CN105055125A - 动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构 - Google Patents

Abstract

动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构，包括左伸缩支撑结构、右伸缩支撑结构、连接转动调节结构和动力控制装置，连接转动调节结构左右两端分别与左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的上端连接；左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的构造相同且左右对称。本发明结构简单，易于制造，自动化程度高，可以作为老年人自理的工具，而且可以作为身残病后的恢复锻炼，充分减轻了人们背负重物的压力，并大大提高了背负重物的重量，也特别适用于崎岖的山路运输货物。

Description

动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构

技术领域

本发明涉及一种辅助老年人行动的装置，尤其涉及一种动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构。

背景技术

随着逐渐步入的老龄化的社会，年轻人赡养中老人的重担也越来越大。有很多看似平常的家务劳动，对于体力不支的中老年人来说都是难以完成的；当独生子女成家后将会面临两人赡养四名或者更多老人的问题，在生活中也会越来越多的遇到个人体力严重不足的问题。因此，市场上亟需一种机器用以辅助体弱者及中老年人运动，来帮助这部分人提高他们的自理能力和改善他们的生活质量。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、轻便、易于操控、自动化程度高的动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构，包括左伸缩支撑结构、右伸缩支撑结构、连接转动调节结构和动力控制装置，连接转动调节结构左右两端分别与左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的上端连接；左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的构造相同且左右对称；

连接转动调节结构包括一块宽度调节板和两块连接板，宽度调节板两端分别与两块连接板中部连接，每块连接板的下端均铰接有可沿垂直平面转动的X向铰链座，X向铰链座外侧铰接有可沿水平面转动的Z向第一铰链板，Z向第一铰链板外侧铰接有可沿水平面转动的Z向第二铰链板，Z向第二铰链板外侧铰接有可沿水平面转动的Y向铰链座，左侧的Y向铰链座外侧与左伸缩支撑结构上端铰接，右侧的Y向铰链座外侧与右伸缩支撑结构上端铰接；两块连接板之间设有腰带；连接板上设有用于驱动X向铰链座转动的X向减速电机，左侧的Y向铰链座上设有用于驱动左伸缩支撑结构前后摆动的左Y向减速电机，右侧的Y向铰链座上设有用于驱动右伸缩支撑结构前后摆动的右Y向减速电机；

Y向铰链座内设有驱动Y向铰链座沿Z向转动的Z向驱动机构；所述Z向驱动机构包括设在Y向铰链座内的套管，套管内设有伺服电机、太阳齿轮、行星架、行星齿轮、内齿圈、输出轴、轴承、轴承座和联轴器，伺服电机同轴向固定在Z向第二铰链板上，行星齿轮转动连接在行星架上，行星架设在内齿圈内，太阳齿轮设在伺服电机的动力输出轴上，太阳齿轮穿过行星架位于行星齿轮中间，行星齿轮分别与太阳齿轮和内齿圈啮合，内齿圈与轴承座同轴向固定连接，轴承设在轴承座内，输出轴一端与行星架中心同轴向固定连接，输出轴另一端穿过轴承内圈与联轴器一端连接，联轴器另一端与Y向铰链座固定连接。

所述左伸缩支撑结构包括气动肌腱、弧形板、大腿支撑管、小腿支撑管、大腿伸缩杆、小腿伸缩杆和脚踏板，小腿支撑管上端设有安装座，大腿支撑管下端通过膝关节铰链铰接在安装座上，大腿伸缩杆自上而下插设在大腿支撑管内，大腿支撑管上部设有用于定位大腿伸缩杆的上锁紧环，小腿伸缩杆自下而上插设在小腿支撑管内，小腿支撑管下部设有用于定位小腿伸缩杆的下锁紧环；小腿伸缩杆下端与脚踏板上表面外侧固定连接，大腿支撑管连接有可卡在大腿上的弧形定位板，弧形定位板上设有大腿绷带，脚踏板上设有脚绷带；

小腿支撑管下端设有下支座，大腿支撑管中下部设有上支座，气动肌腱的下端铰接在下支座上，弧形板上端铰接在上支座上，弧形板下端与气动肌腱上端铰接，弧形板后侧沿上下方向设有耐磨滑道，安装座前侧设有与耐磨滑道滚动连接的滚轮。

