CN109646246B - 一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置，包括总驱动模块、腰部护具、侧展机构、外翻机构和关节驱动机构，所述总驱动模块设置在侧展机构上，所述总驱动模块内置有总程序控制板、电机驱动板和总电源模块；所述侧展机构固定在腰部护具上，所述外翻机构设置在侧展机构的输出端，所述外翻机构的输出端设置有关节驱动机构，用以驱动下肢进行伸屈运动，本发明设置有髋关节驱动机构、膝关节驱动机构和踝关节驱动机构可为肢体提供六个自由度从而实现伸屈动作，本装置采用多点电源设计，使电源管理更加合理。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复机械领域，尤其涉及一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置。
背景技术
康复医学是一门有关促进残疾人及患者康复的医学学科，更具体地说，康复医学是为了康复的目的而应用有关功能障碍的预防、诊断和评估、治疗、训练和处理的一门医学学科。
据不完全统计，我国由于中风、脊髓损伤及各种事故引起的肢体功能障碍患者近千万人，而其中半数以上是可以通过训练改善肢体功能。传统的康复训练是从专业医生手把手的指导下开始，而后由病人的健康上肢或其家属、护士等人工对病人患肢进行反复牵引。随着科学技术的发展，医疗机器人技术得到快速发展，康复机器人就是机器人技术在康复医疗方面的新应用，由于外骨骼机器人穿戴于人体外侧，其机构设计需要拟人化，以使得外骨骼机器腿能够像人一样灵活使用。
现有的下肢外骨骼机器人存在着结构简单，整体结构的自由度低，无法进行伸屈运动等缺陷。
因此有必要提供一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置以解决上述问题。
发明内容
本发明提供的一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置，包括总驱动模块、腰部护具、侧展机构、外翻机构和关节驱动机构，所述总驱动模块设置在侧展机构上，所述总驱动模块内置有总程序控制板、电机驱动板和总电源模块；所述侧展机构固定在腰部护具上，所述外翻机构设置在侧展机构的输出端，所述外翻机构的输出端设置有关节驱动机构，用以驱动下肢进行伸屈运动。
进一步的，作为优选，所述关节驱动机构包括左肢关节驱动机构和右肢关节驱动机构，所述左肢关节驱动机构和右肢关节驱动机构均包括髋关节驱动机构、膝关节驱动机构和踝关节驱动机构，所述髋关节驱动机构的输出端与外翻机构相连，用以驱动外翻机构进行转动运动，所述膝关节驱动机构的输出端与髋关节驱动机构相连，用以驱动髋关节驱动机构进行转动运动，所述踝关节驱动机构的输出端与膝关节驱动机构相连，用以驱动膝关节驱动机构进行转动运动。
进一步的，作为优选，所述髋关节驱动机构包括电机、谐波减速器、骨骼一和限位圈一，所述电机固定在骨骼二上，所述电机的输出轴穿过骨骼二与谐波减速器相连，所述谐波减速器固定在骨骼二上，所述谐波减速器的输出端与骨骼一固定连接，所述骨骼一与谐波减速器之间还设置有限位圈一。
进一步的，作为优选，所述骨骼二的一端中部开有通孔用以通过电机的输出轴，所述骨骼二的另一端外圈开有多个通孔用以连接膝关节驱动机构的输出端，所述骨骼一为倒L型，其另一端与外翻机构相连，所述限位圈一固定在谐波减速器上，所述限位圈一为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼一的转动范围，所述骨骼一的转动范围为：向后转动15度，向前转动130度。
进一步的，作为优选，所述膝关节驱动机构包括电机、谐波减速器、骨骼二和限位圈二，所述电机固定在骨骼三上，所述电机的输出轴穿过骨骼三与谐波减速器相连，所述谐波减速器固定在骨骼三上，所述谐波减速器的输出端与骨骼二固定连接，所述骨骼二与谐波减速器之间还设置有限位圈二。
进一步的，作为优选，所述骨骼三与骨骼二的结构相同，所述限位圈二固定在谐波减速器上，所述限位圈二为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼二的转动范围，所述骨骼二的转动范围为：向后转动5度，向前转动130度。
