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下肢外骨骼行走康复机器人.pdf

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下肢 骨骼 行走 康复 机器人
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摘要
申请专利号:

CN201110350834.1

申请日:

20111108

公开号:

CN102499859A

公开日:

20120620

当前法律状态:

有效性:

有效

法律详情:
IPC分类号: A61H3/00,A61F2/60 主分类号: A61H3/00,A61F2/60
申请人: 上海交通大学
发明人: 谢叻,饶玲军,孟纪超,邵卫,朱小标,王源,神祥龙
地址: 200240 上海市闵行区东川路800号
优先权: CN201110350834A
专利代理机构: 上海旭诚知识产权代理有限公司 代理人: 郑立
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201110350834.1

授权太阳城集团号:

法律状态太阳城集团日:

法律状态类型:

摘要

本发明公开了一种医疗器械技术领域的下肢外骨骼康复机器人,包括:踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、髋部及支撑架模块和拐杖模块,膝关节运动模块一端与踝关节运动模块相连,另一端与髋关节运动模块相连,髋部及支撑架模块与髋关节运动模块相连,拐杖模块独立于外骨骼本体。本发明是帮助截瘫患者实现站立并行走,通过采集拐杖与地面的接触太阳城集团来控制膝关节和髋关节的屈伸运动,从而帮助患者实现跨步,踝关节的对拉弹簧可以帮助减少来自地面的冲击,有益于患者舒适行走,提高康复训练效率。

权利要求书

太阳城集团1.一种下肢外骨骼行走康复机器人,其特征在于,包括:外骨骼本体和拐杖模块;其中,所述外骨骼本体包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、弹性驱动器模块、髋关节运动模块、腰部及支撑架模块,其中:膝关节运动模块两端分别与踝关节运动模块、髋关节运动模块相连,髋关节运动模块与腰部及支撑架模块相连接,拐杖模块结构上独立于外骨骼本体并与外骨骼本体电气连接,电气连接方式为:通过拐杖模块的按钮式电源开关和常闭开关的闭合来控制弹性驱动器模块的运动,继而控制外骨骼本体的运动。2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼行走康复机器人,其特征是,所述的踝关节运动模块包括:脚部、弹簧板、踝关节支座、踝关节固定板、拉簧,其中:踝关节支座固定于脚部,踝关节固定板通过螺丝固定在踝关节支座上,踝关节固定板通过轴承与小腿部分相连,拉簧连接在弹簧板之间。3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼行走康复机器人,其特征是,所述的膝关节运动模块包括:小腿、小腿长度调节板、定位螺栓、小腿绑带板、膝关节固定板,其中:小腿长度调节板插于小腿的槽内,可沿槽滑动并用螺栓锁紧,以调节小腿对应部分的长度,膝关节固定板通过定位螺栓与小腿长度调节板相连,另一端通过轴承与与大腿部分相连,小腿绑带板固定在小腿上,小腿的一端通过轴承连接与脚部相连。4.根据权利要求1所述的下肢外骨骼行走康复机器人,其特征是,所述的弹性驱动器模块包括:直流电机、联轴器、电机固定板、丝杠、导向杆、后弹簧挡板、丝杠螺母、弹簧长度调节板、前弹簧挡板、弹簧、丝杠固定板、推杆、推杆固定板、关节轴承,其中:直流电机固定在电机固定板上,联轴器链接直流电机和丝杠;导向杆一端固定在电机固定板上,另一端固定在丝杠固定板上,导向杆穿过后弹簧板、丝杠螺母和前弹簧板上的孔,并与这些孔之间隙配合;推杆一端固定在后弹簧板上,另一端固定在推杆固定板上,推杆穿过丝杠螺母、前弹簧挡板和丝杠固定板上的孔,并与这些孔间隙配合;四根弹簧分别放置在后弹簧挡板和丝杠螺母之间,以及丝杠螺母和前弹簧挡板之间,且四根弹簧穿过两根推杆,确定好弹簧的预压缩量之后,用螺钉将弹簧长度调节板固定在后弹簧挡板和前弹簧挡板上;关节轴承固定在推杆固定板上。5.根据权利要求1所述的下肢外骨骼行走康复机器人,其特征是,所述的髋关节运动模块包括:膝关节限位块、大腿、定位螺栓、驱动器支座、大腿长度调节板、髋关节固定板、销钉、髋关节限位块、髋关节,其中:大腿长度调节板插于大腿的槽内,可沿槽滑动并用定位螺栓锁紧,以调节大腿对应部分的长度,驱动器支座固定在大腿上,并通过轴承与弹性驱动器相连,髋关节固定板一端通过螺丝与大腿长度调节板相连,另一端通过深沟球轴承与髋关节相连,限位块通过连接于髋关节上,通过限位块上的圆弧面和斜面限制髋关节固定板绕膝关节旋转轴的旋转角度,销钉用来定位膝关节限位块和髋关节限位块的位置,从而实现不同的限位行程。6.根据权利要求1所述的下肢外骨骼行走康复机器人,其特征是,所述的腰部及支撑架模块包括:腰部支撑、支架支撑板、支架立板、支架底板和定位螺栓,其中:腰部支撑插于髋关节的方形槽内,可沿槽滑动并用紧钉螺栓锁紧,以调节腰部的横向长度尺寸,支架立板上开有方孔,腰部支撑可以左右移动调整到适合患者的髋部尺寸后用定位螺栓锁死,支架底板通过螺钉与支架立板连接,支架支撑板固定在支架底板和支架立板上以加强支撑架的刚度和强度。7.根据权利要求1所述的下肢外骨骼行走康复机器人,其特征是,所述的拐杖模块包括:电源开关、拐杖本体、连接套、常开开关、导向套、开关顶板、压簧、拐杖头,其中:电源开关通过螺纹孔与拐杖本体连接,连接套连接拐杖本体和常开开关,导向套通过螺纹与连接套的一段相连接,开关顶板与穿过导向套内孔的拐杖头相连,压簧放置在连接套和拐杖头之间。

