CN111616926A - 一种外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械，具体涉及一种外骨骼机器人，其包括主控包、腰部支撑、左右侧两个大腿腿部装置、左右侧两个小腿腿部装置、左右侧两个脚部装置和关节机构；所述主控包中设有电池、稳压器和主控制板，所述主控包安装在腰部支撑上；所述大腿腿部装置和小腿腿部装置均包括腿组件，所述腿组件包括主腿板、固设在主腿板外侧用于驱动对应关节机构的驱动件和固设在主腿板内侧的固腿机构，所述主腿板的上端与对应的关节机构转动连接。本发明这种结构简单、成本低廉、坚实可靠耐用，只需要四个电机驱动各关节位置的变化即可实现自主行走、日常生活、起坐等下肢康复练习，改善了传统采用屈伸电机和旋转电机配合及其行走舒适性差的缺陷。

Description

一种外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械，具体涉及一种轻量化可穿戴下肢外骨骼机器人。

背景技术

我国人口老龄化问题日益严重，已成为老龄人口最多的国家，也是人口老龄化速度最快的国家之一，据联合国统计，至本世纪中叶将有5亿中国人口超过60岁，中国家庭和政府将面临空前严峻的养老和医疗护理压力。高龄人群由于机能老化，下肢行走能力衰退，给日常生活造成不便，偏瘫、中风等疾病也在老年人中常见。从当代医学理论和临床医学实践证明，对肢体运动功能的恢复和提高，除了必要的医疗手段外，给予科学正确的康复性训练相当重要。下肢外骨骼机器人能够有效地辅助患有以上疾病的患者进行康复性训练，同时也能为下肢行动不便的老年人提供助力。

然而现存的下肢外骨骼机器人大多结构复杂且装置笨重生产成本高昂，同时其采用的动力源和传感器设备众多，导致控制难度大，穿戴不便，且不易携带，市场推广性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种可穿戴的下肢外骨骼机器人，其结构简单、成本低廉、坚实可靠耐用，只需要四个电机驱动各关节位置的变化即可实现自主行走、日常生活、起坐等下肢康复练习，改善了传统采用屈伸电机和旋转电机配合及其行走舒适性差的特点。本发明采用的技术方案如下：

一种外骨骼机器人，包括主控包、腰部支撑、左右侧两个大腿腿部装置、左右侧两个小腿腿部装置、左右侧两个脚部装置和关节机构；

所述关节机构包括髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构；所述腰部支撑下端的两侧分别通过髋关节机构各自连接对应的大腿腿部装置，同侧的所述大腿腿部装置和小腿腿部装置之间由膝关节机构连接，同侧的所述小腿腿部装置与脚部装置通过踝关节机构连接；

所述主控包中设有电池、稳压器和主控制板，所述主控包安装在腰部支撑上；

所述大腿腿部装置和小腿腿部装置均包括腿组件，所述腿组件包括主腿板、固设在主腿板外侧用于驱动对应关节机构的驱动件和固设在主腿板内侧的固腿机构，所述主腿板的上端与对应的关节机构转动连接。

上述外骨骼机器人，所述腿组件还包括伸缩板、伸缩槽和压块，所述伸缩槽设在主腿板下端的两侧以卡住伸缩板，所述压块螺接主腿板与伸缩槽以固定或松开。

上述外骨骼机器人，所述固腿机构包括护板、和至少一个腿固定带，所述护板安装在主腿板内侧，所述护板上设有用于穿设腿固定带的带孔，所述腿固定带为魔术贴式。

上述外骨骼机器人，所述腿固定带的外侧设有数个护垫，所述护垫与腿固定带之间通过魔术贴粘接。

上述外骨骼机器人，所述髋关节机构包括旋转关节和防撞机构，所述防撞机构包括支撑板、防撞件、关节连接板和至少一个调整螺钉，所述支撑板在腰部支撑下部横向延伸，所述关节连接板的上端与支撑板连接、下端转动连接旋转关节；所述防撞件套装在关节连接板与支撑板连接处以覆盖，所述支撑板上设有至少一个横向排列的通孔，所述调整螺钉（35）依次穿过防撞件一侧、支撑板任一通孔后与关节连接板螺接。

上述外骨骼机器人，所述关节连接板的上端设有滑块，所述滑块上设有至少一个与调整螺钉配合的螺孔；所述支撑板开设通孔的部位设有与滑块配合的滑槽。

上述外骨骼机器人，所述主控板包括外壳、设在外壳上的开关和电池，所述外壳内设有至少一个卡扣机构以使电池可拆卸的插接在外壳内。

上述外骨骼机器人，所述卡扣机构包括底座、卡块和弹性件，所述底座上设有限位块和卡块滑槽，所述弹性件的一端与底座固连、另一端与卡块连接，所述卡块可在卡块滑槽滑动并由限位块限定滑动范围；

