CN214485015U - 一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，包括可调整腰部机构、可调整宽度髋部机构、可调整长度大腿机构、可调整长度小腿机构、脚底板及各种连接部件；下肢外骨骼机器人一共有十一个自由度，腰部中心位置有一个旋转自由度，单腿有五个自由度，其中髋关节三个自由度，用于完成髋关节的屈伸、外展内收以及旋内旋外动作，膝关节一个自由度，用于完成膝关节的屈伸动作，踝关节一个自由度，用于完成踝关节的屈伸动作。本实用新型可用于帮助因中风等疾病以及意外事故造成下肢瘫痪的病人做康复训练，使他们逐渐恢复下肢运动能力。

Description

一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及一种穿戴式下肢外骨骼机器人，尤其涉及一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人。

背景技术

现阶段我国的人口老龄化问题越来越严重，同时由于中风等疾病以及意外所导致的下肢残障人士也在逐年增加，老年人及残障人士对康复医疗设备的需求越来越大；此外医学理论和临床医学证明，人的大脑神经具有可塑性，通过康复训练可以重新塑造脑神经，有效地缓解或恢复肢体功能障碍的症状；然而传统的康复训练是依靠理疗师的经验来进行一对一训练，帮助患者实现简单的重复的运动，这样的训练效率低下，劳动强度大，并且难以实现高强度、有针对性和高度重复性的康复训练要求，不仅极大地浪费了医疗资源，医疗效果也不能得到很好的保证。随着病人数量的增长，康复医师已供不应求，造成康复医师的负担急剧加重，加上缺乏足够的医疗设备，使得很多患者不能得到及时的治疗而错过最佳康复时期，故一种用于康复训练的医疗设备显得尤为重要。

经过对现有技术的检索发现，申请号为200910088396.9的中国发明专利，名称：穿戴式下肢外骨骼装置，该技术包括：腰部支撑架和载物架、可调整髋部机构、连杆可调膝关节机构、连杆可调踝关节机构、压力检测鞋、腿部连杆、约束部件及各连接件，该下肢外骨骼装置共有十二个自由度，单下肢有六个自由度，分别为髋关节两个自由度，完成髋关节的屈伸和收展运动，膝关节一个自由度，实现人体膝关节的屈伸运动，踝关节三个自由度，该装置可用于增强穿戴者步行负重和长时间行走的能力，检测穿戴者步行信息，也可用于帮助下肢运动轻度障碍者正常行走，并逐步康复，但是该装置没有为各个转动自由度设置限位槽，安全性较差，当装置发生故障容易对人体造成二次伤害。

申请号为201310034245.1的中国发明专利，名称：一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，该技术包括踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、驱动模块、腰部及支撑架模块，膝关节运动模块分别与踝关节运动模块、髋关节运动模块相连，驱动模块分别与膝关节运动模块、髋关节运动模块相连，髋关节运动模块与腰部及支撑架模块相连接，该装置在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，能够起到很好的助行作用，但是该装置不能用于康复训练。

因此，针对以上技术问题，有必要提供一种改良的用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，以克服以上缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于，通过提供一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，使机器人能够帮助患者进行康复训练，同时考虑安全性和拟人化设计，以实现更好地人机协同运动。

本实用新型一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人是采用以下技术方案实现的：

一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其机械部分包括可调整腰部机构、可调整宽度髋部机构、可调整长度大腿机构、可调整长度小腿机构、脚底板以及各部分连接件，其特征在于下肢外骨骼机器人一共有十一个自由度，腰部中心位置有一个旋转自由度，单腿有五个自由度，其中髋关节三个自由度，用于完成髋关节的外展内收、旋内旋外以及屈伸动作，其中外展内收关节自由度通过髋关节外展内收旋转零件与腰部宽度调节杆件连接在一起，关节自由度轴线沿矢状轴方向；旋内旋外关节自由度通过髋关节屈伸零件与髋关节前后调节旋转零件连接在一起，关节自由度轴线沿垂直轴方向；屈伸关节自由度通过大腿外杆与髋关节屈伸零件连接在一起，关节自由度轴线沿额状轴方向；膝关节一个自由度，与人体膝关节同轴线，用于完成膝关节的屈伸动作，踝关节一个自由度，用于完成踝关节的屈伸动作，其中屈伸关节自由度轴线沿额状轴，与人体踝关节同轴。

