CN112451312A - 多自由度外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多自由度外骨骼机器人，主要由背包组件，球形电机组件，包裹组件，快速连接组件，膝关节驱动组件，踝关节组件，脚底板组件组成。上述设计，可以起到如下技术效果：三自由度髋关节，满足人体的实际运动需求；多个包裹组件，不仅起到紧固的作用，更重要的是，可以通过周期性地控制各个气囊粒充放气可以起到按摩人体肌肉的作用；多个模块可以分别单独使用(需要再配置线缆驱动或者对于各模块单独配置驱动系统)，也可以组合使用，满足不同患者的使用需求；可变更使用方向的背包设计，可以满足任一侧面安装的需求，从而具备卧、立两种使用场景的需求。

Description

多自由度外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人，具体地说是一种多自由度外骨骼机器人。
背景技术
康复机器人是国际机器人领域的研究热点之一。目前，康复机器人已经成为一种重要的辅助医疗设备，被广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面。
其中，下肢外骨骼机器人是一种由机构本体、硬件系统、算法及软件系统，以及可穿戴部件共同构成的康复机器人，能够帮助脑卒中、脊髓损伤以及下肢运动功能有障碍的患者进行康复训练。患者通过使用下肢外骨骼机器人可以进行坐、站、行走、平衡等功能训练，帮助患者逐渐恢复肌力，掌握身体平衡，矫正异常行走步态，从而回归正常生活。
目前，国内外有数十家公司或机构在研究外骨骼，主要面向的方向有轻量化、算法、智能化等方向。目前的外骨骼设计存在以下问题或需求：
·对于从卧病期开始使用外骨骼进行恢复的病人来说，现有技术中需要涉及两种形式的外骨骼。一种是卧式的，一种是立式的。这就需要两次投入，需要开发一种能够切换卧、立两种形态的外骨骼机器人。
·针对一般的使用者，其不仅仅存在行走恢复的需求，而且存在肌肉按摩的需求。而且，处于恢复期的患者，在使用外骨骼进行恢复训练时，往往时间较长，如果同时施加按摩功能，不仅仅能够缓解疲劳，更重要的是会对加速恢复起到双倍的效果。
·患者的病患情况不同，可能会分别用到髋关节恢复、膝关节恢复或踝关节恢复等，则需要将外骨骼设计为模块化的。满足不同患者的使用需求。
·现有技术的髋关节自由度低，不符合实际的人体运动需求。
发明内容
针对现有技术中提到的技术问题和需求，本发明提供一种多自由度外骨骼机器人。
多自由度外骨骼机器人，主要由背包组件(1)，球形电机组件(2)，包裹组件，快速连接组件(4)，膝关节驱动组件(5)，踝关节组件(6)，脚底板组件(7)组成。
所述的球形电机组件(2)为三自由度球形马达。
传统上由多个单自由度电机和复杂机械传动机构组成的控制系统误差的累计，导致整个系统的控制精度下降，甚至影响系统整体的稳定性。多自由度球形电机能极大简化系统机构，提高系统动稳态性能。目前国内外已有多家机构研制成功多自由度球形马达。
所述的包裹组件组由第一包裹件(3)，第二包裹件(37)，第三包裹件(38)，第四包裹件(39)组成；所述的各包裹件内侧接触体表部位均具有多组可充放气的气囊粒；所述的背包组件(1)，球形电机组件(2)与第一包裹件(3)相固定连接构成可单独使用的髋关节模块(8)；所述的膝关节驱动组件(5)，第二包裹件(37)与第三包裹件(38)相固定连接构成可单独使用的膝关节模块(9)；所述的第四包裹件(39)，踝关节组件(6)与脚底板组件(7)相固定连接构成可单独使用的踝关节模块(10)；所述的髋关节模块(8)与膝关节模块(9)，膝关节模块(9)与踝关节模块(10)之间通过快速连接组件(4)进行连接。
