CN110292510B - 一种人体运动辅助两用式外肢体机器人 - Google Patents

一种人体运动辅助两用式外肢体机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，属于康复医疗器械领域，所示机器人包括：刚性可穿戴外衣、运动辅助模块和末端夹持爪；刚性可穿戴外衣穿于人体上半身，支撑力通过腰部传递以支撑使用者；运动辅助模块，用于在人体站立时辅助行走，还用于在人体处于坐姿时辅助完成抓取动作；末端夹持爪，用于在运动辅助模块辅助行走时平铺于地面并锁死，表现为刚性末端，还用于在运动辅助模块辅助完成抓取动作时抓取物体，表现为柔性末端。本发明既可作为人体的“第三条腿”辅助行走，又可作为人体的“手臂”协助完成抓取动作，结构紧凑，且功能集成，符合偏瘫使用者的生活习惯，有利于偏瘫患者使用。

Description

一种人体运动辅助两用式外肢体机器人
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，更具体地，涉及一种人体运动辅助两用式外肢体机器人。
背景技术
偏瘫，临床医学上又称半身不遂，是指一侧上下肢、面肌和舌肌下部的运动障碍，是由神经中枢受损进而引发急性脑血管病的一个常见症状。偏瘫的病因主要是大脑半球皮层运动中枢受损的缘故。从人的大脑半球分工来讲，右侧大脑半球通过运动中枢管控着左侧肢体运动，左侧大脑半球通过运动神经管理着右侧肢体运动。任何一侧脑半球发生病变，都会导致对侧偏瘫。两侧大脑半球最易发生病变的部位是内囊，内囊区神经纤维排列很紧密，上行和下行的纤维都从此处穿过，一旦受损，便产生对侧偏瘫、偏身感觉障碍和偏盲，即所谓“三偏征”。
轻度偏瘫病人虽然尚能活动，但走起路来，往往表现为上肢屈曲，下肢伸直的状态，瘫痪的下肢走一步划半圈，我们把这种奇怪的走路姿势，叫做偏瘫步态。偏瘫严重者常卧床不起，丧失生活能力。按照偏瘫的程度，可分为轻瘫、不完全性瘫痪和全瘫。轻瘫：表现为肌力减弱，肌力在4～5级，一般不影响日常生活，不完全性瘫较轻瘫更重，受影响范围较大，肌力2～4级，全瘫：肌力0～1级，瘫痪肢体完全不能活动，失去运动能力。
目前的康复训练主要由专业医生指导，且多在诸如医院等康复场所进行，过程耗费时间与人力，采用人为照料的方法来辅助偏瘫病人进行康复训练和照顾老年人的生活使得社会和家庭都面临着沉重的负担。因此，社会上对于一种能在日常生活中使用方便且具有保护功能，同时又能辅助偏瘫患者与老年人的行走康复训练装置机构的需求非常高。随着机器人技术的发展，越来越多的科研机构开始将机器人技术用于康复训练器材的设计。
目前的辅助站立或行走装置主要分为以下几种：被动式拐杖、被动式外骨骼、主动式助行机构；其中，被动式助行机构仍然需要借助人体有限的力量以完成站立或行走动作，不利于偏瘫患者或老年人使用。主动式助行机构体现出兼具便捷与保护功能的优势，智能化较高，但功能单一，且大多产品质量大体积大，不宜长时间使用，更不适合户外场景使用。辅助手部抓取的机器人则基本以机械臂为主，主要功能为抓取不同形状的物体，但是单纯的机械手臂空间体积大，功能单一且造价高昂。
总体而言，现有运动辅助装置存在功能单一、质量体积较大，不利于偏瘫患者使用的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种人体运动辅助两用式外肢体机器人，目的在于为偏瘫患者提供一种既可作为人体的第三条腿辅助行走，又可作为人体的手臂协助完成抓取动作，结构紧凑，且功能集成的运动辅助装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，包括：刚性可穿戴外衣、运动辅助模块和末端夹持爪；
所述刚性可穿戴外衣穿于人体上半身，支撑力通过腰部传递以支撑使用者；
所述运动辅助模块，用于在人体站立时辅助行走，还用于在人体处于坐姿时辅助完成抓取动作；
所述末端夹持爪，用于在所述运动辅助模块辅助行走时平铺于地面并锁死，表现为刚性末端，还用于在所述运动辅助模块辅助完成抓取动作时抓取物体，表现为柔性末端。
优选地，所述刚性可穿戴外衣为无袖的马甲结构。
优选地，所述运动辅助模块包括第一旋转关节、第一连杆、第二旋转关节、第二连杆、第三旋转关节、第三连杆、第四旋转关节、第四连杆、第五旋转关节和第五连杆；
