CN220826007U - 髋关节运动辅助柔性外骨骼装置 - Google Patents
髋关节运动辅助柔性外骨骼装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN220826007U CN220826007U CN202322700911.2U CN202322700911U CN220826007U CN 220826007 U CN220826007 U CN 220826007U CN 202322700911 U CN202322700911 U CN 202322700911U CN 220826007 U CN220826007 U CN 220826007U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thigh
- binding
- hip joint
- wearer
- rope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 72
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 title claims abstract description 47
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims abstract description 136
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000027455 binding Effects 0.000 claims description 86
- 238000009739 binding Methods 0.000 claims description 86
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 claims description 34
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 6
- 239000010985 leather Substances 0.000 claims description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 3
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 claims description 2
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 10
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 abstract description 10
- 230000008602 contraction Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005021 gait Effects 0.000 abstract description 4
- 210000003314 quadriceps muscle Anatomy 0.000 description 6
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 210000001981 hip bone Anatomy 0.000 description 4
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 2
- 230000036640 muscle relaxation Effects 0.000 description 2
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 2
- 241001671555 Ardisia elliptica Species 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 244000309466 calf Species 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 description 1
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 description 1
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其中,绳索穿过安装部上导向座的导向孔与大腿绑缚上的连接座相连,使大腿根部和大腿的前侧分别形成绳索施力的支点,在人体屈曲的过程中,驱动结构通过绳索和连接座向大腿绑缚提供的拉力与穿戴者大腿肌肉收缩产生的力近似,绳索的拉力以髋关节为旋转中心产生一个辅助矩,从而实现对人体屈曲运动的辅助;本实用新型采用绳索作为实现驱动结构与大腿之间助力传递的柔性结构,使驱动结构的布置更为灵活、助力传递简单,且对运动步态的影响较小,可较好适应人体下肢运动并可保证灵活性,可有效解决目前髋关节运动辅助外骨骼装置存在人机匹配度和辅助效果较差的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于可穿戴仿生设备的技术领域,具体涉及髋关节运动辅助柔性外骨骼装置。
背景技术
运动辅助外骨骼装置属于人体可穿戴仿生设备,是通过对人体下肢关节提供助力以辅助人体下肢运动,可实现运动增强和进行康复训练,在军事和医疗领域有着广阔的应用场景;尤其是,近年来随着人口老龄化问题加重,使步行障碍人群数量大幅增加,而医疗人员和治疗师较为缺乏,导致对运动辅助外骨骼装置的需求急剧增大,因此,运动辅助外骨骼装置的创新和改进尤为重要;运动辅助外骨骼装置提供助力的对象主要有髋关节、膝关节和踝关节,以分别辅助完成大腿运动、小腿运动和足部运动。
目前,髋关节运动辅助外骨骼装置多采用刚性结构来实现助力的传递,如中国专利CN116587254A公开的一种穿戴式助力助行外骨骼,其刚性结构主要由多段可以相对滑动或转动的杆件组成,重量较大,虽为适应穿戴者的腰围和大腿长度,设计了相应的调整结构,但调整的灵活性较差,该外骨骼与人体下肢的匹配程度较弱,对人体下肢运动有较大限制,难以实现较好的人机耦合;也有部分髋关节运动辅助外骨骼装置采用刚柔耦合结构来实现助力的传递,如中国专利CN115922670A公开的一种刚柔耦合可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼,其刚柔耦合结构主要由可相对滑动的多个腿部板件组成,驱动机构通过鲍登线与腿部板件上的变刚度曲柄滑块机构实现助力的传递,虽相较刚性结构,其质量更轻且与人体下肢的匹配程度更好,但由于是通过腿部板件来与人体下肢耦合,其穿戴的舒适性和运动助力的灵活性都较差,难以满足使用需求。
因此,需要设计一种主动式且采用柔性结构的髋关节运动辅助外骨骼装置,以提高人机匹配度和辅助效果,增加人体穿戴的舒适性和下肢运动的灵活性。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本实用新型的目的在于提供一种髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,解决目前髋关节运动辅助外骨骼装置存在人机匹配度和辅助效果较差的技术问题,取得增加人体穿戴舒适性和下肢运动灵活性的效果。
为解决上述技术问题,本实用新型采用如下技术方案:
髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,包括挂载结构、腰部绑缚、大腿绑缚和驱动结构;挂载结构用于穿戴在人体的上半身,腰部绑缚用于穿戴在人体的腰部,腰部绑缚具有自穿戴者的腰部延伸至大腿根部的安装部,安装部上靠近自身末端设有导向座,导向座位于穿戴者大腿根部的前侧,导向座上具有沿穿戴者的大腿长度方向贯穿设置的导向孔;大腿绑缚用于穿戴在人体的大腿上,大腿绑缚上设有连接座,连接座位于穿戴者大腿的前侧;驱动结构安装在挂载结构上以便通过挂载结构挂载在人体的上半身,驱动结构的输出端与连接座之间连接有绳索,绳索穿过导向孔以便驱动结构的输出端通过绳索和大腿绑缚辅助大腿进行屈曲动作。
进一步地,腰部绑缚包括呈长条状的绑缚本体,绑缚本体的两端分别设有连接件,绑缚本体通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。
进一步地,绑缚本体宽度方向靠近穿戴者大腿的一侧凸起并延伸形成有四个安装板,相邻两安装板之间有间距,两个安装板分别位于穿戴者两大腿的前侧,另两个安装板分别位于穿戴者两大腿的后侧,四个安装板组成所述安装部,导向座连接在位于穿戴者大腿前侧的安装板上。
进一步地,相邻两个安装板之间的间距从穿戴者腰部到大腿根部逐渐增大。
进一步地,大腿绑缚呈长条形且两端分别设有连接件,大腿绑缚通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。
进一步地,腰部绑缚和大腿绑缚均为四层结构,由内到外依次为网布层、海绵层、皮革层和帆布层。
