一种外骨骼式步态康复训练装置

摘要

本发明公开一种外骨骼式步态康复训练装置，该装置主要包括支架、健肢侧外骨骼系统、健肢侧腋下支撑机构、患肢侧腋下支撑机构和患肢侧外骨骼系统；在健肢侧，应用外骨骼式运动参数检测系统检测健肢运动参数，健肢运动参数检测系统的脚踝部与原地步行系统连接；在患肢侧，应用三自由度的下肢外骨骼系统实现对患者患肢的辅助运动。康复训练时，腋下支撑机构支撑于患者腋下，用以减轻患者下肢负担，腋下支撑机构为左右为对称结构，腋下支撑部位的高度可以调整，以适应不同患者。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人和医疗器械技术领域，具体是一种外骨骼式步态康复训练装置。 

背景技术

人体下肢支撑着人的身体，担负着行走的功能，在人的日常生活中发挥着重要作用。人体下肢康复训练机器人的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 

目前下肢步态康复训练机器人大多采用机械外骨骼结构或踏板结构实现康复运动，或者通过驱动人体盆骨来校正人体步态。采用外骨骼结构的步态康复机器人，如瑞士的Lokomat步态康复训练机器人，其主要由步态矫正器、体重支持系统和步行台组成。其步态矫正器为外骨骼结构，每条外骨骼具有两个自由度，可实现髋关节和膝关节在矢状面内的运动。德国的Haptic walker步态康复训练机器人为典型的踏板结构，具有体重支持系统，并由两套踏板系统带动患者在矢状面内做固定轨迹的康复运动训练，每一套踏板系统具有3个自由度，为串并联相结合的结构，采用电机驱动，带动人体在矢状面内做固定轨迹运动。美国的机器人步态康复（RGR）系统则采用了驱动人体盆骨进行步态康复训练的方式，此系统由体重支持系统、盆骨运动系统和步行台构成，盆骨运动系统在人体左右两侧各有一个运动单元，每个运动单元由两个相互垂直的滑轨构成，机器人通过臀部连接支架与患者相连，线性电机垂直与水平面安装，可对盆骨的异常运动产生作用力。 

机械外骨骼可以直接驱动人体下肢的各个关节，且结构相对简单，但是目前的康复用下肢外骨骼大都不能支持患者的身体，需要与步行台及体重支撑系统配合使用来实现康复训练，并且康复训练过程中步行台会对人体的步态产生一定的影响。踏板结构虽然不需要使用步行台，但由于其不能直接驱动下肢关节，所以使用中难以使患者下肢各关节按一定的步态参数进行康复训练。通过 驱动人体盆骨来校正人体步态可以达到一定的康复训练效果，但是需要步行台配合进行康复训练，并且与踏板结构类似，此种方式也不能直接驱动下肢关节，所以使用中具有一定的局限性，康复训练效果也受到限制。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种外骨骼式步态康复训练装置。该装置适用于偏瘫患者，不仅能够支撑患者体重，并且在进行下肢康复训练时不需要步行台。该装置包括支架、患肢侧外骨骼系统、健肢侧外骨骼系统以及腋下支撑机构。健肢侧外骨骼系统包括健肢运动参数检测系统和原地步行系统，运动参数检测系统检测人体步态参数，以患者健肢的各关节的运动参数作为患肢运动的参考，原地步行系统用于提供人体下肢与地面的相互作用力。患肢侧外骨骼系统安装有伺服电机，能够带动人体患肢运动，并安装有力传感器，能够感知患者患肢与患肢侧外骨骼系统相互作用力。康复训练中，机器人实时监测患肢的运动，当患者患肢能够自主运动时，患肢侧外骨骼系统跟随患者患肢运动，不对患肢运动产生影响。当患肢的运动参数与健肢相关参数产生误差时，患肢侧外骨骼系统带动患肢运动，帮助患者完成康复训练。这样，不仅使患者的步态更加自然，而且增加了患者的主动参与程度。 

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种外骨骼式步态康复训练装置，主要包括支架、健肢侧外骨骼系统、健肢侧腋下支撑机构、患肢侧腋下支撑机构和患肢侧外骨骼系统； 

