CN113910203B - 一种康复型外骨骼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了本发明提供的一种康复型外骨骼装置，包括外骨骼模块、主机模块和固定支架，主机模块和外骨骼模块安装在固定支架上。外骨骼模块包括腰部骨架、电机组、腿骨架和足底装置，腰部骨架与固定支架相连，腿骨架的上部与腰部骨架相连，腿骨架的底部与足底装置相连，电机组与腿骨架相连，电机组工作时带动腿骨架运动。本发明所提供的一种外骨骼装置，安全性高，能够根据足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三轴力传感器所采集到的受力信号，进行分析，进而控制大腿电机和小腿电机的运动，从而更精准的辅助运动。

Description

一种康复型外骨骼装置
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种康复型外骨骼装置。
背景技术
外骨骼作为一种将人的智慧与机械的力量结合起来的人机一体化装置，能够通过操作者的简单控制使机械提供的强大动力被人体运用，使操作者能够完成自身无法完成的任务。而下肢外骨骼作为一种辅助行走装置，它将外骨骼的机械结构和人的双腿耦合在一起，通过人体控制、外部供能的方式使自身行动不便或无法行走的操作者可以自主行走。并且可以设计不同的步态、步速来适应不同残疾状况的病人，提高治疗效果。
外骨骼主要由以下几个部分组成：
(1)机械结构部分：负重外骨骼由于其负重功能的要求，多采用髋+膝+踝结构，而康复外骨骼由于多用于病患，需减少关节的活动，因此多采用髋+膝的结构。机械结构多为质量轻，强度大，抗疲劳的材料，如铝合金、钛合金、纳米材料等。
(2)动力系统：外骨骼的动力系统主要为外骨骼的助力提供动力来源，提供动力的方式可以是液压，电机，气动等。
(3)传感器系统：外骨骼的传感器系统主要用来获取人机交互过程中各种信号，用以判断人体步态或运功意图。
(4)控制系统：通常利用Matlab/Simulink等软件实现所提出的控制算法及相关方法后，在下载到相应的硬件控制器中。
目前现有的外骨骼设备，结构复杂，不能实时监测记录操作人员的受力情况。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够监测操作人员受力情况，安全性高，制造成本低，应用范围广的康复型外骨骼装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种康复型外骨骼装置，包括外骨骼模块、主机模块和固定支架，主机模块和外骨骼模块安装在固定支架上；外骨骼模块包括腰部骨架、电机组、腿骨架和足底装置，腰部骨架与固定支架相连，腿骨架的上部与腰部骨架相连，腿骨架的底部与足底装置相连，电机组与腿骨架相连，电机组工作时带动腿骨架运动。
优选地，所述腰部骨架包括髋关节固定座，髋关节固定座和固定支架相连，髋关节固定座上安装有腰带和腰带夹片，腰带和腰带夹片将操作员和髋关节固定座进行固定。
优选地，所述电机组包括大腿电机和小腿电机，腿骨架包括大腿骨架和小腿骨架，大腿电机的电机端与髋关节固定座固连，大腿电机的转轴端与大腿骨架的顶部相连，大腿电机工作时带动大腿骨架转动，大腿骨架的底部与小腿电机的电机端相连，小腿电机的转轴端与小腿骨架的顶部相连，小腿骨架的底部与足底装置相连，小腿电机工作时带动小腿骨架转动，进而带动足底装置运动。
优选地，所述足底装置包括鞋和足底连接件，足底连接件的底部通过螺丝与鞋底固定，足底连接件的顶部与小腿骨架的底部相连。
