CN109938971A - 一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，包括腰部支撑件、控制单元、电源、支撑板、大腿固定板，大腿固定板上滑动设置有滑块，大腿固定板上还设置有驱动机构，驱动机构连接至控制单元和电源，滑块由驱动机构驱动，滑块沿着大腿固定板上下滑动，大腿固定板的内侧设置大腿绑带；还包括髋关节连杆、小腿固定板、膝关节连杆，小腿固定板的内侧设置有小腿绑带。本发明的优点在于：该装置整体结构简单、造价低，运行平稳、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及家用助力机器人领域，具体涉及一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置。
背景技术
助力机器人，主要用于协助人进行行走、移动等日常活动，可帮助肢体力量不足的人群从事日常运动，目前，在助力机器人领域，一般的下肢助力装置为全下肢部分或全助力，因此其结构较为复杂、造价昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术中助力装置结构复杂、造价高的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，包括与人体腰部外轮廓配合的腰部支撑件，所述腰部支撑件上设置有控制单元、电源；
还包括设置在腰部支撑件两侧的支撑板、铰接在支撑板的下部的大腿固定板，所述大腿固定板上滑动设置有滑块，大腿固定板上还设置有驱动机构，驱动机构连接至控制单元和电源，滑块由驱动机构驱动，滑块沿着大腿固定板上下滑动，所述大腿固定板的内侧设置有大腿绑带；
还包括两端分别铰接在支撑板和滑块上的髋关节连杆、铰接在大腿固定板下部的小腿固定板、两端分别铰接在滑块和小腿固定板上的膝关节连杆，所述小腿固定板的内侧设置有小腿绑带；
上述所有铰接位置的铰接轴均平行于腰部支撑件两侧支撑板之间的连线，且支撑板与大腿固定板的第一铰接点、支撑板与髋关节连杆的第二铰接点、滑块与髋关节连杆的第三铰接点之间的连线形成三角形，大腿固定板与小腿固定板的第四铰接点、滑块与膝关节连杆的第五铰接点、小腿固定板与膝关节连杆的第六铰接点之间的连线形成三角形，且第一铰接点位于第二铰接点、第三铰接点的后方，第六铰接点位于第四铰接点、第五铰接点的前方；或者，第一铰接点位于第二铰接点、第三铰接点的前方，第六铰接点位于第四铰接点、第五铰接点的后方。
本发明中的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，在实际使用时，将腰部支撑件佩戴在人体腰部，并将腰部两侧的大腿绑带和小腿绑带分别绑在人体的大腿处和小腿处，然后使用者进行正常行走，控制单元采集使用者正常行走参数，然后模拟辅助使用者正常行走，具体为：驱动机构带动滑块沿着大腿固定板上下滑动，当滑块向下运动时，滑块拉动髋关节连杆，此时髋关节弯曲，大腿固定板向上抬起，进而实现大腿抬起动作，与此同时，滑块推动膝关节连杆，此时膝关节弯曲，小腿固定板收起，实现小腿弯曲动作，当滑块向上运动时，滑块推动髋关节连杆，此时髋关节伸展，大腿固定板下摆，实现大腿放下动作，与此同时，滑块拉动膝关节连杆，此时膝关节伸展，小腿固定板伸展，实现小腿伸直动作，以上两个连续的动作过程即可实现辅助人行走、活动，该装置整体结构简单、造价低，运行平稳、可靠。
进一步的，所述腰部支撑件为腰带，腰带上设置有用于收紧腰带的插扣，插扣的设置能够很方便的将腰带收紧，使其与人体更好的贴合，更方便使用者活动，同时适用范围更广。
进一步的，所述大腿固定板上设置有与滑块配合的引导机构，引导机构的引导方向平行于滑块的滑动方向，引导机构的设置能够准确的引导滑块的滑动方向。
