CN107296725A - 穿戴式外骨骼助行装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种穿戴式外骨骼助行装置，所述穿戴式外骨骼助行装置具有行走模式和平衡车模式。本发明在平面的自由场地，能够切换成平衡车模式利用其电动轮移动，当遇到障碍或路况不好的地形，能够转换成行走模式，使用外骨骼助行系统行走。本发明可以使穿戴者增强运动能力，携带负重运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种穿戴式外骨骼助行装置，具体涉及一种具有行走模式和平衡车模式的穿戴式外骨骼助行装置。
背景技术
目前，随着外骨骼技术的发展，开发出越来越多的下肢外骨骼装置用于提供支撑、保护以及增强运动能力。但是到目前为止，穿戴式外骨骼助行装置的移动速度比较慢，无法进行快速移动。
近年来，两轮平衡车技术不断发展。在平坦路面上，两轮平衡车因其灵活性和便捷性而得到日益增加的应用。
目前，尚没有结合穿戴式外骨骼助行装置与平衡车优点的装置。
发明内容
本发明提供了一种穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行装置具有行走模式和平衡车模式，包括
下肢外骨骼助行系统，所述下肢外骨骼助行系统包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、脚部外骨骼、轮架、电动轮、陀螺仪和重力传感器，所述腰部外骨骼与所述大腿外骨骼通过髋部铰链部件连接，所述大腿外骨骼与所述小腿外骨骼通过膝部铰链部件连接，所述小腿外骨骼与所述脚部外骨骼通过踝部铰链部件连接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和脚部外骨骼各自具有人体固定件，所述轮架一端与所述脚部外骨骼的外侧通过轮架铰链部件连接，所述轮架的另一端安装所述电动轮，所述铰链部件均包含电机，所述陀螺仪和重力传感器安装在所述小腿外骨骼外侧，并与所述电动轮通过信号线连接；
上体外骨骼，包括躯干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述躯干外骨骼与所述腰部外骨骼通过腰部铰链部件连接，所述上臂外骨骼与躯干外骨骼通过肩部铰链部件连接，所述前臂外骨骼与上臂外骨骼通过肘部铰链部件连接；所述躯干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人体固定件，所述铰链部件均包含电机；
所述电机和所述电动轮由便携式电源驱动，
当处于行走模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到使得所述电动轮的下端高于所述脚部外骨骼的下端的位置并被锁定；
当处于平衡车模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到竖直位置并被锁定，使得所述电动轮的下端低于所述脚部外骨骼的下端。
优选地，当处于行走模式时，所述电动轮位于小腿外骨骼外侧。
优选地，当处于平衡车模式时，所述髋部铰链部件、所述膝部铰链部件和所述踝部铰链部件被锁定。
优选地，当处于平衡车模式时，所述髋部铰链部件、所述膝部铰链部件和所述踝部铰链部件的转动范围被限定在±15度以内。
优选地，所述便携式电源固定在腰部外骨骼上。
本发明的穿戴式外骨骼助行装置可以允许穿戴者在平坦路面上以平衡车模式快速负重行进，同时在平坦路面时可切换至行走模式，跨越障碍。
附图说明
如图1为根据本发明的一个实例的平衡车模式下的示意图。
如图2为根据本发明的一个实例的行走模式下的示意图。
如图3为根据本发明的一个实例的小腿外骨骼、膝部铰链部件和大腿外骨骼的示意图。
如图4为根据本发明的一个实例的平衡车模式下的另一个示意图。
如图5为根据本发明的一个实例的上臂外骨骼、肘部铰链部件和前臂外骨骼的示意图。
如图6为根据本发明的一个实例的脚部外骨骼、轮架和电动轮的示意图。
如图7为行走模式下的外骨骼侧面示意图。
如图8为根据本发明的一个实例的行走模式下的另一个示意图。
具体实施方式
