CN113288729A

CN113288729A - 一种外骨骼辅助移动设备

Info

Publication number: CN113288729A
Application number: CN202110738869.6A
Authority: CN
Inventors: 王天
Original assignee: Hangzhou Chengtian Technology Development Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chengtian Technology Development Co Ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-08-24

Abstract

本发明提供了一种外骨骼辅助移动设备，将辅助移位、外骨骼升降两种主要功能相结合。主要由轮组、基座、轮腿和下肢外骨骼组成。轮组的前两轮和后两轮，分别两两地与基座相活动连接；前两轮和后两轮可驱动地靠近和远离，从而将基座进行顶升或降下；下肢外骨骼和基座相连接，下肢外骨骼随基座升降。轮组的四轮为轮毂电机驱动的麦克纳姆轮或普通橡胶轮。轮腿与基座之间单自由度铰接或者全向球铰接。采用减重机构，实现对使用者的身体减重。本发明至少具备以下有益效果：采用轮腿结构实现对外骨骼的提升和降低，系统复杂程度降低；采购麦克纳姆轮轮组，实现全向移动；具有减重机构，实现身体减重。

Description

一种外骨骼辅助移动设备

技术领域

本发明涉及电动移位机及外骨骼技术领域，具体为一种外骨骼辅助移动设备。

背景技术

由于事故/伤病等原因造成下肢受损的病人，为了防止长时间的卧床导致肌肉萎缩，常常需要不断地进行站立和行走的训练，同时以达到康复的目的。另外，老年人的腿部肌肉无力，也常常导致其行动不便甚至丧失活动能力，严重影响老年人的生活质量。外骨骼机器人逐渐在此类康复的过程中，发挥着越来越重要的作用。在使用外骨骼的过程中，一般还是需要人为的进行辅助，防止患者跌倒，辅助患者进行转弯。

现有技术中，多借助外骨骼与辅助吊架相结合的方式，一方面，以外骨骼实现对人下肢康复的控制；另一方面，使用辅助吊架辅助进行外骨骼的行走，防止使用者摔倒。

CN201220069760.4下肢步态训练减重支撑装置与CN202011258446.6 一种万向调节无源跟随吊架，采用类似结构的吊架方式，与外骨骼实现结合，实现跟随外骨骼步伐移动，已经实现对外骨骼升降的目的。

Hocoma的Lokomat康复机器人，Motorika的Reo Ambulator下肢康复机器人，均使用外骨骼机器人+跑步台+减重设备的方式，来实现对下肢的康复训练。但限制了患者的行动空间，患者能够自由行动到希望的位置，对患者的康复进程以及心理，都会有较大的影响。

从上文可见，现有技术中的外骨骼移位机，一般是将行走功能、移位功能、升降功能分成系统的多个组成部分来进行的。

需要一个新的解决方案，实现辅助患者随外骨骼自由直行、转向，具有升降功能等为一体，且系统结构简单的辅助设备。

发明内容

本发明提供一种解决外骨骼移位问题的新的解决思路，将辅助移位、外骨骼升降两种主要功能相结合，即：一种外骨骼辅助移动设备。

本发明主要由轮组（1）、基座（2）、轮腿（3）和下肢外骨骼（503）组成。轮组（1）为四轮，前两轮和后两轮，分别两两地与基座（2）相活动连接；前两轮和后两轮可驱动地靠近和远离，从而顶升或降下基座（2）；下肢外骨骼（503）和基座（2）相连接，下肢外骨骼（503）随基座（2）升降。

轮组（1）的四轮为轮毂电机驱动的麦克纳姆轮或普通橡胶轮。轮腿（3）与基座（2）之间单自由度铰接或者全向球铰接。且可选地使用可控锁紧的全向球铰接。

采用减重机构（6），实现对使用者（5）的身体减重。

本发明的前两轮和后两轮可驱动地靠近时，由于轮组（1）与基座（2）之间的轮腿（3）为刚性的，会使得前两轮（两点）、后两轮（两点）、基座（2）（一面）、各轮腿（3）（四线）组成的梯形结构变高，从而将下肢外骨骼（503）连同其上的使用者（5）拉高，反之则降低。

