CN111035539B - 一种助行并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种助行并联机器人，包括鞍座装置、主撑杆装置、副撑杆装置、驱动轮装置、随动轮装置、底盘装置，充分考虑下肢失能患者步态过程中骨盆的三维运动状态，做了符合人体工学的三杆并联机械结构设计，使得鞍座装置被支撑驱动后能够获得仿生运动姿态，双主轮电机可为主动轮提供强劲的滚动扭矩，舵轮电机可控制机器人转向，使其能够灵活及时的响应使用者的前行和转身需求，实现自由的辅助行走，人机交互体验感良好，可用于辅助有运动功能障碍的使用者实现仿生步态行走，配合安全带束缚使用，可有效防止使用者在行走过程中发生前后跌倒或竖直瘫倒，确保辅助行走和安全防护，填补了领域空白，利于家庭化普及和推广。

Description

一种助行并联机器人

技术领域

本发明涉及助行康复运动设备领域，特别涉及一种助行并联机器人。

背景技术

当前我国人口呈现出老龄化和少子化趋势，伴随而来的便是独居生活的老龄人口数量逐年增加。人体运动机能逐渐弱化的主要表现是无法独立站起、行走等。为康复或辅助人体运动机能，并且降低护理者的体力消耗，研发高端的康复运动辅助设备十分必要。

目前市场上康复辅助设备种类繁多，经过对现有发明专利的检索发现，中国专利申请号：2014100730199，公开了一种家用小型的下肢康复锻炼机器人，该机器人利用悬挂支撑系统对人体减重，然后通过脚踏板与导轨实现足部轨迹与人足部轨迹的近似拟合，实现对患者的康复辅助训练。该机器人为固定落位式，底盘区域无法实现跟随移动式辅助步行，并且体积较大，不适合家庭化应用。中国专利申请号：201110430357X，公开了一种康复助行机器人及其控制系统，，机器人通过扶手处的传感器感知人机交互压力的大小与方向，判断其行进或倾倒方向，进而控制底盘移动，实现跟随式保护与防跌倒功能。该机器人仅适用于有独立行走能力的用户，因无法对用户实现助力，不适于下肢运动功能障碍患者使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种依据人体运动动力学原理设计的助行并联机器人，通过三杆并联的机械结构设计，以及智能化的电机控制原理，使人机交互体验感良好，可用于辅助有运动功能障碍的使用者实现健康仿生的步态行走。双主动电机可为主动轮提供强劲的滚动扭矩，舵轮电机可控制机器人助行过程中的转向，使其能够灵活及时的响应使用者的前行和转身需求，实现自由的辅助行走。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种助行并联机器人，包括鞍座装置1、主撑杆装置2、副撑杆装置3、驱动轮装置4、随动轮装置5、底盘装置6。所述鞍座装置1底面三点位置与主撑杆装置2和两个副撑杆装置3的上端固连，主撑杆装置2下端固定在驱动轮装置4上；两个副撑杆装置3下端分别焊接固定在底盘装置6中的相应位置；两组驱动轮装置4和两组随动轮装置5分别固定在底盘装置6的前后和左右四个接点位置，带动整体结构在地面上实现前后移动或者转向移动。

所述的鞍座装置1包括腰带101、卡扣102、束带103、鞍座片104。所述腰带101中点处固连在鞍座片104后上端位置，两端分别向前环绕延展后卡接固定在前置的卡扣102的左右两端内部，束带103上端卡接固定在卡扣102下面的开孔内部，束带103下端固定在鞍座片104前端开槽处，鞍座片104为用户在坐姿或站姿时提供支撑，并且通过腰带101、卡扣102和束带103卡接固定后，对用户骨盆及腰部实施安全绑缚固定。

