CN107811805A - 穿戴式下肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴式下肢外骨骼康复机器人,髋关节组件包括电机、谐波减速器、输出轴，电机通过谐波减速器连接输出轴，输出轴上通过键与大腿组件连接，传递电机扭矩。两个大腿组件之间通过穿过背部组件的缆绳连接起来，利用行走过程中的重心变化为髋关节的屈曲伸展助力。髋关节的屈曲伸展采用电机驱动和缆绳助力，此结构既减轻了外骨骼的重量，又能将人体行走过程中重心变换的势能转换为大腿向前摆动的动能，有效的减少了能量损失，降低了电机功耗。膝关节设计为四连杆机构，保证了站立相的稳定与摆动相的灵活。膝踝联动方式使穿戴者在摆动时膝关节自然屈曲，站立时膝关节自动锁定。采用气弹簧机构为坐下‑站立姿态的变换提供助力。

Description

穿戴式下肢外骨骼康复机器人

技术领域

本发明涉及一种穿戴式下肢外骨骼康复机器人，尤其是一种使用髋关节两侧电机和缆绳同时助力、膝关节采用四杆机构并在站立相时锁定和摆动相自动解锁的下肢外骨骼机器人,属于康复机器人技术领域。

背景技术

下肢外骨骼机器人是穿戴在人体下肢上的仿生机器人，它融合了机器人学、机构学、仿生学、控制理论、通讯技术、信息处理技术等多学科的交叉知识，同时又涉及到传感、控制、信息耦合、移动计算等技术，还可以在使用者的操纵下完成特定的任务。目前外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，比如康复医疗、单兵作战等领域。对于康复医疗领域，外骨骼的主要目的是辅助人体自身肌肉的运动，达到帮助截瘫患者进行肌肉康复训练的效果。

申请号201410735565.4提出了一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，其特征在于髋关节和膝关节都加有驱动器，四个驱动器增加了外骨骼机器人的重量且使电池的使用时间大大减少。

申请号201410353073.9提出了一种单驱动联动式下肢助力外骨骼，虽然也采用单电机控制，但是其腰部模块的大腿驱动链轮结构笨重，体积过大，且不能给使用者提供坐下、站立的助力。

申请号201310262919.3提出了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条腿只用一个电机驱动，利用连杆机构配合一个驱动电机，使髋关节、膝关节和踝关节同时拟合出恰当的转动角度曲线。但对不同的使用者需要针对性的设计连杆的长度，不能进行调节，不具备通用性，且两个电机也加大了外骨骼的重量。

发明内容

针对目前下肢外骨骼所存在的驱动电机过多、重量大、外骨骼尺寸难以进行适应性调节、无电机驱动时不进行助力等问题，本发明提出一种新型的穿戴式下肢外骨骼康复机器人，采用髋关节两侧电机和缆绳同时助力、膝关节采用四杆机构并利用膝踝联动机构在站立相时锁定、摆动相解锁，气弹簧只在站立坐下姿态变换时助力的下肢外骨骼机器人。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种穿戴式下肢外骨骼康复机器人，包括脚部组件、踝关节组件、小腿组件、气弹簧组件、膝关节组件、大腿组件、髋关节组件、背部组件，所述背部组件两侧分别通过髋关节组件连接大腿组件，每个大腿组件通过膝关节组件连接小腿组件，小腿组件通过踝关节组件连接脚部组件，所述大腿组件与小腿组件之间连接有气弹簧组件，其特征在于：所述髋关节组件包括电机、谐波减速器、输出轴，电机通过谐波减速器连接输出轴，输出轴上通过键与大腿组件连接，传递电机扭矩，两个大腿组件之间通过穿过背部组件的缆绳连接起来，利用行走过程中的重心变化为髋关节的屈曲伸展助力。

所述膝关节组件包括四连杆、助力扭簧外侧锁定机构、钢丝绳、内侧锁定机构)、解锁机构，内侧锁定机构与解锁机构通过钢丝绳连接，外侧锁定机构与钢丝绳连接；钢丝绳与踝关节组件中的跖屈背屈件连接，构成膝踝联动装置。

所述踝关节组件中的跖屈背屈件围绕轴转动并通过螺钉与脚部组件连接。

所述气弹簧组件包括固定挡块、直线导轨、活动挡块、气弹簧、气弹簧上端固定件，所述气弹簧上端与连接在大腿组件上的气弹簧上端固定件连接，下端与直线导轨上的滑块连接，直线导轨上下两端安装有固定挡块，活动挡块与小腿组件连接。

