CN104434470B - 一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及外骨骼机器人，具体涉及一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，从上至下依次包括背部支架（1）、髋关节执行机构（4）、大腿连杆（6）、膝关节执行机构（8）、小腿连杆（9）和脚底压力鞋（12）。本下肢外骨骼机器人其主要活动位置和人日常行走时的活动关节相适应，能满足日常行走的辅助要求，避免了机器人关节过于灵活而失去必要的辅助支撑作用；采用多部位的柔性绑缚带，提高了使用者穿戴时的舒适度；在腰部、关节处以及脚底均设有传感器或编码器进行信息采集，并集中处理信息，方便了使用者的日常运动信息，不仅能让机器人预测出使用者的行走习惯，也方便观察者掌了解使用者的身体状况，为医疗提供方便。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人，具体涉及一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人。
背景技术
在外骨骼机器人是一种可穿戴的机械机构。
在本领域中，公开的技术有专利公开号为CN 101589983A的，名为“穿戴时下肢外骨骼装置”的发明专利，该穿戴式下肢外骨骼装置每条腿有六个自由度，通过可调机构可以完成髋部宽度和腿部长度的调整，该装置可用于增强穿戴者步行负重和长时间行走的能力，检测穿戴者步行信息，也可用于帮助下肢运动轻度障碍者正常行走。
但是该装置的也存在较为明显的缺点：1）该装置的下肢自由度为六个，如果针对单兵负重的应用，自由度不能够满足士兵灵活需求，如果针对下肢瘫痪患者使用，其被动自由度过多，不能很好的满足辅助行走需求；2）由于外骨骼机器人是一个穿戴装置，所以需要考虑到穿戴舒适性的问题，而该装置与人体的绑缚装置设计考虑不完整，不能够很好的满足穿戴的舒适性；3）该装置并没有在关节处涉及简单，而且传感器系统不完整，不能够准确地检测穿戴者和外骨骼的运动信息，从而不能达到自动辅助行走的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，解决现有的外骨骼机器人过于灵活不适用于辅助行走，绑缚的舒适度较差，以及无法准确的读取使用者运动信息的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，从上至下依次包括背部支架、髋关节执行机构、大腿连杆、膝关节执行机构、小腿连杆和脚底压力鞋；
所述背部支架内装电源和辅助控制中心，并且背部支架设置有绑缚胸部的胸部柔性绑缚带；所述大腿连杆和所述背部支架是通过髋关节执行机构铰连接的，所述大腿连杆上安装有大腿绑缚支架，大腿绑缚支架的内侧设有用于绑缚大腿的大腿柔性绑缚带，所述髋关节执行机构设置有绑缚腰部的腰部柔性绑缚带，并且髋关节执行机构的上方固定安装有上肢绑缚支架，上肢绑缚支架上设置有腹部支撑板；所述小腿连杆和所述大腿连杆是通过膝关节执行机构铰连接的，所述小腿连杆的下部安装有小腿绑缚支架，小腿绑缚支架的内侧设有用于绑缚小腿的小腿柔性绑缚带；所述脚底压力鞋是通过带阻尼的踝关节机构和小腿绑缚支架相连接；
所述胸部柔性绑缚带、大腿柔性绑缚带和小腿柔性绑缚带上均安装有姿态仪传感器，所述髋关节执行机构和膝关节执行机构上均安装有编码器，所述脚底压力鞋阵列分布有脚底压力传感器，所述姿态仪传感器、编码器和脚底压力传感器均和辅助控制中心信号连接。
更进一步的技术方案是，所述背部支架设有腰部可调装置，所述腰部可调装置通过其上均布的调节螺孔进行腰部宽度调节；大腿连杆上设有大腿长度可调机构，大腿长度可调机构的伸缩处设有长度可调尼龙套；所述小腿连杆设有均匀分布的小腿螺纹孔，所述小腿绑缚支架和均匀分布的小腿螺纹孔相适配。
更进一步的技术方案是，所述髋关节执行机构和膝关节执行机构均是由依次安装的盘式电机、谐波减速器连接箱、关节连接支架、执行机构输出轴、上关节连接件和下关节连接件组成，其中所述上关节连接件和下关节连接件安装后的两侧设有关节轴承，其中执行机构输出轴是穿过上关节连接件后和下关节连接件通过花键同步连接。
