左右对称设置的两个髋关节线绳共用一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构，所述大腿机构包括大腿杆和用于固定大腿的大腿助力板，所述大腿助力板安装在大腿杆的内侧，所述小腿机构包括小腿杆和用于固定小腿的小腿助力板，所述小腿助力板安装在小腿杆的内侧，所述小腿助力板和大腿助力板均为弧形，所述大腿杆的上端通过髋关节与机架的腰部结构连接，所述大腿杆的下端通过膝关节与小腿杆的上端连接；所述膝关节包括大腿转轮、小腿转轮、两个弧形连接块、两根膝关节线绳和膝关节驱动电机，所述大腿转轮与小腿转轮始终相切并布置在两个弧形连接块之间，两个弧形连接块的上下两端分别通过一根转动轴连接，所述大腿转轮通过大腿三角支架可转动的安装在位于上侧的转动轴上，所述大腿三角支架固定在大腿杆的下端，所述小腿转轮通过小腿三角支架可转动的安装在位于下侧的转动轴上，小腿三角支架固定在小腿杆的上端，所述大腿三角支架的前部和小腿三角支架的前部分别设置两个弹簧连接柱，两个弹簧连接柱分别对称布置在相应的转轮的左右两侧，大腿三角支架上的每个弹簧连接柱与同一侧的小腿三角支架上的弹簧连接柱分别通过膝关节复位弹簧连接；所述大腿三角支架的后部和小腿三角支架的后部分别设置两个线轮，两个线轮分别对称布置在相应的转轮的左右两侧；在大腿杆的下端左右两侧分别对称设有一个线轮，每根膝关节线绳的一端绕在小腿三角支架上的线轮并固定在该线轮上，其另一端绕过位于同一侧的大腿三角支架上的线轮后，再绕回小腿三角支架上的线轮，接着经过大腿三角支架上的线轮、大腿杆上的线轮后贴着大腿杆向上延伸，两根膝关节线绳向上延伸后与膝关节驱动电机同步联动，膝关节驱动电机安装在机架的腰部结构上；所述运动监测装置包括用于测量关节运动角度的硅胶模块和中央处理器，所述硅胶模块设置在膝关节的后侧上，包括光纤传感器和柔性底板，所述光纤传感器嵌入到柔性底板内，柔性底板的上下两端分别与大腿三角支架、小腿三角支架连接，所述光纤传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与膝关节驱动电机连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：包括机架以及安装在机架上的四个用于起支撑作用的外足机构、两条基于绳驱动的内足机构和运动监测装置，所述机架包括平台和设置在平台中部且可套装在使用者腰部处的腰部结构，四个外足机构中两两一组布置在腰部结构的左右两侧，两组外足机构左右对称布置，同一侧的一组外足机构前后错位布置，两个内足机构左右对称布置且设置在两组外足机构之间；每条内足机构均包括髋关节、大腿机构、膝关节和小腿机构，所述大腿机构包括大腿杆和用于固定大腿的大腿助力板，所述大腿助力板安装在大腿杆的内侧，所述小腿机构包括小腿杆和用于固定小腿的小腿助力板，所述小腿助力板安装在小腿杆的内侧，所述小腿助力板和大腿助力板均为弧形，所述大腿杆的上端通过髋关节与机架的腰部结构连接，所述大腿杆的下端通过膝关节与小腿杆的上端连接；所述膝关节包括大腿转轮、小腿转轮、两个弧形连接块、两根膝关节线绳和膝关节驱动电机，所述大腿转轮与小腿转轮始终相切并布置在两个弧形连接块之间，两个弧形连接块的上下两端分别通过一根转动轴连接，所述大腿转轮通过大腿三角支架可转动的安装在位于上侧的转动轴上，所述大腿三角支架固定在大腿杆的下端，所述小腿转轮通过小腿三角支架可转动的安装在位于下侧的转动轴上，小腿三角支架固定在小腿杆的上端，所述大腿三角支架的前部和小腿三角支架的前部分别设置两个弹簧连接柱，两个弹簧连接柱分别对称布置在相应的转轮的左右两侧，大腿三角支架上的每个弹簧连接柱与同一侧的小腿三角支架上的弹簧连接柱分别通过膝关节复位弹簧连接；所述大腿三角支架的后部和小腿三角支架的后部分别设置两个线轮，两个线轮分别对称布置在相应的转轮的左右两侧；在大腿杆的下端左右两侧分别对称设有一个线轮，每根膝关节线绳的一端绕在小腿三角支架上的线轮并固定在该线轮上，其另一端绕过位于同一侧的大腿三角支架上的线轮后，再绕回小腿三角支架上的线轮，接着经过大腿三角支架上的线轮、大腿杆上的线轮后贴着大腿杆向上延伸，两根膝关节线绳向上延伸后与膝关节驱动电机同步联动，膝关节驱动电机安装在机架的腰部结构上；所述运动监测装置包括用于测量关节运动角度的硅胶模块和中央处理器，所述硅胶模块设置在膝关节的后侧上，包括光纤传感器和柔性底板，所述光纤传感器嵌入到柔性底板内，柔性底板的上下两端分别与大腿三角支架、小腿三角支架连接，所述光纤传感器与中央处理器连接，所述中央处理器与膝关节驱动电机连接。2.如权利要求1所述的基于绳驱动的“4+2”式下肢康复机器人，其特征在于：每个外足机构均包括连杆机构、外足驱动电机和足关节，所述连杆机构包括大腿三角连杆、小腿三角连杆、第一三角连杆、第二三角连杆、主动连杆和从动连杆，所述大腿三角连杆的上顶点与第一三角连杆的前顶点铰接，所述第一三角连杆固定安装在平台上，所述主动连杆的上端与第一三角连杆的下顶点通过传动轴铰接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欢，陈禹名，钱强强，沈钦涛，王健，常珂，邬江北，王志恒，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33