CN106726359A - 一种柔性可穿戴下肢助力外骨骼服 - Google Patents
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Abstract
本发明一种柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于该外骨骼服包括高腰短裤、护膝、鞋、控制器、牵引带和两个驱动装置，所述高腰短裤在左右髋关节和骶骨处均安装有陀螺仪传感器，在高腰短裤的腰间位置上固定有可调节腰带，所述两个驱动装置左右对称安装在高腰短裤正面的可调节腰带上，每个驱动装置均与一个牵引带的上端连接，牵引带的下端穿过护膝，并与鞋连接，每个驱动装置用以驱动相应侧的踝关节运动；三个陀螺仪传感器和两个驱动装置均与控制器连接；控制器用来处理三个陀螺仪传感器的数据，并控制驱动装置的动力元件运动，所述护膝位于膝关节处，护膝上设有长短不等的多个粘贴魔术贴点，护膝上设有膝盖窝。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可穿戴柔性下肢外骨骼服。
背景技术
如今人口老龄化严重，给社会与家庭带来了很大负担。独居老人缺少陪护，不便外出行走。目前，已有的外骨骼多为刚性结构，使人穿戴不便，行走困难，体积较大，动作笨拙，与操作者的预期动作不吻合。不能灵活适应不同的操作者。
申请号为201510574501.5的中国专利公开了一种气动人工肌肉驱动的仿生柔性下肢外骨骼服，存在不足：柔性绳与鞋铰接方式由于力矩过小起不到脚背屈效果，柔性捆绑带均在大腿小腿处，会因关节处弯曲时，柔性捆绑带跨过关节易左右偏移而传力不均匀，而圆柱形的刚性驱动装置直接与大腿小腿接触，影响行走柔顺性；且下肢外骨骼服关联上肢的刚性悬吊背心，增大外骨骼服重量；此外，气动驱动方式稳定性差，不利于控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种柔性可穿戴下肢助力外骨骼服。该外骨骼服能够解决下肢外骨骼机器人柔性差，质量大，结构复杂，穿戴不便，难以适用于日常生活的问题，该外骨骼服穿戴简单，质量小，老年人可自行穿戴使用，为下肢提供助力防止摔倒，并对其运动功能的维持甚至提高有重要作用。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于该外骨骼服包括高腰短裤、护膝、鞋、控制器、牵引带和两个驱动装置，所述高腰短裤在左右髋关节和骶骨处均安装有陀螺仪传感器，在高腰短裤的腰间位置上固定有可调节腰带，所述两个驱动装置左右对称安装在高腰短裤正面的可调节腰带上，每个驱动装置均与一个牵引带的上端连接，牵引带的下端穿过护膝，并与鞋连接，每个驱动装置用以驱动相应侧的踝关节运动；三个陀螺仪传感器和两个驱动装置均与控制器连接；控制器用来处理三个陀螺仪传感器的数据，并控制驱动装置的动力元件运动，
所述护膝位于膝关节处，护膝上设有长短不等的多个粘贴魔术贴点，护膝上设有膝盖窝；以膝盖窝为中心左右对称布置有弹簧，上下对称布置有牵引带轨道，每个牵引带轨道的左右两端缝制于护膝内侧，上下开口，牵引带下端依次穿过上下两个牵引带轨道与鞋连接；
所述驱动装置包括减速电机、底板、小齿轮、大齿轮、卷筒和外壳；
所述减速电机通过电机座固定在底板上，减速电机的输出轴通过联轴器与小齿轮的轴的一端连接，小齿轮的一端通过配套轴承与第三轴承座固定，小齿轮另一端通过轴套、轴承固定在第一轴承座上；所述卷筒通过轴承座固定在底板上，且卷筒的长度方向与减速电机的传送方向平行，卷筒的一端固定大齿轮，大齿轮与小齿轮相啮合，大齿轮通过阶梯轴套、轴承固定在第四轴承座上；卷筒的轴的另一端通过配套轴承固定在第二轴承座上，减速电机、大齿轮、小齿轮、卷筒均置于外壳内，外壳下表面与底板固定连接，在靠近卷筒的外壳侧面上开有牵引带带口，牵引带通过牵引带带口与卷筒连接；所述底板与可调节腰带连接；减速电机与控制器连接；所有轴承座均固定在底板上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在左右髋关节及骶骨这三处位置安装陀螺仪传感器，并通过陀螺仪传感器实时进行角度信息检测，通过对人的步态进行运动学与动力学分析后，可确定出施力最有效的位置，在此位置施力，驱动装置可最省力地带动踝关节背屈。由于外骨骼服多使用护膝或牵引带，增加了人佩戴的舒适感，减轻了人的负重感，可使人与外骨骼服的柔顺性增加。整套装置的刚性部分只有驱动装置，将其佩戴腰间可以使人的负重感降低，整套装置结构简单，可独立完成穿戴。