所述第一旋转关节位于腰部，与所述刚性可穿戴外衣连接，同时与所述第一连杆一端连接；所述第二旋转关节与所述第一连杆另一端连接，同时与所述第二连杆一端连接；所述第三旋转关节与所述第二连杆另一端连接，同时与所述第三连杆一端连接；所述第四旋转关节与所述第三连杆另一端连接，同时与所述第四连杆一端连接；所述第五旋转关节与所述第四连杆另一端连接，同时与所述第五连杆一端连接；所述第五连杆另一端与所述末端夹持爪连接。
进一步地，使用者站立时，所述第二旋转关节、第二连杆、第三旋转关节、第三连杆、第四旋转关节、第四连杆和第五旋转关节和第五连杆共同作为人体腿部，辅助行走；
使用者处于坐姿时，所述第四旋转关节、所述第四连杆、所述第五旋转关节和所述第五连杆共同作为人体手臂，辅助抓取动作。
进一步地，所述第二旋转关节和第三旋转关节不包含驱动电机，只包含联动机构；所述第一旋转关节、第四旋转关节和第五旋转关节包含驱动电机，接受控制器信号在设定运动范围内运动。
进一步地，相邻连杆之间采用法兰型螺栓连接。
进一步地，所述的末端夹持爪包括末端执行器及其控制装置；所述控制装置放置在所述第五连接杆内部，所述末端执行器，在使用者站立状态下平铺于地面并锁死，表现为刚性末端，在使用者处于坐姿时抓取物体，表现为柔性末端。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的人体运动辅助两用式外肢体机器人充分挖掘了人体上肢与下肢功能上的异同，将其整合为一个整体，既可作为人体的“第三只脚”辅助使用者完成行走等康复工作，又可作为人体的“第三只手”，辅助使用者完成抓取动作，结构紧凑节约空间体积，功能性集成度高，符合偏瘫使用者的生活习惯。
(2)本发明借助可穿戴外衣的传递力特性，将支撑力传递给人体腋下，将腋下作为支撑力的支点，相比其他常规辅助方式作用点在人体手部，降低对偏瘫使用者的冲击，避免因为偏瘫患者上肢力量不够而无法支撑的窘境，对使用者的要求更低，更有利于偏瘫患者使用。
(3)本发明中的电机驱动具有跌倒防护的抱死装置，根据使用者的运动状态的平稳性，检测跌倒趋势，及时帮助使用者稳定控制身体，有效避免偏瘫患者的跌倒，智能化程度高，有效保障了偏瘫患者的人身安全。
(4)本发明可以在室内环境使用，也可以在特殊环境，如上下楼梯等场景下应用，通过电机及控制器带动执行机构实现对偏瘫使用者意图的识别及复现，从而完成辅助人体行走或是完成抓取物体等功能，让偏瘫使用者的生活更加自如。
(5)本发明与人体直接连接的关节设置在人体后背一侧，整体机器人的运动空间范围是人体背后及两侧，减少了对人体活动范围的干扰。
附图说明
图1是本发明的人体运动辅助两用式外肢体机器人结构示意图；
图2为本发明的人体运动辅助两用式外肢体机器人在使用者保持站立姿态时的使用示意图；
图3为本发明的人体运动辅助两用式外肢体机器人在使用者保持坐姿时的使用示意图；
其中，1为刚性可穿戴外衣，2为第一旋转关节，3为第一连杆，4为第二旋转关节，5为第二连杆，6为第三旋转关节，7为第三连杆，8为第四旋转关节，9为第四连杆，10为第五旋转关节，11为第五连杆，12为末端夹持爪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，包括：刚性可穿戴外衣1、运动辅助模块和末端夹持爪12；刚性可穿戴外衣穿于人体上半身，支撑力通过腰部传递以支撑使用者；运动辅助模块，用于在人体站立时辅助行走，还用于在人体处于坐姿时辅助完成抓取动作；末端夹持爪12，用于在运动辅助模块辅助行走时平铺于地面并锁死，表现为刚性末端，还用于在运动辅助模块辅助完成抓取动作时抓取物体，表现为柔性末端。
如图1所示，刚性可穿戴外衣1为无袖的马甲结构，运动辅助模块包括第一旋转关节2，第一连杆3，第二旋转关节4，第二连杆5，第三旋转关节6，第三连杆7，第四旋转关节8，第四连杆9，第五旋转关节10和第五连杆11；第一旋转关节2位于腰部，与刚性可穿戴外衣1连接，同时与第一连杆3一端连接；第二旋转关节4与第一连杆3另一端连接，同时与第二连杆5一端连接；第三旋转关节6与第二连杆5另一端连接，同时与第三连杆7一端连接；第四旋转关节8与第三连杆7另一端连接，同时与第四连杆9一端连接；第五旋转关节10与第四连杆9另一端连接，同时与第五连杆11一端连接；第五连杆11另一端与末端夹持爪12连接。
