CN105250117A - 一种坐式步行下肢外骨骼 - Google Patents

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赵彦峻
葛文庆
刘小龙
张健
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    • A47C9/00Stools for specified purposes
    • A47C9/02Office stools not provided for in main groups A47C1/00, A47C3/00 or A47C7/00; Workshop stools
    • A47C9/025Stools for standing or leaning against, e.g. in a semi-standing or half-seated position

Abstract

本发明提供一种坐式步行下肢外骨骼,主要包括座椅模块、髋关节模块、大腿模块、螺旋紧固模块、膝关节模块、小腿模块、踝关节模块、鞋子及计算机控制模块。髋关节模块由开有滑槽轨道的大齿轮,小齿轮和装有滚轮的支架组成,大齿轮与小齿轮啮合传动,滚轮放置在滑槽轨道内,支架另一端固定联接在小齿轮轴上。本发明双腿设计在人体双腿的中间,达到了自然平衡的目的;安装了座椅,实现了穿戴者随时休息的目的;髋关节利用齿轮啮合,实现了精确配合及使人机关节合一的作用,提高了穿戴者的舒适性。本发明结构紧凑,可折叠,重量轻,具有环保,自平衡及休息的功能,可广泛应用于医院、家庭、野外科考团及旅游团等应用场所。