本发明针对背屈强度减弱的人群而设计，当陀螺仪传感器检测到一定的髋关节位置信号时，驱动装置通过柔性牵引带带动踝关节背屈，能够有效避免脚尖拖地引发的摔倒；牵引带从腰间驱动装置伸出连接到鞋上，中间穿过护膝，护膝上设置牵引带轨道可以保证过长的传力过程中牵引带无偏斜；大齿轮与小齿轮啮合既缩短了整个驱动装置的长度(因为加宽了装置宽度来缩短长度)同时加大装置转矩，更加方便腰间佩戴，体积小，质量轻。
附图说明
图1为本发明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一种实施例的整体结构示意图，
图2为本发明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一种实施例的驱动装置1的立体结构示意图，
图3为本发明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一种实施例的护膝2的展开图。
图中，1驱动装置，2护膝，3高腰短裤，4鞋，5牵引带，6可调节腰带；101减速电机、102底板、103电机座、104小齿轮、105第一轴承座、106大齿轮、107卷筒、108外壳、109第二轴承座、111第三轴承座、110第四轴承座；21弹簧、22粘贴魔术贴点、23膝盖窝、24牵引带轨道。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服(简称外骨骼服，参见图1-3)包括高腰短裤3、护膝2、鞋4、控制器(图中未标出)、牵引带5和两个驱动装置1，所述高腰短裤3在左右髋关节和骶骨处均安装有陀螺仪传感器，在高腰短裤的腰间位置上固定有可调节腰带6，所述两个驱动装置1左右对称安装在高腰短裤3正面的可调节腰带6上，每个驱动装置1均与一个牵引带5的上端连接，牵引带5的下端穿过护膝2，并与鞋4连接，每个驱动装置用以驱动相应侧的踝关节运动；三个陀螺仪传感器和两个驱动装置均与控制器连接；控制器用来处理三个陀螺仪传感器的数据，并控制驱动装置的动力元件(减速电机)运动，具体地说：控制器通过程序设定实时判断陀螺仪传感器检测的角度位置及角速度方向，当到达指定位置时，驱动动力元件以一定转速旋转指定圈数后停下；
所述护膝2位于膝关节处，护膝2上设有长短不等的多个粘贴魔术贴点22，多个粘贴点顺次粘在左侧护膝面上，也就是说护膝面上任何位置都可以与粘贴魔术贴点配合，通过与任何位置的配合来调节松紧程度，进而调节束缚度，护膝2上设有膝盖窝23，膝盖窝23为开口设计，便于膝关节的弯曲；以膝盖窝23为中心左右对称布置有弹簧21，上下对称布置有牵引带轨道24，该弹簧21可以增强护膝的强度，强化支撑，该牵引带轨道24为尼龙带，左右两端缝制于护膝3内侧，上下开口，牵引带5下端依次穿过上下两个牵引带轨道24与鞋4连接，可有效防止牵引带5因柔性大，传力长引起的左右偏移。
所述驱动装置1包括减速电机101、底板102、小齿轮104、大齿轮106、卷筒107和外壳108；
所述减速电机101通过电机座103固定在底板102上，减速电机101的输出轴通过联轴器与小齿轮104的轴的一端连接，小齿轮104的一端通过配套轴承与第三轴承座111固定，小齿轮104另一端通过轴套、轴承固定在第一轴承座105上；所述卷筒107通过轴承座固定在底板102上，且卷筒107的长度方向与减速电机101的传送方向平行，卷筒107的一端固定大齿轮106，大齿轮106与小齿轮104相啮合，大齿轮106通过阶梯轴套、轴承固定在第四轴承座110上；卷筒107的轴的另一端通过配套轴承固定在第二轴承座109上，减速电机101、大齿轮106、小齿轮104、卷筒107均置于外壳108内，外壳108下表面与底板通过螺纹固定连接，在靠近卷筒107的外壳侧面上开有牵引带带口，牵引带5通过牵引带带口与卷筒107连接；所述底板102与可调节腰带6连接；减速电机101与控制器连接；所有轴承座均固定在底板上，且轴承、轴承座都是轴向固定齿轮或者卷筒的。
第三轴承座111和第四轴承座110与底板102为3D打印一体成型。
所述减速电机的型号为maxon motor 531178，大齿轮的直径为20mm，小齿轮的直径为9mm，整个驱动装置尺寸为89*149*54mm。
所述控制器采用NI公司的myrio-1900控制器。
所述鞋4可以为普通的带扣的鞋子，鞋子与牵引带5下端通过粘扣、挂钩或系带的形式连接，保证鞋子上方能与牵引带下端固定连接即可。牵引带5可以为尼龙带、棉布带等柔性带。