所述的主撑杆装置2包括主撑杆上支座201、第一销轴202、主液压杆203、主液压缸204、主撑杆205、螺帽206、螺栓销轴207、主撑杆下支座208。所述主撑杆上支座201向上固定在鞍座片104下表面的中心点处，主液压杆203上端通过第一销轴202铰接固定在主撑杆上支座201上，可实现铰接转动，主液压杆203下段内嵌在主液压缸204内，可通过电控实现伸缩效果；主液压缸204下端与主撑杆205上端固连，主撑杆205下端开孔，通过螺栓销轴207和螺帽206与主撑杆下支座208铰接。

所述的副撑杆装置3包括副撑杆上支座301、第二销轴302、副液压杆303、副液压缸304、副撑杆305、球窝支座306。所述副液压杆303的上端通过第二销轴302铰接在副撑杆上支座301上，副液压杆303下段内嵌在副液压缸304内，可通过电控实现伸缩效果，所述副液压缸304下端焊接固定在副撑杆305上端，副撑杆305下端球头铰接内嵌在球窝支座306内。

所述的驱动轮装置4包括舵轮电机401、舵轮电机输出轴402、固定连接件403、轴承404、U型主动轮支座405、主轮406、主轮电机407、封装壳408。所述舵轮电机401固定在固定连接件403的上层，舵轮电机输出轴402穿过固定连接件403中间层所开孔和下层所开孔后，过盈穿过轴承404，最后与U型主动轮支座405上端内螺纹紧固，所述轴承404固定在固定连接件403下层的开孔内，主轮406内置于U型主动轮支座405内部，主轮电机407通过封装壳408固定安装在U型主动轮支座405的一侧，驱动主轮406转动，所述驱动轮装置4中的舵轮电机401在调整舵轮电机输出轴402转动方向的同时，主轮电机407可驱动主轮406滚动，进而可带动底盘装置6在地面上实现移动，通过调整前后两个主轮电机407驱动两个主轮406之间的滚动速度差，可实现前后两个驱动轮装置4之间的距离变化，进而实现底盘装置6的变形。

所述的随动轮装置5包括上螺帽501、下螺帽502、球帽支座503、球轮504。所述球帽支座503向下紧固封装球轮504，向上通过上螺帽501和下螺帽502固定在底盘装置6上。

所述的底盘装置6包括后右曲梁601、后左曲梁602、前右曲梁603、前左曲梁604、电池605。所述后右曲梁601、后左曲梁602、前右曲梁603和前左曲梁604顺序首尾相接，在前后左右四个位置形成对位的铰接孔，所述两组驱动轮装置4分别嵌入前后两个铰接孔内进行固定，所述两组随动轮装置5分别嵌入左右两个铰接孔内，通过上螺帽501和下螺帽502进行固定，最终底盘装置6的四条曲梁首尾铰接相连，可实现自由张合变形的四边形结构；所述两块电池605分别封装固定在前右曲梁603和前左曲梁604下端内部，为设备提供直流供电。

本发明的有益效果在于：充分考虑下肢失能患者步态行进过程中骨盆的三维运动状态，做了符合人体工学的机械结构设计，三杆并联的机械结构设计，使得鞍座装置能够获得更好的运动姿态控制效果，保证了人体行走过程中的仿生学运动特征，使用户能够自主自由的实现辅助行走，可实现前行和转向功能；可调的机械结构使本发明的机器人适合不同身高的用户使用，本发明适于下肢功能障碍患者在室内或室外平地上行走使用，配合安全带束缚使用，可有效防止使用者在行走过程中发生前后跌倒或竖直瘫倒，真正可实现辅助行走和安全防护。友好的使用体验、轻量化的自重与低廉的加工成本，填补了领域空白，利于家庭化使用的普及和推广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的一种助行并联机器人在高位使用时的等轴视图