本发明至少具备以下有益效果：

1、采用轮腿结构实现对外骨骼的提升和降低，系统复杂程度降低；

2、采购麦克纳姆轮轮组，实现全向移动；

3、具有减重机构，实现身体减重。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：图1 本发明主视图。

图2 本发明右视图1。

图3本发明右视图2。

图4 本发明实施例之一俯视图。

图5 本发明实施例之二俯视图。

图6 本发明实施例之三俯视图1。

图7 本发明实施例之三俯视图2。

图8 本发明可控球铰。

图9本发明可控球铰局部剖视图。

图10 本发明运动分解图1，箭头含义见图。

图11 本发明运动分解图2，箭头含义见图。

图12 本发明使用状态之坐姿图。

图13 本发明使用状态之站立转移图。

图14 本发明减震机构示意图。

图中：

轮组（1），后右麦轮（101），后左麦轮（102），后右驱动（103），后左驱动（104），后右连杆（105），后左连杆（106），后右转轴（107），后左转轴（108），前右麦轮（109），前左麦轮（110），前右驱动（111），前左驱动（112），后右轮毂（122），后左轮毂（123），后右转向驱动（126），后左转向驱动（127）；

基座（2），控制柜（201），左上万向球铰（203），右上万向球铰（204），前伸对中架（205），对中转轴（206），对中摇臂（207），右摇臂（208），左摇臂（209），左摇臂铰（210），右摇臂铰（211），后同步架（141），锁定齿轮（220），内锥螺纹（221），齿轮齿（222），锁定球囊件（223），连接槽（224），外锥螺纹（225），锁定面（226），形变槽（228），球体（229），下连接端（230），锁定驱动（232），驱动齿轮（233）；

轮腿（3），前同步架（4），前右平行机构（301），前左平行机构（302），右下万向球铰（303），左下万向球铰（304），前右下连杆（305），前左下连杆（306），车体右连接端（307），车体左连接端（308），后右平行机构（142），后左平行机构（143），弹性结构（309），固定滑轨块（310），减震弹性件（311），外骨骼连接件（312）；

使用者（5），外骨骼连接端（501），腰部固定架（502），下肢外骨骼（503），腋下减重托（504），减重滑块（505）；

减重机构（6），力矩电机（601），缆索（602），定滑轮（603），滑块基座（604）

为了简化表述方便，本说明书中将同类零部件写入同一个名称中，如：

麦克纳姆轮（101，102，109，110）：指前右麦轮（109）、前左麦轮（110）、后右麦轮（101）和后左麦轮（102）；

前麦轮（109，110）：指前右麦轮（109）和前左麦轮（110）；

后麦轮（101，102）：指后右麦轮（101）和后左麦轮（102）。

在同一的名称中，为了表述方便，未出现前、后、左、右等方位词，应以各附图标号及对应的附图说明中的名称为准。

具体实施方式

如下，将结合图1-14所示，对本发明的具体实施方式进行阐释。

本发明的典型实施例之一，本发明为主要由轮组（1）、基座（2）、轮腿（3）和下肢外骨骼（503）组成。轮组（1）为四轮，前两轮和后两轮，分别两两地与基座（2）相活动连接；前两轮和后两轮可驱动地靠近和远离，从而顶升或降下基座（2）；下肢外骨骼（503）和基座（2）相连接，下肢外骨骼（503）随基座（2）升降。

本发明的前两轮和后两轮均为主动轮。四轮可驱动地靠近时，由于轮组（1）与基座（2）之间的轮腿（3）为刚性的，会使得前两轮（两点）、后两轮（两点）、基座（2）（一面）、各轮腿（3）（四线）组成的梯形结构变高，从而将下肢外骨骼（503）连同其上的使用者（5）拉高，反之则降低。升起状态图，如图13，降低状态图，如图12。

目前外骨骼在使用过程中，普遍存在转向难的问题。一般均需要借助外部力量或设备辅助进行转向。下肢外骨骼（503）连同其上的使用者（5）被拉高后，可以实现跟随移动设备而转向。降低后，方便使用者（5）穿、脱下肢外骨骼（503）的动作。

