CN109009866B - 可坐式下肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可坐式下肢外骨骼康复机器人，涉及机器人技术领域,包括坐姿辅助装置、背部组件、髋关节组件、驱动装置、大腿组件、小腿组件、踝关节组件和脚部组件其中大腿板、小腿板、踝关节组件均为两个，背板分别与髋关节组件和坐姿辅助装置相连接，两个大腿板上端与髋关节组件铰接、下端分别与小腿组件相连，小腿组件两端分别与大腿组件及伸缩杆组件连接，伸缩组件与脚部组件相连，大腿组件和小腿组件可以通过驱动装置上的伸缩杆连接驱动，膝关节为人体关节仿形设计，在运动过程中使膝关节的弯曲工况与人体生理弯曲相接近，本发明结构紧凑，重量轻，具有环保、便捷、随时休息的功能。

Description

可坐式下肢外骨骼康复机器人

技术领域

本发明涉及一种下肢外骨骼康复机器人，尤其是涉及一种可坐式采用杆件、关节协同驱动，能够辅助患者坐下的下肢外骨骼，属于康复机器人技术领域。

背景技术

康复机器人技术长期以来一直受到世界各地科学研究人员和医疗相关机构的广泛关注，康复机器人主要是医生用来帮助下肢不便的患者进行辅助行走的医疗设备，在医疗领域有着更为广泛的应用前景。在中国，国内康复机器人的研究处于起步阶段时就受到了国内各领域的普遍关注和重视，以往的康复辅助设备已经不能满足我国医疗设备对机械智能化和人机一体化的巨大需求。另外，从安全性方面来讲，因为下肢外骨骼直接与人体进行连接，所以对于外骨骼的安全性和灵活性的要求相对较高。近年来，电能驱动外骨骼在医疗康复器械领域也得到越来越广泛的应用。

申请号201410353073 .9提出了一种单驱动联动式下肢助力外骨骼，虽然也采用电机控制，但是其腰部模块的大腿驱动链轮结构笨重，体积过大，且不能给使用者提供坐下、站立的助力。

申请号201310262919 .3提出了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条腿只用一个电机驱动，利用连杆机构配合一个驱动电机，使髋关节、膝关节和踝关节同时拟合出恰当的转动角度曲线。但对不同的使用者需要针对性的设计连杆的长度，不能进行长度调节，不具备通用性，且两个电机也加大了外骨骼的重量。

申请号201711137609.3 .提出穿戴式下肢外骨骼机器人，利用气弹簧和插销的作用下使膝关节锁定达到坐姿，其坐下使重心在人体后方，坐姿稳定性不高，很难达到一个令使用者舒服的坐姿。

发明内容

针对目前外骨骼重量过重、不够轻便，外骨骼尺寸难以与人体进行适应，无法令患者在较累时方便坐下等问题，本发明提出一种新型的下肢外骨骼康复机器人，保证稳定性和安全性的前提下利用杆件驱动为外骨骼提供动能，在功能上设计了适合于外骨骼的坐姿辅助装置在使用者较累时利用背板的坐姿辅助装置进行坐下。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可坐式下肢外骨骼康复机器人，它包括坐姿辅助装置8、背部组件7、髖关节组件6、驱动装置5、大腿组件4、小腿组件3、踝关节组件2和脚部组件1，所述的髖关节组件6安装在背部组件7上，大腿组件4上端与髖关节组件6相连，下端与小腿组件3的上端相连，小腿组件3的下端与踝关节组件2相连，踝关节组件2连接有脚部组件1其特征在于所述的大腿组件4主要由大腿旋转块41、驱动装置5、伸缩杆43、绑腿32组成，驱动装置5的上端与伸缩杆43相连，左右两端分别铰支。

所述髋关节和大腿组件4、大腿组件4与小腿组件3、小腿之间有驱动装置5通过伸缩杆进行驱动，其特征在于用电驱动作为外骨路下肢两个个主要关节的驱动器膝、踝各个关节的驱动原理一致，具体为：直流伺服电机先通过减速器降低转速、增大力矩，然后通过联轴器将旋转运动传递给丝杠，丝杠带动丝母滑块在导向杆的导向作用下进行往复运动，从而和关节驱动一起带动各个关节进行屈伸运动。

