CN113001522A - 多功能机械外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能机械外骨骼，包括依次连接的固定组件、髋关节组件、大腿组件、膝关节组件、小腿组件、踝关节组件、脚踏组件和行走轮组件，行走轮组件包括行走轮直线驱动器、行走轮支架、第一旋转驱动器和行走轮，行走轮直线驱动器安装在小腿组件上，行走轮支架连接行走轮直线驱动器的伸缩杆，行走轮和第一旋转驱动器均安装在行走轮支架上，第一旋转驱动器驱动行走轮旋转，行走轮直线驱动器驱动行走轮支架上下运动使得行走轮高于或低于脚踏组件。本发明的机械外骨骼在小腿组件上设置了行走轮组件，利用能够上下移动的行走轮使得机械外骨骼具备步行和自行两种功能，方便使用者在不同的环境下移动，提高了机械外骨骼的行动效率。

Description

多功能机械外骨骼

技术领域

本发明涉及外骨骼领域，尤其涉及一种具有步行功能、自行功能和站坐两种形态的机械外骨骼。

背景技术

机械外骨骼是一种能够穿戴的机械装置，它能够提供额外的能量辅助人体四肢的运动，具有增强人体能力的功能，可以为士兵提供防护和支援，也可以为患者提供康复训练，具有十分广泛的应用前景。现有技术的机械外骨骼种类很多，一般包括多个关节、腿和胳膊，通过相应的固定装置将机械外骨骼的腿和胳膊与使用者的腿和胳膊对应固定，外骨骼受使用的控制，使得使用者的四肢动作得到增强。现有技术机械外骨骼的缺陷是：1.功能单一，只能配合使用者的四肢行动，即使在平整的路面上也只能配合使用者步行；2.姿态不能调整，当使用者需要休息时只能脱下机械外骨骼，操作麻烦。

另外，现有技术中，HOCOMA公司生产的具有跑步台的下肢外骨骼机器人，外骨骼在使用时，必须同步使用跑步台，不仅占地面积大，而且耗费高，系统较为复杂。

公布号为CN110960403A的中国专利《一种行走安全支架及外骨骼机器人》提供辅助支架形式的外骨骼机器人，患者在使用外骨骼机器人时，可以辅助使用吊架，极大程度地减轻了辅助者的负担，为使用者更便捷地使用外骨骼提供了条件。但该种使用方式，要求具有充分的训练场地，供安全支架运行。对室内较狭小的空间则不适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术的机械外骨骼只能配合使用者的四肢行动，功能单一且无法调整姿态。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多功能机械外骨骼，包括固定组件、髋关节组件、大腿组件、膝关节组件、小腿组件、踝关节组件、脚踏组件和行走轮组件，其中固定组件、髋关节组件、大腿组件、膝关节组件、小腿组件、踝关节组件和脚踏组件依次连接，固定组件能够与使用者的上半身（例如背部）固定，大腿组件能够绕髋关节组件旋转，小腿组件能够绕膝关节旋转，脚踏组件能够绕踝关节旋转；

所述行走轮组件包括行走轮直线驱动器、行走轮支架、第一旋转驱动器和行走轮，行走轮直线驱动器安装在小腿组件上，行走轮支架连接行走轮直线驱动器的伸缩杆，行走轮和第一旋转驱动器均安装在行走轮支架上，第一旋转驱动器驱动行走轮旋转，行走轮直线驱动器驱动行走轮支架上下运动使得行走轮高于或低于脚踏组件。

本发明的机械外骨骼是一种仿生结构，大腿组件和小腿组件与使用者的大腿和小腿对应，在使用时，使用者应站立在脚踏组件上，使用者的脚与脚踏组件固定，使用者的大腿与大腿组件固定，使用者的小腿与小腿组件固定，使用者的背部与固定组件固定；髋关节组件、膝关节组件和踝关节组件能够分别驱动大腿组件、小腿组件和脚踏组件运动，使得整个外骨骼配合使用者行动，降低使用者的负重以及行走所消耗的能量；当使用者处于平整的路面时，使用者可以控制行走轮直线驱动器的伸缩杆伸出，使得行走轮支架下行，直至行走轮低于脚踏组件（即行走轮触地，脚踏组件悬空），然后使用者启动第一旋转驱动器驱动行走轮旋转即可在地面快速前行；本发明中所用的行走轮既可以采用普通的轮子，也可以采用麦克纳姆轮这类全向轮以提高灵活性；采用普通的轮子时，各个轮子可以通过差速进行转向。

