CN109620653B - 一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人 - Google Patents

一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动化技术领域，具体公开了一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人，该下肢外骨骼系统包括大腿支架、第一驱动机构、转接件、转轴滑块、第二驱动机构及小腿组件；第一驱动机构用于驱动大腿支架相对转接件进行旋转运动；转轴滑块与小腿组件转动连接，且小腿组件的长度可调节，第二驱动机构安装于转接件并用于驱动转轴滑块进行往复直线运动，通过旋转运动及往复直线运动的运动模式组合，能够实时调整大腿支架和转接件的转动轴心的位置，即赋予转动轴心实时与人体膝关节转动轴心对齐的能力，提升人机兼容性，保证患者使用时，人‑机膝关节转动轴心能够同步对齐，从而可有效避免患者穿戴不适、软组织挫伤的问题。

Description

一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人
技术领域
本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人。
背景技术
随着科学技术的进步，机器人技术得到快速的发展。相关的机器人技术也被引入了人体康复训练，以此来减轻甚至接替康复医师繁重的工作。由于机器人不存在疲劳问题，所以机器人康复可以满足高强度的训练要求。
现有技术中，多数下肢外骨骼机器人在设计时将自适应膝关节简化为一个固定的铰链结构，其转轴位置在关节矢状面上是固定的。而人体膝关节在矢状面上完成屈伸运动时，股骨髁和胫骨平台之间除了转动还伴有前后平移运动，简化的铰链式设计无法适应人体膝关节转轴的动态变化。当患者穿戴这类外骨骼机器人进行康复训练或者辅助步行时，由于外骨骼机器人的膝关节不能适应性地调整关节轴的位置，造成人-机膝关节转轴错位，长时间使用将导致患者穿戴不舒适、患者软组织挫伤，甚至加重患者病情。
因此，亟需一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构及机器人，以解决现有技术中下肢外骨骼机器人的膝关节仅能够起到转动作用，不具有前后平移功能的问题。
一方面，本发明提供一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，该融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构包括：
大腿支架；
第一驱动机构；
转接件；所述第一驱动机构用于驱动所述大腿支架相对所述转接件进行旋转运动；
第二驱动机构，安装于所述转接件；
转轴滑块；所述第二驱动机构用于驱动所述转轴滑块相对所述转接件沿直线方向往复运动；
小腿组件；其与所述转轴滑块转动连接，且所述小腿组件的长度可调节。
作为优选，所述第一驱动机构与所述大腿支架固定连接，且所述第一驱动机构与所述转接件传动连接，所述第一驱动机构能够带动所述转接件转动；
或者所述第一驱动机构与所述转接件固定连接，且所述第一驱动机构与所述大腿支架传动连接，所述第一驱动机构能够带动所述转接件转动。
作为优选，所述小腿组件包括小腿连接件以及与所述小腿连接件滑动连接的小腿支架，小腿连接件与所述转轴滑块转动连接。
作为优选，所述转接件上设有限位槽，所述转轴滑块穿过所述限位槽，所述第二驱动机构能够驱动所述转轴滑块在所述限位槽内进行往复直线运动。
作为优选，所述融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构还包括轴承，所述轴承的内圈固定套设于所述转轴滑块，所述轴承的外圈固定于所述小腿连接件。
作为优选，所述小腿连接件和所述小腿支架中的一个上固定有滑轨，所述小腿连接件和所述小腿支架中的另一个上固定有滑槽，所述滑轨滑动设于所述滑槽内。
作为优选，所述小腿支架上还设有至少一个绑带部，所述绑带部用于固定绑带。
作为优选，所述第二驱动机构包括安装在所述转接件上的步进电机以及与所述步进电机的输出轴传动连接的丝杠，所述步进电机能够带动所述丝杠转动，所述转轴滑块螺纹连接于所述丝杠。
作为优选，所述第二驱动机构还包括平行于所述丝杠的多个导向轴，多个所述导向轴均固接于所述转接件，多个所述导向轴均滑动穿设于所述转轴滑块。
另一方面，本发明提供一种机器人，包括上述任一方案中所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，该融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构的第一驱动机构驱动大腿支架和转接件相对转动，第二驱动机构能够驱动小腿组件相对转接件沿直线方向往复运动，从而能够调整大腿支架和转接件的转动轴心相对小腿组件的位置，使该融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构能够更贴近于人体膝关节的运动规律，从而能够有效解决现有技术中外骨骼机器人的膝关节不能适应性的调整关节轴的位置的问题，并且，通过使小腿组件的长度可调节，保证患者使用时，小腿组件的长度能够自适转动轴心位置的改变，并能够与患者的小腿的位置变化相匹配，从而可有效解决患者穿戴不适、软组织挫伤的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构的结构示意图一；
