CN107928996A - 一种半被动轻量型下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半被动轻量型下肢外骨骼，该下肢外骨骼包括腰部组件以及一对分别设置在腰部组件两端的下肢运动机构，腰部组件包括第一挡板以及与第一挡板铰接的第二挡板，两下肢运动机构分别与第一挡板、第二挡板相连，下肢运动机构包括由上至下依次设置在腰部组件上的髋关节驱动组件、大腿组件、膝关节组件、小腿组件及踝足组件。与现有技术相比，本发明采用轻量化、柔顺化设计及半被动的驱动方式，仅主动驱动髋关节，而膝关节和踝关节均为被动自由度，充分利用了人体自身的能量，步态符合正常人体步态，同时较为明显地减小了下肢外骨骼的重量和体积，适用于轻度下肢功能障碍者的下肢康复和助力行走。

Description

一种半被动轻量型下肢外骨骼

技术领域

本发明属于人体仿生外骨骼技术领域，涉及一种半被动轻量型下肢外骨骼。

背景技术

下肢行走是人体的重要功能之一，许多神经系统疾病如脑卒中、脊髓损伤等都会导致下肢运动障碍，除此之外，骨折、肌肉损伤等伤病也可能会涉及到下肢行走功能。我国作为人口大国，下肢功能障碍患者的人数不可小觑，因此，下肢功能障碍的治疗与康复受到了人们的高度重视。

在康复医学领域，步行训练是下肢功能障碍康复中的重要手段之一。医学上的康复训练是基于大脑的可塑性原理进行的，但这需要大量劳动和很多护理工作。出于对患者更好的保护，下肢康复辅助装置的使用在康复治疗中显得十分必要。下肢外骨骼是下肢康复机器人中的典型代表之一，此类康复机器人基于仿生学原理设计，结合人体工程学，能穿戴于患肢，实现更自然有效的康复训练，是目前下肢康复机器人研究的热点。除此之外，在工业、军事研究领域，下肢外骨骼还具有分担负重等功能，具有较大的实用价值和研究意义。

一般来讲，出于对人体下肢自由度的简化，以单侧为例，下肢外骨骼主要涉及下肢关节的6个自由度：髋关节屈曲伸展、内收外展、内旋外旋共3个自由度；膝关节屈曲伸展1个自由度；踝关节跖屈背屈、内翻外翻共2个自由度。常用的驱动方式有电机驱动、液压驱动、气压驱动等方式。

目前，现有的下肢外骨骼中，针对不同人群的需求，下肢外骨骼可以对主动控制的关节和各关节的自由度有所取舍。部分设计采用主动控制至少髋关节和膝关节的所有自由度的方式，具有多自由度、运动柔顺化的特点，但存在重量及体积较大、能耗及成本较高的问题；部分设计考虑到能耗和成本问题，采用髋关节主动驱动，髋膝联动的方式设计，近似贴近步态并较为明显的降低了能耗和成本，但同样存在重量及体积较大、使用不便的问题；也有部分设计仅采用三个关节在矢状面的自由度，极大简化了结构，但又存在运动欠柔顺的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种半被动轻量型下肢外骨骼。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种半被动轻量型下肢外骨骼，该下肢外骨骼包括腰部组件以及一对分别设置在腰部组件两端的下肢运动机构，所述的腰部组件包括第一挡板以及与第一挡板铰接的第二挡板，两下肢运动机构分别与第一挡板、第二挡板相连，所述的下肢运动机构包括由上至下依次设置在腰部组件上的髋关节驱动组件、大腿组件、膝关节组件、小腿组件及踝足组件。两下肢运动机构互为镜像设置。

作为优选的技术方案，所述的第一挡板及第二挡板的背侧均设有加强筋。

进一步地，所述的第一挡板的一端设有第一连接板，该第一连接板上开设有轴孔，所述的第二挡板的一端设有第二连接板，该第二连接板上设有固定轴，所述的第一连接板与第二连接板之间设有分别与轴孔、固定轴相适配的轴承。第一挡板与第二挡板之间通过轴承进行相对转动。

