一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；本发明专利技术的一种可穿戴式生物融合的下肢康复机器人提高了下肢康复效果，本发明专利技术膝关节处的康复装置采用生物融合的理念把膝关节作为机构的一部分进行分析，更贴合人体膝关节的运动规律，仿生性好。并且膝关节处的康复装置属于完全解耦的并联机构，与耦合并联机构相比控制简单方便。

A wearable bio fusion lower limb rehabilitation robot

The invention discloses a wearable biological fusion lower limb rehabilitation robot, which comprises a hip joint connecting device, a knee joint connecting device, an ankle joint connecting device and a weight reducing device. The hip joint connecting device, the knee joint connecting device and the ankle joint connecting device are successively connected and worn on the lower limb of the human body. The configuration of the weight reducing device is used for suspending the upper body and the rehabilitation robot to reduce the weight The weight of the rehabilitation device applied to the human body is light; the wearable biological fusion lower limb rehabilitation robot of the invention improves the rehabilitation effect of the lower limb, the rehabilitation device at the knee joint of the invention adopts the concept of biological fusion to analyze the knee joint as a part of the mechanism, which is more suitable for the motion law of the human knee joint and has good bionics. Moreover, the rehabilitation device at the knee joint belongs to a fully decoupled parallel mechanism, which is easier to control than the coupled parallel mechanism.

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人
本专利技术涉及医疗器械
，特别是涉及一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人。
技术介绍
康复机器人主要辅助老人和运动功能障碍患者实现基本运动，还能增强人体的运动能力。可穿戴外骨骼式康复机器人就是典型的代表，主要用于辅助残疾人、老年人以及下肢运动功能障碍的患者等实现康复训练，或辅助残疾人正常行走。康复机器人极大地影响着康复医学的发展，为患者的日常生活提供了方便，从根本上提高了生活质量，减轻了社会负担。膝关节是人体下肢最复杂，极易损伤又很难恢复的关节之一，所以，研究下肢康复机器人的膝关节康复变得尤为重要。目前出现的多种下肢康复机器人虽然各具特色且一定程度上提高了下肢康复治疗的效率和效果，但也存在着一些不足：由膝关节解剖学可知，股骨和胫骨之间的相对运动，是滚动和滑动的复合运动。因此，膝关节的主要运动是人体矢状面内的屈曲运动。布拉格查尔斯大学的研究人员利用磁共振成像研究了膝关节的形状和相对运动，关节面处的运动不仅仅是围绕一个点旋转，而且有旋转中心的移动。但由于转动中心位于机械机构内部、空间上不能够与膝关节中心重合，使得下肢康复运动过程中膝关节的位置不断改变而导致转动中心的错位。下肢膝关节的运动完全由机械确定，人体不能从机构层面影响康复运动，安全性差。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，以解决上述现有技术存在的问题，在康复过程中能实现自动补偿人体膝关节与外骨骼膝关节转动中心的错位，使其与人体膝关节的运动达到协调统一。