CN107625589B - 一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，包括左右对称的两个脚踏板机构、两个小腿杆、两个大腿杆和两个腰杆，在小腿杆的外侧设有底杆，底杆的下端与小腿杆的下端铰接于踝关节上，在底杆和小腿杆之间设有驱动小腿杆的直线电机，直线电机的一端与底杆连接，直线电机的另一端与大腿杆连接；安装于腰杆外侧的旋转电机通过安装在大腿杆、小腿杆和底杆内的链传动来驱动转动连接在底杆上端的后轮，在底杆上安装有前轮和后轮，在两个腰杆之间连接有靠背板，滑动连接在两个大腿杆之间的椅座板可以通过安装在靠背板上的电机进行平移。本发明将轮椅的快速移动功能、辅助站立功能和外骨骼的辅助行走功能集于一体。

Description

一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人

技术领域

本发明涉及一种移动辅助机器人，特别是涉及一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移 动辅助机器人。

背景技术

随着人们生活水平的提高和医疗技术的发展，高寿人群数量逐渐增加，然而，也带来了 困扰世界各国的新问题——人口老龄化。老龄化引发中风等心脑血管疾病以及骨密度下降等 疾病导致老年人肢体运动功能减退，其日常生活需要人来照料；另外，由于自然灾害、交通事故等导致的残疾人数量也在不断增加。

下肢运动功能障碍患者行动不便，难以独立生活，很容易产生消极悲观的情绪，同时还 给家人带来沉重的负担，他们非常渴望像正常人一样生活。医学研究表明，有效的康复训练 可以使得神经系统功能重组和代偿，加速神经系统的修复，使患者恢复运动能力。国内外众多科研人员对下肢康复机器人开展了研究，主要致力于实现辅助行走和康复训练功能。从使 用者的日常生活需求考虑，为使用者提供坐姿状态下快速移动、辅助使用者站立功能与前面 两种功能具有同等的地位。因此，开发一种能够承载残疾人出行，支撑残疾人站立，并且能 够辅助残疾人行走的多功能移动辅助并且具有一定康复功能的机器人成为迫切需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具备坐姿状态下快速移动、辅助 站立和辅助行走功能于一体的可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，包括左右对称的两个小腿杆、 两个大腿杆和两个腰杆，所述小腿杆的上端与所述大腿杆的下端通过膝关节连接，所述大腿 杆的上端与所述腰杆的下端通过髋关节轴连接，所述大腿杆和所述小腿杆上均设置有腿部固定带，所述腰杆上设有腰部固定带；所述大腿杆上设有用于驱动的直线电机II，所述直线电 机II的一端与大腿杆铰接，另一端铰接在所述腰杆的前端；所述小腿杆的内侧设有脚踏板机 构，小腿杆的外侧设置有底杆，所述底杆上安装有前轮和后轮，底杆的下端通过踝关节轴与 所述小腿杆连接，底杆的上端与后轮轴转动连接，所述底杆和所述小腿杆之间安装有用于驱动的直线电机I；所述直线电机I的一端铰接于所述大腿杆外侧，另一端与所述底杆内侧铰接； 所述大腿杆、小腿杆和底杆的内部通过设置相互连接的链传动机构形成有三级链传动装置， 在所述腰杆外侧设有旋转电机I，所述旋转电机I通过锥齿轮组I驱动所述三级链传动装置； 两个所述腰杆之间连接有靠背板，在所述靠背板背面安装有丝传动机构，在两个所述大腿杆之间连接有椅座板，所述椅座板两侧通过滑槽与所述大腿杆连接，通过所述丝传动机构调节 所述椅座板沿所述滑槽作平移运动，所述底杆和所述小腿杆之间设有转动锁固结构，所述靠 背板后还设有背包，所述背包上设有防止横向偏移机构。

进一步的，所述脚踏板机构是由大连杆、小连杆、脚踏板和直线电机III组成的连杆机构， 所述大连杆的下端与所述脚踏板的外侧前端铰接，所述脚踏板的外侧后端与所述小连杆的下 端铰接，所述小连杆的上端与直线电机III一端铰接，直线电机III另一端与所述大连杆的上 端铰接，所述脚踏板机构通过所述小连杆的铰接在小腿杆内侧踝关节轴处，通过所述大连杆 的上端铰接于小腿杆内侧。