图2为本发明的一种助行并联机器人在低位使用时等轴视图

图3为本发明的鞍座装置的结构示意图

图4为本发明的主撑杆装置的结构爆炸图

图5为本发明的副撑杆装置的结构爆炸图

图6为本发明的驱动轮装置的结构爆炸图

图7为本发明的随动轮装置的结构爆炸图

图8为本发明的底盘装置的结构爆炸图

图9为本发明的软件控制流程图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

如图1和图2所示，一种助行并联机器人，包括鞍座装置1、主撑杆装置2、副撑杆装置3、驱动轮装置4、随动轮装置5、底盘装置6。所述鞍座装置1底面三点位置与主撑杆装置2和两个副撑杆装置3的上端固连，主撑杆装置2下端固定在驱动轮装置4上；两个副撑杆装置3下端分别焊接固定在底盘装置6中的相应位置；两组驱动轮装置4和两组随动轮装置5分别固定在底盘装置6的前后和左右四个接点位置，带动整体结构在地面上实现前后移动或者转向移动。

如图3所示，所述鞍座装置1包括腰带101、卡扣102、束带103、鞍座片104。所述腰带101中点处固连在鞍座片104后上端位置，两端分别向前环绕延展后卡接固定在前置的卡扣102的左右两端内部，束带103上端卡接固定在卡扣102下面的开孔内部，束带103下端固定在鞍座片104前端开槽处，鞍座片104为用户在坐姿或站姿时提供支撑，并且通过腰带101、卡扣102和束带103卡接固定后，对用户骨盆及腰部实施安全绑缚固定。

如图4所示，所述主撑杆装置2包括主撑杆上支座201、第一销轴202、主液压杆203、主液压缸204、主撑杆205、螺帽206、螺栓销轴207、主撑杆下支座208。所述主撑杆上支座201向上固定在鞍座片104下表面的中心点处，主液压杆203上端通过第一销轴202铰接固定在主撑杆上支座201上，可实现铰接转动，主液压杆203下段内嵌在主液压缸204内，可通过电控实现伸缩效果；主液压缸204下端与主撑杆205上端固连，主撑杆205下端开孔，通过螺栓销轴207和螺帽206与主撑杆下支座208铰接。

如图5所示，所述副撑杆装置3包括副撑杆上支座301、第二销轴302、副液压杆303、副液压缸304、副撑杆305、球窝支座306。所述副液压杆303的上端通过第二销轴302铰接在副撑杆上支座301上，副液压杆303下段内嵌在副液压缸304内，可通过电控实现伸缩效果，所述副液压缸304下端焊接固定在副撑杆305上端，副撑杆305下端球头铰接内嵌在球窝支座306内。

如图6所示，所述驱动轮装置4包括舵轮电机401、舵轮电机输出轴402、固定连接件403、轴承404、U型主动轮支座405、主轮406、主轮电机407、封装壳408。所述舵轮电机401固定在固定连接件403的上层，舵轮电机输出轴402穿过固定连接件403中间层所开孔和下层所开孔后，过盈穿过轴承404，最后与U型主动轮支座405上端内螺纹紧固，所述轴承404固定在固定连接件403下层的开孔内，主轮406内置于U型主动轮支座405内部，主轮电机407通过封装壳408固定安装在U型主动轮支座405的一侧，驱动主轮406转动，所述驱动轮装置4中的舵轮电机401在调整舵轮电机输出轴402转动方向的同时，主轮电机407可驱动主轮406滚动，进而可带动底盘装置6在地面上实现移动，通过调整前后两个主轮电机407驱动两个主轮406之间的滚动速度差，可实现前后两个驱动轮装置4之间的距离变化，进而实现底盘装置6的变形。

如图7所示，所述随动轮装置5包括上螺帽501、下螺帽502、球帽支座503、球轮504。所述球帽支座503向下紧固封装球轮504，向上通过上螺帽501和下螺帽502固定在底盘装置6上。

