CN103054692B - 一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人 - Google Patents

Abstract

一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、驱动模块、腰部及支撑架模块，膝关节运动模块分别与踝关节运动模块、髋关节运动模块相连，驱动模块分别与膝关节运动模块、髋关节运动模块相连，髋关节运动模块与腰部及支撑架模块相连接。本发明的穿戴式下肢外骨骼助行机器人在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，人机膝关节同轴性和位置偏差小，脚踝关节结构紧凑。

Description

一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人

技术领域

本发明涉及一种辅助行走装置，尤其涉及一种能用于人体下肢运动障碍康复的穿戴式下肢外骨骼助行机器人。

背景技术

目前，下肢助行外骨骼机器人主要用于人体下肢的康复训练和提高人体的负载能力。穿戴式下肢外骨骼机器人可穿戴于人体并与人同步运动，在动态步行移动中跟随检测人体运动信息并主动提供驱动力，以帮助患者正常行走并进行康复训练，或帮助穿戴者完成较大负重和较长时间的行走，减轻穿戴者的疲劳。

申请号为201110292009.0的发明设计了一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人，包括腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节、脚部外骨骼，该外骨骼的特点是使用谐波减速器传动及盘式电机作为驱动，能够实现0回转误差，与患者关节良好贴合，通过固定于患者背后的电池驱动，其各关节活动范围不受结构限制，但外骨骼所能承受的负载小，设计成本比较高。

申请号为201110350834.1的发明公开了一种医疗器械技术领域的下肢外骨骼康复机器人，包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、腰部及支撑架模块和拐杖模块。该发明可帮助截瘫患者实现站立并行走，通过采集拐杖与地面的接触信息来控制关节的屈伸运动，踝关节有对拉弹簧可以帮助减少来自地面的冲击。其结构体积、质量较大，结构不紧凑，用于帮助患者正常行走或康复训练会增加患者负担，与患者人体的贴合度差。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，该穿戴式下肢外骨骼助行机器人在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，人机膝关节同轴性和位置偏差小，脚踝关节结构紧凑。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、腰部及支撑架模块，所述膝关节运动模块分别与踝关节运动模块、髋关节运动模块相连，所述髋关节运动模块与腰部及支撑架模块相连接，所述穿戴式下肢外骨骼助行机器人还包括驱动模块，所述驱动模块分别与膝关节运动模块、髋关节运动模块相连，所述驱动模块包括驱动器下端连接铰链、驱动器上端连接铰链、丝杠、联轴器、直流电机、编码器、电机座，所述直流电机固定于电机座内，所述联轴器连接直流电机与丝杠。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述驱动模块还包括丝杠末端固定座、丝杠螺母、丝杠前端固定座、丝杠螺母固定板、导向杆、推杆，所述导向杆的一端固定在电机座上，穿过丝杠前端固定座，所述导向杆的另一端固定在丝杠末端固定座上，所述丝杠螺母固定于丝杠螺母固定板上，所述推杆的一端固定于丝杠螺母固定板上，穿过丝杠末端固定座，所述推杆的另一端固定在驱动器下端连接铰链上，所述驱动器上端连接铰链固定于电机座上。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述踝关节运动模块包括前脚掌、固定于前脚掌上的脚部绑带、后脚掌、分别安装于前后脚掌上的两个压力传感器、踝关节角度传感器，所述脚部为前脚掌、后脚掌通过螺栓铰接而成。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述踝关节运动模块还包括固定于后脚掌的踝关节支座、踝关节角度传感器支架、联轴器、关节连接轴，所述两个压力传感器通过孔槽、螺钉固定于前后脚掌上，所述踝关节角度传感器通过螺丝、踝关节传感器支架、联轴器、关节连接轴固定在踝关节上。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述膝关节运动模块包括踝关节连接板、小腿、固定于小腿上的小腿绑带、膝关节驱动器下连接板、膝关节角度传感器，所述膝关节运动模块通过踝关节连接板与踝关节运动模块连接。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述膝关节运动模块还包括驱动关节连接轴、膝关节连接座、膝关节角度传感器支架，所述小腿与踝关节连接板、膝关节驱动器下连接板、膝关节连接座固连成整体，所述膝关节角度传感器通过膝关节角度传感器支架与膝关节相连。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述髋关节运动模块包括髋部支撑件、大腿、固定于大腿上的大腿绑带、膝关节连接板、髋关节角度传感器支架、髋关节角度传感器，所述大腿通过膝关节连接板与膝关节运动模块连接，所述大腿与髋部支撑件相连。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述髋关节运动模块还包括髋关节连接座、膝关节驱动器上连接板、联轴器，所述大腿与髋关节连接座、膝关节驱动器上连接板、膝关节连接板固连在一起，所述髋关节角度传感器通过髋关节角度传感器支架、联轴器与膝关节相连接。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述腰部及支撑架模块包括腰部支撑、腰部绑带、支架、固定于支架上的背带、髋部宽度调节杆、髋部宽度调节螺母，所述腰部绑带分别固定于腰部支撑及支架上，所述腰部支撑通过支架、髋部宽度调节杆、髋部宽度调节螺母连接。

