CN109806549B - 一种串并混联的下肢助力外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机构学领域，特别涉及一种串并混联的下肢助力外骨骼的设计。而本外骨骼发明的目的在于助力，以期望帮助力量弱的老年人实现长久的行走和站立。本发明采用了串并混联以及主动驱动和被动助力相结合的方法，在外骨骼构型上和驱动方式上进行了创新。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别涉及一种串并混联的下肢助力外骨骼的设计。
背景技术
我国的老龄化呈现出基数大，增速快等特点，而老年群体面临着生理机能衰退和四肢灵活性下降等诸多问题，四肢力量衰退将对老年人的行走耐力以及速度造成不容忽视的影响。相比于残疾人，老年人具有完整的运动能力，目前市面上的外骨骼绝大部分针对丧失运动能力的人群，采用预编程控制电机转动，而本外骨骼发明的目的在于助力，以期望帮助力量弱的老年人实现长久的行走和站立。本发明采用了串并混联以及主动驱动和被动助力相结合的方法，在外骨骼构型上和驱动方式上进行了创新。
发明内容
本发明要解决的问题是研制一种串并混联的下肢助力外骨骼。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一款串并混联的下肢助力外骨骼，其包括三大部分：腰部平台，右下肢外骨骼组，左下肢外骨骼组。
其中，腰部平台由腰撑、滑槽和第一、第二滑块组成。腰撑上的滑动圆柱A和B穿过滑槽中部的两个通孔A和B，调节到合适位置后固定。第一滑块与右下肢外骨骼组的第一固定架固定连接，第二滑块与左下肢外骨骼组的第二固定架固定连接，它们共同可相对于滑槽滑动以适应人体髋部的宽窄。
右下肢外骨骼组的组成构件为：并联部分组件，自适应部分组件；其中并联部分组件的组成构件为：第一固定架，第一、第二液压上缸，第一第二液压下缸，护腿，第一、第二螺纹套，第一、第二螺纹杆，护腿平台。
并联部分组件的组成方式为：第一固定架与第一、第二液压上缸的一端通过虎克铰连接，第一、第二液压上缸的另一端分别与第一、第二液压下缸构成液压驱动系统；第一、第二液压下缸的底部为球铰，与护腿平台连接；护腿平台一侧的A、B、C孔分别与护腿的A、B、C孔通过螺钉固定连接，另一侧的D、E孔分别与第一、第二螺纹套的一端的A孔通过销连接；第一、第二螺纹套的另一端有螺纹孔B，分别与第一、第二螺纹杆的螺纹柱端形成螺纹连接，第一、第二螺纹杆的有孔端同心并同时穿过连接轴，护腿平台、第一第二螺纹套，第一第二螺纹杆共同构成稳定的三角形结构。
自适应部分组件的组成构件为：小腿滑道，第一、第二外套筒，脚底板，弹簧板，调节柱，扭簧，连杆，支撑弹簧，内管壁，棘轮，滑轮，第一、第二连杆，恒力弹簧，滑块，推拉杆，横向滑道，连接轴，第一、第二小滑块，连接销，支撑板，辨识弹簧，棘爪。
自适应部分组件与并联部分组件通过连接轴连接，连接轴采用键限制其自由转动；自适应部分组件的内部构成方式为：棘轮和滑轮通过连接轴同心连接，采用半圆键保持相对轴连接轴的固定，滑轮采用螺钉穿过其上的4个通孔固定在棘轮上；恒力弹簧有孔端固定在支撑板的圆柱凸起上，弹簧末端与滑轮固定连接；支撑板用螺栓螺母固定在横向滑道上；小腿滑道嵌入在横向滑道的中部方型凹槽中并用螺栓螺母穿过凹槽的A、B孔将两个零件固定；横向滑道在滑道两侧分别有第一、第二小滑块，第一小滑块与第二连杆的一端通过销连接，第二小滑块与第一连杆的一端通过销连接；第一连杆与第二连杆的另一端通过连接销同心连接安装到滑块的A孔上；第一、第二小滑块分别连接辨识弹簧两端；棘爪与小腿滑道顶部的孔通过销连接。
