CN108743224A - 腿部康复训练和健身用外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，所述外骨骼机器人包括髋部支撑部、髋关节、大腿支撑部、膝关节、小腿支撑部和驱动系统；其中，所述髋部支撑部与所述大腿支撑部的上端通过髋关节连接；所述大腿支撑部的下端与所述小腿支撑部的上端通过膝关节连接；所述驱动系统固定于所述髋部支撑部上，所述驱动系统包括：髋关节驱动系统，与所述髋关节连接，用于驱动所述髋关节运动；和膝关节驱动系统，与所述膝关节连接，用于驱动所述膝关节运动，进而驱动所述大腿支撑部和所述小腿支撑部的协调运动。本申请结构简单，可以帮助创伤之后的下肢运动功能恢复，也可以用于正常人的下肢力量训练或者健身。

Description

腿部康复训练和健身用外骨骼机器人

技术领域

本发明属于助行的外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种腿部康复训练和健身用外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是基于传感、控制、信号处理、信息融合、机电一体化的综合技术，是一种更贴近人类日常生产生活的可穿戴式设备。顾名思义，外骨骼机器人是一套穿戴于身体上起到骨骼作用的机器人，结合控制系统硬件和控制算法，可以起到为穿戴者提供附加动力的作用。从助力的部位上分，可以分为上肢型和下肢型助力外骨骼机器人。从功能上分，又可以分为负重型和助力型外骨骼机器人。从用途上则分为民用和军用两种：民用的外骨骼机器人主要用于医疗、助老、助残和搬运等方面；军用的外骨骼机器人主要作用是负重，如帮助士兵携带更多装备以作战持续能力和战场生存能力，提高负重情况下的持久力和战场机动性等。

目前医疗系统内的用于创伤后恢复的设备和用于健身的设备，都是在静坐、站立或者仰卧体位下才能使用，这只解决了患者和健身爱好者的部分需要，而无法满足在运动过程中进行恢复训练和健身的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种腿部康复训练和健身用外骨骼机器人；该装置结构简单，通过将驱动电机等重物都安置在髋关节的位置，既减轻了膝关节驱动系统的重量，同时也降低了整条腿的转动惯量，提升了整个系统的静力学和动力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，所述外骨骼机器人包括髋部支撑部、髋关节、大腿支撑部、膝关节、小腿支撑部和驱动系统；其中，

所述髋部支撑部与所述大腿支撑部的上端通过髋关节连接；

所述大腿支撑部的下端与所述小腿支撑部的上端通过膝关节连接；

所述驱动系统固定于所述髋部支撑部上，所述驱动系统包括：

髋关节驱动系统，与所述髋关节连接，用于驱动所述髋关节运动；和膝关节驱动系统，与所述膝关节连接，用于驱动所述膝关节运动，进而驱动所述大腿支撑部和所述小腿支撑部的协调运动。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述髋部支撑部包括固定板、安装夹板和腰部绑带；其中，所述腰部绑带通过所述安装夹板固定于所述固定板的一边，所述驱动系统固定于所述固定板的另一边。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述安装夹板的数量共有两个，分别为：使用时较为远离腰部的梯形第一安装夹板和较为靠近腰部的弧形第二安装夹板；所述腰部绑带包括两片分带，所述两片分带中的每一片的一端均为黏贴端，另一端均为安装端；所述两片分带的安装端分别被夹置在第一安装夹板和第二安装夹板之间并通过螺接方式固定在一起。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述髋关节为圆环形。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述髋关节驱动系统包括髋关节电机、电机安装座和髋关节谐波减速机，其中，所述髋关节电机安装于所述电机安装座上，所述髋关节电机的输出端与所述髋关节谐波减速机输入端连接，所述髋关节谐波减速机的输出端与所述髋关节连接；运行时，所述髋关节电机经过所述髋关节谐波减速机减速后直接驱动所述髋关节进行收缩和伸展，进而实现所述外骨骼大腿的摆动；更优选地，所述髋关节电机与所述电机安装座连接处设有第一法兰盘。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述膝关节驱动系统包括膝关节电机、电机安装座、膝关节谐波减速机和绳轮机构；其中，所述膝关节电机安装于所述电机安装座上，所述膝关节电机的输出端与所述膝关节谐波减速机的输入端连接，所述膝关节谐波减速机的输出端与所述绳轮机构连接，所述绳轮机构通过驱动绳与所述膝关节连接；运行时，所述膝关节电机经过所述膝关节谐波减速机减速后通过所述绳轮机构驱动所述膝关节转动；更优选地，所述膝关节电机与所述电机安装座连接处设有第二法兰盘。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，绳轮结构包括驱动绳、绕绳轮和定滑轮；其中，

