阅读说明：本技术 一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人及其使用方法 (Three-degree-of-freedom bedside exoskeleton lower limb rehabilitation robot and use method thereof ) 是由 臧家炜 孙焱辉 王继虎 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人及其使用方法,机器人由基座、升降平台、一号电机、二号电机、三号电机、锥齿轮组、一号齿轮组、二号齿轮组、转轴、同步平台、曲杆、连杆、导向杆、滑块、托板、伸缩板、大腿板、小腿板及绑带组成；本发明的机器人具有3个自由度的康复训练功能,分别是患者髋关节的屈伸康复训练功能、患者髋关节的内收和外展康复训练功能,以及患者膝关节的屈伸康复训练功能,较以往床旁外骨骼下肢康复机器人具有更加丰富的康复训练功能,且可保证训练过程的稳定性和精确性。(The invention discloses a three-degree-of-freedom bedside exoskeleton lower limb rehabilitation robot and a using method thereof, wherein the robot consists of a base, a lifting platform, a first motor, a second motor, a third motor, a bevel gear set, a first gear set, a second gear set, a rotating shaft, a synchronous platform, a curved rod, a connecting rod, a guide rod, a sliding block, a supporting plate, a telescopic plate, a thigh plate, a shank plate and a binding band; the robot has the rehabilitation training functions of 3 degrees of freedom, namely the flexion and extension rehabilitation training functions of hip joints of patients, the adduction and abduction rehabilitation training functions of the hip joints of the patients and the flexion and extension rehabilitation training functions of knee joints of the patients, has more abundant rehabilitation training functions compared with the conventional exoskeleton lower limb rehabilitation robot beside a bed, and can ensure the stability and the accuracy of the training process.)

一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人及其使用方法。

背景技术

目前，在大多数下肢功能障碍患者的早期床旁康复治疗过程中，由于患者无法下床，故仍需治疗师对患者进行一对一的手动康复训练。然而，该训练过程劳动强度较高，对治疗师的体力是一个严峻的考验，治疗师难以保证康复训练的持续性和稳定性，且治疗师的水平也参差不齐，进而导致康复训练的效果难以得到保证。

近年来，下肢康复机器人设备逐渐走入人们的视野，开始替代治疗师的部分繁重工作。现有下肢康复机器人主要有站立外骨骼式、站立足底驱动式、轮椅外骨骼式、床旁悬吊式、床旁机械手臂式、床旁脚踏车式和普通二自由度床旁外骨骼式等。其中，站立外骨骼式、站立足底驱动式和轮椅外骨骼式下肢康复机器人无法满足重症患者早期的床旁康复训练需求；床旁悬吊式下肢康复机器人无法保证训练过程的稳定性和精确性；床旁机械手臂式和床旁脚踏车式下肢康复机器人需将患者的脚部与设备末端绑定，由设备末端运动带动患者进行康复训练，这种方式无法对患者的每个关节的活动能力进行有效评估；普通二自由度床旁外骨骼式下肢康复机器人仅能实现患者髋关节和膝关节的屈伸训练运动。因此，针对早期床旁下肢康复训练的需求，探索训练更加有效、功能更加丰富的下肢康复设备，对于满足我国广阔的康复治疗需求而言至关重要。

发明内容

为了解决现有床旁下肢康复机器人无法合理实现患者髋关节的内收和外展康复训练功能的问题，本发明提供一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人及其使用方法，以满足下肢功能障碍患者早期床旁康复训练的需求。

