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CN108030645B - 一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人 - Google Patents

一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人 Download PDF

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CN108030645B CN201810020560.1A CN201810020560A CN108030645B CN 108030645 B CN108030645 B CN 108030645B CN 201810020560 A CN201810020560 A CN 201810020560A CN 108030645 B CN108030645 B CN 108030645B
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刘坤华
赵晓贺
倪伟
李文娟
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Shandong University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人，包括鞋体组件、小腿杆Ⅰ、小腿杆Ⅱ、长度调节装置、液压驱动装置、大腿杆Ⅰ、大腿杆Ⅱ、背架组件、安全气囊、护具、拐杖和无线遥控；所述鞋体组件与小腿杆Ⅱ固定连接，所述长度调节装置分为小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置，小腿杆长度调节装置上端与小腿杆Ⅰ固定连接，下端与小腿杆Ⅱ固定连接，大腿杆长度调节装置上端与大腿杆Ⅰ固定连接，下端与大腿杆Ⅱ固定连接，所述拐杖安插在鞋体组件的固定圆台中，所述无线遥控放置于使用者身上。本发明具有安全性能高，运行时间长，能够根据人体的身形进行适应性调整，能够辅助使用者顺利完成直线移动、避障和上下楼梯。

Description

一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及一种辅助移动的医疗器械，尤其涉及一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人。
背景技术
如今，我国因疾病或交通事故导致下肢瘫痪的患者日益增多，而且随着社会逐渐进入人口老龄化阶段，越来越多的中老年人受关节功能退化、骨质疏松、腿部肌肉劳损等各种因素的影响出现了下肢酸软乏力等症状，严重影响了行走及上下楼梯等基本日常活动的同时，也给社会和家庭带来沉重的负担。
为了解决这类问题，除了采取传统的体育锻炼、中医保健治疗、医疗器械辅助等常规性办法保证中老年人群的正常机体运动之外，开发研制助力机器人技术成为当前解决下肢瘫痪患者以及中老年人群行动不便最有效的新型智能化护理措施。其中，可穿戴式外骨骼机器人技术是与人体关系最为密切的一类。但现有的外骨骼机器人设备不能根据人体的身形进行适应性的调整，安全性能低，运行时间短，并且使用者在进行直线移动、避障、上下楼梯时十分困难。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人，具有安全性能高，运行时间长，能够根据人体的身形进行适应性调整、完善了设备与人体之间的协调性，能够辅助使用者顺利完成直线移动、避障和上下楼梯。本发明采用的具体技术方案如下：
一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人，包括鞋体组件、小腿杆Ⅰ、小腿杆Ⅱ、长度调节装置、液压驱动装置、大腿杆Ⅰ、大腿杆Ⅱ、背架组件、安全气囊、护具、拐杖和无线遥控；所述鞋体组件与小腿杆Ⅱ固定连接，所述长度调节装置分为小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置，小腿杆长度调节装置上端与小腿杆Ⅰ固定连接，下端与小腿杆Ⅱ固定连接，大腿杆长度调节装置上端与大腿杆Ⅰ固定连接，下端与大腿杆Ⅱ固定连接，所述液压驱动装置分为小腿杆液压驱动装置与大腿杆液压驱动装置，小腿杆液压驱动装置一端与小腿杆Ⅰ固定连接，另一端与大腿杆Ⅱ固定连接，大腿杆液压驱动装置一端与大腿杆Ⅰ固定连接，另一端与背架组件中的股骨杆固定连接，所述安全气囊分为腿部安全气囊与背部安全气囊，腿部安全气囊固定在大腿杆Ⅱ前侧，背部安全气囊固定在背架组件后侧，所述护具分为小腿杆护具与大腿杆护具，小腿杆护具安装在小腿杆Ⅰ内侧，大腿杆护具安装在大腿杆Ⅱ内侧，所述拐杖安插在鞋体组件的固定圆台中，所述无线遥控放置于使用者身上。