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：具体的，本专利技术提供一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；所述髋关节连接装置包括腰部连接装置和髋膝连接杆，所述腰部连接装置包括第一腰部套件、第二腰部套件和四组调节装置，所述第一腰部套件为两个半环形构件，两个半环形构件相连构成一个椭圆形结构，第二腰部套件的结构与第一腰部套件的结构相同，所述四组调节装置设置在所述第一腰部套件和第二腰部套件之间，每一组调节装置均包括上接头、调节杆和下接头，所述调节杆的两端分别连接所述上接头和下接头的第一端，所述上接头的第二端与所述第一腰部套件固定连接，所述下接头的第二端与所述第二腰部套件固定连接，所述髋膝连接杆的第一端与膝关节连接装置固定连接，所述髋膝连接杆的第二端与髋关节连接装置通过第一转动副铰接，所述膝关节连接装置包括大腿夹具、小腿夹具和两条运动支链，两条运动支链设置在大腿夹具和小腿夹具之间并与人体膝关节并联设置，所述第一运动支链包括第一运动支链上连杆和长度能够调节的第一运动支链下连杆，所述第一运动支链上连杆的第一端套设在丝杆上，所述丝杆通过连接架与所述大腿夹具固定连接，所述第一运动支链上连杆能够相对所述丝杆绕轴线转动并能够沿轴线滑动，所述第一运动支链上连杆的第二端通过第二转动副与所述第一运动支链下连杆的第一端铰接，所述第一运动支链下连杆的第二端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板的一个端部与所述小腿夹具固定连接；所述第二运动支链包括第二运动支链上连杆和长度能够调节的第二运动支链下连杆，所述第二运动支链上连杆的第一端通过第三转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二运动支链上连杆的第二端通过第四转动副与所述第二运动支链下连杆的第一端铰接，所述第二运动支链下连杆的第二端通过第五转动副与所述小腿夹具铰接；所述踝关节连接装置包括脚踏板和膝踝连接杆，脚踏板穿戴于人体脚部，膝踝连接杆的第一端与膝关节连接装置的小腿夹具固定连接，膝踝连接杆的第二端与脚踏板通过第六转动副铰接。优选地，所述大腿夹具和小腿夹具的结构相同且尺寸不同，分别穿戴于人体的大腿和小腿处。优选地，所述第一转动副的轴线、所述丝杆及所述虎克铰远离所述小腿夹具的转动副的轴线相互平行。优选地，所述第三转动副、所述第四转动副及所述第五转动副的轴线相互平行且均与所述第二转动副的轴线垂直。优选地，所述减重装置包括减重吊带和减重吊架，所述减重吊架的底部设置有转向轮和驱动轮，所述减重吊架连接有控制器和操控杆，通过减重吊架把手上的操控杆，能够控制减重吊架的移动、停止以及速度。优选地，所述第一运动支链下连杆包括第一运动支链下连杆I和第一运动支链下连杆II，第一运动支链下连杆I和第一运动支链下连杆II通过螺栓连接，其能够调节第一运动支链下连杆的长度。优选地，所述第二运动支链下连杆包括第二运动支链下连杆I和第二运动支链下连杆II，第二运动支链下连杆I和第二运动支链下连杆II通过螺栓连接，其能够调节第二运动支链下连杆的长度。优选地，髋关节的伺服电机设置于第一转动副处，膝关节的伺服电机设置于远离所述小腿夹具的转动副处，踝关节的伺服电机设置于第六转动副处。优选地，初始位置股骨关节面中心分别和大腿夹具、小腿夹具中心对齐，由几何关系可得，膝关节关节面上点的位置坐标可以表示为其中，a表示人体膝关节数学模型的短轴半径，b表示人体膝关节数学模型的长轴半径，θ表示膝关节的转角，H表示初始位置股骨关节面中心和大腿夹具中心之间的距离，通过电机转角控制膝关节的转角，能实现膝关节变轴线的转动运动，和人体膝关节的运动贴合，自动实现运动补偿。本专利技术在使用时，在下肢康复机构运动过程中，在髋关节连接装置、踝关节连接装置和膝关节连接装置的转动副处的伺服电机驱动下，带动下肢实现矢状面屈曲运动，能实现膝关节变轴线的转动运动，和人体膝关节的运动完全贴合，自动实现运动补偿。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术膝关节处的康复装置采用生物融合的理念把膝关节作为机构的一部分进行分析，更贴合人体膝关节的运动规律，仿生性好。2.本专利技术膝关节处的康复装置属于完全解耦的并联机构，与耦合并联机构相比控制简单方便。3.本专利技术一种以机械力学与生物生理运动学相结合的设计，由于人体可以从机构层面对机器人运动进行调节，使其具有较高的安全性。附图说明图1为本专利技术一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人的整体机构示意图；图2为本专利技术一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中膝关节康复装置机构示意图；图3为本专利技术一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中减重装置的机构示意图；图4为本专利技术一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中腰部连接装置的机构示意图。