进一步的，所述滑块上设置有轴线平行于滑块滑动方向的螺纹孔，所述驱动机构包括安装在大腿固定板上的电机、与电机输出轴连接在一起的丝杠，丝杠与滑块的螺纹孔配合安装，电机连接至控制单元和电源，通过丝杠副移动滑块，动力输出较为稳定，且滑块受力较大，助力效果更好。
进一步的，所述电机输出轴与丝杠之间设置有减速器，减速器将电机高转速、低扭矩转换为丝杠低转速、高扭矩，使整体装置的助力效果更好。
进一步的，所述减速器为行星减速器，行星减速器结构简单，动力输出可靠。
进一步的，所述丝杠的两端可转动的安装在大腿固定板上，滑块与丝杠的两端之间均设置有缓冲装置，缓冲装置的设置能够避免滑块运行至丝杠的两端时产生刚性碰撞，保证整体装置的安全。
进一步的，所述缓冲装置为套设在丝杠两端的弹簧或者橡胶，弹簧或者橡胶安装结构简单、缓冲效果好。
进一步的，所述大腿固定板的内侧及小腿固定板的内侧均设置有多个安装孔，安装孔在大腿固定板的内侧及小腿固定板的内侧上下排列，所述大腿绑带和小腿绑带通过螺栓螺母分别安装在大腿固定板内侧的安装孔和小腿固定板内侧的安装孔上，多个安装孔的设置能够确保大腿绑带和小腿绑带的高度可调，进而满足不同人群需求，使其应用范围更广。
进一步的，所述大腿绑带和小腿绑带采用魔术贴进行收紧，魔术贴结构简单，粘接效果好、连接可靠。
本发明的有益效果在于：
1.本发明中的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，在实际使用时，将腰部支撑件佩戴在人体腰部，并将腰部两侧的大腿绑带和小腿绑带分别绑在人体的大腿处和小腿处，然后使用者进行正常行走，控制单元采集使用者正常行走参数，然后模拟辅助使用者正常行走，具体为：驱动机构带动滑块沿着大腿固定板上下滑动，当滑块向下运动时，滑块拉动髋关节连杆，此时髋关节弯曲，大腿固定板向上抬起，进而实现大腿抬起动作，与此同时，滑块推动膝关节连杆，此时膝关节弯曲，小腿固定板收起，实现小腿弯曲动作，当滑块向上运动时，滑块推动髋关节连杆，此时髋关节伸展，大腿固定板下摆，实现大腿放下动作，与此同时，滑块拉动膝关节连杆，此时膝关节伸展，小腿固定板伸展，实现小腿伸直动作，以上两个连续的动作过程即可实现辅助人行走、活动，该装置整体结构简单、造价低，运行平稳、可靠；
2.插扣的设置能够很方便的将腰带收紧，使其与人体更好的贴合，更方便使用者活动，同时适用范围更广；
3.引导机构的设置能够准确的引导滑块的滑动方向；
4.通过丝杠副移动滑块，动力输出较为稳定，且滑块受力较大，助力效果更好；
5.减速器将电机高转速、低扭矩转换为丝杠低转速、高扭矩，使整体装置的助力效果更好；
6.行星减速器结构简单，动力输出可靠；
7.缓冲装置的设置能够避免滑块运行至丝杠的两端时产生刚性碰撞，保证整体装置的安全；
8.弹簧或者橡胶安装结构简单、缓冲效果好；
9.多个安装孔的设置能够确保大腿绑带和小腿绑带的高度可调，进而满足不同人群需求，使其应用范围更广；
10.魔术贴结构简单，粘接效果好、连接可靠。
附图说明
图1为本发明实施例中一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置的立体图；
图2为本发明实施例中一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置的立体图(去掉腰部支撑件、大腿绑带和小腿绑带)；
图3为本发明实施例中一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置的主视图；
图4为本发明实施例中一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置的右肢部分示意图；
图5为本发明实施例中腰部支撑件示意图；
