一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的制作方法

本發明屬于氣動技術和外骨骼機器人領域，更具體地，涉及一種連桿式下肢外骨骼康復機器人。

背景技術：

目前我國已進入人口老齡化社會，老年人群體日益龐大，據統計，截至2015年底，60歲以上老年人口已達到2.22億，而中風是老年人群體面臨主要危險之一。同時，截至2016年底我國機動車保有量為2.9億輛，由此引發的各種交通事故也日益增多。據統計，目前我國由于中風和各種事故造成的肢體功能障礙患者人數已超過800萬。而多數肢體障礙患者可通過康復訓練改善或恢復其運動功能。目前我國的康復訓練主要由專業醫生指導，在護士或家屬的幫助下完成康復訓練，這個過程耗時耗力。隨著機器人技術的發展，越來越多的科研機構開始將機器人技術應用于康復訓練，由此產生了外骨骼康復機器人。

目前國內外大多數外骨骼機器人多采用電機或液壓驅動，電機驅動具有響應快、控制方便、精度高和結構簡單等優點，但其功率質量比較小，需要配合減速器使用，由此引發電機驅動式外骨骼體積較大，難以承受較大負載等問題；而液壓驅動具有較高的功率質量比，但因為其工作介質為液壓油，易發生泄漏，因此不適合用于康復外骨骼機器人。

氣動肌肉是根據仿生學原理，模擬人體肌肉設計的一種驅動原件。與電機和液壓驅動相比，因為其采用仿生學設計，其力-位移關系特性與人類肌肉相似，因此更加適合應用于外骨骼康復機器人。且氣動肌肉工作介質為空氣，無色無味，不會對病人有任何影響。除此之外氣動肌肉還有功率質量比高、安全舒適等優點。

由于國內外骨骼研究起步較晚，多數外骨骼并未考慮人類行走過程中重心的上下浮動、膝關節的瞬心變化大腿前屈時的內收，由此導致外骨骼穿戴舒適性較差。

專利cn101810533a公開了一種助行外骨骼康復機器人，包括移動式輔助機構、控制機構和外骨骼假肢機構，移動式輔助機構和外骨骼假肢機構相連，控制機構分別與移動式輔助機構和外骨骼假肢機構相連。該外骨骼假肢機構設計結構緊湊、各關節轉動范圍大，能滿足人體實際運動要求。但專利cn101810533a公開的助行外骨骼康復機器人也存在不足：

(1)該發明未考慮膝關節的瞬心變化和大腿前屈時的內收，穿戴舒適性較差，對于腿型不正的患者，可能會出現無法穿戴的情況；

(2)其整體結構較大，使用時需要需要寬闊的場地；

(3)該發明采用電機驅動，且為移動平臺，需要蓄電池供電，因此續航能力有限。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種連桿式下肢外骨骼康復機器人，其目的在于將氣動肌肉全部集中于氣動肌肉框架內，相較于其他氣動肌肉驅動的外骨骼發明，其結構簡單緊湊，安全性高，易于操作。

為實現上述目的，本發明提供一種連桿式下肢外骨骼康復機器人，包括跑步機，還包括氣動肌肉框架、傳動裝置和下肢外骨骼；

其中，所述氣動肌肉框架設置于所述跑步機的兩側，包括大腿轉軸、小腿轉軸、髖關節軸、氣動肌肉和支撐架，所述支撐架通過螺栓與所述跑步機連接，所述大腿轉軸通過兩個軸承座固定于所述支撐架頂部橫梁的一側，所述小腿轉軸通過兩個軸承座固定于支撐架頂部橫梁的另一側，所述大腿轉軸和小腿轉軸的中間位置均設有氣動肌肉轉臂，所述氣動肌肉轉臂兩端各鉸接有一根氣動肌肉，所述髖關節軸通過軸承座固定于所述支撐架的外側；

所述傳動裝置包括大腿傳動機構和小腿傳動機構，所述大腿傳動機構由大腿轉臂、大腿連桿和大腿骨架構成平行四連桿機構；所述小腿傳動機構包括兩個四連桿機構，第一四連桿機構包括小腿轉臂、第一小腿連桿和三角塊，第二四連桿機構包括三角塊、第二小腿連桿、膝關節短連桿和大腿骨架；

