CN117442465A - 一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，包括容纳人体下肢并进行相连的接受腔体，接受腔体外壁处设置有平行负载模块，平行负载模块下端与踝关节驱动模块相连，踝关节驱动模块中设置有足底减震装置，踝关节驱动模块驱动人体踝关节和足底减震装置转动。本发明通过踝关节驱动模块，协助人体踝关节运动，降低或消除肌肉力对膝关节以下肢体所受负荷的影响，平行负载模块控制运动过程中的膝关节以下肢体所受压力，足底减震装置降低人体运动过程中地面带来的冲击力，储存的弹簧势能在行走的末期支撑阶段转化为辅助踝关节的跖屈力矩，降低主电机的能耗，本发明帮助各类需要减轻膝关节以下肢体负荷的病人实现正常行走和康复训练。

Description

一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人

技术领域

本发明属于康复机器人技术领域，具体涉及一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人。

背景技术

在全球范围内，下肢骨折、踝关节炎、糖尿病足、创伤后下肢肢体肿胀和神经性疼痛等问题一直困扰着数百万患者。这些患者的共同特点是在康复过程中需要实现患肢的部分负重（PWB）。PWB是指患者在站立和行走过程中使用辅助设备让患肢承受特定的负重量。对于下肢骨折病人，在术后康复过程中，病人执行PWB方案可以促进骨折愈合和下肢功能恢复。同时，PWB行走还可以降低骨折术后并发症的发生率。糖尿病患者由于神经病变和血液循环问题，容易发生足部溃疡和感染。对于糖尿病足患者，PWB行走可以减轻足部的压力和摩擦，预防或减少溃疡的发生和加重。此外，踝关节炎病人和下肢创伤后肢体肿胀或神经性疼痛的病人也需要患肢实现PWB，以此来减轻患肢所受负荷，促进康复的同时减轻行走困难和疼痛。总之，PWB行走对于上述各类疾病患者恢复正常的生活和工作至关重要。

目前，上述疾病患者在康复过程中主要利用拐杖实现患肢的PWB。然而，PWB并不容易实施，病人在负重行走中无法准确控制患病部位的负荷处于安全范围内，这可能导致患肢过度负重引发病情恶化。

在发达国家和国内重点医院, 免荷式矫形器被研制用于医疗康复领域，以减轻行走中病人患肢的承重，但其功能参差不齐，部分承重式免荷矫形器承重效果有限并且承重量无法准确调节，完全承重式免荷矫形器无法让病人实现正常行走步态，并且两种类型矫形器都无法检测病人动态行走中的承重效果。

在机器人领域，体重支撑系统可以调节并控制下肢负重力，并做到实时监测和记录人体生物力学信息，但是这类设备普遍体积很大，使用环境受限，无法辅助病人实现日常负重行走训练。与体重支撑系统配套的便携式外骨骼虽然可用于日常穿戴，但其主要是用于治疗肌肉和神经系统损伤，功能是驱动人体关节正常运动，无法控制上述各类疾病患者在行走中的患肢受力。

针对目前机器人领域中用于减轻病人日常行走和康复训练中下肢负荷的便携式设备存在空白，医疗康复领域中传统设备无法科学有效减轻病人下肢负荷的问题，亟需发明一种基于行走步态的重力支撑穿戴式下肢外骨骼系统，调节病人下肢所受负荷，辅助病人实现科学和安全的日常行走以及康复训练。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人。

本发明的技术方案是：一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，包括容纳人体下肢并进行相连的接受腔体，所述接受腔体外壁处设置有平行负载模块，所述平行负载模块下端与踝关节驱动模块相连，所述踝关节驱动模块中设置有足底减震装置，所述踝关节驱动模块驱动人体踝关节和足底减震装置转动。

