CN213607950U - 一种穿戴式腰部康复外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种穿戴式腰部康复外骨骼机器人，它包括腰部仿生机构、信息采集系统和控制系统；模拟人体肢体运动，腰部仿生机构采用4‑UPS‑PS并联机器人人机耦合仿生机构构型，由微型电动推杆构成4轴并联仿生机构支撑人体上身重量，为腰椎提供柔和稳定的支撑力；信息采集系统实时感测腰部仿生机构的空间位置姿态以及各个电动推杆的力信息和位移信息，控制系统根据信息采集系统的检测数据控制和调整电动推杆的位移及其施加在腰部的牵引力，使作用于腰椎的力量大小恒定。腰部仿生机构有四个自由度，可实现腰部的三自由度的转动运动和腰椎一个自由度的牵引移动，使用者的移动自由不受影响，可以全天佩戴。自适应满足腰椎的活动度和稳定性，安全可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及柔性外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种穿戴式腰部康复外骨骼机器人。
背景技术
腰椎疼痛在我国乃至全世界都是普遍存在的临床上常见的顽固性疾患之一，严重困扰着患者的日常工作和生活。市场上腰部康复产品很多,但现有腰部功能康复设备都存在不能满足长时间有效提供稳定支撑以及机构庞大不能随身携带等问题，能够自适应满足腰椎的活动度以及稳定性并且方便患者随身穿戴的腰部康复智能产品几乎没有。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于提供一种结构紧凑、柔顺轻巧，能够减轻腰椎压力、治疗腰肌劳损引起的不适以及腰椎间盘突出引起的腰痛，能够自动感应腰椎变化并智能化实时调整支撑力，使得作用于人体腰椎的力量大小恒定，并且使用者的移动自由不受影响，可以全天佩戴的人机耦合的穿戴式腰部康复外骨骼机器人。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
穿戴式腰部康复外骨骼机器人，包括腰部仿生机构、信息采集系统和控制系统，所述腰部仿生机构是由四个微型电动推杆驱动的4-UPS-PS并联机构，并联机构的动平台和定平台分别通过柔性部件呈环形腰围状围绕在人体腰部脊椎的上部和下部，即动平台与人体胸骨联结，定平台与人体胯骨联结；四个微型电动推杆驱动并联机构支撑人体上身重量使得腰椎被牵引伸开从而释放腰椎压力，通过四自由度的腰部仿生机构牵引腰椎实现腰部的三自由度的转动和一个自由度的牵引移动，即腰椎进行前后屈伸、左右侧弯和旋转运动及在牵引作用下可以微微伸开；这里，4UPS的含义是：直线牵引组件包含4个分支，每个分支的结构为UPS，U、P、S分别表示虎克副、移动副、球副；
信息采集系统用于实时感测腰部仿生机构的空间位置姿态以及各个电动推杆的力信息和位移信息，控制系统根据信息采集系统的检测数据控制和调整电动推杆的位移及其施加在腰部的牵引力，使作用于腰椎的力量大小恒定。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述信息采集系统包括拉压力传感器、线性位移传感器和惯性测量单元，拉压力传感器用于感测腰部的牵引力，线性位移传感器实时检测各个电动推杆的伸出长度，惯性测量单元采用双传感器测量方法，分别安装在所述动平台和定平台上，用于实时检测腰部的空间运动姿态和相对位置。
作为本实用新型的一种优选技术方案，控制系统包括调整装置、记录装置和无线传输装置，所述调整装置用于调整电动推杆施加在使用者腰部的牵引力大小和方向；所述记录装置用于记录使用者在佩戴期间的动作和位置，识别可能导致使用者腰部疼痛的动作和位置，从而通过控制系统使使用者无法执行可能导致伤害或增加疼痛的移动；无线传输装置向处理器系统传输信息采集系统和记录装置的数据。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述腰部仿生机构的动平台和定平台上分别设置有横向自动收紧机构，用于调节穿戴在人体腰部的松紧度，所述横向自动收紧机构包括横向设置的微型电机、拉紧带和压力传感器，微型电机配减速器经齿轮传动，带动收紧滚子转动拉紧所述拉紧带，横向设置的压力传感器用于实时监控横向拉紧力，并实时反馈调节，自适应地根据腰围大小和松紧度来调整皮带横向收紧的量，防止穿戴随时间和动作变化而松弛，与人体良好适配。
作为本实用新型的一种优选技术方案，穿戴式腰部康复外骨骼机器人还包括腰部曲率支撑机构，腰部曲率支撑机构的两端分别可拆卸地与腰部仿生机构的动平台和定平台连接，以辅助减小椎间盘压力，腰部曲率支撑机构由底托和硅胶包覆弹簧钢片组成。
作为本实用新型的一种优选技术方案，穿戴式腰部康复外骨骼机器人还包括腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置，用于辅助诊断和进行腰部肌肉锻炼，所述腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置包括电刺激及肌电检测电极，所述肌电检测电极采用暗扣式设置在腰部仿生机构的动平台和定平台的贴合腰部肌肉处，安装拆卸方便。
