CN110074949A - 一种下肢外骨骼机器人及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种下肢外骨骼机器人及应用方法，属于康复医疗技术领域。技术方案是：半圆弧板（3）两端铰接在背包背板（2）上，每段圆弧可旋转，实现人体上半身进入和固定；多段半圆弧板相互平行布置；支撑机架包括：髋关节支架一（5）、大腿支架一（8）、小腿支架一（14）、踝关节支架一（15）、髋关节支架二（22）、大腿支架二（24）、小腿支架二（29）、踝关节支架二（31）、脚底支撑架一（18）和脚底支撑架二；所述驱动装置包括：髋关节驱动装置、膝关节驱动装置和踝关节驱动装置。本发明可以帮助下肢残疾或行动不便的患者进行自主站立和代步，提升下肢不便患者的自理能力和生活品质，改善健康状况，减轻患者家属的负担。
Description
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼机器人及应用方法，属于康复医疗技术领域。
背景技术
近年来，因交通事故、工伤事故、脑卒中等因素引发的下肢瘫痪和残疾人数不减，此类患者不能进行自主站立，大部分时间都坐在轮椅上，大大降低了他们的身体健康状况及生活品质。目前，下肢瘫痪和残疾人士渴望和健全人一样站立起来，恢复自信自尊。但是，在现有的电动智能轮椅中，大多数不能满足下肢不便人士上述需求，存在着此类产品种类不多、产品智能化水平低、难以满足患者需求等问题。下肢外骨骼机器人是机器人领域其中之一，是根据人体形状和下肢残障人士制作的一台能够实现自主直立行走的下肢外骨骼机器人。
发明内容
本发明目的是提供一种下肢外骨骼机器人及应用方法，能够帮助解决全下肢瘫痪和残疾人士进行自主站立、直立行走等需求，解决背景技术中存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种下肢外骨骼机器人，包含上半身固定装置、支撑机架和驱动装置；上半身固定装置由多段半圆弧板和背包背板组成，半圆弧板水平设置，由两段圆弧组合而成，两段圆弧之间通过锁扣连接在一起；半圆弧板两端铰接在背包背板上，每段圆弧可旋转，实现人体上半身进入和固定；多段半圆弧板相互平行布置；支撑机架包括：髋关节支架一、大腿支架一、小腿支架一、踝关节支架一、髋关节支架二、大腿支架二、小腿支架二、踝关节支架二、脚底支撑架一和脚底支撑架二；所述驱动装置包括：髋关节驱动装置、膝关节驱动装置和踝关节驱动装置；
髋关节支架一和髋关节支架二一端分别固定设置在背包背板的两侧下方；髋关节支架一和髋关节支架二的另一端分别通过髋关节驱动装置与大腿支架一和大腿支架二的一端连接；所述髋关节驱动装置包含结构相同的左髋关节驱动装置和右髋关节驱动装置；所述左髋关节驱动装置，包含：髋关节曲柄凸轮一、髋关节转动轴一、髋关节传感器一、髋关节转动轴承一、髋关节电子刹车盘一和髋关节电动推杆一；髋关节支架一与大腿支架一之间通过髋关节转动轴一铰接，髋关节转动轴一上设有髋关节曲柄凸轮一，髋关节电动推杆一的一端安装固定在髋关节支架一上，另一端固定在髋关节曲柄凸轮一上；髋关节转动轴一设置在髋关节转动轴承一上，并匹配有髋关节传感器一和髋关节电子刹车盘一；
大腿支架一和大腿支架二的另一端分别通过膝关节驱动装置与小腿支架一和小腿支架二的一端连接；所述膝关节驱动装置包含结构相同的左膝关节驱动装置和右膝关节驱动装置；所述左膝关节驱动装置，包含：膝关节曲柄凸轮一、膝关节转动轴一、膝关节传感器一、膝关节转动轴承一、膝关节电子刹车盘一和膝关节电动推杆一，大腿支架一与小腿支架一之间通过膝关节转动轴一铰接，膝关节转动轴一上设有膝关节曲柄凸轮一，膝关节电动推杆一的一端安装固定在大腿支架一上，另一端固定在膝关节曲柄凸轮一上；膝关节转动轴一设置在膝关节转动轴承一上，并匹配有膝关节传感器一和膝关节电子刹车盘一；
