CN111643320A - 下肢外骨骼机器人髋膝联动机构及机器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种下肢外骨骼机器人髋膝联动机构及机器，包括：下肢外骨骼本体、髋关节主动组件及膝关节从动组件；下肢外骨骼本体包括一驱动组件；膝关节从动组件包括锁定装置和连杆机构；锁定装置包括复位机构、棘爪、挡块及插销，棘爪活动设在复位机构上，复位机构活动设置在下肢外骨骼本体上；插销设置在复位机构上方，挡块滑动设置在插销和复位机构之间；连杆机构一端设有卡位台；驱动组件连接髋关节主动组件的同步带机构，并通过拉绳连接复位机构的一端，从而带动复位机构和棘爪转动，能够顶起挡块，解锁连杆机构的卡位台，从而实现解锁，使用者可进行膝盖屈曲；整体结构简单，重量轻，便于使用，成本低廉。

Description

下肢外骨骼机器人髋膝联动机构及机器

技术领域

本发明涉及一种新型下肢外骨骼机器人髋膝联动机构，尤其是一种髋关节 的屈曲、伸展运动驱动膝关节的解锁与锁定下肢外骨骼机器人髋膝联动机构,属 于康复机器人技术领域。

背景技术

据国家统计局统计，截止到2015年底，60岁及以上人数约为2.2亿人， 占全部人口的16.1％，而且每年还以净800多万的速度增加；根据2016年中 国心血管病报告，中国目前有1300万脑卒中患者，而且每年还以200万的速 度增长；此外，全世界因脊髓损伤(SCI)引起的肢体活动障碍患者每年的发病 率在25万至50万之间，截止到2016年，中国的脊髓损伤患者约有130万， 而且每一年还以4到7万的速率增长。随着人口老龄化问题的日益加重，高龄人群由于身体机能老化，下肢机能衰退，对日常活动造成困扰，同时脑卒 中、脊髓损伤往往导致下肢体严重的功能障碍，特别是完全性脊髓损伤患者 的下肢运动和感觉功能丧失，日常行动完全依赖于轮椅。

因此，智能下肢外骨骼康复机器人潜在需求规模巨大，供需缺口仍较大。 另外，现存的下肢外骨骼大多规格过大且机构复杂，同时采用的动力源设备过 多且复杂，导致控制困难，穿戴不便且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下肢外骨骼机器人髋膝联动机构及机器，通过 简单的结构实现较好的髋关节和膝关节的联动，方便使用者。

为了实现上述目的，本发明提出了一种下肢外骨骼机器人髋膝联动机构， 包括：

下肢外骨骼本体、髋关节主动组件及膝关节从动组件；其中，所述下肢外 骨骼本体包括一驱动组件；所述髋关节主动组件、膝关节从动组件分别设在所 述下肢外骨骼本体的髋关节和膝关节处；

所述髋关节主动组件包括同步带机构和固定在所述同步带机构一侧的拉绳 机构，所述同步带机构连接所述下肢外骨骼本体的大腿组件上端；

所述膝关节从动组件包括锁定装置和连杆机构；所述锁定装置包括复位机 构、棘爪、挡块及插销，所述棘爪活动设在所述复位机构上，所述复位机构活 动设置在所述下肢外骨骼本体上；所述插销设置在所述复位机构上方，所述挡 块滑动设置在所述插销和复位机构之间；所述连杆机构一端设有卡位台；所述 驱动组件连接所述同步带机构，所述拉绳机构通过一拉绳连接所述复位机构的 一端，当大腿组件屈曲时，所述拉绳拉动所述复位机构和棘爪转动，使所述棘 爪顶起所述挡块，解锁连杆机构的卡位台。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述挡块包括四种状态： 锁定状态、解锁状态、站立状态及复位状态；

