CN106389073A - 外骨骼机械装置 - Google Patents

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Abstract

一种外骨骼机械装置，包括人体骨骼结构、关节结构及柔性驱动器，所述柔性驱动器对应设置于至少一关节结构处。所述柔性驱动器包括转轴、第一转动件、第二转动件及柔性驱动件，所述转轴设置于其中一骨骼结构，所述第一转动件与所述第二转动件绕所述转轴转动设置，所述第二转动件连接于另一骨骼结构。所述第一转动件设有第一收容空间，所述第二转动件设有与所述第一收容空间对应的第二收容空间，所述柔性驱动件收容于所述第一收容空间及所述第二收容空间，所述第一转动件的转动能够通过所述柔性驱动件传递至所述第二转动件，使所述第二转动件延时转动，以使骨骼结构柔性转动，与常规人体的动作更为接近，达到良好的仿真效果。

Description

外骨骼机械装置
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种外骨骼机械装置。
背景技术
随着科技的发展，越来越多的机械产品应用于对人体的理疗中，例如外骨骼机械装置，其中外骨骼机器人已广泛应用于对下身瘫痪者的理疗。另外，外骨骼机械手臂也在正在兴起。
现有的外骨骼机械装置大多采用刚性驱动器，而刚性驱动器对控制人机交互力存在一定难度，在使用过程中，存在失去稳定性的隐患，容易对人体造成伤害；少量的外骨骼机械装置采用柔性驱动器，但是目前的柔性驱动器普遍采用丝杠或者传动齿轮等结构，导致局部体积较大，整体重量增加，使用不方便。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供一种结构简单、能够提供柔性驱动实现关节转动的外骨骼机械装置。
一种外骨骼机械装置，包括人体骨骼结构及关节结构，所述外骨骼机械装置包括柔性驱动器，所述柔性驱动器对应设置于至少一关节结构处，所述柔性驱动器包括转轴、第一转动件、第二转动件及柔性驱动件，所述转轴设置于其中一骨骼结构，所述第一转动件与所述第二转动件绕所述转轴转动并相互靠近，所述第二转动件连接于另一骨骼结构，所述第一转动件设有第一收容空间，所述第二转动件设有与所述第一收容空间对应的第二收容空间，所述柔性驱动件收容于所述第一收容空间及所述第二收容空间，所述第一转动件的转动能够通过所述柔性驱动件传递至所述第二转动件，以使所述第二转动件延时转动，以控制通过所述关节结构相连的骨骼结构柔性转动。
优选地，所述第一收容空间及所述第二收容空间设置为沿所述第一转动件转动的周向延伸，所述第一收容空间及所述第二收容空间的端面沿径向设置，所述第一收容空间及所述第二收容空间的端面对应地与所述柔性驱动件的端面相抵。
优选地，述第二转动件于所述第二收容空间的端面分别向内延伸一限位块，所述柔性驱动件设有与所述限位块对应的限位槽，所述限位块收容于对应的限位槽；或者， 所述第一转动件于所述第一收容空间的端面分别向内延伸一限位块，所述柔性驱动件设有与所述限位块对应的限位槽，所述限位块收容于对应的所述限位槽。
优选地，所述柔性驱动件设置为弹簧；或者，所述柔性驱动件由橡胶或硅胶制成。
优选地，所述第一收容空间、第二收容空间的结构分别呈左右对称设置，以使所述第一转动件及所述第二转动件在转动时，往不同方向转动的驱动力或者制动力相同。
优选地，所述第一收容空间、第二收容空间及所述柔性驱动件的数量分别设置为两个。
优选地，还包括动力机构，驱动或者制动所述第一转动件的转动。
优选地，所述动力机构包括电机、减速装置及传动件，所述电机及所述减速装置分别通过所述传动件与所述第一转动件连接。
优选地，所述传动件与所述第一转动件设置为绕线传动结构，所述绕线传动结构包括与所述电机及所述减速装置连接的绕线筒，以及绕置于所述绕线筒的绕线，所述绕线由所述绕线筒的两侧分别伸出后绕过一线轮连接于所述第一转动件的两侧；或者， 所述传动件与所述第一转动件设置为齿轮传动结构。
优选地，还包括传感机构，用于监测所述第二转动件转动的角度及角速度。
优选地，所述传感机构包括与所述第二转动件同轴的主动转轮，与所述转动轮带式传动连接的从动转轮，以及与所述从动转轮同轴设置的传感器。
一种如权利要求1所述的外骨骼机械装置，所述外骨骼机械装置为外骨骼机器人，所述外骨骼机器人包括腰部支撑组件、腿部外骨骼组件及电控系统，所述腰部支撑组件用于支撑人体的腰部，所述腿部外骨骼组件用于支撑人体的腿部，所述腿部外骨骼组件包括连接件、大腿构件、小腿构件、脚部构件，所述连接件、大腿构件、小腿构件、脚部构件依次设置，构建人体的腿部结构，其特征在于，所述连接件可拆卸地连接于所述腰部支撑组件连接；所述连接件与所述大腿构件转动地连接，以构建腿部外骨骼的一髋关节，所述大腿构件与所述小腿构件可转动地连接，以构建腿部外骨骼的膝关节，所述小腿构件与所述脚部构件转动地连接，以构建腿部外骨骼的踝关节，所述柔性驱动器设置于所述腿部结构的髋关节、膝关节及踝关节的至少一处。