所述底座内设有限位钩，所述卡块上设有钩槽，所述限位钩的一端活动连接在底座上、另一端可在沟槽内滑动。

上述外骨骼机器人，所述腰部支撑上安装有截面呈C型的塑料托座，所述主控包可卡接在托座内。

上述外骨骼机器人，所述踝关节机构包括脚踏板、脚踝板、和小腿连接板，所述脚踝板的下端连接脚踏板，所述小腿连接板的下端通过铰链铰接脚踝板、上端连接小腿的主腿板；

所述铰链上方的脚踝板上设有拨头，所述小腿连接板下端开设有横向通孔，所述通孔内设有弹簧，所述拨头设在弹簧的一端部以在通孔内挤压所述弹簧。

上述外骨骼机器人，所述腰部支撑上设有魔术贴式的腰固定带，所述护板和腰部支撑与人体接触的那侧均设有棉垫层。

本发明的有益效果为：

1、主控包结构精巧便于更换电池、检修等，延长了整机使用时长。髋关节防撞机构极大提高使用者的人身安全，减轻整机零部件损坏。腿部组件可调长短，适用性强，使用者不必单独定制从而节省资金。坐立状态时腿固定带的新设计能够避免耽腿，极大提高舒适性，使用者还能根据需要选择护垫粘贴在腿固定带的合适位置，提高安全性。

2、整机零部件通用性强，特别是四个腿组件完全能互换，极大提高了设计、装配、生产的效率，降低后期维护的成本。

3、整机结构涉及的零部件大大减少，主控包可引出总线连接控制腿部组件，极大减少了走线数量，整机外观简洁，电线不会干涉行走、坐立等动作。

附图说明

图1为本发明实施例的立体示意图（略去腿部组件外壳）；

图2为本发明实施例的后视示意图；

图3为本发明实施例的屈曲坐立和伸展行走动作状态图；

图4为本发明实施例的屈曲坐立和伸展坐立动作状态图；

图5为本发明实施例的结构状态图；

图6为本发明实施例的主控包外形示意图；

图7为本发明实施例的主控包侧视示意图；

图8为本发明实施例的主控包电池装配示意图；

图9为本发明实施例的主控包卡扣机构示意图；

图10为本发明实施例的主控包卡扣机构正视图；

图11为本发明实施例的防撞机构外面示意图；

图12为本发明实施例的防撞机构内面示意图；

图13为本发明实施例的防撞机构截面原理示意图；

图14为本发明实施例的防撞机构内部结构示意图；

图15为本发明实施例的腿组件示意图；

图16为本发明实施例的脚部装置示意图。

图中：1为主控包、11为外壳、12为托座、13为开关、14为电池、16为卡扣机构、121为托座拉环、141为电池拉环、161为卡块、162为弹簧、163为钩槽、164为限位钩、165挡块、166为限位块、167为卡块滑槽、168为底座。

2为腰部支撑、21为腰固定带。

3为防撞机构、31为支撑板、32为外护盖、33为内护盖、34为关节连接板、35为调整螺钉、311为滑槽、321为盖板、341为滑块、342为托块。

4为腿组件、41为主腿板、42为联轴器、43为减速器、44为电机、45为伸缩槽、46为压块、47为伸缩板。

2为联轴器、3为减速器、4为电机、5为输出部、11为小锥齿轮、12为大锥齿轮、13为弹性机构、14为转轴、131为固定部、132为伸缩部。

5为固腿机构、51为护板、52为护垫、53为腿固定带。

6为护膝。

7为踝关节机构、711为脚踏板、712为脚踝板、713为拨头、73为铰链、74为螺钉、75为弹簧、76为顶珠、77为小腿连接板。

8为髋关节机构、9为膝关节机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步解释说明。

众所周知，人在坐下动作时腿部肌肉舒张表面皮肤位置变化。当使用者坐下休息时，国内的傅里叶和迈步等产品出现的问题就是耽腿，长时间会导致腿部血液不流通，进而腿部麻木，不利于患者康复。Realwalk 产品想要实现坐下动作，需要一个额外正常人帮他打开护具零部件之后才能够坐下，或者患者本人需要乘坐轮椅等工具用双手打开左右腿护膝上机械结构，然后才能够坐下，因为左右腿的机械结构占用空间较大，导致患者无法直接坐下或者坐下很困难。Realwalk产品实现这个过程比我们多出的不仅仅是两个繁琐步骤的问题，它更大的代价成本剧增，单单一个小腿上的护具就增加了12个零部件，左右腿一共就是24个零部件。那么对于产品模具和材料本身的成本是不言而喻的，其他细小零部件的装配的成本也是增加费用。

