CN211193877U - 一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，包括控制系统、执行系统、传感器系统、电源系统和结构本体，结构本体包括背部组件及两组对称设置的腿部组件，腿部组件包括大腿支架组件、小腿支架组件和脚托，大腿支架组件通过髋关节运动机构连接背部组件，大腿支架组件通过膝关节运动机构连接小腿支架组件，小腿支架组件通过踝关节运动机构连接脚托，髋关节运动机构和膝关节运动机构均包括小带轮、大带轮和减速机，执行系统连接并驱动小带轮，小带轮通过同步带连接大带轮，大带轮连接减速机，减速机连接对应的大腿支架组件和小腿支架组件。通过两级减速，在满足同等力矩输出情况下，减小了所选执行系统及减速机的大小，进一步减小重量。

Description

一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗康复设备技术领域，更具体地说，涉及一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人。

背景技术

随着经济发展、人民生活水平的提高，人们每年在医疗康复保健上的投入也越来越多。下肢康复外骨骼是一种用于患者下肢康复的设备，能够引导帮助病人做步态康复训练，以便更好的恢复患者的下肢运动能力，在世界范围内已广泛应用于脑中风、肢体运动障碍等情况的患者。目前国内的术后康复训练器械功能单一，以固定式为主也包括悬挂式/牵引式设计，其康复效果一般，需要患者投入巨大的人力及时间，且无法建立训练参数和康复指标的对应关系。

外骨骼机器人设计基于仿生学和人体工程学的设计使其拥有末端牵引式康复机器人无法比拟的治疗效果与用户体验，不仅适合康复中心等机构用户，而且在个人用户普及方面显示出巨大潜力。然而该技术设计尚未成熟也存在各种各样的问题。主要体现在设备体积重量较大，使用穿戴不便，内部控制及驱动设计复杂，成本高故障率高且难于维护。

综上所述，如何有效地解决目前外骨骼康复机器人设计存在的设备重量过大，结构过于复杂，且人机交互性较差等的技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，该可穿戴下肢康复外骨骼机器人的结构设计可以有效地解决目前外骨骼康复机器人设计存在的设备重量过大，结构过于复杂等的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，包括控制系统、执行系统、传感器系统、电源系统和结构本体，所述结构本体包括背部组件及两组对称设置的腿部组件，所述控制系统根据所述传感器系统获取的信号控制所述执行系统，使所述执行系统驱动所述腿部组件动作，所述腿部组件包括大腿支架组件、小腿支架组件和脚托，所述大腿支架组件通过髋关节运动机构连接所述背部组件，所述大腿支架组件通过膝关节运动机构连接所述小腿支架组件，所述小腿支架组件通过踝关节运动机构连接所述脚托，所述髋关节运动机构和所述膝关节运动机构均包括小带轮、大带轮和减速机，所述执行系统连接并驱动所述小带轮，所述小带轮通过同步带连接所述大带轮，所述大带轮连接所述减速机，所述减速机连接对应的所述大腿支架组件和所述小腿支架组件。

优选地，所述背部组件通过髋部打开机构连接所述腿部组件，所述髋部打开机构包括可旋转的中间连接结构，用于使两个所述腿部组件分别向外侧展开，所述中间连接结构上设置有用于定位所述中间连接结构的定位插销。

优选地，所述大腿支架组件包括大腿上杆、大腿下杆和大腿锁紧环，所述大腿上杆的上端连接所述髋关节运动机构，所述大腿下杆的下端连接所述膝关节运动机构，所述大腿上杆的下端和所述大腿下杆的上端通过所述大腿锁紧环连接，所述大腿下杆和所述大腿上杆能够伸缩调节长度，并通过所述大腿锁紧环固定位置。

优选地，所述小腿支架组件包括小腿上杆、小腿下杆和小腿锁紧环，所述小腿上杆的上端连接所述膝关节运动机构，所述小腿下杆的下端连接所述踝关节运动机构，所述小腿上杆的下端和所述小腿下杆的上端通过所述小腿锁紧环连接，所述小腿下杆和所述小腿上杆能够伸缩调节长度，并通过所述小腿锁紧环固定位置。

