用于下肢康复训练的髋关节结构和被动步态协调控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010696896.7 (22)申请日 2020.07.20 (71)申请人 上海金矢机器人科技有限公司 地址 201400 上海市奉贤区新杨公路1566 号12号厂房301室 (72)发明人 宋韬彭江涛郭帅岳承涛 (74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569 代理人 韩雪梅 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) (54)发明名称 用于下肢康复训练的髋关节结构和被动步 态协调控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于下肢康复训练的髋 关节结。

2、构和被动步态协调控制方法， 其中髋关节 结构包括髋关节延伸板、 马达、 第一转动轮、 第二 转动轮、 第二转动轮轴、 减速机、 固定板、 腿部支 撑和髋腿连接板。 相比于现有技术， 本发明能够 帮助实施过髋关节置换手术或因其它原因髋关 节需要恢复的人进行术后康复治疗， 且结构简 单， 使用方便、 安全， 适于推广。 权利要求书2页 说明书5页 附图7页 CN 111658445 A 2020.09.15 CN 111658445 A 1.一种用于下肢康复训练的髋关节结构， 用于安装在下肢康复训练助行机器人上， 所 述下肢康复训练助行机器人包括底盘移动机构、 支撑机构、 骨盆辅助运动机构、 人机。

3、交互单 元和控制单元， 所述骨盆辅助运动机构具有压力传感器， 所述压力传感器用于感应使用者 腰部的前后运动； 其特征在于， 所述骨盆辅助运动机构上还安装有力矩传感器， 所述力矩传 感器用于感应使用者腰部的上下运动， 所述用于下肢康复训练的髋关节结构包括： 髋关节延伸板， 所述髋关节延伸板用于固定在所述骨盆辅助运动机构上； 马达， 所述马达固定于所述髋关节延伸板的第一侧， 所述马达的输出轴穿过所述髋关 节延伸板； 第一转动轮， 所述第一转动轮位于所述髋关节延伸板的第二侧且固定于所述马达的输 出轴上； 第二转动轮， 所述第二转动轮位于所述髋关节延伸板的第二侧； 第二转动轮轴， 所述第二转动轮固定于。

4、所述第二转动轮轴上， 所述第二转动轮轴穿过 所述髋关节延伸板， 所述第一转动轮与所述第二转动轮传动连接； 减速机， 所述减速机固定于所述髋关节延伸板的第一侧， 所述第二转动轮轴与所述减 速机的输入端固定连接； 固定板， 所述马达的输出轴以及所述第二转动轮轴均与所述固定板转动连接， 所述第 一转动轮和所述第二转动轮位于所述固定板与所述髋关节延伸板之间； 腿部支撑， 所述腿部支撑用于和使用者的大腿绑定； 髋腿连接板， 所述髋腿连接板的一端与所述减速机的输出端固定相连， 所述髋腿连接 板的另一端与所述腿部支撑固定相连。 2.根据权利要求1所述的用于下肢康复训练的髋关节结构， 其特征在于， 所述第一转。

5、动 轮为小带轮， 所述第二转动轮为大带轮， 所述小带轮和所述大带轮通过所述传动带传动连 接。 3.根据权利要求1所述的用于下肢康复训练的髋关节结构， 其特征在于， 所述髋关节延 伸板通过髋关节连接板与所述下肢康复训练助行机器人连接， 所述髋关节连接板同时与所 述髋关节延伸板和所述下肢康复训练助行机器人固定相连。 4.根据权利要求1所述的用于下肢康复训练的髋关节结构， 其特征在于， 所述马达的输 出轴通过第一深沟球轴承与所述固定板转动连接， 所述第二转动轮轴通过第二深沟球轴承 与所述固定板转动连接。 5.根据权利要求1所述的用于下肢康复训练的髋关节结构， 其特征在于， 还包括安全限 位销， 所述。

