專利名稱：一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，可以作為穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)的基本組成單元，用于對下肢偏癱或下肢運動功能損傷的患者進行康復訓練，以幫助患者恢復下肢運動功能和正常步態(tài)的重建。
背景技術：
減重步行訓練是下肢康復醫(yī)療采用的主要方法，由吊帶承受患者部分體重以減少下肢的負荷，并在醫(yī)師幫助下借助于運動平板進行康復訓練。訓練過程中一般需要兩名醫(yī)師相互協(xié)調，一名醫(yī)師幫助患者完成下肢擺動和足-板接觸運動，另一名醫(yī)師保持患者直立并幫助患者進行髖伸展。減重步行訓練可以獲得較為理想的下肢康復醫(yī)療效果，但在很大程度上取決于醫(yī)師的臨床經(jīng)驗。另外，減重步行訓練還需要在特定環(huán)境中進行，訓練過程中醫(yī)師的工作強度大、占時較長、效率較低。由于專業(yè)人員的缺乏，很多患者只能選擇自行訓練，往往因方法不夠科學或訓練量不足導致康復效果不夠理想。為彌補專業(yè)人員的不足， 減輕醫(yī)師工作強度并為患者提供及時有效的醫(yī)療服務。自上世紀九十年代以來，一些研究機構相繼開展了穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)的研制工作。穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)可以顯著降低醫(yī)師的工作強度，并具有訓練參數(shù)重復性好、訓練指標可根據(jù)需要設定以及能夠有效加快下肢康復進程等優(yōu)點。穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)主要由減重裝置、運動平板和下肢康復訓練機器人等組成。下肢康復訓練的過程是患者穿戴下肢康復訓練機器人機構并經(jīng)吊帶減重后，機器人機構根據(jù)預先規(guī)劃的運動規(guī)律導引下肢協(xié)同運動進行康復訓練?，F(xiàn)有研制的有代表性的穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)主要有蘇黎士 Balgrist醫(yī)學康復中心與Hocoma醫(yī)療器械公司研制的L0K0MAT系統(tǒng)，荷蘭Twente大學生物醫(yī)學工程研究所研制的LOPES系統(tǒng)和美國特拉華大學機械工程系統(tǒng)實驗室研制的ALEX系統(tǒng)等。其中，已有部分穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)(如L0K0MAT系統(tǒng))開始進入臨床應用階段。穿戴型下肢康復訓練機器人系統(tǒng)是典型的人-機一體化系統(tǒng)，為保證康復訓練過程中人-機系統(tǒng)的安全性，要求下肢康復訓練機器人機構與人體下肢之間具有良好的運動相容性，以避免人-機之間在連接(穿戴)部位產生較強的相互作用以及由此導致的人-機運動干涉和安全問題。從現(xiàn)有下肢康復訓練機器人機構的結構組成看，機器人機構的髖關節(jié)多采用單自由度轉動關節(jié)(如L0K0MAT系統(tǒng)中的機器人機構)或兩個單自由度轉動關節(jié) (如LOPES系統(tǒng)中的機器人機構)通過高副低代來進行運動等效，膝關節(jié)均為單自由度轉動關節(jié)，各關節(jié)軸線擬人體下肢對應關節(jié)的結構與運動功能進行分解布位。機器人機構中構件的尺度參數(shù)則根據(jù)人體下肢骨胳的比例和長度確定，或構件設計成可調節(jié)式以增強對人體下肢尺度的適應性。在人-機連接(穿戴)方式上，均采用機器人機構與人體下肢在大、 小腿的中下部通過固聯(lián)于機器人構件的綁帶或穿戴件以緊致穿戴的形式相連接。