本实用新型与现有技术相比优点如下：
(1)该穿戴式腰部康复外骨骼机器人模拟人体肢体运动，采用4-UPS-PS并联机器人人机耦合仿生机构构型，由微型电动推杆构成4轴并联仿生机构，运动冲击小，惯性小，为腰椎提供柔和稳定的支撑力；该并联仿生机构有四个自由度，可实现腰部的三自由度的转动运动和腰椎一个自由度的牵引移动，使用者的移动自由不受影响，可以全天佩戴。
(2)该穿戴式腰部康复外骨骼机器人，自适应满足腰椎的活动度和稳定性，安全可靠；通过多传感器信息融合共同构成穿戴式腰部康复外骨骼机器人的信息采集系统，实时感测腰部仿生机构的空间位置姿态以及各个电动推杆的力信息和位移信息，控制系统根据信息采集系统的检测数据控制和调整电动推杆的位移及其施加在腰部的牵引力，自动感应腰椎变化并实时调整支撑力，使作用于腰椎的力量大小恒定。
(3)腰部横向自动收紧机构，保证腰部紧固自适应地根据胖瘦、松紧来调整皮带收紧的量，防止穿戴随时间和动作变化而松弛，与人体良好适配。
(4)弧形腰部曲率支撑机构，根据腰椎的曲率特点，以曲度拉伸为核心，辅助减少椎间盘压力。
(5)腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置，可辅助诊断和进行腰部肌肉锻炼。
附图说明
图1 4-UPS-PS并联仿生机构构型示意图；
图2腰部仿生机构的结构图；
图3穿戴式腰部康复外骨骼机器人的结构图；
图4横向自动收紧机构的局部放大图；
图5腰部曲率支撑机构的结构示意图；
图6腰部功能性电刺激及肌电检测电极示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
如图1-3所示，本实用新型提供的穿戴式腰部康复外骨骼机器人，包括腰部仿生机构、信息采集系统和控制系统30，所述腰部仿生机构是由四个微型电动推杆110驱动的4-UPS-PS并联机构，并联机构的定平台120和动平台130分别通过柔性部件121、131呈环形腰围状围绕在人体腰部脊椎的上部和下部，即动平台130与人体胸骨联结，定平台120与人体胯骨联结；四个微型电动推杆驱动并联机构支撑人体上身重量使得腰椎被牵引伸开从而释放腰椎压力；这样，通过四自由度的腰部仿生机构牵引腰椎实现腰部的三自由度的转动和一个自由度的牵引移动，即腰椎进行前后屈伸、左右侧弯和旋转运动以及在牵引作用下可以微微伸开；
信息采集系统用于实时感测腰部仿生机构的空间位置姿态以及各个电动推杆的力信息和位移信息，控制系统30根据信息采集系统的检测数据控制和调整电动推杆的位移及其施加在腰部的牵引力，使作用于腰椎的力量大小恒定。
本实施例，依据人体腰部运动分析，将腰部运动抽象为虚拟的球副和移动副的组合关节，与由球副、移动副和虎克副组成的电动推杆共同构成4轴并联仿生机构，并联驱动可以连续运转实现动平台连续转动，驱动系统、传动系统等可安装在相对固定的定平台上，运动冲击小，惯性小；该机构有四个自由度，可实现绕冠状轴、矢状轴和垂直轴的三轴转动和沿z轴的移动，提高腰椎的活动度以及稳定性。
如图3所示，作为本实用新型的一种优选技术方案，信息采集系统包括拉压力传感器210、线性位移传感器220和惯性测量单元230，拉压力传感器210用于感测腰部的牵引力，线性位移传感器220实时检测各个电动推杆的伸出长度，惯性测量单元230采用双传感器测量方法，分别安装在所述动平台130和定平台120上，用于实时检测腰部的空间运动姿态和相对位置。
本实施例，采用拉压力传感器210实时检测各个电动推杆的力信息，采用内置的线性位移传感器220 实时检测各个电动推杆的伸出长度，基于微机电系统的惯性测量单元230具有体积小，重量轻，响应频率快，实时检测患者腰部的空间运动姿态，通过多传感器信息融合共同构成穿戴式腰部康复外骨骼机器人的信息采集系统，解决了腰部姿态变化中空间方位和腰椎间压力变化的综合检测精确感知的问题，信息采集系统检测得到的力信息和位置信息综合反馈到控制系统30，控制系统30精确调整电动推杆的牵引力大小以及牵引方向从而给腰椎施加恒定的支撑力。
如图3所示，作为本实用新型的一种优选技术方案，控制系统30包括调整装置310、记录装置320和无线传输装置330，所述调整装置310用于调整电动推杆施加在使用者腰部的牵引力大小和方向；所述记录装置320用于记录使用者在佩戴期间的动作和位置，识别可能导致使用者腰部疼痛的动作和位置，从而通过控制系统使使用者无法执行可能导致伤害或增加疼痛的移动；无线传输装置330向处理器系统传输信息采集系统和记录装置的数据。
如图3-4所示，作为本实用新型的一种优选技术方案，腰部仿生机构的动平台130和定平台120上还分别设置有横向自动收紧机构40，用于调节穿戴在人体腰部的松紧度，横向自动收紧机构40包括横向设置的微型电机41、拉紧带42和压力传感器43，微型电机41配减速器44经齿轮45传动，带动收紧滚子 46转动拉紧所述拉紧带42，横向设置的压力传感器43用于实时监控横向拉紧力，并实时反馈调节，自适应地根据腰围大小和松紧度来调整拉紧带42横向收紧的量，防止穿戴随时间和动作变化而松弛，以适应不同的腰围，与腰部形成良好的贴合。
