CN111230897A - 一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置，该驱动装置为功能外衣提供髋或踝关节的辅助力输入，可绑缚于人体腰部，装置本体放置于腰后侧，电池组放置于腹部前侧。该驱动装置包括腹部环带、弓形底板、电池组、2个牵引单元、鲍登线单元、外壳、控制板、散热风扇、布带附件等，牵引单元、控制板、散热风扇及外壳等均安装在弓形底板上。绞盘外侧设置了弧形沟槽和通孔，较好地固定了钢丝绳，同时通过控制绞盘与绞盘底座的半径差值，实现钢丝绳的防脱落功能。该装置具有结构紧凑、体积小、集成度高、方便携带等优势，可发挥钢丝绳的快速牵引和释放性能。

Description

一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置，具体说，涉及关节驱动装置。

背景技术

柔性助力机器人可在一定程度上解决和避免助力外骨骼存在的人机关节难以对齐、附加质量大、步态不一致等问题。国内外一些院校的实验室和医疗机构相继开展了穿戴式柔性助力机器人的相关研究，研制了多种相关样机和产品，以增强腰部及下肢的肌肉力量、降低代谢消耗、延缓疲劳，如加拿大皇后大学的PLAD、北海道大学的Smart Suit及河南科技大学的腰部助力机器人、哈佛大学的Soft Exosuit及日本冈山大学的Power AssistWear等。柔性助力机器人从人因工程学角度出发，采用柔性材料(布带、气动肌肉等)，穿戴及包覆在下肢周围，人体骨骼作为支撑构件，可实现与下肢生物力学更好的人机相容性和穿戴舒适性，在助力装置本体中，没有刚性连杆和机械关节的设计，不需要人机关节轴线精确对齐，对人体关节自由度影响较小，穿戴者可在紧急情况下执行避险动作，避免了因人机运动学不相容导致的与助力无关的附加力/矩，且能够最大限度的减小助力装置自身的质量、体积等引起的附加机械阻抗和自由度限制。柔性助力机器人具有质量轻、人机相容性好、结构柔顺、人机穿戴舒适性好等关键优势。

发明内容

本发明的目的在于提供双关节驱动装置，为柔性助力外衣提供动力，以实现上述功能和目标。

本发明的实施例提供了一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置，其特征在于，该驱动装置作为驱动单元，可为功能外衣提供髋或踝关节的辅助力输入，可绑缚于人体腰部；该驱动装置包括腹部环带、弓形底板、电池组、2个牵引单元、鲍登线单元、外壳、控制板、散热风扇、布带附件等，牵引单元、控制板、散热风扇及外壳等均安装在弓形底板上，牵引单元包括左牵引单元和右牵引单元；驱动装置本体和电池组分别绑缚于腹部环带的后侧与前侧，驱动装置本体位于腰后侧，电池组位于腹部前侧。

进一步，弓形底板的后侧与人体背部轮廓吻合，呈弓形，控制板、外壳和散热风扇均安装在弓形底板上，左牵引单元和右牵引单元平行地放置并安装在弓形底板上，且轴线不重合。

进一步，右牵引单元包括直流电机、减速器、编码器、绞盘底座、绞盘、压绳板和保护外罩，鲍登线单元的钢丝绳缠绕在绞盘的外侧沟槽内，在绞盘的一侧设置了扇形凹槽，扇形凹槽内含有相切于外侧沟槽的弧形凹槽，在弧形凹槽末端设置了垂直于绞盘的通孔，钢丝绳的固定端沿弧形凹槽穿过通孔，压绳板将钢丝绳压紧，压绳板外形与扇形凹槽相同，通过螺钉固定在扇形凹槽处。绞盘位于绞盘底座内部腔体内，绞盘外轮廓直径与绞盘底座的内部腔体半径差值小于钢丝绳直径，防止钢丝绳从绞盘的外侧沟槽中脱出。

