[发明专利]一种下肢关节康复训练机器人

摘要

本发明公开一种下肢关节康复训练机器人，属于医疗设备领域。所述机器人包括踝关节装置、膝关节装置、髋关节装置、机械腿大腿调节装置、机械腿小腿调节装置、腿部运动预测装置、机架；踝关节装置采用电机直接驱动、锥齿轮传动，脚踏板装有压力传感器，可检测足底力预测踝关节的运动意图；膝关节和髋关节装置采用高速级同步带、低速级齿轮传动，机械腿大腿和小腿调节装置分别采用电动推杆和直线滑轨构成的摆动推杆滑块机构，可实现机械腿长度的调节以适应不同身高患者；腿部运动预测装置安装有压力传感器，能够直接判断髋关节和膝关节的运动趋势，结合踏板处装有的压力传感器，能够预测人体下肢运动意图，完成柔顺的辅助康复训练。

主权项

一种下肢关节康复机器人，包括踝关节装置(1)、膝关节装置(2)、髋关节装置(3)、机械腿大腿调节装置(4)、机械腿小腿调节装置(5)、机架(7)，膝关节动力组件整体后置于髋关节后部，髋关节动力组件整体设置于机架上，其特征在于：(1)所述踝关节装置包括电机驱动部分、脚踏板部分、踝关节支架和小腿内套，电机驱动部分安装在踝关节支架(109)上，踝关节支架和脚踏板部分通过前、后踏板支杆(116，115)相连；电机101经减速器107减速后，与动力输出轴相连接的锥齿轮(102)与固连在小腿内套(111)的不完全锥齿轮(106)的啮合传动实现了踝关节的运动；不完全锥齿轮的自身结构使锥齿轮的转动限定于一定的范围内，小腿内套自身结构构成机械限位，踝关节转动到极限位置时，小腿内套触发限位开关(105)，该限位开关发出信号限制电机转动，构成电器限位，通过控制器设定编码器(104)的脉冲数控制电机的运动极限位置，构成软件限位；踏板骨架(114)的一端对称安装有两个压力传感器，其中，上压力传感器(112)用螺栓和踏板骨架连接并预紧，下压力传感器(113)用螺栓通过传感器底座(119)和踏板骨架连接并预紧，传感器触点框(117)固定在踏板上盖(118)上，踏板骨架的另一端通过踏板转轴(121)和踏板支架(122)相连，踏板支架用螺栓固定在踏板上盖上；康复训练时，把患者脚部通过扣带固定在踏板上盖，上压力传感器产生压力信号，表示脚前掌对踏板上盖施加压力，下压力传感器产生压力信号，表示脚后掌对踏板上盖施加压力，根据压力与力臂的乘积来计算踝关节所受力矩和方向；(2)所述膝关节装置包括由电机(201)、相对位置编码器(214)、制动器(204)、扭矩传感器(228)、绝对位置编码器(221)、限位开关(216)组成的电器部件，以及由谐波减速器(229)、带轮(202，203，225，227)、齿轮(211，212，213)、同步带(209，226)、发信凸轮(215)、绳轮组构成的传动部件；电机(201)的动力传递给主动带轮(202)和主动带轮(203)，主动带轮(202)通过同步带(226)与被动带轮(225)相连，被动带轮(225)与制动器(204)相连，电机失控或发生危险时，由制动器紧急制动，保证患者安全；另一个主动带轮(203)通过同步带(209)与被动带轮(227)相连，被动带轮与谐波减速器(229)的输入轴相连，谐波减速器的输出轴与主动齿轮(212)相连，主动齿轮(212)通过介轮(211)带动从动齿轮(213)转动，从动齿轮(213)与扭矩传感器(228)的一端相连，扭矩传感器(228)的另一端与小腿机架(507)相连，从而带动小腿机架转动，实现了膝关节的运动；所述扭矩传感器(228)配置有膝关节扭矩传感器卸荷装置；所述绝对位置编码器配置有膝关节绝对位置编码器卸荷装置，可在掉电情况下记录膝关节的转动角度；安装在从动齿轮轴上的发信凸轮(215)与安装在小腿机架上的限位开关(216)组合来控制膝关节的极限运动范围，形成电器限位，通过控制器设定带有相对位置编码器(214)的电机(201)的运动极限位置，实现膝关节在正常运动范围内运动，构成软件限位；(3)所述髋关节装置包括由电机(301)、相对位置编码器(326)、制动器(306)、扭矩传感器(308)、绝对位置编码器(309)、限位开关(314)构成的电器部件，以及由谐波减速器(328)、带轮(302，303，304，315)、齿轮(318，319)、同步带(305，316)构成的传动部件；电机(301)的动力传递给两个主动带轮(302，303)，一个主动带轮(302)通过同步带(305)与被动带轮(304)相连，被动带轮(304)与制动器(306)相连，电机(301)失控或发生危险时，由制动器(306)紧急制动，另一个主动带轮(303)通过同步带(316)与被动带轮(315)相连，被动带轮(315)经谐波减速器(328)减速与主动齿轮(318)相连，主动齿轮(318)带动从动齿轮(319)转动，从动齿轮(319)与髋关节摆动支架固定，从而带动髋关节机架转动，实现髋关节的运动；绝对位置编码器(309)配置有髋关节绝对位置编码器发信组件；安装在从动齿轮(319)上的撞块(313)和安装在髋关节绝对位置编码器发信组件上的限位开关(314)组合来控制髋关节的极限运动范围，实现电器限位，通过控制器设定带有相对位置编码器(326)的电机(301)的运动极限位置，实现髋关节在正常运动范围内运动，构成软件限位。(4)所述机械腿大腿调整装置包括电动推杆(401)、直线滑块(402)、直线导轨(403)；电动推杆(401)的固定端通过顶端转轴(404)与大腿支撑机架(206)相连、伸缩端通过底端转轴(406)与横梁(407)相连，横梁(407)与髋关节摆动支架相对固定，大腿支撑机架(206)和直线滑块(402)固定连接，直线导轨(403)与加强底板(323)固定连接，电动推杆(401)、直线滑块(402)和直线导轨(403)构成一个摆动推杆滑块机构，启动电动推杆(401)时，直线滑块(402)相对直线导轨(403)运动，从而机械腿大腿可进行长度调节；电动推杆(401)可绕顶端转轴(404)和底端转轴(406)转动；电动推杆(401)内置的位移传感器能在掉电情况下记录大腿的伸缩量，调节后的大腿长度根据位移传感器自动设定。(5)所述机械腿小腿调整装置包括电动推杆(501)、直线滑块(502)、直线导轨(503)；电动推杆(501)的固定端通过顶端转轴(504)与小腿支架(507)相连，伸缩端通过底端转轴(506)与小腿内套(111)相连，顶端转轴(504)通过转动轴座(505)与小腿机架(111)相对固定，底端转轴(506)与小腿内套(111)相对固定，直线滑块(502)与小腿内套(111)固定连接，直线导轨(503)与小腿机架(507)固定连接，电动推杆(501)、直线滑块(502)、直线导轨(503)、小腿机架(507)和小腿内套(111)构成一个摆动推杆滑块机构，启动电动推杆(501)，直线滑块(502)相对直线导轨(503)运动，从而小腿可进行长度调节；电动推杆(501)可绕顶端转轴(504)和底端转轴(506)转动；电动推杆(501)内置的位移传感器能在掉电情况下记录小腿的伸缩量，调节后的小腿长度根据绝对位移传感器自动设定。