CN102613975B

CN102613975B - 用于检测人体下肢髋关节运动信息的穿戴型外骨骼机构

Info

Publication number: CN102613975B
Application number: CN2012100947197A
Authority: CN
Inventors: 李剑锋; 邓楚慧; 肖博; 张自强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102613975A

Abstract

本发明涉及一种用于检测人体下肢髋关节运动信息的穿戴型外骨骼机构，主要由髋弯板、大腿板、髋收展转动关节、髋屈伸转动关节、大腿穿戴具和髋旋转转动关节组成。在人体直立行走过程中，下肢带动外骨骼机构作随动运动，并通过安置于髋收展转动关节、髋屈伸转动关节和髋旋转转动关节处的髋收展光电编码器、髋屈伸光电编码器和髋旋转光电编码器检测人体下肢髋关节的运动信息。人体下肢紧致穿戴外骨骼机构后，外骨骼机构与下肢构成运动恰定的封闭运动链，可直接获得更为准确的人体髋关节运动信息。

Description

用于检测人体下肢髋关节运动信息的穿戴型外骨骼机构

技术领域

本发明涉及一种穿戴型下肢外骨骼机构，可用于检测人体直立行走运动过程中的下肢髋关节运动信息。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，国内外的一些研究机构相继开展了穿戴型下肢康复外骨骼系统的研制与实验研究工作，研制的部分康复训练外骨骼系统(如LOKOMAT系统等)已开始进入临床应用阶段。在对患肢进行康复训练时，需要参照人体下肢髋、膝关节的运动信息设计康复训练外骨骼系统的导引运动规律。因此，获得相对准确的人体下肢髋、膝关节运动信息对于保证患肢的康复训练效果具有实际意义。

目前下肢髋关节运动信息的检测主要是通过运动图像采集、标志点提取与运动分析相结合的技术方法来实现，由摄像机采集人体直立行走过程中的髋运动图象，通过对标志点的提取，以及基于不同肢体段连体坐标系之间的相对位姿关系分析得到下肢髋关节的运动信息。由于受到图象畸变、参数提取精度等因素的影响，获得的关节运动检测信息与人体下肢髋关节运动存在一定的偏差。

根据人体解剖学可知，下肢髋关节为图1所示的三自由度杵臼关节，能够实现绕冠状轴的前屈/后伸运动、绕矢状轴的内收/外展运动和绕垂直轴的旋内/旋外运动。为了直接检测下肢髋关节的运动信息，本发明设计了一种穿戴型外骨骼机构。当人体下肢穿戴外骨骼机构并作直立行走运动时，可以通过安置于外骨骼机构髋转动关节处的传感器直接测得人体下肢髋关节的运动信息。

发明内容

图2所示为本发明用于检测下肢髋关节运动信息的外骨骼机构的机构原理简图，主要由髋弯板1、大腿板2、髋收展转动关节3、髋屈伸转动关节4、大腿穿戴具5和髋旋转转动关节6组成。

所述的髋弯板1和大腿板2分别如图3和图4所示。髋弯板1的一端开有第一通孔7和第二通孔8，另一端开有第三通孔9和第四通孔10。大腿板2的一端开有髋屈伸通孔11，另一端开有螺栓组第一通孔12和螺栓组第二通孔13。

所述的髋收展转动关节3如图5所示。该转动关节由一端开有第一通孔7和第二通孔8的髋弯板1，一端开有髋收展转轴第一通孔14及另一端开有螺栓组第三通孔15、螺栓组第四通孔16的第一侧板17，一端开有髋收展转轴第二通孔18及另一端开有螺栓组第五通孔19、螺栓组第六通孔20的第二侧板21，第一螺栓组22和第二螺栓组23以及髋收展阶梯轴24组成。各组成部分的连接关系是：第一侧板17与髋收展阶梯轴24的轴段通过髋收展转轴第一通孔14过盈联接，第二侧板21与髋收展阶梯轴24的轴段通过髋收展转轴第二通孔18过盈联接。第一侧板17、第二侧板21及髋弯板1通过螺栓组第三通孔15、螺栓组第四通孔16、螺栓组第五通孔19、螺栓组第六通孔20、第一通孔7和第二通孔8由第一螺栓组22及第二螺栓组23联接。