6、安全限位销固定于所述髋关节延伸板上， 所述髋腿连接板的正、 反两个转动方向 上各设有至少一个所述安全限位销， 所述安全限位销用以限制所述髋腿连接板的正向或反 向的转角。 6.一种被动步态协调控制方法， 使用如权利要求1-5任意一项所述的用于下肢康复训 练的髋关节结构， 其特征在于， 包括如下步骤： S1、 使用者通过人机交互单元选择行走训练模式， 控制单元接收到电信号后控制马达 转动， 使安装于第一条腿上的髋关节结构向前摆动， 带动使用者对应的大腿抬起； S2、 使用者身体前倾， 压力传感器检测到向前的力， 经过信号处理， 由控制单元驱动底 盘移动机构向前移动； 权利要求书 1/2 页 2 C。

7、N 111658445 A 2 S3、 随着身体的前移， 使用者第二条腿的脚尖踮起， 力矩传感器检测到腰部向上所产生 的力矩， 经过信号处理， 由控制单元控制支撑机构带动骨盆辅助运动机构向上运动， 同时， 骨盆辅助运动机构根据使用者的骨盆侧倾进行适应运动； S4、 当力矩传感器检测到腰部向上所产生的力矩减小至零时， 使用者的第一条腿抬起 到最高点， 此时支撑机构停止动作， 控制单元控制马达转动， 使安装于第一条腿上的髋关节 结构向后摆动； 使用者身体保持前倾， 压力传感器检测到向前的力， 经过信号处理， 由控制 单元驱动底盘移动机构向前移动； S5、 随着身体的前移， 使用者的腰部逐渐下沉， 。

8、力矩传感器检测到腰部向下所产生的力 矩， 经过信号处理， 由控制单元控制支撑机构带动骨盆辅助运动机构向下运动， 同时， 骨盆 辅助运动机构根据使用者的骨盆侧倾进行适应运动； S6、 使用者的第一条腿伸直且接触地面， 此时力矩传感器检测到腰部向下所产生的力 矩减小至零， 支撑机构停止动作， 底盘移动机构停止动作， 此时第一条腿迈步完成； S7、 使用者的第二条腿进行与第一条腿相同的迈步动作， 两条腿交替迈步实现被动步 态协调训练。 7.根据权利要求6所述的被动步态协调控制方法， 其特征在于， 所述控制单元内预设有 所述髋关节结构的摆动速度、 所述底盘移动机构的移动速度以及所述支撑机构的升降速度 。

9、阈值。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111658445 A 3 用于下肢康复训练的髋关节结构和被动步态协调控制方法 技术领域 0001 本发明涉及康复训练辅助器械技术领域， 特别是涉及一种用于下肢康复训练的髋 关节结构和被动步态协调控制方法。 背景技术 0002 骨盆由髂骨、 尾骨、 坐骨结节和双髋骨构成， 和骨盆控制相关联的肌肉基本涵盖了 人体最大的肌肉群， 骨盆既是躯干的支撑基础， 又是下肢的驱动结构， 起到了承上启下的重 要作用。 从人体移动、 转向的生物学、 人体结构学角度看， 骨盆是连接躯干、 下肢的枢纽、 对 保持人体正常姿态完成下肢运动发挥着重要作用。 在正常步行中躯干的旋。

10、转因上肢的摆动 而加大， 躯干与骨盆相反方向旋转， 并且沿着重心上下、 左右移动。 大多数的运动障碍和异 常运动模式都可以在骨盆控制的能力缺失上找到答案。 0003 髋关节是人体的一个重要关节， 为多轴性关节， 能作屈伸、 收展、 旋转及环转运动。 但是由于生活环境和意外事故， 一些人特别是老年人的髋关节出现损坏、 病变、 畸形等问 题。 当使用者有经济能力时， 则可进行髋关节置换手术， 通过移植人工关节重建一个稳定的 关节从而恢复和改善关节运动能力。 不过手术后需要进行长时间的康复治疗， 目前这些康 复治疗主要靠人力进行， 即使用者自己或在他人的帮助下进行一些康复运动。 虽说康复治 疗的理论。

