CN109846681A - 一种复合式外骨骼助行设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式外骨骼助行设备，包括背部支撑板、座椅板、肩部绑带、腰部绑带、座椅板支架、左部和右部；座椅板支架固定在背部支撑板上，座椅板放置于座椅板支架内；肩部绑带和腰部绑带固定于背部支撑板上；左部和右部结构相同，对称地安装在背部支撑板下部；左部包括后轮模块、大腿模块、髋关节驱动模块、前轮模块、小腿模块、足部模块、座椅支撑和膝关节驱动模块。本设备以外骨骼为母体，在外骨骼的髋关节和膝关节设置有后轮模块和前轮模块，通过机构变形，将穿戴在人体上的可爬楼梯和完成日常简单动作的辅助行走和康复外骨骼变型为实现快速前进的轮椅，实现了辅助行走与轮椅的一体化，满足了行动不便者的使用需求。

Description

一种复合式外骨骼助行设备

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，具体是一种复合式外骨骼助行设备。

背景技术

随着外骨骼技术的发展和普及，外骨骼成为越来越多人助行或康复治疗的选择。外骨骼机器人作为老年人和下肢运动困难人士等行动不便者的辅助设备，不仅能够助力人体运动，还能辅助人体康复。对于下肢需要康复的病人来说，在康复锻炼过程中，并不能长时间站立。而且外骨骼的穿脱对于病人来说较困难，在需要快速移动的情况下，无法实现快速脱下外骨骼来乘坐轮椅移动。对于老年人也有此问题。因此，设计一款同时具有辅助行走功能和轮椅功能的外骨骼势在必行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种复合式外骨骼助行设备。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种复合式外骨骼助行设备，其特征在于该设备包括背部支撑板、座椅板、肩部绑带、腰部绑带、座椅板支架、左部和右部；所述座椅板支架固定在背部支撑板上，座椅板放置于座椅板支架内；所述肩部绑带和腰部绑带固定于背部支撑板上；所述左部和右部结构相同，对称地安装在背部支撑板下部；

所述左部包括后轮模块、大腿模块、髋关节驱动模块、前轮模块、小腿模块、足部模块、座椅支撑和膝关节驱动模块；髋关节驱动模块包括大腿驱动电机和后轮模块转向电机；膝关节驱动模块包括小腿驱动电机和前轮模块转向电机；所述大腿驱动电机固定于背部支撑板上，其输出端与大腿模块的一端固定连接；座椅支撑固定在大腿模块上；后轮模块转向电机固定于背部支撑板上，其输出端与后轮模块固定连接；小腿驱动电机固定于大腿模块的另一端上，其输出端与小腿模块的一端固定连接；前轮模块转向电机固定于大腿模块的另一端上，其输出端与前轮模块固定连接；小腿模块的另一端与足部模块固定连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本设备以外骨骼为母体，在外骨骼的髋关节和膝关节设置有后轮模块和前轮模块，通过机构变形，将穿戴在人体上的可爬楼梯和完成日常简单动作的辅助行走和康复外骨骼变型为实现快速前进的轮椅，实现了辅助行走与轮椅的一体化，满足了行动不便者的使用需求。

(2)本设备的腿部采用了可伸缩的设计，针对不同身高的使用者可以进行调整且调整简便，以适应不同使用者的大腿和小腿的长度，实现设备的髋关节对应人体的髋关节，设备的膝关节对应人体的膝关节，设备的踝关节对应人体的踝关节。

(3)肩部绑带、腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带均采用弹性材料且其上安装有卡扣，可以根据不同使用者调整合适的松紧度，实现贴合。

(4)本设备设计合理紧凑，在变形过程中部件之间不会干涉和相互影响，实现辅助行走功能和轮椅功能时不会相互影响，充分利用了有限的空间，使设备整体更加紧凑，空间利用率高。