所述的髋屈伸转动关节4如图6所示。该转动关节由一端开有第三通孔9和第四通孔10的髋弯板1，一端开有髋屈伸通孔11的大腿板2，一端开有髋屈伸转轴第一通孔25及另一端开有螺栓组第七通孔26、螺栓组第八通孔27的第三侧板28，一端开有髋屈伸转轴第二通孔29及另一端开有螺栓组第九通孔30、螺栓组第十通孔31的第四侧板32，第三螺栓组33和第四螺栓组34以及髋屈伸阶梯轴35组成。各组成部分的连接关系是：第三侧板28与髋屈伸阶梯轴35的轴段通过髋屈伸转轴第一通孔25过盈联接，第四侧板32与髋屈伸阶梯轴35的轴段通过髋屈伸转轴第二通孔29过盈联接。第三侧板28、第四侧板32及髋弯板1通过螺栓组第七通孔26、螺栓组第八通孔27、螺栓组第九通孔30、螺栓组第十通孔31、第三通孔9和第四通孔10由第三螺栓组33及第四螺栓组34联接。

所述的大腿穿戴具5如图7所示。由开有螺栓组第十一通孔36、螺栓组第十二通孔37、螺栓组第十三通孔38与螺栓组第十四通孔39的大腿连接件40，开有螺栓组第十五通孔41与螺栓组第十六通孔42、第一长孔43、第二长孔44、螺纹孔45的大腿穿戴板46，以及第五螺栓组47和第六螺栓组48组成。各组成部分的连接关系是：大腿连接件40和大腿穿戴板46通过螺栓组第十三通孔38、螺栓组第十四通孔39、螺栓组第十五通孔41、螺栓组第十六通孔42，由第五螺栓组47和第六螺栓组48联为一体。

所述的髋旋转转动关节6如图8所示。由大腿穿戴板46，旋转轴49，小轴承50，小齿轮51，大垫片52，大螺母53，内壁开有大环槽54的大齿轮55，内圈内壁开有第一小环槽56和第二小环槽57的大轴承58，环形大气囊59，第一环形小气囊60和第二环形小气囊61组成。各组成部分的连接关系是：将旋转轴49装入大腿穿戴板46的螺纹孔45中，再把大垫片52和大螺母53依次装入旋转轴49上，然后把与小齿轮51紧配合的小轴承50与旋转轴49的相应轴段过盈配合，接着通过对嵌于大轴承58内圈内壁第一小环槽56的第一环形小气囊60和第二小环槽57的第二环形小气囊61充气使大轴承58内圈与大腿紧配合，并且用通过大腿穿戴板46的第一长孔43和第二长孔44的大腿绑缚带62与大轴承58外圈紧绑缚，最后将对嵌于大齿轮55内壁大环槽54的环形大气囊59充气与大腿紧配合的大齿轮55与小齿轮51啮合。

图9所示为本发明的外骨骼机构的结构简图，各部分之间的连接关系式是：先将髋旋转转动关节6装入大腿上，通过大腿穿戴板46的第一长孔43和第二长孔44的大腿绑缚带62与大轴承58紧绑缚，将与大腿紧配合的大齿轮55与小齿轮51啮合。再把大腿穿戴具5和大腿板2通过螺栓组第一通孔12、螺栓组第二通孔13、螺栓组第十一通孔36和螺栓组第十二通孔37，由第七螺栓组63、第八螺栓组64连接。髋弯板1又将髋收展转动关节3和髋屈伸转动关节4通过第一螺栓组22、第二螺栓组23、第三螺栓组33及第四螺栓组34连接在一起。

有益效果

本发明的工作原理是人体作直立行走运动，下肢带动外骨骼机构作随动运动，髋收展光电编码器65、髋屈伸光电编码器66和髋旋转光电编码器67分别检测髋收展转动关节3、髋屈伸转动关节4和髋旋转转动关节6的运动信息。本发明带来的有益效果是人体下肢紧致穿戴外骨骼机构后，外骨骼机构与下肢构成运动恰定的封闭运动链，这样可直接获得更为准确的人体髋关节运动信息。