11、依据是完善可行的， 但是在治疗过程中存在着术后损伤、 意外磕碰等不安全因素 影响使用者恢复， 甚至造成关节脱落。 尽管能完成日常的行走任务， 但是他们的步态偏离于 健康人体。 现在市场上虽有一些外骨骼助力机器人的机械， 但其作用主要是帮助使用者恢 复肢体活动能力， 而对髋关节置换术后的康复治疗帮助甚少。 因此， 帮助实施过髋关节置换 手术或其它原因髋关节需要恢复的人进行术后康复治疗的此类康复机构是比较紧缺的。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种用于下肢康复训练的髋关节结构和被动步态协调控制 方法， 与下肢康复训练助行机器人配合使用， 用于步态协调训练， 避免对进行康复训练的使 用者构成。

12、二次伤害。 0005 为实现上述目的， 本发明提供了如下方案： 0006 本发明公开了一种用于下肢康复训练的髋关节结构， 用于安装在下肢康复训练助 行机器人上， 所述下肢康复训练助行机器人包括底盘移动机构、 支撑机构、 骨盆辅助运动机 构、 人机交互单元和控制单元， 所述骨盆辅助运动机构具有压力传感器， 所述压力传感器用 于感应使用者腰部的前后运动； 所述骨盆辅助运动机构上还安装有力矩传感器， 所述力矩 传感器用于感应使用者腰部的上下运动， 所述用于下肢康复训练的髋关节结构包括： 0007 髋关节延伸板， 所述髋关节延伸板用于固定在所述骨盆辅助运动机构上； 0008 马达， 所述马达固定于所述。

13、髋关节延伸板的第一侧， 所述马达的输出轴穿过所述 髋关节延伸板； 0009 第一转动轮， 所述第一转动轮位于所述髋关节延伸板的第二侧且固定于所述马达 说明书 1/5 页 4 CN 111658445 A 4 的输出轴上； 0010 第二转动轮， 所述第二转动轮位于所述髋关节延伸板的第二侧； 0011 第二转动轮轴， 所述第二转动轮固定于所述第二转动轮轴上， 所述第二转动轮轴 穿过所述髋关节延伸板， 所述第一转动轮与所述第二转动轮传动连接； 0012 减速机， 所述减速机固定于所述髋关节延伸板的第一侧， 所述第二转动轮轴与所 述减速机的输入端固定连接； 0013 固定板， 所述马达的输出轴以及所。

14、述第二转动轮轴均与所述固定板转动连接， 所 述第一转动轮和所述第二转动轮位于所述固定板与所述髋关节延伸板之间； 0014 腿部支撑， 所述腿部支撑用于和使用者的大腿绑定； 0015 髋腿连接板， 所述髋腿连接板的一端与所述减速机的输出端固定相连， 所述髋腿 连接板的另一端与所述腿部支撑固定相连。 0016 优选地， 所述第一转动轮为小带轮， 所述第二转动轮为大带轮， 所述小带轮和所述 大带轮通过所述传动带传动连接。 0017 优选地， 所述髋关节延伸板通过髋关节连接板与所述下肢康复训练助行机器人连 接， 所述髋关节连接板同时与所述髋关节延伸板和所述下肢康复训练助行机器人固定相 连。 0018 。

15、优选地， 所述马达的输出轴通过第一深沟球轴承与所述固定板转动连接， 所述第 二转动轮轴通过第二深沟球轴承与所述固定板转动连接。 0019 优选地， 还包括安全限位销， 所述安全限位销固定于所述髋关节延伸板上， 所述髋 腿连接板的正、 反两个转动方向上各设有至少一个所述安全限位销， 所述安全限位销用以 限制所述髋腿连接板的正向或反向的转角。 0020 本发明还公开了一种被动步态协调控制方法， 使用上述的用于下肢康复训练的髋 关节结构， 包括如下步骤： 0021 S1、 使用者通过人机交互单元选择行走训练模式， 控制单元接收到电信号后控制 马达转动， 使安装于第一条腿上的髋关节结构向前摆动， 带动。