优选的，所述鞋体组件包括摄像头、固定圆台、U型槽立柱、脚底架、脚底板、脚绳、履带、驱动轮、传动轮、驱动轴、传动轴、齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、步进电机和传动轴承；所述用于采集路况信息的摄像头安装在脚底架前端，所述U型槽立柱固定在脚底架后端，所述具有内孔的固定圆台安装在摄像头后端，所述脚底板安装在脚底架底部凹槽内，所述脚绳固连在脚底架中部，防止使用者双脚与下肢外骨骼机器人发生滑动，所述传动轴和驱动轴均安装在脚底架凹槽的通孔内，且在通孔内安装有传动轴承，所述步进电机安装在脚底架上，所述驱动轮固连在驱动轴两端，所述传动轮固连在传动轴两端，所述驱动轮和传动轮通过履带连接，安装在步进电机输出轴末端的齿轮Ⅱ带动安装在驱动轴上的齿轮Ⅰ转动，通过步进电机的旋转运动带动驱动轮和传动轮转动，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人能够辅助使用者完成直线移动。
优选的，所述背架组件包括背架、背带、太阳能电池板、控制箱、无线接收器、舵机、联轴器、轴承、丝杠、滑杠、股骨杆、紧定螺母、螺栓和底盖；所述背带固定在背架一侧，所述控制箱通过螺栓固定在背架上，所述用于收集能量的太阳能电池板固定在控制箱上表面，所述用于接收无线遥控信号的无线接收器安装在控制箱的侧面，所述底盖通过螺栓固定在背架底面，所述穿插股骨杆螺纹孔内的丝杠两端螺纹的旋向相反，所述穿插股骨杆圆孔内的滑杠末端与紧定螺母固定连接，所述丝杠、滑杠和具有螺纹孔与圆孔的股骨杆均安装在背架底部凹槽内，所述丝杠一端穿过轴承通过联轴器与舵机连接，另一端穿过轴承安装在背架凹孔内，通过无线遥控控制舵机转动来调节丝杠两侧股骨杆之间的距离，实现对不同使用者腰部尺寸的适应性调整。
优选的，所述长度调节装置包括U型双连接头、支撑杆、铰链、滑块和调节丝杠；所述调节丝杠两侧对称安装具有自锁性的滑块，所述支撑杆的一端通过铰链与U型双连接头铰接，另一端通过铰链与滑块铰接，通过旋转调节丝杠控制滑块移动来分别调节长度调节装置的小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置两端U型双连接头之间的距离，实现对不同使用者的小腿与大腿长度尺寸的适应性调整。
优选的，所述液压驱动装置包括液压缸、I型接头、双耳座、U型接头和扁连接头；所述固定在液压缸上的扁连接头与双耳座铰接，所述I型接头一端与液压缸活动杆螺纹连接，另一端与U型接头铰接，通过无线遥控控制小腿杆液压驱动装置与大腿杆液压驱动装置的液压缸伸缩运动实现对小腿杆与大腿杆动作的精确控制，辅助使用者顺利完成避障和上下楼梯。
本发明的有益效果如下：
(1)安全性能高；使用者可以使用拐杖维持上下楼梯时身体的平衡，防止重心偏移，若检测到使用者有摔倒倾向，安全气囊会迅速打开，防止使用者因摔倒而受到伤害，提高了安全性能。
(2)运行时间长；太阳能电池板能够连续把采集的太阳能转化为电能存储到控制箱中，延长了运行时间。
(3)能够根据人体的身形进行适应性调整；通过无线遥控控制舵机转动来调节丝杠两侧股骨杆之间的距离，实现对不同使用者腰部尺寸的适应性调整，通过旋转调节丝杠控制滑块移动来分别调节长度调节装置两端U型双连接头之间的距离，实现对不同使用者的小腿与大腿长度尺寸的适应性调整，完善了设备与人体之间的协调性。
(4)能够辅助使用者顺利完成直线移动、避障和上下楼梯；操作手中的无线遥控发送信号经无线接收器给控制箱，通过控制箱控制鞋体组件中步进电机的旋转和液压驱动装置中液压缸的伸缩，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人辅助使用者完成直线移动、避障和上下楼梯。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的整体结构示意图；
图2：本发明一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的鞋体组件结构示意图；