(5)本设备结构简洁，运行平稳，经济实用，安全可靠。

附图说明

图1为本发明一种实施例的辅助行走状态站立时的整体结构轴测示意图；

图2为本发明图1的主视示意图；

图3为本发明图1的左视示意图；

图4为本发明一种实施例的轮椅状态下的整体结构轴测示意图；

图5为本发明一种实施例的背部支撑板的装配主视示意图；

图6为本发明沿图5的A-A方向剖视示意图；

图7为本发明一种实施例的大腿模块轴测示意图；

图8为本发明一种实施例的小腿模块和足部模块轴测示意图；

图9为本发明一种实施例的髋关节驱动模块示意图；

图10为本发明一种实施例的膝关节驱动模块示意图；

图11为本发明一种实施例的后轮模块轴测示意图；

图12为本发明一种实施例的前轮模块轴测示意图。

图中：1、背部支撑板；2、座椅板；3、后轮模块；31、后轮；32、轮杆；4、大腿模块；41、大腿绑带；42、大腿内侧板；43、大腿外支架；5、髋关节驱动模块；51、大腿驱动电机；52、后轮模块转向电机；6、前轮模块；61、前轮；62、可伸缩轮杆；7、小腿模块；71、小腿绑带；72、小腿内侧板；73、小腿外支架；8、足部模块；81、脚部支撑板；82、脚部绑带；9、把手；10、扶手；11、肩部绑带；12、腰部绑带；13、座椅支撑；14、座椅板支架；15、电池；16、膝关节驱动模块；161、小腿驱动电机；162、前轮模块转向电机；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供一种复合式外骨骼助行设备(简称设备，参见图1-12)，其特征在于该设备包括背部支撑板1、座椅板2、肩部绑带11、腰部绑带12、座椅板支架14、左部和右部；所述座椅板支架14固定在背部支撑板1上，座椅板2放置于座椅板支架14内；所述肩部绑带11和腰部绑带12通过螺钉固定于背部支撑板1上；肩部绑带11上具有卡扣用于固定人体肩部，腰部绑带12上具有卡扣用于固定人体腰部；所述左部和右部完全相同，对称地安装在背部支撑板1下部；

所述左部包括后轮模块3、大腿模块4、髋关节驱动模块5、前轮模块6、小腿模块7、足部模块8、座椅支撑13和膝关节驱动模块16；髋关节驱动模块5包括大腿驱动电机51和后轮模块转向电机52；膝关节驱动模块16包括小腿驱动电机161和前轮模块转向电机162；所述大腿驱动电机51固定于背部支撑板1上，其输出端与大腿模块4的一端固定连接；座椅支撑13固定在大腿模块4上；后轮模块转向电机52固定于背部支撑板1上，其输出端与后轮模块3端部的轴孔过盈配合固定连接；小腿驱动电机161固定于大腿模块4的另一端上，其输出端与小腿模块7的一端固定连接；前轮模块转向电机162固定于大腿模块4的另一端上，其输出端与前轮模块6端部的轴孔过盈配合固定连接；小腿模块7的另一端与足部模块8固定连接。

所述大腿模块4包括大腿绑带41、大腿内侧板42和大腿外支架43；小腿模块7包括小腿绑带71、小腿内侧板72和小腿外支架73；足部模块8包括脚部支撑板81和脚部绑带82；所述后轮模块3包括后轮31和轮杆32；前轮模块6包括前轮61和可伸缩轮杆62；

所述大腿驱动电机51固定于背部支撑板1上，其输出端与大腿外支架43的端部固定连接；大腿外支架43与大腿内侧板42以移动副的形式连接，相对运动到适当长度以适应使用者的大腿长度后通过螺纹(螺栓或螺钉)固定连接(移动副具体是大腿外支架43内部具有凹槽轨道或凸起轨道，大腿内侧板42外侧具有凸起或凹槽，大腿内侧板42的凸起或凹槽与大腿外支架43的凹槽轨道或凸起轨道配合，实现大腿内侧板42与大腿外支架43的相对滑动)；座椅支撑13固定在大腿内侧板42上；大腿绑带41固定在大腿外支架43上，大腿绑带41上具有卡扣用于固定人体大腿；后轮模块转向电机52固定于背部支撑板1上，其输出端与轮杆32一端的轴孔过盈配合固定连接；轮杆32的另一端与后轮31以转动副的形式连接(转动副即轴与滚动轴承配合，具体是后轮31的中心位置通过销固定有轴，轴的两端与滚动轴承的内圈过盈配合固定连接，轴承的外圈与轮杆32固定连接，实现转动)；小腿驱动电机161固定于大腿内侧板42的端部上，其输出端与小腿外支架73的端部固定连接；小腿外支架73与小腿内侧板72以移动副的形式连接，相对运动到适当长度以适应使用者的小腿长度后通过螺纹(螺栓或螺钉)固定连接(移动副具体是小腿外支架73内部具有凹槽轨道或凸起轨道，小腿内侧板72外侧具有凸起或凹槽，小腿内侧板72的凸起或凹槽与小腿外支架73的凹槽轨道或凸起轨道配合，实现小腿内侧板72与小腿外支架73的相对滑动)；小腿绑带71固定在小腿外支架73上，小腿绑带71上具有卡扣用于固定人体小腿；前轮模块转向电机162固定于大腿内侧板42的端部上，其输出端与可伸缩轮杆62一端的轴孔过盈配合固定连接；可伸缩轮杆62的另一端与前轮61以转动副的形式连接；小腿内侧板72的端部与脚部支撑板81固定连接；脚部绑带82固定在脚部支撑板81上，脚部绑带82上具有卡扣用于固定人体脚部。