如图2所示，使用者站立时，第二旋转关节4、第二连杆5、第三旋转关节6、第三连杆7、第四旋转关节8、第四连杆9、第五旋转关节10和第五连杆11共同作为人体腿部，辅助行走；如图3所示，使用者处于坐姿时，第四旋转关节8、第四连杆9、第五旋转关节10和第五连杆11共同作为人体手臂，辅助抓取动作；本发明中第二旋转关节4和第三旋转关节6不包含驱动电机，只包含联动机构，采用以联动机构为基础的欠驱动方式；第一旋转关节2、第四旋转关节8和第五旋转关节10包含驱动电机，接受控制器信号在设定运动范围内运动；相邻连杆之间采用法兰型螺栓连接，以保证连接的稳定性，末端夹持爪12包括末端执行器及其控制装置；控制装置放置在第五连接杆11内部；末端执行器，在使用者站立状态下平铺于地面并锁死，表现为刚性末端，在使用者处于坐姿时抓取物体，表现为柔性末端。
本领域的技术人员容易理解，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 (5)

1.一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，其特征在于，包括：刚性可穿戴外衣(1)、运动辅助模块和末端夹持爪(12)；
所述刚性可穿戴外衣(1)穿于人体上半身，支撑力通过腰部传递以支撑使用者；
所述运动辅助模块，用于在人体站立时辅助行走，还用于在人体处于坐姿时辅助完成抓取动作；所述运动辅助模块包括第一旋转关节(2)、第一连杆(3)、第二旋转关节(4)、第二连杆(5)、第三旋转关节(6)、第三连杆(7)、第四旋转关节(8)、第四连杆(9)、第五旋转关节(10)和第五连杆(11)；
所述第一旋转关节(2)位于腰部，与所述刚性可穿戴外衣连接，同时与所述第一连杆(3)一端连接；所述第二旋转关节(4)与所述第一连杆(3)另一端连接，同时与所述第二连杆(5)一端连接；所述第三旋转关节(6)与所述第二连杆(5)另一端连接，同时与所述第三连杆(7)一端连接；所述第四旋转关节(8)与所述第三连杆(7)另一端连接，同时与所述第四连杆(9)一端连接；所述第五旋转关节(10)与所述第四连杆(9)另一端连接，同时与所述第五连杆(11)一端连接；所述第五连杆(11)另一端与所述末端夹持爪(12)连接；使用者站立时，所述第二旋转关节(4)、第二连杆(5)、第三旋转关节(6)、第三连杆(7)、第四旋转关节(8)、第四连杆(9)和第五旋转关节(10)和第五连杆(11)共同作为人体腿部，辅助行走；
使用者处于坐姿时，所述第四旋转关节(8)、所述第四连杆(9)、所述第五旋转关节(10)和所述第五连杆(11)共同作为人体手臂，辅助抓取动作；
所述末端夹持爪(12)，用于在所述运动辅助模块辅助行走时平铺于地面并锁死，表现为刚性末端；还用于在所述运动辅助模块辅助完成抓取动作时抓取物体，表现为柔性末端。
2.根据权利要求1所述的一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，其特征在于，所述刚性可穿戴外衣为无袖的马甲结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，其特征在于，所述第二旋转关节(4)和第三旋转关节(6)不包含驱动电机，只包含联动机构；所述第一旋转关节(2)、第四旋转关节(8)和第五旋转关节(10)包含驱动电机，接受控制器信号在设定运动范围内运动。
4.根据权利要求1所述的一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，其特征在于，相邻连杆之间采用法兰型螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于人体运动辅助的两用式外肢体机器人，其特征在于，所述的末端夹持爪包括末端执行器及其控制装置；所述控制装置放置在所述第五连杆(11)内部，所述末端执行器，在使用者站立状态下平铺于地面并锁死，表现为刚性末端，在使用者处于坐姿时抓取物体，表现为柔性末端。
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