如图8所示，所述底盘装置6包括后右曲梁601、后左曲梁602、前右曲梁603、前左曲梁604、电池605。所述后右曲梁601、后左曲梁602、前右曲梁603和前左曲梁604顺序首尾相接，在前后左右四个位置形成对位的铰接孔，所述两组驱动轮装置4分别嵌入前后两个铰接孔内进行固定，所述两组随动轮装置5分别嵌入左右两个铰接孔内，通过上螺帽501和下螺帽502进行固定，最终底盘装置6的四条曲梁首尾铰接相连，可实现自由张合变形的四边形结构；所述两块电池605分别封装固定在前右曲梁603和前左曲梁604下端内部，为设备提供直流供电。

如图9所示，所述一种助行并联机器人由软件控制实现，作为一种优选实例，用户使用本发明的一种助行并联机器人时，当选择全向移位、调姿功能时，前后两组驱动轮装置4中的主轮406被主轮电机407同速驱动，使得前后两组驱动轮装置4在同向运动的时并不产生相对位置变化，因此底盘装置6在两组驱动轮装置4和两组随动轮装置5的四点向上支撑和水平移动下，未发生形状变化，却可以在地面上移动；当前后两个主轮406同速向前滚动，舵轮电机401控制舵轮电机输出轴402保持正前方向时，底盘装置6向前移动，当舵轮电机输出轴402根据用户意图而转变方向角时，则底盘装置6前行并发生转向移动，去往用户预期的位置，反向移动原理亦然；当选择仿生助行功能时，其中第一种情况是驱动轮装置4同速同向运转，底盘装置6不产生形状变化，仅正向前行，同时控制主撑杆装置2和两组副撑杆装置3的三杆并联结构，进而驱动鞍座装置1带动用户骨盆按照健康步态时骨盆在人体矢状面内的仿生运动轨迹运动，实现准仿生助力前行功能，其中第二种情况是两组驱动轮装置4差速同向转动，则左右两组随动轮装置5之间的距离也随动变化，底盘装置6产生形状变化，同时控制主撑杆装置2和两组副撑杆装置3的三杆并联结构驱动鞍座装置1，进而带动用户骨盆按照健康步态时三维运动状态下的骨盆仿生运动轨迹运动，实现张合仿生助力前行的功能；当选择跌倒防摔功能时，主要适于行走运动康复初期的患者使用，当用户突然发生摔倒状态，通过辨识人机交互加速度突增信号，紧急启动前后驱动轮装置4中的主轮406同速转动，底盘装置6形状保持不变，舵轮电机输出轴402转向人体摔倒过程中身体质心在地面投影的方向，同时保持主撑杆装置2和两组副撑杆装置3的三杆长度不变，则所述一种助行并联机器人的机械结构保持稳定，并且整体机械结构向着保护用户摔倒的方向快速响应移动，最终实现跌倒防摔功能。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种助行并联机器人，其特征在于：包括鞍座装置（1）、主撑杆装置（2）、副撑杆装置（3）、驱动轮装置（4）、随动轮装置（5）、底盘装置（6），所述鞍座装置（1）底面三点位置与主撑杆装置（2）和两个副撑杆装置（3）的上端固连，主撑杆装置（2）与副撑杆装置（3）均可通过电控实现伸缩效果，主撑杆装置（2）下端固定在驱动轮装置（4）上；两个副撑杆装置（3）下端分别焊接固定在底盘装置（6）中的相应位置；两组驱动轮装置（4）和两组随动轮装置（5）分别固定在底盘装置（6）的前后和左右四个接点位置，带动整体结构在地面上实现前后移动或者转向移动；底盘装置（6）包括后右曲梁（601）、后左曲梁（602）、前右曲梁（603）、前左曲梁（604）、电池（605），所述后右曲梁（601）、后左曲梁（602）、前右曲梁（603）和前左曲梁（604）顺序首尾相接，在前后左右四个位置形成对位的铰接孔，所述两组驱动轮装置（4）分别嵌入前后两个铰接孔内进行固定，所述两组随动轮装置（5）分别嵌入左右两个铰接孔内，通过上螺帽（501）和下螺帽（502）进行固定，最终底盘装置（6）的四条曲梁首尾铰接相连，可实现自由张合变形的四边形结构；所述电池（605）分别封装固定在前右曲梁（603）和前左曲梁（604）下端内部，为设备提供直流供电。