所述脚部组件、小腿组件、大腿组件、髋关节组件均设有用于调节长度的螺钉，以适应不同身高的患者。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1、利用两个电机在髋关节两侧助力，相对于多电机驱动式下肢助力外骨骼重量更轻，更节能。

2、利用缆绳将左右两个大腿组件连接到一起，通过重心变化进行协助助力，有效减少电机负荷。

3、膝关节利用四连杆机构，四连杆的速度瞬心变化和使用者膝关节的速度瞬心变化相一致，能够走出更加符合自然的步态。

4、利用踝膝联动机构，以此来使使用者在摆动相时膝关节解锁，站立相时膝关节锁定。

5、气弹簧机构只在坐下—站立姿态变化时助力，但不影响人的行走。

6、利用螺钉调节外骨骼脚部组件、小腿组件、大腿组件、髋关节组件，适应不同人群的使用。

附图说明

图1是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人结构主视图；

图2是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人结构左视图；

图3是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人的站立状态图；

图4是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人的行走状态图；

图5是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人的坐下姿态图；

图6是发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人的髋关节组件示意图；

图7是膝关节组件、踝关节组件和脚部组件的主视图；

图8是膝关节组件、踝关节组件和脚部组件的左视图；

图9是膝关节组件的局部放大图；

图10是踝关节组件和脚部组件的局部放大图；

图11是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人膝关节组件的内侧部分示意图；

图12是本发明的穿戴式下肢外骨骼康复机器人气弹簧组件示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1到图12所示，本发明的新型穿戴式下肢外骨骼康复机器人，包括脚部组件1、踝关节组件2、小腿组件3、气弹簧组件4、膝关节组件5、大腿组件6、髋关节组件7、背部组件8。

背部组件8两侧分别通过髋关节组件7连接大腿组件6，每个大腿组件6通过膝关节组件5连接小腿组件3，小腿组件3通过踝关节组件2连接脚部组件1，所述大腿组件6与小腿组件3之间连接有气弹簧组件4。髋关节组件7包括电机71、谐波减速器72、输出轴73、键74、竖向销轴75、纵向销轴77。电机71通过谐波减速器72连接输出轴73，输出轴73通过键74与大腿组件6连接，传递电机扭矩，髋关节组件7前端通过纵向销轴77连接背部组件8，髋关节组件7上端通过竖向销轴75与背部组件8，两个大腿组件6之间通过穿过背部组件8的缆绳76连接起来，利用行走过程中的重心变化为髋关节的屈曲伸展助力。

膝关节组件5包括四个连杆51、助力扭簧52、外侧锁定机构53、钢丝绳54、内侧锁定机构55、解锁机构56。内侧锁定机构55与解锁机构56通过绳连接，外侧锁定机构53与钢丝绳54连接；钢丝绳54与踝关节组件2中的跖屈背屈件23连接，构成膝踝联动装置。

踝关节组件2包括轴21、卷簧22、跖屈背屈件23。跖屈背屈件23围绕轴21转动并通过螺钉与脚部组件1连接。脚部组件1包括指脚板11和长度调节件12。

气弹簧组件4包括固定挡块41、直线导轨42、活动挡块43、气弹簧44、气弹簧上端固定件45。气弹簧44上端与连接在大腿组件6上的气弹簧上端固定件45连接，下端与直线导轨42上的滑块连接，直线导轨42上下两端安装有固定挡块41，活动挡块43与小腿组件3连接。