图2为本发明实施例中融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构的结构示意图二；
图3为本发明实施例中融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构的分解示图一；
图4为本发明实施例中融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构的分解示图二。
图中：
1、大腿支架；2、第一驱动机构；3、转接件；31、壳体；32、端盖；321、限位槽；4、第二驱动机构；41、步进电机；42、丝杠；43、导向轴；5、小腿组件；51、小腿连接件；52、小腿支架；53、绑带部；54、滑轨；55、滑槽；6、转轴滑块；7、轴承。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1～4所示，本实施例提供一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，该融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构包括大腿支架1、第一驱动机构2、转接件3、第二驱动机构4、小腿组件5和转轴滑块6。大腿支架1用于固定于患者的大腿上，小腿组件5用于固定在患者的小腿上。第一驱动机构2用于驱动大腿支架1和转接件3相互转动，具体地，第一驱动机构2与大腿支架1固定连接，且第一驱动机构2与转接件3传动连接，第一驱动机构2能够带动转接件3转动。第二驱动机构4安装于转接件3，第二驱动机构4与转轴滑块6传动连接，小腿组件5和转轴滑块6转动连接，并且小腿组件的长度可调节。第二驱动机构4用于驱动转轴滑块6相对转接件3沿直线方向往复运动，并且通过转轴滑块6同时带动小腿组件5沿直线方向往复运动。本实施例中，第一驱动机构2驱动转接件3转动，从而转接件3带动第二驱动机构4、转轴滑块6和小腿组件5一起转动，保证大腿支架1和小腿组件5能够相互转动，第二驱动机构4通过转轴滑块6带动小腿组件5相对转接件3沿直线方向往复运动，能够调整大腿支架1和转接件3的转动轴心相对小腿组件5的相对位置，使该融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构能够更贴近于人体膝关节的运动规律，从而能够有效解决现有技术中外骨骼机器人的膝关节不能适应性的调整关节轴的位置的问题，并且，通过使小腿组件5的长度可调节，保证患者使用时，小腿组件5的长度能够自适转动轴心位置的改变，并能够与患者的小腿的位置变化相匹配，从而可有效解决患者穿戴不适、软组织挫伤的问题。
本实施例中，第一驱动机构2为旋转电机，通过旋转电机带动转接件3转动。在其他实施例中，第一驱动机构2也可以为旋转气缸等。旋转电机可以正转也可以反转，考虑到患者实际使用时，小腿和大腿的弯曲角度有限，一般不会超过75°，因此旋转电机单次旋转一般也不会超过75°，并且在实际使用过程中，旋转电机正转和反转时均不超过一整圈。
需要注意的是，在其他的实施例中，第一驱动机构2还可以设置为，使第一驱动机构2与转接件3固定连接，且第一驱动机构2与大腿支架1传动连接，第一驱动机构2能够带动转接件3转动。
转接件3上设有限位槽321，转轴滑块6穿过限位槽321，第二驱动机构4能够驱动转轴滑块6在限位槽321内进行往复直线运动。通过限位槽321限制转轴滑块6往复运动的运动范围，进而限制小腿组件5的运动幅度。具体地，限位槽321将转轴滑块6的运动范围限制在20mm*30mm的矩形区域内。
可选的，小腿组件5包括小腿连接件51和小腿支架52，小腿连接件51和小腿支架52滑动连接，转轴滑块6和小腿连接件51转动连接，小腿支架52上设有至少一个绑带部53，绑带部53用于固定绑带，可以通过绑带将小腿支架52固定在患者小腿上。具体地，小腿连接件51和小腿支架52中的一个上固定有滑轨54，小腿连接件51和小腿支架52中的另一个上固定有滑槽55，滑轨54滑动于滑槽55内。由于大腿支架1和转接件3的转动轴心相对小腿支架52的相对位置能够沿直线方向调整，从而小腿支架52上的绑带部53的固定点相对该转动轴心的距离也会随着大腿支架1和转接件3的相互转动而实时改变，而在该融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构使用时，绑带部53的固定点相对患者小腿的位置是绑定的且不会改变的，通过使小腿支架52与小腿连接件51滑动连接，可以保证小腿支架52的位置和患者小腿位置的自动适应。当然，在其他实施例中，也可以在小腿连接件51和小腿支架52中的一个上设置固定两根平行且间隔设置的光轴，在另一个上对应每一根光轴均固定直线轴承，每一个光轴均滑动穿设于对应的直线轴承中，保证小腿连接件51和小腿支架52能够顺畅的滑动。融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构还包括轴承7，轴承7的内圈固定套设于转轴滑块6，轴承7的外圈固定于小腿连接件51，通过设置轴承7便于小腿支架52通过轴承7相对小腿连接件51顺畅地转动。当然，在其他实施例中，也可以在转轴滑块6和小腿连接件51中的一个上设有转轴孔，在转轴滑块6和小腿连接件51中的另一个上设置转轴，并使转轴转动位于转轴孔内。
转接件3包括壳体31和端盖32，壳体31内设有空腔，端盖32固接于壳体31且端盖32将空腔封闭，壳体31与第一驱动机构2连接，且第一驱动机构2能够驱动壳体31转动，限位槽321设置于端盖32，转轴滑块6的一端位于空腔内，转轴滑块6的另一端位于空腔外且与小腿组件5转动连接。