更进一步的技术方案是，辅助控制中心内设辅助行走系统，所述辅助行走系统包括用于采集信号的信号采集单元、根据所采集信号进行行动预测的模拟单元和根据模拟结果辅助运动的辅助执行单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本下肢外骨骼机器人其主要活动位置和人日常行走时的活动关节相适应，能满足日常行走的辅助要求，避免了机器人关节过于灵活而失去必要的辅助支撑作用；采用多部位的柔性绑缚带，提高了使用者穿戴时的舒适度；在腰部、关节处以及脚底均设有传感器或编码器进行信息采集，并集中处理信息，方便了使用者的日常运动信息，不仅能让机器人预测出使用者的行走习惯，也方便观察者掌了解使用者的身体状况，为医疗提供方便。
附图说明
图1为本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人一个实施例的结构示意图。
图2为图1中的背部支架结构示意图。
图3为本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人一个优选实施例中髋关节执行机构或膝关节执行机构的结构分解示意图。
图4-6为本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人的三视图。
图中：1-背部支架，2-胸部柔性绑缚带，3-上肢绑缚支架，4-髋关节执行机构，5-大腿长度可调机构，6-大腿连杆，7-大腿绑缚支架，8-膝关节执行机构，9-小腿连杆，10-小腿绑缚支架，11-带阻尼的踝关节机构，12-脚底压力鞋，13-电源，14-腹部支撑板，15-腰部可调装置，16-腰部柔性绑缚带，17-长度可调尼龙套，18-大腿柔性绑缚带，20-小腿柔性绑缚带，21-小腿螺纹孔， 23-辅助控制中心，24-关节轴承，25-下关节连接件，26-上关节连接件，27-执行机构输出轴，28-关节连接支架，29-谐波减速器连接箱，30-盘式电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1和图2示出了本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人的一个实施例：一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，从上至下依次包括背部支架1、髋关节执行机构4、大腿连杆6、膝关节执行机构8、小腿连杆9和脚底压力鞋12；
所述背部支架1内装电源13和辅助控制中心23，并且背部支架1设置有绑缚胸部的胸部柔性绑缚带2；所述大腿连杆6和所述背部支架1是通过髋关节执行机构4铰连接的，所述大腿连杆6上安装有大腿绑缚支架7，大腿绑缚支架7的内侧设有用于绑缚大腿的大腿柔性绑缚带18，所述髋关节执行机构4设置有绑缚腰部的腰部柔性绑缚带16，并且髋关节执行机构4的上方固定安装有上肢绑缚支架3，上肢绑缚支架3上设置有腹部支撑板14；所述小腿连杆9和所述大腿连杆6是通过膝关节执行机构8铰连接的，所述小腿连杆9的下部安装有小腿绑缚支架10，小腿绑缚支架10的内侧设有用于绑缚小腿的小腿柔性绑缚带20；所述脚底压力鞋12是通过带阻尼的踝关节机构11和小腿绑缚支架10相连接；
所述胸部柔性绑缚带2、大腿柔性绑缚带18和小腿柔性绑缚带20上均安装有姿态仪传感器，所述髋关节执行机构4和膝关节执行机构8上均安装有编码器，所述脚底压力鞋12阵列分布有脚底压力传感器，所述姿态仪传感器、编码器和脚底压力传感器均和辅助控制中心23信号连接，所述姿态仪传感器用于测量穿戴者的运动状态信息，所述编码器用于测量外骨骼机器人的运动状态信息，所述脚底压力传感器测量穿戴者在穿戴外骨骼机器人运动的过程中对外骨骼机器人施加的压力及其分布情况。
根据本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人的一个优选实施例，所述背部支架1设有腰部可调装置15，所述腰部可调装置15通过其上均布的调节螺孔进行腰部宽度调节；大腿连杆6上设有大腿长度可调机构5，大腿长度可调机构5的伸缩处设有长度可调尼龙套17；所述小腿连杆9设有均匀分布的小腿螺纹孔21，所述小腿绑缚支架10和均匀分布的小腿螺纹孔21相适配，前述各可调机构均是为了适用于不同体形的使用者而设计。