图3：本发明一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的背架组件结构示意图；
图4：本发明一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的长度调节装置结构示意图；
图5：本发明一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的液压驱动装置结构示意图；
图6：本发明一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的安全气囊打开结构示意图。
符号说明：
1、背架组件，101、背架，102、背带，103、底盖，104、股骨杆，105、滑杠，106、丝杠，107、轴承，108、联轴器，109、紧定螺母，110、舵机，111、控制箱，112、无线接收器，113、螺栓，114、太阳能电池板，2、拐杖，3、大腿杆Ⅰ，4、护具，5、安全气囊，6、小腿杆Ⅰ，7、长度调节装置，701、U型双连接头，702、支撑杆，703、滑块，704、调节丝杠，705、铰链，8、鞋体组件，801、摄像头，802、固定圆台，803、脚绳，804、U型槽立柱，805、脚底架，806、步进电机，807、传动轴，808、传动轴承，809、传动轮，810、履带，811、驱动轮，812、齿轮Ⅱ，813、齿轮Ⅰ，814、驱动轴，815、脚底板，9、小腿杆Ⅱ，10、大腿杆Ⅱ，11、无线遥控，12、液压驱动装置，1201、双耳座，1202、扁连接头，1203、液压缸，1204、I型接头，1205、U型接头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图6所示，一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人，包括鞋体组件(8)、小腿杆Ⅰ(6)、小腿杆Ⅱ(9)、长度调节装置(7)、液压驱动装置(12)、大腿杆Ⅰ(3)、大腿杆Ⅱ(10)、背架组件(1)、安全气囊(5)、护具(4)、拐杖(2)和无线遥控(11)；所述鞋体组件(8)与小腿杆Ⅱ(9)固定连接，所述长度调节装置(7)分为小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置，小腿杆长度调节装置上端与小腿杆Ⅰ(6)固定连接，下端与小腿杆Ⅱ(9)固定连接，大腿杆长度调节装置上端与大腿杆Ⅰ(3)固定连接，下端与大腿杆Ⅱ(10)固定连接，所述液压驱动装置(12)分为小腿杆液压驱动装置与大腿杆液压驱动装置，小腿杆液压驱动装置一端与小腿杆Ⅰ(6)固定连接，另一端与大腿杆Ⅱ(10)固定连接，大腿杆液压驱动装置一端与大腿杆Ⅰ(3)固定连接，另一端与背架组件(1)中的股骨杆(104)固定连接，所述安全气囊(5)分为腿部安全气囊与背部安全气囊，腿部安全气囊固定在大腿杆Ⅱ(10)前侧，背部安全气囊固定在背架组件(1)后侧，所述护具(4)分为小腿杆护具与大腿杆护具，小腿杆护具安装在小腿杆Ⅰ(6)内侧，大腿杆护具安装在大腿杆Ⅱ(10)内侧，所述拐杖(2)安插在鞋体组件(8)的固定圆台(802)中，所述无线遥控(11)放置于使用者身上。
如图2所示，所述鞋体组件(8)包括摄像头(801)、固定圆台(802)、U型槽立柱(804)、脚底架(805)、脚底板(815)、脚绳(803)、履带(810)、驱动轮(811)、传动轮(809)、驱动轴(814)、传动轴(807)、齿轮Ⅰ(813)、齿轮Ⅱ(812)、步进电机(806)和传动轴承(808)；所述用于采集路况信息的摄像头(801)安装在脚底架(805)前端，所述U型槽立柱(804)固定在脚底架(805)后端，所述具有内孔的固定圆台(802)安装在摄像头(801)后端，所述脚底板(815)安装在脚底架(805)底部凹槽内，所述脚绳(803)固连在脚底架(805)中部，防止使用者双脚与下肢外骨骼机器人发生滑动，所述传动轴(807)和驱动轴(814)均安装在脚底架(805)凹槽的通孔内，且在通孔内安装有传动轴承(808)，所述步进电机(806)安装在脚底架(805)上，所述驱动轮(811)固连在驱动轴(814)两端，所述传动轮(809)固连在传动轴(807)两端，所述驱动轮(811)和传动轮(809)通过履带(810)连接，安装在步进电机(806)输出轴末端的齿轮Ⅱ(812)带动安装在驱动轴(814)上的齿轮Ⅰ(813)转动，通过步进电机(806)的旋转运动带动驱动轮(811)和传动轮(809)转动，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人能够辅助使用者完成直线移动。