优选地，所述外骨骼机器人还包括电控系统，所述电控系统控制所述柔性驱动器能驱动所述大腿构件、小腿构件及脚部构件转动。
优选地，所述腰部支撑组件包括背板及设置于所述背板的两端分别向前侧延伸的侧板，两个所述侧板能够相对靠近或者远离滑动地固定于所述背板，所述连接件能够相对靠近或者远离所述背板滑动地固定于所述侧板
上述外骨骼机械装置通过设置柔性驱动器，柔性驱动器在所述第一转动件及所述第二转动件之间设置柔性驱动件，当所述第一转动件发生转动，将通过所述柔性驱动件将所述驱动力传递柔性地传递给所述第二转动件，以使所述第二转动件延时转动，满足柔性转动的需要。应用上述柔性驱动器的外骨骼机器人，通过电控系统控制柔性驱动器转动，实现腿部构件柔性地运动，与常规人体的动作更为接近，达到良好的仿真效果。
附图说明
图1是本发明提供的较佳实施例的外骨骼机器人的立体结构示意图。
图2是图1中外骨骼机器人的左侧视图。
图3是图2中局部结构的示意图。
图4是本发明外骨骼机器人的柔性驱动器中驱动机构的分解示意图。
图5是本发明外骨骼机器人的柔性驱动器中传感机构的示意图。
图6是图1中外骨骼机器人省略部分结构的示意图。
图7是图2中外骨骼机器人省略部分结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
请参考图1及图2，本发明的较佳实施例提供一种外骨骼机械装置，所述外骨骼机械装置包括人体骨骼结构及关节结构，所述关节结构处通过本发明实现柔性驱动，以控制通过所述关节结构相连的骨骼结构柔性转动。下面通过外骨骼机械装置的较佳实施例外骨骼机器人100为例进行详细描述。
所述外骨骼机器人100包括腰部支撑组件10、腿部外骨骼组件20及电控系统（图未示）。所述腰部支撑组件10与所述腿部外骨骼组件20共同支撑病患者的身体，所述电控系统能够对所述外骨骼机器人100的动作提供动力源，并实现自动控制。
所述腰部支撑组件10用于固定支撑人体的腰部，其包括背板11及设置于所述背板11的两端分别向前侧延伸的侧板12。进一步地，两个所述侧板12能够相对靠近或者远离滑动地固定于所述背板11，以适应不同的人体。
所述腿部外骨骼组件20包括连接件21、大腿构件22、小腿构件23、脚部构件24及柔性驱动器25。所述连接件21、大腿构件22、小腿构件23、脚部构件24依次设置，所述连接件21与所述大腿构件22通过第一柔性驱动器251可转动地连接，以构建腿部外骨骼的髋关节。所述大腿构件22与所述小腿构件23通过第二柔性驱动器252可转动地连接，以构建腿部外骨骼的膝关节。所述小腿构件23与所述脚部构件24通过第三柔性驱动器253转动地连接，以构建腿部外骨骼的踝关节。所述连接件21可拆卸地连接于所述腰部支撑组件10的侧板12连接。本实施方式中，所述腿部外骨骼组件20的数量设置为两个。
进一步地，所述连接件21能够相对靠近或者远离所述背板11滑动地固定于所述侧板12，以适应不同的人体。具体地，所述侧板12沿长度方向设有滑槽结构，所述连接件21设有与滑槽对应的连接孔，由锁固件穿过所述连接孔及滑槽结构，以将所述连接件21固定于所述侧板12的不同位置。
进一步地，所述腿部外骨骼组件20的长度能够调节，以适应不同的人体。
具体地，所述连接件21与所述大腿构件22的相对位置能够靠近或者远离；及/或，所述大腿构件22设置为相连的两个内部件，所述两个内部件的相对位置能够靠近或者远离；及/或，所述大腿构件22与所述小腿构件23的相对位置能够靠近或者远离；及/或，所述小腿构件23与所述脚部构件24的相对位置能够靠近或者远离。
请参考图3及图4，以所述第二柔性驱动器252进行说明。每一柔性驱动器25包括动力机构254、转轴255、第一转动件256、第二转动件257及至少一柔性驱动件258。所述动力机构254与所述电控系统电连接，所述动力机构254、转轴255设置于所述大腿构件22，所述第一转动件256转动地设置于所述转轴255，所述动力机构254驱动或者制动所述第一转动件256绕所述转轴255转动；所述第二转动件257转动地连接于所述转轴255，并连接于所述小腿构件23；所述柔性驱动件258设置于所述第一转动件256与所述第二转动件257之间，所述第一转动件256通过所述柔性驱动件258带动所述第二转动件257延时转动。