图5为本专利技术一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人中膝关节康复装置的运动补偿示意图。其中部分附图标记如下，1-髋关节连接装置，101-髋膝连接杆，102-腰部连接装置，1021-第一腰部套件，1022-第二腰部套件，1023-调节装置，231-上接头，232-调节杆，233-下接头，2-膝关节连接装置，201-大腿夹具，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；/n所述髋关节连接装置包括腰部连接装置和髋膝连接杆，所述腰部连接装置包括第一腰部套件、第二腰部套件和四组调节装置，所述第一腰部套件为两个半环形构件，两个半环形构件相连构成一个椭圆形结构，第二腰部套件的结构与第一腰部套件的结构相同，所述四组调节装置设置在所述第一腰部套件和第二腰部套件之间，每一组调节装置均包括上接头、调节杆和下接头，所述调节杆的两端分别连接所述上接头和下接头的第一端，所述上接头的第二端与所述第一腰部套件固定连接，所述下接头的第二端与所述第二腰部套件固定连接，所述髋膝连接杆的第一端与膝关节连接装置固定连接，所述髋膝连接杆的第二端与髋关节连接装置通过第一转动副铰接，/n所述膝关节连接装置包括大腿夹具、小腿夹具和两条运动支链，两条运动支链设置在大腿夹具和小腿夹具之间并与人体膝关节并联设置，/n所述第一运动支链包括第一运动支链上连杆和长度能够调节的第一运动支链下连杆，所述第一运动支链上连杆的第一端套设在丝杆上，所述丝杆通过连接架与所述大腿夹具固定连接，所述第一运动支链上连杆能够相对所述丝杆绕轴线转动并能够沿轴线滑动，所述第一运动支链上连杆的第二端通过第二转动副与所述第一运动支链下连杆的第一端铰接，所述第一运动支链下连杆的第二端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板的一个端部与所述小腿夹具固定连接；/n所述第二运动支链包括第二运动支链上连杆和长度能够调节的第二运动支链下连杆，所述第二运动支链上连杆的第一端通过第三转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二运动支链上连杆的第二端通过第四转动副与所述第二运动支链下连杆的第一端铰接，所述第二运动支链下连杆的第二端通过第五转动副与所述小腿夹具铰接；/n所述踝关节连接装置包括脚踏板和膝踝连接杆，脚踏板穿戴于人体脚部，膝踝连接杆的第一端与膝关节连接装置的小腿夹具固定连接，膝踝连接杆的第二端与脚踏板通过第六转动副铰接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：包括髋关节连接装置、膝关节连接装置、踝关节连接装置和减重装置，髋关节连接装置、膝关节连接装置和踝关节连接装置依次连接穿戴于人体下肢，减重装置的配置用于将人体上半身和康复机器人悬吊以减轻施加于人体的康复装置的重量；
所述髋关节连接装置包括腰部连接装置和髋膝连接杆，所述腰部连接装置包括第一腰部套件、第二腰部套件和四组调节装置，所述第一腰部套件为两个半环形构件，两个半环形构件相连构成一个椭圆形结构，第二腰部套件的结构与第一腰部套件的结构相同，所述四组调节装置设置在所述第一腰部套件和第二腰部套件之间，每一组调节装置均包括上接头、调节杆和下接头，所述调节杆的两端分别连接所述上接头和下接头的第一端，所述上接头的第二端与所述第一腰部套件固定连接，所述下接头的第二端与所述第二腰部套件固定连接，所述髋膝连接杆的第一端与膝关节连接装置固定连接，所述髋膝连接杆的第二端与髋关节连接装置通过第一转动副铰接，
所述膝关节连接装置包括大腿夹具、小腿夹具和两条运动支链，两条运动支链设置在大腿夹具和小腿夹具之间并与人体膝关节并联设置，
所述第一运动支链包括第一运动支链上连杆和长度能够调节的第一运动支链下连杆，所述第一运动支链上连杆的第一端套设在丝杆上，所述丝杆通过连接架与所述大腿夹具固定连接，所述第一运动支链上连杆能够相对所述丝杆绕轴线转动并能够沿轴线滑动，所述第一运动支链上连杆的第二端通过第二转动副与所述第一运动支链下连杆的第一端铰接，所述第一运动支链下连杆的第二端通过虎克铰与支撑板连接，所述支撑板的一个端部与所述小腿夹具固定连接；
所述第二运动支链包括第二运动支链上连杆和长度能够调节的第二运动支链下连杆，所述第二运动支链上连杆的第一端通过第三转动副与所述大腿夹具铰接，所述第二运动支链上连杆的第二端通过第四转动副与所述第二运动支链下连杆的第一端铰接，所述第二运动支链下连杆的第二端通过第五转动副与所述小腿夹具铰接；
所述踝关节连接装置包括脚踏板和膝踝连接杆，脚踏板穿戴于人体脚部，膝踝连接杆的第一端与膝关节连接装置的小腿夹具固定连接，膝踝连接杆的第二端与脚踏板通过第六转动副铰接。


2.根据权利要求1所述的可穿戴式生物融合下肢康复机器人，其特征在于：所述大腿夹具和小...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳文，王森，梁文龙，李双，栾英宝，仲崇迪，于龙龙，李赫，赵美欣，宋加涛，左朝阳，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13