进一步的，所述旋转锁固结构包括在所述小腿杆上设置的长方形槽和在长方形槽内固接 的电机座，所述电机座内设有旋转电机II，所述旋转电机II驱动嵌入所述长方形槽内的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠带动锁销沿小腿杆移动，所述锁销可插入开设在所述底杆下端的平均分 布的四个锁口；当所述小腿杆和所述底杆平行时，所述锁销插装在其中一个锁口内，当所述 小腿杆与所述底杆垂直时，所述锁销插装在另一所述锁口内，当所述小腿杆和所述底杆既不 平行也不垂直时，所述锁销与锁口无连接。

进一步的，所述三级链传动装置包括分别安装在所述大腿杆、小腿杆和底杆内部的链传 动机构，所述链传动机构均包括两个完全相同的链轮和一条链条，所述大腿杆内部的链轮分 别安装于髋关节轴和膝关节轴处，所述小腿杆内部的链轮分别安装于膝关节轴和踝关节轴处，所述底杆内部的链轮分别安装于踝关节轴和后轮轴处；当所述小腿杆和所述底杆垂直时，所 述腰杆外侧的旋转电机I通过锥齿轮组I驱动所述三级链传动装置，以驱动所述后轮转动。

进一步的，所述丝传动机构包括圆柱形杆件、轴承座和固定在靠背板背面的旋转电机III， 所述旋转电机III通过锥齿轮组II驱动所述圆柱形杆件，所述圆柱形杆件两端分辨铰接于所 述轴承座上，所述轴承座固定于靠背板的两侧，所述圆柱形杆件两侧分别固连有丝，所述丝 的另一端连接在所述椅座板上，所述丝由滑轮限制，所述滑轮固定在靠背板上；当所述小腿杆和所述底杆平行时，所述旋转电机II工作，驱动所述圆柱形杆件转动，带动所述丝沿着所 述滑轮移动，将所述椅座板从所述大腿杆之间抽出至与所述靠背板的预留空间中。

进一步的，所述防止横向偏移机构包括横向控制杆、横向固定杆、Y型扣和弹性锁扣， 所述横向控制杆铰接于髋关节，横向控制杆和横向固定杆相连，所述Y型扣设置在横向固定 杆的两端，所述弹性锁扣固定在背包上；当所述小腿杆和所述底杆平行时，所述横向固定杆 固定于所述弹性锁口上，当所述小腿杆和所述底杆垂直时，所述Y型扣固定于所述底杆的凸 台上。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明基于可重构的机构，通过杆件重合的方式实现机构自由度的变化，机构不同的自 由度对应实现了不同的功能：一)实现了轮椅状态下的快速移动的功能；二)实现了辅助站立功能；三)实现了外骨骼状态下的辅助行走功能。以上三种功能基本涵盖了使用者在日常 生活中对于移动的需求，将轮椅的功能和外骨骼机器人的功能集于一体。另外，本发明的辅 助行走功能存在主动适应式行走和被动控制式行走两种模式可以选择，从而下肢肢体运动障 碍程度不同的使用者可以根据自身情况进行选择，即扩大了使用者的范围。并且本发明能够实现人体下肢髋、膝关节的康复训练，从而将特定关节的针对性训练与辅助行走相结合，既 能够提高康复训练效果，也能够减少训练过程的枯燥性。

附图说明

图1为本发明完全收起底杆后的结构示意图；

图2为本发明处于轮椅机器人状态的结构示意图；

图3为本发明链传动机构的结构示意图；

图4为本发明防止横向偏移机构的结构示意图；

图5为本发明辅助人体站立之后的结构示意图；

图6为本发明辅助人体站立之后收起底杆的结构示意图；

图7为本发明收起椅座板的丝传动结构示意图；

图8为本发明处于外骨骼机器人状态的结构示意图。

附图标记：101、腰杆，102、旋转电机I，103、大腿杆，104、后轮，105、底杆，106、 小腿杆，107、前轮，108、直线电机I，109、直线电机II，110、锥齿轮组I，111、背包，112、 靠背板，113、椅座板，114、滑槽，201、直线电机III，202、大连杆，203、脚踏板，204、 小连杆，301、旋转电机II，302、锁销，303、滚珠丝杠，304、电机座，401、横向控制杆，402、Y型扣，403、横向固定杆，404、弹性锁扣，501、旋转电机III电机座，502、旋转电 机III，503、锥齿轮组II，504、圆柱形杆件，505、轴承座，506、滑轮，507、丝，601、链 轮，602、链条，701、髋关节轴，702、膝关节轴，703、踝关节轴，704、后轮轴。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细 说明如下：