其中，腰部支撑件-1、支撑板-2、大腿固定板-3、髋关节连杆-4、小腿固定板-5、膝关节连杆-6、控制单元-11、电源-12、插扣-13、滑块-31、驱动机构-32、大腿绑带-33、引导机构-34、小腿绑带-51、电机-321、丝杠-322、减速器-323、缓冲装置-324、第一铰接点-a1、第二铰接点-a2、第三铰接点-a3、第四铰接点-a4、第五铰接点-a5、第六铰接点-a6。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”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。
如图1所示，一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，包括腰部支撑件1、支撑板2、大腿固定板3、髋关节连杆4、小腿固定板5、膝关节连杆6、控制单元11、电源12、插扣13、滑块31、驱动机构32、大腿绑带33、引导机构34、小腿绑带51、电机321、丝杠322、减速器323、缓冲装置324。
如图1、5所示，所述腰部支撑件1为腰带，与人体腰部外轮廓配合，腰带上设置有用于收紧腰带的插扣13，插扣13的设置能够很方便的将腰带收紧，使其与人体更好的贴合，更方便使用者活动，同时适用范围更广，腰部支撑件1设计成柔性裹腰结构，由ABS塑料配合软垫制成，保证人机贴合，所述腰部支撑件1上还设置有控制单元11、电源12，控制单元11采用嵌入式芯片控制，嵌入式芯片为现有技术，市场购买即可，本领域技术人员根据实际需求对嵌入式芯片进行编程即可实现相应控制，或者，控制单元11也可采用PLC进行控制，PLC也是现有技术，市场购买即可，本领域技术人员根据实际需求对PLC进行编程即可实现相应控制，控制单元11主要用于控制整个装置的运动，电源12则为装置提供所需的电能。
如图1、3所示，所述支撑板2设置在腰部支撑件1的左右两侧，本实施例中支撑板2为两块竖直设置的平板，支撑板2采用合金材料制成，优选为镁合金或者铝合金，如图5所示，腰部支撑件1的左右两侧上设置有多个安装孔，支撑板2通过螺栓螺母安装在腰部支撑件1的左右两侧安装孔上，支撑板2的功能对应人体的髋骨。
如图1、2所示，本实施例中的大腿固定板3为分段式结构，从上至下分别为上段大腿固定板3、中段大腿固定板3和下段大腿固定板3，且三段大腿固定板3按照位置关系通过螺栓螺母安装在一起，进而形成一个整体，大腿固定板3的功能对应人体的股骨，上段大腿固定板3的上端铰接在支撑板2的下部，在空间位置的分布上，支撑板2与大腿固定板3的第一铰接点a1位于大腿固定板3的后上方，位于支撑板2的后下方，第一铰接点a1的功能对应人体的髋关节。
如图1、4所示，所述大腿固定板3包括滑块31、驱动机构32、大腿绑带33、引导机构34，所述大腿固定板3上设置有与滑块31配合的引导机构34，引导机构34的引导方向平行于滑块31的滑动方向，引导机构34的设置能够准确的引导滑块31的滑动方向，本实施例中的引导机构34为导轨，具体的，导轨安装在中段大腿固定板3上，滑块31滑动安装在导轨上，所述滑块31上设置有轴线平行于滑块31滑动方向的螺纹孔，所述驱动机构32包括安装在下段大腿固定板3上的电机321、与电机321输出轴连接在一起的丝杠322，电机321连接至控制单元11和电源12，所述丝杠322的两端可转动的安装在中段大腿固定板3的上下两端，滑块31与丝杠322的两端之间均设置有缓冲装置324，缓冲装置324的设置能够避免滑块31运行至丝杠322的两端时产生刚性碰撞，保证整体装置的安全，所述缓冲装置324为套设在丝杠322两端的弹簧或者橡胶，弹簧或者橡胶安装结构简单、缓冲效果好。