优选地，所述大腿上杆、所述大腿下杆、所述小腿上杆和所述小腿下杆均采用空心圆管结构。

优选地，所述电源系统包括两块锂电池组以及对应各所述锂电池组的电池管理模块。

优选地，两个所述锂电池组分别安装于所述背部组件内部的两侧。

优选地，所述背部组件包括背板及与所述背板可定位滑动连接的盆骨调节结构，用于适应性调节机器人的盆骨位置宽度。

优选地，所述控制系统能够控制所述执行系统的动力等级，为所述大腿支架组件和所述小腿支架组件提供动力或阻力，以切换机器人的运动模式。

优选地，所述传感器系统包括位置传感器组、速度传感器组、力传感器组，用于实时检测机器人姿态、速度以及受力大小和方向。

本实用新型提供一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，包括控制系统、执行系统、传感器系统、电源系统和结构本体，结构本体包括背部组件及两组对称设置的腿部组件，控制系统根据传感器系统获取的信号控制执行系统，使执行系统驱动腿部组件动作，腿部组件包括大腿支架组件、小腿支架组件和脚托，大腿支架组件通过髋关节运动机构连接背部组件，大腿支架组件通过膝关节运动机构连接小腿支架组件，小腿支架组件通过踝关节运动机构连接脚托，髋关节运动机构和膝关节运动机构均包括小带轮、大带轮和减速机，执行系统连接并驱动小带轮，小带轮通过同步带连接大带轮，大带轮连接减速机，减速机连接对应的大腿支架组件和小腿支架组件。

由控制系统实现逻辑动作控制，通过数据处理模块处理传感器系统的反馈信息，对应的发出指令控制执行系统的各个驱动电机作动，由驱动电机的动作实现对结构本体中各个关节部件的动作输出控制，从而实现了机器人的动作，而该动作实质上是由穿戴的患者的肢体动作，包括施力的大小方向以及肢体的动作速率等指标反馈给传感器后，由控制系统对应实现的控制动作结果，因此外骨骼机器人能够在最大程度上配合患者的动作提供最直接有效的辅助支撑，令装置的康复效果达到最大化，并且具有结构紧凑无冗余设计的优点，保证了设备的小型化及轻量化。其中执行系统连接并驱动小带轮，小带轮通过同步带连接大带轮为一级减速，大带轮连接减速机为二级减速，通过两级减速，在满足同等力矩输出情况下，减小了所选执行系统及减速机的大小，进一步减小重量。

附图说明

图1为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式的整体系统结构示意图；

图2为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式的结构详解示意图；

图3为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式中背部组件的结构示意图；

图4为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式中关节运动机构的结构示意图。

附图中标记如下：

控制系统1、数据处理模块1-1、执行系统2、左髋关节驱动器2-1、左髋关节电机2-2、左膝关节驱动器2-3、左膝关节电机2-4、右髋关节驱动器2-5、右髋关节电机2-6、右膝关节驱动器2-7、右膝关节电机2-8、传感器系统3、电源系统4、锂电池组4-1、结构本体5、中间连接结构5-4、定位插销5-5、盆骨调节结构5-6、把手5-7、背部软垫绑带5-8、髋关节运动机构5-9、膝关节运动机构5-10、踝关节运动机构5-11、大腿支架组件5-12、小腿支架组件5-13、脚托5-14、腿部软垫绑带5-15、小带轮5-16、同步带5-17、大带轮5-18、减速机5-19、大腿上杆5-20、大腿锁紧环5-21、大腿下杆5-22。

具体实施方式

本实用新型的核心在于提供一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，该可穿戴下肢康复外骨骼机器人的结构设计可以有效地解决目前外骨骼康复机器人设计存在的设备重量过大，结构过于复杂等的技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，图1为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式的整体系统结构示意图；图2为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式的结构详解示意图；图3为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式中背部组件的结构示意图；图4为本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的一种具体实施方式中关节运动机构的结构示意图。

