CN101361692A - 六杆仿人步态助力行走机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种六杆仿人步态助力行走机构。包括车体、安装在车体底部的驱动轮和万向轮、安装在车体上并与驱动轮相连的驱动轮电机；车体的左右两侧各有一套单自由度的六杆机构和杆结构驱动装置；杆结构驱动装置包括杆驱电机、主动链轮、从动链轮和链条；所述的单自由度的六杆机构包括：短曲柄杆、长曲柄杆、连杆I、连杆II、大腿杆和小腿杆。当杆驱动电机驱动曲柄转动时，六杆机构将按照特定的规律运动，使得大腿杆和小腿杆上的约束杆件约束患者大小腿以接近自然步态的规律运动，同时驱动轮驱动车体以行走速度移动，使肢体障碍者按照正常人的步态轨迹行走。结构简单，可控性好，成本低廉。

Description

六杆仿人步态助力行走机构
(一)技术领域
本发明涉及一种助力行走机构，特别是一种运用六杆机构模拟正常人步态轨迹的助力行走机构。
(二)背景技术
随着科技进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多伴偏瘫或截瘫症状，导致下肢肢体运动障碍；另外，还有由于交通事故等其它原因导致的下肢肢体障碍患者人数也居多。一种可以辅助人体行走的器械可以满足该部分人群的需求，而助力行走机构是该类器械的关键部分。
正常人步行行走时，一侧足跟着地至同侧足跟再次着地为一个步行周期。一个步行周期又分为两个时期，即支撑期和摆动期。为使患者行走接近自然步态，该机构应该能够保证支撑期稳定和摆动期接近运动规律，即机构运动规律可以约束患者下肢实现正常人步态轨迹。
目前，在国内外现有技术中，腿部助力机构主要是通过髋关节处和膝关节处各安装驱动装置，然后通过特定的控制技术协调控制两自由度来实现患者的自然步态。如中国专利申请号200710171696.4的专利文件中公开的下肢康复自动步态矫正器，该发明涉及一种下肢康复自动步态矫正器。它包括大腿构件和小腿构件，一个U型架的两端铰链大腿构件，大腿构件铰链小腿构件；U型架和两大腿构件与电动线性驱动器的两端铰连，铰链处有编码器；大腿构件和小腿构件与另一个电动线性驱动器的两端铰连，铰链处有编码器。训练期间，患者穿戴下肢外骨骼步态矫形器，引导患者腿运动，利用传感器实时测量关节角和力矩大小，以实现自然步态。该类技术的缺点是驱动装置较多，体积庞大，控制技术复杂，成本较高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，可控性好，成本低廉的六杆仿人步态助力行走机构。
本发明的目的是这样实现的：
六杆仿人步态助力行走机构的组成包括车体、安装在车体底部的驱动轮和万向轮、安装在车体上并与驱动轮相连的驱动轮电机；车体的左右两侧各有一套单自由度的六杆机构和杆结构驱动装置；所述的杆结构驱动装置包括固定在车体上的杆驱电机，由与杆驱电机相连的主动链轮、通过从动链轮轴安装在车体上的从动链轮和连接于主动链轮与从动链轮之间的链条组成的链轮传动机构；所述的单自由度的六杆机构包括：成一定的角度相对位置固定在从动链轮轴上的短曲柄杆和长曲柄杆，与短曲柄杆铰接的连杆I，与长曲柄杆铰接的连杆II，一端铰接在车体上、另一端与连杆I铰接的大腿杆，一端与连杆I和大腿杆铰接、中间通过连轴与连杆II铰接的小腿杆。
本发明还可以包括：
1、大腿杆和小腿杆上分别配置有大腿约束件和小腿约束件。
2、短曲柄杆与长曲柄杆之间的夹角θ＝8°
3、大腿杆、曲柄杆和车体分别形成的转动铰链之间的连线与竖直方向的夹角为α＝32°。
4、短曲柄杆长度l1、长曲柄杆长度l2、连杆I长度l3、连杆II长度l4、小腿杆的两个铰接点之间的长度l5、大腿杆长度l6以及从动链轮轴与大腿杆与车体的铰接点之间的长度l7的长度比满足：
L/l1＝[1，1.167，2.333，2.333，0.833，3.333，3.75]T
L＝[l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7]T。
短曲柄杆和长曲柄杆构成的铰链轴上设置有驱动装置，该装置由安装在车体上的杆驱电机驱动和链轮传动机构传动，两曲柄成一定的角度，相对位置固定；大腿杆和小腿杆上分别配置有大腿约束件和小腿约束件，以约束大小腿的运动规律；车体底部装有驱动轮电机和驱动轮以及万向轮。
当杆驱电机驱动曲柄转动时，六杆机构将按照特定的规律运动，同时驱动轮驱动车体以行走速度移动，这样大腿杆和小腿杆上的约束杆件约束患者以接近自然步态的规律行走。
为使大小腿相对运动规律及其踝关节的运动运动轨迹竟可能接近理想步态，本发明通过优化设计确定了设计变量。
结合图3和图4，由于人体的大腿和小腿长度约为400mm左右，当取l7＝l8＝400mm时，曲柄杆旋转一周，小腿杆末端H点可以绘制出如图4所示的轨迹，该轨迹与正常人步态的踝关节处的轨迹曲线非常相似，而与人体正常行走各个时期相对应的步态分析图例如图5所示，这表明该六杆机构可以很好的模拟正常人的步态轨迹，由于该行走机构是由单自由度的六杆机构实现步态轨迹的拟合，所以只需要一个驱动力即可满足功能的实现，结构简单，可控性好，成本低廉。
(四)附图说明
图1是本发明的整体机构三维示意图。
图2是本发明的整体结构主视图。
图3是对六杆机构进行优化设计时的变量示意图。
图4是大腿杆和小腿杆长度都等于400mm时，小腿杆末端H点(相当于人体的踝关节)的运动轨迹。
图5是六杆助力行走机构实现的仿人步态分析。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明主要由杆机构驱动装置和单自由度的六杆机构组成，同时基于可移动的车体实现助力行走的功能。
结合图1和图2，可移动车体由驱动轮电机10、驱动轮11、万向轮9和车体13组成，车体由驱动轮驱动自由移动，通过驱动轮的差速实现左右拐弯。
杆结构驱动装置主要由杆驱动电机14、链轮机构12(包括链轮、链条)组成，杆驱电机与车体固连在一起，驱动主动链轮，通过链传动把扭矩传递给六杆机构。
单自由度六杆机构包括短曲柄杆1、长曲柄杆2、连杆I4、连杆II3、大腿杆6、小腿杆5、连轴15及其其他铰链轴；短曲柄杆和长曲柄杆成θ角度与从动链轮固连，可由杆驱动装置驱动转动。同时该六杆机构的各杆件的角度位置和长度满足以下关系：(如图3所示)
大腿杆、曲柄杆和车体分别形成的转动铰链之间的连线与竖直方向的夹角为α＝32°；短曲柄杆与长曲柄杆之间的夹角θ＝8°。
各杆长比：
L/l1＝[1，1.167，2.333，2.333，0.833，3.333，3.75]T
L＝[l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7]T
其中：
l1～l7分别表示六杆机构的杆长。
大腿杆和小腿杆上分别配置有大腿约束件7和小腿约束件8，以约束大小腿的运动规律。当杆驱电机14驱动曲柄转动时，六杆机构将按照特定的规律运动，同时驱动轮11驱动车体以行走速度移动，这样大腿杆和小腿杆上的约束杆件约束患者以接近自然步态的轨迹运动，如图4和图5分别为l7＝l8＝400mm时，小腿杆末端(相当于人体踝关节处)的轨迹和与人体行走时相对应的步态图例，这些都表明该助力行走机构实现了辅助肢体障碍者助力行走的功能。

