CN114305990A - 一种主被动并联驱动的穿戴式步行助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及行走助力设备技术领域，具体涉及一种主被动并联驱动的穿戴式步行助力设备，包括固定架及安装在固定架的主动助力机构，所述主动助力机构包括驱动器，所述驱动器连接下摆臂，还包括被动助力机构；所述被动助力机构包括能量转换元件，所述能量转换元件具有固定端与所述固定架固定，还具有驱动端与所述下摆臂连接，形成与所述主动助力机构并联驱动下摆臂的结构；所述能量转换元件的结构能够在下摆臂处于下垂位置时储存能量，并驱动下摆臂向上摆动。通过伺服电机的驱动与直线弹簧弹性搭配使用，起到提高输出力矩峰值的作用，与直线弹簧联合作用，从而起到减小人体自身步行所需输出力矩的目的，提高了辅助效果。

Description

一种主被动并联驱动的穿戴式步行助力设备

技术领域

本发明涉及行走助力设备技术领域，具体涉及一种主被动并联驱动的穿戴式步行助力设备。

背景技术

老年人生理机能衰退导致生活自理能力逐渐减弱，步行能力降低导致日常出门活动减少，长期坐姿或者卧床加速肌力衰退，引起压疮、便秘以及骨质疏松等其他疾病，形成恶性循环。为此，需要开发相关产品辅助老年人日常步行，增加下肢肌肉活动锻炼、延缓肌力衰退。

目前市面上相继推出穿戴式步行助力机器人，如日本本田公司研制的Honda步行辅助器(http://www.honda.com.cn/futuretech/rhythm/)、中国谷林电器(深圳)有限公司研制的智能助行器PAM-02(http://www.valley-wood.com/intelligent-walking-aid-pam-02.html#product1)。发明专利方面，谷林电器(深圳)有限公司于2015年公布的专利号为CN103735386的中国发明专利《一种步行辅助装置》，其主要针对包括腰部绑紧的机构设计、腰部松紧调节机构的设计、被动转向适应等结构设计方案进行了专利保护。同样地，日本本田公司于2011年公布的专利号为CN105105987的中国发明专利《步行辅助装置》，其专利主要保护内容为助行器总体设计。

现有产品目前存在的问题如下：

(1)助行关节输出扭矩过小，导致助行过程中提供的助力效果不佳。现有产品为了保证其质量足够轻，选用小型化电机并搭配较小减速比，关节输出扭矩不超过10Nm，而人体正常步行髋关节扭矩为60～80Nm。

(2)助行器关节反向驱动性能较差。为确保足够的输出力矩，一般采用扁平结构的伺服电机带减速器作为关节动力源，减速器的引入导致助行器关节反向驱动存在一定的摩擦阻力，使得助行器反驱性能变差，表现为人体在启动时刻反向带动助行器助力关节会有明显的阻力。

(3)受限于助行器输出力矩要求，整机质量无法进一步降低，导致给穿戴者带来额外负重，影响助行体验。由于伺服电机加减速器的驱动关节结构设计，一般现有的助行器，在质量为2.5kg左右时能产生的助力矩不超过5Nm。

(4)仅能够助力前后行走，角度单一，没有对转向的辅助。

发明内容

本发明为解决背景技术提出的上述问题，采用了以下技术方案：

一种主被动并联驱动行走助力装置，包括固定架及安装在固定架的主动助力机构，所述主动助力机构包括驱动器，所述驱动器连接下摆臂，其特征在于,还包括被动助力机构；

所述被动助力机构包括能量转换元件，所述能量转换元件具有固定端与所述固定架固定，还具有驱动端与所述下摆臂连接，形成与所述主动助力机构并联驱动下摆臂的结构；

所述能量转换元件的结构能够在下摆臂处于下垂位置时储存能量，并驱动下摆臂向上摆动。

在行走时，使用者的腿部存在向后摆动、竖直站立、向前摆动和再次竖直站立四个状态，在向后摆动时，驱动器带动下摆臂旋转，带动腿部向后摆动，此时能量转换元件，进行储能，然后伺服电机带动下摆臂反转，带动腿部处于竖直站立状态，此时能量转换元件释放能量，然后驱动器继续带动下摆臂6反转，能量转换元件储存的能量进行释放，到达向前摆动的状态，在摆动至极限后，驱动器带动下摆臂正转，使腿部再次处于竖直站立状态。