2.根据权利要求1所述的一种助行并联机器人，其特征在于：鞍座装置（1）包括腰带（101）、卡扣（102）、束带（103）、鞍座片（104），所述腰带（101）中点处固连在鞍座片（104）后上端位置，两端再分别向前环绕延展后卡接固定在前置的卡扣（102）的左右两端内部，束带（103）上端卡接固定在卡扣（102）下面的开孔内部，束带（103）下端固定在鞍座片（104）前端开槽处，鞍座片（104）为用户在坐姿或站姿时提供支撑，并且通过腰带（101）、卡扣（102）和束带（103）卡接固定后，对用户骨盆及腰部实施安全绑缚固定。

3.根据权利要求1所述的一种助行并联机器人，其特征在于：主撑杆装置（2）包括主撑杆上支座（201）、第一销轴（202）、主液压杆（203）、主液压缸（204）、主撑杆（205）、螺帽（206）、螺栓销轴（207）、主撑杆下支座（208），所述主撑杆上支座（201）向上固定在鞍座片（104）下表面的中心点处，主液压杆（203）上端通过第一销轴（202）铰接固定在主撑杆上支座（201）上，可实现铰接转动，主液压杆（203）下段内嵌在主液压缸（204）内，可通过电控实现伸缩效果；主液压缸（204）下端与主撑杆（205）上端固连，主撑杆（205）下端开孔，通过螺栓销轴（207）和螺帽（206）与主撑杆下支座（208）铰接。

4.根据权利要求1所述的一种助行并联机器人，其特征在于：副撑杆装置（3）包括副撑杆上支座（301）、第二销轴（302）、副液压杆（303）、副液压缸（304）、副撑杆（305）、球窝支座（306），所述副液压杆（303）的上端通过第二销轴（302）铰接在副撑杆上支座（301）上，副液压杆（303）下段内嵌在副液压缸（304）内，可通过电控实现伸缩效果，所述副液压缸（304）下端焊接固定在副撑杆（305）上端，副撑杆（305）下端球头铰接内嵌在球窝支座（306）内。

5.根据权利要求1所述的一种助行并联机器人，其特征在于：驱动轮装置（4）包括舵轮电机（401）、舵轮电机输出轴（402）、固定连接件（403）、轴承（404）、U型主动轮支座（405）、主轮（406）、主轮电机（407）、封装壳（408），所述舵轮电机（401）固定在固定连接件（403）的上层，舵轮电机输出轴（402）穿过固定连接件（403）中间层所开孔和下层所开孔后，过盈穿过轴承（404），最后与U型主动轮支座（405）上端内螺纹紧固，所述轴承（404）固定在固定连接件（403）下层的开孔内，主轮（406）内置于U型主动轮支座（405）内部，主轮电机（407）通过封装壳（408）固定安装在U型主动轮支座（405）的一侧，驱动主轮（406）转动，所述驱动轮装置（4）中的舵轮电机（401）在调整舵轮电机输出轴（402）转动方向的同时，主轮电机（407）可驱动主轮（406）滚动，进而可带动底盘装置（6）在地面上实现移动，通过调整前后两个主轮电机（407）驱动两个主轮（406）之间的滚动速度差，可实现前后两个驱动轮装置（4）之间的距离变化，进而实现底盘装置（6）的变形。

6.根据权利要求1所述的一种助行并联机器人，其特征在于：随动轮装置（5）包括上螺帽（501）、下螺帽（502）、球帽支座（503）、球轮（504），所述球帽支座（503）向下紧固封装球轮（504），向上通过上螺帽（501）和下螺帽（502）固定在底盘装置（6）上。

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