根據(jù)人體解剖學，人體下肢骨胳的髖關節(jié)為如圖1所示的三自由度球窩關節(jié)，膝關節(jié)為圖2所示的單自由度滑車球狀關節(jié)，膝關節(jié)在繞其自身軸線轉動的同時還伴生有軸線的滑移運動。顯然，現(xiàn)有下肢康復訓練機器人機構與人體下肢在關節(jié)形式以及關節(jié)運動屬性上是不同的，區(qū)別在于人體下肢髖關節(jié)的運動為繞球窩中心的三自由度轉動，膝關節(jié)為單自由度滑車球狀關節(jié)，膝關節(jié)在轉動的同時其關節(jié)軸線還存在有滑移運動，而下肢康復訓練機器人機構各關節(jié)的運動只能是繞其自身軸線的轉動。當人體下肢與機器人機構在大、小腿的中下部穿戴連接(穿戴)后，人體下肢與機器人機構形成封閉的空間運動鏈。由于兩者在關節(jié)形式及關節(jié)運動屬性上的差異，容易出現(xiàn)運動學意義上的不相容現(xiàn)象，導致人-機之間在連接部位發(fā)生運動干涉與沖突。若人-機在大、小腿連接部位為無相對運動的緊致連接，僅由于兩者在膝關節(jié)運動屬性上的差異就可能導致人-機之間發(fā)生運動沖突， 原因是人-機在大、小腿處連接后形成的局部閉鏈的理論自由度為零。如果允許在人-機連接部位處有很小的彈性變形(人體下肢連接部位的軟組織彈性變形)，則在康復訓練過程中當人-機之間大、小腿的相對位形偏離到一定幅度時，因連接部位的彈性變形過大，也必然會出現(xiàn)運動干涉現(xiàn)象，導致康復訓練難以進行或出現(xiàn)安全問題。因此，應該綜合考慮下肢康復訓練機器人機構與人體下肢在關節(jié)形式、關節(jié)運動屬性上的差異以及人-機之間連接形式等對人-機系統(tǒng)運動相容性的影響，從人-機系統(tǒng)的整體角度出發(fā)進行下肢康復訓練機器人機構的設計，以改善機器人機構與人體下肢之間的運動相容性，提高下肢康復訓練的安全性和有效性。

實用新型內容為了使下肢康復訓練機器人機構具有更好的人-機運動相容性，以提高下肢康復訓練的安全性與康復訓練的醫(yī)療效果，本實用新型設計了一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構。其設計理念是下肢康復訓練機器人機構由外骨骼機構以及用于與人體下肢相連的連接關節(jié)和連接件組成。其中，外骨骼機構實現(xiàn)的功能是帶動人體下肢作左、右側擺運動和前、后屈曲運動，連接關節(jié)和連接件的作用是在外骨骼構件與綁帶或穿戴件之間增加運動自由度以改善人-機之間的運動相容性。本實用新型的技術方案一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，由外骨骼機構以及用于與人體下肢相連的連接關節(jié)和連接件組成。如圖3所示，外骨骼機構含有兩條構成相同，且左、右對稱布置的分支機構。左分支機構由腰部構件1，上腿構件2，下腿構件3，單自由度轉動關節(jié)A，單自由度轉動關節(jié)B和單自由度轉動關節(jié)C組成。其中，轉動關節(jié)A與轉動關節(jié)B的回轉軸線彼此正交，構成左分支機構的兩自由度髖關節(jié)。轉動關節(jié)C為左分支機構的膝關節(jié)，其回轉軸線與關節(jié)B的回轉軸線相平行。左分支機構中構件之間的連接關系是 腰部構件1與上腿構件2通過轉動關節(jié)B相連，上腿構件2與下腿構件3通過轉動關節(jié)C 相連。右分支機構由腰部構件4，上腿構件5，下腿構件6，單自由度轉動關節(jié)D，單自由度轉動關節(jié)E和單自由度轉動關節(jié)F組成。其中，轉動關節(jié)D與轉動關節(jié)E的回轉軸線彼此正交，構成右分支機構的兩自由度髖關節(jié)。轉動關節(jié)F為右分支機構的膝關節(jié)，其回轉軸線與關節(jié)E的回轉軸線相平行。右分支機構中構件之間的連接關系是腰部構件4與上腿構件 5通過轉動關節(jié)E相連，上腿構件5與下腿構件6通過轉動關節(jié)F相連。