推拉杆的一端与滑块的B孔通过螺纹连接。推拉杆的另一端嵌入内管壁的A孔内；第一、第二外套筒通过C1、C2、D1、D2孔采用螺栓螺母彼此固定连接，将小腿滑道包裹在中间，根据使用者尺寸通过周边孔A1、A2或B1、B2对小腿滑道的位置进行固定，两个套筒近弹簧端各有半个圆槽M，合在一块后形成通孔，该孔直径与内管壁的圆柱体N一致，且小于圆柱体M，因而允许内管壁的单向相对于小腿滑道的滑动，支撑弹簧套在内管壁的圆柱体N外；内管壁的C孔与调节柱通过销形成活动连接；连杆的一端与内管壁B孔通过销形成活动连接，另一端与扭簧的一臂形成销连接，扭簧的另一臂固定在弹簧板上；弹簧板、脚底板和扭簧通过销形成活动连接，调节柱固定在脚底板上。
左下肢外骨骼组的结构组成和连接方式与右下肢外骨骼组关于人体中轴线完全对称。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
目前多关节的下肢外骨骼无论是助力型还是康复型，其在机构设计上基本为人体下肢同构式的串联机构，采用并联式或其它新式结构的外骨骼很少。串联式外骨骼由于电机多分布在杆件上，惯量大，且单一电机控制单个人体关节自由度，对电机的瞬时输出功率要求较高。而引入并联式结构进行设计，将有助于驱动在固定位置的集中分布和驱动力的合理分配。同时并联式机构相对串联机构，具有更高的刚度，和更好的控制精度。
本发明采用纯机械的步态判断方法，将有助于减少和杜绝控制系统的复杂性和测量误差，使外骨骼具有自适应特性。同时，对健康人群行走进行助力时，外部驱动过多，一方面造成外骨骼系统质量的增加和穿戴舒适性的下降，同时也增加多关节协调控制难度。由于人体自身各关节肌肉群均参与行走，因此采用柔性元件储存和提高能量转化率的被动式助力外骨骼，相比于外部能量注入，不仅具有更高的能量利用和转换效率，也减轻了人体穿戴质量，提高了穿戴舒适度。
另一方面，从外骨骼的功能来看，人体长时间行走或者站立，身体负载均通过下肢传导至地面，因此对下肢各个关节产生持久的关节内力，给膝关节或踝部关节炎的人群带来较多痛苦。因此下肢减压也成为本发明的一个重要创新点。
附图说明
图1人体穿戴外骨骼示意图；
图2串并混联的下肢助力外骨骼正视图与斜视图；
图3腰部平台示意图；
图4右下肢外骨骼组示意图；
图5右下肢并联部分组件示意图；
图6左下肢并联部分组件示意图；
图7右下肢自适应部分组件示意图；
图8腰撑示意图；
图9滑槽示意图；
图10护腿平台示意图；
图11护腿示意图；
图12螺纹套示意图；
图13螺纹杆示意图；
图14横向滑道示意图；
图15滑块示意图；
图16外套筒示意图；
图17内管壁示意图；
图中：腰部平台(1)，右下肢外骨骼组(2)，左下肢外骨骼组(3)，腰撑(4)，滑槽(5)，第一、第二滑块(6-1、6-2)，第一固定架(7-1)，第一、第二液压上缸(8-1、8-2)，第一第二液压下缸(9-1、9-2)，护腿(10)，第一、第二螺纹套(11-1、11-2)，第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)，护腿平台(13)，小腿滑道(14)，第一、第二外套筒(15-1、15-2)，脚底板(16)，弹簧板(17)，调节柱(18)，扭簧(19)，连杆(20)，支撑弹簧(21)，内管壁(22)，棘轮(23)，滑轮(24)，第一、第二连杆(25-1、25-2)，恒力弹簧(26)，滑块(27)，推拉杆(28)，横向滑道(29)，连接轴(30)，第一、第二小滑块(31-1、31-2)，连接销(32)，支撑板(33)，辨识弹簧(34)，棘爪(35)，并联部分组件(36)，自适应部分组件(37)。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的方案做进一步说明。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一款串并混联的下肢助力外骨骼，其特征在于：该外骨骼包括三大部分：腰部平台(1)，右下肢外骨骼组(2)，左下肢外骨骼组(3)，如图2所示。