进一步的改进，所述被动助力机构包括固定杆，所述固定杆一端与所述固定架固定，另一端连接作为能量转换元件的直线弹簧，所述直线弹簧的另一端连接所述下摆臂。

进一步的改进，所述固定杆水平设置，所述直线弹簧的另一端连接所述下摆臂的靠近中部位置。

进一步的改进，所述固定架的顶端固定安装有上固定环中部固定安装有中固定环，所述下摆臂的底端固定安装有底架，所述底架的中部固定安装有下固定环。

进一步的改进，所述下固定环的内腔活动连接有滑动环，所述下固定环的前侧面固定安装有固定管，所述固定管的内腔固定安装有隔板，所述固定管内腔的上下两端均活动连接有压板，所述压板远离隔板的一面固定安装有连接轴，所述滑动环的内壁固定安装有下气囊。

进一步的改进，所述上固定环的内壁固定安装有中气囊，所述中固定环的内壁固定安装有上气囊，所述固定架的后侧面固定安装有气泵，所述气泵的上下两端均固定安装有分气管。

进一步的改进，所述下固定环内腔的前后两个侧面均开设有滑槽，所述滑动环的前后两个侧面均固定安装有滑条，所述滑条活动连接在滑槽的内腔中。

进一步的改进，所述驱动器采用可调节方向驱动器，能够驱动所述下摆臂移动大腿做前后摆动、左右摆动或斜向前45度摆动。

进一步的改进，所述可调节方向驱动器包括安装在机架部的第一延伸杆、第二延伸杆，所述第二延伸杆的下面可转动安装有第一蜗轮，所述第一蜗轮的下面通过连接件安装有第二蜗轮；

所述第二蜗轮的下面固定安装有传动连杆，所述第一延伸杆的圆周侧壁上固定安装有连接块，所述连接块上固定安装有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出轴上固定安装有第一蜗杆，所述第一蜗杆和第一蜗轮啮合在一起；

所述第一延伸杆的端部上固定安装有第二伺服电机，所述第二伺服电机的输出轴上固定安装有第二蜗杆，所述第二蜗杆和第二蜗轮啮合在一起。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过伺服电机的驱动与直线弹簧弹性搭配使用，在下摆臂处于竖直状态然后向后旋转的阶段时，直线弹簧处于储能状态，伺服电机提供辅助力矩，实现步行助力，并且持续输出力矩以确保直线弹簧能够存储更多弹性势能，在下摆臂向前摆动初期，直线弹簧释放能量，且伺服电机同时输出力矩，起到提高输出力矩峰值的作用，通过伺服电机和直线弹簧的并联组合设计，可确保在整个步态周期都可以通过动态调节伺服电机的助力输出曲线，与直线弹簧联合作用，从而起到减小人体自身步行所需输出力矩的目的，提高了辅助效果。同时由于进行了储能，在换向时具有与一定缓冲时间，提高了反向驱动性能。

(2)本发明采用弹簧作为储能元件，提升了力矩峰值，可以降低驱动器规格和电池的规格，有利于降低整体装置的重量。

(3)本发明通过滑动环活动连接在下固定环的内腔中，下固定环与下摆臂固定连接，滑动环通过下气囊与使用者的大腿固定连接，下固定环与使用者的大腿产生相当运动时，通过滑动环在下固定环的滑动，可以避免下气囊与患者的皮肤造成的摩擦，从而实现对使用者的皮肤进行保护，避免腿部因为摩擦损伤，从而提高了装置的安全性。

