CN104546238A - 外骨骼助力康复装置 - Google Patents

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CN104546238A CN201310416077.2A CN201310416077A CN104546238A CN 104546238 A CN104546238 A CN 104546238A CN 201310416077 A CN201310416077 A CN 201310416077A CN 104546238 A CN104546238 A CN 104546238A
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段峰
王春伟
康培培
司付庆
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Nankai University
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Nankai University
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Abstract

本发明公开一种外骨骼助力康复装置的驱动结构的设计，包含：直流电机，一对锥齿轮，直齿轮，内齿条，传动轴，固定板。所述的一对锥齿轮用于改变动力传输的方向；所述的直齿轮和一个锥齿轮组成同轴传动装置；所述的直齿轮和内齿条相互啮合；所述的内齿条的一端和外侧关节下端零件相固定；与现有技术相比，本发明电机采用竖直放置，减小了以往对电机体积的要求；另外本发明机械结构简单，控制精度高，传动力矩大，安全性高。

Description

外骨骼助力康复装置
技术领域：
本发明涉及外骨骼技术领域，尤其涉及外骨骼关节处动力传动的机械结构的设计。
背景技术：
目前助力康复外骨骼装置的主要驱动方式主要有三种：伺服电机驱动，液压驱动，气压驱动。气压驱动由于气体的可压缩性比较大从而导致控制精度相对较低；液压驱动由于要有液压油作为介质，并且其密封难度相对较大，另外高压液压油泄露会对人体构成潜在威胁。采用伺服电机驱动控制精度相对较高，结构简洁。
已有的采用伺服电机驱动的外骨骼助力康复装置，大都把采用把伺服电机横向放置，这样对伺服电机的长度就会有很高的要求，如果电机太长横向放置就可能会对人体正常行走产生阻碍。可是如果电机太小，又会因为无法产生足够的转矩而无法实现助力功能。
发明内容：
本发明目的是解决现有外骨骼动力传输部分结构复杂，体积和重量较大以及使用电机作为动力源时对电机的特殊要求的问题。
本发明包括大腿外骨骼、小腿外骨骼，脚部外骨骼、外骨骼关节、L型固定板、外骨骼支撑板、直流电机、主动锥齿轮，从动锥齿轮，直齿轮，内齿条，筋，传动轴，固定传动轴的板，固定直流电机的L型板，电磁插销。所述的外骨骼关节包括外侧关节下端零件，外侧关节上端零件，内侧关节上端零件，内侧关节下端零件。所述的外侧关节上端零件和大腿外骨骼外侧支撑板固定在一起，外侧关节下端零件和小腿外骨骼外侧支撑板固定在一起，内侧关节上端零件和大腿外骨骼内侧支撑板固定在一起，内侧关节下端零件和小腿外骨骼内侧支撑板固定在一起。所述的内侧关节上端零件和内侧关节下端零件通过连接轴组成可以转动的机构；所述的外侧关节上端零件和外侧关节下端零件通过连接轴组成可以转动的机构；所述的内齿条其下端和外侧关节下端零件相固定，其另一端穿过外侧关节上端零件的弧形孔和筋的一端相固定；所述的筋的另一端固定在中心轴上并可以自由转动。所述的直流电机还包括减速器，编码器；直流电机通过L型固定板竖直固定在大腿外骨骼外侧，电机输出轴和主动锥齿轮固定在一起，主动锥齿轮和从动锥齿轮相互配合；所述的从动锥齿轮通过传动轴和直齿轮组成同轴传动机构；所述的直齿轮和内齿条相互啮合；所述的传动轴通过固定板定位。
本发明具有以下有益效果：一、本发明由于将电机竖直方向放置并通过一对锥齿轮将竖直方向的电机的转动变换为水平方向，这样就可以降低对电机体积的要求，使得电机的选择范围大大扩展。二、采用齿轮传动相比蜗杆、扇形齿轮传动可以获得更大的转矩。三、相比液压、气动动力装置该结构更加简洁可靠。
附图说明：
图1是整体装置的侧视图；
图2是图1分解视图；
图3是关节处具体图；
图4是关节处防止反关节出现的限位结构图；
具体实施方式：
结合图1、图2、图3、图4说明本发明的具体实施方式，该外骨骼助力康复装置由大腿外骨骼(11)、外骨骼关节(12)、小腿外骨骼(13)、脚部外骨骼(14)、固定连接装置、动力传动装置、电磁插销(215)组成。所述的动力传动装置包括直流电机(21)、主动伞齿轮(22)、从动伞齿轮(23)、传动轴(24)、直齿轮(25)、内齿条(26)；主动伞齿轮(22)和从动伞齿轮(23)相互啮合，从动伞齿轮通过传动轴(24)和直齿轮(25)组成同轴转动装置，直齿轮(25)和内齿条(26)相互啮合。内齿条(26)下端和外侧关节下端零件(29)相固定，另一端穿过外侧关节上端零件(214)上的弧形孔(217)和筋(210)的一端相固定。筋(210)的另一端和外侧关节下端零件(29)固定在一起；中心轴(19)穿过筋(210)的一端的中心孔从而可以使筋(210)在一定范围内自由转动。所述的直流电机还包括编码器(31)，电机部分(32)、减速器(33)。直流电机(21)通过L型固定板(36)于竖直方向上固定在大腿外骨骼(11)上，电机输出轴和主动伞齿轮(22)固定在一起。