CN105496729A - 一种基于并联机构的髋关节助力装置 - Google Patents

一种基于并联机构的髋关节助力装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于并联机构的髋关节助力装置，该助力装置包括腰部支撑组件，两套约束组件和两套执行组件：所述执行组件包括腿部加紧子组件，传感器子组件，固定板和两个主动支链子组件，所述主动支链子组件分别与腰部支撑组件和底板连接，为相对于人腿前后对称分布的UPS支链，所述传感器子组件分别与腿部加紧子组件和约束组件连接。本发明通过上述约束组件和执行组件的设计，可实现装置在三个方向自由度的转动，保证装置旋转中心与不同患者髋关节旋转中心重合，有效避免了人机干涉力带来的损伤，同时结构简单、使用方便。

Description

一种基于并联机构的髋关节助力装置
技术领域
本发明属于下肢助力器械领域，具体来说，涉及一种基于并联机构的髋关节助力装置，主要适用于下肢髋关节助力训练等医疗领域。
背景技术
下肢助力器械是一种可穿戴于患者外侧的机械系统，它通过安装的驱动器，辅以角位移传感器以及关节力矩传感器，帮助患者抬起准备向前迈出的下肢，同时加大蹬地力量，从而扩大他们行走时的步幅和活动范围，实现助力、助行和辅助康复治疗的功能。
髋关节是人体的承重关节且参与运动，因此极易发生损伤，髋关节损伤后，如果治疗不及时，容易导致髋关节周围韧带松弛、关节不稳，严重的将影响行走功能。此外，一些神经性系统疾病也可导致髋关节周围的肌肉疲软，使人体无法像正常人一样行走。髋关节损伤后除进行必要的医疗手段外，还需要借助助力装置对患肢进行助力训练，帮助患者恢复关节活动以及行走功能。现有的髋关节助力装置各自存在着其相应的问题：自由度相对较少，仅能实现较小的转动角度，不能满足患者对于多自由度、大角度康复训练的要求，有的助力装置为冗余驱动，结构复杂，穿戴麻烦，不能保证装置旋转中心与髋关节旋转中心重合，或只能借助患肢约束得以实现以髋关节为转动中心的助力康复训练。这样会对本身已遭受病痛的患肢造成不必要的干涉与伤害，不利于助力康复训练。因此迫切需要一种结构简单轻巧，助力训练角度范围大，装置旋转中心与髋关节旋转中心重合的髋关节助力装置，本发明即是为这种目的而设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于并联机构的髋关节助力装置，该装置结构简单、穿戴方便，可以满足在行走过程中髋关节运动所需的前屈/后伸、外摆/内收、内旋/外旋三个旋转自由度；通过约束组件的调节功能可保证不同患者的髋关节旋转中心与装置旋转中心重合，有效避免了人机干涉力对患肢造成的伤害。
本发明解决技术问题所采用的方案是。
一种基于并联机构的髋关节助力康复装置，其特征在于：该装置包括腰部支撑组件(1)，两套约束组件(2)和两套执行组件(3)，所述执行组件(3)包括腿部夹紧子组件(4)，传感器子组件(5)，底板(6)和两个主动支链子组件(41)，所述主动支链子组件(41)分别与腰部支撑组件(1)和底板(6)固定连接，为相对于人腿前后对称分布的UPS(U代表虎克副，P代表移动副，S代表球副)支链，所述传感器子组件(5)分别与腿部夹紧子组件(4)和约束组件(2)固定连接。
进一步地，所述的腰部支撑组件(1)包括腰部支撑板(7)，固定板(8)，调整气囊(10)和绑带(9)，所述固定板(8)与腰部支撑板(7)固定连接，所述调整气囊(10)粘附于腰部支撑板(7)内侧，所述绑带(9)与腰部支撑板(7)的外侧连接。