该设备还包括把手9、扶手10和电池模块15；所述把手9通过转动副连接在背部支撑板1，可旋转，用于别人在推轮椅时使用；所述扶手10通过转动副连接在背部支撑板1，可旋转，用于放置使用者的手臂；电池模块15放置于背部支撑板1内部，为设备所有的电机供电。

座椅板支架14底部具有凸起或凹槽，与座椅支撑13配合，实现轮椅状态下支撑座椅板2；凸起或凹槽与座椅支撑13位于同一高度，保证座椅板2的水平。座椅板2开有齿形槽用于与凸起或凹槽和座椅支撑13配合实现固定。

大腿驱动电机51、后轮模块转向电机52、小腿驱动电机161和前轮模块转向电机162具有自锁功能，能长时间保持一种姿态不变化。

可伸缩轮杆62采用与折叠式雨伞的杆部伸缩结构原理相同的结构，具有若干固定位置，调整到适当长度后通过销钉固定。

优选，轮杆32也能调节长度，与可伸缩轮杆62原理相同。

本发明的工作原理和工作流程是：

当需要使用该设备辅助行走时，调整大腿外支架43与大腿内侧板42的相对位置，与使用者大腿长度配合；调整小腿外支架73与小腿内侧板72的相对位置，与使用者小腿长度配合；使用者的脚底放在脚部支撑板81上，脚部绑带82与人体脚部固定；大腿绑带41与使用者的大腿固定，小腿绑带71与使用者的小腿固定，肩部绑带11背于使用者双肩，腰部绑带12绑住使用者腰部，实现设备的髋关节驱动模块5对应人体的髋关节，设备的膝关节驱动模块16对应人体的膝关节，保证外骨骼相对人体的正确位置。

穿戴完成之后，足部模块8位于地面。开始辅助行走，以先迈左腿为例(左腿为摆动腿、右腿为支撑腿)，左部的大腿驱动电机51转动抬起使用者大腿，小腿驱动电机161转动实现使用者小腿向前转动，然后大腿驱动电机51转动实现左脚落地，实现左腿向前迈步。右腿同理，实现整个设备带动人体前进的运动。

当需要转换为轮椅时，足部模块8与地面接触。后轮模块转向电机52转动从而带动后轮模块3旋转90°。前轮模块转向电机162转动从而带动前轮模块6旋转90°。小腿驱动电机161转动和大腿驱动电机51旋转从而带动大腿外支架43向水平运动，使后轮31与地面接触，背部支撑板1同时竖直。将座椅板2从座椅板支架14中抽出，四角水平放置在座椅板支架14底部的凸起或凹槽以及座椅支撑13上。松开大腿绑带41，使得使用者的大腿与大腿绑带41处于释放状态，使用者坐于座椅板2上。调节可伸缩轮杆62的长度，使得前轮61与地面接触，此时大腿外支架43与地面可以实现平行，小腿模块7悬空。小腿驱动电机161转动使小腿模块7旋转一个合适的角度，使用者前腿翘起，保证舒适度。扶手10放下，使用者手部放于扶手10上。别人可握住把手9进行推动。也可以在后轮模块3和前轮模块6中装配电机，实现电机驱动轮椅运动。两前轮的间距大于两后轮的间距，有利于轮椅状态的稳定。