所述髋关节组件6包括水平旋转块40、腰部扩展板70、髋部连接板71、背部连接块72，所述背部连接块用于与背板固定连接，髋部连接板71与背部连接块72用螺栓进行固定连接，腰部扩展板70的一端插入髋部连接板71能够绕着背部进行上下摆动，以调节髋关节组件的宽度，横向拓展板的另一端与水平旋转块40的内端相互铰接，另外腰部扩展板可以使髋关节与使用者的腰部长度相匹配，通过大腿连接关节的旋转从而实现大腿的抬起和下降运动，同时在髋关节下侧有一对水平旋转块40，以实现行走和转向。

所述膝关节组件包括驱动装置5、屈伸旋转块41、连接块34、外壳、调整板31，连接块34与屈伸旋转块41固定连接，屈伸旋转块41与大腿板42动连接可绕膝关节转动呈90度位置，调整板31在大腿板31和小腿板下段33之间依靠螺栓进行连接并且设有挡板防止脱落，所起到的作用是依照不同人体高矮进行腿部长度调整。

所述踝关节组件2中的跖屈背屈件21通过驱动装置5带动围绕轴转动并通过紧固件与脚部组件连接，能够实现踝关节的转动。所述驱动装置组件包括限位开关、导向杆、丝杆、丝母滑件、减速器、轴承座、联轴器、直流伺服电机、角度传感器，所述电机分别与角度传感器和减速器连接，联轴器与减速器相连，丝母滑件通过丝杆传动和导向杆能够进行直线运动。

所述坐姿辅助装置8包括座垫81、伸缩收紧件93、连杆92、背板固定板91、背板固定块90、背板连杆82、支撑杆92、坐姿连接杆83、转接84、坐腿调整件85、伸缩件88、伸缩固定件86、坐腿87、背靠连杆89，座垫81和坐腿调整件85可以根据人的高度分别通过伸缩收紧件93和伸缩件88、伸缩固定件86进行调整，在需要坐下时由于背板连杆82与腰部拓展板70长度一置，所以坐姿连接杆83和坐腿调整件85能够在人体矢状面顺利上旋转卡入大腿板预定位置加以可拆卸静连接即可中实现外骨骼坐下的姿态。

所述小腿组件3设有用于调节长度的通孔，每个人在穿戴外骨骼时大腿和小腿长度不一，所以在设计连接过程中，在小腿组件3加上调整件31，在这个装置中它的连接处开多个孔，上部2个下部3个，下部孔用以和小腿连接，以便身高调节和绑腿的装配，使小腿身高较高的患者，同理也可以适合身高较矮的患者，只需要将转接块两个最长的孔进行连接，然后使用螺栓连接固定即可。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：1.利用外骨骼大小腿板上一共4个电机进行驱动助力相对于多电机驱动式下肢助力外骨骼重量更轻，更节能。2.利用背部的坐姿辅助机构能够较为方便的帮助患者解决进行利用外骨骼运动后的体力消耗过大需要脱下外骨骼才能坐下的问题。3.利用外骨骼主体采用扁平化设计，保证人体下肢关节的轴线和康复机器人的轴线重合，能够更好的贴近人体和增强机构的稳定性。4.在外骨骼和坐姿辅助机构上加装了调整机构，适应不同人群的使用。5.每个运动自由度上都设计了相应的安全限位凸台充当机械限位装置，切实保证人体运动的安全。

附图说明

图1是本发明的站立姿态整体结构示意图。

图2是本发明的坐下姿态整体结构示意图。

图3是本发明的坐下姿态整体结构左视图。

图4是本发明的膝关节内侧部分示意图。

图5是本发明的髋关节部分示意图。

图6是本发明的脚部去除连接件爆炸视图。

图7是本发明的坐姿辅助机构去除连接件爆炸视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述，请参考图1至图7。