本发明提供一种穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行装置具有行走模式和平衡车模式，包括
下肢外骨骼助行系统，所述下肢外骨骼助行系统包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、脚部外骨骼、轮架、电动轮、陀螺仪和重力传感器，所述腰部外骨骼与所述大腿外骨骼通过髋部铰链部件连接，所述大腿外骨骼与所述小腿外骨骼通过膝部铰链部件连接，所述小腿外骨骼与所述脚部外骨骼通过踝部铰链部件连接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和脚部外骨骼各自具有人体固定件，所述轮架一端与所述脚部外骨骼的外侧通过轮架铰链部件连接，所述轮架的另一端安装所述电动轮，所述铰链部件均包含电机，所述陀螺仪和重力传感器安装在所述小腿外骨骼外侧，并与所述电动轮通过信号线连接；
上体外骨骼，包括躯干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述躯干外骨骼与所述腰部外骨骼通过腰部铰链部件连接，所述上臂外骨骼与躯干外骨骼通过肩部铰链部件连接，所述前臂外骨骼与上臂外骨骼通过肘部铰链部件连接；所述躯干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人体固定件，所述铰链部件均包含电机；
所述电机和所述电动轮由便携式电源驱动，
当处于行走模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到使得所述电动轮的下端高于所述脚部外骨骼的下端的位置并被锁定；
当处于平衡车模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到竖直位置并被锁定，使得所述电动轮的下端低于所述脚部外骨骼的下端。
本发明的穿戴式外骨骼助行装置包括下肢外骨骼助行系统和上体外骨骼。其中，下肢外骨骼助行系统的主要作用是实现运动功能，上体外骨骼的主要作用是实现负重功能。
下肢外骨骼助行系统的各个外骨骼部件可以根据本领域公知的人体固定件固定到人体。固定件的实例包括约束带等。这样，当外骨骼在电力驱动下运动时，带动人的肢体运动。
下肢外骨骼的各个关节均为铰链部件，并且铰链部件包括电机。在电力驱动下，电机可以时各外骨骼绕铰链部件转动，从而起到帮助穿戴者行走的作用。
本发明的下肢外骨骼助行系统还包括轮架、电动轮、陀螺仪和重力传感器。轮架的作用是将电动轮连接到下肢外骨骼系统上并且可以调节固定电动轮的位置。具体地，轮架可以为一杆件，其一端通过轮架铰链部件铰接在脚部外骨骼的外侧，另一端上有轴孔，用于安装电动轮。安装后，电动轮位于脚部外骨骼的外侧。当轮架绕轮架铰链部件转动时，电动轮可以在竖直面上随之绕轮架铰链部件转动。轮架铰链部件包含电机，以主动带动上述转动。此外，电机可以锁定位置(即角度)，或者可以通过其他锁定方式将轮架和电动轮锁定在想要的位置。
陀螺仪和重力传感器安装在所述小腿外骨骼外侧，并与所述电动轮通过信号线连接。在平衡车模式下，当使用者身体重心变化时，陀螺仪和重力传感器可以感测该重心变化，并将信号通过信号线传输给电动轮。电动轮可以通过该信号，来控制装置在该模式下的移动方向和平衡。
利用陀螺仪和重力传感器并通过电动轮构成平衡车的一些方案是已知的。本发明可以采用任何具体方案，只要与本发明的原理和结构不矛盾即可。
本发明也包括上体外骨骼。上体外骨骼无论在平衡车模式还是行走模式下都具有助力作用，可以帮助使用者负重，提高负重运动能力。
当本发明的装置处于行走模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到使得所述电动轮的下端高于所述脚部外骨骼的下端的位置并被锁定。这时，下肢外骨骼助行系统发挥行走功能。行走模式的下肢外骨骼助行系统的具体设计可以是任何适合于下肢助行目的的设计，包括本领域已知的各种下肢外骨骼助行器。各关节部将各外骨骼转动连接，其中转动连接可以是具有适宜的自由度的。例如膝关节可以是仅提供屈伸自由度的，而髋关节可以是提供屈伸和侧展两个自由度的。在这些部件中，还可以包括合适的助力或驱动系统，以及各种其他机械、电气等辅助系统。例如，关于髋关节部，除电机外，可以包括髋关节角度传感器、及髋部宽度调节机构等。在行走模式下，关节处可随人体运动进行转动，各关节处传感器感应人体关节的屈伸，驱动电机负责提供驱动力，使穿戴者行走更轻松。