本发明采用的技术方案是：

一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人，包括：

基座，用于安装升降平台；

升降平台，安装在基座内，可沿基座轴线上下移动及绕基座轴线转动；

一号电机，安装在升降平台内，用于驱动转轴转动；

转轴，安装在升降平台内，与一号电机连接，用于带动大腿板及小腿板绕转轴轴线转动，从而带动患者大腿做屈伸运动；

曲杆，一端与转轴同轴连接，另一端连接大腿板；

大腿板，用于固定患者大腿，一端可转动连接曲杆，另一端连接伸缩板，大腿板外侧面设有导向杆，导向杆上滑动套装有滑块；

同步平台，一端连接转轴和曲杆，另一端通过第一齿轮副可转动连接连杆，连杆的另一端铰接滑块；

二号电机，安装在同步平台上，用于驱动第一齿轮副转动，从而带动患者大腿做内收和外展运动；

伸缩板，通过移动副连接在大腿板的端面，用于安装小腿板及调节膝关节位置；

托板，通过移动副连接在大腿板的底面，用于承托患者大腿及调节膝关节位置；

小腿板，用于固定患者小腿，通过第二齿轮副可转动安装在伸缩板上；

三号电机，安装在伸缩板上，用于驱动第二转动副转动，从而带动患者小腿做屈伸运动；及

绑带，分别设于大腿板及小腿板上，用于将患者大腿绑定在大腿板上及用于将患者小腿绑定在小腿板上。

进一步地，托板及伸缩板通过设于其端面的圆杆与大腿板通孔滑动连接，且可通过设于大腿板上的锁紧旋钮固定圆杆位置。采用该方案，调节托板及伸缩板简单方便。

进一步地，转轴与一号电机通过锥齿轮传动副连接，一号电机安装在基座内，电机输出轴延伸至升降平台轴端套装小锥齿轮，大锥齿轮套装在转轴上，与下锥齿轮啮合。通过锥齿轮组改变电机转向及降低速度，使机器人结构轻巧，大腿板屈伸速度可调。

进一步地，第一齿轮副包括一号小齿轮及一号大齿轮，一号小齿轮套装在二号电机的电机轴上，一号大齿轮通过转轴可转动安装在同步平台上，与一号小齿轮啮合，连杆偏心连接在一号大齿轮上，同步平台、曲杆、连杆、大腿板、导向杆和滑块共同组成一个曲柄摆杆机构。机器人结构轻巧，大腿板外展及内收速度可调。

进一步地，第二齿轮副包括二号小齿轮及二号大齿轮，二号小齿轮套装在三号电机的电机轴上，二号大齿轮通过转轴可转动安装在伸缩板上，与二号小齿轮啮合，小腿板偏心连接在二号大齿轮上。机器人结构轻巧，小腿板屈伸速度可调。

进一步地，大腿板的内侧面设有支耳，支耳的顶面设有圆轴连接部，大腿板通过其圆轴连接部可转动连接曲杆，且通过设于圆轴连接部顶部的端盖限定转动位置。机器人结构轻巧，大腿板运动可靠。

一种上述三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人的使用方法，在进行下肢康复训练时，通过调整基座、升降平台和托板，使大腿板轴线与患者一侧髋关节所在局部坐标系O₁-x₁y₁z₁的y₁轴重合，转轴的轴线与局部坐标系O₁-x₁y₁z₁的z₁轴；调整后，通过设置于大腿板上的绑带将患者大腿与大腿板绑定。通过此方法可实现患者髋关节的屈伸康复训练功能及患者髋关节的内收和外展康复训练功能。

一种上述三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人的使用方法，在进行下肢康复训练时，通过调整伸缩板使二号大齿轮的轴线与患者膝关节所在局部坐标系O₂-x₂y₂z₂的z₂轴重合，并通过设置于小腿板上的绑带将患者小腿与小腿板绑定。通过此方法可实现患者膝关节的屈伸康复训练功能。

一种上述三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人的使用方法，在进行下肢康复训练时，通过调整基座、升降平台和托板，使大腿板轴线与患者一侧髋关节所在局部坐标系O₁-x₁y₁z₁的y₁轴重合，转轴的轴线与局部坐标系O₁-x₁y₁z₁的z₁轴，通过设置于大腿板上的绑带将患者大腿与大腿板绑定；通过调整伸缩板使二号大齿轮的轴线与患者膝关节所在局部坐标系O₂-x₂y₂z₂的z₂轴重合，并通过设置于小腿板上的绑带将患者小腿与小腿板绑定。通过此方法可实现患者髋关节的屈伸康复训练功能及患者髋关节的内收和外展康复训练功能及患者膝关节的屈伸康复训练功能。