左、右兩條分支機構分別通過腰部構件1、轉動關節(jié)A以及腰部構件4、轉動關節(jié)D在腰部聯(lián)接構件0的兩端與其連接為一體，由此構成具有六個轉動自由度的外骨骼機構。[0009]外骨骼機構與人體下肢的連接方式是左分支機構的上腿構件2和下腿構件3分別與人體左下肢的大腿和小腿通過連接關節(jié)及連接件相連接。上腿構件2與人體左下肢大腿之間的連接關節(jié)與連接件依次為沿上腿構件2桿長方向上移動的滑塊7、與滑塊7固聯(lián)的桿件8、與桿件8固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)G以及與球副關節(jié)G固聯(lián)的綁帶9。下腿構件 3與人體左下肢小腿之間的連接關節(jié)與連接間依次為沿下腿構件3桿長方向上移動的滑塊 10、與滑塊10固聯(lián)的桿件11、沿桿件11桿長方向移動的滑塊12、與滑塊12固聯(lián)的桿件13、 與桿件13固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)H以及與球副關節(jié)H固聯(lián)的綁帶14。右分支機構的上腿構件5和下腿構件6分別與人體右下肢的大腿和小腿通過連接關節(jié)及連接件相連接。上腿構件5與人體右下肢大腿之間的連接關節(jié)與連接件依次為沿上腿構件5桿長方向上移動的滑塊15、與滑塊15固聯(lián)的桿件16、與桿件16固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)I以及與球副關節(jié)I固聯(lián)的綁帶17。下腿構件6與人體右下肢小腿之間的連接關節(jié)與連接間依次為沿下腿構件6桿長方向上移動的滑塊18、與滑塊18固聯(lián)的桿件19、沿桿件19桿長方向移動的滑塊20、與滑塊20固聯(lián)的桿件21、與桿件21固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)J以及與球副關節(jié) J固聯(lián)的綁帶22。所述的外骨骼機構和所有的連接關節(jié)及連接件共同構成具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構。為了簡化下肢康復訓練機器人機構的設計，可以根據(jù)需要在機器人機構中去除部分連接件，如去除滑塊12、桿件13以及滑塊20、桿件21，使桿件11與球副關節(jié)H、桿件19 與球副關節(jié)J之間固聯(lián)?；蜴i定部分連接關節(jié)中的部分自由度，如鎖定三自由度球副關節(jié) G繞桿件8、三自由度球副關節(jié)I繞桿件16的轉動自由度，使球副關節(jié)G和球副關節(jié)I均退化為兩自由度虎克鉸關節(jié)。或者球副關節(jié)H和球副關節(jié)J均退化為兩自由度虎克鉸關節(jié)；或者球副關節(jié)G和球副關節(jié)I，球副關節(jié)G和球副關節(jié)I均退化為兩自由度虎克鉸關節(jié)。與以上相類似的簡化設計方案均屬于本下肢康復訓練機器人機構技術方案所涵蓋的范圍。本實用新型的有益效果人體下肢通過綁帶9、綁帶14、綁帶17和綁帶22與下肢康訓練復機器人機構緊致連接后，康復訓練機器人機構可以導引人體下肢進行康復訓練， 實現(xiàn)人體下肢較大幅度的左、右側擺運動和前、后屈曲運動。由于在外骨骼機構與綁帶之間增置了連接關節(jié)和連接件，使人體下肢與康復訓練機器人機構通過綁帶緊致連接所構成的人-機系統(tǒng)的運動相容性得到明顯改善，有助于提高下肢康復訓練的安全性及康復訓練的醫(yī)療效果。