所述下肢外骨骼通過所述傳動裝置與所述氣動肌肉框架實現連接，包括大腿部分、膝關節和小腿部分，用于與穿戴者的大腿和小腿部分固定，所述氣動肌肉充氣拉緊并根據穿戴者運動意圖帶動所述大腿轉軸和小腿轉軸轉動，進而帶動所述髖關節軸和膝關節轉動，實現行走康復的動作。

進一步地，所述大腿部分和所述小腿部分結構相同，包括大腿骨架、滑軌、滑塊、傳感器固定座和小腿骨架；

其中，所述大腿骨架與所述髖關節軸過盈配合，所述滑軌通過螺釘固定于大腿骨架和小腿骨架上，所述滑塊設于所述滑軌的表面上，并穿過所述傳感器固定座，用于帶動所述傳感器固定座在所述滑軌上滑動。

進一步地，所述膝關節包括兩個平行四連桿機構，所述平行四連桿機構包括多個膝關節長連桿，所述平行四連桿機構之間設有膝關節三角塊，所述膝關節三角塊通過所述平行四連桿機構與所述大腿骨架(3-1)和小腿骨架實現連接。

進一步地，所述傳感器固定座的一側通過螺釘與懸臂梁傳感器連接，所述懸臂梁傳感器的端部設有導柱固定座，所述導柱固定座開有通孔，用于安放導柱，所述導柱為圓柱形結構，用于將綁帶滑塊套設于其上，所述綁帶滑塊可在導柱上滑動。

進一步地，所述三角塊和第二小腿連桿之間、大腿骨架和小腿長連桿之間以及所述大腿連桿與大腿轉臂之間均安裝有角度傳感器。

進一步地，所述角度傳感器的外殼通過螺釘與傳感器支架連接，所述傳感器支架用于與所述大腿連桿、大腿骨架或三角塊實現連接；所述角度傳感器的轉軸通過銷軸與所述大腿轉臂、小腿長連桿或第二小腿連桿實現連接。

進一步地，所述氣動肌肉轉臂和底板上對應每根所述氣動肌肉都留有三個安裝孔位，用于調節所述氣動肌肉與對應轉軸的轉動力臂。

進一步地，所述氣動肌肉上安裝有力傳感器，用于測量所述氣動肌肉力的大小；所述氣動肌肉的兩端均設有關節軸承，其中，下端所述關節軸承與肌肉連接件鉸接。

進一步地，所述大腿轉軸和氣動肌肉轉臂、大腿轉臂與大腿轉軸之間均通過鍵實現連接。

進一步地，所述氣動肌肉為四根。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明采用連桿結構，將氣動肌肉全部集中于氣動肌肉框架內，相較于其他氣動肌肉驅動的外骨骼發明，其結構簡單緊湊，安全性高，易于操作；

(2)本發明考慮了人類行走過程中重心上下浮動的因素，利用導軌滑塊機構，使得與大小腿相連的綁帶可上下移動，以此解決重心上下浮動的問題；

(3)本發明考慮了人類行走過程中大腿前屈時有不同程度內收的情況，利用導柱滑塊機構，使得與大小腿相連的綁帶可左右移動，以此解決大腿前屈時內收的問題；

(4)本發明考慮了膝關節瞬心變化的因素，利用兩個四連桿組合機構，實現膝關節瞬心變化的功能；

(5)本發明采用多自由度設計，能夠適應不同體格患者進行康復訓練。

附圖說明

圖1為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的總體結構示意圖；

圖2為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的氣動肌肉框架結構示意圖；

圖3為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的傳動裝置結構示意圖；

圖4為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的下肢外骨骼結構示意圖；

圖5為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的角度傳感器安裝方法示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的總體結構示意圖。如圖1所示，該康復機器人包括氣動肌肉框架1、傳動裝置2、下肢外骨骼3和可編程跑步機4。

圖2為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的氣動肌肉框架結構示意圖。如圖2所示，左右氣動肌肉框架為鏡像對稱關系，單側氣動肌肉框架包括一根大腿轉軸1-2、一根小腿轉軸1-3、一根髖關節軸1-4、四根氣動肌肉1-5和支撐架1-6；

