CN109620652A - 一种串联弹性髋关节助行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串联弹性髋关节助行器，包括腰部横梁架(8)、固定在腰部横梁架(8)上的背部支撑架(6)，以及与腰部横梁架(8)相连接用于固定腰部的腰部支撑组件和固定腿部且对称设置的两组腿部支撑组件，所述腿部支撑组件和腰部支撑组件之间连接有驱动髋关节运动的柔性驱动组件。与现有技术相比，本发明通过弹性体的弹性做到在过载时对使用者髋关节的保护，分体式、紧凑型、轻量化的设计方便了患者的使用，大大得提高了功率密度。

Description

一种串联弹性髋关节助行器

技术领域

本发明涉及一种助行器，尤其是涉及一种串联弹性髋关节助行器。

背景技术

在中国乃至全球范围内，人口老年化已成为必然趋势，截止到2014年底，60岁及以上人口约为2.2亿人，占全部人口的16.1％，而且每年还以净800多万的速度增加；根据2016年中国心血管病报告，中国目前有1300万脑卒中患者，而且每年还以200万的速度增长；截止到2016年，我国约有130万脊髓损伤患者，而且每年还以4到7万的速度增长。老年人自身所残余的肌力已不足以支撑其进行日常活动，脑卒中(俗称中风)会引起偏瘫和脊髓损伤会造成截瘫。这部分人由于丧失肢体功能，只能长期卧床，给家人和社会带来沉重的负担。同时也使患者承受极大的心理创伤，导致悲观、忧郁等症状，严重地影响着患者的身心健康。而且偏瘫或者截瘫患者由于缺乏运动也会带来严重的健康问题，如肌肉萎缩、骨质疏松、压疮、淋巴和血管循环受损、消化系统受损等一系列问题。因此，如何最大程度地恢复患者失去的运动功能是临床康复治疗的一项迫切和重要内容。

临床医学表明，由于大脑具有可塑造性，准确、及时的重复康复训练能够促进神经组织功能进行代偿或者重组，弥补受到损伤的神经细胞所缺失的功能，从而使得患者提高运动控制能力，促进各个关节肌群的协调运动，最终恢复步行功能。早些时期，患者的康复训练主要由康复治疗师完成，由于患者众多和康复治疗师人员不足，导致患者得不到充分的康复训练而且康复治疗师的工作强度也会加大。随着机器人技术、控制理论和信息处理等技术的发展，穿戴在人下肢上的下肢助行器逐步成为研究的热点。下肢助行器可以帮助使用者站立行走、跨越障碍和上下楼梯等轮椅不能完成的任务，此外，患者穿戴下肢助行器进行行走，可有效提高患者康复训练的参与性，增强患者康复的信心。

发达国家中的医疗康复团队较多，其对下肢助行器的研究也较早，现已经从单纯的实验室样机阶段发展到市场化的产品阶段，由于国内研究起步较晚且国内医疗行业发展的不平衡性，国内的下肢助行器大多处于实验室样机阶段或处在上市前的临床测试阶段且未正式面向消费者销售。面向消费者销售的均为国外的高端下肢助行器且价格昂贵，严重制约了我国老年人、下肢功能障碍者生活质量的提高。

随着人们生活水平的提高，患有肢体运动障碍的患者将寻求更加完善的康复治疗，对康复治疗的需要也将越来越大，下肢助行器作为针对下肢功能障碍者的特定医疗设备，必将在康复治疗中起到重要的作用。因此，功能障碍者是具有重大市场前景的产业化研究课题，甚至下肢康复装置成果的转化将会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥重要作用。基于这样的需求和社会现状，本发明旨在为下肢力量不足的群体提供行走的辅助，通过对功能障碍者深入研究，针对行走动力的主要输出——髋关节，研制出一种穿戴舒适、轻量便携的髋关节串联弹性驱动助行器。

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串联弹性髋关节助行器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种串联弹性髋关节助行器，包括腰部横梁架、固定在腰部横梁架上的背部支撑架，以及与腰部横梁架相连接用于固定腰部的腰部支撑组件和固定腿部且对称设置的两组腿部支撑组件，所述腿部支撑组件和腰部支撑组件之间连接有驱动髋关节运动的柔性驱动组件。

进一步的，所述腰部支撑组件包括固定在腰部横梁架两侧的腰部左挡板和腰部右挡板，所述腰部左挡板和腰部右挡板通过腰带相连接。

进一步的，所述柔性驱动组件为串联弹性驱动器。

更进一步的，所述串联弹性驱动器包括通过齿轮啮合相连接的电机和转动轴，所述转动轴输出端连接谐波减速器，所述谐波减速器连接弹性体，所述弹性体中心固定有磁芯，通过相对运动实现了单编码器直接测量弹性体形变的作用，从而可精确感知串联弹性关节输出力。