说明书

技术领域

太阳城集团本发明涉及一种医疗器械,尤其涉及一种下肢外骨骼行走康复机器人。

背景技术

脊髓是感觉、运动、植物神经系统的传导通路,因此脊髓损伤的主要症状是因传导通路的中断而引起的麻痹。脊髓损伤是指由于各种外力作用于脊柱所造成的脊髓压迫或断裂,严重的脊髓损伤将导致下肢截瘫,因此,寻求有效的康复手段,使患者能够在一定程度上恢复失去的功能,不仅有利于提高患者本身的生活质量,也可以减轻家庭和社会的总体负担。下肢外骨骼行走康复机器人是一种可穿戴的、具有人工智能的机器人系统外骨骼,结合了人的智能和机械装置的机械能量,患者借助此系统可以摆脱轮椅,实现站立并行走,建立起对生活的信心。

经过对现有技术的检索发现,申请号为200910088396.9的中国发明专利,名称:穿戴式下肢外骨骼装置,该技术包括:腰部支撑架和载物架,可调整髋部机构,连杆可调膝关节机构,连杆可调踝关节机构,压力检测鞋,腿部连杆,约束部件及各连接件,该外骨骼装置单下肢有六个自由度,分别是髋关节两个,膝关节一个和踝关节三个自由度,该装置可用于增强穿戴者步行负重和长太阳城集团行走的能力,但该装置并未涉及驱动,故此发明所提供的功能有限,不能用于康复,不能用于帮助患者行走。申请号为200410053695.6的中国发明专利,名称:可穿戴式的下肢步行外骨骼,该技术包括:腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踝四杆机构和足底支撑,该外骨骼单下肢有四个自由度,使用四杆机构可以很好的完成较大的负载,但该外骨骼机器人只用于辅助或增强穿戴着的步行运动能力,不能用于帮助患者实现行走,且结构中没有机械限位。申请号为201010158178.0的中国发明专利申请公开的下肢康复训练机器人是帮助脑卒中患者训练的设备,不能用于帮助患者行走。申请号为201110029533.9的中国发明专利申请公开的外骨骼康复机器人用于康复训练,且没有吊装机构,很难实现帮助脑卒中和截瘫患者训练。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种下肢外骨骼行走康复机器人,辅助患者摆脱轮椅站立起来并行走,此发明装置单下肢包括三个自由度,髋关节的屈伸运动,膝关节的屈伸运动以及踝关节的跖屈背屈运动,其中前两个自由度有驱动。

