CN112025680A - 一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼 - Google Patents

一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼 Download PDF

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Abstract

本发明属于柔性外骨骼机器人领域，并具体公开了一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼。其包括固定模块、背部模块、柔性绳和两个膝部模块，其中：固定模块与背部模块连接；背部模块中电机的转轴与上带轮相连，并在控制盒的控制下正转或反转，以带动上带轮转动；上带轮和下带轮分别与同步带啮合连接，上带轮通过同步带带动下带轮转动；两个夹块分别与左右两侧的同步带啮合固定，从而在同步带的带动下相向移动；两个膝部模块结构相同，分别通过柔性护膝固定在穿戴者的左膝和右膝上，并且分别通过柔性绳与两个夹块连接。本发明对下肢的约束大大减少，增加了灵活性，同时该背部模块采用单电机交替助力，具有结构简单、工作稳定、能耗较低的优势。

Description

一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼
技术领域
本发明属于柔性外骨骼机器人领域，更具体地，涉及一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼。
背景技术
外骨骼作为一种可增强穿戴者运动能力的机械系统，在医疗、军事等领域有着广泛的应用前景和需求。然而，现有的外骨骼助力系统，普遍存在穿戴过程复杂、灵活度低、人机交互性不强等问题，难以满足实际应用。因此，寻求一种穿戴简便且具有高灵活度的外骨骼助力系统具有重要意义。
外骨骼根据使用材料可分为刚性和柔性外骨骼。其中刚性外骨骼具有设计方便、易于控制、辅助效果强等特点，但其同时也存在机体笨重、舒适感低的问题，且容易对人体造成二次伤害。而柔性外骨骼具有整体质量轻、穿戴体验好、制造成本相对较低的特点，且没有刚性材料的约束，为穿戴者提供了极大的灵活性。
CN201711065264.5公开了一种变刚度下肢外骨骼机器人，其提出了一种刚度可变的下肢外骨骼机器人，一定程度上为人的下肢活动提供了更多的自由度。但是由于该发明的驱动部分及固定装置均位于下肢，使得这种自由度多数集中在矢状面，而丧失了下肢运动过程中在冠状面及水平面的自由度，意味着使用者在使用过程中会出现下肢疲劳的情况。且该外骨骼机器人使用了多个电机，结构复杂，整机质量较大。CN201910551803.9公开了一种辅助行走的柔性下肢外骨骼，提出了一种采用刚性材料实现柔性连接的膝关节助力结构，然而，该柔性外骨骼由于采用大量刚性材料，柔性连接处结构复杂，易损坏，且整体质量较大，影响了使用者的穿戴体验。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其中该外骨骼的背部模块作为动力及控制系统固定在背部，对下肢的约束大大减少，增加了灵活性，同时该背部模块采用单电机交替助力，具有结构简单、工作稳定、能耗较低的优势。
为实现上述目的，本发明提出了一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其包括固定模块、背部模块、柔性绳和两个膝部模块，其中：
所述固定模块与所述背部模块连接，用于将所述背部模块固定在背部；
所述背部模块包括顶盖、后板，固定在所述顶盖上的电机以及设置在所述顶盖和后板之间的控制盒、上带轮、下带轮、同步带、带轮轴和两个夹块；所述电机的转轴与所述上带轮相连，并在所述控制盒的控制下正转或反转，以带动所述上带轮转动；所述上带轮和下带轮分别与所述同步带啮合连接，并且所述下带轮通过所述带轮轴与所述后板连接，工作时所述上带轮通过所述同步带带动所述下带轮转动；两个所述夹块分别与左右两侧的同步带啮合固定，从而在所述同步带的带动下相向移动；
两个所述膝部模块结构相同，分别通过柔性护膝固定在穿戴者的左膝和右膝上，并且分别通过所述柔性绳与两个所述夹块连接，从而在所述夹块和柔性绳的带动下实现对两腿的交替运动提供拉力。