作为优选的实施方式之二，所述的轮组（1）是由麦克纳姆轮（101，102，109，110），驱动（103，104，111，112）组成；后麦轮（101，102）分别与后连杆（105，106）相固定，后连杆（105，106）通过后转轴（107，108）与基座（2）形成转动副；还包括平行机构（301，302），平行机构（301，302）上铰接至基座（2），下铰接至前麦轮（109，110）；所述的铰接为万向球铰（203，204，303，304）。

后连杆（105，106）与基座（2）所形成的转动副，可以依靠手工方式进行锁定（图中未示出），以实现在不需使用升降功能的情况下，对转动进行锁定。亦可将转动副替换为电机驱动的，实现可控的转动动作。

麦克纳姆轮是依靠各轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变轮自身的方向。麦克纳姆轮组成的轮组（1）的典型特点是可以自由移动，实现前进、后退、转向、原地旋转等功能。

驱动（103，104，111，112）分别驱动四个麦克纳姆轮（101，102，109，110）。

平行机构（301，302）的设置，是为了适应下肢外骨骼（503）的宽度，而调整前右麦轮（109）和前左麦轮（110）两者间距时，保持前麦轮（109，110）的轮轴始终与后麦轮（101，102）的轮轴是相平行的。

连杆（305，306）分别构成平行机构（301，302）的一条边，确保与连杆（305，306）相固定连接的麦克纳姆轮的轴线保持与基座（2）的平行。

后连杆（105，106）通过后转轴（107，108）与基座（2）形成转动副的设置，应用于无需调整后右麦轮（101）和后左麦轮（102）之间的距离的场景，既后右麦轮（101）和后左麦轮（102）之间的距离是固定的情况。

作为优选的实施方式之三：所述的轮组（1）是由麦克纳姆轮（101，102，109，110），驱动（103，104，111，112）组成；还包括平行机构（301，302，142，143），平行机构（301，302，142，143）上铰接至基座（2），下铰接至前后麦轮（101，102，109，110）；所述的铰接为万向球铰（203，204，303，304）。

实施方案二和三中的万向球铰（203，204，303，304），各标号分别指的是两个万向球铰。如左上万向球铰（203）指的是与附图4中，所指的与基座（2）相固定的两个球铰。

该实施方式，是在实施方式二的基础上，使得轮组（1）整体上前后、左右，依靠前同步架（4）、后同步架（141）保持对称。更加增加了灵活性，和可调整性。不仅前右麦轮（109）和前左麦轮（110）两者间距、后右麦轮（101）和后左麦轮（102）两者间距均可调。

上述实施方式二和三，所述的两麦克纳姆轮之间的间距可调，可参见图10-图11。以图10为例，说明运动方式。同转速的情况下，后左麦轮（102）可分解出向上和向右两个运动；后右麦轮（101）可分解出向上和向左两个运动。上述两者向左、向右的运动相互抵消。两者合成一个向上的运动。

运动趋势，见附图10、11的空心箭头；实际运动方向，见附图10、11的实心箭头。所表述的方向，仅是运动中的一种方式。

前左麦轮（110）可分解出向下和向右两个方向的运动，前右麦轮（109）可分解出向左和向下两个方向的运动。前右麦轮（109）和前左麦轮（110）合成出的向下的运动，与后右麦轮（101）和后左麦轮（102）合成的向上的运动相抵消。设备原地不运动。

前右麦轮（109）向左和前左麦轮（110）向右两个方向的运动，使得两轮靠近，从而起到调整两者间距的作用，以适应下肢外骨骼（503）的宽度。

作为优选的实施方式之四：所述的任一组平行机构的1个-4个万向球铰为可控锁定的。

万向球铰（203，204，303，304）中的任何一个锁定住，就可以使该万向球铰所在的平行四边形结构锁定住。

作为优选的实施方式之五：所述的万向球铰主要由锁定齿轮（220），锁定球囊件（223），球体（229），锁定驱动（232），驱动齿轮（233）组成；锁定齿轮（220）的内锥螺纹（221）与锁定球囊件（223）的外锥螺纹（225）螺纹连接；外锥螺纹（225）处开有纵向的形变槽（228），锁定球囊件（223）的外锥螺纹（225）部位在受到外力挤压时，向内变形，从而使得与其内壁锁定面（226）相贴合的球体（229）压紧锁止；通过驱动锁定齿轮（220）旋转，使锁定齿轮（220）沿所述的锥螺纹（221，225）移动，挤压外锥螺纹（225）外周。

