CN207941022U - 一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人，其结构中包括脚托、小腿固定装置、大腿固定装置和腰部固定装置；小腿固定装置和大腿固定装置之间通过第一动力系统转动连接，大腿固定装置和腰部固定装置的底端之间通过第二动力系统转动连接，第一动力系统和第二动力系统的电机均纵向安装。本实用新型的电机纵置安装，相比传统电机横置直驱的方案降低了成本，缩短了横向尺寸，减小扭力，提高稳定性，结构更加紧凑，穿戴时与人体更加贴合。

Description

一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及一种自动化医疗器械，尤其涉及一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人。

背景技术

随着全球老龄化社会的到来和各种引起肢体功能丧失的突发性事故频频发生，下肢功能性障碍患者日趋增多。常见引起人体下肢功能障碍的主要并发症有中风、脊髓损伤、大脑性麻痹、多发性硬化症等。据统计，我国中风患病率在每10万人口中约550例，以总人口13亿计算，则中风病人约有715万，其中致残率约1/3。在美国，2010年以来，36.5%脊髓损伤患者是由于车祸，28.5%坠落，14.3%犯罪，9.2%运动。80%为男性。在所有脊髓损伤患者中，43134例完全四肢瘫痪，110838例不完全四肢瘫痪占据多数，还有51051例不完全截瘫，49140例完全截瘫。截止2014年底，我国60岁以上的老龄人口已达1.93亿，且我国残疾人群数量庞大，2014年残疾人总数约为8500万。

下肢外骨骼机器人是穿戴在用户下肢外部的一种典型的人机一体化系统，综合了检测、控制、信息融合等机器人技术，将用户的智力和机器人的“体力”结合在一起，提供动力以辅助用户的运动。近20年来，外骨骼机器人作为一款辅助人体康复的装备得到了广泛的应用。民用领域方面，外骨骼机器人可以帮助老年人正常行动；医疗领域方面，外骨骼机器人在辅助残疾人正常生活的同时，也大大减轻了医务人员的工作压力；军事领域方面，外骨骼机器人可以提高战场的救援效率，帮助更多的受伤人员。由于外骨骼机器人在各领域发挥的巨大作用，使得其发展前景十分广阔。

尽管随着机器人技术及其相关领域的不断发展，尤其是在传感器技术、材料技术、控制技术和仿生学技术等相关领域的突破，外骨骼康复机器人获得了长足的发展，但由于人体结构尺寸因人而异，肢体运动的复杂性和神经网络系统控制的智能性，对外骨骼机器人的结构设计、控制设计和驱动选择形成了极大的挑战。如何满足人体和外骨骼相互运动的耦合性而减少干扰性，增加控制系统的自主决策能力以智能判断人体运动意图，通过适宜的驱动方式选择确保系统运行的持续高效、安全可靠成为了当下外骨骼康复机器人研究的重点和难点。

一方面，传统的盘式电机+谐波减速器的直驱方案成本较高；另一方面，盘式电机+行星减速器的直驱方案横向结构尺寸较大，不适宜用户穿戴，也不符合人机工程学的基本要求。横向结构过大的动力系统由于自身重力影响，对机器人的侧向扭力较大，稳定性不佳。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人，电机纵置安装，相比传统电机横置直驱的方案降低了成本，缩短了横向尺寸，减小扭力，提高稳定性，结构更加紧凑，穿戴时与人体更加贴合。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人，其结构中包括从下向上依次连接的脚托、小腿固定装置、大腿固定装置和腰部固定装置，所述小腿固定装置和大腿固定装置上均设置有绑腿架；

所述小腿固定装置的顶端和大腿固定装置的底端之间通过第一动力系统转动连接，第一动力系统包括纵向安装在大腿固定装置外侧且输出端朝下的第一电机、轴接第一电机的第一驱动锥齿轮、与第一驱动锥齿轮啮合的第一从动锥齿轮以及轴接第一从动锥齿轮的第一转轴，第一驱动锥齿轮与第一从动锥齿轮的夹角为90°，第一转轴与第一从动锥齿轮之间设置第一平键，所述大腿固定装置的下端通过第一轴承套接在第一转轴上，所述小腿固定装置的上端通过涨紧装置与第一转轴固定连接；

所述大腿固定装置的顶端和所述腰部固定装置的底端之间通过第二动力系统转动连接，第二动力系统包括纵向安装在大腿固定装置外侧且输出端朝上的第二电机、轴接第二电机的第二驱动锥齿轮、与第二驱动锥齿轮啮合的第二从动锥齿轮以及轴接第二从动锥齿轮的第二转轴，第二驱动锥齿轮与第二从动锥齿轮的夹角为90°，第二转轴与第二从动锥齿轮之间设置第二平键，所述大腿固定装置的上端通过第二轴承套接在第二转轴上，所述腰部固定装置的下端通过涨紧装置与第二转轴固定连接。