本申请的旋转关节机构可参考申请号2018206804452一种储能式关节机构或申请号2018206804448一种旋转关节机构中的技术方案执行，本申请的踝关节机构可参考申请号为2018214113954一种柔性踝关节外骨骼中的技术方案执行。

本实施例的外骨骼机器人，包括主控包1、腰部支撑2、左右侧两个大腿腿部装置、左右侧两个小腿腿部装置、左右侧两个脚部装置和关节机构；

所述关节机构包括髋关节机构8、膝关节机构9和踝关节机构7；所述腰部支撑2下端的两侧分别通过髋关节机构8各自连接对应的大腿腿部装置，同侧的所述大腿腿部装置和小腿腿部装置之间由膝关节机构9连接，同侧的所述小腿腿部装置与脚部装置通过踝关节机构7连接；

所述主控包1中设有电池14、稳压器和主控制板，所述主控包1安装在腰部支撑2上；

所述大腿腿部装置和小腿腿部装置均包括腿组件4，所述腿组件4包括主腿板41、固设在主腿板外侧用于驱动对应关节机构的驱动件和固设在主腿板内侧的固腿机构5，所述主腿板4的上端与对应的关节机构转动连接。

所述腿组件4还包括伸缩板47、伸缩槽45和压块46，所述伸缩槽45设在主腿板41下端的两侧以卡住伸缩板47，所述压块46螺接主腿板41与伸缩槽45以固定或松开。

3所述固腿机构包括护板51、和至少一个腿固定带53，所述护板51安装在主腿板内侧，所述护板51上设有用于穿设腿固定带53的带孔，所述腿固定带53为魔术贴式。

所述腿固定带53的外侧设有数个护垫52，所述护垫52与腿固定带53之间通过魔术贴粘接。

所述髋关节机构8包括旋转关节和防撞机构3，所述防撞机构3包括支撑板31、防撞件、关节连接板34和至少一个调整螺钉35，所述支撑板31在腰部支撑2下部横向延伸，所述关节连接板34的上端与支撑板31连接、下端转动连接旋转关节；所述防撞件套装在关节连接板34与支撑板31连接处以覆盖，所述支撑板31上设有至少一个横向排列的通孔，所述调整螺钉35依次穿过防撞件一侧、支撑板31任一通孔后与关节连接板34螺接。

所述关节连接板34的上端设有滑块341，所述滑块341上设有至少一个与调整螺钉35配合的螺孔；所述支撑板31开设通孔的部位设有与滑块配合的滑槽311。

所述主控板1包括外壳11、设在外壳11上的开关13和电池14，所述外壳11内设有至少一个卡扣机构16以使电池14可拆卸的插接在外壳11内。

8、根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述卡扣机构16包括底座168、卡块161和弹性件，所述底座168上设有限位块166和卡块滑槽167，所述弹性件的一端与底座168固连、另一端与卡块161连接，所述卡块161可在卡块滑槽167滑动并由限位块166限定滑动范围；

所述底座168内设有限位钩164，所述卡块161上设有钩槽163，所述限位钩164的一端活动连接在底座168上、另一端可在沟槽163内滑动。

所述腰部支撑2上安装有截面呈C型的塑料托座112，所述主控包1可卡接在托座112内。

所述踝关节机构7包括脚踏板711、脚踝板712、和小腿连接板77，所述脚踝板712的下端连接脚踏板711，所述小腿连接板77的下端通过铰链73铰接脚踝板712、上端连接小腿的主腿板41；

所述铰链73上方的脚踝板712上设有拨头713，所述小腿连接板77下端开设有横向通孔，所述通孔内设有弹簧75，所述拨头713设在弹簧75的一端部以在通孔内挤压所述弹簧75。

所述腰部支撑2上设有魔术贴式的腰固定带21，所述护板51和腰部支撑2与人体接触的那侧均设有棉垫层。

本申请的固腿机构5零部件在腿的侧面，因此不会出现耽腿现象，极大提高舒适性。穿戴也比其他产品更加便捷，完全通过魔术贴包裹贴合，上肢活动能力较强用户可坐在椅子上自行完成。本实施例中每个固腿机构5都有两条腿固定带53，腿固定带53根据不同患者腿的粗细缠绕腿部一圈后，快速便捷的固定于护板51上。