作为进一步优选地，两个所述夹块的结构相同，每个所述夹块均包括齿形块、连接块和第一绳扣，其中所述齿形块与连接块分别设置在所述同步带的两侧，并且通过固定组件相互连接；所述齿形块与所述同步带啮合固定；所述连接块的外侧设置有第一绳扣，用于与所述柔性绳连接。
作为进一步优选地，每个所述膝部模块均包括柔性护膝、无线惯性测量单元、膝部连接块和第二绳扣，其中所述柔性护膝固定在穿戴者的膝盖上；所述无线惯性测量单元固定在所述柔性护膝的一侧，用于采集下肢关节角度信号并发送到所述控制盒；所述膝部连接块固定在所述柔性护膝的另一侧，并通过所述第二绳扣与所述柔性绳连接。
作为进一步优选地，所述控制盒包括驱动器、无线接收单元和锂电池，其中所述驱动器用于控制所述电机正转或反转；所述无线接收单元用于接收所述无线惯性测量单元发送的下肢信号；所述锂电池用于为所述驱动器和无线接收单元提供电源。
作为进一步优选地，所述后板和顶盖的两侧开有长凹槽，用于与所述夹块上的凸起配合，实现对所述夹块左右方向的限位。
作为进一步优选地，所述固定模块采用柔性背带。
作为进一步优选地，所述柔性背带和柔性护膝使用弹性材料配合魔术贴进行固定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其中该外骨骼的背部模块作为动力及控制系统固定在背部，对下肢的约束大大减少，增加了灵活性，同时该背部模块采用单电机交替助力，具有结构简单、工作稳定、能耗较低的优势；工作时利用夹块的上下运动带动柔性绳，保证了柔性绳轨道不易脱落，并且这种线缆传动方式还极大地减小了外骨骼的整体质量，为穿戴者减轻负担，进而提供较佳的穿戴体验；
2.尤其是，本发明通过对夹块的结构进行优化，能够使得夹块通过齿槽与同步带啮合，保证运动平稳、柔性绳不易脱落，同时还能够保证夹块的行程可调节；
3.同时，本发明通过在膝部模块设置无线惯性测量单元，能够实时获取穿戴者的步态数据，并将其发送给控制盒，用以训练神经网络，实现对使用者步态的识别，使得驱动器对电机的控制更加贴合穿戴者自身习惯，换向更加准确、自然；
4.此外，本发明采用柔性背带与护膝的穿戴方式，使用弹性材料配合魔术贴进行固定，便于使用并且提高了使用舒适感。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的整体结构示意图；
图2是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的背部穿戴示意图；
图3是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的背部模块结构示意图；
图4是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的背部模块工作视图；
图5是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的背部模块爆炸图；
图6是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的夹块爆炸图；
图7是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的控制盒爆炸图；
图8是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的膝部穿戴示意图；
图9是按照本发明优选实施例构建的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的膝部模块爆炸图；
图10是单电机柔性助力的膝关节外骨骼的工作流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
11-固定模块，12-背部模块，13-柔性绳，14-膝部模块，21-后板，22-同步带，23-上带轮，24-控制盒，25-夹块，26-下带轮，27-带轮轴，28-顶盖，29-电机，31-齿形块，32-连接块，33-第一绳扣，34-第一固定螺钉，41-柔性护膝，42-膝部连接块，43-固定件，44-无线惯性测量单元，45-第二绳扣，46-第二固定螺钉，51-盒盖，52-无线接收单元，53-驱动器，54-上层盒，55-锂电池，56-底层盒。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、2所示，本发明实施例提供了一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其包括固定模块11、背部模块12、柔性绳13和两个膝部模块14，其中：