当需要再变型成辅助行走状态时，小腿驱动电机161转动，使小腿模块7旋转至与地面垂直。调节可伸缩轮杆62的长度，使得足部模块8与地面接触。调节大腿绑带41，使得使用者的大腿与大腿绑带41处于绑紧状态。然后将座椅板2从座椅支撑13和座椅板支架14底部的凸起或凹槽的支撑状态中抽出并插入座椅板支架14中。小腿驱动电机161转动和大腿驱动电机51旋转，使得大腿外支架43处于竖直状态，背部支撑板1同时竖直。前轮模块转向电机162转动从而带动前轮模块6旋转90°，收起。后轮模块转向电机52转动从而带动后轮模块3旋转90°，收起。设备变为辅助行走的站立状态。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种复合式外骨骼助行设备，其特征在于该设备包括背部支撑板、座椅板、肩部绑带、腰部绑带、座椅板支架、左部和右部；所述座椅板支架固定在背部支撑板上，座椅板放置于座椅板支架内；所述肩部绑带和腰部绑带固定于背部支撑板上；所述左部和右部结构相同，对称地安装在背部支撑板下部；

所述左部包括后轮模块、大腿模块、髋关节驱动模块、前轮模块、小腿模块、足部模块、座椅支撑和膝关节驱动模块；髋关节驱动模块包括大腿驱动电机和后轮模块转向电机；膝关节驱动模块包括小腿驱动电机和前轮模块转向电机；所述大腿驱动电机固定于背部支撑板上，其输出端与大腿模块的一端固定连接；座椅支撑固定在大腿模块上；后轮模块转向电机固定于背部支撑板上，其输出端与后轮模块固定连接；小腿驱动电机固定于大腿模块的另一端上，其输出端与小腿模块的一端固定连接；前轮模块转向电机固定于大腿模块的另一端上，其输出端与前轮模块固定连接；小腿模块的另一端与足部模块固定连接。

2.根据权利要求1所述的复合式外骨骼助行设备，其特征在于该设备还包括把手、扶手和电池模块；所述把手通过转动副连接在背部支撑板；所述扶手通过转动副连接在背部支撑板；电池模块放置于背部支撑板内部，为设备所有的电机供电。

3.根据权利要求1所述的复合式外骨骼助行设备，其特征在于座椅板支架底部具有凸起或凹槽，与座椅支撑配合，实现轮椅状态下支撑座椅板；凸起或凹槽与座椅支撑位于同一高度，保证座椅板的水平。

4.根据权利要求1所述的复合式外骨骼助行设备，其特征在于所述大腿模块包括大腿绑带、大腿内侧板和大腿外支架；小腿模块包括小腿绑带、小腿内侧板和小腿外支架；足部模块包括脚部支撑板和脚部绑带；所述后轮模块包括后轮和轮杆；前轮模块包括前轮和可伸缩轮杆；

所述大腿驱动电机固定于背部支撑板上，其输出端与大腿外支架的端部固定连接；大腿外支架与大腿内侧板以移动副的形式连接，相对运动到适当长度后固定连接；座椅支撑固定在大腿内侧板上；大腿绑带固定在大腿外支架上；后轮模块转向电机固定于背部支撑板上，其输出端与轮杆的一端固定连接；轮杆的另一端与后轮以转动副的形式连接；小腿驱动电机固定于大腿内侧板的端部上，其输出端与小腿外支架的端部固定连接；小腿外支架与小腿内侧板以移动副的形式连接，相对运动到适当长度后固定连接；小腿绑带固定在小腿外支架上；前轮模块转向电机固定于大腿内侧板的端部上，其输出端与可伸缩轮杆的一端固定连接；可伸缩轮杆的另一端与前轮以转动副的形式连接；小腿内侧板的端部与脚部支撑板固定连接；脚部绑带固定在脚部支撑板上。

5.根据权利要求4所述的复合式外骨骼助行设备，其特征在于肩部绑带上具有卡扣用于固定人体肩部；腰部绑带上具有卡扣用于固定人体腰部；大腿绑带上具有卡扣用于固定人体大腿；小腿绑带上具有卡扣用于固定人体小腿；脚部绑带上具有卡扣用于固定人体脚部。

6.根据权利要求4所述的复合式外骨骼机器人，其特征在于可伸缩轮杆具有若干固定位置，调整到适当长度后固定。