进一步地，将单一台机器人布置在患者病床一侧或将两台机器人镜像布置在患者病床的两侧。可实现患者单侧或两侧患者髋关节及膝关节的康复训练功能。

本发明的有益效果：

1、本发明的康复机器人，具有3个自由度的康复训练功能，分别是患者髋关节的屈伸康复训练功能、患者髋关节的内收和外展康复训练功能，以及患者膝关节的屈伸康复训练功能，较以往床旁外骨骼下肢康复机器人具有更加丰富的康复训练功能，且可保证训练过程的稳定性和精确性。

2、本发明的机器人能够大大减轻治疗师的工作负荷，所采用的技术方案便于部署和实施，能够快速实现患者下肢的绑定和调整。

3、本发明所采用的技术方案便于后期对患者的单一关节运动能力进行有效评估。

附图说明

图1是示出本发明第一实施方案的外骨骼下肢康复机器人的结构示意图。

图2是图1中A处的局部剖视图。

图3是本发明外骨骼下肢康复机器人的转轴、同步平台、曲杆、端盖及大腿板的连接结构示意图。

图4是本发明外骨骼下肢康复机器人的同步平台、二号电机、一号小齿轮及一号大齿轮的连接结构示意图。

图5是本发明外骨骼下肢康复机器人的大腿板、托板及伸缩板的连接结构示意图。

图6是本发明外骨骼下肢康复机器人的伸缩板、三号电机、二号小齿轮及二号大齿轮的连接结构示意图。

图7是本发明外骨骼下肢康复机器人的同步平台、曲杆、连杆、大腿板、导向杆和滑块所组成的曲柄摆杆机构的结构示意图。

图8是本发明外骨骼下肢康复机器人用于康复训练时的安装结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

需要说明的是，以下实施例中所述“内侧”是指大腿板与患者接触的一侧，相反一侧为“外侧”。

实施方式1

参阅图1，本实施例提供一种三自由度床旁外骨骼下肢康复机器人，包括基座1、升降平台2、一号电机3、小锥齿轮4、大锥齿轮5、转轴6、同步平台7、曲杆8、二号电机9、一号小齿轮10、一号大齿轮11、连杆12、端盖13、大腿板14、导向杆15、滑块16、托板17、伸缩板18、三号电机19、二号小齿轮20、二号大齿轮21、小腿板22、锁紧旋钮23和绑带24。

升降平台2由U形架和圆柱套筒两部分组成，圆柱套筒连接在U形架底部的中心部，两者可一体成型，也可分别加工后焊接为一体。升降平台2的圆柱套筒与基座1同轴安装，基座内设有旋转电机，旋转电机可驱动升降平台2绕基座1轴线转动；基座内设有升降电机，升降电机可驱动升降平台2在基座1内上下升降，升降平台2与基座1为现有技术，其结构与工作原理这里不在赘述。一号电机3固定安装在升降平台2的圆柱套筒内，电机输出轴竖直向上延伸至升降平台2的U形架中，电机输出轴端部套装固定小锥齿轮4。

转轴6的一端呈阶梯圆柱状，另一端呈方形柱状，圆柱与方形柱之间通过方形轴肩连接，阶梯圆柱的小径段与大径段的连接处形成圆形轴肩。转轴6的圆柱端穿过升降平台2的U形架的两侧壁可转动地设于U形架两侧壁的通孔内，并通过圆形轴肩实现转轴6与升降平台2端面之间的定位；转轴6圆柱端大径段套装固定有大锥齿轮5，大锥齿轮5与小锥齿轮4啮合，转轴6的方形柱端插装在同步平台7的方形通孔内，且通过方形轴肩实现定位。

同步平台7一端设有方形通孔，另一端设有安装平台，安装平台的底部固定安装有二号电机9，二号电机9的输出轴向上伸出安装平台，伸出端固装有一号小齿轮10；一号大齿轮11可转动安装于同步平台7上，与一号小齿轮10啮合。

