CN109806548B - 一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，包括大腿组件、小腿组件、人工肌肉组件、控制组件；大腿组件和小腿组件之间通过人工肌肉组件连接在一起。人工组件的气动人工肌肉、动滑轮组位于大腿组件中，气动人工肌肉和动滑轮通过无弹性绳索连接；气动人工肌肉充放气时带动偏心轮转动，从而使小腿组件转动。控制组件的第一压力传感器、第二压力传感器能够感知人小腿的抬起或弯曲的动作，控制芯片控制比例减压阀对气动人工肌肉充放气。本发明采用气动人工肌肉作为动力来源，结构更轻便，易于携带；利用动滑轮组件，有效节省了空间，实现小腿的大角度摆动；稳定性和安全性好。

Description

一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人

技术领域

本发明属于医疗保健器械技术领域，特别是一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人。

背景技术

由于身体机能自然衰老、交通事故以及其他各种疾病影响，具有下肢运动障碍的患者数量不断增加，急需要一种下肢康复治疗方法来帮助患者恢复运动能力。现如今帮助下肢运动障碍患者恢复运动能力的康复训练方法有传统的医疗师辅助治疗和康复训练机器人辅助治疗两种训练方法。医疗师辅助训练通常是在医疗师指导下或者帮助下做一些简单的恢复性运动，这种方式效率低、治疗所需要的时间长，对医疗师的要求高、费用高，并不能得到广泛的应用。下肢康复训练机器人辅助治疗是在下肢康复机器人的帮助下完成临床医疗上所需要的康复训练，并且及时向患者和医疗师提供反馈信息，使患者能够更快的恢复运动能力，但是现有的下肢康复机器人都采用电机或者电缸作为驱动力，非常笨重，不利于搬运以及推广。由于需要使用较大的扭矩，减速器和电机的体积会非常大，这使得机器人只能固定在特定的地点，不能安装在患者的身上，使患者进行康复性行走，这使得治疗效果非常低下。因此急需要一款能够安装在患者身上，使患者能够进行康复性行走的轻巧型外骨骼机器人。

气动人工肌肉由外部提供的压缩空气驱动，作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动。它可以提供很大的力量，而重量却比较小。气动人工肌肉的原理是在人工肌肉一端充入压缩空气，气动人工肌肉体积横向膨胀且纵向收缩，对肌肉另一端产生拉力；当压缩空气被抽出时，气动人工肌肉体积横向时收缩且纵向伸展，对肌肉另一端产生推力。

现有技术中，例如专利号为201420671314.X的专利“一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构”，其采用2根平行设置的气动人工肌肉的轮流充气和抽气，每根气动人工肌肉另一端连有索绳，索绳套在转轮上，2根气动人工肌肉在轮流推拉过程中，转轮就跟随索绳来回转动，进而实现转轮下方的小腿的一起来回摆动。由于气动人工肌肉的最大伸缩量很小，因此能够带动转轮转动的角度也很小，因此这种装置不可能实现小腿的大幅度的摆动，在膝盖需要大幅度(接近180°)弯曲的时候，这种机器就难以适用了。

发明内容

为了能够适用于一种膝盖需要大幅度弯曲行动场合，本发明提供了一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，具体技术方案如下。

一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，包括大腿组件、小腿组件、人工肌肉组件、控制组件；所述大腿组件包括第一固定板、第一绑带、第一外壳、第一支架，所述第一外壳内含外露的第一内腔，所述第一固定板焊接在所述第一外壳上，所述第一外壳前端设有通孔，所述第一外壳前端在所述通孔两侧还分别设有第一支架，所述第一固定板上等间距固定有若干条环状的第一绑带；

所述小腿组件包括第二固定板、第二绑带、第二外壳、第二支架，所述第二外壳内含外露的第二内腔，所述第二固定板焊接在所述第二外壳上，所述第二外壳前端两侧还分别设有所述第二支架，所述第二固定板上等间距固定有若干条环状的第二绑带；