太阳城集团本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括:外骨骼本体和拐杖模块;其中,所述外骨骼本体包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、弹性驱动器模块、髋关节运动模块、腰部及支撑架模块,其中:膝关节运动模块两端分别与踝关节运动模块、髋关节运动模块相连,髋关节运动模块与腰部及支撑架相连接,拐杖模块结构上独立于外骨骼本体并与外骨骼本体电气连接,电气连接方式为:通过拐杖模块的按钮式电源开关和常闭开关的闭合来控制弹性驱动器模块的运动,继而控制外骨骼本体的运动。

太阳城集团所述的踝关节运动模块包括:脚部、弹簧板、踝关节支座、踝关节固定板、拉簧,其中:踝关节支座固定于脚部,踝关节固定板通过螺丝固定在踝关节支座上,踝关节固定板通过轴承与小腿部分相连,拉簧连接在弹簧板之间。

所述的膝关节运动模块包括:小腿、小腿长度调节板、定位螺栓、小腿绑带板、膝关节固定板,其中:小腿长度调节板插于小腿的槽内,可沿槽滑动并用螺栓锁紧,以调节小腿对应部分的长度,膝关节固定板通过定位螺栓与小腿长度调节板相连,另一端通过轴承与与大腿部分相连,小腿绑带板固定在小腿上,小腿的一端通过轴承连接与脚部相连。

所述的髋关节运动模块包括:膝关节限位块、大腿、定位螺栓、驱动器支座、大腿长度调节板、髋关节固定板、销钉、髋关节限位块、髋关节,其中:大腿长度调节板插于大腿的槽内,可沿槽滑动并用定位螺栓锁紧,以调节大腿对应部分的长度,驱动器支座固定在大腿上,并通过轴承与弹性驱动器相连,髋关节固定板一端通过螺丝与大腿长度调节板相连,另一端通过深沟球轴承与髋关节相连,销钉用来定位膝关节限位块和髋关节限位块位置,从而到达不同的限位行程。

太阳城集团所述的腰部及支撑架模块包括:腰部支撑、支架支撑板、支架立板、支架底板和定位螺栓,其中:腰部支撑插于髋关节的方形槽内,可沿槽滑动并用紧钉螺栓锁紧,以调节腰部的横向长度尺寸,支架立板上开有方孔,腰部支撑可以左右移动调整到适合患者的髋部尺寸后用定位螺栓锁死,支架底板通过螺钉与支架立板连接,支架支撑板固定在支架底板和支架立板上以加强支撑架的刚度和强度。

所述的弹性驱动器模块包括:直流电机、电机固定板、联轴器、丝杠、导向杆、后弹簧挡板、丝杠螺母、前弹簧挡板、弹簧长度调节板、弹簧、丝杠固定板、推杆、推杆固定板、关节轴承,其中:电机固定在电机固定板上,联轴器连接电机和丝杠;导向杆一端固定在电机固定板上,另一端固定在丝杠固定板上,导向杆穿过后弹簧板、丝杠螺母和前弹簧板上的孔,并与这些孔之间隙配合;推杆一端固定在后弹簧板上,另一端固定在推杆固定板上,推杆穿过丝杠螺母、前弹簧挡板和丝杠固定板上的孔,并与这些孔间隙配合;四根弹簧分别放置在后弹簧挡板和丝杠螺母之间,以及丝杠螺母和前弹簧挡板之间,且四根弹簧穿过两根推杆,确定好弹簧的预压缩量之后,用螺钉将弹簧长度调节板固定在后弹簧挡板和前弹簧挡板上;关节轴承固定在推杆固定板上。