所述气动肌腱包括气囊和易于水平及竖向伸缩的菱形编织网，菱形编织网设在气囊内壁上，气囊上设有气嘴，气囊外表面设有柔弹性的外保护层。

所述动力控制装置包括设在框架上的箱体，箱体内设有蓄电池、伺服控制器、伺服气动比例阀组、减压阀、液氮瓶、大腿肌肉群肌电信号传感器和髋关节肌肉群肌电信号传感器，蓄电池分别与伺服控制器、X向减速电机、左Y向减速电机、右Y向减速电机和伺服电机通过电缆连接，伺服控制器通过数据信号线分别与伺服气动比例阀组、X向减速电机、左Y向减速电机、右Y向减速电机、伺服电机、大腿肌肉群肌电信号传感器和髋关节肌肉群肌电信号传感器连接，液氮瓶的出口通过减压阀与伺服气动比例阀组的进口连接，伺服气动比例阀组的出口与气动肌腱的进口连接。

采用上述技术方案，动力驱动式下肢关节减压装置还包括背负结构，背负结构下端与连接转动调节结构中部连接；动力控制装置设在背负机构后侧下部；背负结构下端与两块连接板上端之间通过固定座连接；所述背负结构包括垂直设置的框架，框架下端与固定座通过螺栓固定连接，框架上设有高度可调节的负重连接架，框架左右两侧分别设有一条肩带。

动力驱动式下肢关节减压装置在使用时，使用者的双脚分别踏在脚踏板上并用脚绷带固定，大腿部位使用弧形定位板套住并采用大腿绷带绷紧，腰部使用腰带将连接转动调节结构紧固，肩部套上肩带将背负结构紧固。同时将大腿肌肉群肌电信号传感器和髋关节肌肉群肌电信号传感器分别粘贴到大腿肌肉群和髋关节肌肉群处。重物绑在负重连接架上，重物的重力通过背负结构、连接转动调节结构后通过左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构进行支撑，这样就大大减轻了人们脊柱和下肢的压力。

假定大腿前后摆动是绕着X轴运动，大腿左右摆动是绕着Y轴运动，大腿内旋和外旋是绕着Z轴运动。绕X轴和绕Y轴的转动副可以在人体以外，但绕Z轴运动的转动副却只能在人体内。当向前迈动左腿或右腿时，髋关节肌肉和大腿肌肉会发生变化，大腿肌肉群肌电信号传感器和髋关节肌肉群肌电信号传感器将变化信号传输给伺服控制器，伺服控制器向左Y向减速电机或右Y向减速电机发出命令信号，左Y向减速电机和右Y向减速电机分别驱动左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构。若大腿左右摆动，伺服控制器向X向减速电机发出命令信号，左右两个X向减速电机分别驱动连接转动调节结构进行转动，连接转动调节结构外端带动左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构左右摆动。大腿内旋和外旋时，伺服控制器向X向减速电机发出命令信号，伺服电机转动，通过太阳齿轮驱动行星齿轮，行星齿轮通过输出轴驱动Y向铰链座和相对于Z向第二铰链板转动。

人从下蹲准备站起时，需要更大的腿部拉力来实现站立，而站立时只需很小的力气维持。气动肌腱驱动弧形板，这样可以通过改变弧形板的支点位置来提供不同力臂和力量输出。滚轮就是弧形板的支点，随着伸展角度变化，滚轮与弧形板接触的位置也在变化。当气动肌腱行程越长，大腿支撑管和小腿支撑管之间的伸展角度越大时，滚轮所处位置会越靠近耐磨滑道下部；当大腿支撑管和小腿支撑管之间伸展角度越小时，即屈膝时，滚轮所处位置会越靠近耐磨滑道上部，从而在下蹲准备站起时气动肌腱提供更大的拉力。

当不同身高的人使用时，可通过在大腿支撑管内上下调节大腿伸缩杆，在小腿支撑管内上下调节小腿伸缩杆，并通过上锁紧环和下锁紧环将大腿伸缩杆和小腿伸缩杆锁紧即可。宽度调节板可调节连接转动调节结构再水平方向上的长度，以适合不同腰围的人使用。

气动肌腱的气囊膨胀，菱形编织网水平方向增大，垂直方向缩短，气动肌腱产生向上的拉力将配重块向上拉起，气动肌腱的气囊收缩，菱形编织网水平方向减小，垂直方向伸长，配重块下落。气动肌腱只产生拉力不产生推力，同人体肌肉一样。