需要注意的是，在行走模式下，固定的轮架及电动轮的位置不应影响助行系统的正常行走。虽然在站立在平坦地面时，电动轮的下端高于脚部外骨骼下端即地面即可，但是考虑到迈步动作和地面不平坦等因素，在行走模式下，电动轮位置高是有利的。
相对地，在平衡车模式下，轮架向下旋转，本发明的装置的构造变为电动轮着地而脚部外骨骼底部不着地。这样，对于穿戴者来说，本装置变为一个平衡车。在平坦路面上，穿戴者可以借助平衡车快速前进。
本发明的电机和所述电动轮由便携式电源驱动。便携式电源可以为蓄电池。电源与各电机和电动轮的连接方式可以是任何不影响本发明效果的方式。
本发明的穿戴式外骨骼助行装置还可以具有其他的部件，例如用手控制的操作系统等等，只要这些部件与本发明的行走模式及平衡车模式构造不冲突即可。
通过上述方案，本发明的穿戴式外骨骼助行装置可以在自由的行走模式和快速的平衡车模式之间切换。
所述铰链部件的电机能够提供转动功能并可以被锁定。优选地，它们可以为谐波减速器。
在一个优选的实施方案中，当处于行走模式时，所述电动轮位于小腿外骨骼外侧。由此，可以使电动轮对行走的影响尽可能小。
优选地，所述髋部铰链部件、所述膝部铰链部件和所述踝部铰链部件被锁定。锁定方式可以是已知的各种锁定方式，在本发明中不作特别的限制。这样，可以通过使用者上半身的重心移动，控制平衡车的移动和转向。所述髋部铰链部件、所述膝部铰链部件和所述踝部铰链部件也可以在一定程度上被锁定，即仅可以在一定角度范围内转动。所述角度范围可以是例如±15度以内、±10度以内、±5度以内，从而在平衡车模式下仍为使用者的下肢提供一定的自由度。
优选地，所述便携式电源固定在腰部外骨骼上。便携式电源一般比较沉重。如果将其与电动平衡车一样设置在脚踏板下方或周边时，当处于行走模式时，迈步是将花费较多能量提升和移动电源。另一方面，如果将其设置在上体外骨骼上，虽然在行走时其重心颠簸较小，但当处于平衡车模式时，使用者通过上身重心移动来控制平衡车将会变得困难。因此，将便携式电源固定在腰部外骨骼上，既不过多耗费行走模式的能量消耗，又便于使用者在平衡车模式改变重心。
本发明的穿戴式外骨骼助行装置在平面的自由场地，能够切换成平衡车模式利用其电动轮移动，当遇到障碍或路况不好的地形，能够转换成行走模式，使用外骨骼助行系统行走。本发明可以使穿戴者增强运动能力，携带负重运动。本发明能够在所有地形上移动，并将平衡车的快速移动和外骨骼的辅助行走功能集合于一体。
以下通过附图更详细地说明本发明的。注意附图仅是说明性的，不意在限制本发明。
图1显示了本发明的一个实施方案，其处于平衡车模式。此穿戴式外骨骼助行装置包括下肢外骨骼助行系统和上体外骨骼。下肢外骨骼助行系统包括腰部外骨骼及左右大腿、小腿和脚部外骨骼、轮架、电动轮、陀螺仪和重力传感器。上体外骨骼包括躯干外骨骼及左右上臂和前臂外骨骼。具体地，包括电动轮1、大腿外骨骼2、小腿外骨骼3、躯干外骨骼4、上臂外骨骼5、脚部外骨骼6、膝部铰链部件7、前臂外骨骼8、踝部铰链部件9、髋部铰链部件10、肩部铰链部件11、肘部铰链部件12、腰部外骨骼13、腰部铰链部件14、轮架15和轮架铰链部件16组成，左右下肢外骨骼用于固定于使用者的大腿、小腿和脚、膝关节和踝关节。腰部外骨骼将腰部固定，通过髋关节10连接了左、右大腿外骨骼；上体外骨骼固定于使用者上身各部位。图中仅示出了部分部件，一些不影响装置结构的部件(如便携式电源、电线等)未示出。图1中，电动轮1着地而脚部外骨骼6不着地，穿戴者可以将该装置当作平衡车使用。在图中，踝部铰链部件9和轮架铰链部件16位于相同的位置。但是，这两个铰链部件也可以位于不同的位置。脚部外骨骼与轮架及电动轮一起形成平衡车，其中脚部外骨骼相当于平衡车中的踏板。
图2是行走模式的示意图。如图中所示，轮架绕轮架铰链部件向后转动，电动轮抬高，脚部外骨骼着地。由此，形成了正常的下肢外骨骼助行系统。注意到，电动轮的位置应不影响穿戴者的正常迈步行走。