如图2所示，丝杠322与滑块31的螺纹孔配合安装，电机321连接至控制单元11和电源12，通过丝杠副移动滑块31，动力输出较为稳定，且滑块31受力较大，助力效果更好，本实施例中的电机321输出轴与丝杠322之间设置有减速器323，减速器323将电机321高转速、低扭矩转换为丝杠322低转速、高扭矩，使整体装置的助力效果更好，所述减速器323为行星减速器，行星减速器结构简单，动力输出可靠，所述大腿固定板3的内侧设置有大腿绑带33，大腿固定板3的内侧设置有多个安装孔，安装孔在大腿固定板3的内侧上下排列，所述大腿绑带33通过螺栓螺母安装在大腿固定板3内侧的安装孔上，多个安装孔的设置能够确保大腿绑带33的高度可调，进而满足不同人群需求，使其应用范围更广，所述大腿绑带33采用魔术贴进行收紧，魔术贴结构简单，粘接效果好、连接可靠。
如图1、2所示，髋关节连杆4的两端分别铰接在支撑板2和滑块31上，小腿固定板5铰接在大腿固定板3下部，膝关节连杆6的两端分别铰接在滑块31和小腿固定板5上，所述小腿固定板5的内侧设置有小腿绑带51，小腿固定板5的内侧均设置有多个安装孔，安装孔在小腿固定板5的内侧上下排列，所述小腿绑带51通过螺栓螺母安装在小腿固定板5内侧的安装孔上，多个安装孔的设置能够确保小腿绑带51的高度可调，进而满足不同人群需求，使其应用范围更广，所述小腿绑带51采用魔术贴进行收紧，魔术贴结构简单，粘接效果好、连接可靠。
如图2所示，上述所有铰接位置的铰接轴均平行于腰部支撑件1两侧支撑板2之间的连线，即所有铰接轴均沿左右方向设置，且支撑板2与大腿固定板3的第一铰接点a1、支撑板2与髋关节连杆4的第二铰接点a2、滑块31与髋关节连杆4的第三铰接点a3之间的连线形成三角形，大腿固定板3与小腿固定板5的第四铰接点a4、滑块31与膝关节连杆6的第五铰接点a5、小腿固定板5与膝关节连杆6的第六铰接点a6之间的连线形成三角形，且第一铰接点a1位于第二铰接点a2、第三铰接点a3的后方，第六铰接点a6位于第四铰接点a4、第五铰接点a5的前方；或者，根据实际需求，将其设置成：第一铰接点a1位于第二铰接点a2、第三铰接点a3的前方，第六铰接点a6位于第四铰接点a4、第五铰接点a5的后方。
具体的，本实施例中，当滑块31滑动至上极限位置时，第二铰接点a2位于第一铰接点a1的前上方，第三铰接点a3位于第一铰接点a1的前下方，第五铰接点a5位于第三铰接点a3的下方，第五铰接点a5位于第六铰接点a6的后上方，第四铰接点a4位于第六铰接点a6的后下方。
工作原理：
如图1所示，本发明中的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，在实际使用时，首先打开插扣13、大腿绑带33和小腿绑带51，将腰部支撑件1佩戴在人体腰部，并将腰部两侧的大腿绑带33和小腿绑带51分别绑在人体的大腿处和小腿处，然后使用者进行正常行走，控制单元11采集使用者正常行走参数，然后模拟辅助使用者正常行走，具体为：驱动机构32带动滑块31沿着大腿固定板3上下滑动，当滑块31向下运动时，滑块31拉动髋关节连杆4，此时髋关节弯曲，大腿固定板3向上抬起，进而实现大腿抬起动作，与此同时，滑块31推动膝关节连杆6，此时膝关节弯曲，小腿固定板5收起，实现小腿弯曲动作，当滑块31向上运动时，滑块31推动髋关节连杆4，此时髋关节伸展，大腿固定板3下摆，实现大腿放下动作，与此同时，滑块拉动膝关节连杆6，此时膝关节伸展，小腿固定板5伸展，实现小腿伸直动作，以上两个连续的动作过程即可实现辅助人行走、活动，该装置整体结构简单、造价低，运行平稳、可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：包括与人体腰部外轮廓配合的腰部支撑件(1)，所述腰部支撑件(1)上设置有控制单元(11)、电源(12)；
还包括设置在腰部支撑件(1)两侧的支撑板(2)、铰接在支撑板(2)的下部的大腿固定板(3)，所述大腿固定板(3)上滑动设置有滑块(31)，大腿固定板(3)上还设置有驱动机构(32)，驱动机构(32)连接至控制单元(11)和电源(12)，滑块(31)由驱动机构(32)驱动，滑块(31)沿着大腿固定板(3)上下滑动，所述大腿固定板(3)的内侧设置有大腿绑带(33)；