进一步的，作为优选，所述踝关节驱动机构包括电机、谐波减速器、骨骼三和限位圈三，所述电机固定在脚底支撑上，所述电机的输出轴穿过脚底支撑与谐波减速器相连，所述谐波减速器固定在脚底支撑的另一侧上，所述谐波减速器的输出端与骨骼三固定连接，所述骨骼三与谐波减速器之间还设置有限位圈三。
进一步的，作为优选，所述限位圈三固定在谐波减速器上，所述限位圈三为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼三的转动范围，所述骨骼三的转动范围为：向后转动40度，向前转动25度。
进一步的，作为优选，大腿驱动模块包括电机驱动板和分电池用以驱动外翻机构和髋关节驱动机构，所述大腿驱动模块设置在骨骼二上，所述骨骼二的另一侧设有腿部护具；小腿驱动模块包括电机驱动板和分电池用以驱动膝关节驱动机构和踝关节驱动机构，所述小腿驱动模块设置在骨骼三上，所述骨骼三的另一侧设有腿部护具，所述腰部护具和腿部护具上均设有护具带孔，所述小腿驱动模块和大腿驱动模块上设有布线槽。
进一步的，作为优选，所述骨骼一和骨骼二和骨骼三上均布有9轴姿态传感器，所述脚底支撑上设有压力传感器和超声波传感器，所述总驱动模块与大腿驱动模块和小腿驱动模块电性相连，所述大腿驱动模块与髋关节驱动机构中电机和9轴姿态传感器电性相连，所述小腿驱动模块与膝关节驱动机构和踝关节驱动机构中的电机、9轴姿态传感器、压力传感器和超声波传感器电性相连。
与现有技术相比，本发明提供了一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置，具备以下有益效果：本发明设置有髋关节驱动机构、膝关节驱动机构和踝关节驱动机构可为肢体提供六个自由度从而实现下肢进行伸屈动作，本装置采用多点电源设计即在腰部设置有总驱动模块，且在腿部位置设置有大腿驱动模块和小腿驱动模块，大大减少了总驱动模块中电源尺寸，同时也提高了整机电源的可靠性，各电池可通过电源管理互为补偿，即使有部分电源受损本机也可以正常运行一段时间。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明的髋关节驱动机构爆炸图；
图3为本发明的膝关节驱动机构爆炸图；
图4为本发明的踝关节驱动机构示意图；
图中：1、总驱动模块；2、腰部护具；21、护具带孔；3、侧展机构；4、外翻机构；5、髋关节驱动机构；51、骨骼一；52、限位圈一；6、膝关节驱动机构；61、骨骼二；62、限位圈二；7、踝关节驱动机构；71、骨骼三；72、限位圈三；8、大腿驱动模块；布线槽；9、小腿驱动模块；10、脚底支撑；11、电机；12、谐波减速器；13、腿部护具。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置，包括总驱动模块1、腰部护具2、侧展机构3、外翻机构4和关节驱动机构，所述总驱动模块1设置在侧展机构3上，所述总驱动模块1内置有总程序控制板、电机驱动板和总电源模块，从而进行整机逻辑运算控制、信号处理分析及传输和电源管理；所述侧展机构3固定在腰部护具2上，所述外翻机构4设置在侧展机构3的输出端，所述外翻机构4的输出端设置有关节驱动机构，用以驱动下肢进行伸屈运动。所述关节驱动机构包括左肢关节驱动机构和右肢关节驱动机构，所述左肢关节驱动机构和右肢关节驱动机构均包括髋关节驱动机构5、膝关节驱动机构6和踝关节驱动机构7，所述髋关节驱动机构5的输出端与外翻机构4相连，用以驱动外翻机构4进行转动运动，所述膝关节驱动机构6的输出端与髋关节驱动机构5相连，用以驱动髋关节驱动机构5进行转动运动，所述踝关节驱动机构7的输出端与膝关节驱动机构6相连，用以驱动膝关节驱动机构6进行转动运动。
本实施例中，所述髋关节驱动机构5包括电机11、谐波减速器12、骨骼一51和限位圈一52，所述电机11固定在骨骼二61上，所述电机11的输出轴穿过骨骼二61与谐波减速器12相连，谐波减速器12为现有产品，故不再赘述，所述谐波减速器12固定在骨骼二61上，所述谐波减速器12的输出端与骨骼一51固定连接，所述骨骼一51与谐波减速器12之间还设置有限位圈一52。