如图3所示，所述背架组件(1)包括背架(101)、背带(102)、太阳能电池板(114)、控制箱(111)、无线接收器(112)、舵机(110)、联轴器(108)、轴承(107)、丝杠(106)、滑杠(105)、股骨杆(104)、紧定螺母(109)、螺栓(113)和底盖(103)；所述背带(102)固定在背架(101)一侧，所述控制箱(111)通过螺栓(113)固定在背架(101)上，所述用于收集能量的太阳能电池板(114)固定在控制箱(111)上表面，所述用于接收无线遥控(11)信号的无线接收器(112)安装在控制箱(111)的侧面，所述底盖(103)通过螺栓(113)固定在背架(101)底面，所述穿插股骨杆(104)螺纹孔内的丝杠(106)两端螺纹的旋向相反，所述穿插股骨杆(104)圆孔内的滑杠(105)末端与紧定螺母(109)固定连接，所述丝杠(106)、滑杠(105)和具有螺纹孔与圆孔的股骨杆(104)均安装在背架(101)底部凹槽内，所述丝杠(106)一端穿过轴承(107)通过联轴器(108)与舵机(110)连接，另一端穿过轴承(107)安装在背架(101)凹孔内，通过无线遥控(11)控制舵机(110)转动来调节丝杠(106)两侧股骨杆(104)之间的距离，实现对不同使用者腰部尺寸的适应性调整。
如图4所示，所述长度调节装置(7)包括U型双连接头(701)、支撑杆(702)、铰链(705)、滑块(703)和调节丝杠(704)；所述调节丝杠(704)两侧对称安装具有自锁性的滑块(703)，所述支撑杆(702)的一端通过铰链(705)与U型双连接头(701)铰接，另一端通过铰链(705)与滑块(703)铰接，通过旋转调节丝杠(704)控制滑块(703)移动来分别调节长度调节装置(7)的小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置两端U型双连接头(701)之间的距离，实现对不同使用者的小腿与大腿长度尺寸的适应性调整。
如图5所示，所述液压驱动装置(12)包括液压缸(1203)、I型接头(1204)、双耳座(1201)、U型接头(1205)和扁连接头(1202)；所述固定在液压缸(1203)上的扁连接头(1202)与双耳座(1201)铰接，所述I型接头(1204)一端与液压缸(1203)活动杆螺纹连接，另一端与U型接头(1205)铰接，通过无线遥控(11)控制小腿杆液压驱动装置与大腿杆液压驱动装置的液压缸(1203)伸缩运动实现对小腿杆与大腿杆动作的精确控制，辅助使用者顺利完成避障和上下楼梯。
本发明工作时，使用者操作随身携带的无线遥控(11)，通过控制舵机(110)的旋转来调节两股骨杆(104)之间的距离，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人髋部穿戴起来十分舒适；手动旋转长度调节装置(7)中的调节丝杠(704)，控制两端U型双连接头(701)之间的距离，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的大腿长度和小腿长度满足使用者需求，完善了与人体之间的协调性；使用者穿戴下肢移动外骨骼机器人后，操作手中的无线遥控(11)发送信号经无线接收器(112)给控制箱(111)，通过控制箱(111)控制鞋体组件(8)中步进电机(806)的旋转和液压驱动装置(12)中液压缸(1203)的伸缩，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人辅助使用者完成直线移动、避障和上下楼梯。