见图1～图8，一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，包括左右对称的 两个小腿杆106、两个大腿杆103和两个腰杆101，小腿杆106的上端与大腿杆103的下端通 过膝关节连接在一起，大腿杆103和小腿杆106均设有驱动电机，大腿杆103的上端与腰杆 101的下端通过髋关节轴701连接在一起，在大腿杆103和小腿杆106上均连接有腿部固定 带，在腰杆101上连接有腰部固定带，大腿杆103的驱动电机为直线电机II109，直线电机II109 的一端与大腿杆103铰接，直线电机II109另一端铰接在腰杆101的前端；小腿杆106的内 侧设有脚踏板机构，小腿杆106的外侧设置有底杆105，底杆105的下端通过踝关节轴703 与小腿杆106连接，底杆105的上端转动连接在后轮轴704上，小腿杆106的驱动电机为直 线电机I108，直线电机I108设置在底杆105和小腿杆106之间，直线电机I108的一端铰接 在大腿杆103外侧，直线电机I108的另一端与底杆105内侧铰接；在大腿杆103、小腿杆106、 底杆105的杆件内部设有三级链传动装置，在腰杆101外侧设有旋转电机I102，旋转电机I102 通过锥齿轮组I110驱动三级链传动装置；在两个腰杆101之间连接有靠背板112，在靠背板112背面安装有丝传动机构，在两个大腿杆103之间连接有椅座板113，椅座板113两侧通过 滑槽114与大腿杆103连接，椅座板113通过丝传动沿着滑槽114进行平移，在底杆105和 小腿杆106之间设有转动锁固结构，在底杆105上安装有前轮107和后轮104，在靠背板112 后设有背包111，在背包111上设有防止横向偏移机构。

见图1，脚踏板机构为一连杆机构，该连杆机构包括直线电机III201、大连杆202、脚踏 板203和小连杆204，大连杆202的下端与脚踏板203的外侧前端铰接，脚踏板203的外侧 后端与小连杆204的下端铰接，小连杆204的上端与直线电机III201一端铰接，直线电机III201 另一端与大连杆202的上端铰接，脚踏板机构通过小连杆204铰接在小腿杆106内侧踝关节 轴703上，通过大连杆202的上端铰接于小腿杆106内侧。

见图1，旋转锁固结构包括在所述小腿杆106上开的长方形槽，在长方形槽内的固接有 电机座304，在电机座304内的设有旋转电机II301，所述旋转电机II301驱动嵌入所述长方 形槽内的滚珠丝杠303，所述滚珠丝杠303带动锁销302沿小腿杆106移动，所述锁销302 能够插入开设在所述底杆105下端的平均分布的四个锁口；当所述小腿杆106和所述底杆105 平行时，所述锁销302插装在所述锁口内，当所述小腿杆106与所述底杆105垂直时，所述 锁销302插装在与所述锁口90度的另一所述锁口内，当所述小腿杆106和所述底杆105既不 平行也不垂直时，所述锁销302不插装在任意所述锁口内。

见图3，三级链传动装置包括安装在大腿杆103内部、小腿杆106内部和底杆105内部 的链传动，链传动机构均包括两个完全相同的链轮601和一条链条602，大腿杆103内部的 链轮601分别安装于髋关节轴701和膝关节轴702处，小腿杆106内部的链轮601分别安装于膝关节轴702和踝关节703处，底杆105内部的链轮601分别安装于踝关节轴703和后轮轴704处；当小腿杆106和底杆105垂直时，腰杆101外侧设有的旋转电机I102通过锥齿轮 组I110驱动三级链传动装置，从而驱动后轮104转动。

见图7，丝传动机构包括固定在所述靠背板背面的旋转电机III电机座501，固定在旋转 电机III电机座501上的旋转电机III502，旋转电机III502通过锥齿轮组II503驱动圆柱形杆 件504，圆柱形杆件504两端分辨铰接于轴承座505上，轴承座505固定于靠背板112的两 侧，圆柱形杆件504两侧分别上固连有丝507，丝507的另一端连接在椅座板113上，丝507 由滑轮506限制，滑轮506固定在靠背板112上；当小腿杆106和底杆105平行时，旋转电机III502工作，驱动圆柱形杆件504转动，带动丝507沿着滑轮506移动，将椅座板113从 大腿杆103之间抽出至与靠背板112的预留空间中。