其中，所述骨骼二61的一端中部开有通孔用以通过电机11的输出轴，所述骨骼二61的另一端外圈开有多个通孔用以连接膝关节驱动机构6的输出端，所述骨骼一51为倒L型，其另一端与外翻机构4相连，所述限位圈一52固定在谐波减速器12上，所述限位圈一52为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼一51的转动范围，所述骨骼一51的转动范围为：向后转动15度，向前转动130度。
本实施例中，所述膝关节驱动机构6包括电机11、谐波减速器12、骨骼二61和限位圈二62，所述电机11固定在骨骼三71上，所述电机11的输出轴穿过骨骼三71与谐波减速器12相连，所述谐波减速器12固定在骨骼三71上，所述谐波减速器12的输出端与骨骼二61固定连接，所述骨骼二61与谐波减速器12之间还设置有限位圈二62。
其中，所述骨骼三71与骨骼二61的结构相同，所述限位圈二62固定在谐波减速器12上，所述限位圈二62为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼二61的转动范围，所述骨骼二61的转动范围为：向后转动5度，向前转动130度。
本实施例中，所述踝关节驱动机构7包括电机11、谐波减速器12、骨骼三71和限位圈三72，所述电机11固定在脚底支撑10上，所述电机11的输出轴穿过脚底支撑10与谐波减速器12相连，所述谐波减速器12固定在脚底支撑10的另一侧上，所述谐波减速器12的输出端与骨骼三71固定连接，所述骨骼三71与谐波减速器12之间还设置有限位圈三72。
其中，所述限位圈三72固定在谐波减速器12上，所述限位圈三72为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼三71的转动范围，所述骨骼三71的转动范围为：向后转动40度，向前转动25度。
本实施例中，大腿驱动模块8包括电机驱动板和分电池用以驱动外翻机构4和髋关节驱动机构5，所述大腿驱动模块8设置在骨骼二61上，所述骨骼二61的另一侧设有腿部护具13；小腿驱动模块9包括电机驱动板和分电池用以驱动膝关节驱动机构6和踝关节驱动机构7，所述小腿驱动模块9设置在骨骼三71上，所述骨骼三71的另一侧设有腿部护具13，所述腰部护具2和腿部护具13上均设有护具带孔21，所述小腿驱动模块9和大腿驱动模块8上设有布线槽81，可以对线体进行合理收纳管理。
本实施例中，所述骨骼一51和骨骼二61和骨骼三71上均布有9轴姿态传感器，依据各传感器数据可计算得出各骨骼结构位置状态及电机角速度，从而得出用户下肢实时姿态，所述脚底支撑10上设有压力传感器和超声波传感器，可检测足底压力以及足前障碍物，所述总驱动模块1与大腿驱动模块8和小腿驱动模块9电性相连，所述大腿驱动模块5与髋关节驱动机构5中电机11和9轴姿态传感器电性相连，所述小腿驱动模块9与膝关节驱动机构6和踝关节驱动机构7中的电机11、9轴姿态传感器、压力传感器和超声波传感器电性相连。
在具体实施时，将护具带穿过护具带孔21从而将人体下肢及腰部位置分别与本机的腿部护具13和腰部护具2捆绑连接，通过控制髋关节驱动机构5中的电机11的运转，从而使骨骼一51进行转动，从而带动骨骼一51以上的部位进行转动，通过控制膝关节驱动机构6中的电机11的运转，使得骨骼二61以上的部位进行转动，通过控制踝关节驱动机构7中的电机11的运转，使得骨骼三71以上的部位进行转动，以上转动运动从而形成下肢的伸屈运动。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种穿戴式下肢外骨骼机器人伸屈装置，包括总驱动模块(1)、腰部护具(2)、侧展机构(3)、外翻机构(4)和关节驱动机构，其特征在于：所述总驱动模块(1)设置在侧展机构(3)上，所述总驱动模块(1)内置有总程序控制板、电机驱动板和总电源模块；所述侧展机构(3)固定在腰部护具(2)上，所述外翻机构(4)设置在侧展机构(3)的输出端，所述外翻机构(4)的输出端设置有关节驱动机构，用以驱动下肢进行伸屈运动；