固定模块11与背部模块12连接，用于将背部模块12固定在背部，可采用柔性背带的方式将背部模块进行固定，从而提高穿戴舒适性以及使用的灵活性；
如图3-5所示，背部模块12包括顶盖28、后板21，固定在顶盖28上的电机29以及设置在顶盖28和后板21之间的控制盒24、上带轮23、下带轮26、同步带22、带轮轴27和两个夹块25，后板21与固定模块11连接，根据人体上半身特点(肩部宽度大于背部)，后板21优选采用T形板，使得外骨骼施加给人体的反作用力均匀分布在人体背部；电机29的转轴与上带轮23相连，并在控制盒24的控制下正转或反转，以带动上带轮23转动，电机29优选采用盘式电机，具有精度高、转速大、质量轻、运行平稳、抗过载能力强和噪音低等优势；上带轮23和下带轮26分别与同步带22啮合连接，并且下带轮26通过带轮轴27与后板21连接，带轮轴27位于后板21和顶盖28之间，起支撑作用，并作为下带轮26的转轴，工作时上带轮23通过同步带22带动下带轮26转动；两个夹块25分别与左右两侧的同步带22啮合固定，从而在同步带22的带动下相向移动；同时后板21和顶盖28的两侧开有长凹槽，用于与夹块25上的凸起配合，实现对夹块25左右方向的限位，使其只能上下平移；
如图8、9所示，两个膝部模块14结构相同，分别通过柔性护膝41固定在穿戴者的左膝和右膝上，每个膝部模块14均包括柔性护膝41、无线惯性测量单元44、膝部连接块42和第二绳扣45，柔性护膝41固定在穿戴者的膝盖上；无线惯性测量单元44固定在柔性护膝41的一侧，用于实时获取穿戴者步态数据，从而采集下肢关节角度信号并发送到控制盒24；膝部连接块42通过第二固定螺钉46固定在柔性护膝41的另一侧，并通过第二绳扣45与柔性绳13连接，从而在夹块25和柔性绳13的带动下实现对两腿的交替运动提供拉力。
进一步，如图6所示，两个夹块25的结构相同，每个夹块25均包括齿形块31、连接块32和第一绳扣33，其中齿形块31与连接块32分别设置在同步带22的两侧，并且通过第一固定螺钉34相互连接；齿形块31与同步带22啮合固定；连接块32的外侧设置有第一绳扣33，用于与柔性绳13连接。采用该结构的夹块25能够使得夹块通过齿槽与同步带啮合，保证运动平稳、柔性绳不易脱落，同时还能够保证夹块的行程可调节。
进一步，如图7所示，控制盒24包括驱动器53、无线接收单元52和锂电池55，其中驱动器53设置在盒盖51和上层盒54之间，用于控制电机29正转或反转；无线接收单元52设置在盒盖51和上层盒54之间，用于接收无线惯性测量单元44发送的下肢信号，以训练神经网络，实现对使用者步态的识别，使得驱动器对电机的控制更加贴合穿戴者自身习惯，换向更加准确、自然；锂电池55设置在上层盒54与底层和56之间，用于为驱动器53和无线接收单元52提供电源。
进一步，柔性背带和柔性护膝使用弹性材料配合魔术贴进行固定，使得穿戴过程较为简便，且对不同体型的使用者均有较好的可用性。
进一步，为提高容错能力，可以控制驱动器53在程序出错时停止对电机29供电，则电机处于自由状态，不会对正常行走造成阻碍，电机29优选采用盘式减速电机。
下面对本发明提供的单电机柔性助力的膝关节外骨骼的工作过程做具体描述，
如图10所示，背部模块12固定于固定模块11上，并通过柔性绳13向两个膝部模块14交替提供拉力。考虑到两腿的对称性，下面不妨假设左腿抬起的情况。
电机29与上带轮23相连，下带轮26绕带轮轴27同轴转动，上带轮23、下带轮26通过同步带22相互联系，且在同步带22两侧居中的位置，分别有夹块25啮合固定。左腿抬起时，首先由驱动器53向电机29发出转向指令，电机29带动上带轮23作顺时针转动。由于同步带22与上带轮23、下带轮26以及夹块25的相互关系，此结构整体作顺时针转动，此情况下，两侧夹块25作相向移动，即分别向上和向下移动，如图4所示。
在柔性绳13的连接下，两夹块25的机械位移将驱动力分别传递到两个膝部模块14。其中，左侧的柔性绳13呈紧绷状态，向左侧的膝部模块14提供拉力；右侧的柔性绳13呈舒张状态，暂时不向右侧的膝部模块14提供拉力。