还包括两端分别铰接在支撑板(2)和滑块(31)上的髋关节连杆(4)、铰接在大腿固定板(3)下部的小腿固定板(5)、两端分别铰接在滑块(31)和小腿固定板(5)上的膝关节连杆(6)，所述小腿固定板(5)的内侧设置有小腿绑带(51)；
上述所有铰接位置的铰接轴均平行于腰部支撑件(1)两侧支撑板(2)之间的连线，且支撑板(2)与大腿固定板(3)的第一铰接点(a1)、支撑板(2)与髋关节连杆(4)的第二铰接点(a2)、滑块(31)与髋关节连杆(4)的第三铰接点(a3)之间的连线形成三角形，大腿固定板(3)与小腿固定板(5)的第四铰接点(a4)、滑块(31)与膝关节连杆(6)的第五铰接点(a5)、小腿固定板(5)与膝关节连杆(6)的第六铰接点(a6)之间的连线形成三角形，且第一铰接点(a1)位于第二铰接点(a2)、第三铰接点(a3)的后方，第六铰接点(a6)位于第四铰接点(a4)、第五铰接点(a5)的前方；或者，第一铰接点(a1)位于第二铰接点(a2)、第三铰接点(a3)的前方，第六铰接点(a6)位于第四铰接点(a4)、第五铰接点(a5)的后方。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述腰部支撑件(1)为腰带，腰带上设置有用于收紧腰带的插扣(13)。
3.根据权利要求1所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述大腿固定板(3)上设置有与滑块(31)配合的引导机构(34)，引导机构(34)的引导方向平行于滑块(31)的滑动方向。
4.根据权利要求3所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述滑块(31)上设置有轴线平行于滑块(31)滑动方向的螺纹孔，所述驱动机构(32)包括安装在大腿固定板(3)上的电机(321)、与电机(321)输出轴连接在一起的丝杠(322)，丝杠(322)与滑块(31)的螺纹孔配合安装，电机(321)连接至控制单元(11)和电源(12)。
5.根据权利要求4所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述电机(321)输出轴与丝杠(322)之间设置有减速器(323)。
6.根据权利要求5所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述减速器(323)为行星减速器。
7.根据权利要求4所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述丝杠(322)的两端可转动的安装在大腿固定板(3)上，滑块(31)与丝杠(322)的两端之间均设置有缓冲装置(324)。
8.根据权利要求7所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述缓冲装置(324)为套设在丝杠(322)两端的弹簧或者橡胶。
9.根据权利要求1所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述大腿固定板(3)的内侧及小腿固定板(5)的内侧均设置有多个安装孔，安装孔在大腿固定板(3)的内侧及小腿固定板(5)的内侧上下排列，所述大腿绑带(33)和小腿绑带(51)通过螺栓螺母分别安装在大腿固定板(3)内侧的安装孔和小腿固定板(5)内侧的安装孔上。
10.根据权利要求1所述的一种可穿戴的下肢髋关节和膝关节助力装置，其特征在于：所述大腿绑带(33)和小腿绑带(51)采用魔术贴进行收紧。
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