Description

一种坐式步行下肢外骨骼
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼,特别是一种坐式步行下肢外骨骼。
背景技术
世界已步入老龄化社会,脑中风患者越来越多;各种自然灾害、疾病以及交通事故造成的下肢残障者也逐年增加,他们行走行为退化或甚至失去了正常人的行走与运动能力,生活质量和生活自由度受到影响。科学考察者或旅游者需要拖运重物长途行走,体力消耗造成人类抵抗能力的降低,给人们的生活、工作或旅游带来困难。为了解决这些问题,人们进行了大量研究,发现如果对下肢行走功能障碍患者进行大量地行走训练,能够不断刺激病人大脑中枢神经,实现脑功能替代,使下肢残障者达到行走目的,人们设计了下肢康复训练外骨骼,如中国专利公报2013年8月22日公告的发明专利:一种下肢康复训练机器人,申请号:201310370758X,由腿驱动机构,人重心及腿间距调整机构,高度调整机构,系统支架组成,该下肢康复训练机器人实现了对下肢残障者的步行训练,但是该康复训练机器人是用支架支撑,训练者只在固定位置实现行走练习,不能完成长途旅游时携带行走的作用。为了实现携带人类长途行走或携带下肢残障者如正常人一样的外出行走移动的目的,人们也设计了步行移动式机器人,如,中国专利公报2008年2月20日公告的发明专利:下部肢体外骨骼,申请号:200680006514.1,它由两条分布在人体外侧的腿组成,实现了携带穿戴者长途旅游或行走的能力,但该机器适用于身体健康与强壮的人,对于下肢残障者因为下肢没有太大的力量,穿戴比较困难,该机器平衡性需要靠人体支持,其腰部与人体的腰部的外面,影响和限制了人类上身的运动,另外,长途行走休息也有困难,因此,该机器人用于下肢残障者外出行走具有缺陷。为了改变上述缺点,2012年9月18日公告的发明专利,行走辅助装置,申请号:US008267876B2,它由两条分布在人体内侧的腿组成,具有座椅,该机器解决了上述机器中限制人体上身运动的缺点,其利用大腿与座椅联接处的滑块结构,实现了机器髋关节与人体髋关节的重合,但抬腿向前行走的时候,滑块在力的作用下有向后运动的趋势,由于安装松紧程度的不同,使滑块滑动距离具有不确定性。
发明内容
本发明是提供一种能克服上述缺陷,能够实现下肢康复训练,携带人类行走,且具有休息及自平衡功能的下肢外骨骼。
本发明提出的一种坐式步行下肢外骨骼,它包括座椅模块、髋关节模块、大腿模块、螺旋紧固模块、膝关节模块、小腿模块、踝关节模块、鞋子和计算机控制模块;座椅模块包括座椅架、采用人体工程学设计的坐垫和留有一个半圆柱可安装电气元件的空间的座椅安装板,其上还有一个可开合隔离半圆柱空间的盖板,该空间内安装电源、线路板及CPU等计算机控制模块;髋关节模块包括大齿轮,支架,小齿轮,支架上部装有滚轮可在大齿轮滑槽轨道内滚动,支架下端固定联接在小齿轮轴上;大腿部结构包括大腿上板和大腿下板组成,电机安装在大腿上板上,电机轴与小齿轮配合联接;螺旋紧固模块主要由上滚花螺钉、安装架、垫块等组成。其中安装架固定在大腿下板上,上滚花螺钉与安装架为螺纹孔配合;膝关节模块是连接大腿下板的小腿上杆的,其上有阻尼离合器;小腿模块有小腿上杆和小腿下杆组成,由下滚花螺钉紧固两杆;踝关节模块连接小腿下杆与鞋子,并且有用来缓冲的圆柱压缩弹簧件实现柔性联接。
本发明的工作原理是:使用前,根据穿戴者的步态,设定坐式步行下肢外骨骼的步态,调整大腿与小腿的长度,以适应穿戴者的高度与关节的位置,以使座椅到合适高度,使用时,穿戴者先穿上鞋子,坐在座椅上,下肢外骨骼安装的各类传感器采集人体关节、腿、脚部、肌肉的运动意图,将信息传递给电脑,电脑控制电机转动,若测定人的右腿抬起,则驱动右侧电机,电机转动,小齿轮与大齿轮啮合并沿着大齿轮转动,从而带动右侧大腿抬起,在人体重心前趋与重力的作用下,完成右腿的向前迈步及右脚的着地,在此时,左侧小齿轮在电机驱动下有较小反向转动,完成左腿的小范围的后摆以辅导右腿的迈步及身体的向前行走时的前倾,右脚支撑地面后,右侧电机反转,此时右脚处于全支撑地面状态,此时,完成迈步动作,然后,左侧电机驱动,电机正转,左侧小齿轮沿大齿轮转动,实现左侧大腿的抬起并实现迈步,左脚支撑地面,在左腿摆动到一定程序后,右侧电机驱动反转,以产生右腿稍微后摆以辅助左腿迈步及身体的向前行走时的前倾,以此类推,实现外骨骼携带人行走的目的。人体步行的步态,由先前的初始程序设计,因此,在程序中可设定几种走路方式,依据电机的驱动及机器与人体的耦合,实现人体自然行走的作用。
本发明与现有技术相比,其优点在于:实现下肢康复训练的功能,能够携带普通人类长途行走且能携带下肢残障者行走的功能,该坐式步行下肢外骨骼双腿设计在人体双腿的中间,达到了自然平衡的目的,坐式步行下肢外骨骼安装了座椅,实现了穿戴者随时休息的目的,该坐式步行下肢外骨骼利用齿轮啮合及支架联接,实现了外骨骼髋关节与人髋关节重合,增强了外骨骼穿戴时的舒服性与设计的合理性,利用支架保持了两轮的紧密结合及间隙的调整,该结构紧凑,设计简单,重量轻,可折叠,利用电池驱动具有环保功能。可广泛应用于医院,家庭,野外科学考察团以及旅游团等应用场所。
附图说明
图1是坐式步行下肢外骨骼结构正视图;
图2是坐式步行下肢外骨骼结构左视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
由图1和图2所示,本发明提出的一种坐式步行下肢外骨骼,它包括座椅模块(1)、髋关节模块(4)、大腿模块(25)、螺旋紧固模块(16)、膝关节模块(9)、小腿模块(20)、踝关节模块(12)、鞋子(11)和计算机控制模块(29);
所述的座椅模块(1)包括座椅架(2)、坐垫(30)和内部中空可安装电气元件的半圆柱体的座椅安装板(3),其两外侧装有一个可开合的半圆柱形的盖板(27);
所述的髋关节模块(4)由开有滑槽轨道(6)的大齿轮(28),小齿轮(8)和装有滚轮(5)的支架(26)组成,大齿轮(28)与小齿轮(8)啮合传动,滚轮(5)放置在滑槽轨道(6)内,支架(26)的另一端固定联接在小齿轮(8)轴上;
所述的大腿部模块(25)包括大腿上板(24)和大腿下板(23),电机(15)安装在大腿上板(24)上,电机轴(14)与髋关节的小齿轮(8)配合联接;
所述的螺旋紧固模块(16)主要由上滚花螺钉(22)、安装架(17)、垫块(18)组成,其中安装架(17)固定在大腿下板(23)上,上滚花螺钉(22)与安装架(17)为螺纹配合;
所述的膝关节模块(9)连接大腿下板(23)和小腿上杆(10),其上装有阻尼离合器(19);
所述的小腿部模块(20)由小腿上杆(10)和小腿下杆(13)组成,由下滚花螺钉(21)将两杆固定;
所述的踝关节模块(12)连接小腿下杆(13)与鞋子(11)。
本发明进一步的优选方案是:
所述的髋关节模块(4)采用对称双列布局。
所述的大腿部模块(25)由通过上滚花螺钉(22)固定的上下两杆组成,杆为工字型滑槽结构且可通过上下移动调节高度。
所述的膝关节模块(9)装有大小可调并且可解除的阻尼离合器(19)。
所述的小腿模块(20)由通过螺栓固定的上下两杆组成,杆为中空结构,截面为类椭圆形状且可通过上下移动调节高度。
所述的踝关节模块(12)由可储存能量,自动回位且具有缓冲能量的柔性联接件组成。
下面将进一步说明本发明的具体实施方式。使用前,根据穿戴者的步态,设定坐式步行下肢外骨骼的步态,调节大腿模块(25)与小腿模块(20)的长度,以适应穿戴者的高度与关节的位置,以使座椅到合适高度,并分别将两腿拧紧固定,根据穿戴者的重量情况调整膝关节阻尼离合器(19),使用时,穿戴者穿上鞋子(11),坐于坐垫(30)上,此时,穿戴者与外骨骼成为耦合的一体,外骨骼髋关节,膝关节,鞋底安装的传感器采集人体关节、腿、脚部、肌肉的运动数据,将信息传递给电脑,电脑控制电机(15)转动,若测定人的右腿迈动,则驱动右侧(15)电机,电机转动,右侧小齿轮(8)与大齿轮(28)啮合并沿着大齿轮(28)转动,从而带动右侧大腿抬起,在人体重心前趋与重力的作用下,完成右腿的向前迈步及右脚的着地,在此时,左侧小齿轮(8)在电机驱动下与大齿轮(28)啮合并有较小反向转动,完成左腿的小范围的后摆以辅导右腿的迈步及身体的向前行走时的前倾,右脚支撑地面后,右侧电机反转,此时右脚处于全支撑地面状态,此时,完成迈步动作,然后,左侧电机(15)驱动,电机(15)正转,左侧小齿轮(8)沿大齿轮(28)转动,实现左侧大腿的抬起并实现迈步,左脚支撑地面,在左腿摆动到一定程度后,右侧电机(15)驱动反转,以产生右腿稍微后摆以辅助左腿迈步及身体的向前行走时的前倾,以此类推,实现外骨骼携带人行走的目的。人体的步行的步态,由先前的初始程序设计,因此,在程序中可设定几种走路方式,依据电机的驱动及机器与人体的耦合,实现人体自然行走的作用。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种坐式步行下肢外骨骼思想的具体支持,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动,均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种坐式步行下肢外骨骼,它包括座椅模块(1)、髋关节模块(4)、大腿模块(25)、螺旋紧固模块(16)、膝关节模块(9)、小腿模块(20)、踝关节模块(12)、鞋子(11)和计算机控制模块(29);
所述的座椅模块(1)包括座椅架(2)、坐垫(30)和内部中空可安装电气元件的半圆柱体的座椅安装板(3),其两外侧装有一个可开合的半圆柱形的盖板(27);
所述的髋关节模块(4)由开有滑槽轨道(6)的大齿轮(28),小齿轮(8)和装有滚轮(5)的支架(26)组成,大齿轮(28)与小齿轮(8)啮合传动,滚轮(5)放置在滑槽轨道(6)内,支架(26)另一端固定联接在小齿轮(8)轴上;
所述的大腿部模块(25)包括大腿上板(24)和大腿下板(23),电机(15)安装在大腿上板(24)上,电机轴(14)与髋关节的小齿轮(8)配合联接;
所述的螺旋紧固模块(16)主要由上滚花螺钉(22)、安装架(17)、垫块(18)组成,其中安装架(17)固定在大腿下板(23)上,上滚花螺钉(22)与安装架(17)为螺纹配合;
所述的膝关节模块(9)连接大腿下板(23)和小腿上杆(10),其上装有阻尼离合器(19);
所述的小腿部模块(20)由小腿上杆(10)和小腿下杆(13)组成,由下滚花螺钉(21)将两杆固定;
所述的踝关节模块(12)连接小腿下杆(13)与鞋子(11)。
2.根据权利要求1所述的一种坐式步行下肢外骨骼,其特征在于髋关节模块(4)采用对称双列布局。
3.根据权利要求1所述的一种坐式步行下肢外骨骼,其特征在于大腿部模块(25)由通过上滚花螺钉(22)固定的上下两杆组成,杆为工字型滑槽结构且可通过上下移动调节高度。
4.根据权利要求1所述的一种坐式步行下肢外骨骼,其特征在于膝关节模块(9)装有大小可调并且可解除的阻尼离合器(19)。
5.根据权利要求1所述的一种坐式步行下肢外骨骼,其特征在于小腿模块(20)由通过螺栓固定的上下两杆组成,杆为中空结构,截面为类椭圆形状且可通过上下移动调节高度。
6.根据权利要求1所述的一种坐式步行下肢外骨骼,其特征在于踝关节模块(12)由可储存能量,自动回位且具有缓冲能量的柔性联接件组成。
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