具体地，所述动力机构254包括电机2541、减速装置2542及传动件2543，所述电机2541及所述减速装置2542与所述电控系统电连接，所述电机2541及所述减速装置2542分别通过所述传动件2543与所述第一转动件256连接。本实施方式中，所述传动件2543与所述第一转动件256设置为绕线传动结构，其包括与所述电机2541及所述减速装置2542连接的绕线筒，以及绕置于所述绕线筒的绕线，所述绕线由所述绕线筒的两侧分别伸出后绕过一线轮连接于所述第一转动件256的两侧。所述电机2541及所述减速装置2542驱动或者制动所述绕线筒的转动，所述绕线筒的绕线向一侧方向缠绕，通过线轮将驱动力或制动力传递至所述第一转动件256。
所述第一转动件256与所述第二转动件257沿轴向靠近地设置，所述第一转动件256设有至少一第一收容空间2561，所述第二转动件257至少设有与所述第一收容空间2561对应的一第二收容空间2571，所述柔性驱动件258同时收容于所述第一收容空间2561及所述第二收容空间2571内。所述第一转动件256发生转动，使所述柔性驱动件258运动，所述柔性驱动件258将驱动力延时传递至所述第二转动件257，实现延时转动。
所述第一收容空间2561及所述第二收容空间2571设置为沿转动的周向延伸，所述收容空间2561及所述第二收容空间2571的端面沿径向设置，所述收容空间2561及所述第二收容空间2571的端面对应地与所述柔性驱动件258的端面相抵。
所述第二转动件257于所述第二收容空间2571的端面分别向内延伸一限位块2572，所述柔性驱动件258设有与所述限位块2572对应的限位槽2581，所述限位块2572收容于对应的所述限位槽2581。本实施方式中，所述柔性驱动件258设置为弹簧，所述弹簧套设于所述限位块2572。
本实施方式中，所述第一转动件256开设有相邻的两个第一收容空间2561，所述第二转动件257设有与两个所述第一收容空间2561对应的两个第二收容空间2571。所述第一收容空间2561、第二收容空间2571的结构呈左右对称设置，以使所述第一转动件256及所述第二转动件257在转动时，往不同方向转动的驱动力或者制动力相同。具体地，所述第一收容空间2561、第二收容空间2571及所述柔性驱动件258的数量设置为左右对称的两个。
请参考图5，进一步地，所述柔性驱动器25还包括与所述电控系统电连接的传感机构259，用于监测所述第二转动件257转动的角度及角速度。具体地，所述传感机构259包括与所述第二转动件257同轴的主动转轮2591，与所述主动转轮2591带式传动连接的从动转轮2592，以及与所述从动转轮2592同轴设置的传感器2593，所述传感器2593与所述电控系统电连接。
请参考图6，根据不同需要，例如单腿病患者，其中一个所述腿部外骨骼组件20可以省略，仅保留一个所述腿部外骨骼组件20。
请参考图7，根据不同需要，例如局部病患者，所述柔性驱动器25可选择地省略其中一个或多个。
可以理解，所述动力机构254的传动件2543与所述第一转动件256还可以设置为其他传动方式，例如齿轮传动等。
可以理解，所述柔性驱动器25的相对安装位置可以改变，例如所述动力机构254、转轴255设置于所述小腿构件23，所述第二转动件257连接于所述大腿构件22。
可以理解，所述限位块2572的位置可以改变，例如设置于所述第一转动件256，所述柔性驱动件258套设于所述第一转动件256的限位块。
可以理解，所述柔性驱动件258可以设置为由弹性材料制成，例如橡胶或者硅胶等。
可以理解，根据不同需求，所述柔性驱动器25的动力机构254可以省略，仅需满足转动的需要。
可以理解，根据不同需求，所述柔性驱动器25的传感机构259可以省略。
上述柔性驱动器25通过在所述第一转动件256及所述第二转动件257之间设置柔性驱动件258，当所述第一转动件256发生转动，将通过所述柔性驱动件258将所述驱动力传递柔性地传递给所述第二转动件257，以使所述第二转动件258延时转动，满足柔性转动的需要。
应用上述柔性驱动器25的外骨骼机器人100，通过电控系统30控制柔性驱动器25转动，实现腿部构件柔性地运动，与常规人体的动作更为接近，达到良好的仿真效果。

Claims (14)

1.一种外骨骼机械装置，包括人体骨骼结构及关节结构，其特征在于，所述外骨骼机械装置还包括柔性驱动器，所述柔性驱动器对应设置于至少一关节结构处，所述柔性驱动器包括转轴、第一转动件、第二转动件及柔性驱动件，所述转轴设置于其中一骨骼结构，所述第一转动件与所述第二转动件绕所述转轴转动并相互靠近，所述第二转动件连接于另一骨骼结构，所述第一转动件设有第一收容空间，所述第二转动件设有与所述第一收容空间对应的第二收容空间，所述柔性驱动件收容于所述第一收容空间及所述第二收容空间，所述第一转动件的转动能够通过所述柔性驱动件传递至所述第二转动件，使所述第二转动件延时转动，以控制通过所述关节结构相连的骨骼结构柔性转动。
2.如权利要求1所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述第一收容空间及所述第二收容空间设置为沿所述第一转动件转动的周向延伸，所述第一收容空间及所述第二收容空间的端面沿径向设置，所述第一收容空间及所述第二收容空间的端面对应地与所述柔性驱动件的端面相抵。
3.如权利要求2所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述第二转动件于所述第二收容空间的端面分别向内延伸一限位块，所述柔性驱动件设有与所述限位块对应的限位槽，所述限位块收容于对应的限位槽；或者， 所述第一转动件于所述第一收容空间的端面分别向内延伸一限位块，所述柔性驱动件设有与所述限位块对应的限位槽，所述限位块收容于对应的所述限位槽。
4.如权利要求3所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述柔性驱动件设置为弹簧；或者，所述柔性驱动件由橡胶或硅胶制成。
5.如权利要求2所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述第一收容空间、第二收容空间的结构分别呈左右对称设置，以使所述第一转动件及所述第二转动件在转动时，往不同方向转动的驱动力或者制动力相同。
6.如权利要求5所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述第一收容空间、第二收容空间及所述柔性驱动件的数量分别设置为两个。
7.如权利要求1所述的外骨骼机械装置，其特征在于，还包括动力机构，驱动或者制动所述第一转动件的转动。
8.如权利要求7所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述动力机构包括电机、减速装置及传动件，所述电机及所述减速装置分别通过所述传动件与所述第一转动件连接。
9.如权利要求8所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述传动件与所述第一转动件设置为绕线传动结构，所述绕线传动结构包括与所述电机及所述减速装置连接的绕线筒，以及绕置于所述绕线筒的绕线，所述绕线由所述绕线筒的两侧分别伸出后绕过一线轮连接于所述第一转动件的两侧；或者， 所述传动件与所述第一转动件设置为齿轮传动结构。
10.如权利要求1所述的外骨骼机械装置，其特征在于，还包括传感机构，用于监测所述第二转动件转动的角度及角速度。
11.如权利要求10所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述传感机构包括与所述第二转动件同轴的主动转轮，与所述转动轮带式传动连接的从动转轮，以及与所述从动转轮同轴设置的传感器。
12.如权利要求1所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述外骨骼机械装置为外骨骼机器人，所述外骨骼机器人包括腰部支撑组件、腿部外骨骼组件，所述腰部支撑组件用于支撑人体的腰部，所述腿部外骨骼组件用于支撑人体的腿部，所述腿部外骨骼组件包括连接件、大腿构件、小腿构件、脚部构件，所述连接件、大腿构件、小腿构件、脚部构件依次设置，构建人体的腿部结构，所述连接件可拆卸地连接于所述腰部支撑组件连接；所述连接件与所述大腿构件转动地连接，以构建腿部外骨骼的一髋关节，所述大腿构件与所述小腿构件可转动地连接，以构建腿部外骨骼的膝关节，所述小腿构件与所述脚部构件转动地连接，以构建腿部外骨骼的踝关节，所述柔性驱动器设置于所述腿部结构的髋关节、膝关节及踝关节的至少一处。
13.如权利要求12所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述外骨骼机器人还包括电控系统，所述电控系统控制所述柔性驱动器能驱动所述大腿构件、小腿构件及脚部构件转动。
14.如权利要求12所述的外骨骼机械装置，其特征在于，所述腰部支撑组件包括背板及设置于所述背板的两端分别向前侧延伸的侧板，两个所述侧板能够相对靠近或者远离滑动地固定于所述背板，所述连接件能够相对靠近或者远离所述背板滑动地固定于所述侧板。
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