其中，腰部平台(1)由腰撑(4)、滑槽(5)和第一、第二滑块(6-1、6-2)组成，如图3所示。腰撑(4)上的滑动圆柱A和B穿过滑槽(5)中部的两个通孔A和B，调节到合适位置后固定。第一滑块(6-1)与右下肢外骨骼组(2)的第一固定架(7-1)固定连接，第二滑块(6-2)与左下肢外骨骼组(3)的第二固定架(7-2)固定连接，它们共同可相对于滑槽滑动以适应人体髋部的宽窄。
右下肢外骨骼组(2)的组成构件为：并联部分组件(36)，自适应部分组件(37)，如图4所示。
右下肢并联部分组件(36)的组成构件如图5所示为：第一固定架(7-1)，第一、第二液压上缸(8-1、8-2)，第一第二液压下缸(9-1、9-2)，护腿(10)，第一、第二螺纹套(11-1、11-2)，第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)，护腿平台(13)。
右下肢并联部分组件(36)的组成方式为：第一固定架(7-1)与第一、第二液压上缸(8-1、8-2)的一端通过虎克铰连接，第一、第二液压上缸(8-1、8-2)的另一端分别与第一、第二液压下缸(9-1、9-2)构成液压驱动系统；第一、第二液压下缸(9-1、9-2)的底部为球铰，与护腿平台(13)连接；护腿平台(13)一侧的A、B、C孔分别与护腿(10)的A、B、C孔通过螺钉固定连接，另一侧的D、E孔分别与第一、第二螺纹套(11-1、11-2)的一端的A孔通过销连接；第一、第二螺纹套(11-1、11-2)的另一端有螺纹孔B，分别与第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)的螺纹柱端形成螺纹连接，第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)的有孔端同心并同时穿过连接轴(30)，护腿平台、第一第二螺纹套(11-1、11-2)，第一第二螺纹杆(12-1、12-2)共同构成稳定的三角形结构；
自适应部分组件(37)的组成构件如图7所示：小腿滑道(14)，第一、第二外套筒(15-1、15-2)，脚底板(16)，弹簧板(17)，调节柱(18)，扭簧(19)，连杆(20)，支撑弹簧(21)，内管壁(22)，棘轮(23)，滑轮(24)，第一、第二连杆(25-1、25-2)，恒力弹簧(26)，滑块(27)，推拉杆(28)，横向滑道(29)，连接轴(30)，第一、第二小滑块(31-1、31-2)，连接销(32)，支撑板(33)，辨识弹簧(34)，棘爪(35)；
自适应部分组件(37)与并联部分组件(36)通过连接轴(30)连接，连接轴(30)采用键限制其自由转动；自适应部分组件(37)的内部构成方式为：棘轮(23)和滑轮(24)通过连接轴(30)同心连接，采用半圆键保持相对轴连接轴(30)的固定，滑轮(24)采用螺钉穿过其上的4个通孔固定在棘轮(23)上；恒力弹簧(26)有孔端固定在支撑板的圆柱凸起上，弹簧末端与滑轮(24)固定连接；支撑板(33)用螺栓螺母固定在横向滑道(29)上；小腿滑道(14)嵌入在横向滑道(29)的中部方型凹槽中并用螺栓螺母穿过凹槽的A、B孔将两个零件固定；横向滑道(29)在滑道两侧分别有第一、第二小滑块(31-1、31-2)，第一小滑块(31-1)与第二连杆(25-2)的一端通过销连接，第二小滑块(31-2)与第一连杆(25-1)的一端通过销连接；第一连杆(25-1)与第二连杆(25-2)的另一端通过连接销(32)同心连接安装到滑块(27)的A孔上；第一、第二小滑块(31-1、31-2)分别连接辨识弹簧(34)两端；棘爪(35)与小腿滑道(14)顶部的孔通过销连接；