锁定驱动（232）驱动驱动齿轮（233），驱动齿轮（233）与齿轮齿（222）啮合，在驱动齿轮（233）旋转带动下，锁定齿轮（220）转动。

如图8和图9所示。

锁定球囊件（223）通过其上具有内螺纹的连接槽（224）与基座（2）相固定连接；下连接端（230）与平行机构中的一根杆相固定。从而形成使得平行机构可自由活动的空间平行四边形结构。且在轮组（1）移动的过程中，锁定，从而避免本发明的整体形状发生变化。

作为优选的实施方式之六：所述的轮组（1）是将麦克纳姆轮替换为普通轮，所述的普通轮指的是由驱动（103，104，111，112）驱动的橡胶轮或轮胎组成。

如图6所示。

该种方式不具有原地旋转的功能，其进行四驱转弯时，也有运动学上的固有缺陷。但可以作为一种优选的实施方案。

作为优选的实施方式之七：还包括转向驱动（126，127，128，129），分别驱动四个橡胶轮或轮胎进行转向。

如图6所示。

为了克服实施方式六存在的问题，增加专项驱动（126，127，128，129），从而使得前进、转向更为灵活。

作为优选的实施方式之八：驱动（103，104，111，112）为轮毂电机，转向驱动（126，127，128，129）为舵机或电机。

由于转向的角度是有限的，使用舵机即可实现转向控制的功能。

作为优选的实施方式之九：还包括减重机构（6），减重机构（6）主要由力矩电机（601），缆索（602），定滑轮（603），减重滑块（505）组成；腋下减重托（504）绑定在人体腋下，减重滑块（505）与滑块基座（604）构成滑动副；力矩电机（601）通过缆索（602），绕过定滑轮（603）拉动减重滑块（505），从而拉动减重托（504）实现人体减重。

作为非最优的方案，本发明使用固定的配重块也是可以的。这样做，可以有效降低设备的成本，使得设备的控制更为简单，结构进一步简化。

定滑轮（603）与基座（2）相固定。

如图1所示。

使用者（5）的整个身体的重量是有下肢来承担的。在使用者（5）下肢瘫痪、下肢术后恢复或者偏瘫的情况下，整个身体的重量压在下肢上，会不利于康复的进程。在康复的不同阶段，需要根据患者的实际情况，来对患者进行一定程度的减重，以减轻患者的下肢承受力的情况。

现有技术中，一般是对外骨骼本身进行减重，但这没有减轻患者下肢压力。对外骨骼和人体进行减重，是应使用在患者应用过程中的两个同等重要的方面。

本发明中，通过力矩电机（601）实现对人体的减重，且完全线性可调，与依靠配重的传统方式比，具有更好的可控性。

力矩电机（601）是一种极数较多的特殊电动机，可以在电动机低速甚至堵转（即转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏。而在这种工作模式下，力矩电机（601）可以提供稳定的力矩给负载（对缆索（602）的拉力）。力矩电机（601）也可以提供和运转方向相反的力矩。

作为优选的实施方式之十：还包括前同步架（4）；前同步架（4）由固定于基座（2）上的前伸对中架（205），对中摇臂（207），摇臂（208，209）组成；右摇臂（208）与左摇臂（209）关于对中转轴（206）中心对称；摇臂（208，209）分别与平行机构（301，302）连接于摇臂铰（210，211）处。

摇臂铰（210，211）可以是万向球铰。

本发明中还包括如下内容：

控制柜（201）是所有有源部件的控制核心。包括与整个设备相连接的下肢外骨骼（503）的控制系统亦可集成到控制柜（201）中，以减轻下肢外骨骼（503）的整体重量。