见图4，所述防止横向偏移机构包括铰接于髋关节的横向控制杆401、及与所述横向控制 杆401连接的横向固定杆403、固定在横向固定杆403两端的Y型扣402和固定在背包111 上的弹性锁扣404；当小腿杆106和所述底杆105平行时，横向固定杆403固定于弹性锁口 404上，当小腿杆106和底杆105垂直时，Y型扣402固定于底杆105的凸台上。

本发明的工作原理如下：

参见图2～图3，本发明在轮椅状态下能实现快速移动功能，其具体实现方式为：旋转电 机I102工作，通过锥齿轮组I110将动力传到大腿杆、小腿杆和底杆内的链轮601和链条602 上，经由三级链传动最终将动力传至后轮轴704上，实现后轮104的连续滚动，进而实现轮 椅的快速移动功能。

请参见图4～图6，在辅助人体站立过程中，旋转锁固结构一直保持锁固状态。因为在人 体坐下初期，锁销302在旋转电机II的驱动下，在滚珠丝杠303作用下沿长方形槽向膝关节 方向移动，抽出底杆105上的锁口，此时底杆105在直线电机II108的作用下相对小腿杆106 做旋转运动，直至后轮104和前轮107触地，之后锁销302在旋转电机II的驱动下，在滚珠 丝杠303作用下沿长方形槽向踝关节方向移动，插入底杆105上的锁口并保持不动。在这一 过程中，小腿杆106、底杆105保持静止，机构在左右两个直线电机II108的驱动下辅助人体 站立，具体过程为：

首先，手动控制横向控制杆401，使其绕髋关节旋转至横向固定杆403固定在弹性锁扣 404上，使Y型扣与底杆105分离，之后直线电机II108伸出，此时小腿杆106和底杆105在旋转锁固结构的作用下保持锁定没有相对转动，所以大腿杆103绕膝关节702转动，带动与大腿杆103通过滑槽114连接的椅座板113升起，同时腰杆101在直线电机I109的驱动下相对于大腿杆103以满足人体站立过程中髋关节角度变化的方式转动，辅助人体站立。在辅助站立过程中，脚踏板机构随着人体的逐步站立也在运动，即直线电机III工作，通过大连杆 202、小连杆204带动脚踏板203运动至与地面平行接触，完成辅助人体站立的过程。

请参见图6～图7，在辅助人体站立之后，锁销302在旋转电机II的驱动下，在滚珠丝 杠303作用下沿长方形槽向膝关节方向移动，抽出底杆105上的锁口，此时底杆105在直线 电机II108的作用下相对小腿杆106做旋转运动，直至底杆105与小腿杆106平行，之后锁销302在旋转电机II301的驱动下，在滚珠丝杠303作用下沿长方形槽向踝关节方向移动，插入底杆105上的锁口并保持不动，并且这一状态在人体行走过程中均保持不变。

请参见图1、图7，完成底杆105的收起后，丝传动机构工作，旋转电机III502驱动锥齿 轮组II503带动圆柱形杆件504转动，使丝507沿着滑轮506卷起，将与丝507连接的椅座板113沿着滑槽114收起至靠背板112的预留空间内，完成机构从轮椅态到外骨骼态的转换。