附图说明

图1为下肢髋关节。

图2为检测下肢髋关节运动信息的外骨骼机构的机构原理。

图3为髋弯板1。

图4为大腿板2。

图5为髋收展转动关节3。

图6为髋屈伸转动关节4。

图7为大腿穿戴具5。

图8为髋旋转转动关节6。

图9为外骨骼机构的结构简图。

图10为实施方式。

图2中，1-髋弯板，2-大腿板，3-髋收展转动关节，4-髋屈伸转动关节，5-大腿穿戴具，6-髋旋转转动关节。

图3中，7-第一通孔，8-第二通孔，9-第三通孔，10-第四通孔。

图4中，11-髋屈伸通孔，12-螺栓组第一通孔，13-螺栓组第二通孔。

图5中，14-髋收展转轴第一通孔，15-螺栓组第三通孔，16-螺栓组第四通孔，17-第一侧板，18-髋收展转轴第二通孔，19-螺栓组第五通孔，20-螺栓组第六通孔，21-第二侧板，22-第一螺栓组，23-第二螺栓组，24-髋收展阶梯轴。

图6中，25-髋屈伸转轴第一通孔，26-螺栓组第七通孔，27-螺栓组第八通孔，28-第三侧板，29-髋屈伸转轴第二通孔，30-螺栓组第九通孔，31-螺栓组第十通孔，32-第四侧板，33-第三螺栓组，34-第四螺栓组，35-髋屈伸阶梯轴。

图7中，36-螺栓组第十一通孔、37-螺栓组第十二通孔，38-螺栓组第十三通孔，39-螺栓组第十四通孔，40-大腿连接件，41-螺栓组第十五通孔，42-螺栓组第十六通孔，43-第一长孔，44-第二长孔，45-螺纹孔，46-大腿穿戴板，47-第五螺栓组，48-第六螺栓组。

图8中，49-旋转轴，50-小轴承，51-小齿轮，52-大垫片，53-大螺母，54-大环槽，55-大齿轮，56-第一小环槽，57-第二小环槽，58-大轴承，59-环形大气囊，60-第一环形小气囊，61-第二环形小气囊。

图9中，62-大腿绑缚带，63-第七螺栓组，64-第八螺栓组。

图10中，65-髋收展光电编码器，66-髋屈伸光电编码器，67-髋旋转光电编码器，68-第一键，69-第二键，70-第三键。

具体实施方式

本发明的实施方式如图10所示。先将髋旋转转动关节6装入大腿上，接着通过对嵌于大轴承58内圈内壁第一小环槽56的第一环形小气囊60和第二小环槽57的第二环形小气囊61充气使大轴承58内圈与大腿紧配合，并且用通过大腿穿戴板46的第一长孔43和第二长孔44的大腿绑缚带62与大轴承58外圈紧绑缚，然后将对嵌于大齿轮55内壁大环槽54的环形大气囊59充气与大腿紧配合的大齿轮55与小齿轮51啮合。再把大腿穿戴具5和大腿板2由第七螺栓组63、第八螺栓组64连接。髋弯板1又将髋收展转动关节3和髋屈伸转动关节4通过第一螺栓组22、第二螺栓组23、第三螺栓组33及第四螺栓组34连接在一起。同时，为检测髋收展转动关节3、髋屈伸转动关节4和髋旋转转动关节6的运动信息，在各转动关节外侧通过第一键68、第二键69、第三键70按常规方式安装了髋收展光电编码器65、髋屈伸光电编码器66和髋旋转光电编码器67。

Claims

1.一种用于检测下肢髋关节运动信息的穿戴型外骨骼机构，由髋弯板（1）、大腿板（2）、髋收展转动关节（3）、髋屈伸转动关节（4）、大腿穿戴具（5）和髋旋转转动关节（6）组成；

其特征在于：髋弯板（1）的一端开有第一通孔（7）和第二通孔（8），另一端开有第三通孔（9）和第四通孔（10）；大腿板（2）的一端开有髋屈伸通孔（11），另一端开有螺栓组第一通孔（12）和螺栓组第二通孔（13）；髋弯板（1）为L字型，且髋弯板（1）两端分别为L字型的两处末端；

髋收展转动关节（3），由一端开有髋收展转轴第一通孔（14）及另一端开有螺栓组第三通孔（15）、螺栓组第四通孔（16）的第一侧板（17），一端开有髋收展转轴第二通孔（18）及另一端开有螺栓组第五通孔（19）、螺栓组第六通孔（20）的第二侧板（21），第一螺栓组（22）和第二螺栓组（23）以及髋收展阶梯轴（24）组成；各组成部分的连接关系是：第一侧板（17）与髋收展阶梯轴（24）的轴段通过髋收展转轴第一通孔（14）过盈联接，第二侧板（21）与髋收展阶梯轴（24）的轴段通过髋收展转轴第二通孔（18）过盈联接；第一侧板（17）、第二侧板（21）及髋弯板（1）通过螺栓组第三通孔（15）、螺栓组第四通孔（16）、螺栓组第五通孔（19）、螺栓组第六通孔（20）、第一通孔（7）和第二通孔（8）由第一螺栓组（22）及第二螺栓组（23）联接；