圖1為人體下肢的三自由度球窩髖關節(jié)。圖2為人體下肢的單自由度滑車球狀膝關節(jié)。圖3為本實用新型的下肢康復訓練機器人機構。圖4為本實用新型的實施方式1。圖5為本實用新型的實施方式2。圖6為本實用新型的實施方式3。圖3中，0-腰部聯(lián)接構件，1-腰部構件，2-上腿構件，3-下腿構件，A-單自由度轉動關節(jié)，B-單自由度轉動關節(jié)，C-單自由度轉動關節(jié)，4-腰部構件，5-上腿構件，6-下腿構件，D-單自由度轉動關節(jié)，E-單自由度轉動關節(jié)，F(xiàn)-單自由度轉動關節(jié)，7-滑塊，8-桿件， G-三自由度球副關節(jié)，9-綁帶，10-滑塊，11-桿件，12-滑塊，13-桿件，H-三自由度球副關節(jié)，14-綁帶，15-滑塊，16-桿件，I-三自由度球副關節(jié)，17-綁帶，18-滑塊，19-桿件，20-滑塊，21-桿件，J-三自由度球副關節(jié)，22-綁帶。 圖4中，23-三自由度球窩髖關節(jié)，24-單自由度滑車球狀膝關節(jié)，25-大腿，26-小腿，27-三自由度球窩髖關節(jié)，28-單自由度滑車球狀膝關節(jié)，29-大腿，30-小腿。圖6中，31-兩轉動自由度虎克鉸關節(jié)，32-兩轉動自由度虎克鉸關節(jié)。
具體實施方式
實施方式1 本實用新型的實施方式1如圖4所示，下肢康復訓練機器人機構與人體下肢的連接(穿戴)方式是外骨骼左分支機構的轉動關節(jié)A和轉動關節(jié)B的回轉軸線交點與人體左下肢球窩髖關節(jié)23的中心點重合，轉動關節(jié)C的回轉軸線與人體左下肢滑車球狀膝關節(jié) 24的回轉軸線彼此平行，左分支機構分別通過綁帶9和綁帶14與左下肢的大、小腿緊致連接。外骨骼右分支機構的轉動關節(jié)D和轉動關節(jié)E的回轉軸線交點與人體由下肢球窩髖關節(jié)27的中心點重合，轉動關節(jié)F的回轉軸線與人體右下肢滑車球狀膝關節(jié)觀的回轉軸線彼此平行，右分支機構分別通過綁帶17和綁帶22與右下肢的大、小腿緊致連接。實施方式2 本實用新型的實施方式2如圖5所示，在該實施方式中下肢康復訓練機器人機構與人體下肢的連接方式與實施方式1相同。實施方式2相對實施方式1的差異之處是在機器人機構中去掉了滑塊12、桿件13、滑塊20和桿件21，且桿件11和桿件19分別直接與球副關節(jié)H及球副關節(jié)J直接固聯(lián)。實施方式3 本實用新型的實施方式3如圖6所示，在該實施方式中下肢康復訓練機器人機構與人體下肢的連接方式與實施方式2相同。實施方式3相對實施方式2的差異之處是在球副關節(jié)H及球副關節(jié)J中，分別去掉了繞桿件11和桿件19桿長方向的轉動自由度，球副關節(jié)H及球副關節(jié)J分別退化為具有兩個轉動自由度的虎克鉸關節(jié)31和32。
權利要求1.一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，包括外骨骼機構以及用于與人體下肢相連接的連接關節(jié)和連接件；其特征在于外骨骼機構含有兩條構成相同， 且左、右對稱布置的分支機構，左、右兩條分支機構通過腰部連接構件連接為一體；左分支機構由腰部構件(1)，上腿構件O)，下腿構件(3)，單自由度轉動關節(jié)(A)，單自由度轉動關節(jié)(B)和單自由度轉動關節(jié)(C)組成；其中，轉動關節(jié)(A)與轉動關節(jié)(B)的回轉軸線彼此正交，構成左分支機構的兩自由度髖關節(jié)；轉動關節(jié)(C)為左分支機構的膝關節(jié)，其回轉軸線與關節(jié)(B)的回轉軸線相平行；右分支機構由腰部構件G)，上腿構件(5)， 下腿構件(6)，單自由度轉動關節(jié)(D)，單自由度轉動關節(jié)(E)和單自由度轉動關節(jié)(F)組成；其中，轉動關節(jié)(D)與轉動關節(jié)(E)的回轉軸線彼此正交，構成右分支機構的兩自由度髖關節(jié)；轉動關節(jié)(F)為右分支機構的膝關節(jié)，其回轉軸線與關節(jié)(E)的回轉軸線相平行； 左分支機構中各構件之間的連接關系是腰部構件(1)與上腿構件(2)通過轉動關節(jié) ⑶相連，上腿構件⑵與下腿構件⑶通過轉動關節(jié)(C)相連；右分支機構中各構件之間的連接關系是腰部構件⑷與上腿構件(5)通過轉動關節(jié)(E)相連，上腿構件(5)與下腿構件(6)通過轉動關節(jié)(F)相連；左、右兩條分支機構分別通過腰部構件(1)、轉動關節(jié)(A) 以及腰部構件G)、轉動關節(jié)(D)在腰部聯(lián)接構件(0)的兩端與其連接為一體，由此構成具有六個轉動自由度的外骨骼機構。