小腿支架一和小腿支架二的另一端分别设有踝关节支架一和踝关节支架二；踝关节支架一和踝关节支架二分别通过踝关节驱动装置与脚底支撑架一和脚底支撑架二的一端连接，脚底支撑架一和脚底支撑架二的另一端分别与脚底拖板一和脚底拖板二连接；所述踝关节驱动装置包含结构相同的左踝关节驱动装置和右踝关节驱动装置；所述左踝关节驱动装置，包含：踝关节转动轴一、踝关节传感器一、踝关节转动轴承一、踝关节电子刹车盘一和电动摆动拉杆一，踝关节支架一与脚底支撑架一通过踝关节转动轴一铰接，电动摆动拉杆一的一端设置在踝关节支架一上，另一端与脚底拖板一连接；踝关节转动轴一设置在踝关节转动轴承一上，踝关节转动轴一匹配设有踝关节传感器一和踝关节电子刹车盘一。
所述脚底拖板一由前后两节组合而成，两节之间通过转动铰链一铰接，电动摆动拉杆一的另一端与脚底拖板一的前节连接。
所述背包背板上设有背包，用于存放电源和控制器等。所述背包背板的底部设有身体托盘，身体托盘水平布置。
所述驱动装置的驱动元件为公知公用的电动推杆和电动摆动拉杆，各个驱动装置中的传感器为公知公用的角度传感器，电子刹车盘也是公知公用的普通电子控制刹车盘；传感器位于驱动装置内部、靠近转动轴设置；电子刹车盘设置在转动轴上，电子刹车盘设置在转动轴的外圆上，形状为圆桶形，与转动轴配套。传感器将信号传递给控制器，通过控制器精确控制各关节的运动角度。在控制器中根据每个人的需求，可编程定制化程序，人体可根据需求进行行走或停止，人体行走需求只需按动控制器即可实现所需要的功能。
所述脚底拖板一形状为外八字形状，同人体足部关节相似，可以上下摆动前行。
所述大腿支架一和大腿支架二上分别设有大腿柔性绑带一和大腿柔性绑带二；所述小腿支架一和小腿支架二上分别设有小腿柔性绑带一和小腿柔性绑带二。
一种下肢外骨骼机器人的应用方法，包含如下步骤：
先把所述上半身固定装置打开，把所述小腿柔性绑带一、大腿柔性绑带一、小腿柔性绑带二和大腿柔性绑带二也打开；把双脚踩在所述脚底托板一和脚底拖板二上，系好小腿柔性绑带一、大腿柔性绑带一、小腿柔性绑带二和大腿柔性绑带二，把上半身固定装置系好；
使用者使用控制器操作，左髋关节活动可以通过控制髋关节电动推杆一来推动髋关节曲柄凸轮一转动带动髋关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；右髋关节活动可以通过控制髋关节电动推杆二来推动髋关节曲柄凸轮二转动带动髋关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；左膝关节活动可以通过控制膝关节电动推杆一来推动膝关节曲柄凸轮一转动带动膝关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；右膝关节活动可以通过控制膝关节电动推杆二来推动膝关节曲柄凸轮二转动带动膝关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；左踝关节转动由小腿支架一摆动带动踝关节转动轴承一在踝关节转动轴一上转动；右踝关节转动由小腿支架二摆动带动踝关节轴承二在踝关节转动轴上转动；进行自主站立和代步。
本发明的有益效果是：可以帮助下肢残疾或行动不便的患者进行自主站立和代步，提升下肢不便患者的自理能力和生活品质，改善健康状况，减轻患者家属的负担。
附图说明
图1为本发明实施例的站立状态正面总体结构图；
图2为本发明的站立状态背面总体结构图；
图3为本发明不带身体托盘结构图；
图4为本发明带身体托盘结构图；
图5为图2中A局部视图；
图6为图2中B局部视图；
图7为图2中C局部视图；