第二驱动机构4包括步进电机41和丝杠42，步进电机41固定在壳体31的侧壁上，丝杠42与步进电机41的输出轴传动连接，丝杠42位于空腔内，步进电机41能够带动丝杠42转动，转轴滑块6螺纹连接于丝杠42。从而步进电机41带动丝杠42转动时，转轴滑块6能够沿丝杠42的延伸方向往复运动。在其他的实施例中，第二驱动机构4也可以为气缸或者气动肌肉等。
优选地，第二驱动机构4还包括平行于丝杠42的多个导向轴43，多个导向轴43均位于空腔内，多个导向轴43均固接于转接件3，多个导向轴43均滑动穿设于转轴滑块6。通过设置导向轴43保证转轴滑块6运动方向的稳定，并且可避免步进电机41通过丝杠42传递力或力矩的过程中承受过大的剪切力。
由于本实施例中，大腿支架1上同样设有至少一个绑带部53，用于固定绑带。大腿支架1和小腿支架52用于贴紧于患者身体一侧的形状均呈圆弧状。本实施例中，大腿支架1和小腿支架52位于同一平面内，大腿支架1、转接件3和转轴滑块6沿同方向依次设置，小腿连接件51和转轴滑块6的连接处位于转轴滑块6远离大腿支架1的一端，从而小腿连接件51呈L形。小腿连接件51可以分体设置也可以一体成型，本实施例中小腿连接件51设置为两部分，分别为与轴承7连接的传动盘和与传动盘固接的连接块，连接块与小腿支架52滑动配合。
本实施例提供的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，根据人体自适应膝关节的动态变化轨迹可进行实时的自适应位置调整，实现人-机关节轴心对齐，提升人-机自然兼容性。
本实施例还提供一种机器人，包括上述方案中的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，包括：
大腿支架(1)；
第一驱动机构(2)；
转接件(3)；所述第一驱动机构(2)用于驱动所述大腿支架(1)相对所述转接件(3)进行旋转运动，所述第一驱动机构(2)能够带动所述转接件(3)转动；
第二驱动机构(4)，安装于所述转接件(3)；
转轴滑块(6)；所述第二驱动机构(4)用于驱动所述转轴滑块(6)相对所述转接件(3)沿直线方向往复运动；
小腿组件(5)；且所述小腿组件(5)的长度可调节，保证患者使用时，所述小腿组件(5)的长度能够自适应所述大腿支架(1)和所述转接件(3)的转动轴心位置的改变；
所述小腿组件(5)包括小腿连接件(51)以及与所述小腿连接件(51)滑动连接的小腿支架(52)，小腿连接件(51)与所述转轴滑块(6)转动连接；
所述小腿连接件(51)呈L形，所述大腿支架(1)和所述小腿支架(52)位于同一平面内。
2.根据权利要求1所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，
所述第一驱动机构(2)与所述大腿支架(1)固定连接，且所述第一驱动机构(2)与所述转接件(3)传动连接；
或者所述第一驱动机构(2)与所述转接件(3)固定连接，且所述第一驱动机构(2)与所述大腿支架(1)传动连接。
3.根据权利要求1所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，所述转接件(3)上设有限位槽(321)，所述转轴滑块(6)穿过所述限位槽(321)，所述第二驱动机构(4)能够驱动所述转轴滑块(6)在所述限位槽(321)内进行往复直线运动。
4.根据权利要求1所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，所述融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构还包括轴承(7)，所述轴承(7)的内圈固定套设于所述转轴滑块(6)，所述轴承(7)的外圈固定于所述小腿连接件(51)。
5.根据权利要求1所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，所述小腿连接件(51)和所述小腿支架(52)中的一个上固定有滑轨(54)，所述小腿连接件(51)和所述小腿支架(52)中的另一个上固定有滑槽(55)，所述滑轨(54)滑动设于所述滑槽(55)内。
6.根据权利要求1所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，所述小腿支架(52)上还设有至少一个绑带部(53)，所述绑带部(53)用于固定绑带。
7.根据权利要求1所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，所述第二驱动机构(4)包括安装在所述转接件(3)上的步进电机(41)以及与所述步进电机(41)的输出轴传动连接的丝杠(42)，所述步进电机(41)能够带动所述丝杠(42)转动，所述转轴滑块(6)螺纹连接于所述丝杠(42)。
8.根据权利要求7所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构，其特征在于，所述第二驱动机构(4)还包括平行于所述丝杠(42)的多个导向轴(43)，多个所述导向轴(43)均固接于所述转接件(3)，多个所述导向轴(43)均滑动穿设于所述转轴滑块(6)。
9.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的融合自适应膝关节的下肢外骨骼结构。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zhang Mingming

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