优选地，所述主机模块包括背部机箱和传感器组，背部机箱里安装有计算机、足底力传感器信号放大器、腰部三维力传感器信号放大器、腿部高精度三维力传感器信号放大器和数据采集卡，传感器组包括足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器；足底力传感器安装在足底装置上，用于收集足底力的信息，腰部三维力传感器安装在腰部骨架上，用于检测腰部的受力信息，腿部高精度三维力传感器安装在腿骨架上用于检测腿部的受力信息；足底力传感器与足底力传感器信号放大器电连接，腰部三维力传感器与腰部三维力传感器信号放大器电连接，腿部高精度三维力传感器与腿部高精度三维力传感器信号放大器电连接，足底力传感器信号放大器、腰部三维力传感器信号放大器和高精度三维力传感器信号放大器分别通过数据采集卡与计算机电连接，计算机分别收集足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器所采集到的信号。
优选地，所述数据采集卡的型号为NI PCIE-6259数据采集卡，数据卡能将收集到的信号数据进行A/D转换，将转换之后的数据通过PCI-E接口传输到计算机，从而实现对传感器组所采集到的信号进行读取。
优选地，所述足底力传感器为500N的ARIZON Model 1021压力传感器，足底力传感器的数量为六个，每三个足底力传感器为一组实现对足底力的精确测量。
优选地，所述腰部三维力传感器采用100N量程的华时呈H3D60-100N传感器，实现精准测量。
优选地，所述固定支架呈倒置的“T”字形结构，固定支架的上部与腰部骨架相连，固定支架的底部上设有固定支架滚轮，操作人员运动时，固定支架滚轮起到稳定支撑和辅助运动的作用。
优选地，所述固定支架的上部设有可调整伸缩的固定支架限位柱，固定支架限位柱用于对腿骨架的运动幅度进行机械硬限位。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种外骨骼装置，安全性高，能够根据足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器所采集到的受力信号，进行分析，进而控制大腿电机和小腿电机的运动，从而更精准的辅助运动。
附图说明
图1是本发明一种康复型外骨骼装置的结构示意图；
图2是本发明主机模块内部件的分布示意图。
附图标记说明：1、主机模块；2、腰部骨架；3、电机组；4、腿骨架；5、足底装置；6、固定支架；21、髋关节固定座；31、大腿电机；32、小腿电机；41、大腿骨架；42、小腿骨架；51、鞋；52、足底连接件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1和图2所示，本发明提供的一种康复型外骨骼装置，包括外骨骼模块、主机模块1和固定支架6，主机模块1和外骨骼模块安装在固定支架6上。外骨骼模块包括腰部骨架2、电机组3、腿骨架4和足底装置5，腰部骨架2与固定支架6相连，腿骨架4的上部与腰部骨架2相连，腿骨架4的底部与足底装置5相连，电机组3与腿骨架4相连，电机组3工作时带动腿骨架4运动。
腰部骨架2包括髋关节固定座21，髋关节固定座21和固定支架6相连，髋关节固定座21上安装有腰带和腰带夹片，腰带和腰带夹片将操作员和髋关节固定座进行固定。
操作员在使用时，腰部与髋关节固定座21的中间接触，然后通过腰带和腰带夹片将操作员的腰部和腰部固定座21相连。
电机组3包括大腿电机31和小腿电机32，腿骨架4包括大腿骨架41和小腿骨架42，大腿电机41的电机端与髋关节固定座21固连，大腿电机31的转轴端与大腿骨架41的顶部相连，大腿电机31工作时带动大腿骨架41转动，大腿骨架41的底部与小腿电机32的电机端相连，小腿电机32的转轴端与小腿骨架42的顶部相连，小腿骨架42的底部与足底装置5相连，小腿电机32工作时带动小腿骨架42转动，进而带动足底装置5运动。
在本实施例中，大腿骨架41和小腿骨架42结构相同，大腿骨架41为可伸缩结构，根据不同的使用人员调节长度，以便能适应更多不同身高人员。
大腿电机31和小腿电机32工作，从而驱动大腿骨架41和小腿骨架42的运动，进而对操作人员的行走，起到辅助的作用。