进一步地,绑缚本体上沿绑缚本体的宽度方向间隔设有两个松紧调整单元以用于调整肢体绑缚穿戴的松紧程度;松紧调整单元包括于外露面上分别靠两端设置的旋转鞋扣和磁吸扣,磁吸扣包括与外露面固定连接的磁吸座和与磁吸座通过磁力可拆卸连接的磁吸部,旋转鞋扣与磁吸部之间连接有调整带。
进一步地,挂载结构包括腰带和两条连接于腰带上的背带,驱动结构安装在挂载结构对应穿戴者背部的一面的外侧;所述绳索为鲍登线,驱动结构与腰部绑缚之间的鲍登线段外活动套设有刚性的套管,套管的一端与驱动结构连接,另一端与导向座连接。
进一步地,驱动结构包括驱动箱,驱动箱安装在挂载结构上;大腿绑缚的数量为两个,驱动箱内对应设有两个横向且相背设置的电机,电机的输出轴延伸至驱动箱外并同步转动连接有皮带轮,皮带轮作为所述驱动结构的输出端,绳索的一端位于皮带轮的轮槽内并固定连接,另一端与连接座连接。
进一步地,驱动箱的两侧均连接有罩住对应侧皮带轮的端盖,皮带轮远离驱动箱的一侧同步转动连接有支撑轴,支撑轴与端盖转动连接,所述绳索的另一端活动穿出端盖外并与连接座连接。
相比现有技术,本实用新型具有如下有益效果:
1、本实用新型中,绳索穿过安装部上导向座的导向孔与大腿绑缚上的连接座相连,以使大腿根部和大腿的前侧分别形成绳索施力的支点,在人体屈曲的过程中,驱动结构通过绳索和连接座向大腿绑缚提供的拉力与穿戴者大腿肌肉收缩产生的力近似,绳索的拉力以髋关节为旋转中心产生一个辅助矩,从而实现对人体屈曲运动的辅助;
2、本实用新型中,驱动结构通过挂载结构挂载在人体的上半身,人体在行走时,人体上半身的势能波动较小,可有效减少行走时无效的能量消耗,有利于提高对屈曲运动的辅助效能。
3、本实用新型中,腰部绑缚和大腿绑缚采用由内到外依次为网布、海绵、皮革和帆布的多层结构,不仅可使腰部绑缚和大腿绑缚保持一定形状以便于穿戴和固定,且可降低穿戴时对皮肤的伤害,有助于提高穿戴的舒适性。
4、本实用新型中,采用绳索作为实现驱动结构与大腿绑缚之间助力传递的柔性结构,并通过腰部绑缚穿戴在人体上,使驱动结构的布置更为灵活、助力传递简单,且对运动步态的影响较小,可较好适应人体下肢运动并可保证灵活性。
附图说明
图1为实施例的髋关节运动辅助柔性外骨骼装置的正面示意图;
图2为实施例的髋关节运动辅助柔性外骨骼装置(隐去后板)的背面示意图;
图3为实施例的髋关节运动辅助柔性外骨骼装置的穿戴状态示意图;
图4为实施例所述驱动结构(隐去后板和右侧端盖)的示意图;
图5为实施例所述腰部绑缚的结构示意图;
图6为实施例所述大腿绑缚的结构示意图;
图7为实施例所述鲍登线与人体大腿肌肉结合发力的示意图;
其中,挂载结构1,腰带11,背带12;腰部绑缚2,绑缚本体21,安装板22;导向座3,导向孔31;大腿绑缚4,连接座41,旋转鞋扣43;驱动结构5,驱动箱51,隔板511,前板512,左侧板513,右侧板514,顶板515,底板516,角码517,电机52,电机支座521,皮带轮53,过线槽531,固定槽532,端盖54,支撑轴55,电池56,控制器57,轴承58;鲍登线6,套管61;磁吸扣7,磁吸座71,磁吸部72,IMU安装座73。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围,而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本实用新型的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外,术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。在本实用新型的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例:
请参见图1至图3,髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,包括挂载结构1、腰部绑缚2、大腿绑缚4和驱动结构5;挂载结构1用于穿戴在人体的上半身,腰部绑缚2用于穿戴在人体的腰部,腰部绑缚2具有自穿戴者的腰部延伸至大腿根部的安装部,安装部上靠近自身末端设有导向座3,导向座3位于穿戴者大腿根部的前侧,导向座3上沿穿戴者的大腿长度方向贯穿开设有导向孔31;大腿绑缚4用于穿戴在人体的大腿上,大腿绑缚4上设有连接座41,连接座41位于穿戴者大腿的前侧;驱动结构5安装在挂载结构1上以便通过挂载结构1挂载在人体的上半身,驱动结构5的输出端与连接座41之间连接有绳索,绳索穿过导向孔31以便驱动结构5的输出端通过绳索和大腿绑缚4辅助大腿进行屈曲动作。