前述的可调整腰部机构包括弧度连接件、腰部宽度调节杆件、髋关节外展内收旋转零件和右腰部旋转零件和左腰部旋转零件；髋关节外展内收旋转零件的体后侧有限位槽；右腰部旋转零件和左腰部旋转零件通过螺栓连接，连接位置为机器人的左右对称中心位置。

前述的腰部宽度调节杆件上有可调节安装位置的螺纹孔，通过螺栓与弧度连接件连接在一起，可调节腰部宽度以适应体型不同的人群，腰部宽度调节杆件可以沿矢状轴方向绕髋关节外展内收旋转零件转动，并通过髋关节外展内收旋转零件体后侧的限位槽限制机器人的运动；腰部旋转零件可以绕人体垂直轴旋转，当不使用下肢外骨骼机器人时，可以通过腰部旋转零件将机器人左右两侧向内部旋转，以减少占用空间。

前述的弧度连接件内部为部分空心结构，转折处为实心结构，弧度连接件两端的外侧有螺纹孔，以便与髋关节前后调节旋转零件和腰部宽度调节杆件连接。

前述的髋关节前后调节旋转零件上有可调节安装位置的螺纹孔，可以调整髋部宽度以适应不同体型的人群，以保证下肢外骨骼机器人的髋关节和人体的髋关节在同一位置。

前述的大腿外杆和大腿内杆通过螺栓连接，在大腿外杆的下端和大腿内杆的上端分布有螺纹孔，可以调整机器人大腿的长度，以适应不同身高的人群，保证机器人的膝关节和人体的膝关节的同轴性。

前述的小腿外杆和小腿内杆通过螺栓连接，在小腿外杆的下端和小腿内杆的上端分布有螺纹孔，用于调整机器人小腿的长度，以适应不同身高的人群，保证机器人的踝关节和人体的踝关节的同轴性。

前述的踝关节屈伸零件安装于小腿内杆的末端，并绕小腿内杆末端的中心轴线转动，踝关节屈伸零件下端与脚底板相连。

前述的电机安装位置为髋膝关节屈伸自由度的外侧，电机旋转轴线与屈伸关节轴线同轴。

前述的腰部宽度调节杆件没有螺纹孔的一侧末端有螺纹孔，螺栓穿过髋关节外展内收旋转零件的限位槽与此螺纹孔相配合，充当限位栓的作用，螺纹孔直径略小于髋关节外展内收旋转零件的限位槽的宽度；大腿内杆末端和小腿内杆末端内侧有限位栓，限位栓直径略小于各自限位槽的宽度，使其可以正好在限位槽内运动。

前述的髋关节外展内收旋转零件的体后侧有限位槽，髋关节前后调节零件末端的上侧有限位槽，大腿外杆顶端的体内侧有限位槽，小腿外杆顶端的体内侧有限位槽，踝关节屈伸零件的体内侧有限位槽，限位槽的目的是为了限制机器人的运动，防止发生故障对人体造成二次伤害。

前述的脚底板与踝关节屈伸零件连接在一起，连接位置为脚后跟的体外侧。

前述的下肢外骨骼机器人为左右对称结构，当人体穿戴机器人时，为了使机器人更好地与人体贴合，可以使用弹性绑带来固定。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的整体结构俯视图。