更进一步的，所述接受腔体中形成容纳腔和连接用的喉箍，通过喉箍实现与人体下肢的连接。

更进一步的，所述平行负载模块设置在接受腔体的外壁两侧，所述平行负载模块与人体下肢力线平行。

更进一步的，所述平行负载模块对踝关节驱动模块、接受腔体的形位高度进行调节，使踝关节驱动模块中的转动副R3与人体踝关节矢状面的转轴重合。

更进一步的，所述转动副R3由梯形丝杠固定座、后脚底板组成，所述梯形丝杠固定座与平行负载模块中的梯形丝杠螺杆相连。

更进一步的，所述后脚底板与滚珠丝杠螺母固定座组合形成转动副R2。

更进一步的，所述梯形丝杠固定座的上端与主电机固定座组合形成转动副R1。

更进一步的，所述主电机固定座、滚珠丝杠螺母固定座之间设置有垂直于二者的直线副P1。

更进一步的，所述转动副R1、转动副R2、转动副R3的转动轴线平行。

更进一步的，所述足底减震装置中设置有减压用的平行四边形机构。

本发明的有益效果如下：

本发明通过踝关节驱动模块，协助人体踝关节运动，降低或消除肌肉力对膝关节以下肢体所受负荷的影响，同时平行负载模块控制人体运动过程中膝关节以下肢体所受压力。

本发明中足底减震装置能够降低人体运动过程中地面给人机系统的冲击力，同时储存的弹簧势能在行走的末期支撑阶段转化为辅助踝关节的跖屈力矩，有效降低主电机的能耗。

本发明中外骨骼机器人可用于不同身高和体重的人群，并且可以精准调节佩戴者膝关节以下肢体所受压力。

附图说明

图1 是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中平行负载模块的结构示意图；

图3是本发明中踝关节驱动模块的结构示意图；

图4是本发明中足底减震装置的结构示意图；

其中：

1 接受腔体 2 平行负载模块

3 踝关节驱动模块 4 足底减震装置

21 接受腔连接件 22 直线电机

23 拉压力传感器 24 限位外壳

25 梯形丝杠螺杆 26 梯形丝杠螺母

27 压力传感器

31 主电机 32 主电机固定座

33 滚珠丝杠 34 拉伸弹簧

35 滚珠丝杠螺母固定座 36 梯形丝杠固定座

37 后脚底板

41 前脚底板 42 不锈钢扎带

43 弹簧减震器 44 聚氨酯圆柱体

45 下层脚底板 46 脚底连杆。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1至图4所示，一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，包括容纳人体下肢并进行相连的接受腔体1，所述接受腔体1外壁处设置有平行负载模块2，所述平行负载模块2下端与踝关节驱动模块3相连，所述踝关节驱动模块3中设置有足底减震装置4，所述踝关节驱动模块3驱动人体踝关节和足底减震装置4转动。

所述接受腔体1中形成容纳腔和连接用的喉箍，通过喉箍实现与人体下肢的连接。

所述平行负载模块2设置在接受腔体1的外壁两侧，所述平行负载模块2与人体下肢力线平行。

所述平行负载模块2对踝关节驱动模块3、接受腔体1的形位高度进行调节，使踝关节驱动模块3中的转动副R3与人体踝关节矢状面的转轴重合。

所述转动副R3由梯形丝杠固定座36、后脚底板37组成，所述梯形丝杠固定座36与平行负载模块2中的梯形丝杠螺杆25相连。

所述后脚底板37与滚珠丝杠螺母固定座35组合形成转动副R2。

所述梯形丝杠固定座36的上端与主电机固定座32组合形成转动副R1。

所述主电机固定座32、滚珠丝杠螺母固定座35之间设置有垂直于二者的直线副P1。

所述转动副R1、转动副R2、转动副R3的转动轴线平行。

所述足底减震装置4中设置有减压用的平行四边形机构。

具体的，平行负载模块2包括限位外壳24，所述限位外壳24的敞开侧朝向接受腔体1，左右两侧的平行负载模块2结构相同，以其中一个平行负载模块2进行结构说明。

如图2所示，所述限位外壳24上端形成第一调节槽孔，所述接受腔连接件21上端形成第二连接槽孔，所述第一调节槽孔、第二连接槽孔均为条状，第一调节槽孔、第二连接槽孔成十字交叉状布设，能够在两个直线方向就行安装调整，限位外壳24、接受腔连接件21在连接上可以根据不同穿戴者的尺寸调节相对位置，然后通过穿过二者的螺栓、螺母和垫片固定连接。

所述接受腔连接件21呈内挂的弯折状，所述接受腔连接件21的内侧壁处形成安装台，所述安装台上设置有安装柱，所述接受腔体1相对的外壁处形成安装孔，安装柱穿过上述安装孔通过螺母进行固定。