进一步，所述脚托与所述小腿固定装置之间铆接；所述绑腿架为L形，绑腿架设置在所述小腿固定装置和所述大腿固定装置的内侧；所述脚托和所述绑腿架上均开设有槽孔。

进一步，所述脚托、小腿固定装置和大腿固定装置均为两组且对称连接在腰部固定装置上，所述腰部固定装置包括两个髋部活动板、设置在髋部活动板上的L形的腰托以及连接在两个腰托之间的连接板，所述大腿固定装置通过第二动力系统与腰部固定装置的髋部活动板转动连接。

进一步，所述小腿固定装置、大腿固定装置、绑腿架、髋部活动板、腰托和连接板上均开设螺孔并配设与螺孔匹配的螺栓。

进一步，所述涨紧装置为涨紧环。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型通过锥齿轮组合使得电机能够纵置安装，相比传统电机横置直驱的方案降低了成本，缩短了横向尺寸，减小动力系统因自身重力产生的侧向扭力，提高稳定性，结构更加紧凑，穿戴时与人体更加贴合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的立体结构示意图。

图2是第一动力系统和第二动力系统的剖视图。

图中：1、脚托 2、小腿固定装置 3、大腿固定装置 4、腰部固定装置 5、绑腿架 6、槽孔 7、第一动力系统 8、第二动力系统 9、螺孔 10涨紧装置 71、第一电机 72、第一驱动锥齿轮 73、第一从动锥齿轮 74、第一转轴 75、第一平键 76、第一轴承 81、第二电机 82、第二驱动锥齿轮 83、第二从动锥齿轮 84、第二转轴 85、第二平键 86、第二轴承。

具体实施方式

参看附图1和2，本实用新型一个具体实施方式的结构中包括从下向上依次连接的脚托1、小腿固定装置2、大腿固定装置3和腰部固定装置4，所述小腿固定装置2和大腿固定装置3上均设置有绑腿架5；所述小腿固定装置2的顶端和大腿固定装置3的底端之间通过第一动力系统7转动连接，第一动力系统7包括纵向安装在大腿固定装置3外侧且输出端朝下的第一电机71、轴接第一电机71的第一驱动锥齿轮72、与第一驱动锥齿轮72啮合的第一从动锥齿轮73以及轴接第一从动锥齿轮37的第一转轴74，第一驱动锥齿轮72与第一从动锥齿轮73的夹角为90°，第一转轴74与第一从动锥齿轮73之间设置第一平键75，所述大腿固定装置3的下端通过第一轴承76套接在第一转轴74上，所述小腿固定装置2的上端通过涨紧装置10与第一转轴74固定连接；所述大腿固定装置3的顶端和所述腰部固定装置4的底端之间通过第二动力系统8转动连接，第二动力系统8包括纵向安装在大腿固定装置3外侧且输出端朝上的第二电机81、轴接第二电机81的第二驱动锥齿轮82、与第二驱动锥齿轮82啮合的第二从动锥齿轮83以及轴接第二从动锥齿轮83的第二转轴84，第二驱动锥齿轮82与第二从动锥齿轮83的夹角为90°，第二转轴84与第二从动锥齿轮83之间设置第二平键85，所述大腿固定装置3的上端通过第二轴承86套接在第二转轴86上，所述腰部固定装置4的下端通过涨紧装置10与第二转轴86固定连接。使用者穿戴时，脚、小腿、大腿和腰部分别对应脚托1、小腿固定装置2、大腿固定装置3和腰部固定装置4进行固定，第一动力系统7对应膝关节，驱动小腿固定装置2围绕大腿固定装置3的底端做往复摆动，第二动力系统8相当于髋关节，驱动腰部固定装置4围绕大腿固定装置3的顶端做往复摆动。

所述脚托1与所述小腿固定装置2之间铆接；所述绑腿架5为L形，绑腿架5设置在所述小腿固定装置2和所述大腿固定装置3的内侧；所述脚托1和所述绑腿架5上均开设有槽孔6。槽孔6用于通过捆绑带将使用者脚步和腿部分别固定在脚托1和绑腿架5上。

所述脚托1、小腿固定装置2和大腿固定装置3均为两组且对称连接在腰部固定装置4上，所述腰部固定装置4包括两个髋部活动板41、设置在髋部活动板41上的L形的腰托42以及连接在两个腰托42之间的连接板43，所述大腿固定装置3通过第二动力系统8与腰部固定装置4的髋部活动板41转动连接。