进一步，左牵引单元与右牵引单元采用相同的结构组成。

与现有技术相比本发明的有益效果是：(1)具有结构紧凑、体积小、集成度高、方便携带等优势；(2)牵引单元的钢丝绳固定和防跳设计大幅提高钢丝绳的快速收缩和释放性能。

附图说明

图1是下肢柔性助力外衣系统的正视图；

图2是驱动装置的轴侧视图；

图3是驱动装置的后轴侧视图；

图4是驱动装置的俯视图；

图5是电池组的轴侧视图；

图6是弓形底座的轴侧视图；

图7是驱动装置内部结构的轴侧视图；

图8是右牵引单元的爆炸视图；

图9是绞盘的局部结构视图。

图10是牵引单元的工作原理；

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图10所示，图1是下肢柔性助力外衣系统的正视图，图2是驱动装置的轴侧视图，图3是驱动装置的后轴侧视图，图4是驱动装置的俯视图，图5是电池组的轴侧视图，图6是弓形底座的轴侧视图，图7是驱动装置内部结构的轴侧视图，图8是右牵引单元的爆炸视图，图9是绞盘的局部结构视图，图10是牵引单元的工作原理。

本实施例提供了一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置，参图1所示，该双关节驱动装置用于驱动下肢功能外衣本体，驱动装置牵引鲍登线单元的钢丝绳，钢丝绳固定在待助力关节的上部和下部，钢丝绳收缩时可辅助下肢髋或踝关节运动，进而实现对下肢关节的助力。该功能外衣本体穿戴于人体1的下肢，可为髋关节前屈运动与后伸运动、踝关节趾屈运动与背伸运动提供单个运动方式提供助力，共4种助力方式，分别为：髋前屈助力、髋后伸助力、踝趾屈助力及踝背伸助力。根据健康人员或者下肢运动障碍患者的需求，从4种助力方式中选择合适的方式，如针足下垂或者脚尖下垂患者，可在下肢踝关节的前侧增加鲍登线单元，在行走中钢丝绳牵引脚面，使得患者能够抬起脚尖，提高步长和行走效率。

为了清晰表述该功能外衣本体的具体结构，仅在人体1的右腿标注出外衣本体的结构组成，参见图1和图9，该功能外衣本体包括驱动装置9、电池组10、底层外衣、腹部环带2、腰环带3、大腿环带4、小腿环带5、鲍登线单元、上锚点固定单元12、下锚点固定附件14、惯性传感器、拉力传感器等组成，鲍登线单元包括外管11和钢丝绳13，腰环带3缝合于底层外衣的上部并且处于人体1的胯骨上方，大腿环带4缝合于底层外衣的大腿中段，小腿环带5缝合于底层外衣的膝位与小腿中段之间，且小腿环带5固定于腓肠肌的中上部。在腰环带4和小腿环带5的前侧和后侧，分别设计了两处加厚接口，上锚点固定单元12的上端与加厚接口连接，可采用缝合或铆接的方式。在功能外衣本体上安装了若干惯性传感器(简称IMU)用于下肢步态检测和预测，为驱动单元牵引鲍登线单元提供开始和结束时刻点。腰IMU 6固定于腰环带4的前侧，大腿IMU 7和小腿IMU 8均固定于大腿环带4和小腿环带5的外侧。柔性助力外衣本体采用鲍登线单元，将驱动装置9的动力传递至髋关节或踝关节，驱动装置9采用直流电机24，所需的电源由电池组10提供，驱动装置9和电池组10分别固定在腹部环带2的后侧和前侧，可以将两者的重量均匀分布于人体1前后两侧，维持人体1的平衡性。

本发明的实施例参见图2～10，双关节该驱动装置10包括腹部环带2、弓形底板20、电池组10、2个牵引单元、鲍登线单元、外壳17、控制板21、散热风扇22、布带附件18等，牵引单元、控制板21、散热风扇22及外壳17等均安装在弓形底板上，牵引单元包括左牵引单元15和右牵引单元16。驱动装置本体和电池组10分别绑缚于腹部环带2的后侧与前侧，驱动装置本体位于腰后侧，电池组10位于腹部前侧。有两套鲍登线单元与左牵引单元15和右牵引单元16配合，鲍登单元包含外管11和钢丝绳13，外壳17处于最外侧并将内部结构进行防护，外壳17外部呈弧形结构，如图2和图4所示。布带附件18的数量为四个，分别安装在弓形底板20的上部和下部，便于将驱动装置与腹部环带2连接，鲍登线单元从靠近人体位置延伸出来，如图3所示。电池组10包括电池盒31、12只锂电池32和上盖33组成，电池组10的质量较大，放置于腹部前方并和腹部环带2固定，腹部环带2的前侧缝制一个布带，电池组10放入布带内。