整个行走轮支架的长度关系到机械外骨骼的稳定性，行走轮支架越长，则机械外骨骼在前进时越稳定（不易发生前翻或者后翻），但是如果行走支架的长度超过使用者脚的长度（或者是超过脚踏组件的长度）则极大的影响使用者步行；为此，本发明将行走轮支架设计为伸缩式结构，具体做法是：所述行走轮组件还包括第二旋转驱动器和齿轮，所述行走轮支架包括基础支架和伸缩支架，基础支架上设置有沿着基础支架长度方向的水平导轨，伸缩支架安装在水平导轨内，伸缩支架的底部设置有直齿，第二旋转驱动器和齿轮均安装在基础支架上，第二旋转驱动器驱动齿轮，齿轮与伸缩支架底部的直齿啮合；基础支架与行走轮直线驱动器的伸缩杆连接，基础支架和伸缩支架上均安装有行走轮。

进一步的，固定组件包括背部固定架和背部绑带，背部固定架中部内凹以容纳用户的背部，背部绑带与背部固定架连接，使用者背靠背部固定架然后固定好背部绑带即可实现自身背部与机械外骨骼的固定；为了适应不同身材的使用者，背部固定架可以设计成可伸缩式结构，以便调节背部固定架的宽度。

进一步的，所述髋关节组件包括髋关节、第一编码器、第一编码盘和第一直线驱动器，所述大腿组件包括大腿支架，所述背部固定架、大腿支架的一端以及第一编码盘均与髋关节连接，其中，背部固定架或者大腿支架的一端与髋关节铰接，确保大腿支架相对背部固定架可旋转；第一编码器安装在背部固定架和/或大腿支架上；第一直线驱动器的基座和伸缩杆分别铰接背部固定架和大腿支架；第一编码器配合第一编码盘测量大腿支架的旋转角度，当使用者刚开始迈步时，大腿支架随着使用者的大腿发生运动，机械外骨骼的控制系统通过第一编码器获得信号，然后控制系统启动第一直线驱动器使得大腿支架主动配合使用者迈步。

本发明的机械外骨骼也可以用作康复训练设备，具体做法是在髋关节上设置吊点，利用吊点将整个机械外骨骼悬吊起来，使用者穿戴机械外骨骼之后并启动第一旋转驱动器即可实现原地漫步，起到下肢训练的作用；这种使用功能使得本发明能够替代HOCOMA的跑步台，同时还能降低对场地大小的依赖；通过调节本发明机械外骨骼的悬吊高度还可以调节患者在训练时脚部的压力，以适应各种不同的患者。

进一步的，所述膝关节组件包括膝关节、第二编码器、第二编码盘和第二直线驱动器，所述小腿组件包括小腿支架，所述大腿支架的另一端、第二编码盘以及小腿支架的一端均与膝关节连接，其中，大腿支架的另一端或者小腿支架的一端与膝关节铰接，第二编码器安装在大腿支架和/或小腿支架上；第二直线驱动器的基座和伸缩杆分别铰接大腿支架和小腿支架；第二编码器配合第二编码盘测量小腿支架的旋转角度；当使用者刚开始迈步时，小腿支架随着使用者的小腿发生运动，机械外骨骼的控制系统通过第二编码器获得信号，然后控制系统启动第二直线驱动器使得小腿支架主动配合使用者迈步。

进一步的，所述踝关节组件包括踝关节和第三直线驱动器，所述脚踏组件包括脚踏板，所述脚踏板和小腿支架的另一端均与踝关节连接，其中，脚踏板或者小腿支架的另一端与踝关节铰接；第三直线驱动器的基座和伸缩杆分别铰接小腿支架和脚踏板。

本发明的机械外骨骼还具有让使用者以坐姿休息的功能，具体做法是：所述固定组件还包括座板和第三旋转驱动器，所述座板与髋关节铰接，第三旋转驱动器驱动座板旋转；当使用者想要休息时，使用者控制第一直线驱动器和第二直线驱动器启动，使得大腿支架保持基本水平的姿态，然后第三旋转驱动器驱动座板旋转至使用者的臀部下方，使用者坐在座板上休息；需要注意的是，机械外骨骼采用坐姿时，必须将伸缩支架完全伸出。当机械外骨骼处于坐姿状态时，既可以保持静止让使用者休息，也可以启动第一旋转驱动器，让使用者以坐姿状态前行。

