CN108852741A - 一种四连杆助力行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四连杆助力行走机构，包括电机、固定梁、曲柄、连杆、摇杆、脚踏板、转轴及角度传感器；电机与固定梁一端固定，电机的输出轴通过固定梁与曲柄一端固定，曲柄另一端与连杆一端连接形成转动副，连杆中部与摇杆一端连接形成转动副，摇杆另一端与固定梁另一端连接形成转动副，固定梁、曲柄、连杆及摇杆形成四连杆机构；连杆另一端固定连接转轴，转轴的轴线方向垂直于四连杆机构构成的平面；转轴上设有约束脚部的脚踏板；电机的输出轴和摇杆上设置角度传感器，电机根据角度传感器的测量值控制四连杆机构运动的角度和速度；当电机驱动曲柄转动时，四连杆机构按照人体自然步态的运动轨迹和速度轨迹，带动脚部运动，简单可靠、成本低。

Description

一种四连杆助力行走机构

技术领域

本发明涉及机械结构技术领域，具体涉及一种四连杆助力行走机构。

背景技术

随着科技进步和人民生活水平的提高,我国和世界上许多国家一样,正在步入老龄化。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多伴偏瘫或截瘫症状，导致下肢肢体运动障碍；另外，还有由于交通事故等其它原因导致的下肢肢体障碍患者人数也居多。一种可以辅助人体行走的器械可以满足该部分人群的需求，而助力行走机构是该类器械的关键部分。

正常人步行行走时，一侧足跟着地至同侧足跟再次着地为一个步行周期。一个步行周期又分为两个时期，即支撑期和摆动期。为使患者行走接近自然步态，该机构应该能够保证支撑期稳定和摆动期接近运动规律，即机构运动规律可以约束患者下肢实现正常人步态轨迹。

目前，在国内外现有技术中，腿部助力机构主要是通过髋关节处和膝关节处各安装驱动装置，然后通过特定的控制技术协调控制两自由度来实现患者的自然步态。如一种下肢康复自动步态矫正器，它包括大腿构件和小腿构件，一个U型架的两端铰链大腿构件，大腿构件铰链小腿构件；U型架和两大腿构件与电动线性驱动器的两端铰连，铰链处有编码器；大腿构件和小腿构件与另一个电动线性驱动器的两端铰连，铰链处有编码器。训练期间，患者穿戴下肢外骨骼步态矫形器，引导患者腿运动，利用传感器实时测量关节角和力矩大小，以实现自然步态。该类技术的缺点是驱动装置较多，体积庞大，控制技术复杂，成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种四连杆助力行走机构，能够由一个驱动源驱动实现人体步态的运动轨迹和速度轨迹，简单可靠、成本低。

本发明的具体实施方案如下：

一种四连杆助力行走机构，所述助力行走机构包括电机、固定梁、曲柄、连杆、摇杆、脚踏板、转轴及角度传感器；

电机与固定梁一端固定，电机的输出轴通过固定梁与曲柄一端固定，曲柄另一端与连杆一端连接形成转动副，连杆中部与摇杆一端连接形成转动副，摇杆另一端与固定梁另一端连接形成转动副，固定梁、曲柄、连杆及摇杆形成四连杆机构；所述连杆另一端固定连接转轴，转轴的轴线方向垂直于所述四连杆机构构成的平面；所述转轴上设有约束脚部的脚踏板；

所述电机的输出轴上设置角度传感器，所述摇杆上设置角度传感器，电机根据角度传感器的测量值控制四连杆机构运动的角度和速度；当电机驱动曲柄转动时，四连杆机构按照人体自然步态的运动轨迹和速度轨迹，带动脚部运动。

进一步地，所述脚踏板绕转轴转动，同时，以转轴为中心线，脚踏板通过对称设置的两个弹簧与连杆弹性连接。

进一步地，还包括一个助力行走机构，两个助力行走机构镜像设置，同时分别驱动人体的左脚和右脚配合运动。

有益效果：

1、本发明采用一个驱动源，直接驱动脚部踝关节运动，依靠四连杆运动机构，能够实现人体步态的运动轨迹和速度轨迹，简单可靠、成本低。该机构可辅助老人或者行走不便的患者进行康复训练；如搭载到移动平台时，可辅助其行走。