本发明结构简单，易于制造，自动化程度高，可以作为老年人自理的工具，而且可以作为身残病后的恢复锻炼，充分减轻了人们背负重物的压力，并大大提高了背负重物的重量，也特别适用于崎岖的山路运输货物。

附图说明

图1是动力驱动式下肢关节减压装置的结构示意图；

图2是图1的左视图（工作使用状态下）；

图3是动力控制装置的结构示意图；

图4是右侧的连接转动调节结构的整体装配示意图；

图5是图4中连接转动调节结构的爆炸图；

图6是图1中气动肌腱收缩和膨胀时的示意图。

具体实施方式

如图1-图6所示，动力驱动式下肢关节减压装置，包括左伸缩支撑结构、右伸缩支撑结构、连接转动调节结构、背负结构、动力控制装置，连接转动调节结构左右两端分别与左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的上端连接，背负结构下端与连接转动调节结构中部连接；左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的构造相同且左右对称；动力控制装置设在背负机构后侧下部。

连接转动调节结构包括一块宽度调节板1和两块连接板2，背负结构下端与两块连接板2上端之间通过固定座3连接，宽度调节板1两端分别与两块连接板2中部连接，每块连接板2的下端均铰接有可沿垂直平面转动的X向铰链座4，X向铰链座4外侧铰接有可沿水平面转动的Z向第一铰链板5，Z向第一铰链板5外侧铰接有可沿水平面转动的Z向第二铰链板6，Z向第二铰链板6外侧铰接有可沿水平面转动的Y向铰链座7，左侧的Y向铰链座7外侧与左伸缩支撑结构上端铰接，右侧的Y向铰链座7外侧与右伸缩支撑结构上端铰接；两块连接板2之间设有腰带8。

连接板2上设有用于驱动X向铰链座4转动的X向减速电机9，左侧的Y向铰链座7上设有用于驱动左伸缩支撑结构前后摆动的左Y向减速电机10，右侧的Y向铰链座7上设有用于驱动右伸缩支撑结构前后摆动的右Y向减速电机11。

Y向铰链座7内设有驱动Y向铰链座7沿Z向转动的Z向驱动机构。

Z向驱动机构包括设在Y向铰链座7内的套管12，套管12内设有伺服电机13、太阳齿轮14、行星架15、行星齿轮16、内齿圈17、输出轴18、轴承19、轴承座20和联轴器21，伺服电机13同轴向固定在Z向第二铰链板6上，行星齿轮16转动连接在行星架15上，行星架15设在内齿圈17内，太阳齿轮14设在伺服电机13的动力输出轴18上，太阳齿轮14穿过行星架15位于行星齿轮16中间，行星齿轮16分别与太阳齿轮14和内齿圈17啮合，内齿圈17与轴承座20同轴向固定连接，轴承19设在轴承座20内，输出轴18一端与行星架15中心同轴向固定连接，输出轴18另一端穿过轴承19内圈与联轴器21一端连接，联轴器21另一端与Y向铰链座7固定连接。

左伸缩支撑结构包括气动肌腱22、弧形板23、大腿支撑管24、小腿支撑管25、大腿伸缩杆26、小腿伸缩杆27和脚踏板28，小腿支撑管25上端设有安装座29，大腿支撑管24下端通过膝关节铰链30铰接在安装座29上，大腿伸缩杆26自上而下插设在大腿支撑管24内，大腿支撑管24上部设有用于定位大腿伸缩杆26的上锁紧环31，小腿伸缩杆27自下而上插设在小腿支撑管25内，小腿支撑管25下部设有用于定位小腿伸缩杆27的下锁紧环32；小腿伸缩杆27下端与脚踏板28上表面外侧固定连接，大腿支撑管24连接有可卡在大腿上的弧形定位板33，弧形定位板33上设有大腿绷带34，脚踏板28上设有脚绷带35。

小腿支撑管25下端设有下支座36，大腿支撑管24中下部设有上支座37，气动肌腱22的下端铰接在下支座36上，弧形板23上端铰接在上支座37上，弧形板23下端与气动肌腱22上端铰接，弧形板23后侧沿上下方向设有耐磨滑道38，安装座29前侧设有与耐磨滑道38滚动连接的滚轮39。