图3是部分下肢外骨骼示意图。大腿外骨骼下端与小腿外骨骼上端通过膝关节铰链部件相连，提供膝关节的屈伸能力。此外，大腿外骨骼上端与腰部外骨骼通过髋关节铰链部件相连，提供髋关节的侧展和屈伸的运动能力。小腿外骨骼下端通过踝关节铰链部件和脚部外骨骼相连，提供踝关节的屈伸运动能力。
图4是从侧后方观察本发明一个实例的图。
图5是臂部外骨骼示意图。上臂外骨骼的下端和前臂外骨骼通过肘关节铰链部件相连，提供肘关节的屈伸运动能力。此外，上臂外骨骼上端与躯干外骨骼通过肩关节铰链部件相连，提供肩关节的屈伸和外展运动能力。
图6显示了脚部外骨骼和电动轮通过轮架的连接。在图中，脚部外骨骼呈脚套的形式。不过，脚部外骨骼也可以为其他形式，只要其能完成本发明的两种模式即可。
图7显示了电动轮通过轮架与脚部外骨骼在踝部铰链部件的位置相连，在行走模式下将电动轮抬高，而移动模式下，电动轮向下转动。需要再次指出的是，轮架铰链部件不必须与踝部铰链部件处于同一位置。
图8显示躯干外骨骼与腰部外骨骼通过腰部铰链部件连接的示意图。本发明的便携电源、控制设备等可以固定在腰部外骨骼的背部。
应当注意，上述附图均为示意性的，其并未显示本发明的所有特征，并且本发明也不限于这些附图所具体表示的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行装置具有行走模式和平衡车模式，包括
下肢外骨骼助行系统，所述下肢外骨骼助行系统包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、脚部外骨骼、轮架、电动轮、陀螺仪和重力传感器，所述腰部外骨骼与所述大腿外骨骼通过髋部铰链部件连接，所述大腿外骨骼与所述小腿外骨骼通过膝部铰链部件连接，所述小腿外骨骼与所述脚部外骨骼通过踝部铰链部件连接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和脚部外骨骼各自具有人体固定件，所述轮架一端与所述脚部外骨骼的外侧通过轮架铰链部件连接，所述轮架的另一端安装所述电动轮，所述铰链部件均包含电机，所述陀螺仪和重力传感器安装在所述小腿外骨骼外侧，并与所述电动轮通过信号线连接；
上体外骨骼，包括躯干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述躯干外骨骼与所述腰部外骨骼通过腰部铰链部件连接，所述上臂外骨骼与躯干外骨骼通过肩部铰链部件连接，所述前臂外骨骼与上臂外骨骼通过肘部铰链部件连接；所述躯干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人体固定件，所述铰链部件均包含电机；
所述电机和所述电动轮由便携式电源驱动，
当处于行走模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到使得所述电动轮的下端高于所述脚部外骨骼的下端的位置并被锁定；
当处于平衡车模式时，所述轮架绕所述轮架铰链部件转动到竖直位置并被锁定，使得所述电动轮的下端低于所述脚部外骨骼的下端。
2.根据权利要求1所述的穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于，当处于行走模式时，所述电动轮位于小腿外骨骼外侧。
3.根据权利要求1所述的穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于，当处于平衡车模式时，所述髋部铰链部件、所述膝部铰链部件和所述踝部铰链部件被锁定。
4.根据权利要求1所述的穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于，当处于平衡车模式时，所述髋部铰链部件、所述膝部铰链部件和所述踝部铰链部件的转动范围被限定在±15度以内。
5.根据权利要求1所述的穿戴式外骨骼助行装置，其特征在于，所述便携式电源固定在腰部外骨骼上。
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