作为优选的实施方式之十一：所述的下肢外骨骼（503）在其腰部固定架（502）处与车体连接端（307，308）相连接。

作为优选的实施方式之十二：车体连接端（307，308）具有弹性结构（309），所述的弹性结构（309）包括固定滑轨块（310），减震弹性件（311）和外骨骼连接件（312）；外骨骼连接件（312）与固定滑轨块（310）组成滑动副，在减震弹性件（311）作用下构成减震结构。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种外骨骼辅助移动设备，主要由轮组（1）、基座（2）、轮腿（3）和下肢外骨骼（503）组成，其特征在于轮组（1）为四轮，前两轮和后两轮分别两两地与基座（2）相活动连接；前两轮和后两轮可驱动地靠近和远离，从而顶升或降下基座（2）；下肢外骨骼（503）和基座（2）相连接，下肢外骨骼（503）随基座（2）升降。

2.如权利要求1所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于所述的轮组（1）是由麦克纳姆轮（101，102，109，110），驱动（103，104，111，112）组成；后麦轮（101，102）分别与后连杆（105，106）相固定，后连杆（105，106）通过后转轴（107，108）与基座（2）形成转动副；还包括平行机构（301，302），平行机构（301，302）上铰接至基座（2），下铰接至前麦轮（109，110）；所述的铰接为万向球铰（203，204，303，304）。

3.如权利要求1所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于所述的轮组（1）是由麦克纳姆轮（101，102，109，110），驱动（103，104，111，112）组成；还包括平行机构（301，302，142，143），平行机构（301，302，142，143）上铰接至基座（2），下铰接至前后麦轮（101，102，109，110）；所述的铰接为万向球铰（203，204，303，304）。

4.如权利要求2或3所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于所述的任一组平行机构的1个-4个万向球铰为可控锁定的；所述的万向球铰主要由锁定齿轮（220），锁定球囊件（223），球体（229），锁定驱动（232），驱动齿轮（233）组成；锁定齿轮（220）的内锥螺纹（221）与锁定球囊件（223）的外锥螺纹（225）螺纹连接；外锥螺纹（225）处开有纵向的形变槽（228），锁定球囊件（223）的外锥螺纹（225）部位在受到外力挤压时，向内变形，从而使得与其内壁锁定面（226）相贴合的球体（229）压紧锁止；通过驱动锁定齿轮（220）旋转，使锁定齿轮（220）沿所述的锥螺纹（221，225）移动，挤压外锥螺纹（225）外周。

5.如权利要求2或3所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于轮组（1）是将麦克纳姆轮替换为普通轮，所述的普通轮指的是由驱动（103，104，111，112）驱动的橡胶轮或轮胎组成。

6.如权利要求5所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于还包括转向驱动（126，127，128，129），分别驱动四个橡胶轮或轮胎进行转向。

7.如权利要求6所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于驱动（103，104，111，112）为轮毂电机，转向驱动（126，127，128，129）为舵机或电机。

8.如权利要求4或6或7所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于还包括减重机构（6），减重机构（6）主要由力矩电机（601），缆索（602），定滑轮（603），减重滑块（505）组成；力矩电机（601）通过缆索（602），绕过定滑轮（603）拉动减重滑块（505），从而由减重滑块（505）带动腋下减重托（504）实现人体减重。

9.如权利要求8所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于还包括前同步架（4）；前同步架（4）由固定于基座（2）上的前伸对中架（205），对中摇臂（207），摇臂（208，209）组成；右摇臂（208）与左摇臂（209）关于对中转轴（206）中心对称；摇臂（208，209）分别与平行机构（301，302）连接于摇臂铰（210，211）处。

10.如权利要求9所述的一种外骨骼辅助移动设备，其特征在于车体连接端（307，308）具有弹性结构（309），所述的弹性结构（309）包括固定滑轨块（310），减震弹性件（311）和外骨骼连接件（312）；外骨骼连接件（312）与固定滑轨块（310）组成滑动副，在减震弹性件（311）作用下构成减震结构。