背包组件(1)由背板(151)，浮动组件(152)组成；浮动组件(152)包括弹性件(154)，背包安装滑块(155)；浮动组件(152)固定在背板(151)上，浮动组件(152)中，由上下一对弹性件(154)将背包安装滑块(155)夹持在垂直方向的中部，背包(156)与背包安装滑块(155)相固定连接。
上述设计，可以起到如下技术效果：
1、三自由度髋关节，满足人体的实际运动需求；
2、多个包裹组件，不仅起到紧固的作用，更重要的是，通过周期性地控制各个气囊粒充放气可以起到按摩人体肌肉的作用；
3、多个模块可以分别单独使用(需要再配置线缆驱动或者对于各模块单独配置驱动系统)，也可以组合使用，满足不同患者的使用需求；
4、可变更使用方向的背包设计，可以满足任一侧面安装的需求，从而具备卧、立两种使用场景的需求。
5、浮动背包的设计，使得本发明的技术方案，不仅仅能够应用于慢速的康复医疗领域，还可以应用于增强人体负重、速度领域，以增强人体。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1是本发明整体使用状态正视图。
图2是本发明整体使用状态侧视图。
图3是本发明跨关节模块。
图4是本发明膝关节模块。
图5是本发明踝关节模块。
图6是本发明包裹组件的剖视、主视和俯视图。
图7是本发明踝关节结构图和局部视图。
图8本发明脚底板组件结构图。
图9本发明踝关节结构图和使用状态图。
图10本发明快速连接组件剖视、主视图。
图11本发明卧式姿态使用示意图。
图12本发明球形电机的三维示意图。
图13本发明背包组件结构图。
图14本发明浮动组件结构图。
其中：
1-背包组件，2-球形电机组件，21-电机定子，22-电子转子，23-转子轴，24-定子固定柄，25-柄连接孔，26-转子轴旋转区域，3-第一包裹件，30-上气囊粒，31-中气囊粒，32-下气囊粒，33-气囊连接口，34-滑动块，35-魔术粘带，36-肌电器件，37-第二包裹件，38-第三包裹件，39-第四包裹件，4-快速连接组件，41-上壳，42-磁钢，43-磁钢旋转柄，44-端盖，45-吸块，46-下壳，5-膝关节驱动组件，6-踝关节组件，60-脚踝套，61-外围固定圈，62-上万向轴组，63-推杆，64-下万向轴组，65-脚，7-脚底板组件，70-底板，71-万向轴安装端，72-回转中心，721-空间回转几何中心范围，73-脚尖段，74-脚掌段，75-脚心段，76-限位柄，77-限位垫块，78-足跟旋转轴，780-阻尼车，781-阻尼轮，782-滑轨，783-回转轴，79-调高垫，8-髋关节模块，9-膝关节模块，10-踝关节模块，15-背包固定杆,151-背板，152-浮动组件，153-气囊，154-弹性件，155-背包安装滑块，156-背包，100-本体。
具体实施方式
如图1-14所示，结合具体的附图，对本发明的功能进行详细描述和解释。
实施方式一：
多自由度外骨骼机器人，主要由背包组件(1)，球形电机组件(2)，包裹组件，快速连接组件(4)，膝关节驱动组件(5)，踝关节组件(6)，脚底板组件(7)组成。
所述的球形电机组件(2)为三自由度球形马达。
传统上由多个单自由度电机和复杂机械传动机构组成的控制系统误差的累计，导致整个系统的控制精度下降，甚至影响系统整体的稳定性。多自由度球形电机能极大简化系统机构，提高系统动稳态性能。目前国内外已有多家机构研制成功多自由度球形马达。