所述驱动绳的一端固定在所述绕绳轮的绳槽内，并搭接于所述定滑轮的绳槽内，另一端固定在所述膝关节上；

所述绕绳轮，与所述膝关节谐波减速机的输出端连接，用于拉紧或释放所述驱动绳；

所述定滑轮，固定于所述固定板上，用于导引所述驱动绳；

更优选地，所述驱动绳为钢丝。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述大腿支撑部包括：外骨骼大腿、第一导轨和大腿部绑带；其中，所述外骨骼大腿的上端与所述髋关节连接，下端与所述膝关节连接；

所述第一导轨包括第一固定杆和设置于所述第一固定杆上的第一滑动块，所述第一固定杆固定于所述外骨骼大腿本体上，所述第一滑动块与所述大腿部绑带固定连接。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述小腿支撑部包括：外骨骼小腿、第二导轨和小腿部绑带；其中，

所述外骨骼小腿的上端与所述膝关节连接；

所述第二导轨包括第二固定杆和设置于所述第二固定杆上的第二滑动块，所述第二固定杆固定于所述外骨骼小腿本体上，所述第二滑动块与所述小腿部绑带固定连接。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述膝关节为旋转铰链式膝关节；优选地，所述膝关节包括：

膝部底座，设置在所述外骨骼小腿上端；

凸台，设置于所述膝部底座的后部，所述凸台与所述膝关节驱动系统的所述驱动绳连接；

凹槽，设置于所述膝部底座的前部，且所述凹槽的靠近凸台的侧面和顶面为开口，与所述开口的侧面相邻的两个侧面上设置有相对的通孔，所述外骨骼大腿的下端插入所述凹槽；

连接件，穿过所述凹槽侧面上的所述通孔以及所述外骨骼大腿下端设置的通孔，用于连接所述外骨骼大腿和所述膝关节；

所述外骨骼大腿和所述外骨骼小腿能够以所述连接件为枢轴进行相对转动。

在上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人中，作为一种优选实施方式，所述外骨骼大腿的下部还设有与所述外骨骼大腿本体垂直的横杆，所述横杆的悬空端具有通孔，所述驱动绳通过所述横杆悬空端的通孔固定于所述膝关节凸台顶面上；

所述绳轮结构还包括弹性件，所述弹性件套设于驱动绳外、并抵靠设置于所述膝关节的凸台顶面和所述外骨骼大腿的的横杆之间。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1)本申请提供的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人从助力的形式上属于下肢助力外骨骼机器人，结构简单，可以帮助创伤之后的下肢运动功能恢复，也可以用于正常人的下肢力量训练或者健身，既可以静止状态下的力量训练，也可以在运动过程中进行力量训练和运动姿态的协调训练，填补了现有医疗和建设器材的空白。

2)本申请提供的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其驱动系统(包括髋关节驱动系统和膝关节驱动系统)集中布置于腰部，减轻了外骨骼机器人下肢的重量，使得膝关节电机和传动机构不会随着大腿的摆动而摆动；既降低了髋关节电机的驱动压力，也降低了整个系统的能耗，提高电池的续航时间。

附图说明

图1：为本发明腿部康复训练和健身用外骨骼机器人的整体结构示意图；

图2：为本发明腿部康复训练和健身用外骨骼机器人的分解结构示意图；

附图标记说明：1-腰部绑带，2-安装夹板，3-固定板，4-定滑轮，5-绕绳轮，6-髋关节谐波减速机，7-膝关节谐波减速机，8-电机安装座，91-第一法兰盘，92-第二法兰盘，10-髋关节电机，11-膝关节电机，12-外骨骼大腿，13-驱动绳，14-弹簧，15-外骨骼小腿，161-大腿部绑带，162-小腿部绑带，171-第一导轨，172-第二导轨，18-髋关节，19-膝关节。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明中，为了方便描述，将靠近使用者身体的一侧称为内侧，将远离使用者身体的一侧称为外侧，将使用者面朝的一方定义为前，将使用者背对的一方定义为后，以上描述并不用于限制本发明。比如对于图1和图2而言，使用者穿着外骨骼机器人的时候是面向纸面的，也就是说，指向纸面的方向为前，远离纸面向外则是后。

本发明提供的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人的一种优选实施方式，如图1和图2所示，主要包括：髋部支撑部，髋关节，大腿支撑部，膝关节，小腿支撑部和驱动系统，其中，髋部支撑部与大腿支撑部的上端通过髋关节连接，大腿支撑部的下端与小腿支撑部的上端通过膝关节连接，驱动系统包括髋关节驱动系统和膝关节驱动系统，固定于髋部支撑部上，用于驱动大腿支撑部和小腿支撑部(也可以说髋关节和膝关节)的协调运动。下面对以上各部一一进行说明。