2、本发明脚踏板绕转轴转动，可以便于脚部自适应调整，并通过设置弹簧增加舒适度。

3、本发明的两套机构配合工作时，可同时驱动人体的左脚和右脚实现步态模拟，起到康复医疗的效果。

附图说明

图1为四连杆助力行走机构组成示意图；

图2为四连杆助力行走机构对称布置示意图；

图3为四连杆助力行走机构原理简图；

图4为四连杆助力行走机构的连杆末端轨迹图。

其中，1-电机，2-固定梁，3-曲柄，4-连杆，5-摇杆，6-弹簧，7-脚踏板，8-转轴，9-角度传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种四连杆助力行走机构，该四连杆助力行走机构包括电机1、固定梁2、曲柄3、连杆4、摇杆5、脚踏板7、转轴8、弹簧6及角度传感器9，如图1所示。

固定梁2可固定不动，电机1壳体与固定梁2一端固定，电机2的输出轴与曲柄3的一端固定，可驱动曲柄3转动，曲柄3的另一端与连杆4的一端连接形成转动副，连杆4的中部与摇杆5的一端连接形成转动副，摇杆5的另一端与固定梁2的另一端连接形成转动副，且由角度传感器9测量摇杆5的角度。固定梁2、曲柄3、连杆4及摇杆5形成四连杆机构，四连杆助力行走机构原理如图3所示。

连杆4的另一端固定连接转轴8，转轴8的轴线方向垂直于该四连杆机构构成的平面，转轴8上设有约束脚部的脚踏板7，脚踏板7可绕转轴8转动，同时，以转轴8为中心线，脚踏板7通过对称设置的两个弹簧6与连杆4弹性连接。脚踏板7侧方伸出固定杆，该固定杆通过弹簧6与连杆4连接，初始连接状态，两个弹簧6具有一定的预紧力。

通过合理设置四连杆机构各杆的尺寸，能够配合运动模拟人体自然步态的运动轨迹。本实施例中，固定梁2长度为300mm，曲柄3长度为150mm，摇杆5长度为250mm，连杆4三个铰接处不在同一条直线，连杆4与曲柄3的连接处定义为A，连杆4与摇杆5连接处定义为B，连杆4与转轴8连接处定义为C，杆AB和杆BC为一体结构，即为连杆4，杆AB长度为300mm，杆BC长度为168mm，杆AB与杆BC夹角为153.5°，由此构成四连杆机构。

电机1的输出轴上设置角度传感器9，摇杆5上设置角度传感器9，电机根据角度传感器9的角度测量值控制四连杆机构运动的角度和速度，使四连杆机构的运动符合人体脚部速度运动规律。

当电机1驱动曲柄3转动时，四杆机构运动，四连杆助力行走机构的连杆4末端运动轨迹如图4所示，即人体脚部踝关节运动轨迹，使约束在脚踏板7的患者脚部按照正常人自然步态的规律运动，即人体自然步态的运动轨迹和速度轨迹，在此过程中两个弹簧6在运动过程中被动拉伸和缩短。

进一步地，还包括一个助力行走机构，两个助力行走机构镜像设置，同时分别驱动人体的左脚和右脚配合运动实现步态模拟，起到康复医疗的效果，如图2所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种四连杆助力行走机构，其特征在于，所述助力行走机构包括电机、固定梁、曲柄、连杆、摇杆、脚踏板、转轴及角度传感器；

电机与固定梁一端固定，电机的输出轴通过固定梁与曲柄一端固定，曲柄另一端与连杆一端连接形成转动副，连杆中部与摇杆一端连接形成转动副，摇杆另一端与固定梁另一端连接形成转动副，固定梁、曲柄、连杆及摇杆形成四连杆机构；所述连杆另一端固定连接转轴，转轴的轴线方向垂直于所述四连杆机构构成的平面；所述转轴上设有约束脚部的脚踏板；

所述电机的输出轴上设置角度传感器，所述摇杆上设置角度传感器，电机根据角度传感器的测量值控制四连杆机构运动的角度和速度；当电机驱动曲柄转动时，四连杆机构按照人体自然步态的运动轨迹和速度轨迹，带动脚部运动。

2.如权利要求1所述的四连杆助力行走机构，其特征在于，所述脚踏板绕转轴转动，同时，以转轴为中心线，脚踏板通过对称设置的两个弹簧与连杆弹性连接。

3.如权利要求2所述的四连杆助力行走机构，其特征在于，还包括一个助力行走机构，两个助力行走机构镜像设置，同时分别驱动人体的左脚和右脚配合运动。