推拉杆(28)的一端与滑块(27)的B孔通过螺纹连接。推拉杆(28)的另一端嵌入内管壁(22)的A孔内；第一、第二外套筒(15-1、15-2)通过C1、C2、D1、D2孔采用螺栓螺母彼此固定连接，将小腿滑道(14)包裹在中间，根据使用者尺寸通过周边孔A1、A2或B1、B2对小腿滑道的位置进行固定，两个套筒近弹簧端各有半个圆槽M，合在一块后形成通孔，该孔直径与内管壁(22)的圆柱体N一致，且小于圆柱体M，因而允许内管壁(22)的单向相对于小腿滑道(14)的滑动，支撑弹簧(21)套在内管壁(22)的圆柱体N外；内管壁(22)的C孔与调节柱(18)通过销形成活动连接；连杆(20)的一端与内管壁(22)B孔通过销形成活动连接，另一端与扭簧(19)的一臂形成销连接，扭簧(19)的另一臂固定在弹簧板(17)上；弹簧板(17)、脚底板(16)和扭簧(19)通过销形成活动连接，调节柱(18)固定在脚底板(16)上；
左下肢外骨骼组(3)的结构组成和连接方式与右下肢外骨骼组(2)关于人体中轴线完全对称。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
目前多关节的下肢外骨骼无论是助力型还是康复型，其在机构设计上基本为人体下肢同构式的串联机构，采用并联式或其它新式结构的外骨骼很少。串联式外骨骼由于电机多分布在杆件上，惯量大，且单一电机控制单个人体关节自由度，对电机的瞬时输出功率要求较高。而引入并联式结构进行设计，将有助于驱动在固定位置的集中分布和驱动力的合理分配。同时并联式机构相对串联机构，具有更高的刚度，和更好的控制精度。
本发明采用纯机械的步态判断方法，将有助于减少和杜绝控制系统的复杂性和测量误差，使外骨骼具有自适应特性。同时，对健康人群行走进行助力时，外部驱动过多，一方面造成外骨骼系统质量的增加和穿戴舒适性的下降，同时也增加多关节协调控制难度。由于人体自身各关节肌肉群均参与行走，因此采用柔性元件储存和提高能量转化率的被动式助力外骨骼，相比于外部能量注入，不仅具有更高的能量利用和转换效率，也减轻了人体穿戴质量，提高了穿戴舒适度。
另一方面，从外骨骼的功能来看，人体长时间行走或者站立，身体负载均通过下肢传导至地面，因此对下肢各个关节产生持久的关节内力，给膝关节或踝部关节炎的人群带来较多痛苦。因此下肢减压也成为本发明的一个重要创新点。
Claims (1)
1.一款串并混联的下肢助力外骨骼，其特征在于：该外骨骼包括三大部分：腰部平台(1)，右下肢外骨骼组(2)，左下肢外骨骼组(3)；
其中，腰部平台(1)由腰撑(4)、滑槽(5)和第一、第二滑块(6-1、6-2)组成；腰撑(4)上的滑动圆柱A和B穿过滑槽(5)中部的两个通孔A和B，调节到合适位置后固定；第一滑块(6-1)与右下肢外骨骼组(2)的第一固定架(7-1)固定连接，第二滑块(6-2)与左下肢外骨骼组(3)的第二固定架(7-2)固定连接，它们共同可相对于滑槽滑动以适应人体髋部的宽窄；
右下肢外骨骼组(2)的组成构件为：并联部分组件(36)，自适应部分组件(37)；
并联部分组件(36)的组成构件为：第一固定架(7-1)，第一、第二液压上缸(8-1、8-2)，第一第二液压下缸(9-1、9-2)，护腿(10)，第一、第二螺纹套(11-1、11-2)，第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)，护腿平台(13)；