首先通过绑带让使用者穿戴上该下肢外骨骼机器人，并检查气弹簧组件4中的活动挡块43，确保其不阻碍直线导轨42中的滑块运动。当使用者想迈左腿时，左腿髋关节组件7中的电机71转动，并通过谐波减速器72、输出轴73和键74传递到左边的大腿组件6上，从而带动左大腿组件向前摆动，在左大腿向前摆动的同时，重心会向前移动，此时右大腿会相对于左大腿向后摆动，由于左右大腿组件通过缆绳76连接，从而通过缆绳也会为左大腿组件向前摆动进行助力。在左大腿向前摆动的一刹间，使用者脚尖会受力，这个力会使脚部组件1围绕踝关节组件2中的轴21顺时针转动，由于踝关节组件2中的跖屈背屈件23与脚部组件1连接，从而也会带动跖屈背屈件23转动。由于膝关节组件5中的钢丝绳54与跖屈背屈件23连接，从而带动钢丝绳54向下运动，使得锁定机构54中的弹簧受压，插销向下运动，当插销离开插槽时，膝关节就可以运动，小腿由于惯性会相对于大腿往后屈曲，在此过程中，助力扭簧52会储存能量，为膝关节的伸展助力，在此过程中插销会在弹簧力的作用下始终抵住连杆的曲面。当大腿摆到最大角度时，小腿组件也会在助力扭簧52的作用下与大腿组件共线，此时锁定机构53中的插销插入连杆51的槽中，从而膝关节锁定。之后电机反向转动，左腿在重力和电机力的作用下自然落地。在此过程中，由于气弹簧的一端可以在直线导轨上滑动，所以气弹簧不助力，髋关节可以绕髋关节组件7中的竖向销轴75做内旋外旋，绕纵向销轴77做内收外展运动。使用者迈右腿时，方法和上述一样，在此不再累述。

当使用者想坐下时，手动气弹簧组件4中的活动挡块42使之可以阻碍滑块的运动。此时使用者身体前倾使脚尖受力，膝关节解锁，髋关节两侧的电机同时转动，气弹簧44提供一个反作用力使得膝关节缓慢转动，从而使用者缓慢坐下，当使用者完全坐下时，也既小腿与大腿呈90°时，膝关节的内侧锁定机构55的插销在弹簧力的作用下插入，使得膝关节锁定，电机此时也断电。当使用者想站立时，拉动大腿内侧的解锁机构56，膝关节解锁。此时膝关节会受到气弹簧44的作用力，此时髋关节两侧电机再同时转动，从而使使用者站立起来。当使用者站立时，膝关节的外侧锁定机构53使膝关节锁定。

当使用者的脚部、小腿、大腿、髋部长度与脚部组件1、小腿组件3、大腿组件5、髋关节组件7的长度不符合时，可以调节脚部组件1、小腿组件3、大腿组件5、髋关节组件7的螺钉来调节各长度，从而实现来适应不同的使用者。

Claims (5)

1.一种穿戴式下肢外骨骼康复机器人，包括脚部组件（1）、踝关节组件（2）、小腿组件（3）、气弹簧组件（4）、膝关节组件（5）、大腿组件（6）、髋关节组件（7）、背部组件（8），所述背部组件（8）两侧分别通过髋关节组件（7）连接大腿组件（6），每个大腿组件（6）通过膝关节组件（5）连接小腿组件（3），小腿组件（3）通过踝关节组件（2）连接脚部组件（1），所述大腿组件（6）与小腿组件（3）之间连接有气弹簧组件（4），其特征在于：所述髋关节组件（7）包括电机（71）、谐波减速器（72）、输出轴（73），电机（71）通过谐波减速器（72）连接输出轴（73），输出轴（73）上通过键（74）与大腿组件（6）连接，传递电机扭矩，两个大腿组件（6）之间通过穿过背部组件（8）的缆绳（76）连接起来，利用行走过程中的重心变化为髋关节的屈曲伸展助力。

2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述膝关节组件（5）包括四个连杆（51）、助力扭簧（52）、外侧锁定机构（53）、钢丝绳（54）、内侧锁定机构（55)、解锁机构（56），内侧锁定机构（55)与解锁机构（56）通过钢丝绳（54）连接，外侧锁定机构（53）与钢丝绳（54）连接；钢丝绳（54）与踝关节组件（2）中的跖屈背屈件（23）连接，构成膝踝联动装置。

3.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述踝关节组件（2）中的跖屈背屈件（23）围绕轴（21）转动并通过螺钉与脚部组件（1）连接。

4.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述气弹簧组件（4）包括固定挡块（41）、直线导轨（42）、活动挡块（43）、气弹簧（44）、气弹簧上端固定件（45），所述气弹簧（44）上端与连接在大腿组件（6）上的气弹簧上端固定件（45）连接，下端与直线导轨（42）上的滑块连接，直线导轨（42）上下两端安装有固定挡块（41），活动挡块（43）与小腿组件（3）连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述脚部组件（1）、小腿组件（3）、大腿组件（6）、髋关节组件（7）均设有用于调节长度的螺钉，以适应不同身高的患者。