所述的包裹组件组由第一包裹件(3)，第二包裹件(37)，第三包裹件(38)，第四包裹件(39)组成；所述的各包裹件内侧接触体表部位均具有多组可充放气的气囊粒；所述的背包组件(1)，球形电机组件(2)与第一包裹件(3)相固定连接构成可单独使用的髋关节模块(8)；所述的膝关节驱动组件(5)，第二包裹件(37)与第三包裹件(38)相固定连接构成可单独使用的膝关节模块(9)；所述的第四包裹件(39)，踝关节组件(6)与脚底板组件(7)相固定连接构成可单独使用的踝关节模块(10)；所述的髋关节模块(8)与膝关节模块(9)，膝关节模块(9)与踝关节模块(10)之间通过快速连接组件(4)进行连接。
本体(100)作为支撑部分，连接、固定各个部组件。为避免累赘，从附图可显而易见安装于本体(100)上的，文中不再赘述。
背包组件(1)由背板(151)，浮动组件(152)组成；浮动组件(152)包括弹性件(154)，背包安装滑块(155)；浮动组件(152)固定在背板(151)上，浮动组件(152)中，由上下一对弹性件(154)将背包安装滑块(155)夹持在垂直方向的中部，背包(156)与背包安装滑块(155)相固定连接。
球形电机组件(2)由电机定子(21)，电子转子(22)，转子轴(23)，定子固定柄(24)组成。定子固定柄(24)上具有柄连接孔(25)。转子轴(23)在转子轴旋转区域(26)区域内可绕X\Y\Z三个方向旋转。
实施方式二：所述的背包组件(1)通过背包固定杆(15)固定插入球形电机组件(2)上定子固定柄(24)的柄连接孔(25)来实现二者固定；背包固定杆(15)可从定子固定柄(24)的背面插入，也可从定子固定柄(24)的正面插入，进行固定。
本实施方案中，未包含具体的实施细节，如背包固定杆(15)固定插入球形电机组件(2)上定子固定柄(24)的柄连接孔(25)，并未描述如何固定，但作为本领域的常规技术手段，不应认为为公开不充分。
可变更使用方向的背包设计，可以满足任一侧面安装的需求，从而具备卧、立两种使用场景的需求。见图11。
实施方式三：所述的踝关节组件(6)和脚底板组件(7)构成了容纳脚(65)的机构；踝关节组件(6)由脚踝套(60)，外围固定圈(61)，上万向轴组(62)，推杆(63)，下万向轴组(64)组成；脚踝套(60)与外围固定圈(61)相固定；外围固定圈(61)上固定的上万向轴组(62)与脚底板组件(7)上的下万向轴组(64)，通过三个等尺寸推杆(63)连接；三个推杆(63)、外围固定圈(61)、脚底板组件(7)构成的几何结构，所构成的空间回转几何中心范围(721)大致包络脚踝的回转中心(72)。
推杆(63)可以是电推杆，也可以是气动或液压推杆。只要是产生直线运动类型的机构，尺寸合适，均可应用于本方案。
还应该理解的是，由于踝关节组件(6)模拟了踝关节，因此整个机构在与脚(65)一并旋转时，可能产生相对位移，因此：本方案所公开的方案，不应仅限于三个推杆(63)，还可以是六个推杆(63)，目的是产生更为灵活的六个自由度。
该设计，使得三个等尺寸推杆(63)在长度变化时，其包络的几何形状的空间回转几何中心范围(721)会发生变化，但是会将脚踝的回转中心(72)包络其中，以最大可能代替脚踝的转动。
可以理解由三个推杆(63)、外围固定圈(61)、脚底板组件(7)作为边线，构成一个五面几何体，空间回转几何中心范围(721)可以近似看成其重心或几何中心，该重心或几何中心随着几何体形状的变化而变化，因此会有重心或几何中心的空间范围，脚踝的回转中心，始终位于该重心或几何中心的空间范围中。需要说明的是，该描述非严格意义上的数学描述，仅定性地进行限定。该技术方案中还包括调高垫(79)，目的既是调整踝关节的回转中心位置。
实施方式四：所述的各包裹组件的气囊粒为规则排列的一组上气囊粒(30)，一组中气囊粒(31)和一组下气囊粒(32)；各组气囊粒均独立连接气囊连接口(33)，由外部气源供气。