所述支架包括支架主体、健肢侧连接架和患肢侧连接架； 

所述健肢侧外骨骼系统由具有平面四杆结构的原地步行系统与外骨骼式健肢关节运动参数检测系统构成；所述原地步行系统包括托板、下连杆、竖连杆、外支撑杆、内支撑杆、健肢侧外骨骼系统伺服电机、支撑杆连接件、减速器、阻尼器、健肢侧基板和轴；所述外支撑杆、内支撑杆、支撑杆连接件、健肢侧基板、下连杆以及竖连杆构成一个四连杆机构，健肢侧基板为该四杆机构的机架；其中，外支撑杆、内支撑杆与支撑杆连接件固连，用以支撑患者的踩踏力；健肢侧外骨骼系统伺服电机与减速器相连，减速器的输出端与磁流变阻 尼器外壳相连；健肢侧外骨骼系统伺服电机与阻尼器作为原地步行系统的执行元件，为平面四杆机构的运动提供驱动力矩或阻尼器力矩，驱动力矩用以补偿原地步行系统的重力，阻尼力矩用以模拟人体脚部与地面的水平作用力；托板与下连杆固连，托板的运动姿态与下连杆一致，始终与地面保持平行；健肢侧连接架将健肢侧基板与支架固连； 

所述外骨骼式健肢关节运动参数检测系统包括健肢侧脚部固定装置、健肢侧小腿固定装置、小腿板、检测系统踝关节、膝关节角位移传感器、健肢侧大腿固定装置、大腿板、检测系统髋关节、髋关节角位移传感器、U形连接件、一号力传感器、滑块、二号力传感器和检测系统踝关节；所述检测系统髋关节安装于轴，并可绕该轴转动，检测系统髋关节安装有髋关节角位移传感器，大腿板上端与检测系统髋关节相连，下端通过检测系统膝关节与小腿板相连，检测系统膝关节安装有膝关节角位移传感器，健肢侧大腿固定装置安装于大腿板，健肢侧小腿固定装置安装于小腿板，小腿板通过检测系统踝关节与健肢侧脚部固定装置连接，健肢侧脚部固定装置与托板接触，且可分离，检测系统踝关节通过U形连接件与滑块相连，其间安装有健肢侧踝关节前端力传感器和健肢侧踝关节前端力传感器，用以感知U形连接件与滑块间的相互作用力，滑块可沿外支撑杆和内支撑杆上下滑动；检测系统踝关节与U形连接件可相对转动；工作时参数检测系统随患者下肢一起运动，检测系统髋关节、检测系统膝关节以及检测系统踝关节与患者的髋关节、膝关节以及踝关节同轴运动，用以检测患者相关关节运动参数； 

所述健肢侧腋下支撑机构包括健肢侧手轮和健肢侧腋下支撑杆，患肢侧腋下支撑机构包括患肢侧手轮和患肢侧腋下支撑杆；健肢侧手轮用以调节健肢侧腋下支撑杆的高度，患肢侧手轮用以调节患肢侧腋下支撑杆的高度； 

所述患肢侧外骨骼系统包括内侧大腿板、患肢侧基板、外侧大腿板、患肢侧大腿固定机构、内侧小腿板、外侧小腿板、患肢侧小腿固定机构、患肢侧脚部固定机构、患肢侧髋关节、患肢侧膝关节、患肢侧踝关节、脚部连接板、脚部支撑板、大腿后端力检测装置、大腿前端力检测装置、小腿前端力检测装置、小腿后端力检测装置、脚部上端力检测装置、脚部下端力检测装置、患肢侧髋 关节伺服电机、患肢侧髋关节减速器、患肢侧膝关节伺服电机、患肢侧膝关节减速器、患肢侧踝关节伺服电机和患肢侧踝关节减速器；所述患肢侧基板通过患肢侧连接架与支架固连，患肢侧髋关节与患肢侧基板固连，内侧大腿板和外侧大腿板的上端与患肢侧髋关节相连，下端与患肢侧膝关节的相连，内侧小腿板和外侧小腿板的上端与患肢侧膝关节的相连，下端与患肢侧踝关节相连，脚部连接板一端与患肢侧踝关节相连，另一端与脚部支撑板固连； 