足底装置5包括鞋51和足底连接件52，足底连接件52的底部通过螺丝与鞋底固定，足底连接件52的顶部与小腿骨架42的底部相连。在本实施例中，足底连接件52为“L”字形折弯结构，折弯部分与鞋51的底部相连。
主机模块1包括背部机箱和传感器组，背部机箱里安装有计算机、足底力传感器信号放大器、腰部三维力传感器信号放大器、腿部高精度三维力传感器信号放大器和数据采集卡，传感器组包括足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器。足底力传感器安装在足底装置5上，用于收集足底力的信息，腰部三维力传感器安装在腰部骨架2上，用于检测腰部的受力信息，腿部高精度三维力传感器安装在腿骨架4上用于检测腿部的受力信息。足底力传感器与足底力传感器信号放大器电连接，腰部三维力传感器与腰部三维力传感器信号放大器电连接，腿部高精度三维力传感器与腿部高精度三维力传感器信号放大器电连接，足底力传感器信号放大器、腰部三维力传感器信号放大器和高精度三维力传感器信号放大器分别通过数据采集卡与计算机电连接，计算机分别收集足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器所采集到的信号。
数据采集卡的型号为NI PCIE-6259数据采集卡，数据卡能将收集到的信号数据进行A/D转换，将转换之后的数据通过PCI-E接口传输到计算机，从而实现对传感器组所采集到的信号进行读取。
足底力传感器为500N的ARIZON Model 1021压力传感器，足底力传感器的数量为六个，每三个足底力传感器为一组实现对足底力的精确测量。
腰部三维力传感器采用100N量程的华时呈H3D60-100N传感器，实现精准测量。
在本实施例中，计算机与大腿电机和小腿电机电连接，足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器采集到的信息通过计算机分析处理后，进而控制大腿电机和小腿电机的转动，从而更好的辅助操作员的运动。
足底力传感器安装在足底连接件上，操作人员在穿好鞋后，鞋底产生的压力通过足底力传感器进行收集。腰部三维力传感器安装在髋关节固定座上，用于收集操作员腰部的受力信号。腿部高精度三维力传感器安装在大腿骨架和小腿骨架上用于收集操作员运动时，大腿和小腿部分的受力。
在本实施例中，大腿骨架和小腿骨架上分别设有大腿骨架垫块和小腿支架垫块，大腿骨架垫块和小腿支架垫块为曲面结构，大腿骨架垫块的曲面弧度和大腿适应，小腿支架垫块的曲面弧度和小腿适应，从而提高操作员使用时的舒适性，进而提升本发明的实用性。
在实际使用过程中，分别设定腰部三维力传感器所采集到的信号为Z轴信号，设定腿部高精度三维力传感器所采集到的信号为X轴和Y轴信号。背部机箱中计算机、足底力传感器信号放大器、腿部高精度三维力传感器信号放大器安装在背部机箱内部的顶层，腰部三维力传感器信号放大器放置在计算机下面，背部机箱中还安装有CAN接口拓展板进行接口拓展，计算机通过CAN接口拓展板与大腿电机和小腿电机电连接，从而更好地控制大腿电机和小腿电机的转动。
腿部高精度三维力传感器信号放大器位于计算机的下部，且位于数据采集卡的上部。
固定支架6呈倒置的两个“T”字相连结构，固定支架6的上部与腰部骨架2相连，固定支架6的底部上设有固定支架滚轮，操作人员运动时，固定支架滚轮起到稳定支撑和辅助运动的作用。
固定支架6的上部设有可调整伸缩的固定支架限位柱，固定支架限位柱用于对腿骨架4的运动幅度进行机械硬限位。固定支架限位柱为现有长度可伸缩的设备，用于对大腿骨架和小腿骨架进行支撑，避免大腿骨架和小腿骨架在运动过程中操作运动范围，提高安全性。