优选的，在上述穿戴式下肢外骨骼助行机器人中，所述腰部及支撑架模块还包括腰部连接轴、固定螺钉，所述腰部支撑通过连接轴与髋部支撑件连接。

从上述技术方案可以看出，本发明的穿戴式下肢外骨骼助行机器人在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，人机膝关节同轴性和位置偏差小，脚踝关节结构紧凑。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）单下肢具有四个自由度，利用较少却必须的自由度实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置的效率。

（2）通过膝关节和髋关节的屈伸运动实现跨步行走，踝关节的跖屈背屈运动使穿戴行走过程中不被外骨骼干涉。

（3）每个外骨骼机器让各关节运动自由度与人体关节运动自由度基本保持同轴，这一仿生设计增强了机器的舒适性和可靠性，更有益于外骨骼机器人辅助穿戴者行走。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明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。

图1是本发明穿戴式下肢外骨骼助行机器人的整体结构示意图；

图2是本发明穿戴式下肢外骨骼助行机器人中踝关节运动模块的局部示意图；

图3是本发明穿戴式下肢外骨骼助行机器人中膝关节运动模块的局部示意图；

图4是本发明穿戴式下肢外骨骼助行机器人中髋关节运动模块的局部示意图；

图5是本发明穿戴式下肢外骨骼助行机器人中驱动模块的局部示意图；

图6是本发明穿戴式下肢外骨骼助行机器人中腰部和支架模块的局部示意图；

图7是图6另一角度的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，该穿戴式下肢外骨骼助行机器人在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，人机膝关节同轴性和位置偏差小，脚踝关节结构紧凑。

该穿戴式下肢外骨骼助行机器人单下肢具有四个自由度，髋关节的屈伸运动、内收外展运动，膝关节的屈伸运动以及踝关节的跖屈背屈运动。其中，髋关节的屈伸运动和膝关节的屈伸运动有驱动。利用较少却必须的自由度实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置的效率。通过膝关节和髋关节的屈伸运动实现跨步行走，踝关节的跖屈背屈运动使穿戴行走过程中不被外骨骼干涉，膝关节的运动范围在65°，髋关节的运动范围在45°，即穿戴者可以借助此外骨骼实现正常行走。

该穿戴式下肢外骨骼助行机器人的每个外骨骼关节运动自由度与人体关节运动自由度基本保持同轴，这一仿生设计增强了机器的舒适性和可靠性，更有益于外骨骼机器人辅助穿戴者行走。

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详细的描述，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的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。

如图1所示，本发明公开的穿戴式下肢外骨骼助行机器人包括：踝关节运动模块1、膝关节运动模块2、髋关节运动模块3、驱动模块4、腰部及支撑架模块5。其中，膝关节运动模块2分别与踝关节运动模块1、髋关节运动模块3相连，驱动模块4分别与膝关节运动模块2、髋关节运动模块3相连，髋关节运动模块3与腰部及支撑架模块5相连接。该穿戴式下肢外骨骼助行机器人单下肢具有四个自由度，分别为髋部二个自由度，完成髋关节屈伸和收展运动，两关节轴线汇交人体髋关节中心；膝部关节一个自由度，与人体膝关节同轴线，对应人体膝关节的屈伸运动；脚踝关节一个自由度。该穿戴式下肢外骨骼助行机器人实现四个运动方式，分别为髋关节的屈伸运动、内收外展运动，膝关节的屈伸运动以及踝关节的跖屈背屈运动，其中，髋关节的屈伸运动和膝关节的屈伸运动有驱动。