在锁定状态时，所述挡块卡在所述卡位台及棘爪一侧；在解锁状态时，所 述挡块被所述棘爪推动至所述插销内，解除对所述连杆机构卡位台的锁定；在 站立状态时，所述挡块借助插销内的弹簧张力伸出所述插销内部，卡住连杆机 构卡位台的侧壁，并抵住所述棘爪，使所述棘爪卡在所述复位机构内；复位时， 在膝盖处伸直的状态下，所述拉绳带动所述复位机构转动，带动棘爪转动，当 所述棘爪转动到一定程度，不再被挡块抵住时，所述棘爪借助复位机构内复位 扭簧的扭力实现自动复位。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述膝关节从动组件还 包括设置在所述下肢外骨骼本体上的多组导向轮，所述拉绳通过所述导向轮实 现对所述复位机构的拉动。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述膝关节从动组件包 括还助力机构，所述助力机构为扭簧；所述连杆机构为四连杆机构；所述棘爪 通过一复位扭簧和螺栓活动设在复位机构上，所述螺栓连接所述复位机构的一 端设有螺母，连接所述棘爪的一端为光滑表面。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述驱动组件包括驱动 电机、谐波减速器、驱动同步带机构和输出轴；所述驱动电机通过谐波减速器 将扭矩由驱动同步带机构通过输出轴传递至所述髋关节主动组件的同步带机 构。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述下肢外骨骼本体包 括大腿连杆及小腿连杆；其中，所述驱动组件通过所述髋关节主动组件连接所 述大腿连杆的一端；所述大腿连杆的另一端通过所述膝关节从动组件连接所述 小腿连杆的一端。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述大腿杆件包括大腿 上杆件、大腿下杆件和螺钉；所述大腿上杆件套接在所述大腿下杆件的上端， 两者可相对运动，所述大腿上杆件和所述大腿下杆件通过螺钉连接。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机构中，所述小腿杆件包括小腿 上杆件、小腿下杆件和螺钉；所述小腿上杆件套接在所述小腿下杆件的上端， 两者可相对运动，所述小腿上杆件和所述小腿下杆件通过螺钉连接。

此外，本发明还提出了一种下肢外骨骼髋膝联动机器，包括如上文所述的 下肢外骨骼髋膝联动机构。

进一步的，在所述的下肢外骨骼髋膝联动机器中，包括2组平行设置且上 端相连的所述下肢外骨骼髋膝联动机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：驱动组件通过髋关节主 动组件的同步带机构、拉绳带动复位机构和棘爪转动，能够顶起挡块，解锁连 杆机构的卡位台，从而实现解锁，使用者可进行膝盖屈曲；整体结构简单，重 量轻，便于使用，成本低廉。

附图说明

图1为本发明一实施例中具有2组下肢外骨骼髋膝联动机构的主视图；

图2为本发明一实施例中下肢外骨骼髋膝联动机构的侧视图；

图3为本发明一实施例中髋关节主动组件、膝关节从动组件局部左视图；

图4为本发明一实施例中髋关节主动组件、膝关节从动组件局部右视图；

图5为本发明一实施例中髋关节主动组件局部左视放大图；

图6为本发明一实施例中膝关节从动组件局部左视放大图；

图7和图8为本发明一实施例中膝关节从动组件初始状态的局部放大图；

图9为本发明一实施例中膝关节从动组件解锁临界状态的局部放大图；

图10为本发明一实施例中膝关节从动组件解锁摆动时的局部放大图；

图11为本发明一实施例中膝关节从动组件站立初期的局部放大图；

图12为本发明一实施例中膝关节从动组件站立中的局部放大图；

图13为本发明一实施例中膝关节从动组件复位时的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的下肢外骨骼机器人髋膝联动机构及机器，进行 更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可 以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应 当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公 知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在 任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标， 例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另 外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人 员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和 权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简 化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例 的目的。

请参考图1和图2，在本实施例中，提出了一种下肢外骨骼髋膝联动机构， 包括：

下肢外骨骼本体、髋关节主动组件2及膝关节从动组件4；其中，所述下肢 外骨骼本体包括一驱动组件1；所述髋关节主动组件2、膝关节从动组件4分别 设在所述下肢外骨骼本体的髋关节和膝关节处。

在本实施例中，所述下肢外骨骼本体包括大腿连杆3及小腿连杆5；其中， 所述驱动组件1通过所述髋关节主动组件2连接所述大腿连杆3的一端；所述 大腿连杆3的另一端通过所述膝关节从动组件4连接所述小腿连杆5的一端。 所述髋关节主动组件2包括同步带机构21和固定在所述同步带机构21一侧的 拉绳机构22，所述同步带机构21连接所述下肢外骨骼本体的大腿组件3上端。

其中，下肢外骨骼本体还可以包括一些常规部件，例如用于固定腿部的腿 箍，固定脚部的脚箍等，为了简化描述，在此不对下肢外骨骼本体的全部部件 进行赘述，但本领域技术人员理应知晓下肢外骨骼本体可包括的部件以及能够 实现的效果。

在本实施例中，所述驱动组件1包括驱动电机、谐波减速器、驱动同步带 机构和输出轴(图未示出)；所述髋关节主动组件2包括同步带机构21，同步带 机构21连接大腿连杆3，并带动大腿连杆3屈曲或伸展，从而可使拉绳实现拉 动膝关节从动组件3的锁定装置，从而实现膝关节从动组件3的解锁或锁定。 其中，所述驱动电机通过谐波减速器将扭矩由驱动同步带机构通过输出轴传递 至所述髋关节主动组件2的同步带机构21。将扭矩由所述同步带机构21传递给 外骨骼髋关节使其带动大腿杆件摆动，实现髋关节的屈曲与伸展并有效减小外 骨骼机器人左右两侧尺寸实现髋关节的屈曲与伸展并有效减小外骨骼机器人左右两侧尺寸。