曲杆8的一端设有方形连接部，另一端设有圆形通孔，曲杆8的方形连接部插装在同步平台7的方形通孔内。

大腿板14的一侧的内侧面径向向外突出形成支耳，支耳的顶面径向向外突出形成圆轴连接部，圆轴连接部活动穿过曲杆8的圆形通孔，伸出端固定连接端盖13，端盖13用于大腿板14与曲杆8之间的转动限位。大腿板14的另一侧的板面设有方形通孔，方形通孔的底部设有用于安装托板的第一通孔，方形通孔的外侧壁设有用于安装伸缩板的第二通孔。方形通孔的设计方便伸缩板及托板的安装及位置调节，且可减小大腿板重量使结构轻巧。

一号电机3驱动小锥齿轮3绕基座1轴线转动，带动大锥齿轮4转动，从而带动转轴6、同步平台7、曲杆8以及大腿板14绕转轴6的轴线同步转动。

大腿板14的外侧面固定连接有导向杆15，导向杆15的横截面呈矩形，导向杆15的顶面与同步平台7的顶部平面平齐；导向杆15上滑动套装有滑块16。连杆12的一端偏心固定在一号大齿轮11上，另一端与滑块16通过转轴连接。优选大腿板14的方形通孔沿导向杆15长度方向开设，方便滑块16的安装及移动。

同步平台7、曲杆8、连杆12、大腿板14、导向杆15和滑块16组成的机构可以简化为一个曲柄摆杆机构，二号电机9驱动一号小齿轮10转动，带动一号大齿轮11转动，通过曲柄摆杆机构带动大腿板14绕端盖13的轴线的转动。

托板17的一端设有圆杆连接部，所述圆杆连接部由托板侧面局部径向凸出形成，托板通过其圆柱连接部可滑动插装在大腿板14的第一通孔内，托板17板面向大腿板14内侧面垂直延伸，托板17用于承托患者的大腿。

伸缩板18的一侧面设有圆杆连接部，所述圆杆连接部由伸缩板侧面局部径向凸出形成，圆柱连接部的轴线与伸缩板18的板面平行，伸缩板18通过其圆柱连接部可滑动插装在大腿板14的第二通孔内，伸缩板18的内侧面与大腿板14的内侧面平齐。

托板17及伸缩板18通过其圆杆连接部可实现托板17和伸缩板18沿各自圆杆方向的移动，从而实现托板17及伸缩板18与大腿板14之间的距离可调，以适应不同身长患者的使用。大腿板14上设有锁紧旋钮23，锁紧旋钮23螺旋穿过大腿板的圆形通孔抵靠托板17和伸缩板18的圆杆，用于锁定托板17和伸缩板18。

伸缩板18的外侧面设有L形支架，L形支架的一端垂直固定在伸缩板18上，另一端竖直向上延伸，三号电机19固定安装在L形支架上，电机输出轴水平穿过L形支架固定连接有二号小齿轮20，伸缩板18上安装有二号大齿轮21，二号大齿轮21与二号小齿轮20啮合。小腿板22的一端偏心固定在二号大齿轮21上，另一端沿大腿板14板面延伸。

三号电机19驱动二号小齿轮20转动，带动二号大齿轮21转动，从而带动小腿板22绕二号大齿轮21的旋转轴线转动。

为了更稳定地固定患者腿部，大腿板14和小腿板22上均设有绑带24。

在使用本发明的机器人进行患者下肢康复训练时，可通过调整基座1位置以及升降平台2的高度和旋转角度，使得端盖13的轴线与患者髋关节所在局部坐标系O₁-x₁y₁z₁的y₁轴重合，转轴6的轴线与局部坐标系O₁-x₁y₁z₁的z₁轴重合；同时，通过调整托板17和伸缩板18使得二号大齿轮21的轴线与患者膝关节局部坐标系O₂-x₂y₂z₂的z₂轴重合；在一号电机3的驱动下，可实现患者大腿绕z₁轴的屈伸训练运动；在二号电机9的驱动下，可实现患者大腿绕y₁轴的内收和外展训练运动；在三号电机19的驱动下，可实现患者小腿绕z₂轴的屈伸训练运动。

当采用两台本发明的机器人进行患者下肢康复训练时，可通过镜像布置同时实现患者两侧下肢的康复训练。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。