图8为图2中D局部视图；
图9为图2中E局部视图；
图10为图2中F局部视图；
图11为本发明髋关节立体结构图；
图12为本发明髋关节转动状态结构图；
图13为本发明膝关节及踝关节前摆状态结构图；
图14为本发明膝关节及踝关节直立状态结构图；
图15为本发明膝关节及踝关节后摆状态结构图；
图中：背包1、背包背板2、半圆弧板3、充电接口4、髋关节支架一5、髋关节电动推杆一6、髋关节曲柄凸轮一7、大腿支架一8、大腿柔性绑带一9、推杆固定架一10、膝关节电动推杆一11、膝关节曲柄凸轮一12、小腿柔性绑带一13、小腿支架一14、踝关节支架一15、摆动支架一16、电动摆动拉杆一17、脚底支撑架一18、转动铰链一19、脚底拖板一20、髋关节电动推杆二21、髋关节支架二22、髋关节曲柄凸轮二23、大腿支架二24、大腿柔性绑带二25、推杆固定架二26、膝关节电动推杆二27、膝关节曲柄凸轮二28、小腿支架二29、小腿柔性绑带二30、踝关节支架二31、摆动支架二32、脚底支撑架二33、电动摆动拉杆二34、转动铰链二35、脚底拖板二36、控制器37、电源38、髋关节转动轴一39、髋关节传感器一40、髋关节转动轴承一41、髋关节电子刹车盘一42、髋关节转动轴二43、髋关节传感器二44、髋关节转动轴承二45、髋关节电子刹车盘二46、膝关节转动轴承一47、膝关节转动轴一48、膝关节电子刹车盘一49、膝关节传感器一50、膝关节转动轴承二51、膝关节转动轴二52、膝关节电子刹车盘二53、膝关节传感器二54、踝关节传感器一55、踝关节转动轴承一56、踝关节转动轴一57、踝关节电子刹车盘一58、踝关节传感器二59、踝关节转动轴承二60、踝关节转动轴二61、踝关节电子刹车盘二62、身体托盘63。
具体实施方式
以下结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。
一种下肢外骨骼机器人，包含上半身固定装置、支撑机架和驱动装置；上半身固定装置由多段半圆弧板3和背包背板2组成，半圆弧板3水平设置，由两段圆弧组合而成，两段圆弧之间通过锁扣连接在一起；半圆弧板3两端铰接在背包背板2上，每段圆弧可旋转，实现人体上半身进入和固定；多段半圆弧板3相互平行布置；支撑机架包括：髋关节支架一5、大腿支架一8、小腿支架一14、踝关节支架一15、髋关节支架二22、大腿支架二24、小腿支架二29、踝关节支架二31、脚底支撑架一18和脚底支撑架二33；所述驱动装置包括：髋关节驱动装置、膝关节驱动装置和踝关节驱动装置；
髋关节支架一5和髋关节支架二22一端分别固定设置在背包背板2的两侧下方；髋关节支架一5和髋关节支架二22的另一端分别通过髋关节驱动装置与大腿支架一8和大腿支架二24的一端连接；所述髋关节驱动装置包含结构相同的左髋关节驱动装置和右髋关节驱动装置；所述左髋关节驱动装置，包含：髋关节曲柄凸轮一7、髋关节转动轴一39、髋关节传感器一40、髋关节转动轴承一41、髋关节电子刹车盘一42和髋关节电动推杆一6；髋关节支架一5与大腿支架一8之间通过髋关节转动轴一39铰接，髋关节转动轴一39上设有髋关节曲柄凸轮一7，髋关节电动推杆一6的一端安装固定在髋关节支架一5上，另一端固定在髋关节曲柄凸轮一7上；髋关节转动轴一39设置在髋关节转动轴承一41上，并匹配有髋关节传感器一40和髋关节电子刹车盘一42；
大腿支架一8和大腿支架二24的另一端分别通过膝关节驱动装置与小腿支架一14和小腿支架二29的一端连接；所述膝关节驱动装置包含结构相同的左膝关节驱动装置和右膝关节驱动装置；所述左膝关节驱动装置，包含：膝关节曲柄凸轮一12、膝关节转动轴一48、膝关节传感器一50、膝关节转动轴承一47、膝关节电子刹车盘一49和膝关节电动推杆一11，大腿支架一8与小腿支架一14之间通过膝关节转动轴一48铰接，膝关节转动轴一48上设有膝关节曲柄凸轮一12，膝关节电动推杆一11的一端安装固定在大腿支架一8上，另一端固定在膝关节曲柄凸轮一12上；膝关节转动轴一48设置在膝关节转动轴承一47上，并匹配有膝关节传感器一50和膝关节电子刹车盘一49；