所述的拐杖模块包括:按钮式电源开关、拐杖本体、连接套、常开开关、导向套、开关顶板、压簧、拐杖头,其中:电源开关通过螺纹孔与拐杖本体连接,连接套连接拐杖本体和常开开关,导向套通过螺纹与连接套的一段相连接,开关顶板与穿过导向套内孔的拐杖头相连,压簧放置在连接套和拐杖头之间。

本发明工作时:首先测量患者小腿、大腿和髋部的尺寸,然后调节外骨骼小腿、大腿和髋部到合适的尺寸。穿戴外骨骼机器人,通过绑带将患者的大小腿与外骨骼的大小腿相连,借助腰带将患者和髋部连接在一起,患者双手握住拐杖来平衡身体并通过拐杖控制外骨骼的运动。

太阳城集团本发明相比现有技术具有以下优点:本发明中外骨骼机器人的机械装置单下肢具有三个自由度,利用较少却必须的自由度来实现行走,降低了机构的复杂程度,提高了装置的效率,通过膝关节和髋关节的屈伸运动实现跨步,踝关节的跖屈背屈运动可以帮助患者在迈步的过程中减少来自地面的冲击;膝关节和髋关节的运动范围在95°,即患者可以借助此外骨骼实现行走和坐下。且每个机器人关节运动自由度与人体关节运动自由度基本保持了同轴,这一仿生设计增强了机器的舒适性和可靠性,更有益于机器人辅助患者行走。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

太阳城集团图1是本发明的一个较佳实施例的下肢外骨骼装置的整体结构示意图。

图2是图1所示实施例中踝关节运动模块的局部示意图。

图3是图1所示实施例中膝关节运动结模块的局部示意图。

图4是图1所示实施例中弹性驱动器模块的局部示意图。

太阳城集团图5是图1所示实施例中髋关节运动模块的局部示意图。

图6是图1所示实施例中髋部和支架模块的局部示意图。

太阳城集团图7是图1所示实施例中拐杖模块的局部示意图。

太阳城集团图8是图7的拐杖模块中端部的局部示意图。

太阳城集团图9是图1所示实施例的控制电路框图。

具体实施方式

如图1所示,本实施例包括:踝关节运动模块1、膝关节运动模块2、弹性驱动器模块3、髋关节运动模块4、腰部及支撑架模块5、拐杖模块6,其中:膝关节运动模块2两端分别与踝关节运动模块1和髋关节运动模块相连4,弹性驱动器3与髋关节运动模块5相连,髋关节运动模块5与腰部及支撑架5相连接,拐杖模块6独立于外骨骼本体。

太阳城集团如图2所示,所述的踝关节运动模块1包括:脚部10、弹簧板11、踝关节支座12、踝关节固定板13、拉簧14,其中:踝关节支座12固定于脚部10,踝关节固定板13通过螺丝固定在踝关节支座12上,踝关节固定板13通过轴承与小腿部分相连,拉簧14连接在弹簧板11之间。

所述的踝关节运动模块1实现踝关节的跖屈背屈运动:即脚部绕J1轴旋转。

如图3所示,所述的膝关节运动模块2包括:小腿20、小腿长度调节板21、定位螺栓22、小腿绑带板23、膝关节固定板24,其中:小腿长度调节板21插于小腿20的槽内,可沿槽滑动并用螺栓锁紧,以调节小腿对应部分的长度,膝关节固定板24通过螺钉与小腿长度调节板21相连,另一端通过轴承与大腿部分相连,小腿绑带板23固定在小腿20上,小腿20的一端通过轴承连接与脚部相连。