气动肌腱22包括气囊40和易于水平及竖向伸缩的菱形编织网41，菱形编织网41设在气囊40内壁上，气囊40上设有气嘴42，气囊40外表面设有柔弹性的外保护层43。

背负结构包括垂直设置的框架44，框架44下端与固定座3通过螺栓固定连接，框架44上设有高度可调节的负重连接架45，框架44左右两侧分别设有一条肩带46。

动力控制装置包括设在框架44上的箱体47，箱体47内设有蓄电池48、伺服控制器49、伺服气动比例阀组50、减压阀51、液氮瓶52、大腿肌肉群肌电信号传感器53和髋关节肌肉群肌电信号传感器54，蓄电池48分别与伺服控制器49、X向减速电机9、左Y向减速电机10、右Y向减速电机11和伺服电机13通过电缆连接，伺服控制器49通过数据信号线分别与伺服气动比例阀组50、X向减速电机9、左Y向减速电机10、右Y向减速电机11、伺服电机13、大腿肌肉群肌电信号传感器53和髋关节肌肉群肌电信号传感器54连接，液氮瓶52的出口通过减压阀51与伺服气动比例阀组50的进口连接，伺服气动比例阀组50的出口与气动肌腱22的进口通过高压气管56连接。

本发明在使用时，使用者的双脚分别踏在脚踏板28上并用脚绷带35固定，大腿部位使用弧形定位板33套住并采用大腿绷带34绷紧，腰部使用腰带8将连接转动调节结构紧固，肩部套上肩带46将背负结构紧固。同时将大腿肌肉群肌电信号传感器53和髋关节肌肉群肌电信号传感器54分别粘贴到大腿肌肉群和髋关节肌肉群处。重物绑在负重连接架45上，重物的重力通过背负结构、连接转动调节结构后通过左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构进行支撑，这样就大大减轻了人们脊柱和下肢的压力。

假定大腿前后摆动是绕着X轴运动，大腿左右摆动是绕着Y轴运动，大腿内旋和外旋是绕着Z轴运动。绕X轴和绕Y轴的转动副可以在人体以外，但绕Z轴运动的转动副却只能在人体内。当向前迈动左腿或右腿时，髋关节肌肉和大腿肌肉会发生变化，大腿肌肉群肌电信号传感器53和髋关节肌肉群肌电信号传感器54将变化信号传输给伺服控制器49，伺服控制器49向左Y向减速电机10或右Y向减速电机11发出命令信号，左Y向减速电机10和右Y向减速电机11分别驱动左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构。若大腿左右摆动，伺服控制器49向X向减速电机9发出命令信号，左右两个X向减速电机9分别驱动连接转动调节结构进行转动，连接转动调节结构外端带动左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构左右摆动。大腿内旋和外旋时，伺服控制器49向X向减速电机9发出命令信号，伺服电机13转动，通过太阳齿轮14驱动行星齿轮16，行星齿轮16通过输出轴18驱动Y向铰链座7和相对于Z向第二铰链板6转动。

人从下蹲准备站起时，需要更大的腿部拉力来实现站立，而站立时只需很小的力气维持。气动肌腱22驱动弧形板23，这样可以通过改变弧形板23的支点位置来提供不同力臂和力量输出。滚轮39就是弧形板23的支点，随着伸展角度变化，滚轮39与弧形板23接触的位置也在变化。当气动肌腱22行程越长，大腿支撑管24和小腿支撑管25之间的伸展角度越大时，滚轮39所处位置会越靠近耐磨滑道38下部；当大腿支撑管24和小腿支撑管25之间伸展角度越小时，即屈膝时，滚轮39所处位置会越靠近耐磨滑道38上部，从而在下蹲准备站起时气动肌腱22提供更大的拉力。

当不同身高的人使用时，可通过在大腿支撑管24内上下调节大腿伸缩杆26，在小腿支撑管25内上下调节小腿伸缩杆27，并通过上锁紧环31和下锁紧环32将大腿伸缩杆26和小腿伸缩杆27锁紧即可。宽度调节板1可调节连接转动调节结构再水平方向上的长度，以适合不同腰围的人使用。

气动肌腱22的气囊40膨胀，菱形编织网41水平方向增大，垂直方向缩短，气动肌腱22产生向上的拉力将配重块55向上拉起，气动肌腱22的气囊40收缩，菱形编织网41水平方向减小，垂直方向伸长，配重块55下落。气动肌腱22只产生拉力不产生推力，同人体肌肉一样。

Claims (4)