图3是本实用新型的整体结构左侧视图。

图4是腰部旋转零件的结构示意图。

图5是可调整腰部机构的正视图，其中省略了弧度连接件和腰部宽度调节杆件。

图6是髋关节外展内收旋转零件的结构示意图。

图7是可调整腰部机构的结构示意图，其中省略了髋关节外展内收旋转零件、右腰部旋转零件和左腰部旋转零件。

图8是可调整腰部机构的俯视图，其中省略了髋关节外展内收旋转零件、右腰部旋转零件和左腰部旋转零件。

图9是可调整腰部机构的正视图，其中省略了髋关节外展内收旋转零件、右腰部旋转零件和左腰部旋转零件。

图10是可调整宽度髋部机构的结构示意图。

图11是可调整宽度髋部机构的俯视图。

图12是髋部屈伸零件的结构示意图。

图13是驱动电机的结构示意图。

图14是大腿连杆的结构示意图，其中包括大腿外杆和大腿内杆。

图15是膝关节的结构示意图。

图16是小腿连杆的结构示意图，其中包括小腿外杆和小腿内杆。

图17是踝关节的结构示意图。

图中，1-右腰部旋转零件，2-腰部宽度调节杆件，3-弧度连接件，4-髋关节屈伸零件，5-大腿外杆，6-大腿内杆，7-驱动电机，8-小腿外杆，9-小腿内杆，10-踝关节屈伸零件，11-脚底板，12-踝关节，13-膝关节，14-用于调整位置的螺纹孔，15-髋关节前后调节旋转零件，16-螺栓，17-髋关节外展内收旋转零件，18-左腰部旋转零件，19-限位螺栓，20-髋关节外展内收轴,21-限位槽，22-腰部旋转轴，23-髋关节外展内收限位孔，24-限位盘，25-轴承盖，26-限位栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，说明本实用新型的具体实施方式。

如图1至图17所示，本实用新型是一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，它包括由弧度连接件3、腰部宽度调节杆件2、髋关节外展内收旋转零件17、右腰部旋转零件1和左腰部旋转零件18组成的可调整腰部机构，由弧度连接件3和髋关节前后调节旋转零件15组成的可调整宽度髋部机构，髋关节屈伸零件4，大腿连杆5、6，小腿连杆8、9，踝关节屈伸零件10、驱动电机7和脚底板11。左腰部旋转零件18和右腰部旋转零件1通过腰部旋转轴22连接在一起，左腰部旋转零件18、右腰部旋转零件1和髋关节外展内收旋转零件17上各有四个螺纹孔，通过螺栓16将腰部旋转零件1、17和髋关节外展内收旋转零件17连接在一起，髋关节外展内收轴将20髋关节外展内收旋转零件17和腰部宽度调节杆件2连接在一起，弧度连接件3和腰部宽度调节杆件2以及髋关节前后调节旋转零件15均通过螺栓16连接，通过安装腰部宽度调节杆件2和髋关节前后调节旋转零件15上的不同的用于调整位置的螺纹孔14，可以调节腰部左右的宽度和髋部前后的宽度，以适应不同体型的人群，大腿内杆6、驱动电机7和小腿外杆8构成膝关节，小腿内杆9和踝关节屈伸零件10构成踝关节，脚底板11与踝关节屈伸零件10相连接。

髋关节屈伸零件4顶端有限位盘24，内侧有轴承盖25。

髋关节外展内收旋转零件17位功能是通过将限位螺栓19安装在髋关节外展内收限位孔23上实现的，髋关节外展内收限位孔23位于腰部宽度调节杆件2上。

大腿内杆6和小腿内杆6上均有可用于调节安装位置的螺纹孔14，可以调节连杆的连接位置，适应不同身高的穿戴者，保证下肢外骨骼机器人的膝关节和踝关节与人体的膝关节和踝关节同轴。

大腿连杆5、6和小腿连杆8、9上均有限位栓26，与相应的限位槽21相配合，防止机器人在运行过程中发生故障，对人体造成二次伤害。

脚底板11连接于踝关节屈伸零件10的下部，脚底板11是穿戴舒适的柔性脚底板，且在穿戴过程中可使用弹性绑带与人体脚底板进行固连。

本实用新型适用于因中风等疾病以及意外事故造成下肢瘫痪的病人，帮助他们做康复训练，使他们逐渐恢复下肢运动能力。实施中，穿戴者通过腰部、腿部和脚部的约束与下肢外骨骼机器人相连接，调节各部分连杆的安装位置，使其使用不同体型的人群，保证髋膝踝关节的同轴性。

本实用新型外骨骼未述及之处适用于现有技术。

需要说明的是：本实用新型的实施例为优选实施方式，而非对其限制。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，还可以对具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应视为在本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其机械部分包括可调整腰部机构、可调整宽度髋部机构、可调整长度大腿机构、可调整长度小腿机构、脚底板以及各部分连接件；其特征在于下肢外骨骼机器人一共有十一个自由度，腰部中心位置有一个旋转自由度，单腿有五个自由度，其中髋关节三个自由度，用于完成髋关节的外展内收、旋内旋外以及屈伸动作，其中外展内收关节自由度通过髋关节外展内收旋转零件（17）与腰部宽度调节杆件（2）连接在一起，关节自由度轴线沿矢状轴方向；旋内旋外关节自由度通过髋关节屈伸零件（4）与髋关节前后调节旋转零件（15）连接在一起，关节自由度轴线沿垂直轴方向；屈伸关节自由度通过大腿外杆（5）与髋关节屈伸零件（4）连接在一起，关节自由度轴线沿额状轴方向；膝关节一个自由度，与人体膝关节同轴线，用于完成膝关节的屈伸动作，踝关节一个自由度，用于完成踝关节的屈伸动作，其中踝关节屈伸零件（10）的轴线沿额状轴，与人体踝关节同轴。