所述人工肌肉组件包括2个气动人工肌肉、动滑轮组、偏心轮、曲柄连杆、曲柄滑块，所述第一支架和第二支架的各自空置端用轴承铰接，所述偏心轮被所述第一支架和第二支架夹在内部，所述偏心轮与所述第二支架紧固衔接并使两者同步转动；所述曲柄滑块在所述通孔内来回滑动，所述偏心轮的侧面和曲柄滑块之间通过所述曲柄连杆连接；所述气动人工肌肉后端固定在所述第一内腔后端，前端通过无弹性绳索与所述动滑轮组连接；另设1条一端固定在所述第一内腔上的无弹性绳索，且另一端绕过所述动滑轮组的动滑轮后穿过所述通孔与所述曲柄滑块连接；

所述控制组件包括第一压力传感器、第二压力传感器、控制芯片、比例减压阀，所述第一压力传感器位于所述第二固定板上，所述第二压力传感器位于所述第二绑带的内侧，所述比例减压阀位于所述气动人工肌肉的后端并用于控制气动人工肌肉充气和排气。

上述外骨骼机器人的使用原理是：气动人工肌肉充气变大产生收缩，从而拉动无弹性绳索，并使曲柄连杆带动偏心轮转动，最终使小腿组件转动弯曲；气动人工肌肉排气后产生舒张，使小腿组件转动伸展。在充气和抽气时，气动人工肌肉都能随时保持其形变量，即能够使小腿组件转动并维持在某个位置。上述外骨骼机器人的使用方法为：当人想要抬腿时，预摆动的小腿会对第二固定板施加一个微小的压力，第一压力传感器采集人的小腿对第二固定板施加的持续的这个压力，控制芯片随后控制比例减压阀释放空气，使气动人工肌肉舒张，使小腿得以抬起，当小腿抬起时，这种压力是持续的，因此，控制芯片能够控制比例减压阀持续释放空气；当人的小腿想要弯曲时，预摆动的小腿会对第二绑带产生一个微小的压力，第二压力传感器采集人的小腿对第二绑带施加的持续的这个压力，控制芯片随后控制比例减压阀充入空气，使气动人工肌肉收缩，使小腿得以弯曲。第一压力传感器和第二压力传感器采集能够实时监测受到的压力，当2个传感器都没监测到压力时，则气动人工肌肉保持这个充气量不变，即维持小腿的弯曲程度。

由于曲柄连杆位于第一支架、第二支架之间，在曲柄连杆带动偏心轮来回转动时，曲柄连杆必然会在转动到某一最大角度时磕碰到轴承的主轴，由此也对曲柄连杆的动作产生限位作用，能够防止小腿组件过度旋转。

优选地，所述轴承的主轴处还设有电磁刹车器，用于控制所述偏心轮制动。当发生紧急情况或者需要停止的时候，控制芯片通过控制电流可实现电磁刹车器的开闭，大腿组件、偏心轮、小腿组件之间实现相对静止，实现快速急停。

更优选地，所述通孔前端的两侧设有限位扩展槽。设置限位扩展槽后，通孔后端对应限位扩展槽的位置能够对滑动的曲柄滑块形成阻挡限位。

进一步优选地，所述曲柄连杆带动所述偏心轮转动至最大角度时，所述曲柄连杆在与所述轴承的主轴接触的地方设有橡胶层。

进一步优选地，所述第一内腔内有2条导轨，所述动滑轮位于2条导轨之间并沿导轨来回移动。导轨能够限制动滑轮的位置，不免晃动影响转动效果。

进一步优选地，所述偏心轮与所述第二外壳支架通过键紧固衔接，使两者同步转动。

优选地，所述控制芯片位于所述第二内腔内。

更优选地，另设第三固定板将所示第一空腔和第二空腔密封。

本发明提供的一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其有利之处在于：

1、本发明采用轻巧的气动人工肌肉作为动力来源，与传统的电机驱动的外骨骼机器人相比，中间省去了沉重的电机和减速器装置，大大减小了外骨骼机器人的重量，使得机器人便于穿戴；