小腿支架一14和小腿支架二29的另一端分别设有踝关节支架一15和踝关节支架二31；踝关节支架一15和踝关节支架二31分别通过踝关节驱动装置与脚底支撑架一18和脚底支撑架二33的一端连接，脚底支撑架一18和脚底支撑架二33的另一端分别与脚底拖板一20和脚底拖板二36连接；所述踝关节驱动装置包含结构相同的左踝关节驱动装置和右踝关节驱动装置；所述左踝关节驱动装置，包含：踝关节转动轴一57、踝关节传感器一55、踝关节转动轴承一56、踝关节电子刹车盘一58和电动摆动拉杆一17，踝关节支架一15与脚底支撑架一18通过踝关节转动轴一57铰接，电动摆动拉杆一17的一端设置在踝关节支架一15上，另一端与脚底拖板一20连接；踝关节转动轴一57设置在踝关节转动轴承一56上，踝关节转动轴一57匹配设有踝关节传感器一55和踝关节电子刹车盘一58。
所述脚底拖板一20由前后两节组合而成，两节之间通过转动铰链一19铰接，电动摆动拉杆一17的另一端与脚底拖板一20的前节连接，通过电动摆动拉杆一的伸缩，拉动脚底拖板一20折弯，同时上下摆动前行，脚底拖板一20为两节结构，中间通过铰链连接，脚底拖板一20可以上下弯曲。
所述背包背板2上设有背包，用于存放电源、控制器37等。背包1与背包背板2连接固定。背包1可以打开，其正常使用时关闭状态，在动力源电池电量不足需补充电量时，背包1底部下方有一个隐藏式的充电接口4，充电设备为外置式，可以使背包容量减小，重量也可以减轻，使用者使用时移动更为灵活。
所述背包背板2的底部设有身体托盘63，身体托盘63水平布置。为了下肢截肢患者也能使用，背板上可安装身体托盘63，可根据使用者身体下部的长短进行定制化设计。
所述上半身固定装置由三段半圆弧板3和背包背板2组成，三段半圆弧板3相互平行布置。
所述驱动装置的驱动元件为公知公用的电动推杆和电动摆动拉杆，各个驱动装置中的传感器为公知公用的角度传感器，电子刹车盘也是公知公用的普通电子控制刹车盘；传感器位于驱动装置内部、靠近转动轴设置；电子刹车盘设置在转动轴上，电子刹车盘设置在转动轴的外圆上，形状为圆桶形，与转动轴配套。传感器将信号传递给控制器37，通过控制器精确控制各关节的运动角度。在控制器37中根据每个人的需求，可编程定制化程序，人体可根据需求进行行走或停止，人体行走需求只需按动控制器即可实现所需要的功能。所述传感器包括：髋关节传感器一40、髋关节传感器二44、膝关节传感器一50、膝关节传感器二54、踝关节传感器一55和踝关节传感器二59。所述电子刹车盘包括：髋关节电子刹车盘一42、髋关节电子刹车盘二46、膝关节电子刹车盘一49、膝关节电子刹车盘二53、踝关节电子刹车盘一58和踝关节电子刹车盘二62。所述转动轴包括：髋关节转动轴一39、髋关节转动轴二43、膝关节转动轴一48、膝关节转动轴二52、踝关节转动轴一57和踝关节转动轴二61。
所述脚底拖板一20形状为外八字形状，同人体足部关节相似，可以上下摆动前行。
所述大腿支架一8和大腿支架二24上分别设有大腿柔性绑带一9和大腿柔性绑带二25；所述小腿支架一14和小腿支架二29上分别设有小腿柔性绑带一13和小腿柔性绑带二30。
一种下肢外骨骼机器人的应用方法，包含如下步骤：
使用者使用前，先确认电力电池电能是否足够，在背包中取出控制器37，将背包处于关闭状态；先把所述上半身固定装置打开，把所述小腿柔性绑带一13、大腿柔性绑带一9、小腿柔性绑带二30和大腿柔性绑带二25也打开；把双脚踩在所述脚底托板一20和脚底拖板二36上，系好小腿柔性绑带一13、大腿柔性绑带一9、小腿柔性绑带二30和大腿柔性绑带二25，把上半身固定装置系好；