1.动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构，其特征在于：包括左伸缩支撑结构、右伸缩支撑结构、连接转动调节结构和动力控制装置，连接转动调节结构左右两端分别与左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的上端连接；左伸缩支撑结构和右伸缩支撑结构的构造相同且左右对称；连接转动调节结构包括一块宽度调节板和两块连接板，宽度调节板两端分别与两块连接板中部连接，每块连接板的下端均铰接有可沿垂直平面转动的X向铰链座，X向铰链座外侧铰接有可沿水平面转动的Z向第一铰链板，Z向第一铰链板外侧铰接有可沿水平面转动的Z向第二铰链板，Z向第二铰链板外侧铰接有可沿水平面转动的Y向铰链座，左侧的Y向铰链座外侧与左伸缩支撑结构上端铰接，右侧的Y向铰链座外侧与右伸缩支撑结构上端铰接；两块连接板之间设有腰带；连接板上设有用于驱动X向铰链座转动的X向减速电机，左侧的Y向铰链座上设有用于驱动左伸缩支撑结构前后摆动的左Y向减速电机，右侧的Y向铰链座上设有用于驱动右伸缩支撑结构前后摆动的右Y向减速电机；

Y向铰链座内设有驱动Y向铰链座沿Z向转动的Z向驱动机构；所述Z向驱动机构包括设在Y向铰链座内的套管，套管内设有伺服电机、太阳齿轮、行星架、行星齿轮、内齿圈、输出轴、轴承、轴承座和联轴器，伺服电机同轴向固定在Z向第二铰链板上，行星齿轮转动连接在行星架上，行星架设在内齿圈内，太阳齿轮设在伺服电机的动力输出轴上，太阳齿轮穿过行星架位于行星齿轮中间，行星齿轮分别与太阳齿轮和内齿圈啮合，内齿圈与轴承座同轴向固定连接，轴承设在轴承座内，输出轴一端与行星架中心同轴向固定连接，输出轴另一端穿过轴承内圈与联轴器一端连接，联轴器另一端与Y向铰链座固定连接。

2.根据权利要求1所述的动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构，其特征在于：所述左伸缩支撑结构包括气动肌腱、弧形板、大腿支撑管、小腿支撑管、大腿伸缩杆、小腿伸缩杆和脚踏板，小腿支撑管上端设有安装座，大腿支撑管下端通过膝关节铰链铰接在安装座上，大腿伸缩杆自上而下插设在大腿支撑管内，大腿支撑管上部设有用于定位大腿伸缩杆的上锁紧环，小腿伸缩杆自下而上插设在小腿支撑管内，小腿支撑管下部设有用于定位小腿伸缩杆的下锁紧环；小腿伸缩杆下端与脚踏板上表面外侧固定连接，大腿支撑管连接有可卡在大腿上的弧形定位板，弧形定位板上设有大腿绷带，脚踏板上设有脚绷带；

小腿支撑管下端设有下支座，大腿支撑管中下部设有上支座，气动肌腱的下端铰接在下支座上，弧形板上端铰接在上支座上，弧形板下端与气动肌腱上端铰接，弧形板后侧沿上下方向设有耐磨滑道，安装座前侧设有与耐磨滑道滚动连接的滚轮。

3.根据权利要求2所述的动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构，其特征在于：所述气动肌腱包括气囊和易于水平及竖向伸缩的菱形编织网，菱形编织网设在气囊内壁上，气囊上设有气嘴，气囊外表面设有柔弹性的外保护层。

4.根据权利要求2或3所述的动力驱动式下肢关节减压装置的动力控制转动支撑机构，其特征在于：所述动力控制装置包括设在框架上的箱体，箱体内设有蓄电池、伺服控制器、伺服气动比例阀组、减压阀、液氮瓶、大腿肌肉群肌电信号传感器和髋关节肌肉群肌电信号传感器，蓄电池分别与伺服控制器、X向减速电机、左Y向减速电机、右Y向减速电机和伺服电机通过电缆连接，伺服控制器通过数据信号线分别与伺服气动比例阀组、X向减速电机、左Y向减速电机、右Y向减速电机、伺服电机、大腿肌肉群肌电信号传感器和髋关节肌肉群肌电信号传感器连接，液氮瓶的出口通过减压阀与伺服气动比例阀组的进口连接，伺服气动比例阀组的出口与气动肌腱的进口连接。