CN102440891A

CN102440891A - 防失稳框架式助行腿

Info

Publication number: CN102440891A
Application number: CN2011103133711A
Authority: CN
Inventors: 邵文韫; 钱晋武; 沈林勇; 章亚男; 钟翠华; 任昭霖
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: CN102440891B

Abstract

本发明涉及一种防失稳框架式助行腿。它包括一个可分体的移动框架和两条外骨骼机械腿。在所述可分体的移动框架内有两个连接座与一根连接长杆和两个连接架相连接；两个连接架分别与所述两个外骨骼机械腿相连；在所述连接长杆与框架上的万向接头的安装孔之间为空套配合；所述两个外骨骼机械腿是大腿骨架通过髋关节与所述连接架铰接，大腿骨架通过膝关节和小腿骨架铰接，小腿骨架通过踝关节和脚板铰接，所述三个关节全部由弹性直线驱动器驱动；还有一个加强杆连接所述两个连接座。本发明将外骨骼机械腿与学步车和拐杖有机的结合起来，充分利用各自的优点来帮助腿部力量薄弱和平衡感差的老年人和下肢残疾行走有困难的人来提高行走能力，使他们的能力得到扩展。

Description

防失稳框架式助行腿

技术领域

本发明涉及一种防失稳框架式助行腿，是由一个可分式移动支撑框架和具有六个主动自由度的两条外骨骼机械腿组成，属于机器人领域。

背景技术

随着科学技术的不断进步，人类研究出各种先进的代步工具来提高老年人和下肢残疾人的行动自由度，帮助他们提高行走能力。现在老年人和下肢残疾人的助步工具主要以轮椅为主，但新近美国、日本及以色列开发的外骨骼（Exoskeleton）和混合辅助腿（HAL，Hybrid Assistive Leg）在助老助残方面也有很大的应用前景。轮椅虽然可以轻松的为老年人和残疾人代步，但在跨越障碍和上下楼梯时却有很大困难。外骨骼和混合辅助腿的主要目的是增强人的肢体力量，帮助人们行走和提高人的负重能力，这种结构可以帮助使用者直立行走跨越障碍，但是它们所针对的人群只是运动能力减弱但仍然保持平衡感的老人和残疾人。对那些丧失了平衡能力的人，这就需要一种可以帮助或者代替他们行走的机器人，这种机器人不仅能帮助他们迈步而且在运动的过程中始终不会失稳而让使用者受到伤害。本发明是受婴儿学步车和拐杖的启发将这两样常见的助行工具与外骨骼结合起来形成防失稳框架式助行腿。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种防失稳框架式助行腿。腿脚不方便的人将这种助行腿穿在下肢上，起到支撑身体和增强关节的作用，完成日常生活所需的行走。当在平地行走时将框架合体形成学步车，使用者在外骨骼机械腿的辅助下完成行走，并保证不失稳；当跨越障碍或上下楼梯时将框架从前方拆开形成拐杖，使用者在拐杖和外骨骼机械腿的共同辅助下完成动作。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

该机构由两部分组成，由可分式移动框架和两条外骨骼机械腿共同辅助行走，不仅可以完成迈步，还能跨越障碍和上下楼梯。可分体的移动框架主要起保持平衡的作用，由轻质的铝合金管材为主体形成半开放式矩形框架并在底部安装四个带刹车的万向轮，此框架在水平方向上能够自由地开、合，方便使用者进行穿戴和脱卸。在竖直平面上也具有自由度，操作者在上楼梯时能将框架分开抬起，直接作为拐杖使用而无需从装置上卸下来，从而使行走连贯而平稳。外骨骼机械腿共有8个自由度，单腿各4个自由度，包括髋关节的矢状面自由度、冠状面自由度（完成屈伸和外展内收动作），膝关节的矢状面自由度（完成屈曲动作）和踝关节的矢状面自由度（完成背屈和跖屈动作）。矢状面上的自由度都属于主动自由度，设置了串联弹性直线驱动器。髋关节冠状面自由度为被动自由度，通过人体髋部的开合实现行走时的转向。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种防失稳框架式助行腿，包括可分体的移动框架和外骨骼机械腿，其特征在于：

1）在所述分体的移动框架内有两个连接座与一根连接长杆和两个连接架相连接，两个连接架分别与二条所述外骨骼机械腿相连，

2）在所述连接长杆与框架之间为空套配合，使框架可以绕连接长杆转动，使可分体的移动框架前部可在水平方向上自由开合。

3）所述两条外骨骼机械腿是大腿骨架通过髋关节与所述连接架铰接，大腿骨架通过膝关节和小腿骨架铰接，小腿骨架通过踝关节和脚板铰接，所述三个关节全部由弹性直线驱动器驱动。

4）还有一根加强杆连接所述两个连接座，连接座与加强杆和连接长杆之间的连接为通过螺钉压板方式的固定连接，连接座与连接架之间是通过销钉的铰接，使整个外骨骼机械腿可以绕销钉的竖直方向转动。

