CN211485538U - 自适应膝关节助力机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自适应膝关节助力机器人包括大腿固定组、小腿固定组、监测装置、驱动装置、控制装置，其中大腿固定组用于固定大腿，小腿固定组用于固定在小腿上，通过驱动装置运用仿生学原理模拟人体膝关节驱动小腿和大腿进行屈膝动作，进而辅助人体膝关节屈伸动作以辅助人体行走或运动，而设置监测装置可采集小腿和大腿的运动姿态数据以检测人体膝关节的动作，继而控制装置根据检测人体膝关节的动作智能控制驱动装置匹配输出力矩，增加拟人化程度，提高膝关节运动的灵活性，保护使用者的膝关节，减轻使用者的膝关节负荷，适用于健康人群登山的膝盖防护，也适用于膝盖受损的亚健康人群的辅助行走。

Description

自适应膝关节助力机器人

【技术领域】

本申请涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种自适应膝关节助力机器人。

【背景技术】

膝关节作为人体下肢重要的关节之一，需要承载整个躯干的重量，另一方面辅助人体实现行走、奔跑、跳跃等运动，同时医学研究表明，随着人年龄的逐渐增大，膝关节的老化不可避免，而即使是年轻人在运动中也同样由于运动损伤等其他原因导致膝关节受伤或患上膝关节炎等疾病而影响下肢行走，膝关节助力机器人的出现能满足这类患者的需求，同时该装置能够使患者正常行走、减轻患者创伤处。

目前，膝关节助力机器人拟人化程度低，不仅影响了外骨骼机器人与人体的协同运动，同时限制了整个膝关节的运动灵活性，无法代替或辅助人体膝关节发挥在运动中的辅助作用，舒适性较差，不利于患者恢复。

【实用新型内容】

本申请为了解决现有膝关节助力机器人拟人程度低、灵活性差的技术问题，提供一种自适应膝关节助力机器人。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案：

自适应膝关节助力机器人包括:

大腿固定组,其用于固定在大腿上；

小腿固定组，其设于所述大腿固定组下侧，并用于固定在小腿；

监测装置，其用于采集所述小腿固定组上小腿以及所述大腿固定组上大腿的运动姿态数据；

驱动装置，其连接于所述大腿固定组与所述小腿固定组间，可用于驱动所述小腿固定组上的小腿和所述大腿固定组上的大腿进行屈伸动作；

控制装置，其设于所述大腿固定组上，且分别与所述监测装置和所述驱动装置电连接，用于根据所述监测装置采集的所述运动姿态数据控制所述驱动装置运行。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述驱动装置包括：

大腿连接件，其设于所述大腿固定组上；

驱动电机，其固定于所述大腿连接件上；

小腿连接件，其上侧与所述驱动电机的输出端连接，下侧贯穿所述大腿固定组并与所述小腿固定组上侧相连接。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述监测装置包括：

大腿传感器，其设于所述大腿固定组上，用于获取所述大腿固定组上大腿的大腿运动姿态数据，并将获取的所述大腿运动姿态数据发送至所述控制装置；

小腿传感器，其设于所述小腿固定组上，用于获取所述小腿固定组上小腿的小腿运动姿态数据，并将获取的所述小腿运动姿态数据输送至所述控制装置。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述大腿传感器与所述小腿传感器均为IMU姿态传感器。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述控制装置包括：

微控制器，其设于所述大腿固定组内，并与电源和所述驱动装置电连接，用于对所述驱动装置进行控制信号输出；

触摸面板，其设于所述大腿固定组上，并与所述微控制器电连接，用于感应触摸以调节所述驱动装置输出力矩的大小。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述微控制器为STM32单片机。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述触摸面板上设有触摸按钮和状态指示灯，当轻触所述触摸按钮时，可控制所述驱动装置处于启动或停止状态，当长触所述触摸按钮时，可切换所述驱动装置处于平地及登高模式或下坡模式，所述状态指示灯用于灯光提示。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述自适应膝关节助力机器人还包括：

电源，其设于大腿固定组内，并分别与所述控制装置和所述驱动装置电连接，用于为所述驱动装置供电；

电源开关，其设于所述大腿固定组上，并与所述电源电连接，用于控制电源连通或关闭；

充电接口，其设于所述大腿固定组上，并与所述电源电连接，用于充电。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述大腿固定组包括用于固定在大腿上侧的上大腿绑带、用于固定在大腿下侧的下大腿绑带、大腿箍件以及盖体，所述大腿箍件用于贴合大腿前侧并分别与所述上大腿绑带、下大腿绑带连接，所述盖体设于所述大腿箍件上，所述驱动装置与所述控制装置均设于所述大腿箍件与所述盖体间。

如上所述的自适应膝关节助力机器人，所述小腿固定组包括用于固定在小腿上侧的上小腿绑带、用于固定在小腿下侧的下小腿绑带以及小腿箍件，所述小腿箍件用于贴合小腿后侧并分别与所述上小腿绑带、下小腿绑带和所述驱动装置连接。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

1、本申请的自适应膝关节助力机器人包括大腿固定组、小腿固定组、监测装置、驱动装置、控制装置，其中大腿固定组用于固定大腿，小腿固定组用于固定在小腿上，通过驱动装置运用仿生学原理模拟人体膝关节驱动小腿和大腿进行屈膝动作，进而辅助人体膝关节屈伸动作以辅助人体行走或运动，而设置监测装置可采集小腿和大腿的运动姿态数据以检测人体膝关节的动作，继而控制装置根据检测人体膝关节的动作智能控制驱动装置匹配输出力矩，增加拟人化程度，提高膝关节运动的灵活性，保护使用者的膝关节，减轻使用者的膝关节负荷，适用于健康人群登山的膝盖防护，也适用于膝盖受损的亚健康人群的辅助行走。

2、本申请可根据使用者的行走习惯，通过控制装置上的触摸面板对驱动装置进行输出力矩调整，以及根据使用者的使用环境需求进行行走模式切换，增加拟人化程度，提高膝关节运动的灵活性，保护使用者的膝关节。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本申请自适应膝关节助力机器人的结构示意图。

图2是本申请自适应膝关节助力机器人隐藏所述盖体14后的结构示意图。

图3是本申请自适应膝关节助力机器人屈膝状态时的结构示意图。

图4是本申请自适应膝关节助力机器人的所述驱动装置4的分解示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1～4，自适应膝关节助力机器人，包括大腿固定组1、小腿固定组2、监测装置3、驱动装置4、控制装置5和电源6。所述大腿固定组1用于固定在大腿上。所述小腿固定组2设于所述大腿固定组1下侧，并用于固定在小腿。所述监测装置3用于采集所述小腿固定组2上小腿以及所述大腿固定组1上大腿的运动姿态数据。所述驱动装置4连接于所述大腿固定组1与所述小腿固定组2间，可用于驱动所述小腿固定组2上的小腿和所述大腿固定组1上的大腿进行屈伸动作。所述控制装置5设于所述大腿固定组1上，且分别与所述监测装置3和所述驱动装置4电连接，用于根据所述监测装置3采集的所述运动姿态数据控制所述驱动装置4运行。所述电源6设于大腿固定组1内，并分别与所述控制装置5和所述驱动装置4电连接，用于为所述驱动装置4供电。

本申请包括大腿固定组1、小腿固定组2、监测装置3、驱动装置4、控制装置5，其中所述大腿固定组1用于固定大腿，所述小腿固定组2用于固定在小腿上，通过所述驱动装置4运用仿生学原理模拟人体膝关节驱动小腿和大腿进行屈膝动作，进而辅助人体膝关节屈伸动作以辅助人体行走或运动，而设置所述监测装置3可采集所述小腿固定组2上小腿以及所述大腿固定组1上大腿的运动姿态数据以检测人体膝关节的动作，继而所述控制装置5根据检测人体膝关节的动作智能控制所述驱动装置4匹配输出力矩，增加拟人化程度，提高膝关节运动的灵活性，保护使用者的膝关节，减轻使用者的膝关节负荷，适用于健康人群登山的膝盖防护，也适用于膝盖受损的亚健康人群的辅助行走。

所述驱动装置4包括大腿连接件41、驱动电机42、小腿连接件 43。所述大腿连接件41设于所述大腿固定组1上。所述驱动电机固定于所述大腿连接件上。所述小腿连接件43上侧与所述驱动电机42 的输出端连接，下侧贯穿所述大腿固定组1并与所述小腿固定组2上侧相连接。本具体实施例中，所述大腿连接件41与所述驱动电机42 均固定于所述大腿固定组1内，所述小腿连接件43套设在所述驱动电机32的输出端上，且所述小腿连接件43下端贯穿所述大腿固定组 1后与所述小腿连接件43固定，通过所述驱动电机42驱动大腿和小腿进行屈伸运动。

所述监测装置3包括大腿传感器31、小腿传感器32。所述大腿传感器31设于所述大腿固定组1上，用于获取所述大腿固定组1上大腿的大腿运动姿态数据，并将获取的所述大腿运动姿态数据发送至所述控制装置5。所述小腿传感器32设于所述小腿固定组2上，用于获取所述小腿固定组2上小腿的小腿运动姿态数据，并将获取的所述小腿运动姿态数据输送至所述控制装置5。所述大腿传感器3和所述小腿传感器32获取运动姿态数据从而检测到腿部的位置变化，继而所述控制装置5能根据检测的位置变化计算出膝关节所述力矩，并控制控制所述驱动装置4运行输出力矩，达到自动辅助使用者正常行走的目的。

所述大腿传感器31与所述小腿传感器32均为IMU姿态传感器。具有灵敏度高、低消耗的优点。

所述控制装置5包括微控制器51、触摸面板52。所述微控制器 51设于所述大腿固定组1内，并与电源6和所述驱动装置4电连接，用于对所述驱动装置4进行控制信号输出。所述触摸面板52设于所述大腿固定组1上，并与所述微控制器51电连接，用于感应触摸以调节所述驱动装置4输出力矩的大小。通过所述微控制器51完成信号控制，所述触摸面板52可用于根据使用者自身对力量的实际需求进行自主调节，优选在所述触摸面板52上设置档位滑条，用手指在档位设置滑条指示位置滑动，顺箭头的方向滑动为增加力矩，逆箭头方向滑动为减小力矩，提高拟人化。

所述微控制器51为STM32单片机。具有高性能、低成本、低功耗的优点。

所述触摸面板52上设有触摸按钮和状态指示灯，当轻触所述触摸按钮时，可控制所述驱动装置4处于启动或停止状态，当长触所述触摸按钮时，可切换所述驱动装置4处于平地及登高模式或下坡模式，所述状态指示灯用于灯光提示。轻触一下触摸按钮，启动膝关节机器人，当停止行走时，需轻触触摸按钮，系统停止运行，通过所述状态指示灯对用户进行提醒，而长按触摸按钮大于2S，状态指示灯为下坡模式，再长按触摸按钮大于2S，为平地及登高模式，设置好模式后，即可行走，用户只需以正常的步态进行行走即可，当传感器检测到人体膝关节的动作后，会输出力矩，辅助用户行走。

所述自适应膝关节助力机器人还包括电源开关7、充电接口8。所述电源开关7设于所述大腿固定组1上，并与所述电源6电连接，用于控制电源连通或关闭。所述充电接口8设于所述大腿固定组1上，并与所述电源6电连接，用于充电。

所述大腿固定组1包括用于固定在大腿上侧的上大腿绑带11、用于固定在大腿下侧的下大腿绑带12、大腿箍件13以及盖体14，所述大腿箍件13用于贴合大腿前侧并分别与所述上大腿绑带11、下大腿绑带12连接，所述盖体14设于所述大腿箍件13上，所述驱动装置4与所述控制装置5均设于所述大腿箍件13与所述盖体14间。使用时将所述驱动装置4与人体膝关节对齐，分别将所述上大腿绑带 11和所述大腿绑带12系在大腿上，所述大腿箍件13可贴合人体大腿，利于所述驱动装置4对大腿的驱动。所述盖体14可对所述驱动装置4与所述控制装置5进行保护。

所述小腿固定组2包括用于固定在小腿上侧的上小腿绑带21、用于固定在小腿下侧的下小腿绑带22以及小腿箍件23，所述小腿箍件23用于贴合小腿后侧并分别与所述上小腿绑带21、下小腿绑带22 和所述驱动装置4连接。使用时将所述驱动装置4与人体膝关节对齐，分别将所述上小腿绑带21和所述下小腿绑带22系在大腿上，所述小腿箍件23可贴合人体小腿，利于所述驱动装置4对小腿的驱动。

本申请包括大腿固定组1、小腿固定组2、监测装置3、驱动装置4、控制装置5，其中所述大腿固定组1用于固定大腿，所述小腿固定组2用于固定在小腿上，通过所述驱动装置4运用仿生学原理模拟人体膝关节驱动小腿和大腿进行屈膝动作，进而辅助人体膝关节屈伸动作以辅助人体行走或运动，而设置所述监测装置3可采集所述小腿固定组2上小腿以及所述大腿固定组1上大腿的运动姿态数据以检测人体膝关节的动作，继而所述控制装置5根据检测人体膝关节的动作智能控制所述驱动装置4匹配输出力矩，增加拟人化程度，提高膝关节运动的灵活性，保护使用者的膝关节，减轻使用者的膝关节负荷，适用于健康人群登山的膝盖防护，也适用于膝盖受损的亚健康人群的辅助行走。

Claims (10)

1.自适应膝关节助力机器人，其特征在于,包括:

大腿固定组(1),其用于固定在大腿上；

小腿固定组(2)，其设于所述大腿固定组(1)下侧，并用于固定在小腿；

监测装置(3)，其用于采集所述小腿固定组(2)上小腿以及所述大腿固定组(1)上大腿的运动姿态数据；

驱动装置(4)，其连接于所述大腿固定组(1)与所述小腿固定组(2)间，可用于驱动所述小腿固定组(2)上的小腿和所述大腿固定组(1)上的大腿进行屈伸动作；

控制装置(5)，其设于所述大腿固定组(1)上，且分别与所述监测装置(3)和所述驱动装置(4)电连接，用于根据所述监测装置(3)采集的所述运动姿态数据控制所述驱动装置(4)运行。

2.根据权利要求1所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于：所述驱动装置(4)包括：

大腿连接件(41)，其设于所述大腿固定组(1)上；

驱动电机(42)，其固定于所述大腿连接件(41)上；

小腿连接件(43)，其上侧与所述驱动电机(42)的输出端连接，下侧贯穿所述大腿固定组(1)并与所述小腿固定组(2)上侧相连接。

3.根据权利要求1所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于，所述监测装置(3)包括：

大腿传感器(31)，其设于所述大腿固定组(1)上，用于获取所述大腿固定组(1)上大腿的大腿运动姿态数据，并将获取的所述大腿运动姿态数据发送至所述控制装置(5)；

小腿传感器(32)，其设于所述小腿固定组(2)上，用于获取所述小腿固定组(2)上小腿的小腿运动姿态数据，并将获取的所述小腿运动姿态数据输送至所述控制装置(5)。

4.根据权利要求3所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于，所述大腿传感器(31)与所述小腿传感器(32)均为IMU姿态传感器。

5.根据权利要求1所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于：所述控制装置(5)包括：

微控制器(51)，其设于所述大腿固定组(1)内，并与电源(6)和所述驱动装置(4)电连接，用于对所述驱动装置(4)进行控制信号输出；

触摸面板(52)，其设于所述大腿固定组(1)上，并与所述微控制器(51)电连接，用于感应触摸以调节所述驱动装置(4)输出力矩的大小。

6.根据权利要求5所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于：所述微控制器(51)为STM32单片机。

7.根据权利要求5所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于：所述触摸面板(52)上设有触摸按钮和状态指示灯，当轻触所述触摸按钮时，可控制所述驱动装置(4)处于启动或停止状态，当长触所述触摸按钮时，可切换所述驱动装置(4)处于平地及登高模式或下坡模式，所述状态指示灯用于灯光提示。

8.根据权利要求1所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于，所述自适应膝关节助力机器人还包括：

电源(6)，其设于大腿固定组(1)内，并分别与所述控制装置(5)和所述驱动装置(4)电连接，用于为所述驱动装置(4)供电；

电源开关(7)，其设于所述大腿固定组(1)上，并与所述电源(6)电连接，用于控制电源连通或关闭；

充电接口(8)，其设于所述大腿固定组(1)上，并与所述电源(6)电连接，用于充电。

9.根据权利要求1所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于：所述大腿固定组(1)包括用于固定在大腿上侧的上大腿绑带(11)、用于固定在大腿下侧的下大腿绑带(12)、大腿箍件(13)以及盖体(14)，所述大腿箍件(13)用于贴合大腿前侧并分别与所述上大腿绑带(11)、下大腿绑带(12)连接，所述盖体(14)设于所述大腿箍件(13)上，所述驱动装置(4)与所述控制装置(5)均设于所述大腿箍件(13)与所述盖体(14)间。

10.根据权利要求1所述的自适应膝关节助力机器人，其特征在于：所述小腿固定组(2)包括用于固定在小腿上侧的上小腿绑带(21)、用于固定在小腿下侧的下小腿绑带(22)以及小腿箍件(23)，所述小腿箍件(23)用于贴合小腿后侧并分别与所述上小腿绑带(21)、下小腿绑带(22)和所述驱动装置(4)连接。

Images