如图2所示，踝关节运动模块1包括：脚部绑带10、前脚掌11、压力传感器12和14、后脚掌13、踝关节支座15、踝关节角度传感器支架16、踝关节角度传感器17、联轴器18、关节连接轴19。其中，脚部为前脚掌11、后脚掌13通过螺栓铰接而成，并且前后脚掌分别安装压力传感器12、14，压力传感器通过孔槽、螺钉固定于前后脚掌上。脚部绑带10固定于前脚掌11上。踝关节支座15固定于后脚掌，踝关节角度传感器17通过螺丝、踝关节传感器支架16、联轴器18、关节连接轴19固定在踝关节上。

如图3所示，膝关节运动模块2包括：踝关节连接板20、小腿21、小腿绑带22、膝关节驱动器下连接板23、驱动关节连接轴24、膝关节连接座25、膝关节角度传感器26、膝关节角度传感器支架27。其中，小腿21与踝关节连接板20、膝关节驱动器下连接板23、膝关节连接座25固连成整体。小腿绑带22固定于小腿21上。膝关节运动模块2通过踝关节连接板20与踝关节运动模块1连接。膝关节角度传感器26通过膝关节角度传感器支架27、联轴器与膝关节相连。

如图4所示，髋关节运动模块3包括：髋部支撑件30、髋关节连接座31、膝关节驱动器上连接板32、大腿绑带33、大腿34、膝关节连接板35、髋关节角度传感器支架36、髋关节角度传感器37、联轴器38。其中，大腿34与髋关节连接座31、膝关节驱动器上连接板32、膝关节连接板35固连在一起。大腿绑带33固定于大腿34上。大腿34通过膝关节连接板35与膝关节运动模块2连接。大腿34与髋部支撑件30相连。髋关节角度传感器37通过髋关节角度传感器支架36、联轴器38与膝关节相连接。

如图5所示，驱动模块4包括：驱动器下端连接铰链40、丝杠末端固定座41、丝杠螺母42、丝杠43、联轴器44、直流电机45、驱动器上端连接铰链46、编码器47、电机座48、丝杠前端固定座49、丝杠螺母固定板410、导向杆411、推杆412。其中，直流电机45固定于电机座48内，联轴器44连接直流电机45与丝杠43。导向杆411的一端固定在电机座48上，穿过丝杠前端固定座49，另一端固定在丝杠末端固定座41上。丝杠螺母42固定于丝杠螺母固定板410上。推杆412一端固定于丝杠螺母固定板410上，穿过丝杠末端固定座41，另一端固定在驱动器下端连接铰链40上。驱动器上端连接铰链46固定于电机座48上；膝关节驱动器上端连接铰链46通过轴承、连接轴与膝关节驱动器上连接板连接32，下端连接铰链40通过轴承、连接轴与膝关节驱动器下连接板23连接。髋关节驱动器上端连接铰链46通过轴承、驱动关节连接轴与髋部支撑件30连接，下端连接铰链40通过轴承、驱动关节连接轴与膝关节连接板35连接。

如图6及图7所示，腰部及支撑架模块5包括：腰部连接轴60、腰部支撑61、固定螺钉62、腰部绑带63、背带64、支架65、髋部宽度调节杆66、髋部宽度调节螺母67。其中，腰部支撑61通过轴承、连接轴60与髋部支撑件30连接。腰部绑带63分别固定于腰部支撑61及支架65上。两侧腰部支撑61通过支架65、髋部宽度调节杆66、髋部宽度调节螺母67连接，可调节腰部的宽度。背带64固定于支架65上。

本发明实施例的穿戴式下肢外骨骼助行机器人工作时：首先穿戴者在医生或工作人员的帮助下直立穿戴外骨骼助行机器人本体，然后，根据穿戴者的小腿、大腿和髋部尺寸，调节小腿绑带、大腿绑带、腰部绑带和外骨骼腰部的宽度，使外骨骼助行机器人与人体能良好贴合，使人体的踝关节、膝关节和髋关节对位于机器人相应的旋转轴，以适应穿戴者身体穿戴；穿戴好外骨骼本体后穿戴者在医护人员的帮助下保持站立；外骨骼的控制系统使各驱动器工作，实现其中一侧的腿实现抬腿、跨步，而另一侧跟随运动，然后控制系统使外骨骼仿照人体使两腿往复跨步，帮助穿戴者正常行走、康复训练。