16、使用者对应的大腿抬起； 0022 S2、 使用者身体前倾， 压力传感器检测到向前的力， 经过信号处理， 由控制单元驱 动底盘移动机构向前移动； 0023 S3、 随着身体的前移， 使用者第二条腿的脚尖踮起， 力矩传感器检测到腰部向上所 产生的力矩， 经过信号处理， 由控制单元控制支撑机构带动骨盆辅助运动机构向上运动， 同 时， 骨盆辅助运动机构根据使用者的骨盆侧倾进行适应运动； 0024 S4、 当力矩传感器检测到腰部向上所产生的力矩减小至零时， 使用者的第一条腿 抬起到最高点， 此时支撑机构停止动作， 控制单元控制马达转动， 使安装于第一条腿上的髋 关节结构向后摆动； 使用者身体保持前倾， 。

17、压力传感器检测到向前的力， 经过信号处理， 由 控制单元驱动底盘移动机构向前移动； 0025 S5、 随着身体的前移， 使用者的腰部逐渐下沉， 力矩传感器检测到腰部向下所产生 的力矩， 经过信号处理， 由控制单元控制支撑机构带动骨盆辅助运动机构向下运动， 同时， 骨盆辅助运动机构根据使用者的骨盆侧倾进行适应运动； 0026 S6、 使用者的第一条腿伸直且接触地面， 此时力矩传感器检测到腰部向下所产生 的力矩减小至零， 支撑机构停止动作， 底盘移动机构停止动作， 此时第一条腿迈步完成； 说明书 2/5 页 5 CN 111658445 A 5 0027 S7、 使用者的第二条腿进行与第一条腿相同。

18、的迈步动作， 两条腿交替迈步实现被 动步态协调训练。 0028 优选地， 所述控制单元内预设有所述髋关节结构的摆动速度、 所述底盘移动机构 的移动速度以及所述支撑机构的升降速度阈值。 0029 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果： 0030 本发明能够帮助实施过髋关节置换手术或因其它原因髋关节需要恢复的人进行 术后康复治疗， 且结构简单， 使用方便、 安全， 适于推广。 附图说明 0031 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出。

19、创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获 得其他的附图。 0032 图1为本实施例的用于下肢康复训练的髋关节结构与下肢康复训练助行机器人的 连接关系示意图； 0033 图2为本实施例的用于下肢康复训练的髋关节结构的等轴测图； 0034 图3为本实施例的用于下肢康复训练的髋关节结构的主视图； 0035 图4为本实施例的用于下肢康复训练的髋关节结构的左视图； 0036 图5为本实施例的用于下肢康复训练的髋关节结构的剖视图； 0037 图6为髋关节延伸板的主视图； 0038 图7为髋关节延伸板的后视图； 0039 图8为髋腿连接板的结构示意图； 0040 图9为本实施例的用于下肢康复训练的髋关节结。

20、构与下肢康复训练助行机器人连 接关系的又一示意图； 0041 图10为压力传感器和力矩传感器的位置示意图； 0042 图11为被动步态协调训练的速度变化示意图； 0043 附图标记说明： 1-髋关节延伸板； 2-第一转动轮； 3-传动带； 4-固定板； 5-第二转动 轮轴； 6-第二转动轮； 7-腿部支撑； 8-髋腿连接板； 9-减速机； 10-马达； 11-髋关节连接板； 12-安全限位销； 13-第一深沟球轴承； 14-第二深沟球轴承； 15-左侧的用于下肢康复训练的 髋关节结构； 16-右侧的用于下肢康复训练的髋关节结构； 17-下肢康复训练助行机器人； 171-底盘移动机构； 172-。