作为优选的技术方案，所述的第一连接板上还设有与轴承相适配的轴承端盖。

进一步地，所述的髋关节驱动组件包括固定盘、驱动杆、限位件、谐波减速器、无刷直流电机、髋关节磁铁及髋关节磁编码器，所述的固定盘与腰部组件的端部固定连接，所述的限位件固定设置在固定盘上，所述的限位件及无刷直流电机分别位于谐波减速器的两侧，所述的驱动杆位于限位件与固定盘之间，所述的谐波减速器的柔轮分别与限位件、无刷直流电机固定连接，所述的谐波减速器的刚轮与驱动杆固定连接，所述的谐波减速器的波发生器与无刷直流电机的输出轴相连，所述的髋关节磁铁固定设置在驱动杆上，所述的髋关节磁编码器固定设置在固定盘上。限位件对于驱动杆的转动角度进行限位，使髋关节在屈曲方向120°、伸展方向35°的最大活动范围内转动。

作为优选的技术方案，所述的髋关节驱动组件还包括与固定盘固定连接的封闭外壳。髋关节驱动组件采用缩减空间和重量的结构设计，额状面上的宽度小于75mm。

进一步地，所述的大腿组件包括大腿支杆、固定设置在大腿支杆上的大腿护箍、设置在大腿护箍上的大腿护带以及设置在大腿护带上的大腿护垫，所述的大腿支杆的顶端与驱动杆的底端铰接。

作为优选的技术方案，所述的大腿护箍的材质为树脂板材，以减轻重量并提高舒适程度。

进一步地，所述的大腿支杆的顶端设有转动件，该转动件与驱动杆的底端之间设有髋关节销轴，所述的大腿支杆通过髋关节销轴与驱动杆的底端铰接。

作为优选的技术方案，所述的驱动杆与大腿组件连接处沿大腿外侧增厚，底端为矢状轴方向高10mm的连接块，该连接块的端面为圆柱面，连接块上开设有与圆柱面同轴心且半径为5mm的轴孔。转动件的上端设有与连接块和髋关节销轴相吻合的连接结构，下端设有与大腿支杆相连接的销孔以及宽为16mm、深度为4mm的槽。

进一步地，所述的膝关节组件包括与大腿组件的底端固定连接的股骨端以及与小腿组件的顶端固定连接的胫骨端，所述的股骨端与胫骨端之间设有膝关节屈伸组件，所述的股骨端的底部与胫骨端的顶部通过膝关节屈伸组件铰接。

进一步地，所述的膝关节屈伸组件包括线性制动器、扭力弹簧、心轴、分度轴、膝关节磁编码器及膝关节磁铁，所述的线性制动器、分度轴及膝关节磁编码器均固定设置在股骨端上，并且所述的线性制动器位于分度轴的上方，所述的膝关节磁铁位于分度轴的中心轴孔内，所述的心轴固定设置在胫骨端上，所述的扭力弹簧套设在心轴上，并且所述的扭力弹簧的一端与心轴固定连接，另一端与线性制动器固定连接。能够根据步态，通过线性制动器调节扭力弹簧的状态以控制膝关节的锁定和解锁。

作为优选的技术方案，所述的膝关节屈伸组件还包括弹簧夹套、大滑套、小滑套、外壳及外壳盘，所述的弹簧夹套、外壳与外壳盘固定连接，并由外壳盘限位固定在分度轴上，所述的胫骨端、大滑套及股骨端的轴线同心，大滑套位于胫骨端与股骨端之间，小滑套套在分度轴上，并位于胫骨端与分度轴的轴向间隙中。

进一步地，所述的小腿组件包括设置在膝关节组件底部的小腿支杆、固定设置在小腿支杆上的小腿护箍、设置在小腿护箍上的小腿护带以及设置在小腿护带上的小腿护垫。

作为优选的技术方案，所述的小腿支杆根据使用者的情况弯制后安装，以贴合小腿形状。

作为优选的技术方案，所述的小腿护箍的材质为树脂板材，根据使用者的小腿外形成型。

进一步地，所述的踝足组件包括设置在小腿组件底部的踝关节主体、设置在踝关节主体下方的脚板以及设置在踝关节主体与脚板之间的踝足连接件，所述的脚板通过踝足连接件与踝关节主体铰接。

进一步地，所述的踝关节主体内并列设有开设有一对通孔，所述的通孔内设有储能组件，所述的储能组件包括插设在通孔顶部的限位螺钉以及沿通孔轴向移动设置在通孔内的移动件，该移动件与限位螺钉之间设有弹簧，所述的移动件的底端与踝足连接件相接触。踝足组件可实现踝关节的跖屈背屈功能，并具有弹性储能作用，可通过限位螺钉调节弹性阻尼大小。

本发明包括腰部组件、两个髋关节驱动组件、两个大腿组件、两个膝关节组件、两个小腿组件和两个踝足组件。腰部组件用于使用者的腰部支撑，并为髋关节提供内收外展自由度；髋关节驱动组件用于驱动髋关节屈伸；大腿组件起固定支撑作用，并提供髋关节内收外展方向的额外自由度；膝关节组件提供膝关节的屈伸自由度，锁定和解锁根据步态自动切换；小腿组件起固定支撑作用；踝足组件用于踝关节的跖屈背屈，有弹性储能作用，可通过限位螺钉调节弹性阻尼大小。本发明采用轻量化、柔顺化设计，并充分利用了人体自身的能量，适用于轻度下肢功能障碍者的下肢康复和助力行走。

本发明中，可在髋关节驱动组件和膝关节组件中放置传感器，通过传感器判断髋关节和膝关节的状态，分析步态，从而控制髋关节的驱动，并通过线性制动器调节扭力弹簧的状态以控制膝关节的锁定和解锁。

本发明中的术语和方位词，如“屈曲伸展”、“额状面”等，均属于人体生物力学领域基于人体的定义。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)腰部组件中，第一连接板与第二连接板的连接处结构互补，通过轴承保持相对转动，在节约体积的同时提供了外骨骼髋关节内、外翻的自由度；髋关节驱动组件中，采用缩减空间和重量的结构设计，限位件对驱动杆的转动进行限位，保证了髋关节主动驱动屈伸方向的活动范围；大腿组件中，转动件能够补偿腰部组件所提供的髋关节内收、外展方向的自由度，避免大腿摆动不畅，使外骨骼在使用时有柔顺化的特点；大腿护箍及小腿护箍优选树脂板材，根据腿形成型，减轻重量并提高舒适程度，结合相应的护带、护垫，将下肢与外骨骼固定；

2)本使用新型具有模块化的特点，可以根据使用者的状态，选择本发明相应的部分与其他产品结合使用，例如，转动件以下部分可替换成一个膝踝足矫形器，膝关节组件以下部分可替换成踝足矫形器或其他踝足机构；

3)本使用新型采取半被动的驱动方式，仅主动驱动髋关节，而膝关节和踝关节均为被动自由度，充分利用人体自身的能量，步态符合正常人体步态，同时较为明显地减小了下肢外骨骼的重量和体积。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中腰部组件的三维分解结构示意图；

图3为本发明中髋关节驱动组件的三维分解结构示意图；

图4为本发明中大腿组件的三维分解结构示意图；

图5为本发明中膝关节组件的结构示意图；

图6为本发明中小腿组件的三维分解结构示意图；

图7为本发明中踝足组件的三维分解结构示意图；

图中标记说明：

A—腰部组件、A1—第一挡板、A2—第二挡板、A3—轴承、A4—轴承端盖、A5—第一连接板、A6—第二连接板、A7—轴孔、A8—固定轴；

B—髋关节驱动组件、B1—固定盘、B2—驱动杆、B3—限位件、B4—谐波减速器、B5—无刷直流电机、B6—封闭外壳、B7—髋关节磁铁、B8—髋关节磁编码器、B9—髋关节销轴；

C—大腿组件、C1—转动件、C2—大腿支杆、C3—大腿护箍、C4—大腿护带、C5—大腿护垫；

D—膝关节组件、D1—股骨端、D2—线性制动器、D3—扭力弹簧、D4—膝关节磁编码器、D5—外壳盘、D6—分度轴、D7—胫骨端、D8—外壳；

E—小腿组件、E1—小腿支杆、E2—小腿护箍、E3—小腿护带、E4—小腿护垫；

F—踝足组件、F1—踝关节主体、F2—限位螺钉、F3—移动件、F4—弹簧、F5—踝足连接件、F6—脚板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

如图1所示的一种半被动轻量型下肢外骨骼，该下肢外骨骼包括腰部组件A以及一对分别设置在腰部组件A两端的下肢运动机构，腰部组件A包括第一挡板A1以及与第一挡板A1铰接的第二挡板A2，两下肢运动机构分别与第一挡板A1、第二挡板A2相连，下肢运动机构包括由上至下依次设置在腰部组件A上的髋关节驱动组件B、大腿组件C、膝关节组件D、小腿组件E及踝足组件F。

如图2所示，第一挡板A1的一端设有第一连接板A5，该第一连接板A5上开设有轴孔A7，第二挡板A2的一端设有第二连接板A6，该第二连接板A6上设有固定轴A8，第一连接板A5与第二连接板A6之间设有分别与轴孔A7、固定轴A8相适配的轴承A3。第一连接板A5上还设有与轴承A3相适配的轴承端盖A4。

如图3所示，髋关节驱动组件B包括固定盘B1、驱动杆B2、限位件B3、谐波减速器B4、无刷直流电机B5、髋关节磁铁B7及髋关节磁编码器B8，固定盘B1与腰部组件A的端部固定连接，限位件B3固定设置在固定盘B1上，限位件B3及无刷直流电机B5分别位于谐波减速器B4的两侧，驱动杆B2位于限位件B3与固定盘B1之间，谐波减速器B4的柔轮分别与限位件B3、无刷直流电机B5固定连接，谐波减速器B4的刚轮与驱动杆B2固定连接，谐波减速器B4的波发生器与无刷直流电机B5的输出轴相连，髋关节磁铁B7固定设置在驱动杆B2上，髋关节磁编码器B8固定设置在固定盘B1上。髋关节驱动组件B还包括与固定盘B1固定连接的封闭外壳B6。

如图4所示，大腿组件C包括大腿支杆C2、固定设置在大腿支杆C2上的大腿护箍C3、设置在大腿护箍C3上的大腿护带C4以及设置在大腿护带C4上的大腿护垫C5，大腿支杆C2的顶端与驱动杆B2的底端铰接。大腿支杆C2的顶端设有转动件C1，该转动件C1与驱动杆B2的底端之间设有髋关节销轴B9，大腿支杆C2通过髋关节销轴B9与驱动杆B2的底端铰接。

如图5所示，膝关节组件D包括与大腿组件C的底端固定连接的股骨端D1以及与小腿组件E的顶端固定连接的胫骨端D7，股骨端D1与胫骨端D7之间设有膝关节屈伸组件，股骨端D1的底部与胫骨端D7的顶部通过膝关节屈伸组件铰接。膝关节屈伸组件包括线性制动器D2、扭力弹簧D3、心轴、分度轴D6、膝关节磁编码器D4及膝关节磁铁，线性制动器D2、分度轴D6及膝关节磁编码器D4均固定设置在股骨端D1上，并且线性制动器D2位于分度轴D6的上方，膝关节磁铁位于分度轴D6的中心轴孔内，心轴固定设置在胫骨端D7上，扭力弹簧D3套设在心轴上，并且扭力弹簧D3的一端与心轴固定连接，另一端与线性制动器D2固定连接。膝关节屈伸组件还包括弹簧夹套、大滑套、小滑套、外壳D8及外壳盘D5，弹簧夹套、外壳D8与外壳盘D5固定连接，并由外壳盘D5限位固定在分度轴D6上，胫骨端D7、大滑套及股骨端D1的轴线同心，大滑套位于胫骨端D7与股骨端D1之间，小滑套套在分度轴D6上，并位于胫骨端D7与分度轴D6的轴向间隙中。

如图6所示，小腿组件E包括设置在膝关节组件D底部的小腿支杆E1、固定设置在小腿支杆E1上的小腿护箍E2、设置在小腿护箍E2上的小腿护带E3以及设置在小腿护带E3上的小腿护垫E4。

如图7所示，踝足组件F包括设置在小腿组件E底部的踝关节主体F1、设置在踝关节主体F1下方的脚板F6以及设置在踝关节主体F1与脚板F6之间的踝足连接件F5，脚板F6通过踝足连接件F5与踝关节主体F1铰接。踝关节主体F1内并列设有开设有一对通孔，通孔内设有储能组件，储能组件包括插设在通孔顶部的限位螺钉F2以及沿通孔轴向移动设置在通孔内的移动件F3，该移动件F3与限位螺钉F2之间设有弹簧F4，移动件F3的底端与踝足连接件F5相接触。

由于大腿支杆C2和小腿支杆E1是结构简单、易加工、易安装的零件，因此其长度可以根据使用者具体情况定制。特别地，小腿支杆E1需要根据使用者的小腿情况弯制，从而保证小腿组件与使用者小腿贴合紧密。大腿护箍C3及小腿护箍E2采用树脂板材，穿着舒适且可根据使用者具体情况成型。特别地，小腿护箍E2需要较大接触面积，以确保能将小腿位置固定好。

当使用者穿戴好并启动下肢外骨骼时，腰部组件提供给使用者内收外展方向的被动自由度，双侧髋关节驱动组件中放置有传感器，通过传感器反馈判断步态，从而控制髋关节驱动组件驱动大腿组件，提供髋关节屈曲伸展的主动自由度。大腿组件为使用者额外提供了一个内收外展方向的被动自由度，从而让使用者大腿摆动柔顺舒适。双侧膝关节组件提供屈曲伸展方向的被动自由度，两个双侧膝关节组件同样放置了传感器，通过分析步态控制线性制动器调节扭力弹簧D3的状态，从而控制膝关节锁定和解锁。双侧踝足组件提供了踝关节跖屈背屈方向的被动自由度，采用了弹性阻尼结构，有弹性储能作用，可以通过调节限位螺钉F2来调节阻尼大小。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，该下肢外骨骼包括腰部组件(A)以及一对分别设置在腰部组件(A)两端的下肢运动机构，所述的腰部组件(A)包括第一挡板(A1)以及与第一挡板(A1)铰接的第二挡板(A2)，两下肢运动机构分别与第一挡板(A1)、第二挡板(A2)相连，所述的下肢运动机构包括由上至下依次设置在腰部组件(A)上的髋关节驱动组件(B)、大腿组件(C)、膝关节组件(D)、小腿组件(E)及踝足组件(F)。

2.根据权利要求1所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的第一挡板(A1)的一端设有第一连接板(A5)，该第一连接板(A5)上开设有轴孔(A7)，所述的第二挡板(A2)的一端设有第二连接板(A6)，该第二连接板(A6)上设有固定轴(A8)，所述的第一连接板(A5)与第二连接板(A6)之间设有分别与轴孔(A7)、固定轴(A8)相适配的轴承(A3)。

3.根据权利要求1所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的髋关节驱动组件(B)包括固定盘(B1)、驱动杆(B2)、限位件(B3)、谐波减速器(B4)、无刷直流电机(B5)、髋关节磁铁(B7)及髋关节磁编码器(B8)，所述的固定盘(B1)与腰部组件(A)的端部固定连接，所述的限位件(B3)固定设置在固定盘(B1)上，所述的限位件(B3)及无刷直流电机(B5)分别位于谐波减速器(B4)的两侧，所述的驱动杆(B2)位于限位件(B3)与固定盘(B1)之间，所述的谐波减速器(B4)的柔轮分别与限位件(B3)、无刷直流电机(B5)固定连接，所述的谐波减速器(B4)的刚轮与驱动杆(B2)固定连接，所述的谐波减速器(B4)的波发生器与无刷直流电机(B5)的输出轴相连，所述的髋关节磁铁(B7)固定设置在驱动杆(B2)上，所述的髋关节磁编码器(B8)固定设置在固定盘(B1)上。

4.根据权利要求3所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的大腿组件(C)包括大腿支杆(C2)、固定设置在大腿支杆(C2)上的大腿护箍(C3)、设置在大腿护箍(C3)上的大腿护带(C4)以及设置在大腿护带(C4)上的大腿护垫(C5)，所述的大腿支杆(C2)的顶端与驱动杆(B2)的底端铰接。

5.根据权利要求4所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的大腿支杆(C2)的顶端设有转动件(C1)，该转动件(C1)与驱动杆(B2)的底端之间设有髋关节销轴(B9)，所述的大腿支杆(C2)通过髋关节销轴(B9)与驱动杆(B2)的底端铰接。

6.根据权利要求1所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的膝关节组件(D)包括与大腿组件(C)的底端固定连接的股骨端(D1)以及与小腿组件(E)的顶端固定连接的胫骨端(D7)，所述的股骨端(D1)与胫骨端(D7)之间设有膝关节屈伸组件，所述的股骨端(D1)的底部与胫骨端(D7)的顶部通过膝关节屈伸组件铰接。

7.根据权利要求6所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的膝关节屈伸组件包括线性制动器(D2)、扭力弹簧(D3)、心轴、分度轴(D6)、膝关节磁编码器(D4)及膝关节磁铁，所述的线性制动器(D2)、分度轴(D6)及膝关节磁编码器(D4)均固定设置在股骨端(D1)上，并且所述的线性制动器(D2)位于分度轴(D6)的上方，所述的膝关节磁铁位于分度轴(D6)的中心轴孔内，所述的心轴固定设置在胫骨端(D7)上，所述的扭力弹簧(D3)套设在心轴上，并且所述的扭力弹簧(D3)的一端与心轴固定连接，另一端与线性制动器(D2)固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的小腿组件(E)包括设置在膝关节组件(D)底部的小腿支杆(E1)、固定设置在小腿支杆(E1)上的小腿护箍(E2)、设置在小腿护箍(E2)上的小腿护带(E3)以及设置在小腿护带(E3)上的小腿护垫(E4)。

9.根据权利要求1所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的踝足组件(F)包括设置在小腿组件(E)底部的踝关节主体(F1)、设置在踝关节主体(F1)下方的脚板(F6)以及设置在踝关节主体(F1)与脚板(F6)之间的踝足连接件(F5)，所述的脚板(F6)通过踝足连接件(F5)与踝关节主体(F1)铰接。

10.根据权利要求9所述的一种半被动轻量型下肢外骨骼，其特征在于，所述的踝关节主体(F1)内并列设有开设有一对通孔，所述的通孔内设有储能组件，所述的储能组件包括插设在通孔顶部的限位螺钉(F2)以及沿通孔轴向移动设置在通孔内的移动件(F3)，该移动件(F3)与限位螺钉(F2)之间设有弹簧(F4)，所述的移动件(F3)的底端与踝足连接件(F5)相接触。