Claims (9)

1、一种六杆仿人步态助力行走机构，包括车体、安装在车体底部的驱动轮和万向轮、安装在车体上并与驱动轮相连的驱动轮电机；其特征是：车体的左右两侧各有一套单自由度的六杆机构和杆结构驱动装置；所述的杆结构驱动装置包括固定在车体上的杆驱电机，由与杆驱电机相连的主动链轮、通过从动链轮轴安装在车体上的从动链轮和连接于主动链轮与从动链轮之间的链条组成的链轮传动机构；所述的单自由度的六杆机构包括：成一定的角度相对位置固定在从动链轮轴上的短曲柄杆和长曲柄杆，与短曲柄杆铰接的连杆I，与长曲柄杆铰接的连杆II，一端铰接在车体上、另一端与连杆I铰接的大腿杆，一端与连杆I和大腿杆铰接、中间通过连轴与连杆II铰接的小腿杆。
2、根据权利要求1所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：大腿杆和小腿杆上分别配置有大腿约束件和小腿约束件。
3、根据权利要求1或2所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：短曲柄杆与长曲柄杆之间的夹角θ＝8°
4、根据权利要求1或2所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：大腿杆、曲柄杆和车体分别形成的转动铰链之间的连线与竖直方向的夹角为α＝32°。
5、根据权利要求3所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：大腿杆、曲柄杆和车体分别形成的转动铰链之间的连线与竖直方向的夹角为α＝32°。
6、根据权利要求1或2所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：短曲柄杆长度l1、长曲柄杆长度l2、连杆I长度l3、连杆II长度l4、小腿杆的两个铰接点之间的长度l5、大腿杆长度l6以及从动链轮轴与大腿杆与车体的铰接点之间的长度l7的长度比满足：
L/l1＝[1，1.167，2.333，2.333，0.833，3.333，3.75]T
L＝[l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7]T。
7、根据权利要求3所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：短曲柄杆长度l1、长曲柄杆长度l2、连杆I长度l3、连杆II长度l4、小腿杆的两个铰接点之间的长度l5、大腿杆长度l6以及从动链轮轴与大腿杆与车体的铰接点之间的长度l7的长度比满足：
L/l1＝[1，1.167，2.333，2.333，0.833，3.333，3.75]T
L＝[l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7]T。
8、根据权利要求4所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：短曲柄杆长度l1、长曲柄杆长度l2、连杆I长度l3、连杆II长度l4、小腿杆的两个铰接点之间的长度l5、大腿杆长度l6以及从动链轮轴与大腿杆与车体的铰接点之间的长度l7的长度比满足：
L/l1＝[1，1.167，2.333，2.333，0.833，3.333，3.75]T
L＝[l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7]T。
9、根据权利要求5所述的六杆仿人步态助力行走机构，其特征是：短曲柄杆长度l1、长曲柄杆长度l2、连杆I长度l3、连杆II长度l4、小腿杆的两个铰接点之间的长度l5、大腿杆长度l6以及从动链轮轴与大腿杆与车体的铰接点之间的长度l7的长度比满足：
L/l1＝[1，1.167，2.333，2.333，0.833，3.333，3.75]T
L＝[l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7]T。
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