21、支撑机构； 173-骨盆辅助运动机构； 174-压力传感器； 175-力矩传 感器。 具体实施方式 0044 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0045 本发明的目的是提供一种用于下肢康复训练的髋关节结构和被动步态协调控制 说明书 3/5 页 6 CN 111658445 A 6 方法， 与下肢康复训练助行机器人配合使用， 用于步态协调训练， 避免。

22、对进行康复训练的使 用者构成二次伤害。 0046 为使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。 0047 如图1-11所示， 本实施例提供一种用于下肢康复训练的髋关节结构， 用于安装在 下肢康复训练助行机器人17上。 0048 为了使技术方案更清楚、 完整， 本实施例以公开号是CN108744416A的专利申请文 件公开的下肢康复训练助行机器人为例进行说明。 该下肢康复训练助行机器人17包括底盘 移动机构171、 支撑机构172、 骨盆辅助运动机构173、 人机交互单元和控制单元， 骨盆辅助运 动机构173的纵向管内具有压力传感。

23、器174， 压力传感器174用于感应使用者腰部的前后运 动。 为了能够感应使用者腰部的上下运动， 本实施例于骨盆辅助运动机构173的横向管内还 安装有力矩传感器175。 0049 该髋关节结构包括髋关节延伸板1、 马达10、 第一转动轮2、 第二转动轮6、 第二转动 轮轴5、 减速机9、 固定板4、 腿部支撑7和髋腿连接板8。 其中， 髋关节延伸板1通过螺钉固定在 骨盆辅助运动机构173上。 马达10固定于髋关节延伸板1的第一侧， 马达10的输出轴穿过髋 关节延伸板1。 第一转动轮2位于髋关节延伸板1的第二侧且固定于马达10的输出轴上。 第二 转动轮6位于髋关节延伸板1的第二侧。 第二转动轮6。

24、固定于第二转动轮轴5上， 第二转动轮 轴5穿过髋关节延伸板1， 第一转动轮2与第二转动轮6传动连接。 减速机9固定于髋关节延伸 板1的第一侧， 第二转动轮轴5与减速机9的输入端固定连接。 马达10的输出轴以及第二转动 轮轴5均与固定板4转动连接， 第一转动轮2和第二转动轮6位于固定板4与髋关节延伸板1之 间。 腿部支撑7用于和使用者的大腿绑定。 髋腿连接板8的一端与减速机9的输出端固定相 连， 髋腿连接板8的另一端与腿部支撑7固定相连。 该髋关节结构为两组， 分别安装在下肢康 复训练助行机器人17左右两侧的纵向管上， 控制使用者两条大腿的摆动动作。 0050 该髋关节结构在使用时， 马达10驱。

25、动第一转动轮2转动， 第一转动轮2带动第二转 动轮6转动， 第二转动轮轴5将运动传递至减速机9， 经减速机9减速后， 驱动髋腿连接板8摆 动， 并进一步带动固定于髋腿连接板8上的腿部支撑7以及绑定于腿部支撑7上的使用者的 大腿摆动。 本实施例中， 减速机9优选为超薄型减速机， 腿部支撑7位L形弯板结构且弯曲处 圆弧过渡。 0051 第一转动轮2和第二转动轮6的传动连接方式有多种， 本实施例中， 第一转动轮2为 小带轮， 第二转动轮6为大带轮， 小带轮和大带轮通过传动带3传动连接。 相比于其它传动方 式， 带传动于过载时会发生打滑现象， 能够提升安全性， 避免对使用者造成二次伤害。 0052 本。