髋部支撑部，是上述外骨骼机器人的穿戴部之一，用于固定上述外骨骼机器人与人体的腰部，同时也用于固定重量较大的驱动系统，包括固定板3、安装夹板2和腰部绑带1，其中，腰部绑带1通过安装夹板2固定于固定板3的一边，驱动系统固定于固定板3的另一边。具体可以是，腰部绑带1包括两片分带，两片分带的一端均设置黏贴，另一端均设置通孔；两片分带设置通孔的一端通过安装夹板2连接在一起，设置有黏贴的另一端可以互相黏贴以使两片分带连接在一起，在通过腰部绑带1将本发明的外骨骼机器人固定在人体腰部时，两片分带设置有黏贴的另一端形成腰部绑带1的开放口，通过该开放口将腰部绑带1围住人体腰部，在适当松紧度的情况下将两片分带的黏贴互相黏贴搭接在一起，从而实现腰部绑带1在人体腰部的固定。安装夹板2的两端都设置有通孔，两片分带设置通孔的一端分别与安装夹板2的两端通过铆钉或螺栓连接并固定；安装夹板2板面的中间部分和固定板3板面上也都设有通孔，将铆钉或螺栓穿过二者设置在板面上的通孔而将二者连接并固定；安装夹板2的形状可以是弧面板，也可以是弧面板的变形形式，比如三块平面板拼接而成的梯形板、或者两侧为平面板中间为弧形板拼接而成的类弧形板，为了增加使用者的舒适度，安装夹板2的形状为一体成型的弧形板，在本发明的实施例中，参见图1和图2，安装夹板2采用了由三块平面板拼接而成或者一体成型的梯形板；安装时和使用时，安装夹板2的凹面与人体相邻，凸面与固定板3连接。为了将形成绑带1的两片分带以牢固、方便的方式安装并保证使用者的舒适度，通常采用内外安装夹板把穿戴用的两片分带夹紧，在本发明的具体实施例中，安装夹板2的数量共有两个，分别为：使用时较为远离腰部的梯形第一安装夹板和较为靠近腰部的弧形第二安装夹板；腰部绑带1包括两片分带，所述两片分带中的每一片的一端均为黏贴端，另一端均为安装端；两片分带的安装端分别被夹置在第一安装夹板和第二安装夹板之间并通过螺接方式固定在一起。换句话说，安装夹板2有两个，即位于腰部绑带内侧的弧形内安装夹板和位于腰部绑带外侧的梯形外安装夹板，分别为：使用时较为远离腰部的第一安装夹板(即外安装夹板)和较为靠近腰部的第二安装夹板(即内安装夹板)，腰部绑带1设有通孔的两端分别被夹置在第一安装夹板和第二安装夹板之间；第一安装夹板的两端设置有通孔、第二安装夹板的两端也设置有通孔，形成腰部绑带1的两片分带的一端也各设有通孔，其中一片分带的设有通孔的一端被夹置在第一安装夹板的端部与第二安装夹板的端部之间，并将铆钉穿过三者的通孔而将三者连接并固定。第一安装夹板与第二安装夹板形状可以相同，也可以不同，优选地，第二安装夹板为弧形板，这样可以增加使用者的舒适度。具体地，固定板3的另一面与驱动系统连接，连接方式也可以是铆接、螺接等。为了减少驱动系统工作过程中对人体腰部的影响，固定板3优选分为：与安装夹板1连接的上部和与驱动系统连接的下部。在本发明的实施例中，参见图1，其形状为L型，竖直部分用于连接固定安装夹板1，水平部分用于固定驱动系统。