所述的固定连接装置包括：L型固定板(36)、传动轴定位板(34)、中心轴(28)、筋(210)。所述的外骨骼关节包括：外侧关节上端零件(214)、外侧关节下端零件(29)、内侧关节上端零件(213)、内侧关节下端零件(212)、电磁插销(215)、支撑板(27)、中心轴(28)；外侧关节上端零件(16)和外侧关节下端零件(11)通过中心(28)组成可以转动的机构，内侧关节上端零件(213)和内侧关节下端零件(212)通过中心轴(28)组成可以转动的机构；内侧关节上端零件(213)和大腿外骨骼内侧支撑板(35)相固定，内侧关节下端零件(212)和小腿外骨骼内侧支撑板(211)相固定，外侧关节上端零件(214)和大腿外骨骼外侧支撑钢板(216)固定在一起，外侧关节下端零件(29)和小腿外骨骼外侧支撑板(218)固定在一起。支撑板分别固定在相应的大腿外骨骼(11)和小腿外骨骼(13)上。所述的外侧关节上端零件(214)和外侧关节下端零件(29)还包括防止出现反关节危险的限位结构(41)。所述的大腿外骨骼(11)由按大腿形状加工成的外壳组成。所述的小腿外骨骼(13)、脚部外骨骼(14)由按小腿形状和脚的形状加工成的外壳组成。
工作原理：
本结构设计将电机竖直固定于大腿外骨骼(11)上，通过主动锥齿轮(22)和从动锥齿轮(23)巧妙的将竖直方向的转动转换成横向转动，并通过传动轴(24)带动直齿轮(25)转动进而带动内齿条(26)转动，由于内齿条(26)的下端和外侧关节下端零件(29)固定在一起，当内齿条(26)发生转动时，内齿条(26)就会带动外侧关节下端零件(29)一起运动，而外侧关节下端零件(29)和相应支撑板(27)固定在一起，支撑板(27)和小腿外骨骼(13)固定在一起，因此外侧关节下端零件(29)运动就会带动小腿外骨骼(13)一起运动。这样假如当内齿条(26)沿一个方向转动会带动小腿弯屈，那么当内齿条(26)向相反的方向转动是就会带动小腿伸直。直流电机(21)何时沿何方向转动是由控制装置控制的，控制装置通过信号采集装置采集人体行走时的步态信息，经过处理判断人体是正在伸出小腿还是收缩小腿，进而驱动直流电机(21)使其发生沿相应方向的转动，这样便实现了人体行走时的助力功能。本机械结构设计的另一个特点是为防止出现人体反关节的危险而设计的，这主要是指的外侧关节上端零件(214)和外侧关节下端零件(29)设计时采用的限位结构(41)，当人体腿部摆动到支撑期时，由于限位结构(41)的阻挡，小腿外骨骼(13)不会继续向相同方向继续摆动，即使此时直流电机(21)出现控制故障到支撑期时没能及时停下来，但是由于关节处有限位结构(41)也同样可以很好的保护人体，防止反关节危险的出现。
以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.外骨骼助力康复装置，其特征在于：包括大腿外骨骼(11)外骨骼关节(12)、小腿外骨骼(13)、脚部外骨骼(14)、固定连接装置、动力传动装置、电磁插销(215)；所述的动力传动装置用于驱动外骨骼完成腿部摆动动作。 
2.如权利要求1所述的动力传动装置包括：直流电机(21)、主动锥齿轮(22)、从动锥齿轮(23)、传动轴(24)、直齿轮(25)、内齿条(26)；主动锥齿轮(22)和从动锥齿轮(23)通过固定装置相互啮合，从动锥齿轮(23)通过传动轴(24)和直齿轮(25)组成同轴转动装置，直齿轮(25)和内齿条(26)相互啮合。内齿条(26)下端和外侧关节下端零件(29)固定在一起。筋(210)的一端固定在中心轴(28)上，另一端穿过外侧关节上端零件(216)上的弧形孔(217)和筋(210)的另一端相固定。中心轴(28)穿过筋的中心从而可以使筋(210)在一定范围内自由转动。 
3.如权利要求1所述的固定连接装置包括：筋(210)、中心轴(28)、传动轴定位板(34)、L型固定板(36)；通过固定连接装置主动锥齿轮(22)和从动锥齿轮(23)相互啮合，从动锥齿轮(23)又通过传动轴(24)和直齿轮(25)组成同轴传动装置。 
4.如权利要求3所述的直流电机包括：编码器(31)、电机部分(32)、减速器(33)；直流电机通过L型固定板(36)于竖直方向上固定在大腿上，电机输出轴和主动锥齿轮(22)固定在一起。 
5.如权利要求1所述的外骨骼关节包括：外侧关节下端零件(29)、内侧关节下端零件(212)、内侧关节上端零件(213)、外侧关节上端零件(214)、电磁插销(215)、中心轴(28)、支撑板(27)；外侧关节上端零件(214)和外侧关节下端零件(29)通过中心轴(28)组成可以转动的结构。内侧关节上端零件(213)和内侧关节下端零件(212)通过中心轴(28)组成可以转动的结构；内侧关节上端零件(213)和大腿外骨骼内侧上端支撑板(35)固定，内侧关节下端零件(212)和小腿外骨骼内侧支撑板(211)固定，外侧关节上端零件(214)和大腿外骨骼外侧支撑板(216)固定，外侧关节下端零件(29)和小腿外骨骼外侧支撑板(218)固定。支撑板(27)分别固定在相应大腿外骨骼(11)和小腿外骨骼(13)上。 
6.如权利要求5所述外侧关节上端零件(214)和外侧关节下端零件(29)还包括防止出现反关节的限位结构(41)。 
7.如权利要求1所述的大腿外骨骼(11)由按大腿形状加工成的外壳组成。 
8.如权利要求1所述的小腿外骨骼(13)由按小腿形状加工成的外壳组成。 
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