(4)本发明通过设置上气囊、中气囊和下气囊，并且通过分气管与气泵连接，启动气泵，气泵将外界空气通过分气管分别充入上气囊、中气囊和下气囊的内腔中，从而使上气囊、中气囊和下气囊膨胀，逐渐与使用者的皮肤接触，在充气完毕后，上气囊、中气囊和下气囊分别将上固定环、中固定环和滑动环固定在腰部、臀部和大腿上，通过上气囊、中气囊和下气囊内充入的气体挤压来避免对使用者造成挤压，提高了使用者的舒适度。

(5)本发明对驱动器进行改进，设置了可调节方向驱动器，能够实现髋关节多角度关节活动，即驱动器带动大腿不仅可以实现前后行走，还可以进行包括屈曲、后伸、内收、外展、外旋内旋等髋关节康复训练动作，提升了实用性、便捷性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明结构固定管剖视示意图；

图3为本发明结构气泵连接示意图；

图4为本发明结构爆炸连接示意图；

图5为本发明结构图2中A处放大示意图；

图6为本发明结构图2中B处放大示意图；

图7为本发明结构图4中C处放大示意图；

图8为现有无源助力方案的步行助力原理图；

图9为现无源助力方案步行过程中人体与弹簧输出力矩曲线；

图10本发明增加有源助力方案后的步行助力原理图；

图11为本发明增加有源助力方案后步行过程中人体与弹簧输出力矩曲线；

图12为本发明的可调节方向驱动器的结构示意图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

如图1至图7所示，本发明实施例1提供一种主被动并联驱动的穿戴式步行助力设备，包括固定架1，固定架1的顶端固定安装有上固定环2，固定架1的中部固定安装有中固定环3，固定架1底端的左右两侧均固定安装有伺服电机4作为驱动器，伺服电机4的前端固定安装有固定杆5，伺服电机4的输出端固定安装有下摆臂6，固定杆5的前端和下摆臂6的中部均固定安装有固定轴7，固定轴7的表面活动套接有旋转块8，连接金属丝9的中部固定安装有连接金属丝9，连接金属丝9的中部固定安装有连接板10，连接板10的中部固定安装有直线弹簧11，通过伺服电机4输出力矩与直线弹簧11拉伸产生的力矩叠加，并联驱动关节最多可以输出15～30Nm的力矩，下摆臂6的底端固定安装有底架12，底架12的中部固定安装有下固定环13，在下摆臂6处于竖直状态然后向后旋转的阶段时，直线弹簧11处于储能状态，伺服电机4提供辅助力矩，实现步行助力，并且持续输出力矩以确保直线弹簧11能够存储更多弹性势能，在下摆臂6向前摆动初期，直线弹簧11释放能量，且伺服电机4同时输出力矩，起到提高输出力矩峰值的作用，通过伺服电机4和直线弹簧11的并联组合设计，可确保在整个步态周期都可以通过动态调节伺服电机4的助力输出曲线，与直线弹簧11联合作用，从而起到减小人体自身步行所需输出力矩的目的。

其中，下固定环13的内腔活动连接有滑动环14，下固定环13的前侧面固定安装有固定管17，固定管17的内腔固定安装有隔板18，固定管17内腔的上下两端均活动连接有压板19，压板19远离隔板18的一面固定安装有连接轴20，滑动环14的内壁固定安装有下气囊21，滑动环14活动连接在下固定环13的内腔中，下固定环13与下摆臂6固定连接，滑动环14通过下气囊21与使用者的大腿固定连接，下固定环13与使用者的大腿产生相对运动时，通过滑动环14在下固定环13的滑动，可以避免下气囊21与患者的皮肤造成的摩擦，从而实现对使用者的皮肤进行保护，避免腿部因为摩擦损伤，从而提高了装置的安全性。