大腿支撑部包括：外骨骼大腿12、第一导轨171和大腿部绑带161；其中，外骨骼大腿12的上端与髋关节18连接，髋关节18可以为实心圆饼状或者圆环状，从减轻本发明机器人重量的角度出发，髋关节18优选为圆环状，参见图1；髋关节18可以与外骨骼大腿12一体成型，也可以通过焊接方式固定在外骨骼大腿12的上端。髋关节18与髋关节驱动系统连接，外骨骼大腿12的下端与膝关节19连接，膝关节19设置于外骨骼小腿15的上端，其可以与外骨骼小腿15一体成型，也可以通过焊接方式固定在外骨骼小腿15的上端。第一导轨171包括第一固定杆、和设置于第一定杆上且可在第一固定杆上自由滑动的第一滑动块，第一固定杆固定于外骨骼大腿12的内侧，第一滑动块与大腿部绑带161固定连接，由此，可以根据使用者的身高或个人习惯调整大腿部绑带161在大腿上的位置；使用时，根据需要，第一导轨171的第一滑动块能相对于第一固定杆滑动，相对应地，大腿部绑带161能相对于外骨骼大腿12滑动。在本发明的优选实施例中，外骨骼大腿12的本体为杆状件，其中，杆状件的上端与圆环状髋关节18连接；杆状件的下部还具有与杆状件本体垂直的横杆，即在杆状件下部的与杆状件下端面具有特定距离的位置向使用者的后方延伸出水平横杆，横杆的悬空端具有通孔，供绳轮结构中的驱动绳13通过；外骨骼大腿12的本体上分布有通孔，用来固定第一导轨171。

小腿支撑部包括：外骨骼小腿15，第二导轨172和小腿部绑带162；其中，外骨骼小腿15的上端与膝关节连接，膝关节只有一个旋转副，膝关节与膝关节驱动系统连接；第二导轨172包括第二固定杆和设置于第二固定杆上且可沿第二固定杆自由移动的第二滑动块，第二固定杆固定于外骨骼小腿15的内侧，第二滑动块与小腿部绑带162固定连接；使用时，根据需要，第二导轨172的第二滑动块能相对于第二固定杆滑动，相对应地，小腿部绑带162能相对于外骨骼小腿15滑动。由此，可以根据使用者的身高或个人习惯调整小腿部绑带162在小腿上的位置。在本发明的优选实施例中，外骨骼小腿15的本体为杆状件，其上端与膝关节连接。

膝关节19，优选为旋转铰链式膝关节，该膝关节与膝关节驱动系统连接，从而实现膝关节的活动。在本发明的实施例中，膝关节包括：设置在外骨骼小腿15上端的膝部底座，底座的后部设置有凸台，前部设有靠近凸台侧面和顶面开口的凹槽，也就是说，凹槽沿竖直方向(所述外骨骼小腿的延伸方向)突出设置且为长方体状，其顶面和一个侧面为开口状，与开口侧面相邻的两个侧面(即内侧面和外侧面)具有通孔，凸台与凹槽的开口侧面相对设置，凸台顶面与膝关节驱动系统连接；安装时，外骨骼大腿12的下端插入凹槽，使外骨骼大腿12的下端的通孔与凹槽内外侧面上的通孔对齐，再将连接件从四个通孔中穿过并固定，由此，通过连接件(如螺栓，螺杆等)将外骨骼大腿12和膝关节连接，外骨骼大腿12和外骨骼小腿15能够以该连接件为枢轴进行相对转动(枢转)。另外，外骨骼大腿12的横杆与膝关节的凸台顶面相对设置，二者之间设置膝关节驱动系统中的弹性件比如弹簧14。

驱动系统包括髋关节驱动系统和膝关节驱动系统，固定于髋部支撑部上，用于分别驱动髋关节和膝关节的运动。

具体地，髋关节驱动系统包括髋关节电机10、电机安装座8和髋关节谐波减速机6，其中，髋关节电机10安装于电机安装座8的一侧，髋关节谐波减速机6安装于电机安装座8的另一侧，且髋关节电机10的输出端与髋关节谐波减速机6连接，髋关节谐波减速机6与髋关节连接；运行时，髋关节电机10经过髋关节谐波减速机6减速后直接驱动髋关节进行收缩和伸展，进而实现外骨骼大腿的12的摆动。优选地，髋关节电机10与电机安装座8连接处设有第一法兰盘91，即髋关节电机10通过第一法兰盘91固定于电机安装座8上；电机安装座8优选为具有圆形通孔的安装座；髋关节谐波减速机6包括：用于输出运动的柔轮输出端，该柔轮与髋关节直接贴合且通过螺接的方式固定在一起；固定于电机安装座8上的钢轮，该钢轮可通过螺栓等固定于电机安装座8上；以及谐波发生轮(作为谐波输入原件)，与髋关节电机10的输出端连接。当髋关节电机10带动髋关节谐波减速机6转动的时候，髋关节谐波减速机6的柔轮向髋关节输出减速后的运动，因此产生大腿的转动。本发明的髋关节没有设置专门的转动副，结构设计简单，减轻了人体负担。