所述关节驱动机构包括左肢关节驱动机构和右肢关节驱动机构，所述左肢关节驱动机构和右肢关节驱动机构均包括髋关节驱动机构(5)、膝关节驱动机构(6)和踝关节驱动机构(7)，所述髋关节驱动机构(5)的输出端与外翻机构(4)相连，用以驱动外翻机构(4)进行转动运动，所述膝关节驱动机构(6)的输出端与髋关节驱动机构(5)相连，用以驱动髋关节驱动机构(5)进行转动运动，所述踝关节驱动机构(7)的输出端与膝关节驱动机构(6)相连，用以驱动膝关节驱动机构(6)进行转动运动；
所述伸屈装置还包括大腿驱动模块(8)和小腿驱动模块(9)，其中，大腿驱动模块(8)包括电机驱动板和分电池用以驱动外翻机构(4)和髋关节驱动机构(5)，所述大腿驱动模块(8)设置在骨骼二(61)上，所述骨骼二(61)的另一侧设有腿部护具(13)；小腿驱动模块(9)包括电机驱动板和分电池用以驱动膝关节驱动机构(6)和踝关节驱动机构(7)，所述小腿驱动模块(9)设置在骨骼三(71)上，所述骨骼三(71)的另一侧设有腿部护具(13)，所述腰部护具(2)和腿部护具(13)上均设有护具带孔(21)，所述小腿驱动模块(9)和大腿驱动模块(8)上设有布线槽(81)；
所述髋关节驱动机构(5)包括骨骼一(51)，所述膝关节驱动机构(6)包括骨骼二(61)，所述踝关节驱动机构(7)包括骨骼三(71)，所述骨骼一(51)和骨骼二(61)和骨骼三(71)上均布有9轴姿态传感器，脚底支撑(10)上设有压力传感器和超声波传感器，所述总驱动模块(1)与大腿驱动模块(8)和小腿驱动模块(9)电性相连，所述大腿驱动模块(8)与髋关节驱动机构(5)中电机(11)和9轴姿态传感器电性相连，所述小腿驱动模块(9)与膝关节驱动机构(6)和踝关节驱动机构(7)中的电机(11)、9轴姿态传感器、压力传感器和超声波传感器电性相连；所述髋关节驱动机构(5)包括电机(11)、谐波减速器(12)、骨骼一(51)和限位圈一(52)，所述电机(11)固定在骨骼二(61)上，所述电机(11)的输出轴穿过骨骼二(61)与谐波减速器(12)相连，所述谐波减速器(12)固定在骨骼二(61)上，所述谐波减速器(12)的输出端与骨骼一(51)固定连接，所述骨骼一(51)与谐波减速器(12)之间还设置有限位圈一(52)；所述骨骼二(61)的一端中部开有通孔用以通过电机(11)的输出轴，所述骨骼二(61)的另一端外圈开有多个通孔用以连接膝关节驱动机构(6)的输出端，所述骨骼一(51)为倒L型，其另一端与外翻机构(4) 相连，所述限位圈一(52)固定在谐波减速器(12)上，所述限位圈一(52)为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼一(51)的转动范围，所述骨骼一(51)的转动范围为向后转动15度，向前转动130度；
所述膝关节驱动机构(6)包括电机(11)、谐波减速器(12)、骨骼二(61)和限位圈二(62)，所述电机(11)固定在骨骼三(71)上，所述电机(11)的输出轴穿过骨骼三(71)与谐波减速器(12)相连，所述谐波减速器(12)固定在骨骼三(71)上，所述谐波减速器(12)的输出端与骨骼二(61)固定连接，所述骨骼二(61)与谐波减速器(12)之间还设置有限位圈二(62)；所述骨骼三(71)与骨骼二(61)的结构相同，所述限位圈二(62)固定在谐波减速器(12)上，所述限位圈二(62)为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼二(61)的转动范围，所述骨骼二(61)的转动范围为向后转动5度，向前转动130度；
所述踝关节驱动机构(7)包括电机(11)、谐波减速器(12)、骨骼三(71)和限位圈三(72)，所述电机(11)固定在脚底支撑(10)上，所述电机(11)的输出轴穿过脚底支撑(10)与谐波减速器(12)相连，所述谐波减速器(12)固定在脚底支撑(10)的另一侧上，所述谐波减速器(12)的输出端与骨骼三(71)固定连接，所述骨骼三(71)与谐波减速器(12)之间还设置有限位圈三(72)；所述限位圈三(72)固定在谐波减速器(12)上，所述限位圈三(72)为圆环形，其上设有凸台用以限制骨骼三(71)的转动范围，所述骨骼三(71)的转动范围为向后转动40度，向前转动25度。
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