上述可分体的移动框架结构是：采用直角接头与四向接头把横杆和四根纵杆接合起来形成带两层横杆的矩形框架，该框架矩形框架的纵杆底部均安装了四个带刹车的万向轮，两根上横杆与所述连接长杆之间用万向接头连接，万向接头的安装孔与连接长杆的外径之间采用空套配合，这样整个框架可以绕连接长杆转动。所述两横竿从中割断，并在两侧加小竖杆增强刚性，割断的两横杆平时用连接板和销钉固定仍然成一体形成学步车式的整体框架，只有在上下楼梯时拆除连接板和销钉将框架从前部分开，分开的框架可以绕万向接头的中心向两侧面来开形成手持拐杖，此时要将万向轮的刹车压下防止轮子滚动。

上述外骨骼机械腿外骨骼机械腿共有8个自由度，单腿各4个自由度，包括髋关节的矢状面自由度、冠状面自由度（完成屈伸和外展内收动作），膝关节的矢状面自由度（完成屈曲动作）和踝关节的矢状面自由度（完成背屈和跖屈动作）。外骨骼的髋关节上端与连接架用螺钉固定连接，髋关节后端与大腿骨架的后部耳座之间安装弹性直线驱动器，它们之间的连接均采用销钉铰接方式。大腿骨架上端与髋关节下端用螺钉连接，大腿骨架下端与膝关节上端用螺钉连接，大腿骨架上开有腰形槽可以在纵向调节长短。大腿骨架的前部耳座与膝关节的前端之间安装弹性直线驱动器，连接也采用销钉铰接方式。小腿骨架的前部耳座与踝关节的前端之间安装弹性直线驱动器，连接同样采用销钉铰接方式，小腿骨架上端与膝关节下端用螺钉连接，小腿骨架下端与踝关节的上端用螺钉连接，小腿骨架上开有腰形槽可以在纵向调节长短。踝关节的下端与脚板之间用螺钉固定。脚板采用橡胶材质并在中心开纵向通槽以增加外骨骼的稳定性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明是将外骨骼机械腿与学步车和拐杖有机的结合起来充分利用各自的优点来协助腿部力量薄弱和平衡感差的老年人和下肢残疾行走有困难的人来提高行走能力，使他们的能力得到扩展。

附图说明

图1是本发明一个实施例整体结构立体示意图。

图2是图1的主视图。

图3是图1的左视图。

图4是图1的俯视图。

图5是框架结构立体示意图。

图6是外骨骼机械腿的左视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下；

实施例一：

参见图1—图6，本防失稳框架式助行腿，包括可分体的移动框架（1）和外骨骼机械腿（2），在所述可分体的移动框架内有两个连接座（3）与一根连接长杆（5）和两个连接架（6）相连接；两个连接架（6）分别与所述两个外骨骼机械腿（2）相连。在所述连接长杆（5）与框架（1）上的万向接头（7）的安装孔之间为空套配合，使框架可以绕连接长杆（5）转动，使该可分体的移动框架（1）前部可在水平方向上自由开合。所述两个外骨骼机械腿（2）是大腿骨架（20）通过髋关节（18）与所述连接架（6）铰接，大腿骨架（20）通过膝关节（22）和小腿骨架（23）铰接，小腿骨架（23）通过踝关节（25）和脚板（26）铰接，所述三个关节全部由弹性直线驱动器（19）驱动。还有一个加强杆（4）连接所述两个连接座（3），连接座（3）与加强杆（4）和连接长杆（5）之间的连接是通过螺钉压板方式的固定连接，连接座（3）与连接架（6）之间是通过销钉的铰接，使整个外骨骼机械腿（2）可以绕销钉的竖直方向转动。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图2—图5，所述可分体移动式框架的结构是：采用八个直角接头（8）与四个四向接头（10）把2根上横杆（9），两根下横杆（13），前上横杆（11），前下横杆（15）和四根纵杆（16）接合起来形成带两层横杆的矩形框架，该矩形框架的纵杆（16）底部均安装了四个带刹车的万向轮（17），框架（1）的上层横杆与连接长杆（5）之间用万向接头（7）连接，万向接头（7）的安装孔与连接长杆（5）的外径之间采用空套配合，这样整个框架可以绕连接长杆转动。框架前部的上横竿（11）和下横杆（15）从中割断，并在两侧加小竖杆（14）增强刚性，割断的两横杆平时用连接板（12）和销钉固定仍然成一体形成学步车式的整体框架，只有在上下楼梯时拆除连接板（12）和销钉将框架从前部分开，分开的框架可以绕万向接头（7）的中心向两侧面来开形成手持拐杖，此时要将万向轮（17）的刹车压下防止轮子滚动。