本实用新型所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置中,绳索穿过安装部上导向座3的导向孔31与大腿绑缚4上的连接座41相连,以使大腿根部和大腿的前侧分别形成绳索施力的支点,在人体屈曲的过程中,驱动结构5通过绳索和连接座41向大腿绑缚4提供的拉力与穿戴者大腿肌肉收缩产生的力近似,绳索的拉力以髋关节为旋转中心产生一个辅助矩,从而实现对人体屈曲运动的辅助;本实用新型所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置采用绳索作为实现驱动结构5与大腿之间助力传递的柔性结构,通过腰部绑缚2和大腿绑缚4穿戴在人体上,使驱动结构5的布置更为灵活、助力传递简单,且对运动步态的影响较小,可较好适应人体下肢运动并可保证灵活性,可有效解决目前髋关节运动辅助外骨骼装置存在人机匹配度和辅助效果较差的技术问题,取得增加人体穿戴舒适性和下肢运动灵活性的效果;另外,人体在行走时,人体上半身的势能波动较小,驱动结构5通过挂载结构1挂载在人体的上半身,可有效减少行走时无效的能量消耗,有利于提高对屈曲运动的辅助效能。
为便于穿戴,腰部绑缚2包括呈长条状的绑缚本体21,绑缚本体21的两端分别设有连接件,绑缚本体21通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴;大腿绑缚4呈长条形且两端分别设有连接件,大腿绑缚4通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴;本实施例中,绑缚本体21和大腿绑缚4上的连接件采用魔术贴(图中未示出)。
请参见图1和图5,为降低安装部对大腿活动的影响,保证大腿活动的灵活性,绑缚本体21宽度方向靠近穿戴者大腿的一侧凸起并延伸形成有四个安装板22,相邻两安装板22之间有间距,两个安装板22分别位于穿戴者两大腿的前侧,另两个安装板22分别位于穿戴者两大腿的后侧,四个安装板22组成所述安装部,导向座3连接在位于穿戴者大腿前侧的安装板22上;本实施例中,相邻两个安装板22之间的间距从穿戴者腰部到大腿根部逐渐增大。
腰部绑缚2和大腿绑缚4均为四层结构(图中未示出),由内到外依次为网布层、海绵层、皮革层和帆布层;皮革和帆布用于保持腰部绑缚2和大腿绑缚4的形状,减少变形,为设置导向座3和安装座提供基础,网布和海绵用于与穿戴者的皮肤接触,且腰部和大腿的汗液可透过网布被海绵吸收,有利于提高穿戴的舒适性,网布呈蜂窝状的表面有利于增加大腿绑缚4与皮肤间的摩擦力,可有效降低大腿绑缚4因运动和负载发生位移,避免绳索在连接座41处的施力支点因大腿绑缚4位移而发生变化,有利于提高使用的稳定性。
请参见图1和图6,为便于穿戴大腿绑缚4,大腿绑缚4上沿大腿绑缚4的宽度方向间隔设有两个松紧调整单元以用于调整大腿绑缚4穿戴的松紧程度;松紧调整单元包括大腿绑缚4上分别靠两端设置的旋转鞋扣43和磁吸扣7,磁吸扣7包括与外露面固定连接的磁吸座71和与磁吸座71通过磁力可拆卸连接的磁吸部72,旋转鞋扣43与磁吸部72之间连接有调整带(图中未示出);另外,大腿绑缚4上还设有用于安装IMU惯性测量单元(图中未示出)的IMU安装座73;
这样,可通过拧动旋转鞋扣43收紧或放松调整带进一步调整大腿绑缚4的松紧度,使大腿绑缚4与穿戴者的大腿贴合更合适,防止大腿绑缚4在行走时下滑。
在大腿绑缚4上下各设计一对旋转鞋扣43和磁吸扣7的组合,大腿绑缚4使用魔术贴的方式固定在大腿上,为了避免这样的固定方式失效、或者效果不佳,长时间使用魔术贴的粘力降低,那么旋转鞋扣43和磁吸扣7的组合不仅可以防止大腿绑缚4松脱,起到二次绑紧的作用,而且增加大腿绑缚4和皮肤间的摩擦力,大腿绑缚4滑移的可能得到大幅度的降低,可有效降低辅助迟滞,增加力辅助的效率。
请参见图1和图2,为便于穿戴挂载结构1,挂载结构1包括腰带11和两条连接于腰带11上的背带12,驱动结构5安装在挂载结构1对应穿戴者背部的一面的外侧;所述绳索为鲍登线6,驱动结构5与腰部绑缚2之间的鲍登线6段外活动套设有刚性的套管61,套管61的一端与驱动结构5连接,另一端与导向座3连接;这样,驱动结构5位于人体背部重心处,势能波动较小,有利于减少行走时无效的能量消耗、提高对屈曲运动的辅助效能;刚性的套管61用于约束鲍登线6,引导鲍登线6更为顺畅地穿过导向孔31对大腿绑缚4施力,降低鲍登线6在施力时对导向座3的作用力,避免导向座3发生位移;同时,套管61将鲍登线6与外部隔绝,避免鲍登线6与穿戴者的活动产生干涉。
请参见图1、图2和图4,本实施例中,驱动结构5包括驱动箱51,驱动箱51安装在挂载结构1上;大腿绑缚4的数量为两个,驱动箱51内对应设有两个横向且相背设置的电机52,电机52的输出轴延伸至驱动箱51外并同步转动连接有皮带轮53,皮带轮53作为所述驱动结构5的输出端,鲍登线6的一端位于皮带轮53的轮槽内并固定连接,鲍登线6与连接座41连接。