直线移动时，脚底架(805)内的步进电机(806)同时带动驱动轮(811)、传动轮(809)和履带(810)转动，当脚底架(805)上的摄像头(801)检测到前方有障碍物时，外骨骼机器人会自动调整移动方向，绕过障碍物继续向目标移动；上下楼梯时，摄像头(801)采集到与前面的楼梯具有一定距离时，通过控制箱(111)控制液压驱动装置(12)中的液压缸(1203)伸缩，实现使用者按照正常人的步态一样上下楼梯。为了防止重心偏移，使用者可以使用拐杖(2)维持上下楼梯时身体的平衡，若控制箱(111)中的姿态检测装置检测到使用者在移动过程中身体有摔倒倾向，固定在大腿杆Ⅱ(10)前侧和背架组件(1)后侧的安全气囊(5)会迅速打开，防止使用者因摔倒而受到外部环境的伤害，提高了可穿戴式下肢移动外骨骼机器人的安全性能。同时本发明在户外作业时，太阳能电池板(114)能够连续把采集的太阳能转化为电能存储到控制箱(111)中，延长了下肢移动外骨骼机器人的运行时间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人，其特征在于：包括鞋体组件、小腿杆Ⅰ、小腿杆Ⅱ、长度调节装置、液压驱动装置、大腿杆Ⅰ、大腿杆Ⅱ、背架组件、安全气囊、护具、拐杖和无线遥控；所述鞋体组件与小腿杆Ⅱ固定连接，所述长度调节装置分为小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置，小腿杆长度调节装置上端与小腿杆Ⅰ固定连接，下端与小腿杆Ⅱ固定连接，大腿杆长度调节装置上端与大腿杆Ⅰ固定连接，下端与大腿杆Ⅱ固定连接，所述液压驱动装置分为小腿杆液压驱动装置与大腿杆液压驱动装置，小腿杆液压驱动装置一端与小腿杆Ⅰ固定连接，另一端与大腿杆Ⅱ固定连接，大腿杆液压驱动装置一端与大腿杆Ⅰ固定连接，另一端与背架组件中的股骨杆固定连接，所述安全气囊分为腿部安全气囊与背部安全气囊，腿部安全气囊固定在大腿杆Ⅱ前侧，背部安全气囊固定在背架组件后侧，所述护具分为小腿杆护具与大腿杆护具，小腿杆护具安装在小腿杆Ⅰ内侧，大腿杆护具安装在大腿杆Ⅱ内侧，所述拐杖安插在鞋体组件的固定圆台中，所述无线遥控放置于使用者身上；
所述鞋体组件包括摄像头、固定圆台、U型槽立柱、脚底架、脚底板、脚绳、履带、驱动轮、传动轮、驱动轴、传动轴、齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、步进电机和传动轴承；用于采集路况信息的摄像头安装在脚底架前端，所述U型槽立柱固定在脚底架后端，具有内孔的固定圆台安装在摄像头后端，所述脚底板安装在脚底架底部凹槽内，所述脚绳固连在脚底架中部，防止使用者双脚与下肢外骨骼机器人发生滑动，所述传动轴和驱动轴均安装在脚底架凹槽的通孔内，且在通孔内安装有传动轴承，所述步进电机安装在脚底架上，所述驱动轮固连在驱动轴两端，所述传动轮固连在传动轴两端，所述驱动轮和传动轮通过履带连接，安装在步进电机输出轴末端的齿轮Ⅱ带动安装在驱动轴上的齿轮Ⅰ转动，通过步进电机的旋转运动带动驱动轮和传动轮转动，使可穿戴式下肢移动外骨骼机器人能够辅助使用者完成直线移动；
所述背架组件包括背架、背带、太阳能电池板、控制箱、无线接收器、舵机、联轴器、轴承、丝杠、滑杠、股骨杆、紧定螺母、螺栓和底盖；所述背带固定在背架一侧，所述控制箱通过螺栓固定在背架上，用于收集能量的太阳能电池板固定在控制箱上表面，用于接收无线遥控信号的无线接收器安装在控制箱的侧面，所述底盖通过螺栓固定在背架底面，穿插股骨杆螺纹孔内的丝杠两端螺纹的旋向相反，穿插股骨杆圆孔内的滑杠末端与紧定螺母固定连接，所述丝杠、滑杠和具有螺纹孔与圆孔的股骨杆均安装在背架底部凹槽内，所述丝杠一端穿过轴承通过联轴器与舵机连接，另一端穿过轴承安装在背架凹孔内，通过无线遥控控制舵机转动来调节丝杠两侧股骨杆之间的距离，实现对不同使用者腰部尺寸的适应性调整；
所述长度调节装置包括U型双连接头、支撑杆、铰链、滑块和调节丝杠；所述调节丝杠两侧对称安装具有自锁性的滑块，所述支撑杆的一端通过铰链与U型双连接头铰接，另一端通过铰链与滑块铰接，通过旋转调节丝杠控制滑块移动来分别调节长度调节装置的小腿杆长度调节装置与大腿杆长度调节装置两端U型双连接头之间的距离，实现对不同使用者的小腿与大腿长度尺寸的适应性调整。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式下肢移动外骨骼机器人，其特征在于：所述液压驱动装置包括液压缸、I型接头、双耳座、U型接头和扁连接头；固定在液压缸上的扁连接头与双耳座铰接，所述I型接头一端与液压缸活动杆螺纹连接，另一端与U型接头铰接，通过无线遥控控制小腿杆液压驱动装置与大腿杆液压驱动装置的液压缸伸缩运动实现对小腿杆与大腿杆动作的精确控制，辅助使用者顺利完成避障和上下楼梯。
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