具体地，膝关节驱动系统包括膝关节电机11、电机安装座8、膝关节谐波减速机7和绳轮机构；其中，膝关节电机11安装于电机安装座8的一侧，膝关节谐波减速机7安装在电机安装座8的另一侧，膝关节电机11的输出端与膝关节谐波减速机7输入端连接，膝关节谐波减速机7的输出端与绳轮机构连接，绳轮机构通过驱动绳与膝关节的凸台连接；运行时，膝关节电机11经过膝关节谐波减速机7减速后通过绳轮机构驱动膝关节转动。优选地，膝关节电机11与电机安装座8连接处设有第二法兰盘92。

具体地，本发明使用的电机安装座8是具有圆形通孔的安装座，为了节省空间和减少重量，电机安装座8为具有双圆形通孔的安装座，一个用于安装髋关节电机10，另一个用于安装膝关节电机11。膝关节电机11通过第二法兰盘92固定于电机安装座8上；膝关节谐波减速机7包括：用于输出运动的柔轮输出端，该柔轮与绳轮机构中的绕绳轮5直接贴合且通过螺接的方式固定在一起；固定于电机安装座8上的钢轮，该钢轮可通过螺栓等固定于电机安装座8上；以及谐波发生轮(作为谐波输入原件)，与膝关节电机11的输出端连接。当膝关节电机11带动膝关节谐波减速机7转动的时候，膝关节谐波减速机7的柔轮向绕绳轮输出减速后的运动，拉紧驱动绳。本发明的膝关节设置了一个转动副，结构设计简单，减轻了人体负担。

更具体地，绳轮结构包括驱动绳13、绕绳轮5、定滑轮4；驱动绳13的一端固定在绕绳轮5的绳槽内，并搭接于定滑轮4的绳槽内，另一端固定在膝关节的凸台上；绕绳轮5通过螺接方式固定于谐波减速机7的柔轮(输出运动的轮)上，用于拉紧或释放驱动绳13；定滑轮4则是用销钉或者轴固定在固定板3上，优选地，定滑轮4和固定板3之间采用铰制孔螺栓连接，圆环形髋关节18固定在谐波减速机6的柔轮上，定滑轮4与圆环形髋关节18相对，优选二者之间的端面保持少许距离，比如保持1mm的距离，定滑轮4用于导引驱动绳13；绕绳轮5转动可以实现驱动绳13的伸长和缩短，进而实现膝关节的伸缩(转动)。驱动绳13的材质可以为钢丝等。在结构设计时定滑轮4和圆环形髋关节18的轴近乎在同一条直线上。优选地，绳轮结构还包括弹性件比如弹簧14，套设于驱动绳13外、并抵靠设置于膝关节19的凸台顶面和外骨骼大腿12的下端的横杆之间。使用时，如要实现外骨骼小腿15的收缩，即向外骨骼大腿12靠拢的运动，则启动膝关节电机11做正功(电机带着负载走就是正功)，绕绳轮5转动拉紧驱动绳13使其缩短，进而使膝关节转动，实现外骨骼小腿15向外骨骼大腿12靠拢的运动，此时弹簧14处于压缩状态；如要实现膝关节的伸展，即外骨骼小腿15远离外骨骼大腿12的运动，则由弹簧14伸长进行驱动，使驱动绳13延长，绕绳轮5反向转动，此时膝关节电机11做负功(即负载带着电机走就是负)，弹簧14伸长时，膝关节电机11仍然给驱动绳13施加拉力，能更好地实现对伸展时的力矩和转速进行控制，使膝关节在受控的情况下伸展。

由上分析可知，本发明的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其驱动系统(包括髋关节驱动系统和膝关节驱动系统)集中布置于腰部，减轻了外骨骼机器人下肢的重量，使得膝关节电机和传动机构不会随着大腿的摆动而摆动，既减轻了膝关节驱动系统的重量，同时也降低了整条腿的转动惯量，提升了整个系统的静力学和动力学性能；既降低了髋关节电机的驱动压力，也降低了整个系统的能耗，提高电池的续航时间。

在下肢机能恢复和下肢肌肉力量训练时，用腰部绑带1将外骨骼机器人固定在人的腰部，用大腿部绑带161、小腿部绑带162将外骨骼机器人分别固定在人的大腿和小腿上。通过程序控制，使髋关节和膝关节加上不同的力矩，就可以实现不同的恢复训练和健身的目的。这个程序大致就这么两个功能：要么就工作在力矩控制模式下，给关节施加正向或者反向力矩；要么就工作在位置模式下输出特定的腿部摆动角度和频率。这两种模式分别用于病人和健康人的两种对应训练模式。

本申请中的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人视腿部康复训练和健身的需要可以使用一套，也可以使用两套；如果需要双腿同时训练，则两套上述腿部康复训练和健身用外骨骼机器人分别安装在人体左右两腿的外侧，每一侧的外骨骼机器人相互对称。