本发明实施例的穿戴式下肢外骨骼助行机器人在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，人机膝关节同轴性和位置偏差小，脚踝关节结构紧凑。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）单下肢具有四个自由度，利用较少却必须的自由度实现行走，降低了机构的复杂程度，提高了装置的效率。

（2）通过膝关节和髋关节的屈伸运动实现跨步行走，踝关节的跖屈背屈运动使穿戴行走过程中不被外骨骼干涉。

（3）每个外骨骼机器让各关节运动自由度与人体关节运动自由度基本保持同轴，这一仿生设计增强了机器的舒适性和可靠性，更有益于外骨骼机器人辅助穿戴者行走。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、腰部及支撑架模块，所述膝关节运动模块分别与踝关节运动模块、髋关节运动模块相连，所述髋关节运动模块与腰部及支撑架模块相连接，其特征在于：所述穿戴式下肢外骨骼助行机器人还包括驱动模块，所述驱动模块分别与膝关节运动模块、髋关节运动模块相连，所述驱动模块包括驱动器下端连接铰链、驱动器上端连接铰链、丝杠、联轴器、直流电机、编码器、电机座，所述直流电机固定于电机座内，所述联轴器连接直流电机与丝杠，所述的踝关节运动模块包括前脚掌、固定于前脚掌上的脚部绑带、后脚掌、分别安装于前后脚掌上的两个压力传感器、踝关节角度传感器，所述脚部为前脚掌、后脚掌通过螺栓铰接而成，所述的踝关节运动模块还包括固定于后脚掌的踝关节支座、踝关节角度传感器支架、联轴器、关节连接轴，所述两个压力传感器通过孔槽、螺钉固定于前后脚掌上，所述踝关节角度传感器通过螺丝、踝关节传感器支架、联轴器、关节连接轴固定在踝关节上。

2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述驱动模块还包括丝杠末端固定座、丝杠螺母、丝杠前端固定座、丝杠螺母固定板、导向杆、推杆，所述导向杆的一端固定在电机座上，穿过丝杠前端固定座，所述导向杆的另一端固定在丝杠末端固定座上，所述丝杠螺母固定于丝杠螺母固定板上，所述推杆的一端固定于丝杠螺母固定板上，穿过丝杠末端固定座，所述推杆的另一端固定在驱动器下端连接铰链上，所述驱动器上端连接铰链固定于电机座上。

3.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述的膝关节运动模块包括踝关节连接板、小腿、固定于小腿上的小腿绑带、膝关节驱动器下连接板、膝关节角度传感器，所述膝关节运动模块通过踝关节连接板与踝关节运动模块连接。

4.根据权利要求3所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述的膝关节运动模块还包括驱动关节连接轴、膝关节连接座、膝关节角度传感器支架，所述小腿与踝关节连接板、膝关节驱动器下连接板、膝关节连接座固连成整体，所述膝关节角度传感器通过膝关节角度传感器支架与膝关节相连。

5.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述的髋关节运动模块包括髋部支撑件、大腿、固定于大腿上的大腿绑带、膝关节连接板、髋关节角度传感器支架、髋关节角度传感器，所述大腿通过膝关节连接板与膝关节运动模块连接，所述大腿与髋部支撑件相连。

6.根据权利要求5所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述的髋关节运动模块还包括髋关节连接座、膝关节驱动器上连接板、联轴器，所述大腿与髋关节连接座、膝关节驱动器上连接板、膝关节连接板固连在一起，所述髋关节角度传感器通过髋关节角度传感器支架、联轴器与膝关节相连接。

7.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述的腰部及支撑架模块包括腰部支撑、腰部绑带、支架、固定于支架上的背带、髋部宽度调节杆、髋部宽度调节螺母，所述腰部绑带分别固定于腰部支撑及支架上，所述腰部支撑通过支架、髋部宽度调节杆、髋部宽度调节螺母连接。

8.根据权利要求7所述的穿戴式下肢外骨骼助行机器人，其特征在于：所述的腰部及支撑架模块还包括腰部连接轴、固定螺钉，所述腰部支撑通过连接轴与髋部支撑件连接。