当换为右腿抬起时，由驱动器53向电机29发出换向指令，电机29反转，重复上述步骤，完成行走过程中一个周期的交替助力。
同步带22与上、上带轮23、下带轮26以及夹块25配合的整体结构，保证了外骨骼工作的稳定性，用一个电机实现了对两腿的交替助力，较同类发明成本更低，能耗更小。
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 (7)

1.一种单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，该膝关节外骨骼包括固定模块(11)、背部模块(12)、柔性绳(13)和两个膝部模块(14)，其中：
所述固定模块(11)与所述背部模块(12)连接，用于将所述背部模块(12)固定在背部；
所述背部模块(12)包括顶盖(28)、后板(21)，固定在所述顶盖(28)上的电机(29)以及设置在所述顶盖(28)和后板(21)之间的控制盒(24)、上带轮(23)、下带轮(26)、同步带(22)、带轮轴(27)和两个夹块(25)；所述电机(29)的转轴与所述上带轮(23)相连，并在所述控制盒(24)的控制下正转或反转，以带动所述上带轮(23)转动；所述上带轮(23)和下带轮(26)分别与所述同步带(22)啮合连接，并且所述下带轮(26)通过所述带轮轴(27)与所述后板(21)连接，工作时所述上带轮(23)通过所述同步带(22)带动所述下带轮(26)转动；两个所述夹块(25)分别与左右两侧的同步带(22)啮合固定，从而在所述同步带(22)的带动下相向移动；
两个所述膝部模块(14)结构相同，分别通过柔性护膝(41)固定在穿戴者的左膝和右膝上，并且分别通过所述柔性绳(13)与两个所述夹块(25)连接，从而在所述夹块(25)和柔性绳(13)的带动下实现对两腿的交替运动提供拉力。
2.如权利要求1所述的单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，两个所述夹块(25)的结构相同，每个所述夹块(25)均包括齿形块(31)、连接块(32)和第一绳扣(33)，其中所述齿形块(31)与连接块(32)分别设置在所述同步带(22)的两侧，并且通过固定组件相互连接；所述齿形块(31)与所述同步带(22)啮合固定；所述连接块(32)的外侧设置有第一绳扣(33)，用于与所述柔性绳(13)连接。
3.如权利要求1所述的单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，每个所述膝部模块(14)均包括柔性护膝(41)、无线惯性测量单元(44)、膝部连接块(42)和第二绳扣(45)，其中所述柔性护膝(41)固定在穿戴者的膝盖上；所述无线惯性测量单元(44)固定在所述柔性护膝(41)的一侧，用于采集下肢关节角度信号并发送到所述控制盒(24)；所述膝部连接块(42)固定在所述柔性护膝(41)的另一侧，并通过所述第二绳扣(45)与所述柔性绳(13)连接。
4.如权利要求3所述的单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，所述控制盒(24)包括驱动器(53)、无线接收单元(52)和锂电池(55)，其中所述驱动器(53)用于控制所述电机(29)正转或反转；所述无线接收单元(52)用于接收所述无线惯性测量单元(44)发送的下肢关节角度信号；所述锂电池(55)用于为所述驱动器(53)和无线接收单元(52)提供电源。
5.如权利要求1所述的单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，所述后板(21)和顶盖(28)的两侧开有长凹槽，用于与所述夹块(25)上的凸起配合，实现对所述夹块(25)左右方向的限位。
6.如权利要求1～5任一项所述的单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，所述固定模块(11)采用柔性背带。
7.如权利要求6所述的单电机柔性助力的膝关节外骨骼，其特征在于，所述柔性背带和柔性护膝使用弹性材料配合魔术贴进行固定。
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