2.根據(jù)權利要求(1)所述的具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，其特征在于外骨骼左分支機構的上腿構件(2)和下腿構件(3)分別與人體左下肢的大腿和小腿通過連接關節(jié)及連接件相連接；上腿構件( 與人體左下肢大腿之間的連接關節(jié)與連接件依次為沿上腿構件( 桿長方向上移動的滑塊(7)、與滑塊(7)固聯(lián)的桿件(8)、與桿件⑶固聯(lián)的三自由度球副關節(jié) (G)以及與球副關節(jié)(G)固聯(lián)的綁帶(9)；下腿構件(3)與人體左下肢小腿之間的連接關節(jié)與連接間依次為沿下腿構件C3)桿長方向上移動的滑塊(10)、與滑塊(10)固聯(lián)的桿件 (11)、沿桿件(11)桿長方向移動的滑塊(12)、與滑塊(12)固聯(lián)的桿件(13)、與桿件(13) 固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)(H)以及與球副關節(jié)(H)固聯(lián)的綁帶(14)；外骨骼右分支機構的上腿構件( 和下腿構件(6)分別與人體右下肢的大腿和小腿通過連接關節(jié)及連接件相連接；上腿構件( 與人體右下肢大腿之間的連接關節(jié)與連接件依次為沿上腿構件( 桿長方向上移動的滑塊(15)、與滑塊(15)固聯(lián)的桿件(16)、與桿件(16)固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)(I)以及與球副關節(jié)(I)固聯(lián)的綁帶(17)；下腿構件(6)與人體右下肢小腿之間的連接關節(jié)與連接間依次為沿下腿構件(6)桿長方向上移動的滑塊(18)、與滑塊(18)固聯(lián)的桿件(19)、沿桿件(19)桿長方向移動的滑塊(20)、與滑塊00)固聯(lián)的桿件(21)、與桿件 (21)固聯(lián)的三自由度球副關節(jié)(J)以及與球副關節(jié)(J)固聯(lián)的綁帶02)； 或者桿件(11)與球副關節(jié)(H)、桿件(19)與球副關節(jié)(J)之間固聯(lián)； 或球副關節(jié)(G)和球副關節(jié)(I)均退化為兩自由度虎克鉸關節(jié)； 或者球副關節(jié)(H)和球副關節(jié)(J)均退化為兩自由度虎克鉸關節(jié)； 或者球副關節(jié)(G)和球副關節(jié)(I)，球副關節(jié)(H)和球副關節(jié)(J)均退化為兩自由度虎克鉸關節(jié)。
專利摘要本實用新型涉及一種具有人-機運動相容性的下肢康復訓練機器人機構，由外骨骼機構以及用于與人體下肢相連的連接關節(jié)和連接件構成。其中，外骨骼機構含有左、右兩條對稱布置的分支機構，兩條分支機構均由腰部構件、上腿構件、下腿構件以及髖關節(jié)和膝關節(jié)組成。兩條分支機構通過腰部連接構件聯(lián)為一體，每條分支機構的上腿構件和下腿構件分別與人體單側下肢的大腿和小腿通過連接關節(jié)及連接件相連，外骨骼機構以及全部的連接關節(jié)和連接件共同組成下肢康復訓練機器人機構。本實用新型可導引人體下肢作較大幅度的左、右側擺運動和前、后屈曲運動。還使穿戴后形成的人-機系統(tǒng)的運動相容性得到明顯改善，能提高下肢康復訓練的安全性和有效性。
文檔編號A61H1/02GK202184900SQ20112024781
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權日2011年7月14日
發(fā)明者吳?，? 張自強, 李劍鋒, 肖博, 鄧楚慧 申請人:北京工業(yè)大學