髋屈伸转动关节（4），由一端开有髋屈伸通孔（11）的大腿板（2），一端开有髋屈伸转轴第一通孔（25）及另一端开有螺栓组第七通孔（26）、螺栓组第八通孔（27）的第三侧板（28），一端开有髋屈伸转轴第二通孔（29）及另一端开有螺栓组第九通孔（30）、螺栓组第十通孔（31）的第四侧板（32），第三螺栓组（33）和第四螺栓组（34）以及髋屈伸阶梯轴（35）组成；各组成部分的连接关系是：第三侧板（28）与髋屈伸阶梯轴（35）的轴段通过髋屈伸转轴第一通孔（25）过盈联接，第四侧板（32）与髋屈伸阶梯轴（35）的轴段通过髋屈伸转轴第二通孔（29）过盈联接；第三侧板（28）、第四侧板（32）及髋弯板（1）通过螺栓组第七通孔（26）、螺栓组第八通孔（27）、螺栓组第九通孔（30）、螺栓组第十通孔（31）、第三通孔（9）和第四通孔（10）由第三螺栓组（33）及第四螺栓组（34）联接；

大腿穿戴具（5），由开有螺栓组第十一通孔（36）、螺栓组第十二通孔（37）、螺栓组第十三通孔（38）与螺栓组第十四通孔（39）的大腿连接件（40），开有螺栓组第十五通孔（41）与螺栓组第十六通孔（42）、第一长孔（43）、第二长孔（44）、螺纹孔（45）的大腿穿戴板（46），以及第五螺栓组（47）和第六螺栓组（48）组成；各组成部分的连接关系是：大腿连接件（40）和大腿穿戴板（46）通过螺栓组第十三通孔（38）、螺栓组第十四通孔（39）、螺栓组第十五通孔（41）、螺栓组第十六通孔（42），由第五螺栓组（47）和第六螺栓组（48）联为一体；

髋旋转转动关节（6），由大腿穿戴板（46），旋转轴（49），小轴承（50），小齿轮（51），大垫片（52），大螺母（53），内壁开有大环槽（54）的大齿轮（55），内圈内壁开有第一小环槽（56）和第二小环槽（57）的大轴承（58），环形大气囊（59），第一环形小气囊（60）和第二环形小气囊（61）组成；各组成部分的连接关系是：将旋转轴（49）装入大腿穿戴板（46）的螺纹孔（45）中，再把大垫片（52）和大螺母（53）依次装入旋转轴（49）上，然后把与小齿轮（51）紧配合的小轴承（50）与旋转轴（49）的相应轴段过盈配合，接着通过对嵌于大轴承（58）内圈内壁第一小环槽（56）的第一环形小气囊（60）和第二小环槽（57）的第二环形小气囊（61）充气使大轴承（58）内圈与大腿紧配合，并且用通过大腿穿戴板（46）的第一长孔（43）和第二长孔（44）的大腿绑缚带（62）与大轴承（58）外圈紧绑缚，最后将对嵌于大齿轮（55）内壁大环槽（54）的环形大气囊（59）充气与大腿紧配合的大齿轮（55）与小齿轮（51）啮合；

各部分之间的连接关系是：先将髋旋转转动关节（6）装入大腿上，通过大腿穿戴板（46）的第一长孔（43）和第二长孔（44）的大腿绑缚带（62）与大轴承（58）紧绑缚，然后将与大腿紧配合的大齿轮（55）与小齿轮（51）啮合；再把大腿穿戴具（5）和大腿板（2）通过螺栓组第一通孔（12）、螺栓组第二通孔（13）、螺栓组第十一通孔（36）和螺栓组第十二通孔（37），由第七螺栓组（63）、第八螺栓组（64）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测下肢髋关节运动信息的穿戴型外骨骼机构，其特征在于：在检测髋收展转动关节（3）、髋屈伸转动关节（4）和髋旋转转动关节（6）各转动关节外侧分别通过第一键（68）、第二键（69）、第三键（70）按常规方式安装髋收展光电编码器（65）、髋屈伸光电编码器（66）和髋旋转光电编码器（67）。