进一步的，所述大腿组件还包括大腿固定架，大腿固定架安装在大腿支架上；所述小腿组件还包括小腿固定架，小腿固定架安装在小腿支架上。

进一步的，所述大腿组件还包括大腿绑带，大腿绑带连接大腿固定架；所述小腿组件还包括小腿绑带，小腿绑带连接小腿固定架；所述脚踏组件还包括脚部绑带，脚部绑带连接脚踏板；大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带分别用于固定使用者的大腿、小腿和脚；所述背部绑带、大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带上均安装有拉力传感器，控制系统可以根据拉力传感器感知背部绑带、大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带的松紧程度，保障使用安全。为了机械外骨骼与使用者配合更加协调，还可以在脚踏板上安装压力传感器，在大腿支架和小腿支架上安装惯性传感器，测量使用者迈步时下肢的加速度以及脚底的压力，然后利用加速度数据和压力数据修正机械外骨骼的运动；所述第一旋转驱动器，第二旋转驱动器和第三旋转驱动器均为电机，所述行走轮直线驱动器、第一直线驱动器、第二直线驱动器和第三直线驱动器均为电动推杆。

进一步的，所述脚踏组件还包括侧面支架，所述侧面支架与脚踏板连接，所述侧面支架设置有竖直导轨，所述基础支架安装在竖直导轨内。

有益效果：（1）本发明的机械外骨骼在小腿组件上设置了行走轮组件，利用能够上下移动的行走轮使得机械外骨骼具备步行和自行两种功能，方便使用者在不同的环境下移动，提高了机械外骨骼的行动效率。（2）本发明的机械外骨骼在髋关节处设置了座板和第三旋转驱动器，使得机械外骨骼能够切换为坐姿供使用者乘坐休息，避免使用者频繁穿脱机械外骨骼。（3）本发明的机械外骨骼将行走轮支架设计为伸缩式结构，既能保障整个机械外骨骼的稳定性，也能配合机械外骨骼的坐姿，方便使用者以坐姿的方式前行，提高了舒适性。（4）本发明的机械外骨骼设置了多个编码器和编码盘来感知使用者的迈步趋势和停步趋势，使得机械外骨骼能够灵敏的配合使用者的下肢运动，实用性强。（5）本发明的机械外骨骼在背部绑带、大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带上均安装有拉力传感器，控制系统根据拉力传感器感知背部绑带、大腿绑带、小腿绑带和脚部绑带的松紧程度，保障使用安全。

附图说明

图1是实施例1机械外骨骼的立体图（坐姿）。

图2是实施例1机械外骨骼的立体图（隐藏部分外壳和一半下肢）。

图3是图2的另一个视角。

图4是实施例1机械外骨骼的侧面视图（隐藏部分外壳和行走轮组件）。

图5是实施例1中小腿组件和行走轮组件的立体图。

图6是实施例1机械外骨骼的立体图（站姿）。

其中：100、固定组件；110、背部固定架；120、背部绑带；130、座板；140、第三旋转驱动器；200、髋关节组件；210、髋关节；220、第一编码器；230、第一编码盘；240、第一直线驱动器；300、大腿组件；310、大腿支架；320、大腿固定架；330、大腿绑带；400、膝关节组件；410、膝关节；420、第二编码器；430、第二编码盘；440、第二直线驱动器；500、小腿组件；510、小腿支架；520、小腿固定架；530、小腿绑带；600、踝关节组件；610、踝关节；620、第三直线驱动器；700、脚踏组件；710、脚踏板；720、脚部绑带；730、侧面支架；731、竖直导轨；800、行走轮组件；810、行走轮直线驱动器；820、行走轮支架；821、基础支架；822、伸缩支架；830、第一旋转驱动器；840、行走轮；850、第二旋转驱动器；860、齿轮。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例的多功能机械外骨骼包括固定组件100、髋关节组件200、大腿组件300、膝关节组件400、小腿组件500、踝关节组件600、脚踏组件700和行走轮组件800；

固定组件100包括背部固定架110、背部绑带120、座板130和第三旋转驱动器140，背部固定架110中部内凹以容纳用户的背部，背部绑带120与背部固定架110连接，座板130与髋关节210铰接，第三旋转驱动器140驱动座板130旋转；座板130供用户乘坐，本实施例中将座板130设计为平板状，但是座板130也可以设计为中间内凹的U型、马桶圈形状或者其他形状；

髋关节组件200包括髋关节210、第一编码器220、第一编码盘230和第一直线驱动器240，大腿组件300包括大腿支架310、大腿固定架320和大腿绑带330，背部固定架110、大腿支架310的一端以及第一编码盘230均与髋关节210连接，其中，大腿支架310的一端与髋关节210铰接，背部固定架110和大腿支架310上均安装有第一编码器220；第一直线驱动器240的基座和伸缩杆分别铰接背部固定架110和大腿支架310；大腿固定架320安装在大腿支架310上，大腿绑带330连接大腿固定架320；