请参考图3至6，所述膝关节从动组件4包括锁定装置和连杆机构48；所 述锁定装置包括复位机构46、棘爪44、挡块43及插销41，所述棘爪44活动设 在所述复位机构46上，所述复位机构46活动设置在所述下肢外骨骼本体上； 所述插销41设置在所述复位机构46上方，所述挡块43滑动设置在所述插销41 和复位机构46之间；所述连杆机构48一端设有卡位台；所述驱动组件1连接 所述同步带机构21，所述拉绳机构22通过一拉绳23连接所述复位机构46的一 端，当大腿组件3屈曲时，所述拉绳23拉动所述复位机构46和棘爪44转动， 使所述棘爪44顶起所述挡块43，解锁连杆机构的卡位台，完成解除锁定。

所述膝关节从动组件4包括还助力机构47，所述助力机构47为扭簧；所述 连杆机构48为四连杆机构，所述四连杆机构用于使运动过程稳定，使下肢助力 外骨骼的速度瞬心和膝关节的速度瞬心变化一致步态更加自然；所述棘爪44通 过一复位扭簧45和螺栓活动设在复位机构46上，所述螺栓连接所述复位机构 46的一端表面设有螺纹，连接所述棘爪44的一端为光滑表面，便于实现棘爪 44的活动。所述膝关节从动组件4还包括设置在所述下肢外骨骼本体上的多组 导向轮42，所述拉绳23通过所述导向轮42实现对所述复位机构46的拉动。

请参考图8，在本实施例中，所述插销41还设有一弹簧49，所述挡块43 一端连接所述弹簧49，当所述挡块43被压入所述插销41内时，弹簧49可抵住 所述挡块43，处于压缩状态，当外部棘爪44或连杆机构48顶部不在顶住挡块 43时，挡块43可借助弹簧49的张力从所述插销41伸出，完成复位。

在本实施例中，所述下肢外骨骼髋膝联动机构中的挡块包括四种状态：锁 定状态、解锁状态、站立状态及复位状态。

请结合图7至图13，在锁定状态时，所述挡块43卡在所述卡位台及棘爪 44一侧，由于挡块43抵住了连杆机构48的卡位台一侧，从而锁紧连杆机构48， 使其无法自由转动，达到锁定目的。

在解锁状态时，所述挡块43被所述棘爪44推动至所述插销41内，解除对 所述连杆机构卡位台的锁定。

在站立状态时，所述挡块43借助插销41内的弹簧49张力伸出所述插销41 内部，卡住连杆机构卡位台的侧壁，并抵住所述棘爪44，使所述棘爪44卡在所 述复位机构46内。

复位时，在膝盖处伸直的状态下，所述拉绳23带动所述复位机构46转动， 带动棘爪44转动，当所述棘爪44转动到一定程度，不再被挡块43抵住时，所 述棘爪44借助复位机构46内复位扭簧45的扭力实现自动复位。

当开始行走时，驱动组件1中的电机转动，通过同步带机构21，即同步带 轮，将扭矩传递到髋关节主动组件2上，带动大腿组件3向前屈曲；髋关节在 屈曲的瞬间会带动拉绳23受力拉住动复位机构46进行转动，复位机构46中的 棘爪44推动锁定装置中的挡块43插入插槽41中，不再卡住连杆机构48的卡 位台一侧，从而实现解锁膝关节运动。

屈曲时，助力机构47被挤压会储存能量，当伸直时，助力机构47可为膝 关节的伸展助力，此时挡块43会在弹簧力的作用下始终抵住连杆机构48顶部 的曲面。当大腿摆到最大角度时，小腿组件5也会在助力机构47的作用下与大 腿组件2共线，此时锁定装置中的挡块43回到初始位置进行锁定，棘爪44插 入爪槽内，从而膝关节完成锁定，当重新回到站立位时，棘爪44在复位扭簧45 的作用下从爪槽弹出复位，此时可开始下一次的解锁。

在本实施例中，所述大腿杆件3包括大腿上杆件、大腿下杆件和螺钉(图 未标注出)；所述大腿上杆件套接在所述大腿下杆件的上端，两者可相对运动， 所述大腿上杆件和所述大腿下杆件通过螺钉连接。

所述小腿杆件包括小腿上杆件、小腿下杆件和螺钉(图未标注出)；所述小 腿上杆件套接在所述小腿下杆件的上端，两者可相对运动，所述小腿上杆件和 所述小腿下杆件通过螺钉连接。

此外，在本实施例的另一方面，还提出了一种下肢外骨骼髋膝联动机器， 包括如上文所述的下肢外骨骼髋膝联动机构。当使用者只需一条腿使用下肢外 骨骼髋膝联动机器时，只需配备一组；当使用者需要两条腿均需使用下肢外骨 骼髋膝联动机器时可配备两组。