本发明机器人可以有两种工作模式，第一种是对失去了主动运动功能的患者，这时施加主动力矩的(正功)，使其带动腿部运动，比如康复训练者腿部不用力，机器人外骨骼用力，就可以带着康复训练者的腿摆动；第二种是康复训练者恢复的差不多了，需要进行力量训练时，要使腿部带动外骨骼转动，训练者往前摆时机器人向后的力阻碍你往前摆，训练者往后摆时机械人施加向前的力(被动力，做负功)，以阻碍训练者的腿部摆动，因此可以起到训练肌肉和运动的作用。

实施例

本实施例的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，如图1和图2所示，主要包括髋部支撑部、髋关节18、大腿支撑部、小腿支撑部、膝关节19和驱动系统，其中，髋部支撑部与大腿支撑部的上端通过髋关节连接，大腿支撑部的下端与小腿支撑部的上端通过膝关节连接；驱动系统固定于髋部支撑部上，包括髋关节驱动系统和膝关节驱动系统，分别用于驱动髋关节和膝关节运动，进而驱动大腿支撑部和小腿支撑部的协调运动。

髋部支撑部，包括固定板3、安装夹板2和腰部绑带1，其中，腰部绑带1通过安装夹板2固定于固定板3的一边，驱动系统固定于固定板3的另一边。安装夹板2的形状采用顶部和两侧都平面的梯形凹槽结构(参见图1和图2)，凹面与人体相邻，数量共有两个，分别为：使用时较为远离腰部的第一安装夹板和较为靠近腰部的第二安装夹板，腰部绑带1的两个设置通孔的端部设置在第一安装夹板和第二安装夹板之间，通过铆钉将三者连接并固定。

大腿支撑部包括外骨骼大腿12、第一导轨171和大腿部绑带161；其中，外骨骼大腿12的上端与圆环形髋关节连接，圆环形髋关节上设有通孔，用于通过螺栓将其与髋关节谐波减速机6的柔轮连接，从而实现髋关节的转动，外骨骼大腿12下端与外骨骼小腿15的上端通过膝关节连接；第一导轨171包括第一固定杆和设置于第一固定杆上的第一滑动块，第一固定杆与外骨骼大腿12固定连接，滑动块与大腿部绑带161固定连接；使用时，根据需要，第一导轨171的第一滑动块能相对于第一固定杆滑动，相对应地，大腿部绑带161能相对于外骨骼大腿12滑动。外骨骼大腿12的下部还具有与下端端面有一定距离、且与外骨骼大腿12的杆状本体垂直的横杆，横杆的悬空端具有通孔，供绳轮结构中的驱动绳13通过；外骨骼大腿12的本体上和第一导轨171上分布有相对应的通孔，螺栓穿过这些通孔而将外骨骼大腿12与第一导轨171固定连接。

小腿支撑部包括：外骨骼小腿15，第二导轨172和小腿部绑带162；其中，外骨骼小腿15的上端通过膝关节与外骨骼大腿12的下端连接，膝关节为铰链形式的膝关节，且只有一个旋转副，膝关节与膝关节驱动系统连接；第二导轨172包括固定杆和设置于固定杆上的滑动块，固定杆与外骨骼小腿15固定连接，滑动块与小腿部绑带162固定连接；使用时，根据需要，第二导轨172的滑动块能相对于固定杆滑动，相对应地，小腿部绑带162能相对于外骨骼小腿15滑动。外骨骼小腿15的本体为杆状件。

膝关节包括：设置在外骨骼小腿15上端的膝部底座，底座的后部设置有凸台，前部设有靠近凸台侧面和顶面开口的凹槽，也就是说，凹槽沿竖直方向(所述外骨骼小腿的延伸方向)突出设置且为长方体状，其顶面和一个侧面为开口状，与开口侧面相邻的两个侧面(即内侧面和外侧面)具有通孔，凸台与凹槽的开口侧面相对设置，凸台顶面与膝关节驱动系统连接；安装时，外骨骼大腿12的下端插入凹槽，使外骨骼大腿12的下端的通孔与凹槽内外侧面上的通孔对齐，再将连接件从四个通孔中穿过并固定，由此，通过连接件(如螺栓，螺杆等)将外骨骼大腿12和膝关节连接，外骨骼大腿12和外骨骼小腿15能够以该连接件为枢轴进行相对转动(枢转)。