膝关节组件400包括膝关节410、第二编码器420、第二编码盘430和第二直线驱动器440，小腿组件500包括小腿支架510、小腿固定架520和小腿绑带530，大腿支架310的另一端、第二编码盘430以及小腿支架510的一端均与膝关节410连接，其中，小腿支架510的一端与膝关节410铰接，大腿支架310和小腿支架510上均安装有第二编码器420；第二直线驱动器440的基座和伸缩杆分别铰接大腿支架310和小腿支架510；小腿固定架520安装在小腿支架510上，小腿绑带530连接小腿固定架520；

踝关节组件600包括踝关节610和第三直线驱动器620，脚踏组件700包括脚踏板710、脚部绑带720和侧面支架730，脚踏板710和小腿支架510的另一端均与踝关节610连接，其中，脚踏板710与踝关节610铰接，脚部绑带720连接脚踏板710；第三直线驱动器620的基座和伸缩杆分别铰接小腿支架510和脚踏板710；侧面支架730与脚踏板710连接；

背部绑带120、大腿绑带330、小腿绑带530和脚部绑带720上均安装有拉力传感器，控制系统可以根据拉力传感器感知背部绑带120、大腿绑带330、小腿绑带530和脚部绑带720的松紧程度，保障使用安全；

如图5所示，行走轮组件800包括行走轮直线驱动器810、行走轮支架820、第一旋转驱动器830、行走轮840、第二旋转驱动器850和齿轮860，行走轮直线驱动器810安装在小腿组件500上，行走轮支架820包括基础支架821和伸缩支架822，基础支架821上设置有沿着基础支架821长度方向的水平导轨，伸缩支架822安装在水平导轨内，伸缩支架822的底部设置有直齿，第二旋转驱动器850和齿轮860均安装在基础支架821上，第二旋转驱动器850驱动齿轮860，齿轮860与伸缩支架822底部的直齿啮合；基础支架821与行走轮直线驱动器810的伸缩杆连接，基础支架821和伸缩支架822上均安装有行走轮840和第一旋转驱动器830，第一旋转驱动器830驱动行走轮840旋转；侧面支架730设置有竖直导轨731，基础支架821安装在竖直导轨731内，行走轮直线驱动器810能够驱动基础支架821在竖直方向运动。

本实施例中的行走轮直线驱动器810、第一直线驱动器240、第二直线驱动器440和第三直线驱动器620均为电动推杆，第一旋转驱动器830，第二旋转驱动器850和第三旋转驱动器140均为电机。

本发明的机械外骨骼是一种仿生结构，大腿组件300和小腿组件500与使用者的大腿和小腿对应，具体使用方法是：

（1）将使用者的背部、大腿、小腿和脚分别置于背部固定架110、大腿固定架320、小腿固定架520和脚踏板710内，然后绑好背部绑带120、大腿绑带330、小腿绑带530和脚部绑带720；整个机械外骨骼站立时的姿态如图6所示；在此状态下，行走轮支架820处于收缩状态，行走轮840的位置高于脚踏板710，脚踏板710触地；

（2）当使用者刚开始迈步时，大腿支架310随着使用者的大腿发生运动，小腿支架510随着使用者的小腿发生运动，机械外骨骼的控制系统通过第一编码器220和第二编码器420获得信号，然后控制系统启动第一直线驱动器240使得大腿支架310主动配合使用者迈步、启动第二直线驱动器440使得小腿支架510主动配合使用者迈步，启动第三直线驱动器620使得脚踏板710主动配合使用者迈步；第一直线驱动器240、第二直线驱动器440和第三直线驱动器620的伸缩幅度和伸缩频率由使用者预先设定；

（3）当使用者需要休息时，控制系统启动第一直线驱动器240、第二直线驱动器440和第三直线驱动器620，使得机械外骨骼形成如图1所示的坐姿状态，然后如图4所示的第二旋转驱动器850启动，伸缩支架822向后伸出；之后，行走轮直线驱动器810启动，整个行走轮支架820向下运动并触地，使得脚踏板710悬空；在此过程中，如图3所示的第三旋转驱动器140启动，驱动座板130旋转至使用者的臀部下方，使用者坐在座板130上休息；如果机械外骨骼处于较为平整的路面上，使用者还可以启动第一旋转驱动器830驱动行走轮840旋转，让使用者以坐姿状态前行。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能机械外骨骼，包括依次连接的固定组件（100）、髋关节组件（200）、大腿组件（300）、膝关节组件（400）、小腿组件（500）、踝关节组件（600）和脚踏组件（700），其特征在于：还包括行走轮组件（800）；