2.根据权利要求1所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的可调整腰部机构包括弧度连接件（3）、腰部宽度调节杆件（2）、髋关节外展内收旋转零件（17）、右腰部旋转零件（1）和左腰部旋转零件（18），其中腰部宽度调节杆件（2）一端与弧度连接件（3）连接在一起，另一端与髋关节外展内收旋转零件（17）连接在一起，且腰部宽度调节杆件（2）上有可调节安装位置的螺纹孔（14），可调节腰部宽度以适应体型不同的人群，实现穿戴的舒适性，右腰部旋转零件（1）右端和左腰部旋转零件（18）左端均与髋关节外展内收旋转零件（17）通过螺栓连接，左腰部旋转零件（18）和右腰部旋转零件（1）通过腰部旋转轴（22）连接在一起，并且可以绕人体垂直轴旋转，当不使用下肢外骨骼机器人时，可以通过腰部旋转零件将机器人左右两侧向内部旋转，以减少占用空间。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的可调整宽度髋部机构包括弧度连接件（3）和髋关节前后调节旋转零件（15），两者通过螺栓（16）连接在一起，髋关节前后调节旋转零件（15）上有可调节安装位置的螺纹孔（14），可以调整髋部宽度以适应不同体型的人群，以保证下肢外骨骼机器人的髋关节和人体的髋关节在同一位置。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的可调整长度大腿机构由大腿外杆（5）和大腿内杆（6）组成，在大腿外杆（5）的下端和大腿内杆（6）的上端分布有可调整安装位置的螺纹孔（14）以及用于与限位槽（21）相配合的限位栓（26），大腿外杆（5）和大腿内杆（6）通过螺栓（16）连接，用于调整机器人大腿的长度，以适应不同身高的人群，保证机器人的膝关节和人体的膝关节的同轴性。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的可调整长度小腿机构由小腿外杆（8）和小腿内杆（9）组成，在小腿外杆（8）的下端和小腿内杆（9）的上端分布有可调整安装位置的螺纹孔（14）以及用于与限位槽（21）相配合的限位栓（26），小腿外杆（8）和小腿内杆（9）通过螺栓（16）连接，用于调整机器人小腿的长度，以适应不同身高的人群，保证机器人的踝关节和人体的踝关节的同轴性；小腿内杆（9）末端与踝关节屈伸零件（10）相连。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的踝关节屈伸零件（10）上端与小腿内杆（9）末端相连，下端与脚底板（11）相连。

7.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的下肢外骨骼机器人的髋膝关节的屈伸关节为驱动自由度，为机器人提供动力，驱动方式为电机驱动，其余自由度均为被动自由度，驱动电机（7）的位置在双腿的髋膝关节屈伸自由度的外侧，电机旋转轴线与屈伸关节轴线同轴。

8.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的下肢外骨骼机器人各关节的各个自由度均设有限位槽（21），其中髋关节外展内收自由度的限位槽（21）位于髋关节外展内收旋转零件（17）的体后侧，髋关节旋内旋外自由度的限位槽（21）位于髋关节前后调节旋转零件（15）的上侧，髋关节的屈伸自由度的限位槽（21）位于大腿外杆（5）顶端的体内侧，膝关节的屈伸自由度的限位槽（21）在小腿外杆（8）顶端，位于膝关节体内侧，踝关节的屈伸自由度的限位槽（21）位于踝关节屈伸零件（10）的体内侧，踝关节屈伸零件（10）的旋转轴线与小腿内杆（9）的末端旋转轴线同轴，在下肢外骨骼各关节设置限位槽（21）的目的是为了保证机器人在人体正常运动范围内运转，防止穿戴下肢外骨骼机器人对人体造成二次伤害。

9.根据权利要求1或2所述的一种用于康复的穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的脚底板（11）与踝关节屈伸零件（10）连接在一起，连接位置为脚后跟的体外侧，为了使机器人能够很好的和人体贴合，使用机器人过程中可以使用弹性绑带将下肢外骨骼机器人固定在人体上。

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