所述皮带轮53为大直径的单槽皮带轮,为便于使鲍登线6与皮带轮53连接,鲍登线6的端部具有尺寸大于鲍登线6的端头(图中未示出),皮带轮53的侧面开设有与皮带轮53同心的过线槽531,过线槽531的两端扩大形成形状与鲍登线6的端头相匹配的固定槽532,固定槽532的侧壁上具有连通所述轮槽的线孔,鲍登线6的端头位于任一固定槽532内,鲍登线6的另一端穿过过线槽531和另一固定槽532侧壁上的线孔位于所述轮槽内并延伸至与连接座41连接;
这样,电机52通过带动皮带轮53转动,皮带轮53转动带动鲍登线6的收回和放出,通过鲍登线6的收回和放出来模拟大腿肌肉收缩和舒张时力的施加和释放,从而实现对屈曲运动的辅助;通过相背设置的电机52和对应的两个大腿绑缚4,使所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置能够分别实现对穿戴者双腿屈曲运动的辅助。
驱动箱51的两侧均连接有罩住对应侧皮带轮53的端盖54,皮带轮53远离驱动箱51的一侧同步转动连接有支撑轴55,支撑轴55与端盖54转动连接,鲍登线6的另一端活动穿出端盖54外并与所述连接座41连接;这样,不仅可避免皮带轮53裸露在外妨碍穿戴者活动,且皮带轮53通过支撑轴55与端盖54转动连接,可提高皮带轮53转动的稳定性。
另外,驱动箱51内设有横向的隔板511并将驱动箱51内部分隔为动力腔和控制腔,电机52位于动力腔内并通过电机支座521安装在隔板511上;控制腔内设有电池56和控制器57,控制器57分别与电池56和电机52电连接;另外,驱动箱51上开设有分别与动力腔和控制腔连通的多个散热网孔。
本实施例中,所述驱动箱51由前板512、后板(图中未示出)、左侧板513、右侧板514、顶板515和底板516通过角码517连接构成;端盖54朝向驱动箱51的一面上安装有轴承58,所述支撑轴55通过轴承58与端盖54转动连接;所述电池56为可24V的充电锂电池,所述电机52为伺服直流电机,所述控制器57采用的主控芯片为STM32F103ZET6。
本实用新型所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置的生物学原理如下:
如图7所示,髋关节在自然行走时,屈曲由屈肌协助完成,长收肌和股薄肌提供的屈曲的力矩最大,股直肌和缝匠肌等也有贡献,髋关节屈曲的合力满足如下公式:
∑Fmh=Fld+Fft+Fsm+Frf+F′others
其中,Fld、Fft、Fsm、Frf分别为长收肌、股薄肌、缝匠肌和股直肌伸缩产生的内驱力,F′others为其余具有贡献肌肉力的总和;
这些肌肉施加驱动力是以髋骨为支点,肌肉的合力点作用与髋骨处能够承载大部分力而不发生变形,因此,本实用新型将髋骨位置作为固定锚点Cr(Cl),以保证力的有效传递;
外骨骼提供的屈曲辅助力Fh满足:
∑Fmh=KhFh (1)
其中,Kh为比例常数,Kh∈N+;为了简化研究,本实用新型将浮动锚点位置Dr(Dl)设计在股直肌上,具体为大腿长度一半的距离处,这是因为股直肌更多处于矢状平面内,有利于减少大腿两侧交互运动对浮动锚点的影响,同时降低长收肌、股薄肌代谢消耗,增强股直肌的作用效果;由于不同肌肉对髋关节屈曲贡献占比有差异,这导致同等大小的辅助力作用在股直肌产生的经济效益并没有长收肌、股薄肌的好,18~25周岁成年男性大腿平均长度为471mm,融入Dr(Dl)的位移误差3mm,本实施例中,髋关节鲍登线的长度取值为238.5mm;
因此,本实用新型将将髋骨位置作为固定锚点Cr(Cl),将大腿前侧一处作为浮动锚点Dr(Dl),使鲍登线的作用近似于大腿肌肉和韧带,通过鲍登线的收回和释放来模拟肌肉收缩和舒张时力的施加和释放,从而实现对屈曲运动的辅助。
由于人体下肢以正常步速行走时,背部重心处的势能波动相对较小,因此,通过挂载结构将驱动结构放置于背部重心处,可有效减少行走时的无效的能量消耗,提高髋关节的辅助效能,另外,人体下肢大腿运动惯量可以表示为:
Ⅰ大腿=(m大腿m其它)r2
其中,I大腿是大腿的运动惯量,m大腿是大腿的质量,m其它是附加在大腿上的质量,r2是大腿关于旋转轴的距离,由此可知,大腿上质量越大,大腿运动惯量越大,行走时消耗的能量随之增加,因此,驱动器布局于背部可有效减小人体能量消耗。
本实用新型所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置的工作原理为:
在髋关节行走过程的屈曲环节,大腿相对于腰部在髋关节处做屈曲旋转运动,其中,部分屈曲旋转运动来自于所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置的辅助,鲍登线的收回和放松模仿肌肉收缩和舒张时的用力过程;穿戴者在行走过程时,安装在大腿绑缚上的IMU(惯性传感器)检测到人体下肢运动相位,通过基于步态融合算法完成人体下肢运动意图感知与识别,经过中央处理器(STM32F103ZET6)决策后,下达电机驱动指令,伺服直流电机将输出的旋转运动传递至单槽皮带轮的旋转运动,切向运动速度被得以放大,单槽皮带轮的圆周运动转化成鲍登线的线性运动,这种运动通过鲍登线传递至腰部绑缚和大腿绑缚处,并以腰部绑缚上的导向孔孔处和大腿绑缚上的连接座处为支点,以髋关节为旋转中心产生一个辅助矩,实现对髋关节作屈曲运动的辅助。
最后需要说明的是,以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案,本领域的普通技术人员应当理解,那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:包括挂载结构、腰部绑缚、大腿绑缚和驱动结构;挂载结构用于穿戴在人体的上半身,腰部绑缚用于穿戴在人体的腰部,腰部绑缚具有自穿戴者的腰部延伸至大腿根部的安装部,安装部上靠近自身末端设有导向座,导向座位于穿戴者大腿根部的前侧,导向座上具有沿穿戴者的大腿长度方向贯穿设置的导向孔;大腿绑缚用于穿戴在人体的大腿上,大腿绑缚上设有连接座,连接座位于穿戴者大腿的前侧;驱动结构安装在挂载结构上以便通过挂载结构挂载在人体的上半身,驱动结构的输出端与连接座之间连接有绳索,绳索穿过导向孔以便驱动结构的输出端通过绳索和大腿绑缚辅助大腿进行屈曲动作。
2.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:腰部绑缚包括呈长条状的绑缚本体,绑缚本体的两端分别设有连接件,绑缚本体通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。
3.根据权利要求2所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:绑缚本体宽度方向靠近穿戴者大腿的一侧凸起并延伸形成有四个安装板,相邻两安装板之间有间距,两个安装板分别位于穿戴者两大腿的前侧,另两个安装板分别位于穿戴者两大腿的后侧,四个安装板组成所述安装部,导向座连接在位于穿戴者大腿前侧的安装板上。
4.根据权利要求3所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:相邻两个安装板之间的间距从穿戴者腰部到大腿根部逐渐增大。
5.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:大腿绑缚呈长条形且两端分别设有连接件,大腿绑缚通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。
6.根据权利要求5所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:腰部绑缚和大腿绑缚均为四层结构,由内到外依次为网布层、海绵层、皮革层和帆布层。
7.根据权利要求6所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:绑缚本体上沿绑缚本体的宽度方向间隔设有两个松紧调整单元以用于调整肢体绑缚穿戴的松紧程度;松紧调整单元包括于外露面上分别靠两端设置的旋转鞋扣和磁吸扣,磁吸扣包括与外露面固定连接的磁吸座和与磁吸座通过磁力可拆卸连接的磁吸部,旋转鞋扣与磁吸部之间连接有调整带。
8.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:挂载结构包括腰带和两条连接于腰带上的背带,驱动结构安装在挂载结构对应穿戴者背部的一面的外侧;所述绳索为鲍登线,驱动结构与腰部绑缚之间的鲍登线段外活动套设有刚性的套管,套管的一端与驱动结构连接,另一端与导向座连接。
9.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:驱动结构包括驱动箱,驱动箱安装在挂载结构上;大腿绑缚的数量为两个,驱动箱内对应设有两个横向且相背设置的电机,电机的输出轴延伸至驱动箱外并同步转动连接有皮带轮,皮带轮作为所述驱动结构的输出端,绳索的一端位于皮带轮的轮槽内并固定连接,另一端与连接座连接。