本发明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服的工作原理及过程是：驱动装置1对称置于腰间，陀螺仪传感器采集髋关节角速度及角度信息(陀螺仪传感器可采集角度，角速度，加速度三种信号，经过控制器程序的数据解析可把三种信号分离，因为人腿在一个角度位置时，可能抬腿也可能往下放腿，所以还需要角速度判断是否是抬腿)，重复五个相似周期视为人开始行走，当陀螺仪传感器识别到髋关节有角速度及角度信息的变化时，通过控制器计算并确定人的行走信息，驱动装置1开始动作。减速电机101由待机状态变为工作状态，减速电机101的旋转运动通过联轴器传递给固定小齿轮104的轴，该轴带动小齿轮104做旋转运动，并带动与其啮合的大齿轮106旋转，最终将运动传递给卷筒107，由卷筒107卷起或者释放牵引带5来实现牵引带的伸缩，进而带动踝关节背屈强度下降人群行走时足部背屈到达指定角度。经运动学与动力学分析，得到施力最有效踝关节角度位置对应的髋关节角速度方向及角度位置，并在此髋关节角速度方向有向上分量且角度位置为设定位置时提供瞬时助力，通过驱动装置1带动鞋4上方动作，从而使足部背屈达到合理角度，以防止足尖垂地引起的摔倒。
本发明中电机座103、底板102、外壳108、第一轴承座105与第二轴承座109均可以为3D打印件，进一步减轻了驱动装置1的重量，其中，第三轴承座111和第四轴承座110与底板102为一体打印，大大节省了安装空间。小齿轮104与大齿轮106的啮合设计，减小了安装长度，增加了卷筒107的转矩，如此设计，使驱动装置1质量小，尺寸小(89*149*54)，方便佩戴于腰间，更能满足穿戴者生活起居的需求，牵引带轨道24的设计使牵引带5对踝关节准确施力。本发明通过高腰短裤3将驱动装置固定在髋关节位置，整体更加美观，且柔性好，质量小，方便穿戴，可以适应一定体重范围的人群。
本发明中驱动装置还可以采用液压等驱动方式进行驱动，将驱动装置置于腰间，驱动踝关节运动，可以有效减轻人行走时的负重感。
实施例1
本实施例柔性可穿戴下肢助力外骨骼服包括高腰短裤3、护膝2、鞋4、控制器、牵引带5和两个驱动装置1，所述高腰短裤3在左右髋关节和骶骨处均安装有陀螺仪传感器，在高腰短裤的腰间位置上固定有可调节腰带6，所述两个驱动装置1左右对称安装在高腰短裤3正面的可调节腰带6上，每个驱动装置1均与一个牵引带5的上端连接，牵引带5的下端穿过护膝2，并与鞋4连接，每个驱动装置用以驱动相应侧的踝关节运动；三个陀螺仪传感器和两个驱动装置均与控制器连接；控制器用来处理三个陀螺仪传感器的数据，并控制驱动装置的减速电机运动，
所述护膝2位于膝关节处，护膝2上设有长短不等的五个粘贴魔术贴点22，五个粘贴点顺次粘在左侧护膝面上，也就是说护膝面上任何位置都可以与粘贴魔术贴点配合，通过与任何位置的配合来调节松紧程度，进而调节束缚度，护膝2上设有膝盖窝23，膝盖窝23为开口设计，即护膝在膝盖窝处为圆形开孔(参见图3)，便于膝关节的弯曲；以膝盖窝23为中心左右对称布置有弹簧21，上下对称布置有牵引带轨道24，该弹簧21可以增强护膝的强度，强化支撑，该牵引带轨道24为尼龙带，左右两端缝制于护膝3内侧，上下开口，牵引带5下端依次穿过上下两个牵引带轨道24与鞋4连接，可有效防止牵引带5因柔性大，传力长引起的左右偏移。
所述驱动装置1包括减速电机101、底板102、小齿轮104、大齿轮106、卷筒107和外壳108；
所述减速电机101通过电机座103固定在底板102上，减速电机101的输出轴通过联轴器与小齿轮104的轴的一端连接，小齿轮104的一端通过配套轴承与第三轴承座111固定，小齿轮104另一端通过轴套、轴承固定在第一轴承座105上；所述卷筒107通过轴承座固定在底板102上，且卷筒107的长度方向与减速电机101的传送方向平行，卷筒107的一端固定大齿轮106，大齿轮106与小齿轮104相啮合，大齿轮106通过阶梯轴套、轴承固定在第四轴承座110上，所述大齿轮106与卷筒的轴通过键连接，卷筒107与卷筒的轴为一体结构；卷筒107的轴的另一端通过配套轴承固定在第二轴承座109上，减速电机101、大齿轮106、小齿轮104、卷筒107均置于外壳108内，外壳108下表面与底板通过螺纹固定连接，在靠近卷筒107的外壳侧面上开有牵引带带口，牵引带5通过牵引带带口与卷筒107连接；所述底板102与可调节腰带6连接；减速电机101与控制器连接；所有轴承座均固定在底板上，且轴承、轴承座都是轴向固定齿轮或者卷筒的。