26、实施例中， 髋关节延伸板1与下肢康复训练助行机器人17的连接方式具体为， 髋 关节延伸板1通过髋关节连接板11与下肢康复训练助行机器人17连接， 髋关节连接板11同 时与髋关节延伸板1和下肢康复训练助行机器人17固定相连。 0053 为了降低摩擦损耗， 本实施例的马达10的输出轴通过第一深沟球轴承13与固定板 4转动连接， 第二转动轮轴5通过第二深沟球轴承14与固定板4转动连接。 0054 为了进一步提高使用过程的安全性， 本实施例还包括安全限位销12。 安全限位销 12固定于髋关节延伸板1上， 髋腿连接板8的正、 反两个转动方向上各设有至少一个安全限 位销12， 安全限位销12用以限制髋腿连。

27、接板8的正向或反向的转角。 当髋腿连接板8沿正向 说明书 4/5 页 7 CN 111658445 A 7 或反向转动至与安全限位销12接触时， 均不再转动， 避免使用者步幅过大导致行走不稳。 0055 本实施例还提供一种被动步态协调控制方法， 使用上述的用于下肢康复训练的髋 关节结构， 包括如下步骤： 0056 S1、 使用者通过人机交互单元选择行走训练模式， 控制单元接收到人机交互单元 发送的电信号后， 控制髋关节结构的马达转动， 使安装于使用者的第一条腿上的髋关节结 构向前摆动， 带动使用者第一条腿的大腿抬起； 0057 S2、 使用者身体前倾， 压力传感器174检测到向前的力， 经过信。

28、号处理， 由控制单元 驱动底盘移动机构171向前移动； 0058 S3、 随着身体的前移， 使用者第二条腿的脚尖踮起， 力矩传感器175检测到腰部向 上所产生的力矩， 经过信号处理， 由控制单元控制支撑机构172带动骨盆辅助运动机构173 向上运动， 同时， 骨盆辅助运动机构173根据使用者的骨盆侧倾进行适应运动； 0059 S4、 当力矩传感器175检测到腰部向上所产生的力矩减小至零时， 使用者的第一条 腿抬起到最高点， 此时支撑机构172停止动作， 控制单元控制马达转动， 使安装于第一条腿 上的髋关节结构向后摆动； 使用者身体保持前倾， 压力传感器174检测到向前的力， 经过信 号处理， 。

29、由控制单元驱动底盘移动机构171向前移动； 0060 S5、 随着身体的前移， 使用者的腰部逐渐下沉， 力矩传感器175检测到腰部向下所 产生的力矩， 经过信号处理， 由控制单元控制支撑机构172带动骨盆辅助运动机构173向下 运动， 同时， 骨盆辅助运动机构173根据使用者的骨盆侧倾进行适应运动； 0061 S6、 使用者的第一条腿伸直且接触地面， 此时力矩传感器175检测到腰部向下所产 生的力矩减小至零， 支撑机构172停止动作， 底盘移动机构171停止动作， 此时第一条腿迈步 完成； 0062 S7、 使用者的第二条腿进行与第一条腿相同的迈步动作， 两条腿交替迈步实现被 动步态协调训练。。

30、 0063 本实施例中， 第一条腿和第二条腿仅用于两条腿的区分， 第一条腿可以是左腿， 也 可以是右腿。 为了提高下肢康复训练过程的安全性， 本实施例于控制单元内预设有所述髋 关节结构的摆动速度、 所述底盘移动机构171的移动速度以及所述支撑机构172的升降速度 阈值。 0064 本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时， 对于本领域的一般技术人员， 依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。 综上所述， 本说明书内 容不应理解为对本发明的限制。 说明书 5/5 页 8 CN 111658445 A 8 图1 说明书附图 1/7 页 9 CN 111658445 A 9 图2 图3 说明书附图 2/7 页 10 CN 111658445 A 10 图4 图5 说明书附图 3/7 页 11 CN 111658445 A 11 图6 图7 说明书附图 4/7 页 12 CN 111658445 A 12 图8 说明书附图 5/7 页 13 CN 111658445 A 13 图9 图10 说明书附图 6/7 页 14 CN 111658445 A 14 图11 说明书附图 7/7 页 15 CN 111658445 A 15 。