具体的，请参考图1，所述下肢外骨骼髋膝联动机器包括2组平行设置且上 端相连的所述下肢外骨骼髋膝联动机构。

综上，在本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人髋膝联动机构中，驱动组 件通过髋关节主动组件的同步带机构、拉绳带动复位机构和棘爪转动，能够顶 起挡块，解锁连杆机构的卡位台，从而实现解锁，使用者可进行膝盖屈曲；整 体结构简单，重量轻，便于使用，成本低廉。

此外，下肢外骨骼机器人髋膝联动机器具有以下优点：

1、利用两个电机为髋关节助力，相对于多电机驱动式下肢外骨骼重量更轻， 更节能；2、利用髋膝联动机构实现膝关节屈曲解锁，站立锁定的安全状态；3、 髋膝联动机构采用绳索解锁，结构简单，解锁便易，且安全可靠。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任 何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明 揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离 本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，包括：

下肢外骨骼本体、髋关节主动组件及膝关节从动组件；其中，所述下肢外骨骼本体包括一驱动组件；所述髋关节主动组件、膝关节从动组件分别设在所述下肢外骨骼本体的髋关节和膝关节处；

所述髋关节主动组件包括同步带机构和固定在所述同步带机构一侧的拉绳机构，所述同步带机构连接所述下肢外骨骼本体的大腿组件上端；

所述膝关节从动组件包括锁定装置和连杆机构；所述锁定装置包括复位机构、棘爪、挡块及插销，所述棘爪活动设在所述复位机构上，所述复位机构活动设置在所述下肢外骨骼本体上；所述插销设置在所述复位机构上方，所述挡块滑动设置在所述插销和复位机构之间；所述连杆机构一端设有卡位台；所述驱动组件连接所述同步带机构，所述拉绳机构通过一拉绳连接所述复位机构的一端，当大腿组件屈曲时，所述拉绳拉动所述复位机构和棘爪转动，使所述棘爪顶起所述挡块，解锁连杆机构的卡位台。

2.如权利要求1所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述挡块包括四种状态：锁定状态、解锁状态、站立状态及复位状态；

在锁定状态时，所述挡块卡在所述卡位台及棘爪一侧；在解锁状态时，所述挡块被所述棘爪推动至所述插销内，解除对所述连杆机构卡位台的锁定；在站立状态时，所述挡块借助插销内的弹簧张力伸出所述插销内部，卡住连杆机构卡位台的侧壁，并抵住所述棘爪，使所述棘爪卡在所述复位机构内；复位时，在膝盖处伸直的状态下，所述拉绳带动所述复位机构转动，带动棘爪转动，当所述棘爪转动到一定程度，不再被挡块抵住时，所述棘爪借助复位机构内复位扭簧的扭力实现自动复位。

3.如权利要求1所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述膝关节从动组件还包括设置在所述下肢外骨骼本体上的多组导向轮，所述拉绳通过所述导向轮实现对所述复位机构的拉动。

4.如权利要求1所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述膝关节从动组件包括还助力机构，所述助力机构为扭簧；所述连杆机构为四连杆机构；所述棘爪通过一复位扭簧和螺栓活动设在复位机构上，所述螺栓连接所述复位机构的一端设有螺母，连接所述棘爪的一端为光滑表面。

5.如权利要求1所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述驱动组件包括驱动电机、谐波减速器、驱动同步带机构和输出轴；所述驱动电机通过谐波减速器将扭矩由驱动同步带机构通过输出轴传递至所述髋关节主动组件的同步带机构。

6.如权利要求1所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述下肢外骨骼本体包括大腿连杆及小腿连杆；其中，所述驱动组件通过所述髋关节主动组件连接所述大腿连杆的一端；所述大腿连杆的另一端通过所述膝关节从动组件连接所述小腿连杆的一端。

7.如权利要求6所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述大腿杆件包括大腿上杆件、大腿下杆件和螺钉；所述大腿上杆件套接在所述大腿下杆件的上端，两者可相对运动，所述大腿上杆件和所述大腿下杆件通过螺钉连接。

8.如权利要求6所述的下肢外骨骼髋膝联动机构，其特征在于，所述小腿杆件包括小腿上杆件、小腿下杆件和螺钉；所述小腿上杆件套接在所述小腿下杆件的上端，两者可相对运动，所述小腿上杆件和所述小腿下杆件通过螺钉连接。

9.一种下肢外骨骼髋膝联动机器，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项下肢外骨骼髋膝联动机构。

10.如权利要求9所述的下肢外骨骼髋膝联动机器，其特征在于，包括2组平行设置且上端相连的所述下肢外骨骼髋膝联动机构。

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