所述患肢侧大腿固定机构安装于内侧大腿板，大腿后端力检测装置和大腿前端力检测装置分别安装于患肢侧大腿固定机构的两端，患肢侧小腿固定机构安装于内侧小腿板，小腿前端力检测装置和小腿后端力检测装置分别安装于患肢侧小腿固定机构的两端，患肢侧脚部固定机构安装于脚部支撑板，脚部上端力检测装置和脚部下端力检测装置分别安装于患肢侧脚部固定机构的上下两端； 

所述患肢侧髋关节伺服电机与患肢侧髋关节减速器相连，驱动患肢侧髋关节运动，患肢侧膝关节伺服电机与患肢侧膝关节减速器相连，驱动患肢侧膝关节运动，患肢侧踝关节伺服电机与患肢侧踝关节减速器相连，驱动患肢侧踝关节运动。 

本发明所述下肢外骨骼康复训练装置其下肢外骨骼系统采用新型结构，在健肢侧，应用外骨骼式运动参数检测系统检测健肢运动参数，健肢运动参数检测系统的脚踝部与原地步行系统连接，且可相对转动。原地步行系统采用四连杆结构，磁流变阻尼器提供人体下肢与地面的相互作用力，能够实现人体下肢在矢状面内的原地步行运动。 

在患肢侧，应用三自由度的下肢外骨骼系统实现对患者患肢的辅助运动。患者患肢侧外骨骼系统在大腿、小腿以及脚部均安装有力传感器，用以感知患者患肢与患肢侧外骨骼的相互作用力，应用伺服电机驱动患肢侧外骨骼系统的运动，其大腿部分和小腿部分均采用了平行的两根连杆，以增大其承重能力。 

康复训练时，腋下支撑机构支撑于患者腋下，用以减轻患者下肢负担，腋下支撑机构为左右为对称结构，腋下支撑部位的高度可以调整，以适应不同患者。 

与现有技术相比，本发明下肢外骨骼康复训练装置的有益效果是： 

1.设计有腋下支撑机构，能够直接支撑患者的体重或部分体重，减轻患者下肢负担，并可实现原地步行，消除了步行台对人体步态的影响。 

2.健肢侧外骨骼系统采用磁流变阻尼器提供阻力，用以模拟人体行走时脚部与地面的摩擦力。 

3.健肢侧外骨骼系统的关节运动参数检测系统可以检测患者健肢髋关节的屈/伸运动，膝关节的屈/伸运动和踝关节的屈/伸运动的参数，该参数可作为患者患肢运动的参考数据。 

4.患肢侧外骨骼系统可带动患者的患肢实现髋关节的屈/伸运动，膝关节的屈/伸运动和踝关节的屈/伸运动，并可根据健肢侧外骨骼系统的检测数据对患者患肢的运动进行意向运动补偿。 

附图说明

图1为本发明外骨骼式步态康复训练装置一种实施例的总装结构示意图。 

图2为本发明外骨骼式步态康复训练装置一种实施例的健肢部分外侧患肢部分内侧结构示意图。 

图3为本发明外骨骼式步态康复训练装置一种实施例的健肢部分内侧患肢部分外侧结构示意图。 

图4为图3的局部I放大示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。 

本发明设计的下肢外骨骼康复训练装置（简称装置，参见图1-4），主要包括支架1、健肢侧外骨骼系统2、健肢侧腋下支撑机构3、患肢侧腋下支撑机构4和患肢侧外骨骼系统5（参见图1）。 