其中，上固定环2的内壁固定安装有中气囊22，中固定环3的内壁固定安装有上气囊23，固定架1的后侧面固定安装有气泵24，气泵24的上下两端均固定安装有分气管25，设置上气囊23、中气囊22和下气囊21，并且通过分气管25与气泵24连接，在充气完毕后，上气囊23、中气囊22和下气囊21分别将上固定环2、中固定环3和滑动环14固定在腋下、腰部和大腿上，通过上气囊23、中气囊22和下气囊21内充入的气体挤压来避免对使用者造成挤压，提高了使用者的舒适度。

其中，下固定环13内腔的前后两个侧面均开设有滑槽15，滑动环14的前后两个侧面均固定安装有滑条16，滑条16活动连接在滑槽15的内腔中，通过滑条16与滑槽15之间的活动连接，当滑动环14在下固定环13的内腔中上下滑动时，可以对滑动环14进行定位，避免滑动环14发生水平滑动，保证了滑动环14运动的稳定性。

其中，连接轴20伸出固定管17外侧的一端固定安装在滑动环14的前侧面上，滑动环14的高度值比下固定环13的高度值大三分之一，在滑动环14上下运动时，可以通过连接轴20带动压板19在固定管17的内腔中上下运动，从而对固定管17内的液体进行挤压，使压板19可以带动连接轴20复位，使滑动环14处于下固定环13中部的位置。

其中，分气管25的顶端与上气囊23连通，分气管25的中部与中气囊22连通，分气管25的底端与下气囊21连通，启动气泵24，气泵24将外界空气通过分气管25分别充入上气囊23、中气囊22和下气囊21的内腔中，从而使上气囊23、中气囊22和下气囊21膨胀，逐渐与使用者的皮肤接触。

其中，底架12的形状为“L”形，底架12的后端固定安装在下固定环13的后侧面上，通过底架12对下固定环13进行支撑，保证了下固定环13固定的稳定性。

其中，隔板18位于固定管17内腔的中部，压板19共有两个，两个压板19分别位于隔板18的上下两侧，且与隔板18之间的距离值相等，保证了两个压板19在向隔板18时，所产生的压力相同，同时保证了两个压板19能顺利复位。

其中，上气囊23、中气囊22和下气囊21的高度值分别与上固定环2、中固定环3和滑动环14的高度值相等，上气囊23、中气囊22和下气囊21的壁厚值相等，保证了上气囊23、中气囊22和下气囊21在连接处无间隙存在，从而保证了上气囊23、中气囊22和下气囊21连接的稳定性，同时避免上固定环2、中固定环3和滑动环14与皮肤接触。

工作原理及使用流程：

在穿戴时，上气囊23、中气囊22和下气囊21的内部无气体存在，此时将装置放置在底面上，并保证上气囊23位于下气囊21的上方，然后使用者将腿部从上向下依次穿入上气囊23、中气囊22和下气囊21的内腔中，当使用者的脚部与地面接触后，使用者起身站立，将装置向上拉动，使上气囊23、中气囊22和下气囊21分别位于腰部、臀部和大腿部，此时启动气泵24，气泵24将外界空气通过分气管25分别充入上气囊23、中气囊22和下气囊21的内腔中，从而使上气囊23、中气囊22和下气囊21膨胀，逐渐与使用者的皮肤接触，在充气完毕后，上气囊23、中气囊22和下气囊21分别将上固定环2、中固定环3和滑动环14固定在腋下、腰部和大腿上；

在行走时，使用者的腿部存在向后摆动、竖直站立、向前摆动和再次竖直站立四个状态，在向后摆动时，伺服电机4带动下摆臂6旋转，带动腿部向后摆动，此时直线弹簧11处于拉伸状态，进行储能，然后伺服电机4带动下摆臂6反转，带动腿部处于竖直站立状态，此时直线弹簧11释放能量，此时直线弹簧11仍处于拉伸状态，然后伺服电机4继续带动下摆臂6反转，直线弹簧11储存的能量进行释放，到达向前摆动的状态，在摆动至极限后，伺服电机4带动下摆臂6正转，使腿部再次处于竖直站立状态。