参见图1、图3和图6，上述外骨骼机械腿外骨骼机械腿（2）共有8个自由度，单腿各4个自由度，包括髋关节（18）的矢状面自由度、冠状面自由度（完成屈伸和外展内收动作），膝关节（22）的矢状面自由度（完成屈曲动作）和踝关节（25）的矢状面自由度（完成背屈和跖屈动作）。外骨骼的髋关节（18）上端与连接架（6）用螺钉固定连接，髋关节（18）后端与大腿骨架（20）的后部耳座之间安装串联弹性直线驱动器（19），它们之间的连接均采用销钉铰接方式。大腿骨架（20）上端与髋关节（18）下端用螺钉连接，大腿骨架（20）下端与膝关节（22）上端用螺钉连接，大腿骨架（20）上开有腰形槽可以在纵向调节长短。大腿骨架（20）的前部耳座与膝关节（22）的前端之间安装串联弹性直线驱动器（19），连接也采用销钉铰接方式。小腿骨架（23）的前部耳座与踝关节（25）的前端之间安装串联弹性直线驱动器（19），连接同样采用销钉铰接方式，小腿骨架（23）上端与膝关节（22）下端用螺钉连接，小腿骨架（23）下端与踝关节（25）的上端用螺钉连接，小腿骨架（23）上开有腰形槽可以在纵向调节长短。踝关节（25）的下端与脚板（26）之间用螺钉固定。脚板采用橡胶材质并在中心开纵向通槽以增加外骨骼的稳定性。

Claims

1.一种防失稳框架式助行腿，包括一个可分体的移动框架（1）和两个外骨骼机械腿（2），其特征在于：

在所述可分体的移动框架内有两个连接座（3）与一根连接长杆（5）和两个连接架（6）相连接；两个连接架（6）分别与所述两个外骨骼机械腿（2）相连；

在所述连接长杆（5）与框架（1）上的万向接头（7）的安装孔之间为空套配合，使框架可以绕连接长杆（5）转动，使该可分体的移动框架（1）前部可在水平方向上自由开合；

所述两个外骨骼机械腿（2）是大腿骨架（20）通过髋关节（18）与所述连接架（6）铰接，大腿骨架（20）通过膝关节（22）和小腿骨架（23）铰接，小腿骨架（23）通过踝关节（25）和脚板（26）铰接，所述三个关节全部由弹性直线驱动器（19）驱动；

还有一个加强杆（4）连接所述两个连接座（3），连接座（3）与加强杆（4）和连接长杆（5）之间的连接是通过螺钉压板方式的固定连接，连接座（3）与连接架（6）之间是通过销钉的铰接，使整个外骨骼机械腿（2）可以绕销钉的竖直方向转动。

2.根据权利要求1所述的防失稳框架式助行腿，其特征在于所述可分体的移动式框架（1）的结构是：采用八个直角接头（8）与四个四向接头（10）把2根上横杆（9）、两根下横杆（13）、前上横杆（11）、前下横杆（15）和四根纵杆（16）接合起来形成带两层横杆的矩形框架，该矩形框架的纵杆（16）底部均安装了四个带刹车的万向轮（17），两根上横杆（9）与所述连接长杆（5）之间用万向接头（7）连接，万向接头（7）的安装孔与连接长杆（5）的外径之间采用空套配合，这样整个框架可以绕连接长杆转动；所述前上横竿（11）和前下横杆（15）从中割断，并在两侧加小竖杆（14）增强刚性，割断的两横杆（11、15）平时用连接板（12）和销钉固定仍然成一体形成学步车式的整体框架，只有在上下楼梯时拆除连接板（12）和销钉将框架从前部分开，分开的框架可以绕万向接头（7）的中心向两侧面来开形成手持拐杖，此时要将万向轮（17）的刹车压下防止轮子滚动。

3.根据权利要求1所述的防失稳框架式助行腿，其特征在于所述外骨骼机械腿(2)的结构是：外骨骼的髋关节（18）上端与连接架（6）用螺钉固定连接，髋关节（18）后端与大腿骨架（20）的后部耳座之间安装弹性直线驱动器（19），它们之间的连接均采用销钉铰接方式；大腿骨架（20）上端与髋关节（18）下端用螺钉连接，大腿骨架（20）下端与膝关节（22）上端用螺钉连接，大腿骨架（20）上开有腰形槽可在纵向调节长短；大腿骨架（20）的前部耳座与膝关节（22）的前端之间安装弹性直线驱动器（19），连接也采用销钉铰接方式；小腿骨架（23）的前部耳座与踝关节（25）的前端之间安装弹性直线驱动器（19），连接同样采用销钉铰接方式，小腿骨架（23）上端与膝关节（22）下端用螺钉连接，小腿骨架（23）下端与踝关节（25）的上端用螺钉连接，小腿骨架（23）上开有腰形槽可以在纵向调节长短，踝关节（25）的下端与脚板（26）之间用螺钉固定，脚板采用橡胶材质并在中心开纵向通槽以增加外骨骼的稳定性。