参见图6和图7，本实施例中的弓形底板20的后侧与人体背部轮廓吻合，呈弓形，在弓形底板20的前侧设计相应的凸台结构，用于固定牵引单元15、控制板21等。左牵引单元15和右牵引单元16平行地放置在弓形底板20的前侧凸起结构上，两者的轴线不重合，可降低该驱动装置的轴向尺寸，进一步，采用金属薄带34将牵引单元16牢固地箍紧在弓形底板20上。两个散热风扇22采用螺钉连接的方式，固定在弓形底板20的下侧。两块控制板21用于驱动左牵引单元15和右牵引单元16，同样采用螺钉固定在弓形底板20上。外壳17将所有易损零部件包裹住，通过螺钉固定在弓形底板20的四周。由于弓形底板20的结构较为复杂，可采用光固化的3D打印方式进行制作，材料选用高强度树脂，能够达到强度要求。

参见图8、9和10，对本实施例的右牵引单元16进一步剖析，右牵引单元16包括直流电机24、减速器25、编码器23、绞盘底座26、绞盘27、压绳板28和保护外罩29，编码器23、直流电机24与减速器25相互配合在一起，从电机生产商处可统一订购，绞盘底座26采用螺钉连接的方式，固定在减速器25的端面上，绞盘27直接安装在减速器25的输出轴上，保护外壳29与绞盘底座26通过四颗螺钉30连接在一起，形成封闭的工作腔体。鲍登线单元的钢丝绳13缠绕在绞盘27的外侧沟槽内，在绞盘的一侧设置了扇形凹槽，在扇形凹槽内含有相切与外侧沟槽的弧形凹槽，在弧形凹槽末端设置了垂直于绞盘的通孔，钢丝绳27的固定端沿弧形凹槽穿过通孔，压绳板28将钢丝绳13压紧，压绳板28外形与扇形凹槽相同，通过螺钉固定在扇形凹槽处。绞盘27位于绞盘底座26内部腔体内，绞盘27外轮廓直径与绞盘底座26的内部腔体半径差值小于钢丝绳13直径，防止钢丝绳13从绞盘27的外侧沟槽中脱出，如图9所示。同时，左牵引单元15与右牵引单元16采用相同的结构组成。

参见图10，在本实施例中，右牵引单元16的绞盘27顺时针旋转式，钢丝绳13被缠绕在绞盘27的外侧沟槽内，钢丝绳13完成收缩和牵引动作，外管11的前端固定在绞盘底座上，钢丝绳13的动作如图10中的箭头标注所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (2)

1.一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置，其特征在于：

该驱动装置包括腹部环带、弓形底板、电池组、2个牵引单元、鲍登线单元、外壳、控制板、散热风扇、布带附件，牵引单元、控制板、散热风扇及外壳均安装在弓形底板上，牵引单元包括左牵引单元和右牵引单元；

驱动装置本体和电池组分别绑缚于腹部环带的后侧与前侧，驱动装置本体位于腰后侧，电池组位于腹部前侧；

弓形底板的后侧与人体背部轮廓吻合，呈弓形，控制板、外壳和散热风扇均安装在弓形底板上；

左牵引单元和右牵引单元平行地放置并安装在弓形底板上，且轴线不重合。

2.根据权利要求1所述的一种用于下肢功能外衣的双关节驱动装置，其特征在于，右牵引单元包括直流电机、减速器、编码器、绞盘底座、绞盘、压绳板和保护外罩；

鲍登线单元的钢丝绳缠绕在绞盘的外侧沟槽内，在绞盘的一侧设置了扇形凹槽，扇形凹槽内含有相切于外侧沟槽的弧形凹槽，在弧形凹槽末端设置了垂直于绞盘的通孔，钢丝绳的固定端沿弧形凹槽穿过通孔，压绳板将钢丝绳压紧，压绳板外形与扇形凹槽相同，通过螺钉固定在扇形凹槽处；

绞盘位于绞盘底座内部腔体内，绞盘外轮廓直径与绞盘底座的内部腔体半径差值小于钢丝绳直径，防止钢丝绳从绞盘的外侧沟槽中脱出；

左牵引单元与右牵引单元采用相同的结构组成。

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