更进一步的，所述磁芯正对位置安装有绝对位置编码器。

更进一步的，所述弹性体为环形弹性体，具有特定形状，避免了使用弹簧以及其他配件。保证串联弹性驱动器内部空间的紧凑，同时减轻了重量，提高了功率密度。

进一步的，串联弹性驱动器中电机通过螺栓固定在后盖下端，电机的输出轴通过小齿轮与大齿轮的啮合连接转动轴，电机的输出轴末端通过小端盖密封在前盖内，转动轴通过后大端盖和前大端盖固定在后盖与前盖之间，转动部位通过深沟球轴承连接。谐波减速器的刚轮通过螺栓和限位固定在前盖上端，转动轴输出端通过键连接谐波减速器的谐波发生器，谐波减速器的柔轮通过螺栓连接驱动转接件，弹性体通过螺栓连接驱动转接件，磁芯固定在弹性体中心孔，弹性体外圈通过螺栓连接外转盖，绝对位置编码器通过螺栓固定在外转盖内部。薄壁轴承挡圈通过螺栓固定在谐波减速器外部，薄壁轴承卡在前盖与薄壁轴承挡圈之间，薄壁轴承外圈上侧通过外转筒卡住，外转筒再螺栓连接外转盖。本髋关节助行器的串联弹性驱动器采用分体式设计，将电机与驱动转动的部位空间上错开一段距离，充分利用人体臀部的形状来安放电机在空间上的位置，减小驱动器横向方向长度，达到小巧美观以及不阻碍人正常行走时手臂摆动的目的。

进一步的，所述腿部支撑组件包括自上而下设置的腿部转接件、支撑摆架和固定腿部的绑带，所述腿部转接件与柔性驱动组件的下端相固定。

更进一步的，所述柔性驱动组件上端通过螺栓连接腰部横梁架，所述柔性驱动组件下端通过螺栓连接腿部支撑组件。

进一步的，所述背部支撑架上还粘贴有海绵靠背，让使用者感觉更加舒适。

在使用时，电机驱动转动轴，然后带动谐波减速器，通过驱动转接件，将转动传递给弹性体，通过弹性体的转动带动串联弹性驱动件外转筒的转动，进而带动髋关节的运动。

本发明的目的在于提供一种髋关节部位应用串联弹性驱动的髋关节助行器，为下肢力量不足的群体提供行走的辅助的康复辅助器具。该串联弹性驱动器驱动器在普通刚性关节和外界负载之间连接一特定形状的弹性元件来实现柔顺驱动性能，具备本质柔顺属性。由于增加了弹性体环节，能有效地增加系统的稳定性、降低干扰影响以及在外部冲击下起保护作用。同时在弹性体与输出端之间采用了单绝对位置传感器，可测量弹性体的形变，从而直接测量出关节的输出力，能有效的进行力控制。本髋关节助行器的串联弹性驱动器采用分体式设计，将电机与驱动转动的部位空间上错开一段距离，充分利用人体臀部的形状来安放电机在空间上的位置，减小驱动器横向方向长度，达到小巧美观以及不阻碍人正常行走时手臂摆动的目的。

与现有技术相比，本发明不仅可以做到零阻抗提供精密的力控制，而且可以通过弹性体的弹性做到在过载时对使用者髋关节的保护，分体式、紧凑型、轻量化的设计方便了患者的使用，大大提高了功率密度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的主视图；

图4为本发明的串联弹性驱动器的剖视图；

图5为本发明中串联弹性驱动器的弹性体的主视图。

图中标号所示：

1、腰部右挡板，2、右髋关节串联弹性驱动器，3、右腿支撑摆架，4、右腿绑带，5、海绵靠背，6、背部支撑架，7、腰部左挡板，8、腰部横梁架，9、左髋关节串联弹性驱动器，10、左腿转接件，11、左腿支撑摆架，12、左腿绑带，13、腰带，14、右腿转接件，15、前盖，16、后盖，17、大齿轮，18、后大端盖，19、转动轴，20、前大端盖，21、电机，22、薄壁轴承，23、薄壁轴承挡圈，24、弹性体，25、绝对位置编码器，26、磁芯，27、外转盖，28、驱动转接件，29、谐波减速器，30、外转筒，31、小端盖，32、小齿轮。

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。

实施例

一种串联弹性髋关节助行器，如图1-3所示，包括：腰部右挡板1，右髋关节串联弹性驱动器2，右腿转接件14，右腿支撑摆架3，右腿绑带4，海绵靠背5，背部支撑架6，腰部左挡板7，腰部横梁架8，左髋关节串联弹性驱动器9，左腿转接件10，左腿支撑摆架11，左腿绑带12，腰带13。