使用者使用控制器37操作，左髋关节活动可以通过控制髋关节电动推杆一6来推动髋关节曲柄凸轮一7转动带动髋关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；右髋关节活动可以通过控制髋关节电动推杆二21来推动髋关节曲柄凸轮二23转动带动髋关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；左膝关节活动可以通过控制膝关节电动推杆一11来推动膝关节曲柄凸轮一12转动带动膝关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；右膝关节活动可以通过控制膝关节电动推杆二27来推动膝关节曲柄凸轮二28转动带动膝关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；左踝关节转动由小腿支架一14摆动带动踝关节转动轴承一56在踝关节转动轴一57上转动；右踝关节转动由小腿支架二29摆动带动踝关节轴承二60在踝关节转动轴61上转动；进行自主站立和代步。
Claims (5)
1.一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：包含上半身固定装置、支撑机架和驱动装置；上半身固定装置由多段半圆弧板（3）和背包背板（2）组成，半圆弧板（3）水平设置，由两段圆弧组合而成，两段圆弧之间通过锁扣连接在一起；半圆弧板（3）两端铰接在背包背板（2）上，每段圆弧可旋转，实现人体上半身进入和固定；多段半圆弧板（3）相互平行布置；支撑机架包括：髋关节支架一（5）、大腿支架一（8）、小腿支架一（14）、踝关节支架一（15）、髋关节支架二（22）、大腿支架二（24）、小腿支架二（29）、踝关节支架二（31）、脚底支撑架一（18）和脚底支撑架二（33）；所述驱动装置包括：髋关节驱动装置、膝关节驱动装置和踝关节驱动装置；
髋关节支架一（5）和髋关节支架二（22）一端分别固定设置在背包背板（2）的两侧下方；髋关节支架一（5）和髋关节支架二（22）的另一端分别通过髋关节驱动装置与大腿支架一（8）和大腿支架二（24）的一端连接；所述髋关节驱动装置包含结构相同的左髋关节驱动装置和右髋关节驱动装置；所述左髋关节驱动装置，包含：髋关节曲柄凸轮一（7）、髋关节转动轴一（39）、髋关节传感器一（40）、髋关节转动轴承一（41）、髋关节电子刹车盘一（42）和髋关节电动推杆一（6）；髋关节支架一（5）与大腿支架一（8）之间通过髋关节转动轴一（39）铰接，髋关节转动轴一（39）上设有髋关节曲柄凸轮一（7），髋关节电动推杆一（6）的一端安装固定在髋关节支架一（5）上，另一端固定在髋关节曲柄凸轮一（7）上；髋关节转动轴一（39）设置在髋关节转动轴承一（41）上，并匹配有髋关节传感器一（40）和髋关节电子刹车盘一（42）；
大腿支架一（8）和大腿支架二（24）的另一端分别通过膝关节驱动装置与小腿支架一（14）和小腿支架二（29）的一端连接；所述膝关节驱动装置包含结构相同的左膝关节驱动装置和右膝关节驱动装置；所述左膝关节驱动装置，包含：膝关节曲柄凸轮一（12）、膝关节转动轴一（48）、膝关节传感器一（50）、膝关节转动轴承一（47）、膝关节电子刹车盘一（49）和膝关节电动推杆一（11），大腿支架一（8）与小腿支架一（14）之间通过膝关节转动轴一（48）铰接，膝关节转动轴一（48）上设有膝关节曲柄凸轮一（12），膝关节电动推杆一（11）的一端安装固定在大腿支架一（8）上，另一端固定在膝关节曲柄凸轮一（12）上；膝关节转动轴一（48）设置在膝关节转动轴承一（47）上，并匹配有膝关节传感器一（50）和膝关节电子刹车盘一（49）；