10.根据权利要求9所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置,其特征在于:驱动箱的两侧均连接有罩住对应侧皮带轮的端盖,皮带轮远离驱动箱的一侧同步转动连接有支撑轴,支撑轴与端盖转动连接,所述绳索的另一端活动穿出端盖外并与连接座连接。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202322700911.2U CN220826007U (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 髋关节运动辅助柔性外骨骼装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202322700911.2U CN220826007U (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 髋关节运动辅助柔性外骨骼装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN220826007U true CN220826007U (zh) | 2024-04-23 |
Family
ID=90722788
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202322700911.2U Active CN220826007U (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 髋关节运动辅助柔性外骨骼装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN220826007U (zh) |
-
2023
- 2023-10-09 CN CN202322700911.2U patent/CN220826007U/zh active Active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107259661B (zh) | 一种穿戴式下肢柔性助力外衣 | |
CN109662869B (zh) | 一种穿戴式柔性下肢助力机器人 | |
CN104869969B (zh) | 用于辅助人类运动的软式外装护具 | |
CN111070187B (zh) | 一种主被动结合的变瞬心柔性绳驱下肢外骨骼机器人及控制方法 | |
US20220250234A1 (en) | Exosuit systems and methods | |
CN110575350A (zh) | 一种柔性踝关节康复机器人系统 | |
CN107486842A (zh) | 一种穿戴式髋关节柔性助力外衣 | |
CN111230840B (zh) | 一种用于下肢助力的柔性功能外衣本体 | |
CN212940468U (zh) | 一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统 | |
CN108743224A (zh) | 腿部康复训练和健身用外骨骼机器人 | |
CN112022618A (zh) | 一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统 | |
CN211382522U (zh) | 助力式膝关节外骨骼 | |
CN114367080B (zh) | 一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人 | |
CN109107039B (zh) | 一种肌电反馈与电刺激辅助式下肢康复训练器 | |
CN220826007U (zh) | 髋关节运动辅助柔性外骨骼装置 | |
CN209734461U (zh) | 腿部康复训练和健身用外骨骼机器人 | |
CN220826006U (zh) | 踝关节运动辅助柔性外骨骼装置 | |
CN212679569U (zh) | 髋膝双关节助行外骨骼 | |
CN209107994U (zh) | 一种辅助理疗机器人 | |
CN115488859A (zh) | 有源下肢型外骨骼 | |
CN112914958A (zh) | 一种协同行走装备 | |
CN221044945U (zh) | 一种检测下肢运动数据的脚环 | |
CN209751563U (zh) | 穿戴式柔性下肢助力机器人 | |
CN219184757U (zh) | 一种腿部康复训练器 | |
CN216940673U (zh) | 有源下肢型外骨骼 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |