CN108245379A - 一种丝杠式下肢爬楼助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种丝杠式下肢爬楼助力装置，包括腰部支撑部、执行部、腿部固定件、控制器；执行部可活动连接在腰部支撑部下方，腿部固定件可调节高度的安装在执行部上，所述控制器安装在腰部支撑部上，所述控制器包含电源；所述执行部包括一个及以上执行部组件，每个执行部组件均包括安装座、电机、丝杠、丝杠螺帽支架、摆杆、推拉杆；摆杆两端分别活动连接在腰部支撑部和安装座上，推拉杆两端分别活动连接在腰部支撑部和丝杠螺帽支架上，电机连接丝杠，并安装在安装座底部，丝杠螺帽支架可往复运动的连接在丝杠上，电源驱动连接电机。本发明的有益效果：用于腿部功能正常但是运动能力不足的用户爬楼过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种康复机器人，尤其涉及的是一种丝杠式下肢爬楼助力装置。
背景技术
对于老年人来说，上下楼梯是一件繁重的体力劳动，这不仅给老年人自身带来痛苦，也给家属造成了巨大负担，还严重限制了老年人活动，直接影响生活质量。
为解决上述问题，在康复机器人领域，提供了一些爬楼助力装置，但一般的下肢助力装置为全下肢部分或全助力，结构复杂、造价昂贵、需经专人指导或培训；整体结构沉重，穿戴舒适性差；在便携要求下，助力装置选用的小型直流电机输出转矩小，对减速器要求高且输出转矩的上限低。如文献“Ken YASUHARA.Walking Assist Device with StrideManagement System[J].Honda R&D Technical Review,2009.10:57-66”中提供了一种小型便携式下肢辅助步行装置，采用盘式电机结合行星齿轮的执行器结构，装置的输出力矩小，主要用于跑步及步行的到位训练；该装置为简化结构，速度控制采用的是开环形式；另外，为了减小体积，装置的控制板和电源封装在腰部支撑架内；装置框架为柔性结构，一定范围内尺寸可调。
但就下肢助力而言，仍然存在助力较差、运行不稳定、装置整体刚度不足等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种兼顾助力好、运行稳定以及装置整体刚度强的丝杠式下肢爬楼助力装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明包括腰部支撑部、执行部、腿部固定件、控制器；执行部可活动连接在腰部支撑部下方，腿部固定件可调节高度的安装在执行部上，所述控制器安装在腰部支撑部上，所述控制器包含电源和控制模块；
所述执行部包括一个及以上执行部组件，每个执行部组件均包括安装座、电机、丝杠、丝杠螺帽支架、摆杆、推拉杆；摆杆一端可活动连接在腰部支撑部，一端固定连接在安装座上，推拉杆一端活动连接在腰部支撑部上，另一端可活动连接在丝杠螺帽支架上，电机连接丝杠，并安装在安装座底部，丝杠螺帽支架可往复运动的连接在丝杠上，电源驱动连接电机。
优选的，所述腰部支撑部为包括镜像安装的两个腰部支撑部组件、第一连接件；所述腰部支撑部组件包括固定板、调节板、若干第一活动连接件，两个腰部支撑部组件的固定板的一端通过第一连接件连接在一起，另一端分别连接第一活动连接件，所述调节板设置若干调节孔，调节孔间隔竖直排列，第一活动连接件的另一端连接在调节孔处；第一连接件包括第一连接板、一个及以上第二活动连接件，第二活动连接件对称的分别安装在第一连接板两端。
优选的，所述第一活动连接件、第二活动连接件均为关节轴承，且均为四个。
优选的，所述执行部包括两套执行部组件，两套执行部组件镜像安装在腰部支撑部的两端下方。
优选的，执行部组件还包括直线导轨、导轨滑块、至少两个缓冲器、铰接座、减速器、第二连接件、第三活动连接件、第四活动连接件、第五活动连接件；直线导轨固定在安装座上，导轨滑块可沿直线导轨上下滑动的连接在直线导轨上，所述丝杠螺帽支架一面固定连接在导轨滑块上，另一面固定在铰接座上，铰接座活动连接推拉杆，缓冲器分别处于直线导轨两端并固定在安装座上，电机与减速器连接，减速器固定安装在安装座上，第二连接件底面固定在安装座顶面，顶部设有与摆杆连接的螺纹孔，摆杆通过第三活动连接件连接第二连接件，所述推拉杆一端通过第四活动连接件连接腰部支撑部，另一端通过第五活动连接件连接铰接座。
优选的，丝杠两端设有限位块，限位块固定在安装座上，且处于直线导轨两端的缓冲器之间的距离小于丝杆两端限位块之间的距离。
优选的，所述电机为集成型伺服步进电机，所述减速器为行星减速器。
优选的，所述腿部固定件包括绑带、绑带调整块，绑带调整块可调节高度的安装在安装座外侧，绑带固定在绑带调整块上。
优选的，还包括背带，背带由若干条可调节松紧的带子连接而成，每一条带子中部均设有一个双向插扣，所述背带固定在腰部支撑部。
优选的，根据权利要求1所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述安装座为盒状结构，且背面设有若干减重孔以及用于安装腿部固定件的安装孔。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)穿戴前检测用户爬楼步态周期，通过控制器调节执行部的运动参数，对使用者采取针对性的设计，且使用时，电机连接减速器，带动丝杠转动使得丝杠螺帽支架直线往返运动产生的推拉力传递到推拉杆上，形成强大助力，可帮助腿部功能正常但是运动能力不足用户的爬楼过程，例如老年人爬楼；
(2)腰部支撑部，背带，以及腿部固定件均采用可调节的方式，适应各种身材身高的使用者，更为方便；
(3)集成型伺服步进电机内置电机驱动器和编码器，可以保证速度的闭环控制，从而确保了最终执行部运动的稳定性，步进电机适于低速正反转运动，动力输出稳定；
(4)在丝杠螺帽支架行程极限的两端，设置了缓冲器，避免滚珠丝杠螺帽支架行程中的刚性碰撞，保护结构安全；
(5)安装座采用镁合金材质，相比于铝合金，在强度差别不大的前提下，其质量降低约1/3，为进一步降低质量，安装座开设了减重腰孔，使整个装置轻便。
附图说明
图1是本发明一种丝杠式下肢爬楼助力装置的结构示意图；
图2是图1中腰部支撑部组件的结构示意图；
图3是执行部组件结构示意图；
图4是腰部支撑部与背带连接结构示意图；
图5是安装座的结构示意图。
图中标号：腰部支撑部1、执行部2、腿部固定件3、控制器4、背带5、
腰部支撑部组件11、固定板111、调节板112、调节孔1121、第一活动连接件113、第一连接件12、第一连接板121、第二活动连接件122、
执行部组件21、安装座211、减重孔2111、安装孔2112、电机212、丝杠213、限位块2131、丝杠螺帽支架214、摆杆215、第二连接件2151、第三活动连接件2152、推拉杆216、第四活动连接件2161、第五活动连接件2162、直线导轨217、导轨滑块2171、缓冲器2172、铰接座218、减速器219、
绑带31、绑带调整块32、
带子51、双向插扣52。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。
如图1所示，并结合图4所示，本实施例一种丝杠式下肢爬楼助力装置包括腰部支撑部1、执行部2、腿部固定件3、控制器4；执行部2可活动连接在腰部支撑部1下方，腿部固定件3可调节高度的安装在执行部2上，所述控制器4安装在腰部支撑部1上，所述控制器2包含电源和控制模块，电源为直流电源，为驱动电机提供能量，控制模块可以调节执行部2的运动参数。
所述执行部2包括一个及以上两个执行部组件21，每个执行部组件21均包括安装座211、电机212、丝杠213、丝杠螺帽支架214、摆杆215、推拉杆216；摆杆215一端可活动连接在腰部支撑部1，一端固定连接在安装座211上，推拉杆216一端活动连接在腰部支撑部1上，另一端可活动连接在丝杠螺帽支架214上，电机212连接丝杠213，并安装在安装座211底部，丝杠螺帽支架214可往复运动的连接在丝杠213上，电源驱动连接电机212。由图1所示，摆杆215与推拉杆216倾斜的角度不同，为了使推拉杆216能够产生更多的向前上方的助力，推拉杆216与竖直方向的倾角小于摆杆215与竖直方向的倾角。
如图1和2所示，所述腰部支撑部1为包括镜像安装的两个腰部支撑部组件11、第一连接件12；所述腰部支撑部组件11包括固定板111、调节板112、若干第一活动连接件113，具体的，每个腰部支撑部组件的第一活动连接113为两个，两个腰部支撑部组件11的固定板111的一端通过第一连接件12连接在一起，另一端分别连接第一活动连接件113，所述调节板112设置若干调节孔1121，调节孔1121间隔竖直排列，第一活动连接件113的另一端连接在调节孔1121处，具体的，调节孔1121为四个，如图2所示，其中，两个第一活动连接件113依次连接其中上下两个调节孔1121，两调节孔1121之间间隔两个调节孔1121，可以形成三组连接关系，使腰部支撑部组件11包括了三种穿戴高度，根据穿戴者体型，调整相应的连接孔位。第一连接件12包括第一连接板121、一个及以上第二活动连接件122，第二活动连接件122对称的分别安装在第一连接板121两端。第一连接件12的主要目的是连接两个腰部支撑部组件11，其设计也是由第二活动连接件122实现活动连接，更适应使用者的体型和舒适度。
所述第一活动连接件113、第二活动连接件122均为关节轴承，且均为四个，对称设置在使用者的腰部两侧。
如图3所示，所述执行部2包括两套执行部组件21，两套执行部组件21镜像安装在腰部支撑部1的两端下方。执行部组件21还包括直线导轨217、导轨滑块2171、至少两个缓冲器2172、铰接座218、减速器219、第二连接件2151、第三活动连接件2152、第四活动连接件2161、第五活动连接件2162；直线导轨217固定在安装座211上，导轨滑块2171可沿直线导轨217上下滑动的连接在直线导轨217上，所述丝杠螺帽支架214一面固定连接在导轨滑块2171上，另一面固定在铰接座218上，铰接座218活动连接推拉杆216，缓冲器2172分别处于直线导轨217两端并固定在安装座211上，电机212与减速器219连接，减速器219固定安装在安装座211上，第二连接件2151底面固定在安装座211顶面，顶部设有与摆杆215连接的螺纹孔，摆杆215通过第三活动连接件2152连接第二连接件2151，所述推拉杆216一端通过第四活动连接件2161连接腰部支撑部1，另一端通过第五活动连接件2162连接铰接座218。第三活动连接件2152、第四活动连接件2161、第五活动连接件2162均为关节轴承。
丝杠213两端设有限位块2131，限位块2131固定在安装座211上，且处于直线导轨217两端的缓冲器之间的距离小于丝杆213两端限位块2131之间的距离。所述电机212为集成型伺服步进电机，集成型伺服步进电机内置电机驱动器和编码器，可以保证速度的闭环控制，从而确保了最终执行部运动的稳定性，步进电机适于低速正反转运动，动力输出稳定，所述减速器219为行星减速器。
具体的，第二连接件2151，直线导轨217，减速器219，丝杠213，缓冲器2172均通过螺钉固定连接于安装座211之上，设置了缓冲器24的目的在于避免丝杠螺帽支架214行程中的刚性碰撞，保护结构安全。集成型伺服步进电机与行星减速器螺钉固连，依次螺钉固定连接的导轨滑块2171、丝杠螺帽支架214、铰链座218，从而连成一体，以实现导轨滑块2171上下往复运动时，通过丝杠螺帽支架214带动铰链座218，铰链座218带动推拉杆216产生一个前上方的助力。
如图1，结合图3所示，所述腿部固定件3包括绑带31、绑带调整块32，绑带调整块32可调节高度的安装在安装座211外侧，可采用螺钉连接，绑带31固定在绑带调整块32上，绑带31为魔术贴结构，主要用于包裹大腿部位。
如图4所示，本发明还包括背带5，背带5由若干条可调节松紧的带子51连接而成，每一条带子51中部均设有一个双向插扣52，所述背带5固定在腰部支撑部1。具体的，带子51为丙纶带，设有五条丙纶带，每天一条带子中部设有双向塑料插扣，佩戴长度及松紧调节可通过调节丙纶带穿入双向塑料插扣的长度，实现松紧和佩戴长度的调节，确保装置贴合穿戴者的身体。
如图5所示，所述安装座211为盒状结构，为镁合金材质，一面为空，如图中，侧面为空，丝杠213、限位块2131、丝杠螺帽支架214、直线导轨217、导轨滑块2171、缓冲器2172、减速器219均安装在盒体内，第二连接件2151螺钉固定连接在顶面，电机212被固定在安装座底部，因此，安装座211上相应的设有安装这些零件的孔，具体位置大小根据需要设计，且背面设有若干减重孔2111以及用于安装腿部固定件3的安装孔2112，安装孔2112为多组不同高度的孔。
具体的，丝杠213可为滚珠丝杠，并包含配套联轴器。