所述支架1包括支架主体、健肢侧连接架11和患肢侧连接架12； 

所述健肢侧外骨骼系统2由具有平面四杆结构的原地步行系统21与外骨骼式健肢关节运动参数检测系统22构成（参见图1）；所述原地步行系统21包括托板211、下连杆212、竖连杆213、外支撑杆214、内支撑杆215、健肢侧外骨骼系统伺服电机216、支撑杆连接件217、减速器218、阻尼器219、健 肢侧基板2110和轴2111；所述外支撑杆214、内支撑杆215、下连杆212以及竖连杆213通过支撑杆连接件217和健肢侧基板2110构成一个四连杆机构，健肢侧基板2110为该四杆机构的机架；其中，外支撑杆214、内支撑杆215与支撑杆连接件217固连，用以支撑患者的踩踏力；健肢侧外骨骼系统伺服电机216与减速器218相连，减速器218的输出端与磁流变阻尼器219外壳相连；健肢侧外骨骼系统伺服电机216与阻尼器219作为原地步行系统21的执行元件，为平面四杆机构的运动提供驱动力矩或阻尼器力矩，驱动力矩用以补偿原地步行系统的重力，阻尼力矩用以模拟人体脚部与地面的水平作用力。托板211与下连杆212固连，托板211的运动姿态与下连杆212一致，始终与地面保持平行。健肢侧连接架11将健肢侧基板2110与支架1固连。 

所述外骨骼式健肢关节运动参数检测系统22包括健肢侧脚部固定装置221、健肢侧小腿固定装置222、小腿板223、检测系统踝关节2214、膝关节角位移传感器225、健肢侧大腿固定装置226、大腿板227、检测系统髋关节228、髋关节角位移传感器229、U形连接件2210、一号力传感器2211、滑块2212、二号力传感器2213和检测系统踝关节2214；所述检测系统髋关节228安装于所述轴2111上，并可绕所述轴2111转动，检测系统髋关节228安装有髋关节角位移传感器229，大腿板227上端与检测系统髋关节228相连，下端通过检测系统膝关节224与小腿板223相连，检测系统膝关节224安装有膝关节角位移传感器225，健肢侧大腿固定装置226安装于大腿板227，健肢侧小腿固定装置222安装于小腿板223，小腿板223通过检测系统踝关节2214与健肢侧脚部固定装置221连接，健肢侧脚部固定装置221与托板211接触，且可分离，检测系统踝关节2214通过U形连接件2210与滑块2212相连，其间安装有健肢侧踝关节前端力传感器2211和健肢侧踝关节前端力传感器2213，用以感知U形连接件2210与滑块2212间的相互作用力，滑块2212可沿外支撑杆214和内支撑杆215上下滑动。检测系统踝关节2214与U形连接件2210可相对转动。工作时参数检测系统随患者下肢一起运动，检测系统髋关节228、检测系统膝关节224以及检测系统踝关节2214与患者的髋关节、膝关节以及踝关节同轴运动，可以检测患者相关关节运动参数。 

所述健肢侧腋下支撑机构3包括健肢侧手轮31和健肢侧腋下支撑杆32； 

所述患肢侧腋下支撑机构4包括患肢侧手轮42和患肢侧腋下支撑杆41；健肢侧手轮31用以调节健肢侧腋下支撑杆32的高度，患肢侧手轮42用以调节患肢侧腋下支撑杆41的高度，以适应不同患者。 

所述患肢侧外骨骼系统5包括内侧大腿板51、患肢侧基板52、外侧大腿板53、患肢侧大腿固定机构54、内侧小腿板55、外侧小腿板56、患肢侧小腿固定机构57、患肢侧脚部固定机构58、患肢侧髋关节59、患肢侧膝关节510、患肢侧踝关节511、脚部连接板512、脚部支撑板513、大腿后端力检测装置541、大腿前端力检测装置542、小腿前端力检测装置571、小腿后端力检测装置572、脚部上端力检测装置581、脚部下端力检测装置582、患肢侧髋关节电机592、患肢侧髋关节减速器591、患肢侧膝关节电机5101、患肢侧膝关节减速器5102、患肢侧踝关节电机5111、患肢侧踝关节减速器5112；所述患肢侧基板52通过患肢侧连接架12与支架1固连，患肢侧髋关节59与患肢侧基板52固连，内侧大腿板51和外侧大腿板53的上端与患肢侧髋关节59相连，下端与患肢侧膝关节510的相连，内侧小腿板55和外侧小腿板56的上端与患肢侧膝关节510的相连，下端与患肢侧踝关节511相连，脚部连接板512一端与患肢侧踝关节511相连，另一端与脚部支撑板513固连。 