原理分析：

图8为现有无源助力方案的步行助力设备，通过图8可以看到，在步行支撑相中后期进行弹簧拉伸储存能量，在摆动相初期，弹簧释放能量，助力辅助大腿摆动。由图9可知，弹簧储能结构的引入，在部分阶段人体输出力矩明显减小，由弹簧来辅助输出力矩，实现正常步行所需力矩。该方案人体输出力矩为：τ_human＝τ_gait-τ_spring

其中τ_human，τ_gait，τ_spring分别为人体输出力矩、正常步行所需力矩以及弹簧输出力矩。

如图9的无源助力方案步行过程中人体与弹簧输出力矩曲线。

图10为有源助力方案的步行助力设备，通过图10可以看到，在步行各个阶段，都有电机提供辅助力矩，实现步行助力，具体来说，在大腿屈曲阶段，电机提供屈曲方向助力矩，在大腿伸展阶段，电机提供伸展方向助力矩。由图12可知，电机的引入，可确保在整个步态周期都可以通过动态调节电机的助力输出曲线，从而起到减小人体自身步行所需输出力矩的目的。然而，要让人尽可能减小输出力矩，就必须要求电机具有足够大的输出力矩。该方案人体输出力矩为：

τ_human＝τ_gait-τ_motor

其中τ_motor为电机输出力矩。

如图11的步行过程中人体与电机输出力矩曲线。

图11显示为结合有源助力方案力矩调控特点和无源助力方案结构轻便简单助力矩较大的特点，设计的主被动并联驱动关节的步行助力设备。通过图10A可以看到，在步行各个阶段，同有源助力方案，都有电机提供辅助力矩，实现步行助力，同时在支撑相中后期弹簧进行储能，该阶段电机持续输出力矩以确保弹簧能够存储更多弹性势能，在摆动相初期，弹簧释放能量，且电机同时输出力矩，起到提高输出力矩峰值的作用。由图11可知，电机和弹簧的并联组合设计，可确保在整个步态周期都可以通过动态调节电机的助力输出曲线，与弹簧联合作用，从而起到减小人体自身步行所需输出力矩的目的。该方案人体输出力矩为：

τ_human＝τ_gait-τ_motor-τ_spring

通过增加直线弹簧作为被动助力装置，可以吸收腿部下落时产生的能量，进行能量回收，再释放，对于整体续航能力有益；3、重量只是原因之一，还有主动驱动会携带电池。主被动相结合，对电池的依赖就会减小，有利于减轻装置的整体重量。

实施例2

本发明第2个实施例是在对第一个实施例的改进，将作为驱动器的伺服电机改为可调节方向驱动器，结构如图12所示，包括两个滑槽26，分别固定安装在固定架1的下部，滑槽26内活动安装有可锁定滑块27，可锁定滑块27上固定安装有机架部28，机架部28上固定安装有第一延伸杆29和第二延伸杆31，第二延伸杆31的下面活动安装有第一涡轮32，第一涡轮32的下面固定安装有U形架33，U形架33上固定安装有第一转轴34，第一转轴34外活动安装有第二涡轮37，且U形架33也活动在第二涡轮37内，第二涡轮37的下面固定安装有传动连杆40，第一延伸杆29的圆周侧壁上固定安装有连接块30，连接块30上固定安装有第一伺服电机35，第一伺服电机35的输出轴上固定安装有第一蜗杆38，第一蜗杆38和第一涡轮32啮合在一起，第一延伸杆29的端部上固定安装有第二伺服电机36，第二伺服电机36的输出轴上固定安装有第二蜗杆39，第二蜗杆39和第二涡轮37啮合在一起。