请参见图8，人体在直线电机I108、直线电机II109和直线电机III201的共同作用下，小 腿杆106绕膝关节702做旋转运动，大腿杆103绕髋关节701做旋转转动，脚踏板203在四杆机构的约束下绕踝关节703做旋转运动，从而实现辅助使用者行走功能。具体过程为：直 线电机I108伸缩带动与其铰接的底杆105运动，因为旋转锁固机构限制了底杆105和小腿杆 106之间的转动，所以底杆105带动与其连接成一体的小腿杆106绕膝关节702旋转，实现 辅助小腿移动的功能。在髋关节701处，直线电机II109伸缩带动大腿杆103相对于腰杆101 转动，实现辅助大腿移动的功能。通过编程控制能够实现膝关节702和髋关节701旋转角度 按设定的角度进行变化。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发 明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗 旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，其特征在于，包括左右对称的两个小腿杆、两个大腿杆和两个腰杆，所述小腿杆的上端与所述大腿杆的下端通过膝关节连接，所述大腿杆的上端与所述腰杆的下端通过髋关节轴连接，所述大腿杆和所述小腿杆上均设置有腿部固定带，所述腰杆上设有腰部固定带；所述大腿杆上设有用于驱动的直线电机II，所述直线电机II的一端与大腿杆铰接，另一端铰接在所述腰杆的前端；所述小腿杆的内侧设有脚踏板机构，小腿杆的外侧设置有底杆，所述底杆上安装有前轮和后轮，底杆的下端通过踝关节轴与所述小腿杆连接，底杆的上端与后轮轴转动连接，所述底杆和所述小腿杆之间安装有用于驱动的直线电机I；所述直线电机I的一端铰接于所述大腿杆外侧，另一端与所述底杆内侧铰接；所述大腿杆、小腿杆和底杆的内部通过设置相互连接的链传动机构形成有三级链传动装置，在所述腰杆外侧设有旋转电机I，所述旋转电机I通过锥齿轮组I驱动所述三级链传动装置；两个所述腰杆之间连接有靠背板，在所述靠背板背面安装有丝传动机构，在两个所述大腿杆之间连接有椅座板，所述椅座板两侧通过滑槽与所述大腿杆连接，通过所述丝传动机构调节所述椅座板沿所述滑槽作平移运动，所述底杆和所述小腿杆之间设有转动锁固结构，所述靠背板后还设有背包，所述背包上设有防止横向偏移机构；所述脚踏板机构是由大连杆、小连杆、脚踏板和直线电机III组成的连杆机构，所述大连杆的下端与所述脚踏板的外侧前端铰接，所述脚踏板的外侧后端与所述小连杆的下端铰接，所述小连杆的上端与直线电机III一端铰接，直线电机III另一端与所述大连杆的上端铰接，所述脚踏板机构通过所述小连杆的铰接在小腿杆内侧踝关节轴处，通过所述大连杆的上端铰接于小腿杆内侧；所述转动锁固结构包括在所述小腿杆上设置的长方形槽和在长方形槽内固接的电机座，所述电机座内设有旋转电机II，所述旋转电机II驱动嵌入所述长方形槽内的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠带动锁销沿小腿杆移动，所述锁销可插入开设在所述底杆下端的平均分布的四个锁口；当所述小腿杆和所述底杆平行时，所述锁销插装在其中一个锁口内，当所述小腿杆与所述底杆垂直时，所述锁销插装在另一所述锁口内，当所述小腿杆和所述底杆既不平行也不垂直时，所述锁销与锁口无连接。

2.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，其特征在于，所述三级链传动装置包括分别安装在所述大腿杆、小腿杆和底杆内部的链传动机构，所述链传动机构均包括两个完全相同的链轮和一条链条，所述大腿杆内部的链轮分别安装于髋关节轴和膝关节轴处，所述小腿杆内部的链轮分别安装于膝关节轴和踝关节轴处，所述底杆内部的链轮分别安装于踝关节轴和后轮轴处；当所述小腿杆和所述底杆垂直时，所述腰杆外侧的旋转电机I通过锥齿轮组I驱动所述三级链传动装置，以驱动所述后轮转动。

3.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，其特征在于，所述丝传动机构包括圆柱形杆件、轴承座和固定在靠背板背面的旋转电机III，所述旋转电机III通过锥齿轮组II驱动所述圆柱形杆件，所述圆柱形杆件两端分辨铰接于所述轴承座上，所述轴承座固定于靠背板的两侧，所述圆柱形杆件两侧分别固连有丝，所述丝的另一端连接在所述椅座板上，所述丝由滑轮限制，所述滑轮固定在靠背板上；当所述小腿杆和所述底杆平行时，所述旋转电机II工作，驱动所述圆柱形杆件转动，带动所述丝沿着所述滑轮移动，将所述椅座板从所述大腿杆之间抽出至与所述靠背板的预留空间中。

4.根据权利要求1所述的可折展的外骨骼轮椅一体化多功能移动辅助机器人，其特征在于，所述防止横向偏移机构包括横向控制杆、横向固定杆、Y型扣和弹性锁扣，所述横向控制杆铰接于髋关节，横向控制杆和横向固定杆相连，所述Y型扣设置在横向固定杆的两端，所述弹性锁扣固定在背包上；当所述小腿杆和所述底杆平行时，所述横向固定杆固定于所述弹性锁口上，当所述小腿杆和所述底杆垂直时，所述Y型扣固定于所述底杆的凸台上。