如图5所示，作为本实用新型的一种优选技术方案，穿戴式腰部康复外骨骼机器人还包括腰部曲率支撑机构50，以辅助减少椎间盘压力，腰部曲率支撑机构50的两端分别可拆卸地与腰部仿生机构的动平台 130和定平台120连接，腰部曲率支撑机构50由底托51、弹簧钢片52和硅胶包覆53组成。
如图6所示，作为本实用新型的一种优选技术方案，穿戴式腰部康复外骨骼机器人还包括腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置60，用于辅助诊断和进行腰部肌肉锻炼，所述腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置60包括电刺激及肌电检测电极，所述肌电检测电极采用暗扣式可拆卸地设置在柔性部件 121或/和柔性部件131上；根据使用者的具体需要，可将腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置60 成对、对称地设置在柔性部件121或/和柔性部件131贴合腰部肌肉处，安装拆简单方便。
Claims (6)
1.一种穿戴式腰部康复外骨骼机器人，其特征在于：包括腰部仿生机构、信息采集系统和控制系统，所述腰部仿生机构是由四个微型电动推杆驱动的4-UPS-PS并联机构，并联机构的动平台和定平台分别通过柔性部件呈环形腰围状围绕在人体腰部脊椎的上部和下部，即动平台与人体胸骨联结，定平台与人体胯骨联结；四个微型电动推杆驱动并联机构支撑人体上身重量使得腰椎被牵引伸开从而释放腰椎压力；
信息采集系统实时感测腰部仿生机构的空间位置姿态以及各个电动推杆的力信息和位移信息，控制系统根据信息采集系统的检测数据控制和调整所述电动推杆的位移及其施加在腰部的牵引力，使作用于腰椎的力量大小恒定。
2.根据权利要求1所述的穿戴式腰部康复外骨骼机器人，其特征在于：信息采集系统包括拉压力传感器、线性位移传感器和惯性测量单元，拉压力传感器用于感测腰部的牵引力，线性位移传感器实时检测各个电动推杆的伸出长度，惯性测量单元采用双传感器测量方法，分别安装在所述动平台和定平台上，用于实时检测腰部的空间运动姿态和相对位置。
3.根据权利要求1所述的穿戴式腰部康复外骨骼机器人，其特征在于：控制系统包括调整装置、记录装置和无线传输装置，所述调整装置用于调整电动推杆施加在使用者腰部的牵引力大小和方向；所述记录装置用于记录使用者在佩戴期间的动作和位置，识别可能导致使用者腰部疼痛的动作和位置，从而通过控制系统使使用者无法执行可能导致伤害或增加疼痛的移动；无线传输装置向处理器系统传输信息采集系统和记录装置的数据。
4.根据权利要求1所述的穿戴式腰部康复外骨骼机器人，其特征在于：所述腰部仿生机构的动平台和定平台上分别设置有横向自动收紧机构，用于调节穿戴在人体腰部的松紧度，所述横向自动收紧机构包括横向设置的微型电机、拉紧带和压力传感器，微型电机配减速器经齿轮传动，带动收紧滚子转动拉紧所述拉紧带，横向设置的压力传感器用于实时监控横向拉紧力，并实时反馈调节，自适应地根据腰围大小和松紧度来调整皮带横向收紧的量，防止穿戴随时间和动作变化而松弛，与人体良好适配。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的穿戴式腰部康复外骨骼机器人，其特征在于：还包括腰部曲率支撑机构，所述腰部曲率支撑机构的两端分别可拆卸地与所述腰部仿生机构的动平台和定平台连接，以辅助减少椎间盘压力，所述腰部曲率支撑机构由底托和硅胶包覆弹簧钢片组成。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的穿戴式腰部康复外骨骼机器人，其特征在于：还包括腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置，用于辅助诊断和进行腰部肌肉锻炼，所述腰部肌肉肌电信号监测和功能性电刺激装置包括电刺激及肌电检测电极，所述肌电检测电极采用暗扣式设置在腰部仿生机构的动平台和定平台的贴合腰部肌肉处，安装拆卸方便。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117898870A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-19 | 常熟理工学院 | 一种腰椎外骨骼结构 |
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2020
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| CN117898870B (zh) * | 2024-03-19 | 2024-05-14 | 常熟理工学院 | 一种腰椎外骨骼结构 |
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