其中机架部28固定连接直线弹簧11的上端，作为被动驱动。传动连杆40连接下摆臂6。

通过启动第一伺服电机35,第一伺服电机35的输出轴的转动带动第一蜗杆38的转动，第一蜗杆38的转动带动与之齿轮啮合的第一涡轮32的转动，第一涡轮32和其下面U形架33为固定连接，而U形架33在第二涡轮37内被限位，故第二延伸杆31的转动带动传动连杆40的转动，实现大腿的转动，让大腿转向，提高了本装置多角度移动大腿的能力。

通过启动第二伺服电机36,第二伺服电机36的启动带动第二蜗杆39在第一延伸杆29内进行转动，第二蜗杆39的转动带动与之齿轮啮合的第二涡轮37的转动，第二涡轮37绕第一转轴34进行转动，同步的U形架33在第二涡轮37内进行移动，这样通过第二涡轮37的移动带动传动连杆40的移动，从而带动其下端的固定环46的移动，从而改变两个大腿之间的距离，完成前后摆动。

当大腿的转动动作、前后摆动动作单独进行或相配合进行时时，可实现的髋关节多方向动作，包括屈曲、后伸、内收、外展、外旋内旋等。

除用于助力行走外，还可以用于康复训练，做康复训练的动作包括躺\俯状态下的伸屈腿、腿部旋转、内外收展等

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种主被动并联驱动行走助力装置，包括固定架及安装在固定架的主动助力机构，所述主动助力机构包括驱动器，所述驱动器连接下摆臂，其特征在于,还包括被动助力机构；

所述被动助力机构包括能量转换元件，所述能量转换元件具有固定端与所述固定架固定，还具有驱动端与所述下摆臂连接，形成与所述主动助力机构并联驱动下摆臂的结构；

所述能量转换元件的结构能够在下摆臂处于下垂位置时储存能量，并驱动下摆臂向上摆动。

2.如权利要求1所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述被动助力机构包括固定杆，所述固定杆一端与所述固定架固定，另一端连接作为能量转换元件的直线弹簧，所述直线弹簧的另一端连接所述下摆臂。

3.如权利要求2所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述固定杆水平设置，所述直线弹簧的另一端连接所述下摆臂的靠近中部位置。

4.如权利要求1所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述固定架的顶端固定安装有上固定环中部固定安装有中固定环，所述下摆臂的底端固定安装有底架，所述底架的中部固定安装有下固定环。

5.如权利要求4所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述下固定环的内腔活动连接有滑动环，所述下固定环的前侧面固定安装有固定管，所述固定管的内腔固定安装有隔板，所述固定管内腔的上下两端均活动连接有压板，所述压板远离隔板的一面固定安装有连接轴，所述滑动环的内壁固定安装有下气囊。

6.如权利要求5所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述上固定环的内壁固定安装有中气囊，所述中固定环的内壁固定安装有上气囊，所述固定架的后侧面固定安装有气泵，所述气泵的上下两端均固定安装有分气管。

7.如权利要求6所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述下固定环内腔的前后两个侧面均开设有滑槽，所述滑动环的前后两个侧面均固定安装有滑条，所述滑条活动连接在滑槽的内腔中。

8.如权利要求1-7任一项所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述驱动器采用可调节方向驱动器，能够驱动所述下摆臂移动大腿做前后摆动、左右摆动或斜向前45度摆动。

9.如权利要求8所述的主被动并联驱动行走助力装置，其特征在于,所述可调节方向驱动器包括安装在机架部的第一延伸杆、第二延伸杆，所述第二延伸杆的下面可转动安装有第一蜗轮，所述第一蜗轮的下面通过连接件安装有第二蜗轮；

所述第二蜗轮的下面固定安装有传动连杆，所述第一延伸杆的圆周侧壁上固定安装有连接块，所述连接块上固定安装有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出轴上固定安装有第一蜗杆，所述第一蜗杆和第一蜗轮啮合在一起；

所述第一延伸杆的端部上固定安装有第二伺服电机，所述第二伺服电机的输出轴上固定安装有第二蜗杆，所述第二蜗杆和第二蜗轮啮合在一起。

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