膝盖部位设计有护膝6，避免用户摔倒时腿部受伤。护膝6具有一定厚度的软垫、其外层为硬质壳体，从而对腿部起到保护作用。

整机的外壳采用ABS、PC等无毒材料加工制造，另外，还可以进一步优化在腿部装置、关节机构和主控包1的接缝上做防水设计，防溅水，便于用户在阴雨天气正常使用。还可以在各个接缝上设计灯带，增强夜间使用的安全性。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人，其特征在于：包括主控包（1）、腰部支撑（2）、左右侧两个大腿腿部装置、左右侧两个小腿腿部装置、左右侧两个脚部装置和关节机构；

所述关节机构包括髋关节机构（8）、膝关节机构（9）和踝关节机构（7）；所述腰部支撑（2）下端的两侧分别通过髋关节机构（8）各自连接对应的大腿腿部装置，同侧的所述大腿腿部装置和小腿腿部装置之间由膝关节机构（9）连接，同侧的所述小腿腿部装置与脚部装置通过踝关节机构（7）连接；

所述主控包（1）中设有电池（14）、稳压器和主控制板，所述主控包（1）安装在腰部支撑（2）上；

所述大腿腿部装置和小腿腿部装置均包括腿组件（4），所述腿组件（4）包括主腿板（41）、固设在主腿板外侧用于驱动对应关节机构的驱动件和固设在主腿板内侧的固腿机构（5），所述主腿板（4）的上端与对应的关节机构转动连接。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述腿组件（4）还包括伸缩板（47）、伸缩槽（45）和压块（46），所述伸缩槽（45）设在主腿板（41）下端的两侧以卡住伸缩板（47），所述压块（46）螺接主腿板（41）与伸缩槽（45）以固定或松开。

3.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述固腿机构包括护板（51）、和至少一个腿固定带（53），所述护板（51）安装在主腿板内侧，所述护板（51）上设有用于穿设腿固定带（53）的带孔，所述腿固定带（53）为魔术贴式。

4.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述腿固定带（53）的外侧设有数个护垫（52），所述护垫（52）与腿固定带（53）之间通过魔术贴粘接。

5.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节机构（8）包括旋转关节和防撞机构（3），所述防撞机构（3）包括支撑板（31）、防撞件、关节连接板（34）和至少一个调整螺钉（35），所述支撑板（31）在腰部支撑（2）下部横向延伸，所述关节连接板（34）的上端与支撑板（31）连接、下端转动连接旋转关节；所述防撞件套装在关节连接板（34）与支撑板（31）连接处以覆盖，所述支撑板（31）上设有至少一个横向排列的通孔，所述调整螺钉（35）依次穿过防撞件一侧、支撑板（31）任一通孔后与关节连接板（34）螺接。

6.根据权利要求5所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述关节连接板（34）的上端设有滑块（341），所述滑块（341）上设有至少一个与调整螺钉（35）配合的螺孔；所述支撑板（31）开设通孔的部位设有与滑块配合的滑槽（311）。

7.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述主控板（1）包括外壳（11）、设在外壳（11）上的开关（13）和电池（14），所述外壳（11）内设有至少一个卡扣机构（16）以使电池（14）可拆卸的插接在外壳（11）内。

8.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述卡扣机构（16）包括底座（168）、卡块（161）和弹性件，所述底座（168）上设有限位块（166）和卡块滑槽（167），所述弹性件的一端与底座（168）固连、另一端与卡块（161）连接，所述卡块（161）可在卡块滑槽（167）滑动并由限位块（166）限定滑动范围；

所述底座（168）内设有限位钩（164），所述卡块（161）上设有钩槽（163），所述限位钩（164）的一端活动连接在底座（168）上、另一端可在沟槽（163）内滑动。

9.根据权利要求8所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述腰部支撑（2）上安装有截面呈C型的塑料托座（112），所述主控包（1）可卡接在托座（112）内。

10.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节机构（7）包括脚踏板（711）、脚踝板（712）、和小腿连接板（77），所述脚踝板（712）的下端连接脚踏板（711），所述小腿连接板（77）的下端通过铰链（73）铰接脚踝板（712）、上端连接小腿的主腿板（41）；

所述铰链（73）上方的脚踝板（712）上设有拨头（713），所述小腿连接板（77）下端开设有横向通孔，所述通孔内设有弹簧（75），所述拨头（713）设在弹簧（75）的一端部以在通孔内挤压所述弹簧（75）。

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