进一步，所述小腿固定装置2、大腿固定装置3、绑腿架5、髋部活动板41、腰托42和连接板43上均开设螺孔9并配设与螺孔9匹配的螺栓。通过选择合适的螺孔9来调节各部位尺寸，适用不同体型的穿戴者。

进一步，所述涨紧装置10为涨紧环。涨紧装置10也可以采用键，涨紧装置10使小腿固定装置2与第一转轴74之间、髋部活动板41与第二转轴84之间结合紧密，避免滑动。

穿戴者穿戴好之后，在第一动力系统7和第二动力系统8的驱动下，本实用新型的助行外骨骼机器人即可带动穿戴者进行行走。具体来讲，第一电机71做往复转动，带动第一驱动锥齿轮72转动，第一驱动锥齿轮72与第一从动锥齿轮73啮合传动并将转动方向转换90° ，第一从动锥齿轮73驱动第一转轴74转动，最终使小腿固定装置2做往复摆动；第一转轴74转动时，大腿固定装置3在第一轴承76的作用下，不会随第一转轴74转动，从而实现小腿固定装置2绕大腿固定装置3的底端进行往复摆动，上述动作对应穿戴者的膝关节运动；第二动力系统8驱动腰部固定装置4绕大腿固定装置3往复摆动的过程与上述第一动力系统7驱动小腿固定装置2摆动的过程相同，对应穿戴者髋关节运动；在第一动力系统7和第二动力系统8的配合下，实现穿戴者的行走动作。

本实用新型的第一电机71和第二电机81均采用纵置的方式安装，相比传统电机横置直驱的方案降低了成本，缩短了横向尺寸，减小动力系统因自身重力产生的侧向扭力，提高稳定性，结构更加紧凑，穿戴时与人体更加贴合。

上述描述仅作为本实用新型可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (4)

1.一种动力系统纵置的助行外骨骼机器人，其特征在于：其结构中包括从下向上依次连接的脚托、小腿固定装置、大腿固定装置和腰部固定装置，所述小腿固定装置和大腿固定装置上均设置有绑腿架；

所述小腿固定装置的顶端和大腿固定装置的底端之间通过第一动力系统转动连接，第一动力系统包括纵向安装在大腿固定装置外侧且输出端朝下的第一电机、轴接第一电机的第一驱动锥齿轮、与第一驱动锥齿轮啮合的第一从动锥齿轮以及轴接第一从动锥齿轮的第一转轴，第一驱动锥齿轮与第一从动锥齿轮的夹角为90°，第一转轴与第一从动锥齿轮之间设置第一平键，所述大腿固定装置的下端通过第一轴承套接在第一转轴上，所述小腿固定装置的上端通过涨紧装置与第一转轴固定连接；

所述大腿固定装置的顶端和所述腰部固定装置的底端之间通过第二动力系统转动连接，第二动力系统包括纵向安装在大腿固定装置外侧且输出端朝上的第二电机、轴接第二电机的第二驱动锥齿轮、与第二驱动锥齿轮啮合的第二从动锥齿轮以及轴接第二从动锥齿轮的第二转轴，第二驱动锥齿轮与第二从动锥齿轮的夹角为90°，第二转轴与第二从动锥齿轮之间设置第二平键，所述大腿固定装置的上端通过第二轴承套接在第二转轴上，所述腰部固定装置的下端通过涨紧装置与第二转轴固定连接；

所述脚托与所述小腿固定装置之间铆接；所述绑腿架为L形，绑腿架设置在所述小腿固定装置和所述大腿固定装置的内侧；所述脚托和所述绑腿架上均开设有槽孔；

所述槽孔配设捆绑带。

2.根据权利要求1所述的动力系统纵置的助行外骨骼机器人，其特征在于：所述脚托、小腿固定装置和大腿固定装置均为两组且对称连接在腰部固定装置上，所述腰部固定装置包括两个髋部活动板、设置在髋部活动板上的L形的腰托以及连接在两个腰托之间的连接板，所述大腿固定装置通过第二动力系统与腰部固定装置的髋部活动板转动连接。

3.根据权利要求2所述的动力系统纵置的助行外骨骼机器人，其特征在于：所述小腿固定装置、大腿固定装置、绑腿架、髋部活动板、腰托和连接板上均开设螺孔并配设与螺孔匹配的螺栓。

4.根据权利要求1所述的动力系统纵置的助行外骨骼机器人，其特征在于：所述涨紧装置为涨紧环。