小腿支架一（14）和小腿支架二（29）的另一端分别设有踝关节支架一（15）和踝关节支架二（31）；踝关节支架一（15）和踝关节支架二（31）分别通过踝关节驱动装置与脚底支撑架一（18）和脚底支撑架二（33）的一端连接，脚底支撑架一（18）和脚底支撑架二（33）的另一端分别与脚底拖板一（20）和脚底拖板二（36）连接；所述踝关节驱动装置包含结构相同的左踝关节驱动装置和右踝关节驱动装置；所述左踝关节驱动装置，包含：踝关节转动轴一（57）、踝关节传感器一（55）、踝关节转动轴承一（56）、踝关节电子刹车盘一（58）和电动摆动拉杆一（17），踝关节支架一（15）与脚底支撑架一（18）通过踝关节转动轴一（57）铰接，电动摆动拉杆一（17）的一端设置在踝关节支架一（15）上，另一端与脚底拖板一（20）连接；踝关节转动轴一（57）设置在踝关节转动轴承一（56）上，踝关节转动轴一（57）匹配设有踝关节传感器一（55）和踝关节电子刹车盘一（58）。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述脚底拖板一（20）由前后两节组合而成，两节之间通过转动铰链一（19）铰接，电动摆动拉杆一（17）的另一端与脚底拖板一（20）的前节连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述背包背板（2）上设有背包（1）。
4.根据权利要求1或2所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述大腿支架一（8）和大腿支架二（24）上分别设有大腿柔性绑带一（9）和大腿柔性绑带二（25）；所述小腿支架一（14）和小腿支架二（29）上分别设有小腿柔性绑带一（13）和小腿柔性绑带二（30）。
5.一种下肢外骨骼机器人的应用方法，采用权利要求1-4所限定的下肢外骨骼机器人，其特征在于包含如下步骤：先把所述上半身固定装置打开，把所述小腿柔性绑带一（13）、大腿柔性绑带一（9）、小腿柔性绑带二（30）和大腿柔性绑带二（25）也打开；把双脚踩在所述脚底托板一（20）和脚底拖板二（36）上，系好小腿柔性绑带一（13）、大腿柔性绑带一（9）、小腿柔性绑带二（30）和大腿柔性绑带二（25），把上半身固定装置系好；
使用者使用控制器（37）操作，左髋关节活动可以通过控制髋关节电动推杆一（6）来推动髋关节曲柄凸轮一（7）转动带动髋关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；右髋关节活动可以通过控制髋关节电动推杆二（21）来推动髋关节曲柄凸轮二（23）转动带动髋关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；左膝关节活动可以通过控制膝关节电动推杆一（11）来推动膝关节曲柄凸轮一（12）转动带动膝关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；右膝关节活动可以通过控制膝关节电动推杆二（27）来推动膝关节曲柄凸轮二（28）转动带动膝关节的活动帮助解决使用者的自主站立、直立行走；左踝关节转动由小腿支架一（14）摆动带动踝关节转动轴承一（56）在踝关节转动轴一（57）上转动；右踝关节转动由小腿支架二（29）摆动带动踝关节轴承二（60）在踝关节转动轴（61）上转动；进行自主站立和代步。
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