在本实施例中，电机组3、腿骨架4和足底装置5的数量均为二且对称的分布固定支架6上。在使用时，操作员通过控制电机组3驱动腿骨架4进行辅助运动，从而增加了本发明的实用性。同时固定支架6为操作员提供支撑和辅助运动，增加安全性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种康复型外骨骼装置，其特征在于：包括外骨骼模块、主机模块（1）和固定支架（6），主机模块（1）和外骨骼模块安装在固定支架（6）上；外骨骼模块包括腰部骨架（2）、电机组（3）、腿骨架（4）和足底装置（5），腰部骨架（2）与固定支架（6）相连，腿骨架（4）的上部与腰部骨架（2）相连，腿骨架（4）的底部与足底装置（5）相连，电机组（3）与腿骨架（4）相连，电机组（3）工作时带动腿骨架（4）运动；
所述腰部骨架（2）包括髋关节固定座（21），髋关节固定座（21）和固定支架（6）相连，髋关节固定座（21）上安装有腰带和腰带夹片，腰带和腰带夹片将操作员和髋关节固定座（21）进行固定；
所述电机组（3）包括大腿电机（31）和小腿电机（32），腿骨架（4）包括大腿骨架（41）和小腿骨架（42），大腿电机（31）的电机端与髋关节固定座（21）固连，大腿电机（31）的转轴端与大腿骨架（41）的顶部相连，大腿电机（31）工作时带动大腿骨架（41）转动，大腿骨架（41）的底部与小腿电机（32）的电机端相连，小腿电机（32）的转轴端与小腿骨架（42）的顶部相连，小腿骨架（42）的底部与足底装置（5）相连，小腿电机（32）工作时带动小腿骨架（42）转动，进而带动足底装置（5）运动；
大腿骨架和小腿骨架上分别设有大腿骨架垫块和小腿支架垫块，大腿骨架垫块和小腿支架垫块为曲面结构，大腿骨架垫块的曲面弧度和大腿适应，小腿支架垫块的曲面弧度和小腿适应；
大腿骨架（41）和小腿骨架（42）结构相同，大腿骨架（41）为可伸缩结构，根据不同的操作员调节长度；
所述主机模块（1）包括背部机箱和传感器组，背部机箱里安装有计算机、足底力传感器信号放大器、腰部三维力传感器信号放大器、腿部高精度三维力传感器信号放大器和数据采集卡，传感器组包括足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器；足底力传感器安装在足底装置（5）上，用于收集足底力的信息，腰部三维力传感器安装在腰部骨架（2）上，用于检测腰部的受力信息，腿部高精度三维力传感器安装在腿骨架（4）上用于检测腿部的受力信息；足底力传感器与足底力传感器信号放大器电连接，腰部三维力传感器与腰部三维力传感器信号放大器电连接，腿部高精度三维力传感器与腿部高精度三维力传感器信号放大器电连接，足底力传感器信号放大器、腰部三维力传感器信号放大器和高精度三维力传感器信号放大器分别通过数据采集卡与计算机电连接，计算机分别收集足底力传感器、腰部三维力传感器和腿部高精度三维力传感器所采集到的信号；
所述足底装置（5）包括鞋（51）和足底连接件（52），足底连接件（52）的底部通过螺丝与鞋（51）固定，足底连接件（52）的顶部与小腿骨架（42）的底部相连；足底连接件（52）为“L”字形折弯结构，折弯部分与鞋（51）的底部相连；
所述数据采集卡的型号为NI PCIE-6259数据采集卡，数据采集卡能将收集到的信号数据进行A/D转换，将转换之后的数据通过PCI-E接口传输到计算机，从而对传感器组所采集到的信号进行读取；
所述足底力传感器为500N量程的ARIZON Model 1021压力传感器，足底力传感器的数量为六个，每三个足底力传感器为一组实现对足底力的精确测量；
所述腰部三维力传感器采用100N量程的华时呈H3D60-100N传感器，实现精准测量；
所述固定支架（6）呈倒置的两个“T”字相连结构，固定支架（6）的上部与腰部骨架（2）相连，固定支架（6）的底部上设有固定支架滚轮，操作员运动时，固定支架滚轮起到稳定支撑和辅助运动的作用；
所述固定支架（6）的上部设有可调整伸缩的固定支架限位柱，固定支架限位柱用于对腿骨架（4）的运动幅度进行机械硬限位。
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