髋关节驱动系统包括髋关节电机10、电机安装座8和髋关节谐波减速机6，其中，髋关节电机10通过第一法兰盘91安装于电机安装座8上，其输出端与髋关节谐波减速机6连接，髋关节谐波减速机6的输出端与髋关节连接；运行时，髋关节电机10经过髋关节谐波减速机6减速后直接驱动髋关节进行收缩和伸展，进而实现外骨骼大腿12的摆动。

膝关节驱动系统包括膝关节电机11、电机安装座8和膝关节谐波减速机7和绳轮机构；其中，膝关节电机11通过第二法兰盘92安装于电机安装座8上，其输出端与膝关节谐波减速机7连接，膝关节谐波减速机7的输出端与绳轮机构连接，绳轮机构通过驱动绳13与膝关节的凸台连接；运行时，膝关节电机11经过膝关节谐波减速机7减速后通过绳轮机构驱动膝关节转动。本实施例中，绳轮结构包括驱动绳13(材质为钢丝)、绕绳轮5、定滑轮4和弹簧14；驱动绳13的一端固定在绕绳轮5的绳槽内，并搁于的绳槽内(即驱动绳13经定滑轮4导引)，另一端固定在膝关节的凸台顶面上；绕绳轮5通过螺接方式与膝关节谐波减速机7的柔轮固定在一起，用于拉紧驱动绳13；定滑轮4通过螺接方式固定于固定板3上，用于导引驱动绳13；绕绳轮5转动可以实现驱动绳13的伸长和缩短，进而实现膝关节的伸缩(转动)；弹簧14套设于驱动绳13外、并抵接设置于膝关节凸台顶面和外骨骼大腿12的下端的横杆之间。如要实现外骨骼小腿15的收缩，即向外骨骼大腿12靠拢的运动，则启动膝关节电机11做正功，绕绳轮5转动拉紧驱动绳13使其缩短，进而使膝关节转动，实现外骨骼小腿15向外骨骼大腿12靠拢的运动，此时弹簧14处于压缩状态；如要实现膝关节的伸展，即外骨骼小腿15远离外骨骼大腿12的运动，则由弹簧14伸长进行驱动，使驱动绳13延长，绕绳轮5反向转动，此时膝关节电机11做负功，弹簧14伸长时，膝关节电机11仍然给驱动绳13施加拉力，能更好地实现对伸展时的力矩和转速进行控制，使膝关节在受控的情况下伸展。

上述外骨骼机器人的使用方法大致如下：

首先，用腰部绑带1将外骨骼机器人固定在使用者的腰部，用大腿部绑带161、小腿部绑带162将外骨骼机器人分别固定在使用者的大腿和小腿上，实现外骨骼机器人和使用者的完全固定；

其次，根据需要启动电机，下面根据使用者的目的不同进行简单介绍：

1)上述外骨骼机器人可用于创伤患者的下肢技能恢复。在恢复过程中，将可以实现两种功能：第一种是在患者初步训练时，控制系统给出两个电机的力矩，使得外骨骼机器人的髋关节和膝关节为主动驱动关节，并超前于患者的髋关节和膝关节，因此，外骨骼可以引导患者运动，重新建立患者下肢的运动感觉；第二种功能是待患者的运动功能恢复了之后需要进行下肢力量训练时，控制系统使得外骨骼的膝关节和髋关节的力矩为被动关节，即做负功，由患者的髋关节和膝关节带着外骨骼机器人转动，因此可以锻炼患者的下肢力量以及在运动过程中的发力等等。以上的两种功能既可以在静止时坐在椅子上完成训练，也可以在走动过程中边走边练，完成运动和力量的协调训练。

2)上述外骨骼机器人可用于正常人的健身训练。正常人在使用上述外骨骼机器人进行健身训练时，也有两种健身模式：第一种仍然是控制系统使电机做正功，外骨骼机器人带动使用者的大腿和小腿运动，因此当爬楼、登山或者长距离行走时，就可以使使用者的大腿和小腿减轻疲劳；第二种就是电机施加反向力矩做负功的情况，使用者的大腿克服电机力矩带动外骨骼机器人摆动，因此可以锻炼使用者的腿部肌肉力量，在这种训练模式下，使用者既可以坐着训练、也可以躺着训练，也可以边行走边训练下肢力量。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

Claims (11)

1.一种腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人包括髋部支撑部、髋关节、大腿支撑部、膝关节、小腿支撑部和驱动系统；其中，

所述髋部支撑部与所述大腿支撑部的上端通过髋关节连接；

所述大腿支撑部的下端与所述小腿支撑部的上端通过膝关节连接；

所述驱动系统固定于所述髋部支撑部上，所述驱动系统包括：

髋关节驱动系统，与所述髋关节连接，用于驱动所述髋关节运动；和膝关节驱动系统，与所述膝关节连接，用于驱动所述膝关节运动，进而驱动所述大腿支撑部和所述小腿支撑部的协调运动。