图3示出了本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人的另一个优选实施例，所述髋关节执行机构4和膝关节执行机构8均是由依次安装的盘式电机30、谐波减速器连接箱29、关节连接支架28、执行机构输出轴27、上关节连接件26和下关节连接件25组成，其中所述上关节连接件26和下关节连接件25安装后的两侧设有关节轴承24，其中执行机构输出轴27是穿过上关节连接件26后和下关节连接件25通过花键同步连接。通过对髋关节执行机构4和膝关节执行机构8中的各个部件进行同轴连接完成关节驱动，谐波减速器连接箱29达到减缓转动速度和提高驱动转矩的功能，谐波减速器连接箱29通过固连执行机构输出轴27将执行机构的面输出转化为轴输出，花键的配合方式可以保证关节驱动力矩较大时传动结构的刚度，而关节轴承24用于保证关节在转动时受到径向力干扰时仍能够保持同轴传动。
根据本发明一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人的另一个优选实施例，辅助控制中心23内设辅助行走系统，所述辅助行走系统包括用于采集信号的信号采集单元、根据所采集信号进行行动预测的模拟单元和根据模拟结果辅助运动的辅助执行单元。通过各类传感器，以辅助采集电路对穿戴者和外骨骼机器人的运动信息和压力信息进行采集，然后基于这些传感器信息，模拟单元建立人体下肢辅助行走的运动预测模型，通过采集大量的数据对该模型进行训练，最后将训练好的模型运用于辅助控制中心23中，至此就能够通过实时获取穿戴者和外骨骼的运动信息，达到自动辅助行走的目的。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (3)
1.一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，其特征在于：从上至下依次包括背部支架（1）、髋关节执行机构（4）、大腿连杆（6）、膝关节执行机构（8）、小腿连杆（9）和脚底压力鞋（12）；
所述背部支架（1）内装电源（13）和辅助控制中心（23），并且背部支架（1）设置有绑缚胸部的胸部柔性绑缚带（2）；所述大腿连杆（6）和所述背部支架（1）是通过髋关节执行机构（4）铰连接的，所述大腿连杆（6）上安装有大腿绑缚支架（7），大腿绑缚支架（7）的内侧设有用于绑缚大腿的大腿柔性绑缚带（18），所述髋关节执行机构（4）设置有绑缚腰部的腰部柔性绑缚带（16），并且髋关节执行机构（4）的上方固定安装有上肢绑缚支架（3），上肢绑缚支架（3）上设置有腹部支撑板（14）；所述小腿连杆（9）和所述大腿连杆（6）是通过膝关节执行机构（8）铰连接的，所述小腿连杆（9）的下部安装有小腿绑缚支架（10），小腿绑缚支架（10）的内侧设有用于绑缚小腿的小腿柔性绑缚带（20）；所述脚底压力鞋（12）是通过带阻尼的踝关节机构（11）和小腿绑缚支架（10）相连接；
所述胸部柔性绑缚带（2）、大腿柔性绑缚带（18）和小腿柔性绑缚带（20）上均安装有姿态仪传感器，所述髋关节执行机构（4）和膝关节执行机构（8）上均安装有编码器，所述脚底压力鞋（12）阵列分布有脚底压力传感器，所述姿态仪传感器、编码器和脚底压力传感器均和辅助控制中心（23）信号连接；所述背部支架（1）设有腰部可调装置（15），所述腰部可调装置（15）通过其上均布的调节螺孔进行腰部宽度调节；大腿连杆（6）上设有大腿长度可调机构（5），大腿长度可调机构（5）的伸缩处设有长度可调尼龙套（17）；所述小腿连杆（9）设有均匀分布的小腿螺纹孔（21），所述小腿绑缚支架（10）和均匀分布的小腿螺纹孔（21）相适配。
2.根据权利要求1所述的一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节执行机构（4）和膝关节执行机构（8）均是由依次安装的盘式电机（30）、谐波减速器连接箱（29）、关节连接支架（28）、执行机构输出轴（27）、上关节连接件（26）和下关节连接件（25）组成，其中所述上关节连接件（26）和下关节连接件（25）安装后的两侧设有关节轴承（24），其中执行机构输出轴（27）是穿过上关节连接件（26）后和下关节连接件（25）通过花键同步连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，其特征在于：辅助控制中心（23）内设辅助行走系统，所述辅助行走系统包括用于采集信号的信号采集单元、根据所采集信号进行行动预测的模拟单元和根据模拟结果辅助运动的辅助执行单元。
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