更为具体的，所述接受腔连接件21与接受腔体1为双点位固定。

所述限位外壳24内设置有拉压力传感器23，所述拉压力传感器23一端与限位外壳24的顶部相连，拉压力传感器23的另一端与限位外壳24内的直线电机22相连。

所述梯形丝杠螺母26中形成螺纹孔，通过螺纹孔、螺栓实现与直线电机22的移动端相连，所述梯形丝杠螺母26中设置有梯形丝杠螺杆25。

所述限位外壳24下端实现对梯形丝杠螺母26移动进行限位，防止直线电机22的电机杆被压缩到极限位置损坏电机性能。

更为具体的，所述限位外壳24中设置有压力传感器27，当所述直线电机22的推力超过设定值时，压力传感器27会受到梯形丝杠螺母26给予的压力，压力传感器27将数值反馈给直线电机22使得直线电机22实时降低推力。

所述平行负载模块2实现接受腔体1外壁与踝关节驱动模块3上端之间的连接。

如图3所示，踝关节驱动模块3包括梯形丝杠固定座36，所述形丝杠固定座36中形成安装孔，上述安装孔与平行负载模块2中的梯形丝杠螺杆25相连。

所述梯形丝杠固定座36为左右对称的两个。

所述梯形丝杠固定座36设置在梯形臂的自由端，所述梯形臂的背部与L型臂相连，所述梯形丝杠固定座36下端设置三角支撑部，以上结构连接为一个整体。

所述主电机固定座32与梯形丝杠固定座36中的L型臂通过连杆、销轴、螺栓，组合形成转动副R1。

所述主电机固定座32中设置有主电机31，所述主电机31的主轴与滚珠丝杠33相连，所述滚珠丝杠33与滚珠丝杠螺母固定座35相连，所述主电机固定座32、滚珠丝杠螺母固定座35通过主电机31的驱动组成移动副P1。

所述后脚底板37两侧形成外支撑，后脚底板37的后端形成后支撑。

所述后脚底板37中的后支撑与滚珠丝杠螺母固定座35通过螺栓、销轴、连杆连接，后脚底板37、滚珠丝杠螺母固定座35组成转动副R2。

所述后脚底板37中的外支撑与梯形丝杠固定座36的三角支撑部通过销轴连接，后脚底板37、梯形丝杠固定座36组成转动副R3，所述转动副R3与人体矢状面上的踝关节运动轴重合。

更为具体的，主电机固定座32、滚珠丝杠螺母固定座35之间设置有拉伸弹簧34，拉伸弹簧34的两端通过拉伸弹簧用支柱和钢丝绳分别与主电机固定座32、滚珠丝杠螺母固定座35相连。所述拉伸弹簧34、与滚珠丝杠33的螺杆平行。

转动梯形丝杠螺杆25可以调节限位外壳24和梯形丝杠固定座36的相对位置，从而适应不同小腿长度的佩戴者。所述梯形丝杠螺杆25和梯形丝杠固定座36通过螺母固定连接。

如图4所示，所述足底减震装置4设置在踝关节驱动模块3中，足底减震装置4包括下层脚底板45，所述下层脚底板45通过光轴或销轴与前脚底板41连接，并组合形成转动副R5；所述下层脚底板45通过光轴或销轴与脚底连杆46相连，并组合形成转动副R7。

所述后脚底板37与前脚底板41活动相连，并组合形成转动副R4，所述后脚底板37与脚底连杆46活动相连，并组合形成转动副R6。

所述前脚底板41、下层脚底板45、后脚底板37、脚底连杆46组成一个平行四边形机构，平行四边形机构的转动副不仅限于光轴或者销轴的连接形式。平行四边形机构的一条对角线上设置有弹簧减震器43。

无外力状态下，所述前脚底板41和后脚底板37形成的角度为小于180°的钝角，不锈钢扎带42将二者固定，防止二者相对角度变小。当所述后脚底板37受到外力与下层脚底板45接触后，前脚底板41和后脚底板37的角度变为180°，此时转动副R4、转动副R5、转动副R6和转动副R7将处于同一水平线上。

所述前脚底板41和后脚底板37的上表面设置有压力传感器，用于监测人体脚底的压力。同时，前脚底板41和下层脚底板45的下表面都设置有若干聚氨酯圆柱体44，用于提高行走时与地面的接触摩擦力。