牵引带轨道24为尼龙带横向放置，左右两端缝制于护膝2内侧，牵引带5从驱动装置1的柔性牵引带出带口伸出，穿过牵引带轨道24连接到鞋5上方扣。
实施例2
本实施例各部分的连接及位置关系同实施例1，不同之处在于可伸缩腰带6与高腰短裤3通过超薄背对背魔术贴扎带连接，并配有连接扣，可调节腰围尺寸，塑料插扣系于腰间，如此设计，柔性好，质量小，方便穿戴与调节，适合穿戴者的生活起居。牵引带5为尼龙带，柔性好，质量小，方便穿戴与调节，适合穿戴者的生活起居。高腰短裤3为薄弹力裤，可一定程度上满足一定体重范围的穿戴者的共同需求。
所述驱动装置1中的底板102、小齿轮104、大齿轮106、卷筒107和外壳108及轴承座(第一轴承座105、第二轴承座109、第三轴承座111、第四轴承座110)均为3D打印件，采用塑料材质制成，其中第三轴承座111和第四轴承座110与底板102为3D打印一体成型。
实施例3
本实施例各部分的连接及位置关系同实施例1，不同之处在于所述驱动装置采用液压驱动，液压驱动的相关部件也集成在外壳内，整个驱动装置仍置于腰间。
本发明所涉及的元器件均可通过商购获得。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (7)
1.一种柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于该外骨骼服包括高腰短裤、护膝、鞋、控制器、牵引带和两个驱动装置，所述高腰短裤在左右髋关节和骶骨处均安装有陀螺仪传感器，在高腰短裤的腰间位置上固定有可调节腰带，所述两个驱动装置左右对称安装在高腰短裤正面的可调节腰带上，每个驱动装置均与一个牵引带的上端连接，牵引带的下端穿过护膝，并与鞋连接，每个驱动装置用以驱动相应侧的踝关节运动；三个陀螺仪传感器和两个驱动装置均与控制器连接；控制器用来处理三个陀螺仪传感器的数据，并控制驱动装置的动力元件运动；
所述护膝位于膝关节处，护膝上设有长短不等的多个粘贴魔术贴点，护膝上设有膝盖窝；以膝盖窝为中心左右对称布置有弹簧，上下对称布置有牵引带轨道，每个牵引带轨道的左右两端缝制于护膝内侧，上下开口，牵引带下端依次穿过上下两个牵引带轨道与鞋连接；
所述驱动装置包括减速电机、底板、小齿轮、大齿轮、卷筒和外壳；
所述减速电机通过电机座固定在底板上，减速电机的输出轴通过联轴器与小齿轮的轴的一端连接，小齿轮的一端通过配套轴承与第三轴承座固定，小齿轮另一端通过轴套、轴承固定在第一轴承座上；所述卷筒通过轴承座固定在底板上，且卷筒的长度方向与减速电机的传送方向平行，卷筒的一端固定大齿轮，大齿轮与小齿轮相啮合，大齿轮通过阶梯轴套、轴承固定在第四轴承座上；卷筒的轴的另一端通过配套轴承固定在第二轴承座上，减速电机、大齿轮、小齿轮、卷筒均置于外壳内，外壳下表面与底板固定连接，在靠近卷筒的外壳侧面上开有牵引带带口，牵引带通过牵引带带口与卷筒连接；所述底板与可调节腰带连接；减速电机与控制器连接；所有轴承座均固定在底板上。
2.根据权利要求1所述的柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于所述第三轴承座和第四轴承座与底板为3D打印一体成型。
3.根据权利要求1所述的柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于所述减速电机的型号为maxon motor 531178，大齿轮的直径为20mm，小齿轮的直径为9mm。
4.根据权利要求1所述的柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于所述控制器采用NI公司的myrio-1900控制器。
5.根据权利要求1所述的柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于鞋子与牵引带下端通过粘扣、挂钩或系带的形式连接。
6.根据权利要求1所述的柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于高腰短裤与可调节腰带的连接方式为通过背对背魔术贴扎带连接。
7.根据权利要求1所述的柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于所述牵引带为尼龙带。
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