所述患肢侧大腿固定机构54安装于内侧大腿板51，大腿后端力检测装置541和大腿前端力检测装置542分别安装于患肢侧大腿固定机构54的两端，患肢侧小腿固定机构57安装于内侧小腿板55，小腿前端力检测装置571和小腿后端力检测装置572分别安装于患肢侧小腿固定机构57的两端，患肢侧脚部固定机构58安装于脚部支撑板513，脚部上端力检测装置581和脚部下端力检测装置582分别安装于患肢侧脚部固定机构58的上下两端。 

所述患肢侧髋关节伺服电机592与患肢侧髋关节减速器591相连，驱动患肢侧髋关节59运动，患肢侧膝关节伺服电机5101与患肢侧膝关节减速器5102相连，驱动患肢侧膝关节510运动，患肢侧踝关节伺服电机5111与患肢侧踝关节减速器5112相连，驱动患肢侧踝关节511运动。 

本发明所述装置的工作过程：在使用时，将支架1放置于地面，健肢侧外骨骼系统2和患肢侧外骨骼系统5分别安装于支架1两侧，健肢侧外骨骼系统 2应用于患者的右下肢，患肢侧外骨骼系统5应用于患者的左下肢，此安装方式适用于左侧偏瘫的患者；右侧偏瘫的患者使用时，只需将健肢侧脚部固定装置221、托板211和患肢侧脚部底板513反向安装即可。 

以左侧偏瘫患者为例，在利用本发明装置进行步态康复训练时，患者健肢脚部放置于健肢侧脚部固定装置221之上，并固定，健肢侧小腿固定装置222与患者健肢的小腿连接，健肢侧大腿固定装置226与患者健肢大腿连接，患者右侧腋下支撑于健肢侧腋下支撑杆32。患者患肢脚部置于患肢侧脚部固定装置513之上，脚部前端放置于患肢侧脚部固定机构58内，患者患肢小腿与患肢侧小腿固定机构57连接，患者患肢大腿与患肢侧大腿固定机构54连接，患者左侧腋下支撑于患肢侧腋下支撑杆41。 

训练过程中，患者健肢主动运动，健肢关节运动参数检测系统22跟随患者健肢一起运动，检测系髋关节228中的髋关节角位移传感器229、检测系膝关节224中的膝关节角位移传感器225以及检测系踝关节2214中的踝关节角位移传感器2215实时检测患者健肢的相关关节的运动参数，并建立步态模型。一号力传感器2211和二号力传感器2213感知原地步行系统21与健肢关节运动参数检测系统22之间的相互作用力，获得这一信息后，健肢侧外骨骼系统伺服电机216与磁流变阻尼器219联合作用，在人体步态的摆动相时，补偿原地步行系统21的重力，在人体步态的支撑相时，提供人体下肢与地面的相互作用力。 

所述患肢侧外骨骼系统5中的大腿后端力检测装置541、大腿前端力检测装置542、小腿前端力检测装置571、小腿后端力检测装置572、脚部上端力检测装置581和脚部下端力检测装置582实时检测患者患肢与患肢侧外骨骼系统5的相互作用力，应用患肢侧髋关节伺服电机592、患肢侧膝关节伺服电机5101、患肢侧踝关节伺服电机5111中的编码器获取患者患肢相关关节的运动参数，并与健肢的步态模型相比较，当患者患肢能够自主运动时，患肢侧髋关节伺服电机592、患肢侧膝关节伺服电机5101、患肢侧踝关节伺服电机5111根据大腿后端力检测装置541、大腿前端力检测装置542、小腿前端力检测装置571、小腿后端力检测装置572、脚部上端力检测装置581和脚部下端力检测装置582所获得的信息，驱动各关节运动，使得患肢侧外骨骼跟随患者患肢运动。当患者 不能够完成康复训练时，患肢侧髋关节伺服电机592、患肢侧膝关节伺服电机5101、患肢侧踝关节伺服电机5111驱动各关节运动，使得患肢侧外骨骼系统5带动患者患肢运动，完成康复训练。 

本发明未述及之处适用于现有技术。