用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人的使用方法，具体过程如下：

进行日常行走或康复训练前

首先，患者穿戴外骨骼机器人后，通过接受腔体1上的喉箍使患肢和外骨骼机器人固定连接。

然后，通过调节限位外壳24和梯形丝杠固定座36的相对位置来适应佩戴者的小腿长度，以此让外骨骼机器人的转动副R3与人体踝关节矢状面的转轴重合。

最后，利用绑带将人的脚与后脚底板37固定连接。

进行负重行走训练时

主电机31驱动移动副P1移动，此时转动副R3转动并带动人体踝关节做跖屈或背屈运动，减轻或消除人体运动过程中小腿肌肉对受伤或患病部位施加的负荷。

当患肢佩戴外骨骼开始一个步态支撑阶段时，下层脚底板45会率先接触地面，随后如图4所示，前脚底板41、下层脚底板45、后脚底板37、脚底连杆46组成的平行四边形机构会逐渐被压缩，弹簧减震器43也同时被压缩存储势能，直至所述后脚底板37受与所述下层脚底板45完全接触。此时，前脚底板41和后脚底板37的角度变为180°，转动副R4、转动副R5、转动副R6和转动副R7将处于同一水平线上。

随后，在步态的终末支撑期，在主电机31、拉伸弹簧34和弹簧减震器43存储的势能的驱动下，人体踝关节跖屈的同时后脚底板37围绕转动副R4转动，紧接着整个佩戴外骨骼的患肢离开地面进入步态的摆动阶段直至下一个步态支撑阶段。

所述足底减震装置4有效降低了行走过程中地面冲击力，同时降低了所述主电机31的能耗。

在踝关节运动过程中

与滚珠丝杠33并联的拉伸弹簧34在踝关节站立中间期的背屈阶段被拉伸储存势能，在一个步态周期的终末支撑期踝关节跖屈时释放势能，辅助所述主电机31作功，降低所述主电机31的峰值功率。

在负重行走训练时

直线电机22会根据前脚底板41和后脚底板37上的压力传感器以及拉压力传感器23和压力传感器27的实时数据及时调节推力，将地面反力施加给受伤或患病部位的力控制在安全合理的范围内，促进疾病愈合的同时避免患肢过度负重。受伤或患病部位所受的力的安全范围由专业医生制定。

以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，因而本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。类似地，受本发明机械结构的启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他运动副布局的变化或机械结构的变型，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：包括容纳人体下肢并进行相连的接受腔体（1），所述接受腔体（1）外壁处设置有平行负载模块（2），所述平行负载模块（2）下端与踝关节驱动模块（3）相连，所述踝关节驱动模块（3）中设置有足底减震装置（4），所述踝关节驱动模块（3）驱动人体踝关节和足底减震装置（4）转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述接受腔体（1）中形成容纳腔和连接用的喉箍，通过喉箍实现与人体下肢的连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述平行负载模块（2）设置在接受腔体（1）的外壁两侧，所述平行负载模块（2）与人体下肢力线平行。

4.根据权利要求3所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述平行负载模块（2）对踝关节驱动模块（3）、接受腔体（1）的形位高度进行调节，使踝关节驱动模块（3）中的转动副R3与人体踝关节矢状面的转轴重合。

5.根据权利要求4所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述转动副R3由梯形丝杠固定座（36）、后脚底板（37）组成，所述梯形丝杠固定座（36）与平行负载模块（2）中的梯形丝杠螺杆（25）相连。

6.根据权利要求5所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述后脚底板（37）与滚珠丝杠螺母固定座（35）组合形成转动副R2。

7.根据权利要求6所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述梯形丝杠固定座（36）的上端与主电机固定座（32）组合形成转动副R1。

8.根据权利要求7所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述主电机固定座（32）、滚珠丝杠螺母固定座（35）之间设置有垂直于二者的直线副P1。

9.根据权利要求8所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述转动副R1、转动副R2、转动副R3的转动轴线平行。

10.根据权利要求1所述的一种用于减轻膝关节以下负荷的穿戴式外骨骼机器人，其特征在于：所述足底减震装置（4）中设置有减压用的平行四边形机构。