本发明的使用过程，穿戴前检测用户爬楼步态周期，通过控制器4中的控制模块调节执行部2运动参数；穿戴背带5，调节长度，绑紧绑带31，根据使用情况按需调节，完成调节工作后，穿戴即可爬楼；爬楼过程中，启动电源，电源驱动电机212转动实现正反转，经过减速器219，减速器219带动丝杠213转动，实现丝杠螺帽支架214在直线导轨上的限位下，作直线往复运动，往上运动时，丝杠螺帽支架214通过铰链座218与推拉杆216连接，丝杠螺帽支架214直线往返运动产生的推拉力传递到推拉杆216上，产生助力，摆杆215一端与腰部支撑部1活动连接，相当于人髋关节的连接结构，可实现上下转动、左右小幅摆动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，包括腰部支撑部、执行部、腿部固定件、控制器；执行部可活动连接在腰部支撑部下方，腿部固定件可调节高度的安装在执行部上，所述控制器安装在腰部支撑部上，所述控制器包含电源和控制模块；
所述执行部包括一个及以上执行部组件，每个执行部组件均包括安装座、电机、丝杠、丝杠螺帽支架、摆杆、推拉杆；摆杆一端可活动连接在腰部支撑部，一端固定连接在安装座上，推拉杆一端活动连接在腰部支撑部上，另一端可活动连接在丝杠螺帽支架上，电机连接丝杠，并安装在安装座底部，丝杠螺帽支架可往复运动的连接在丝杠上，电源驱动连接电机。
2.根据权利要求1所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述腰部支撑部为包括镜像安装的两个腰部支撑部组件、第一连接件；所述腰部支撑部组件包括固定板、调节板、若干第一活动连接件，两个腰部支撑部组件的固定板的一端通过第一连接件连接在一起，另一端分别连接第一活动连接件，所述调节板设置若干调节孔，调节孔间隔竖直排列，第一活动连接件的另一端连接在调节孔处；第一连接件包括第一连接板、一个及以上第二活动连接件，第二活动连接件对称的分别安装在第一连接板两端。
3.根据权利要求2所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述第一活动连接件、第二活动连接件均为关节轴承，且均为四个。
4.根据权利要求1所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述执行部包括两套执行部组件，两套执行部组件镜像安装在腰部支撑部的两端下方。
5.根据权利要求4所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，执行部组件还包括直线导轨、导轨滑块、至少两个缓冲器、铰接座、减速器、第二连接件、第三活动连接件、第四活动连接件、第五活动连接件；直线导轨固定在安装座上，导轨滑块可沿直线导轨上下滑动的连接在直线导轨上，所述丝杠螺帽支架一面固定连接在导轨滑块上，另一面固定在铰接座上，铰接座活动连接推拉杆，缓冲器分别处于直线导轨两端并固定在安装座上，电机与减速器连接，减速器固定安装在安装座上，第二连接件底面固定在安装座顶面，顶部设有与摆杆连接的螺纹孔，摆杆通过第三活动连接件连接第二连接件，所述推拉杆一端通过第四活动连接件连接腰部支撑部，另一端通过第五活动连接件连接铰接座。
6.根据权利要求5所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，丝杠两端设有限位块，限位块固定在安装座上，且处于直线导轨两端的缓冲器之间的距离小于丝杆两端限位块之间的距离。
7.根据权利要求5所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述电机为集成型伺服步进电机，所述减速器为行星减速器。
8.根据权利要求1所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述腿部固定件包括绑带、绑带调整块，绑带调整块可调节高度的安装在安装座外侧，绑带固定在绑带调整块上。
9.根据权利要求1所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，还包括背带，背带由若干条可调节松紧的带子连接而成，每一条带子中部均设有一个双向插扣，所述背带固定在腰部支撑部。
10.根据权利要求1所述的一种丝杠式下肢爬楼助力装置，其特征在于，所述安装座为盒状结构，且背面设有若干减重孔以及用于安装腿部固定件的安装孔。
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