并联部分组件(36)的组成方式为：第一固定架(7-1)与第一、第二液压上缸(8-1、8-2)的一端通过虎克铰连接，第一、第二液压上缸(8-1、8-2)的另一端分别与第一、第二液压下缸(9-1、9-2)构成液压驱动系统；第一、第二液压下缸(9-1、9-2)的底部为球铰，与护腿平台(13)连接；护腿平台(13)一侧的A、B、C孔分别与护腿(10)的A、B、C孔通过螺钉固定连接，另一侧的D、E孔分别与第一、第二螺纹套(11-1、11-2)的一端的A孔通过销连接；第一、第二螺纹套(11-1、11-2)的另一端有螺纹孔B，分别与第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)的螺纹柱端形成螺纹连接，第一、第二螺纹杆(12-1、12-2)的有孔端同心并同时穿过连接轴(30)，护腿平台、第一第二螺纹套(11-1、11-2)，第一第二螺纹杆(12-1、12-2)共同构成稳定的三角形结构；
自适应部分组件(37)的组成构件为：小腿滑道(14)，第一、第二外套筒(15-1、15-2)，脚底板(16)，弹簧板(17)，调节柱(18)，扭簧(19)，连杆(20)，支撑弹簧(21)，内管壁(22)，棘轮(23)，滑轮(24)，第一、第二连杆(25-1、25-2)，恒力弹簧(26)，滑块(27)，推拉杆(28)，横向滑道(29)，连接轴(30)，第一、第二小滑块(31-1、31-2)，连接销(32)，支撑板(33)，辨识弹簧(34)，棘爪(35)；
自适应部分组件(37)与并联部分组件(36)通过连接轴(30)连接，连接轴(30)采用键限制其自由转动；自适应部分组件(37)的内部构成方式为：棘轮(23)和滑轮(24)通过连接轴(30)同心连接，并采用半圆键保持相对连接轴(30)的固定，滑轮(24)采用螺钉穿过其上的4个通孔固定在棘轮(23)上；恒力弹簧(26)有孔端固定在支撑板(33)的圆柱凸起上，弹簧末端与滑轮(24)固定连接；支撑板(33)用螺栓螺母固定在横向滑道(29)上；小腿滑道(14)嵌入在横向滑道(29)的中部方型凹槽中并用螺栓螺母穿过凹槽的A、B孔将两个零件固定；横向滑道(29)在滑道两侧分别有第一、第二小滑块(31-1、31-2)，第一小滑块(31-1)与第二连杆(25-2)的一端通过销连接，第二小滑块(31-2)与第一连杆(25-1)的一端通过销连接；第一连杆(25-1)与第二连杆(25-2)的另一端通过连接销(32)同心连接安装到滑块(27)的A孔上；第一、第二小滑块(31-1、31-2)分别连接辨识弹簧(34)两端；棘爪(35)与小腿滑道(14)顶部的孔通过销连接；
推拉杆(28)的一端与滑块(27)的B孔通过螺纹连接；推拉杆(28)的另一端嵌入内管壁(22)的A孔内；第一、第二外套筒(15-1、15-2)通过C1、C2、D1、D2孔采用螺栓螺母彼此固定连接，将小腿滑道(14)包裹在中间，根据使用者尺寸通过周边孔A1、A2或B1、B2对小腿滑道的位置进行固定，两个套筒近弹簧端各有半个圆槽M，合在一块后形成通孔，该孔直径与内管壁(22)的圆柱体N一致，且小于圆柱体M，因而允许内管壁(22)的单向相对于小腿滑道(14)的滑动，支撑弹簧(21)套在内管壁(22)的圆柱体N外；内管壁(22)的C孔与调节柱(18)通过销形成活动连接；连杆(20)的一端与内管壁(22)B孔通过销形成活动连接，另一端与扭簧(19)的一臂形成销连接，扭簧(19)的另一臂固定在弹簧板(17)上；弹簧板(17)、脚底板(16)和扭簧(19)通过销形成活动连接，调节柱(18)固定在脚底板(16)上；
左下肢外骨骼组(3)的结构组成和连接方式与右下肢外骨骼组(2)关于人体中轴线完全对称。
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- 2019-03-20 CN CN201910210799.XA patent/CN109806549B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
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