进一步地，所述约束组件(2)包括第一约束板(11)，第二约束板(13)，第三约束板(14)，第四约束板(17)各两套，连接板(21)，转动板(16)，第一角度传感器(J1)，第二角度传感器(J2)，所述第一约束板(11)的一端与固定板(8)固定连接，另一端与第二约束板(13)的一端固定连接，所述第三约束板(14)的一端通过第一转动副(20)与第二约束板(13)连接，所述第四约束板(17)的两端分别与第三约束板(14)和连接板(21)固定连接，所述连接板(21)与转动板(16)通过第二转动副(19)连接。
进一步地，所述第一角度传感器的固定端(18)与第二约束板(13)固定连接，旋转端(12)与第三约束板(14)固定连接，所述第二角度传感器的固定端(15)与连接板(21)固定连接，旋转端(27)与转动板(16)固定连接。
进一步地，所述第一转动副(20)与第二转动副(19)的延长线，正交于一点O。
进一步地，所述主动支链子组件(41)包括依次连接的球座(28)、第一连杆(29)、推杆式线性驱动器(P)、第二连杆(24)、U型连接件(23)、固定座(22)，所述球座(28)与底板(6)固定连接，所述固定座(22)与固定板(8)固定连接，所述第一连杆(29)与第二连杆(24)连接在推杆式线性驱动器(P)上，所述第一连杆(29)与球座(28)通过球副(S)连接，所述U型连接件(23)与第二连杆(24)之间通过第三转动副(F3)连接，U型连接件(23)与固定座(22)之间通过第四转动副(F4)连接，两条转动连接轴线相互正交构成虎克副(U)，所述主动支链子组件(41)的下端通过球副(S)与底板(6)连接，所述主动支链子组件(41)的上端通过虎克副(U)与固定板(8)连接。
进一步地，所述传感器子组件(5)包括小连接块(25)，传感器(26)，带有定位孔(31)的小连接板(30)，所述传感器(26)左端通过小连接块(25)固定连接在底板(6)上，所述传感器(26)右端与带有定位孔(31)的小连接板(30)固定连接。
进一步地，所述腿部夹紧子组件(4)包括两套外夹紧板(33)，两套环形滑块(42)，两套内夹紧板(35)，两套小夹紧气囊(36)，魔术贴毛面(44)，魔术贴钩面(34)和定位键(32)；
所述环形滑块(42)包括滑轨部分(38)和滑块部分(37)，分别与外夹紧板(33)和内夹紧板(35)固定连接，所述小夹紧气囊(36)粘附于内夹紧板(35)内侧，所述两套外夹紧板(33)为开有销孔(43)和定位键槽(39)的半圆板，通过螺栓(40)与小连接板(30)连接，所述魔术贴毛面(44)与魔术贴钩面(34)分别粘附于两套外夹紧板(33)外侧。
进一步地，所述小链接板(30)上的定位孔(31)与两套外夹紧板(33)上的定位键槽(39)在装置穿戴加紧过程中相互对齐，并与定位键(32)的尺寸相吻合。
本发明由于采用以上技术方案，约束组件(2)的设计可以保证不同人的髋关节旋转中心与装置的旋转中心重合，有效避免了人机干涉力对患肢造成的伤害；执行组件(3)的设计，实现了前屈/后伸和外摆/内收自由度，其中当人腿处于悬空状态时受力较小，可人为带动内夹紧板(35)通过环形滑块(42)相对于外夹紧板(33)做局部自由转动，实现第三个自由度即为髋关节的内旋/外旋转动；所提出的主动支链子组件(41)驱动分布方案，可以简化装置，减小装置占用体积，避免主动支链过多而带来的额外干涉以及能量损耗，同时使装置具有足够的工作空间，良好的运动学性能和刚度特性指标。
下面结合附图对本发明的一种基于并联机构的髋关节助力装置做进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种髋关节助力装置的总体结构三维示意图；
图2为本发明一种髋关节助力装置的腰部支撑组件示意图；
图3为本发明一种髋关节助力装置的约束组件结构示意图；
图4为本发明一种髋关节助力装置的主动支链结构示意图；
图5为本发明一种髋关节助力装置的主动支链与腰部支撑组件连接示意图；
图6为本发明一种髋关节助力装置的主动支链与底板连接示意图；