在第一包裹件(3)上设置滑动块(34)，通过滑动块(34)安装于髋关节模块(8)的本体(100)上，在球形电机组件(2)运行时，髋关节的回转中心因与球形电机组件(2)的回转中心不重合，不可避免地会产生大腿与髋关节模块(8)产生相对位置移动的情况。则第一包裹件(3)上设置滑动块(34)即是为了使得第一包裹件(3)相对髋关节模块(8)可滑动。
多组气囊粒的设计，可控地可以使用外部气源对排列了的气囊粒进行周期性的充放气。如：依次对上气囊粒(30)，中气囊粒(31)，下气囊粒(32)充气，则自上而下地压迫皮肤表面，起到按摩的额作用。先充气中气囊粒(31)，后对上气囊粒(30)和下气囊粒(32)充气，则自中间部位向上下两侧进行按摩作用。同时，本方案还可以辅助以加热功能。
通过魔术粘带(35)，使得方便穿戴和拆卸。
实施方式五：所述的快速连接组件(4)由一侧的上壳(41)、磁钢(42)、磁钢旋转柄(43)、端盖(44)和另一侧的吸块(45)、下壳(46)组成；磁钢(42)与磁钢旋转柄(43)固定连接，整体可旋转改变磁钢(42)的磁极方向；吸块(45)为铁磁性材质或磁钢。
参考磁性表座的结构和原理。
实施方式六：所述的脚底板组件(7)由底板(70)，脚尖段(73)，脚掌段(74)，脚心段(75)，限位垫块(77)组成；脚尖段(73)与脚掌段(74)之间，脚掌段(74)与脚心段(75)之间通过足跟旋转轴(78)两两相铰接；通过限位柄(76)和限位垫块(77)，来限制所述两两相铰接的角度。
现有技术的脚底板普遍使用硬质材质的单板来制造，实施效果较差。对于不同恢复期的患者，其对于脚底不的灵活度需求不同。因此通过限位柄(76)和限位垫块(77)来调节两两段之间可旋转的角度。
实施方式七：还包括仰卧阻尼车(780)和滑轨(782)，仰卧阻尼车(780)具有阻尼轮(781)；仰卧姿态时，脚底板组件(7)通过足旋转轴(78)与仰卧阻尼车(780)铰接；使用者仰卧姿态下，球形电机组件(2)与使用者身体相固定，膝关节驱动组件(5)驱动膝关节伸展或弯曲时，阻尼车(780)沿滑轨(782)滑动。
实施方式八：还包括肌电器件(36)；肌电器件(36)安装在气囊粒的表面或两个气囊粒之间，以能够直接与皮肤接触为宜。
肌电器件(36)可以是采集肌电信号的传感器。也可以是发出皮肤表面电刺激的电极，用以通过电刺激，促进肌肉的收缩，产生神经肌肉电刺激。
实施方式九：所述的背包组件(1)由背板(151)，浮动组件(152)组成；浮动组件(152)包括弹性件(154)，背包安装滑块(155)；浮动组件(152)固定在背板(151)上，浮动组件(152)中由弹性件(154)将背包安装滑块(155)夹持在垂直方向的中部，背包(156)与背包安装滑块(155)相固定连接。
实施方式十：背板(151)靠近使用者测，包括可充放气的气囊(153)。
有本发明内容可知，本发明具有多组气囊粒，有充放气的功能，又在背板(151)上设置可充放气的气囊(153)，说明本发明需求有充放气的功能件。该功能件，可以是安装于背包(156)中的充气泵，也可以是外界的气源。
另外，本发明的实施方式是表示本发明的内容的一例，可以进一步与其它的公知技术组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内省略一部分等进行变更来构成。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.多自由度外骨骼机器人，其特征在于：主要由背包组件(1)，球形电机组件(2)，包裹组件，快速连接组件(4)，膝关节驱动组件(5)，踝关节组件(6)，脚底板组件(7)组成；
所述的球形电机组件(2)为三自由度球形马达；