如圖2所示，支撐架1-6整體采用焊接的方式連接，其與可編程跑步機4由螺栓連接。大腿轉軸1-2通過兩個軸承座固定于支撐架1-6頂部橫梁的右側，其中間位置裝有氣動肌肉轉臂1-1，兩者通過鍵連接。氣動肌肉轉臂1-1兩側各鉸接有一根氣動肌肉1-5，氣動肌肉1-5上安裝有力傳感器1-7，兩端安裝有關節軸承，下端關節軸承鉸接有氣動肌肉連接件1-8。小腿轉軸1-3通過兩個軸承座固定于支撐架1-6頂部橫梁的左側，其與氣動肌肉1-5的連接與大腿轉軸1-2相同。髖關節軸1-4通過軸承座固定于支撐架1-6的左上側。氣動肌肉轉臂1-1和底板1-9上對應每根氣動肌肉1-5都留有三個安裝孔位，可調節氣動肌肉1-5與對應轉軸的轉動力臂。

圖3為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的傳動裝置結構示意圖。如圖3所示，傳動裝置2分為大腿傳動機構和小腿傳動機構，大腿傳動機構由大腿轉臂2-1、大腿連桿2-2和大腿骨架2-7構成平行四連桿機構，大腿轉臂2-1與大腿轉軸1-2之間為鍵連接。大腿連桿2-2中間裝有壓力傳感器，其與大腿轉臂2-1之間裝有角度傳感器4-3。小腿傳動機構由兩個四連桿機構組合而成：小腿轉臂2-3、小腿連桿12-4和三角塊2-5構成第一個四連桿機構，三角塊2-5、第二小腿連桿2-6、膝關節短連桿2-8和大腿骨架2-7構成第二個四連桿機構。其中小腿轉臂2-3和小腿轉軸1-3間通過鍵連接。三角塊2-7和小腿長連桿2-8間安裝有角度傳感器4-3。

圖4為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的下肢外骨骼結構示意圖。如圖4所示，下肢外骨骼包括大腿部分和小腿部分，且大腿部分和小腿部分的結構相同。包括大腿骨架3-1、滑軌3-2、滑塊3-3、傳感器固定座3-4、膝關節三角塊3-5、膝關節長連桿3-6、小腿骨架3-7、導柱3-8、懸臂梁傳感器3-9、綁帶滑塊3-10和導柱固定座3-11。

其中大腿骨架3-1與髖關節軸1-4過盈配合，滑軌3-2由螺釘固定于大腿骨架3-1上，滑塊3-3可上下滑動。懸臂梁傳感器3-9一側通過螺釘固定于傳感器固定座3-4上，另一側連接有導柱固定座3-11，綁帶滑塊3-10可在導柱3-8上左右滑動。膝關節由兩個平行四連桿機構組成，兩平行四連桿之間的中間連桿為膝關節三角連桿3-5。

圖5為本發明實施例一種連桿式下肢外骨骼康復機器人的角度傳感器安裝方法示意圖。如圖5所示，角度傳感器4-3安裝方式為：銷軸4-5右端打有小孔，小孔與角度傳感器4-3轉軸采用間隙配合，由緊定螺釘將兩者固定連接，角度傳感器4-3外殼與傳感器支架4-2由螺釘連接，傳感器支架4-2另一端與大腿連桿2-2連接，銷軸4-5與大腿轉臂2-1采用過盈配合，由緊定螺釘固定。

本實例中，程跑步機4為低速跑步機，可通過編程改變其速度。

工作時，將左右外骨骼通過大小腿綁帶與穿戴者下肢固定，完成外骨骼的穿戴；開機準備，8根氣動肌肉充氣，使氣動肌肉連接件拉緊；根據傳感器測得的數據判斷穿戴者運動意圖，控制器使每根軸的氣動肌肉對一側充氣一次放氣，以此帶動相應的轉軸轉動；轉軸的轉動通過傳動系統傳遞至髖關節和膝關節，帶動髖關節和膝關節轉動，完成行走康復的動作。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。