2、采用动滑轮组件，将气动人工肌肉充放气时较小的伸缩距离，放大到使曲柄滑块能够移动2倍的推拉距离，节省了空间，且能够实现小腿的大幅度摆动；

3、结构简单，机械零部件少，安装简单，轻便易携带；成本低，适用范围广；不仅适用于单侧下肢运动障碍的患者，还可以用于双侧下肢运动障碍的患者；

4、本发明所用的气动人工肌肉有固定的行程，设置有限位装置和电磁刹车器，在结构方面有较好的稳定性和安全性，不会因为转动角度失控对患者造成伤害。

附图说明

图1为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的立体图；

图2为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的主视图；

图3为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的俯视图；

图4为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的大腿组件的立体图；

图5为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的大腿组件的主视图；

图6为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的大腿组件的通孔J-J面的剖面图；

图7为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的偏心轮、曲柄连杆、曲柄滑块的俯视图；

图8为实施例1提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人的偏心轮、曲柄连杆、曲柄滑块的主视图；

图中标号如下：

1、第一固定板；2、第一绑带；3、第一外壳；4、第一支架；5、通孔；6、限位扩展槽；7、第二固定板；8、第二绑带；9、第二外壳；10、第二支架；11、气动人工肌肉；12、动滑轮组；13、偏心轮；14、曲柄连杆；15、曲柄滑块；16、电磁刹车器；17、第一压力传感器；18、第二压力传感器；19、控制芯片；20、比例减压阀。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

如图1～8所示，本实施例提供的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，包括大腿组件、小腿组件、人工肌肉组件、控制组件；所述大腿组件包括第一固定板1、第一绑带2、第一外壳3、第一支架4，所述第一外壳3内含外露的第一内腔，所述第一固定板1焊接在所述第一外壳3上，所述第一外壳3前端设有通孔5，所述通孔5前端的两侧设有限位扩展槽6；所述第一外壳3前端在所述通孔5两侧还分别设有所述第一支架4，所述第一固定板1上等间距固定有若干条环状的第一绑带2；

所述小腿组件包括第二固定板7、第二绑带8、第二外壳9、第二支架10，所述第二外壳9内含外露的第二内腔，所述第二固定板7焊接在所述第二外壳9上，所述第二外壳9前端两侧还分别设有所述第二支架10，所述第二固定板7上等间距固定有若干条环状的第二绑带8；

所述人工肌肉组件包括2个气动人工肌肉11、动滑轮组12、偏心轮13、曲柄连杆14、曲柄滑块15，所述第一支架4和第二支架10的各自空置端用轴承铰接，所述偏心轮13被所述第一支架4和第二支架10夹在内部，所述偏心轮13与所述第二支架10通过键紧固衔接并使两者同步转动；所述曲柄滑块15在所述通孔5内来回滑动，所述偏心轮13的侧面和曲柄滑块15之间通过所述曲柄连杆14连接；所述气动人工肌肉11后端固定在所述第一内腔后端，前端通过无弹性绳索与所述动滑轮组12连接；另设1条一端固定在所述第一内腔上的无弹性绳索，且另一端绕过所述动滑轮组12的动滑轮后穿过所述通孔5与所述曲柄滑块15连接；所述轴承的主轴处还设有电磁刹车器16，用于控制所述偏心轮13制动。

所述控制组件包括第一压力传感器17、第二压力传感器18、控制芯片19、比例减压阀20，所述第一压力传感器17位于所述第二固定板7上，所述第二压力传感器18位于所述第二绑带8的内侧，所述比例减压阀20位于所述气动人工肌肉11的后端并用于控制气动人工肌肉11充气和排气，所述控制芯片19位于第二内腔里。

