CN106420203A - 可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，包括左右对称的两个脚踏板、两个小腿杆、两个大腿杆和两个腰杆，小腿杆的驱动电机驱动后轮轴，在后轮轴上固接有小齿轮，小齿轮和大齿轮啮合，大齿轮固装在膝关节的外端，在大齿轮的外侧设有底杆，底杆转动连接在后轮轴上，小腿杆设置在底杆的内侧，在底杆和小腿杆之间设有小连杆，底杆的下端与小腿杆的下端通过踝关节连接；大腿杆滑块和小腿杆滑块通过位于其外侧的大连杆连接，在底杆上安装有前轮和后轮，在前轮的前方设有万向轮，在两个腰杆之间连接有靠背板，在两个大腿杆之间连接有柔性椅座垫。本发明将轮椅的快速移动功能、辅助站立功能和辅助行走功能集于一体。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动辅助机器人，特别是涉及一种可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人。
背景技术
随着社会的发展，我国已步入老龄化的社会。截止2014年底，我国60岁以上老年人口已经达到2.12亿，占总人口的15.5％。并且老年人多数存在关节力量不足、腿脚不便等问题，其日常生活需要人来照料。另外我国存在着较大一部分比重的脑血管疾病患者，他们通常伴有偏瘫和截瘫症状，严重影响着下肢肢体运动。医学研究表明，脑血管患者在病情稳定后，受损的神经系统将会进行自动修复，但自然恢复过程比较缓慢，并且难以痊愈。但有效的康复训练可以使得神经系统功能重组和代偿，加速神经系统的修复，使患者恢复运动能力。
国内外众多科研人员对下肢康复机器人开展了研究，主要致力于实现辅助行走和康复训练功能。从使用者的日常生活需求考虑，为使用者提供坐姿状态下快速移动、辅助使用者站立功能与前面两种功能具有同等的地位。因此开发出一种融合坐姿状态下快速移动、辅助站立和辅助行走功能于一体的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人显得急为迫切。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种具备坐姿状态下快速移动、辅助站立和辅助行走功能于一体的可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，包括左右对称的两个脚踏板、两个小腿杆、两个大腿杆和两个腰杆，所述脚踏板通过踝关节连接在所述小腿杆的内侧，所述小腿杆的上端与所述大腿杆的下端通过膝关节连接在一起，所述大腿杆和所述小腿杆均设有驱动电机，所述大腿杆的上端与所述腰杆的下端通过髋关节连接在一起，在所述大腿杆和所述小腿杆上均连接有腿部固定带，在所述腰杆上连接有腰部固定带，所述大腿杆的驱动电机为直线电机，所述直线电机安装在所述腰杆和传动杆之间，所述传动杆的后端铰接在大腿杆滑块的外侧，所述大腿杆滑块安装在所述大腿杆的外侧；所述小腿杆的驱动电机为旋转电机，所述旋转电机固定在底杆上，所述旋转电机通过锥齿轮组驱动后轮轴，在所述后轮轴上固接有小齿轮，所述小齿轮和大齿轮啮合，所述大齿轮固装在膝关节的外端，在所述大齿轮的外侧设有底杆，所述底杆的上端转动连接在所述后轮轴上，所述小腿杆设置在所述底杆的内侧，在所述底杆和所述小腿杆之间设有小连杆，所述小连杆的上端铰接在小腿杆滑块的外侧，所述小腿杆滑块安装在所述小腿杆的外侧，所述小连杆的下端与所述底杆铰接，所述底杆的下端与所述小腿杆的下端通过踝关节连接；在所述底杆和所述连杆之间设有平行锁固结构，所述大腿杆滑块和所述小腿杆滑块通过位于其外侧的大连杆连接，在所述腰杆和所述大腿杆之间设有转动锁固结构，在所述小腿杆滑块和所述踝关节之间设有上移锁固结构，在所述底杆上安装有前轮和后轮，在所述前轮的前方设有万向轮，所述万向轮通过轮架与所述小腿杆滑块连接，在两个所述腰杆之间连接有靠背板，在两个所述大腿杆之间连接有柔性椅座垫。
所述转动锁固结构包括固接在所述大腿杆上端外侧的锁销座和开设在所述腰杆下端前侧的锁口，在所述锁销座上设有滑道，在所述滑道内从上至下依次设有锁销、弹簧和限位板，所述弹簧夹压在所述限位板和所述锁销之间，所述锁销采用柔性钢丝绳连接在大腿杆滑块上；当所述腰杆和所述大腿杆垂直时，所述锁销插装在所述锁口内。
所述上移锁固结构包括固接在所述小腿杆滑块下方的锁壳，在所述锁壳内设有可伸缩的锁舌，所述锁舌以所述踝关节作为锁栓，在所述锁舌的后部设有回拉环。
当辅助机器人处于轮椅状态时，所述后轮着地，所述前轮和/或所述万向轮着地，所述小齿轮与所述大齿轮脱离，所述上移锁固结构处于锁固状态，所述转动锁固结构处于锁固状态。
当辅助机器人处于外骨骼机器人状态时，所述直线电机通过所述传动杆带动所述大腿杆绕所述髋关节转动；所述平行锁固结构处于锁固状态，所述旋转电机带动所述小腿杆绕所述膝关节转动；当辅助机器人处于辅助站立状态时，所述直线电机通过所述传动杆带动所述大腿杆滑块向所述膝关节移动，带动所述大连杆绕所述小腿杆滑块转动，进而推动所述大腿杆绕所述膝关节转动。
本发明具有的优点和积极效果是：基于可重构机构，通过杆件重合的方式实现机构自由度的变化，机构不同的自由度对应实现了不同的功能：一)实现了轮椅状态下的快速移动的功能；二)实现了辅助站立功能；三)实现了外骨骼状态下的辅助行走功能。三种功能基本涵盖了使用者在日常生活中对于移动的需求，将轮椅的功能和外骨骼机器人的功能集于一体。另外，本发明的辅助行走功能存在主动适应式行走和被动控制式行走两种模式可以选择，从而下肢肢体运动障碍程度不同的使用者可以根据自身情况进行选择，即扩大了使用者的范围。并且本发明能够实现人体下肢髋、膝关节的康复训练，从而将特定关节的针对性训练与辅助行走相结合，既能够提高康复训练效果，也能够减少训练过程的枯燥性。
附图说明
图1为本发明处于外骨骼机器人状态的结构示意图；
图2为图1下部的主视图；
图3为本发明处于轮椅状态的结构示意图；
图4为本发明辅助人体站立初期的结构示意图；
图5为本发明辅助人体站立后期的结构示意图；
图6为本发明的两个局部放大示意图。
图中：101、腰杆，102、传动杆，103、大腿杆，104、小腿杆，105、大连杆，106、小连杆，107、底杆，201、靠背板，202、直线电机，203、大腿杆滑块，204、柔性椅座垫，205、大齿轮，206、小齿轮，207、小腿杆滑块，208、旋转电机，209、锥齿轮组，210、脚踏板，211、后轮轴，301、万向轮，302、前轮，303、后轮，401、转动锁固结构，402、上移锁固结构，403、平行锁固结构，411、柔性钢丝绳，412、弹簧，413、锁销，421、锁舌，422、回拉环，501、髋关节，502、膝关节，503、踝关节。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图6，一种可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，包括左右对称的两个脚踏板210、两个小腿杆104、两个大腿杆103和两个腰杆101，所述脚踏板210通过踝关节503连接在所述小腿杆104的内侧，所述小腿杆104的上端与所述大腿杆103的下端通过膝关节502连接在一起，所述大腿杆103和所述小腿杆104均设有驱动电机，所述大腿杆103的上端与所述腰杆101的下端通过髋关节501连接在一起，在所述大腿杆103和所述小腿杆104上均连接有腿部固定带，在所述腰杆101上连接有腰部固定带，所述大腿杆103的驱动电机为直线电机202，所述直线电机202安装在所述腰杆101和传动杆102之间，所述传动杆102的后端铰接在大腿杆滑块203的外侧，所述大腿杆滑块203安装在所述大腿杆103的外侧。
请参阅图3，所述小腿杆104的驱动电机为旋转电机208，所述旋转电机208固定在底杆107上，所述旋转电机208通过锥齿轮组209驱动后轮轴211，在所述后轮轴211上固接有小齿轮206，所述小齿轮206和大齿轮205啮合，所述大齿轮205固装在膝关节502的外端，在所述大齿轮205的外侧设有底杆107，所述底杆107的上端转动连接在所述后轮轴211上，所述小腿杆104设置在所述底杆107的内侧，在所述底杆107和所述小腿杆104之间设有小连杆106，所述小连杆106的上端铰接在小腿杆滑块207的外侧，所述小腿杆滑块207安装在所述小腿杆104的外侧，所述小连杆106的下端与所述底杆107铰接，所述底杆107的下端与所述小腿杆104的下端通过踝关节503连接，在所述底杆107和所述小连杆106之间设有平行锁固结构403，所述大腿杆滑块203和所述小腿杆滑块207通过位于其外侧的大连杆105连接，在所述腰杆101和所述大腿杆103之间设有转动锁固结构401，在所述小腿杆滑块207和所述踝关节503之间设有上移锁固结构402，在所述底杆107上安装有前轮302和后轮303，在所述前轮302的前方设有万向轮301，所述万向轮301通过轮架与所述小腿杆滑块207连接，在两个所述腰杆101之间连接有靠背板201，在两个所述大腿杆103之间连接有柔性椅座垫204。
在本实施例中，所述转动锁固结构401包括固接在所述大腿杆103上端外侧的锁销座和开设在所述腰杆101下端前侧的锁口，在所述锁销座上设有滑道，在所述滑道内从前至下后依次设有锁销413、弹簧412和限位板，所述弹簧412夹压在所述限位板和所述锁销413之间，所述锁销413采用柔性钢丝绳411连接在大腿杆滑块203上；当所述腰杆101和所述大腿杆103垂直时，所述锁销413插装在所述锁口内。所述上移锁固结构402包括固接在所述小腿杆滑块207下方的锁壳，在所述锁壳内设有可伸缩的锁舌421，所述锁舌421以所述踝关节503作为锁栓，在所述锁舌421的后部设有回拉环422。
请参阅图3，当辅助机器人处于轮椅状态时，所述后轮303着地，所述前轮302和/或所述万向轮301着地，所述大齿轮205与所述小齿轮206脱离，所述上移锁固结构402处于锁固状态，所述转动锁固结构401处于锁固状态。
请参阅图1，当辅助机器人处于外骨骼机器人状态时，所述直线电机202通过所述传动杆102带动所述大腿杆103绕所述髋关节501转动；所述平行锁固结构403处于锁固状态，所述旋转电机208带动所述小腿杆104绕所述膝关节502转动。
请参阅图4，当辅助机器人处于辅助站立状态时，所述直线电机202通过所述传动杆102带动所述大腿杆滑块203向所述膝关节502移动，带动所述大连杆105绕所述小腿杆滑块207转动，进而推动所述大腿杆103绕所述膝关节502转动。
本发明的工作原理：
请参见图3，本发明在轮椅状态下能实现快速移动功能，其具体实现方式为：旋转电机208工作，通过锥齿轮组209将动力传到后轮轴211上，实现后轮303的连续滚动，进而实现轮椅的快速移动功能。
请参见图4，在辅助人体站立过程中，转动锁固结构401一直保持锁固状态。因为在人体坐下后期，锁销413在弹簧412的作用下沿滑道运动进入腰杆101上的锁口，阻碍腰杆101相对大腿杆103的旋转运动，这一状态在辅助人体站立初期过程中一直保持。在这一过程中，小腿杆104、小腿杆和底杆之间的小连杆106以及底杆107保持静止，机构在左右两个直线电机202的驱动下辅助人体站立，具体过程为：
直线电机202伸出，推动大腿杆滑块203沿着大腿杆103向膝关节502移动，此时小腿杆滑块207在上移锁固结构402的作用下锁固在小腿杆104上不能移动，所以大连杆105在大腿杆滑块203的带动下绕小腿杆滑块207的铰接轴转动并将大腿杆103顶起，使大腿杆103绕膝关节502转动，带动与大腿杆103固接的柔性椅座垫204升起，辅助人体初步站立。
在辅助人体初步站立之后，大腿杆滑块203运动到大腿杆103最前端，通过柔性钢丝绳411传动将髋关节501处的转动锁固结构401打开，使腰杆101可以在人体腰部的作用下绕髋关节501逐渐向后翻转至与大腿杆103平行的位置，同时拉动小腿杆滑块207的上移锁固结构402的回拉环422使锁舌421缩回至锁壳内，放开小腿杆滑块207使其可以移动。然后直线电机202收缩，带动大腿杆滑块203沿大腿杆103向髋关节501移动，大连杆105则跟随大腿杆滑块203运动并带动小腿杆滑块207沿小腿杆104向膝关节502移动，与小腿杆滑块207铰接的小连杆106则在小腿杆滑块207的带动下向小腿杆104靠拢，同时带动与其铰接的底杆107绕着踝关节503向小腿杆104方向转动，后轮303离开地面，前轮302和万向轮301在与地面保持接触的同时相对于踝关节503逐渐上升使脚踏板210缓慢落地，实现由轮子着地到脚踏板着地的平稳过渡，请参见图5，此时机构转变为欠驱动方式运动，使用者可以根据自身习惯，在站立后期逐渐站立起来。
人体在站立阶段后期，通过挺直身体，人体重量作用在踏板上。随着腰杆101转至与大腿杆103平行的位置，小连杆106和底杆107转至与小腿杆104平行的位置，采用平行锁固结构403将小连杆106和底杆107锁定在一起，并且这一状态在人体行走过程中均保持不变，本发明转化为外骨骼机器人状态。
请参见图1，人体在旋转电机208和直线电机202的共同作用下，小腿杆104绕膝关节502做旋转运动，大腿杆103绕髋关节501做旋转运动，脚踏板210跟随人体脚步绕踝关节503做旋转运动，从而实现辅助使用者行走功能。具体过程为：旋转电机208通过锥齿轮组209和后轮轴211将动力传给后轮轴211端部的小齿轮206，小齿轮206与大直齿轮205形成行星齿轮传动，小齿轮206沿着大齿轮205外轮廓回转，带动连接成一体的小腿杆104、底杆107和小连杆106绕膝关节502旋转，实现辅助小腿运动的功能。在髋关节501处，直线电机202通过传动杆102带动大腿杆滑块203，大腿杆滑块203拉动大腿杆103绕髋关节501转动，实现辅助大腿运动的功能。通过编程控制能够实现膝关节502和髋关节501旋转角度按设定的角度进行变化。
请参见图5，本发明在由外骨骼机器人状态转变为轮椅状态的过程中，需要首先打开小腿杆104与底杆107之间的平行锁固结构403，之后直线电机202伸出，推动大腿杆滑块203沿着大腿杆103向膝关节502移动，在大连杆105的作用下，小腿杆滑块207沿小腿杆104向踝关节503移动，推动底杆107绕踝关节503向远离小腿杆104的方向旋转，逐渐将底杆107放平，后轮303、前轮302和万向轮301逐渐着地，脚踏板210离开地面，其中前轮302和万向轮301先后着地，后轮303最后着地。同时，腰杆101被直线电机202拉起至与大腿杆103垂直的位置，转动锁固结构401中的锁销413在弹簧412作用下进入腰杆101锁口，实现腰杆101和大腿杆103的相对锁定，保证坐姿状态下机构的稳定，此后便能提供坐姿状态下快速移动的功能。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，包括左右对称的两个脚踏板、两个小腿杆、两个大腿杆和两个腰杆，所述脚踏板通过踝关节连接在所述小腿杆的内侧，所述小腿杆的上端与所述大腿杆的下端通过膝关节连接在一起，所述大腿杆和所述小腿杆均设有驱动电机，所述大腿杆的上端与所述腰杆的下端通过髋关节连接在一起，在所述大腿杆和所述小腿杆上均连接有腿部固定带，在所述腰杆上连接有腰部固定带，其特征在于，所述大腿杆的驱动电机为直线电机，所述直线电机安装在所述腰杆和传动杆之间，所述传动杆的后端铰接在大腿杆滑块的外侧，所述大腿杆滑块安装在所述大腿杆的外侧；所述小腿杆的驱动电机为旋转电机，所述旋转电机固定在底杆上，所述旋转电机通过锥齿轮组驱动后轮轴，在所述后轮轴上固接有小齿轮，所述小齿轮和大齿轮啮合，所述大齿轮固装在膝关节的外端，在所述大齿轮的外侧设有底杆，所述底杆的上端转动连接在所述后轮轴上，所述小腿杆设置在所述底杆的内侧，在所述底杆和所述小腿杆之间设有小连杆，所述小连杆的上端铰接在小腿杆滑块的外侧，所述小腿杆滑块安装在所述小腿杆的外侧，所述小连杆的下端与所述底杆铰接，所述底杆的下端与所述小腿杆的下端通过踝关节连接；在所述底杆和所述连杆之间设有平行锁固结构，所述大腿杆滑块和所述小腿杆滑块通过位于其外侧的大连杆连接，在所述腰杆和所述大腿杆之间设有转动锁固结构，在所述小腿杆滑块和所述踝关节之间设有上移锁固结构，在所述底杆上安装有前轮和后轮，在所述前轮的前方设有万向轮，所述万向轮通过轮架与所述小腿杆滑块连接，在两个所述腰杆之间连接有靠背板，在两个所述大腿杆之间连接有柔性椅座垫。
2.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，其特征在于，所述转动锁固结构包括固接在所述大腿杆上端外侧的锁销座和开设在所述腰杆下端前侧的锁口，在所述锁销座上设有滑道，在所述滑道内从上至下依次设有锁销、弹簧和限位板，所述弹簧夹压在所述限位板和所述锁销之间，所述锁销采用柔性钢丝绳连接在大腿杆滑块上；当所述腰杆和所述大腿杆垂直时，所述锁销插装在所述锁口内。
3.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，其特征在于，所述上移锁固结构包括固接在所述小腿杆滑块下方的锁壳，在所述锁壳内设有可伸缩的锁舌，所述锁舌以所述踝关节作为锁栓，在所述锁舌的后部设有回拉环。
4.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，其特征在于，当辅助机器人处于轮椅状态时，所述后轮着地，所述前轮和/或所述万向轮着地，所述小齿轮与所述大齿轮脱离，所述上移锁固结构处于锁固状态，所述转动锁固结构处于锁固状态。
5.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化移动辅助机器人，其特征在于，当辅助机器人处于外骨骼机器人状态时，所述直线电机通过所述传动杆带动所述大腿杆绕所述髋关节转动；所述平行锁固结构处于锁固状态，所述旋转电机带动所述小腿杆绕所述膝关节转动；当辅助机器人处于辅助站立状态时，所述直线电机通过所述传动杆带动所述大腿杆滑块向所述膝关节移动，带动所述大连杆绕所述小腿杆滑块转动，进而推动所述大腿杆绕所述膝关节转动。
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