所述行走轮组件（800）包括行走轮直线驱动器（810）、行走轮支架（820）、第一旋转驱动器（830）和行走轮（840），行走轮直线驱动器（810）安装在小腿组件（500）上，行走轮支架（820）连接行走轮直线驱动器（810）的伸缩杆，行走轮（840）和第一旋转驱动器（830）均安装在行走轮支架（820）上，第一旋转驱动器（830）驱动行走轮（840）旋转，行走轮直线驱动器（810）驱动行走轮支架（820）上下运动使得行走轮（840）高于或低于脚踏组件（700）。

2.根据权利要求1所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述行走轮组件（800）还包括第二旋转驱动器（850）和齿轮（860），所述行走轮支架（820）包括基础支架（821）和伸缩支架（822），基础支架（821）上设置有沿着基础支架（821）长度方向的水平导轨，伸缩支架（822）安装在水平导轨内，伸缩支架（822）的底部设置有直齿，第二旋转驱动器（850）和齿轮（860）均安装在基础支架（821）上，第二旋转驱动器（850）驱动齿轮（860），齿轮（860）与伸缩支架（822）底部的直齿啮合；基础支架（821）与行走轮直线驱动器（810）的伸缩杆连接，基础支架（821）和伸缩支架（822）上均安装有行走轮（840）。

3.根据权利要求2所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述固定组件（100）包括背部固定架（110）和背部绑带（120），背部固定架（110）中部内凹以容纳用户的背部，背部绑带（120）与背部固定架（110）连接。

4.根据权利要求3所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述髋关节组件（200）包括髋关节（210）、第一编码器（220）、第一编码盘（230）和第一直线驱动器（240），所述大腿组件（300）包括大腿支架（310），所述背部固定架（110）、大腿支架（310）的一端以及第一编码盘（230）均与髋关节（210）连接，第一编码器（220）安装在背部固定架（110）和/或大腿支架（310）上；第一直线驱动器（240）的基座和伸缩杆分别铰接背部固定架（110）和大腿支架（310）。

5.根据权利要求4所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述膝关节组件（400）包括膝关节（410）、第二编码器（420）、第二编码盘（430）和第二直线驱动器（440），所述小腿组件（500）包括小腿支架（510），所述大腿支架（310）的另一端、第二编码盘（430）以及小腿支架（510）的一端均与膝关节（410）连接，第二编码器（420）安装在大腿支架（310）和/或小腿支架（510）上；第二直线驱动器（440）的基座和伸缩杆分别铰接大腿支架（310）和小腿支架（510）。

6.根据权利要求5所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述踝关节组件（600）包括踝关节（610）和第三直线驱动器（620），所述脚踏组件（700）包括脚踏板（710），所述脚踏板（710）和小腿支架（510）的另一端均与踝关节（610）连接，第三直线驱动器（620）的基座和伸缩杆分别铰接小腿支架（510）和脚踏板（710）。

7.根据权利要求6所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述固定组件（100）还包括座板（130）和第三旋转驱动器（140），所述座板（130）与髋关节（210）铰接，第三旋转驱动器（140）驱动座板（130）旋转。

8.根据权利要求7所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述大腿组件（300）还包括大腿固定架（320），大腿固定架（320）安装在大腿支架（310）上；所述小腿组件（500）还包括小腿固定架（520），小腿固定架（520）安装在小腿支架（510）上。

9.根据权利要求8所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述大腿组件（300）还包括大腿绑带（330），大腿绑带（330）连接大腿固定架（320）；所述小腿组件（500）还包括小腿绑带（530），小腿绑带（530）连接小腿固定架（520）；所述脚踏组件（700）还包括脚部绑带（720），脚部绑带（720）连接脚踏板（710）；

所述背部绑带（120）、大腿绑带（330）、小腿绑带（530）和脚部绑带（720）上均安装有拉力传感器；

所述第一旋转驱动器（830），第二旋转驱动器（850）和第三旋转驱动器（140）均为电机，所述行走轮直线驱动器（810）、第一直线驱动器（240）、第二直线驱动器（440）和第三直线驱动器（620）均为电动推杆。

10.根据权利要求9所述的多功能机械外骨骼，其特征在于：所述脚踏组件（700）还包括侧面支架（730），所述侧面支架（730）与脚踏板（710）连接，所述侧面支架（730）设置有竖直导轨（731），所述基础支架（821）安装在竖直导轨（731）内。

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