上述外骨骼机器人的使用原理是：气动人工肌肉充气变大产生收缩，从而拉动无弹性绳索，并使曲柄连杆带动偏心轮转动，最终使小腿组件转动弯曲；气动人工肌肉排气后产生舒张，使小腿组件转动伸展。在充气和抽气时，气动人工肌肉都能随时保持其形变量，即能够使小腿组件转动并维持在某个位置。上述外骨骼机器人的使用方法为：当人想要抬腿时，预摆动的小腿会对第二固定板施加一个微小的压力，第一压力传感器采集人的小腿对第二固定板施加的持续的这个压力，控制芯片随后控制比例减压阀释放空气，使气动人工肌肉舒张，使小腿得以抬起，当小腿抬起时，这种压力是持续的，因此，控制芯片能够控制比例减压阀持续释放空气；当人的小腿想要弯曲时，预摆动的小腿会对第二绑带产生一个微小的压力，第二压力传感器采集人的小腿对第二绑带施加的持续的这个压力，控制芯片随后控制比例减压阀充入空气，使气动人工肌肉收缩，使小腿得以弯曲。第一压力传感器和第二压力传感器采集能够实时监测受到的压力，当2个传感器都没监测到压力时，则气动人工肌肉保持这个充气量不变，即维持小腿的弯曲程度。

由于曲柄连杆位于第一支架、第二支架之间，在曲柄连杆带动偏心轮来回转动时，曲柄连杆必然会在转动到某一最大角度时磕碰到轴承的主轴，由此也对曲柄连杆的动作产生限位作用，能够防止小腿组件过度旋转。

以上实施例详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，包括大腿组件、小腿组件、人工肌肉组件、控制组件；

所述大腿组件包括第一固定板、第一绑带、第一外壳、第一支架，所述第一外壳内含外露的第一内腔，所述第一固定板焊接在所述第一外壳上，所述第一外壳前端设有通孔，所述第一外壳前端在所述通孔两侧还分别设有所述第一支架，所述第一固定板上等间距固定有若干条环状的第一绑带；

所述小腿组件包括第二固定板、第二绑带、第二外壳、第二支架，所述第二外壳内含外露的第二内腔，所述第二固定板焊接在所述第二外壳上，所述第二外壳前端两侧还分别设有所述第二支架，所述第二固定板上等间距固定有若干条环状的第二绑带；

所述人工肌肉组件包括2个气动人工肌肉、动滑轮组、偏心轮、曲柄连杆、曲柄滑块，所述第一支架和第二支架的各自空置端用轴承铰接，所述偏心轮被所述第一支架和第二支架夹在内部，所述偏心轮与所述第二支架紧固衔接并使两者同步转动；所述曲柄滑块在所述通孔内来回滑动，所述偏心轮的侧面和曲柄滑块之间通过所述曲柄连杆连接；所述气动人工肌肉后端固定在所述第一内腔后端，前端通过无弹性绳索与所述动滑轮组连接；另设1条一端固定在所述第一内腔上的无弹性绳索，且另一端绕过所述动滑轮组的动滑轮后穿过所述通孔与所述曲柄滑块连接；

所述控制组件包括第一压力传感器、第二压力传感器、控制芯片、比例减压阀，所述第一压力传感器位于所述第二固定板上，所述第二压力传感器位于所述第二绑带的内侧，所述比例减压阀位于所述气动人工肌肉的后端并用于控制气动人工肌肉充气和排气。

2.根据权利要求1所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，所述轴承的主轴处还设有电磁刹车器，用于控制所述偏心轮制动。

3.根据权利要求1或2所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，所述通孔前端的两侧设有限位扩展槽。

4.根据权利要求3所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，所述曲柄连杆带动所述偏心轮转动至最大角度时，所述曲柄连杆在与所述轴承的主轴接触的地方设有橡胶层。

5.根据权利要求1、2或4所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第一内腔内有2条导轨，所述动滑轮位于2条导轨之间并沿导轨来回移动。

6.根据权利要求5所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，所述偏心轮与所述第二外壳支架通过键紧固衔接，使两者同步转动。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，所述控制芯片位于所述第二内腔内。

8.根据权利要求7所述的轻巧型膝关节康复外骨骼机器人，其特征在于，另设第三固定板将所示第一空腔和第二空腔密封。

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