本实用新型具体实施方式提供一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，包括控制系统1、执行系统2、传感器系统3、电源系统4和结构本体5，其中控制系统包括数据处理模块1-1，用于接收传感器系统3反馈的数据信息，并发出指令控制执行系统2作动，优选采用分布式总线系统；执行系统2包括依附安装于结构本体5上的驱动电机组，用于接收控制系统1的指令，驱动不同关节位置旋转屈伸；传感器系统3包括位置传感器组、速度传感器组、力传感器组，用于实时检测机器人姿态、速度以及受力大小和方向；电源系统4包括电池组及充电器件，用于对控制系统1、执行系统2及传感器系统3供电。

结构本体5包括背部组件及两组对称设置的腿部组件，分别为左腿结构和右腿结构，腿部组件包括大腿支架组件5-12、小腿支架组件5-13和脚托5-14，大腿支架组件5-12通过髋关节运动机构5-9连接背部组件5-1，大腿支架组件5-12通过膝关节运动机构5-10连接小腿支架组件5-13，小腿支架组件5-13通过踝关节运动机构5-11连接脚托5-14，髋关节运动机构5-9和膝关节运动机构5-10均包括小带轮5-16、大带轮5-18和减速机5-19，执行系统2连接并驱动小带轮5-16，小带轮5-16通过同步带5-17连接大带轮5-18，大带轮5-18连接减速机5-19，减速机5-19连接对应的大腿支架组件5-12和小腿支架组件5-13。

该外骨骼机器人设计，由控制系统1实现逻辑动作控制，通过数据处理模块1-1处理传感器系统3的反馈信息，对应的发出指令控制执行系统2的各个驱动电机作动，由驱动电机的动作实现对结构本体5中各个关节部件的动作输出控制，从而实现了机器人的动作，而该动作实质上是由穿戴的患者的肢体动作，包括施力的大小方向以及肢体的动作速率等指标反馈给传感器后，由控制系统1对应实现的控制动作结果，因此外骨骼机器人能够在最大程度上配合患者的动作提供最直接有效的辅助支撑，令装置的康复效果达到最大化，并且具有结构紧凑无冗余设计的优点，保证了设备的小型化及轻量化。

其中执行系统2连接并驱动小带轮5-16，小带轮5-16通过同步带5-17连接大带轮5-18为一级减速，大带轮5-18连接减速机5-19为二级减速，通过两级减速，在满足同等力矩输出情况下，减小了所选执行系统2及减速机5-19的大小，进一步减小重量。

执行系统2包括驱动电机组，包括驱动各个关节运动的电机，并设置有与各个驱动电机配合的驱动器，用于转化并向外输出驱动电机的转动，具体的：左髋关节驱动器2-1及配合左髋关节电机2-2、左膝关节驱动器2-3及配合的左膝关节电机2-4、右髋关节驱动器2-5及配合的右髋关节电机2-6、右膝关节驱动器2-7及配合的右膝关节电机2-8，左右腿的各电机和驱动器根据控制信号进行联动，帮助患者完成坐站、行走、爬楼梯等康复动作。其中左髋关节电机2-2及右髋关节电机2-6即合称为髋关节电机，左膝关节电机2-4及右膝关节电机2-8即合称为膝关节电机。

在本实用新型具体实施方式提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人中，背部组件5-1通过髋部打开机构连接腿部组件，髋部打开机构包括可旋转的中间连接结构5-4，用于使两个腿部组件分别向外侧展开，中间连接结构5-4上设置有用于定位中间连接结构5-4的定位插销5-5。定位插销5-5向上拨出的状态为脱开状态，两机械腿组件可分别向外侧有90°的旋转角度，方便患者穿戴，穿戴完成后将腿部结构旋转回初始状态，按下定位插销5-5锁定。

为了适用不同患者的腿部长度，大腿支架组件5-12和小腿支架组件5-13均能够调节长度，大腿支架组件5-12包括大腿上杆5-20、大腿下杆5-22和大腿锁紧环5-21，大腿上杆5-20的上端连接髋关节运动机构5-9，大腿下杆5-22的下端连接膝关节运动机构5-10，大腿上杆5-20的下端和大腿下杆5-22的上端通过大腿锁紧环5-21连接，大腿下杆5-22和大腿上杆5-20能够伸缩调节长度，并通过大腿锁紧环5-21固定位置。小腿支架组件5-13包括小腿上杆、小腿下杆和小腿锁紧环，小腿上杆的上端连接膝关节运动机构5-10，小腿下杆的下端连接踝关节运动机构5-11，小腿上杆的下端和小腿下杆的上端通过小腿锁紧环连接，小腿下杆和小腿上杆能够伸缩调节长度，并通过小腿锁紧环固定位置。大腿支架的长度调节锁定机构可以根据不同患者的大腿长度调节机器人的大腿长度，优选适用大腿长度范围为37cm至42cm。小腿支架的长度调节锁定机构可以根据不同患者的小腿长度调节机器人的小腿长度，适用小腿长度范围为35cm至40cm。通过螺旋方式锁紧，也可采用其他方式，如在上杆和下杆上设置轴向布置的多个定位孔，并通过定位销进行定位。

为了进一步减轻重量，大腿上杆、大腿下杆、小腿上杆和小腿下杆均采用空心圆管结构。可手动调节，同时也可在管内走线，防止线路外露。

具体地，髋关节运动机构5-9是将电机的动力经同步带和减速机传动，从而带动髋关节运动，设置有机械限位，活动范围为-120°至40°，对应髋关节屈的范围为0到120°，伸的范围为0到40°。

膝关节运动机构5-10与髋关节运动机构5-9相似，同样是将电机的动力经同步带和减速机传动，从而带动膝关节运动，同样设置有机械限位，活动范围为0至100°，对应膝关节屈的范围为0到100°，伸的范围为0°。

踝关节运动机构5-11为不带电机动力的被动旋转自由度，同样设置有机械限位，活动范围为0到20°，对应踝关节背屈范围为0到20°。

在本实用新型具体实施方式提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人中，电源系统4具有电源通断、急停和充电功能，优选设计为包含可拆分的两块锂电池组4-1，两个锂电池组4-1分别安装于背部组件5-1内部的两侧。每块电池组都有各自的电池管理模块，管理各自的充放电过程，两块电池组同时为系统供电。或根据情况调整电池的类型及数量，均在本实用新型的保护范围之内。

当打开总电源开关时，电池组直接为系统供电；电源口插入充电器线，可对两个电池组进行充电；当遇到紧急情况，按下急停开关，控制系统1收到信号后会给系统发送停止命令，起到急停的作用。

背部组件5-1主要由背板及两边对称的盆骨调节结构5-6、两边对称的把手5-7和背部软垫绑带5-8组成。盆骨调节结构5-6可以根据患者的盆骨宽度调节机器人的盆骨宽度，可适用患者盆骨的一般宽度范围为28.5cm到39cm之间。

在上述各具体实施方式提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人的基础上，控制系统能够控制执行系统的动力等级，为大腿支架组件和小腿支架组件提供动力或阻力，以切换机器人的运动模式。因此，传感器系统包括位置传感器组、速度传感器组、力传感器组，用于实时检测机器人姿态、速度以及受力大小和方向。

具体地，执行系统2的驱动电机组提供运动动力，医生可根据需要，对电机组参数进行设计，以提供一定的助力或者阻力，可提供多种运动模式，如被动、助力、主动和阻力等模式，完全覆盖下肢0级肌力到完全肌力，为下肢偏瘫患者提供全方位更有针对性的康复训练。

被动模式下，患者完全由驱动电机组带动进行训练；助力模式下，患者自行用力，力传感器检测到患者用力大小和方向，控制系统1根据传感系统的信号控制相应的电机提供一定的助力，患者训练变得轻松；主动模式下，电机不提供动力，患者可自行行走；阻力模式下，通过增加负载或其他形式提供阻力，患者训练强度增加，用于加强肌力训练。具体的，医生可根据患者的实际情况自行进行设定。

传感器系统3包含传感器种类较多，包括位置传感器、速度传感器、力传感器、陀螺仪和温度传感器，传感器在机器人中的分布范围广，其中大腿、小腿、膝关节、髋关节、足底、背部及电池包中均含有1个或多个传感器，可实时检测机器人的姿态、速度以及患者用力大小和方向，还可检测电源系统4的温度情况。

背部软垫绑带5-8和腿部软垫绑带5-15可帮助患者很好的穿戴外骨骼机器人，患者身体更贴合机器人，训练过程中软垫还能对患者起到保护作用，舒适性也更好。

以上对本实用新型所提供的可穿戴下肢康复外骨骼机器人进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可穿戴下肢康复外骨骼机器人，包括控制系统(1)、执行系统(2)、传感器系统(3)、电源系统(4)和结构本体(5)，所述结构本体(5)包括背部组件及两组对称设置的腿部组件，所述控制系统(1)根据所述传感器系统(3)获取的信号控制所述执行系统(2)，使所述执行系统(2)驱动所述腿部组件动作，其特征在于，所述腿部组件包括大腿支架组件(5-12)、小腿支架组件(5-13)和脚托(5-14)，所述大腿支架组件(5-12)通过髋关节运动机构(5-9)连接所述背部组件，所述大腿支架组件(5-12)通过膝关节运动机构(5-10)连接所述小腿支架组件(5-13)，所述小腿支架组件(5-13)通过踝关节运动机构(5-11)连接所述脚托(5-14)，所述髋关节运动机构(5-9)和所述膝关节运动机构(5-10)均包括小带轮(5-16)、大带轮(5-18)和减速机(5-19)，所述执行系统(2)连接并驱动所述小带轮(5-16)，所述小带轮(5-16)通过同步带(5-17)连接所述大带轮(5-18)，所述大带轮(5-18)连接所述减速机(5-19)，所述减速机(5-19)连接对应的所述大腿支架组件(5-12)和所述小腿支架组件(5-13)。

2.根据权利要求1所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述背部组件通过髋部打开机构连接所述腿部组件，所述髋部打开机构包括可旋转的中间连接结构(5-4)，用于使两个所述腿部组件分别向外侧展开，所述中间连接结构(5-4)上设置有用于定位所述中间连接结构(5-4)的定位插销(5-5)。

3.根据权利要求2所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支架组件(5-12)包括大腿上杆(5-20)、大腿下杆(5-22)和大腿锁紧环(5-21)，所述大腿上杆(5-20)的上端连接所述髋关节运动机构(5-9)，所述大腿下杆(5-22)的下端连接所述膝关节运动机构(5-10)，所述大腿上杆(5-20)的下端和所述大腿下杆(5-22)的上端通过所述大腿锁紧环(5-21)连接，所述大腿下杆(5-22)和所述大腿上杆(5-20)能够伸缩调节长度，并通过所述大腿锁紧环(5-21)固定位置。

4.根据权利要求3所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿支架组件(5-13)包括小腿上杆、小腿下杆和小腿锁紧环，所述小腿上杆的上端连接所述膝关节运动机构(5-10)，所述小腿下杆的下端连接所述踝关节运动机构(5-11)，所述小腿上杆的下端和所述小腿下杆的上端通过所述小腿锁紧环连接，所述小腿下杆和所述小腿上杆能够伸缩调节长度，并通过所述小腿锁紧环固定位置。

5.根据权利要求4所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿上杆(5-20)、所述大腿下杆(5-22)、所述小腿上杆和所述小腿下杆均采用空心圆管结构。

6.根据权利要求1所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述电源系统(4)包括两块锂电池组(4-1)以及对应各所述锂电池组(4-1)的电池管理模块。

7.根据权利要求6所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，两个所述锂电池组(4-1)分别安装于所述背部组件内部的两侧。

8.根据权利要求7所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述背部组件包括背板及与所述背板可定位滑动连接的盆骨调节结构(5-6)，用于适应性调节机器人的盆骨位置宽度。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述控制系统(1)能够控制所述执行系统(2)的动力等级，为所述大腿支架组件(5-12)和所述小腿支架组件(5-13)提供动力或阻力，以切换机器人的运动模式。

10.根据权利要求9所述的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述传感器系统(3)包括位置传感器组、速度传感器组、力传感器组，用于实时检测机器人姿态、速度以及受力大小和方向。

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