所述的膝关节运动模块2实现踝关节的屈伸运动:即小腿部分绕J2轴旋转。

如图4所示,所述的弹性驱动器模块3包括:直流电机30、电机固定板31、联轴器32、丝杠33、导向杆34、后弹簧挡板35、丝杠螺母36、前弹簧挡板37、弹簧长度调节板38、弹簧39、丝杠固定板310、推杆311、推杆固定板312、关节轴承313,其中:电机30固定在电机固定板31上,联轴器32连接电机30和丝杠33;导向杆34一端固定在电机固定板31上,另一端固定在丝杠固定板310上,导向杆34穿过后弹簧板35、丝杠螺母36和前弹簧板37上的孔,并与这些孔之间隙配合;推杆311一端固定在后弹簧板35上,另一端固定在推杆固定板312上,推杆311穿过丝杠螺母36、前弹簧挡板37和丝杠固定板310上的孔,并与这些孔间隙配合;四根弹簧39分别放置在后弹簧挡板35和丝杠螺母36之间,以及丝杠螺母36和前弹簧挡板之间,且四根弹簧穿过两根推杆311,确定好弹簧39的预压缩量之后,用螺钉将弹簧长度调节板38固定在后弹簧挡板35和前弹簧挡板37上;关节轴承313固定在推杆固定板312上。

弹性驱动器模块3的工作方式:电机30旋转带动丝杠33一起旋转,丝杠33的旋转运动转化成丝杠螺母36的直线运动,丝杠螺母36的直线运动将压缩丝杠螺母和弹簧挡板间的弹簧39,弹簧的推力推动弹簧挡板35、37做直线运动,从而带动推杆311和关节轴承313做直线运动,即实现了将电机30的旋转运动转化成驱动器直线运动。

太阳城集团如图5所示,所述的髋关节运动模块4包括:膝关节限位块40、大腿41、定位螺栓42、驱动器支座43、大腿长度调节板44、髋关节固定板45、销钉46、髋关节限位块47、髋关节48,其中:大腿长度调节板44插于大腿41的槽内,可沿槽滑动并用定位螺栓42锁紧,以调节大腿对应部分的长度,驱动器支座43固定在大腿41上,并通过轴承与弹性驱动器3相连,髋关节固定板45一端通过螺丝与大腿长度调节板44相连,另一端通过深沟球轴承与髋关节48相连,限位块47通过连接于髋关节48上,通过限位块47上的圆弧面和斜面限制髋关节固定板45绕J3的旋转角度,销钉46用来定位膝关节限位块40和髋关节限位块47的位置,从而实现不同的限位行程。

所述的髋关节运动模块4实现髋关节的屈伸运动:即大腿部分绕J3轴旋转。

太阳城集团如图6所示,所述的髋部及支撑架模块5包括:腰部支撑50、支架支撑板51、支架立板52、支架底板53和定位螺栓54,其中:腰部支撑50插于髋关节48的方形槽内,可沿槽滑动并用紧钉螺栓锁紧,以调节腰部的横向长度尺寸,支架立板52上开有方孔,腰部支撑50可以左右移动调整到适合患者的髋部尺寸后用定位螺栓54锁死,支架底板53通过螺钉与支架立板52连接,支架支撑板52固定在支架底板53和支架立板52上以加强支撑架的刚度和强度。

如图7、图8所示,所述的拐杖模块6包括:按钮式电源开关60、拐杖本体61、连接套62、常开开关63、导向套64、开关顶板65、压簧66、拐杖头67,其中:电源开关60通过螺纹孔与拐杖本体61连接,连接套62连接拐杖本体61和常开开关63,导向套64通过螺纹与连接套62的一段相连接,开关顶板65与穿过导向套64内孔的拐杖头67相连,压簧66放置在连接套62和拐杖头67之间。

太阳城集团本实施例工作时:患者坐于座椅的合适位置上穿戴外骨骼本体,调整外骨骼本体的各个部分的尺寸,使人体的踝关节、膝关节和髋关节对位于机器人相应的旋转轴,以适应患者身体穿戴。穿戴好外骨骼本体后患者借助拐杖模块6站立起来。控制原理如图9所示,患者按下按钮式电源开关60后,如果右边的拐杖着地,触发拐杖头上的常开开关63闭合,外骨骼的控制系统将驱动左腿的弹性驱动器模块3工作,从而实现左腿迈步,同理,左边的拐杖着地带动右腿迈步,如此不断往复,患者得以借助外骨骼机器人行走。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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