以左侧结构为例，腰部右挡板1固定连接在腰部横梁架8右侧，右髋关节串联弹性驱动器2的上端通过螺栓连接腰部横梁架8右侧，右髋关节串联弹性驱动器2的下端通过螺栓连接右腿转接件14，右腿转接件14通过定位销连接右腿支撑摆架3，右腿绑带4穿过右腿支撑摆架3下端两个侧孔与人体右腿绑定。背部支撑架6固定腰部横梁架8背部，正面粘贴海绵靠背5，背面可固定电池。腰部右挡板1和腰部左挡板11通过腰带13穿过定位孔连接。右侧结构与左侧结构相同，成左右对称分布。通过串联弹性驱动器增加系统的稳定性、降低干扰影响以及在外部冲击下对人体起保护作用。

串联弹性驱动器，如图4所示，包括：电机21通过螺栓固定在后盖16下端，电机21的输出轴通过小齿轮32与大齿轮17的啮合连接转动轴19，电机21的输出轴末端通过小端盖31密封在前盖15内，转动轴19通过后大端盖18和前大端盖20固定在后盖16与前盖15之间，转动部位通过深沟球轴承连接。谐波减速器29的刚轮通过螺栓和限位固定在前盖15上端，转动轴19输出端通过键连接谐波减速器29的谐波发生器，谐波减速器29的柔轮通过螺栓连接驱动转接件28，弹性体24通过螺栓连接驱动转接件28，磁芯26固定在弹性体24中心孔，弹性体24外圈通过螺栓连接外转盖27，绝对位置编码器25通过螺栓固定在外转盖27内部。薄壁轴承挡圈23通过螺栓固定在谐波减速器29外部，薄壁轴承22卡在前盖15与薄壁轴承挡圈23之间，薄壁轴承22外圈上侧通过外转筒30卡住，外转筒30再螺栓连接外转盖27。如图5所示，弹性体24为特定形状的环形弹性体，避免了使用弹簧以及其他配件，保证串联弹性驱动器内部空间的紧凑，同时减轻了重量，提高了功率密度。绝对位置编码器25固定在弹性体24的输出端，磁芯26放置在弹性体24中心，通过相对运动实现了单编码器直接测量弹性体24形变的作用，从而可精确感知串联弹性关节输出力。

在使用时，电机21驱动转动轴19，然后带动谐波减速器29，通过驱动转接件28，将转动传递给弹性体24，通过弹性体24的转动带动串联弹性驱动件外转筒30的转动，进而带动髋关节的运动。

本髋关节助行器的串联弹性驱动器采用分体式设计，将电机21与驱动转动的部位空间上错开一段距离，充分利用人体臀部的形状来安放电机21在空间上的位置，减小驱动器横向方向长度，达到小巧美观以及不阻碍人正常行走时手臂摆动的目的。

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 (9)

1.一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，包括腰部横梁架(8)、固定在腰部横梁架(8)上的背部支撑架(6)，以及与腰部横梁架(8)相连接用于固定腰部的腰部支撑组件和固定腿部且对称设置的两组腿部支撑组件，所述腿部支撑组件和腰部支撑组件之间连接有驱动髋关节运动的柔性驱动组件。

2.根据权利要求1所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述腰部支撑组件包括固定在腰部横梁架(8)两侧的腰部左挡板(7)和腰部右挡板(1)，所述腰部左挡板(7)和腰部右挡板(1)通过腰带相连接。

3.根据权利要求1所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述柔性驱动组件为串联弹性驱动器。

4.根据权利要求3所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述串联弹性驱动器包括通过齿轮啮合相连接的电机(21)和转动轴(19)，所述转动轴(19)输出端连接谐波减速器(29)，所述谐波减速器(29)连接弹性体(24)，所述弹性体(24)中心固定有磁芯(26)。

5.根据权利要求4所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述磁芯(26)正对位置安装有绝对位置编码器(25)。

6.根据权利要求4所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述弹性体(24)为环形弹性体。

7.根据权利要求1所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述腿部支撑组件包括自上而下设置的腿部转接件、支撑摆架和固定腿部的绑带，所述腿部转接件与柔性驱动组件的下端相固定。

8.根据权利要求1所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述柔性驱动组件上端通过螺栓连接腰部横梁架(8)，所述柔性驱动组件下端通过螺栓连接腿部支撑组件。

9.根据权利要求1所述的一种串联弹性髋关节助行器，其特征在于，所述背部支撑架(6)上还粘贴有海绵靠背(5)。