2.根据权利要求1所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述髋部支撑部包括固定板、安装夹板和腰部绑带；其中，所述腰部绑带通过所述安装夹板固定于所述固定板的一边，所述驱动系统固定于所述固定板的另一边。

3.根据权利要求2所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述安装夹板的数量共有两个，分别为：使用时较为远离腰部的梯形第一安装夹板和较为靠近腰部的弧形第二安装夹板；所述腰部绑带包括两片分带，所述两片分带中的每一片的一端均为黏贴端，另一端均为安装端；所述两片分带的安装端分别被夹置在第一安装夹板和第二安装夹板之间并通过螺接方式固定在一起。

4.根据权利要求2所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节为圆环形。

5.根据权利要求2所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动系统包括髋关节电机、电机安装座和髋关节谐波减速机，其中，所述髋关节电机安装于所述电机安装座上，所述髋关节电机的输出端与所述髋关节谐波减速机输入端连接，所述髋关节谐波减速机的输出端与所述髋关节连接；运行时，所述髋关节电机经过所述髋关节谐波减速机减速后直接驱动所述髋关节进行收缩和伸展，进而实现所述外骨骼大腿的摆动；

优选地，所述髋关节电机与所述电机安装座连接处设有第一法兰盘。

6.根据权利要求2所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节驱动系统包括膝关节电机、电机安装座、膝关节谐波减速机和绳轮机构；其中，所述膝关节电机安装于所述电机安装座上，所述膝关节电机的输出端与所述膝关节谐波减速机的输入端连接，所述膝关节谐波减速机的输出端与所述绳轮机构连接，所述绳轮机构通过驱动绳与所述膝关节连接；运行时，所述膝关节电机经过所述膝关节谐波减速机减速后通过所述绳轮机构驱动所述膝关节转动；

优选地，所述膝关节电机与所述电机安装座连接处设有第二法兰盘。

7.根据权利要求6所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，绳轮结构包括驱动绳、绕绳轮和定滑轮；其中，

所述驱动绳的一端固定在所述绕绳轮的绳槽内，并搭接于所述定滑轮的绳槽内，另一端固定在所述膝关节上；

所述绕绳轮，与所述膝关节谐波减速机的输出端连接，用于拉紧或释放所述驱动绳；

所述定滑轮，固定于所述固定板上，用于导引所述驱动绳；

优选地，所述驱动绳为钢丝。

8.根据权利要求7所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支撑部包括：外骨骼大腿、第一导轨和大腿部绑带；其中，

所述外骨骼大腿的上端与所述髋关节连接，下端与所述膝关节连接；

所述第一导轨包括第一固定杆和设置于所述第一固定杆上的第一滑动块，所述第一固定杆固定于所述外骨骼大腿本体上，所述第一滑动块与所述大腿部绑带固定连接。

9.根据权利要求8所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿支撑部包括：外骨骼小腿、第二导轨和小腿部绑带；其中，

所述外骨骼小腿的上端与所述膝关节连接；

所述第二导轨包括第二固定杆和设置于所述第二固定杆上的第二滑动块，所述第二固定杆固定于所述外骨骼小腿本体上，所述第二滑动块与所述小腿部绑带固定连接。

10.根据权利要求9所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节为旋转铰链式膝关节；

优选地，所述膝关节包括：

膝部底座，设置在所述外骨骼小腿上端；

凸台，设置于所述膝部底座的后部，所述凸台与所述膝关节驱动系统的所述驱动绳连接；

凹槽，设置于所述膝部底座的前部，且所述凹槽的靠近凸台的侧面和顶面为开口，与所述开口的侧面相邻的两个侧面上设置有相对的通孔，所述外骨骼大腿的下端插入所述凹槽；

连接件，穿过所述凹槽侧面上的所述通孔以及所述外骨骼大腿下端设置的通孔，用于连接所述外骨骼大腿和所述膝关节；

所述外骨骼大腿和所述外骨骼小腿能够以所述连接件为枢轴进行相对转动。

11.根据权利要求10所述的腿部康复训练和健身用外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼大腿的下部还设有与所述外骨骼大腿本体垂直的横杆，所述横杆的悬空端具有通孔，所述驱动绳通过所述横杆悬空端的通孔固定于所述膝关节凸台顶面上；

所述绳轮结构还包括弹性件，所述弹性件套设于驱动绳外、并抵靠设置于所述膝关节的凸台顶面和所述外骨骼大腿的的横杆之间。