图7为本发明一种髋关节助力装置的传感器子组件的爆炸结构示意图；
图8为本发明一种髋关节助力装置的夹紧子组件的装配图；
图9为本发明一种髋关节助力装置的夹紧子组件的爆炸结构示意图；
图10为本发明一种髋关节助力装置的夹紧子组件与传感器子组件连接示意图；
图中：1—腰部支撑组件；2—约束组件；3—执行组件；4—夹紧子组件；5—传感器子组件；6—底板；7—腰部支撑板；8—固定板；9—绑带；10—气囊；11—第一约束板；12—第一角度传感器旋转端；13—第二约束板；14—第三约束板；15—第二角度传感器固定端；16—转动板；17—第四约束板；18—第一角度传感器固定端；19—第二转动副；20—第一转动副；21—连接板；22—固定座；23—U型连接件；24—第二连杆；25—小连接块；26—传感器；27—第二角度传感器旋转端；28—球座；29—第一连杆；30—小连接板；31—定位孔；32—定位键；33—外夹紧板；34—魔术贴钩面；35—内夹紧板；36—小夹紧气囊；37—滑块部分；38—滑轨部分；39—定位键槽；40—螺栓；41—主动支链子组件；42—环形滑块；43—销孔；44—魔术贴毛面；U—虎克副；S—球副；P—推杆式线性驱动器；F3—第三转动副；F4—第四转动副；J1—第一角度传感器；J2—第二角度传感器。
具体实施方式
如图1-图10所示，本发明一种基于并联机构的髋关节助力装置：包括腰部支撑组件(1)，两套约束组件(2)和两套执行组件(3)：所述执行组件(3)包括腿部夹紧子组件(4)，传感器子组件(5)，底板(6)和两个主动支链子组件(41)，所述主动支链子组件(41)分别与腰部支撑组件(1)和底板(6)固定连接，为相对于人腿前后对称分布的UPS(U代表虎克副，P代表移动副，S代表球副)支链，所述传感器子组件(5)分别与腿部加紧子组件(4)和约束组件(2)固定连接。
作为一种实施例，如图2所示，所述的腰部支撑组件(1)包括腰部支撑板(7)，固定板(8)，调整气囊(10)和绑带(9)，所述固定板(8)与腰部支撑板(7)固定连接，所述调整气囊(10)粘附于腰部支撑板(7)内侧，所述绑带(9)与腰部支撑板(7)的外侧连接。当装置处于固定工作状态时，绑带将腰部支撑板绑缚于腰部，并对气囊进行充气，对腰部起到保护和夹紧作用。
作为一种实施例，如图3所示，所述约束组件(2)包括第一约束板(11)，第二约束板(13)，第三约束板(14)，第四约束板(17)各两套，连接板(21)，转动板(16)，第一角度传感器(J1)，第二角度传感器(J2)，所述第一约束板(11)的一端与固定板(8)固定连接，另一端与第二约束板(13)的一端固定连接，所述第三约束板(14)的一端通过第一转动副(20)与第二约束板(13)连接，所述第四约束板(17)的两端分别与三约束板(14)和连接板(21)固定连接，所述连接板(21)与转动板(16)通过第二转动副(19)连接；
所述第一角度传感器的固定端(18)与第二约束板(13)固定连接，旋转端(12)与第三约束板(14)固定连接，所述第二角度传感器的固定端(15)与连接板(21)固定连接，旋转端(27)与转动板(16)固定连接；
所述第一转动副(20)与第二转动副(19)的延长线，正交于一点O；
根据约束组件各杆件之间的相互调整配合使用，可满足不同患者的髋关节旋转中心与装置的旋转中心重合。
作为一种实施例，如图1、图4、图5、图6所示，所述主动支链子组件(41)包括依次连接的球座(28)、第一连杆(29)、推杆式线性驱动器(P)、第二连杆(24)、U型连接件(23)、固定座(22)，所述球座(28)与底板(6)固定连接，所述固定座(22)与固定板(8)固定连接，所述第一连杆(29)与第二连杆(24)连接在推杆式线性驱动器(P)上，所述第一连杆(29)与球座(28)通过球副(S)连接，所述U型连接件(23)与第二连杆(24)之间通过第三转动副(F3)连接，U型连接件(23)与固定座(22)之间通过第四转动副(F4)连接，两条转动连接轴线相互正交构成虎克副(U)，所述主动支链子组件(41)的下端通过球副(S)与底板(6)连接，所述主动支链子组件(41)的上端通过虎克副(U)与固定板(8)连接。
作为一种实施例，如图7、图10所示，所述传感器子组件(5)包括小连接块(25)，传感器(26)，带有定位孔(31)的小连接板(30)，所述传感器(26)左端通过小连接块(25)固定连接在底板(6)上，所述传感器(26)右端与带有定位孔(31)的小连接板(30)固定连接。
作为一种实施例，如图8-10所示，所述腿部夹紧子组件(4)包括两套外夹紧板(33)，两套环形滑块(42)，两套内夹紧板(35)，两套小夹紧气囊(36)，魔术贴毛面(44)，魔术贴钩面(34)和定位键(32)；
所述环形滑块(42)包括滑轨部分(38)和滑块部分(37)，分别与外夹紧板(33)和内夹紧板(34)固定连接，所述小夹紧气囊(36)粘附于内夹紧板(35)内侧，所述两套外夹紧板(33)为开有销孔(43)和定位键槽(39)的半圆板，通过螺栓(40)与小连接板(30)连接，所述魔术贴毛面(44)与魔术贴钩面(34)分别粘附于两套外夹紧板(33)外侧；
所述小链接板(30)上的定位孔(31)与两套外夹紧板(33)上的定位键槽(39)在装置穿戴加紧过程中相互对齐，并与定位键(32)的尺寸相吻合，当装置处于固定工作状态时，将两套外夹紧板(33)闭合，魔术贴钩面(34)粘于魔术贴毛面(44)上，定位键(32)依次穿过小连接块(30)的定位孔(31)，两套外夹紧板(33)的定位槽(39)，实现加紧子组件(4)与传感器子组件(5)位置的固定，同时对夹紧小气囊(36)充气保证内夹紧板(35)与人腿处于夹紧状态。
本发明的髋关节助力装置的工作过程是，人体大腿有前屈/后伸、外摆/内收运动意图时，会对传感器(26)产生力和力矩作用，传感器(26)检测到人要进行的运动，启动推杆式线性驱动器(P)，在腰部夹紧组件(1)，执行组件(3)的联合作用下，带动人腿完成此运动，人体大腿具有内旋/外旋运动意图时，由于行走过程中旋转角度和受力相对较小，人腿处于悬空状态时，可人为带动内夹板(35)通过环形滑块(42)相对于外夹板(33)做局部自由转动，另外在约束组件(2)的作用下，通过调整约束组件(2)各杆件之间的连接尺寸，可保证人腿的旋转中心与装置的旋转中心重合，本发明可以对髋关节磨损或者受伤的患者进行术后髋关节康复训练和行走助力，基于并联机构不仅可以保证实现髋关节助力所需要的三个旋转自由度，而且结构简单，占用体积小，避免主动支链过多而带来的额外干涉以及能量损耗，同时使装置具有足够的工作空间，良好的运动学性能和刚度特性指标。

Claims (9)

1.一种基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于：该装置包括腰部支撑组件(1)，两套约束组件(2)和两套执行组件(3)：所述执行组件(3)包括腿部夹紧子组件(4)，传感器子组件(5)，底板(6)和两个主动支链子组件(41)，所述主动支链子组件(41)分别与腰部支撑组件(1)和底板(6)固定连接，为相对于人腿前后对称分布的UPS支链，其中U代表虎克副，P代表移动副，S代表球副，所述传感器子组件(5)分别与腿部夹紧子组件(4)和约束组件(2)固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述的腰部支撑组件(1)包括腰部支撑板(7)，固定板(8)，调整气囊(10)和绑带(9)，所述固定板(8)与腰部支撑板(7)固定连接，所述调整气囊(10)粘附于腰部支撑板(7)内侧，所述绑带(9)与腰部支撑板(7)的外侧连接。
3.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述约束组件(2)包括第一约束板(11)，第二约束板(13)，第三约束板(14)，第四约束板(17)各两套，连接板(21)，转动板(16)，第一角度传感器(J1)，第二角度传感器(J2)，所述第一约束板(11)的一端与固定板(8)固定连接，另一端与第二约束板(13)的一端固定连接，所述第三约束板(14)的一端通过第一转动副(20)与第二约束板(13)连接，所述第四约束板(17)的两端分别与第三约束板(14)和连接板(21)固定连接，所述连接板(21)与转动板(16)通过第二转动副(19)连接。
4.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述第一角度传感器的固定端(18)与第二约束板(13)固定连接，旋转端(12)与第三约束板(14)固定连接，所述第二角度传感器的固定端(15)与连接板(21)固定连接，旋转端(27)与转动板(16)固定连接。
5.根据权利要求3所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述第一转动副(20)与第二转动副(19)的延长线，正交于一点O。
6.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述主动支链子组件(41)包括依次连接的球座(28)、第一连杆(29)、推杆式线性驱动器(P)、第二连杆(24)、U型连接件(23)、固定座(22)，所述球座(28)与底板(6)固定连接，所述固定座(22)与固定板(8)固定连接，所述第一连杆(29)与第二连杆(24)连接在推杆式线性驱动器(P)上，所述第一连杆(29)与球座(28)通过球副(S)连接，所述U型连接件(23)与第二连杆(24)之间通过第三转动副(F3)连接，U型连接件(23)与固定座(22)之间通过第四转动副(F4)连接，两条转动连接轴线相互正交构成虎克副(U)，所述主动支链子组件(41)的下端通过球副(S)与底板(6)连接，所述主动支链子组件(41)的上端通过虎克副(U)与固定板(8)连接。
7.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述传感器子组件(5)包括小连接块(25)，传感器(26)，带有定位孔(31)的小连接板(30)，所述传感器(26)左端通过小连接块(25)固定连接在底板(6)上，所述传感器(26)右端与带有定位孔(31)的小连接板(30)固定连接。
8.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述腿部夹紧子组件(4)包括两套外夹紧板(33)，两套环形滑块(42)，两套内夹紧板(35)，两套小夹紧气囊(36)，魔术贴毛面(44)，魔术贴钩面(34)和定位键(32)；
所述环形滑块(42)包括滑轨部分(38)和滑块部分(37)，分别与外夹紧板(33)和内夹紧板(35)固定连接，所述小夹紧气囊(36)粘附于内夹紧板(35)内侧，所述两套外夹紧板(33)为开有销孔(43)和定位键槽(39)的半圆板，通过螺栓(40)与小连接板(30)连接，所述魔术贴毛面(44)与魔术贴钩面(34)分别粘附于两套外夹紧板(33)外侧。
9.根据权利要求1所述的基于并联机构的髋关节助力装置，其特征在于，所述小链接板(30)上的定位孔(31)与两套外夹紧板(33)上的定位键槽(39)在装置穿戴加紧过程中相互对齐，并与定位键(32)的尺寸相吻合。
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