所述的包裹组件组由第一包裹件(3)，第二包裹件(37)，第三包裹件(38)，第四包裹件(39)组成；所述的各包裹件内侧接触体表部位均具有多组可充放气的气囊粒；
所述的背包组件(1)，球形电机组件(2)与第一包裹件(3)相固定连接构成可单独使用的髋关节模块(8)；所述的膝关节驱动组件(5)，第二包裹件(37)与第三包裹件(38)相固定连接构成可单独使用的膝关节模块(9)；所述的第四包裹件(39)，踝关节组件(6)与脚底板组件(7)相固定连接构成可单独使用的踝关节模块(10)；
所述的髋关节模块(8)与膝关节模块(9)，膝关节模块(9)与踝关节模块(10)之间通过快速连接组件(4)进行连接；
背包组件(1)由背板(151)，浮动组件(152)组成；浮动组件(152)包括弹性件(154)，背包安装滑块(155)；
浮动组件(152)固定在背板(151)上，浮动组件(152)中，由上下一对弹性件(154)将背包安装滑块(155)夹持在垂直方向的中部，背包(156)与背包安装滑块(155)相固定连接。
2.根据权利要求1所述的多自由度外骨骼机器人，其特征在于：所述的背包组件(1)通过背包固定杆(15)固定插入球形电机组件(2)上定子固定柄(24)的柄连接孔(25)来实现二者固定；背包固定杆(15)可从定子固定柄(24)的背面插入，也可从定子固定柄(24)的正面插入，进行固定。
3.根据权利要求1或2所述的多自由度外骨骼机器人，所述的踝关节组件(6)和脚底板组件(7)构成了容纳脚(65)的机构；
其特征在于：踝关节组件(6)由脚踝套(60)，外围固定圈(61)，上万向轴组(62)，推杆(63)，下万向轴组(64)组成；
脚踝套(60)与外围固定圈(61)相固定；
外围固定圈(61)上固定的上万向轴组(62)与脚底板组件(7)上的下万向轴组(64)，通过三个等尺寸推杆(63)连接。
4.根据权利要求3所述的多自由度外骨骼机器人，所述的各包裹组件的气囊粒为规则排列的一组上气囊粒(30)，一组中气囊粒(31)和一组下气囊粒(32)；各组气囊粒均独立连接气囊连接口(33)，由外部气源供气。
5.根据权利要求3或4所述的多自由度外骨骼机器人，其特征在于所述的快速连接组件(4)由一侧的上壳(41)、磁钢(42)、磁钢旋转柄(43)、端盖(44)和另一侧的吸块(45)、下壳(46)组成；
磁钢(42)与磁钢旋转柄(43)固定连接，整体可旋转改变磁钢(42)的磁极方向；吸块(45)为铁磁性材质或磁钢。
6.根据权利要求5所述的多自由度外骨骼机器人，其特征在于：所述的脚底板组件(7)由底板(70)，脚尖段(73)，脚掌段(74)，脚心段(75)，限位垫块(77)组成；
脚尖段(73)与脚掌段(74)之间，脚掌段(74)与脚心段(75)之间通过足跟旋转轴(78)两两相铰接；通过限位柄(76)和限位垫块(77)，来限制所述两两相铰接的角度。
7.根据权利要求6所述的多自由度外骨骼机器人，其特征在于：
还包括仰卧阻尼车(780)和滑轨(782)，仰卧阻尼车(780)具有阻尼轮(781)；
仰卧姿态时，脚底板组件(7)通过足旋转轴(78)与仰卧阻尼车(780)铰接；
使用者仰卧姿态下，球形电机组件(2)与使用者身体相固定，膝关节驱动组件(5)驱动膝关节伸展或弯曲时，阻尼车(780)沿滑轨(782)滑动。
8.根据权利要求7所述的多自由度外骨骼机器人，其特征在于还包括肌电器件(36)；肌电器件(36)安装在气囊粒的表面或两个气囊粒之间，以能够直接与皮肤接触为宜。
9.根据权利要求1或8所述的多自由度外骨骼机器人，其特征在于背板(151)靠近使用者测，包括可充放气的气囊(153)。
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