本发明的新型下肢外骨骼康复机器人，包括坐姿辅助装置8、背部组件7、髖关节组件6、驱动装置5、大腿组件4、小腿组件3、踝关节组件2和脚部组件1。背部组件7前端面通过髋关节组件6连接大腿组件4，后端面与坐姿辅助机构8旋转副连接，每个大腿组件4通过膝关节组件连接小腿组件3，小腿组件3通过踝关节连接脚部组件1，所述大腿组件4与小腿组件3之间连接有连接块34与屈伸旋转块41，并且连接块34和屈伸旋转块41间采用静连接，屈伸旋转块41与大腿板31采用销轴连接且屈伸旋转块41在膝关节上面接触，外部设有外壳限制自由度仅能在矢状面旋转，并且屈伸旋转块在其活动范围内能够绕膝关节关节旋内/旋外自由度转动，在屈伸旋转块41绕膝关节旋转同时带动连接块34一起运动（必要时可在膝关节旋转副加上电机进行驱动以进一步提升助力效果）实现膝关节的屈伸如图3所示，当膝关节运动至极限位置时小腿板上段30的膝关节凸台会限制其极限位置。大腿上的动力由驱动装置提供，大腿板通孔上旋有绑腿32（与现有技术相同），绑腿32的作用是将外骨骼连接到人体上，小腿组件由小腿板上段30、屈伸旋转块41、伸缩杆43、驱动装置5、绑腿32构成，小腿上的动力由驱动装置5提供，小腿板下段33与小腿屈伸旋转块41通过转动副连接如图6所示。

踝关节组件由连接块22、踝关节转接21转接组成，连接块22上端与小腿屈伸旋转块41静连接，下端和踝关节转接静连接，踝关节转接下端与脚部组件1静连接；脚部组件由脚底板10、脚部挡板11构成，脚底板上设置凸台主要是为了限制踝关节极限位置阻碍其继续运动，脚底板处于外骨骼的最下端在人行走时承担了整个人体的重量，脚底板10与脚部挡板11采用沉头螺钉连接，另外脚底板上表面可以加上缓冲材料提高舒适度。

首先通过绑带让使用者穿上该下肢外骨骼机器人，检查调整板31和绑腿32是否处于合适的位置，并确保其患者能够方便的穿上外骨骼。当患者想迈开左腿时，驱动装置的直流伺服电机先通过减速器降低转速、增大力矩，然后通过联轴器将旋转运动传递给丝杠，丝杠带动丝母滑块在导向杆的导向作用下向前摆动，髋关节从而帯动左小腿组件向前摆动，在左小腿向前摆动的同时，重心会向前移动，此时右小腿会相对于左小腿向后摆动，与此同时左小腿的电机推动踝关节屈伸，令使用者脚尖受力，这个力会使脚部组件1围绕踝关节组件2中顺时针转动，由于踝关节组件2中的跖屈背屈件21与脚部组件1连拉而也会带动跖屈背屈件21转动，并且当膝关节运动到极限位置（屈120度伸10度）时大腿板42和小腿板上段30上的凸台和会阻碍其继续运动，确保不会损伤患者，当大腿摆到最大角度时，小腿组件3也会在伸缩杆的作用下与大腿组件共线，传感器确定其达到极限位置，膝关节上凸台阻碍其运动，之后电机随之反向转动，左腿在重力和电机力的作用下自然落地。在此过程中，由于髋关节可以在大腿组件和重力作用下摆动所以可以不助力，髋关节可以绕髋关节组件6中的动连接销轴做内旋外旋，通过腰部拓展板70绕纵向做内收外展运动实现运动转向，使用者迈右腿时方法和上述一样，在此不再累述。

当患者需要坐下时，将处于收折状态的坐姿辅助装置如图1所示打下，具体操作是医生正对背板后端将在背部组件7卡住的背靠连杆89向自身内侧打下，此时背靠连杆89将绕背板连杆82转动直到达到180展开到极限位置，与此同时坐姿连接杆83也达到最后在大腿组件和坐姿连接杆83预定位置然后将孔两组件之间以可拆式静连接加以固定，然后坐腿调整件85放下将坐腿87拉长至合适位置通过坐腿调整件85上面的通孔卡死，最后通过伸缩收紧件93、连杆92、坐垫81调整坐垫81高度和方向最后姿态如图2所示，当使用者想起身时，将连接拆下依照将收折状态的坐姿辅助装置8展开相反步骤即可将机构收折。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种穿戴式下肢外骨骼康复机器人思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围，本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种可坐式下肢外骨骼康复机器人，包括坐姿辅助装置(8)、背部组件(7)、髋关节组件(6)、驱动装置(5)、大腿组件(4)、小腿组件(3)、踝关节组件(2)和脚部组件(1)，所述的髋关节组件(6)和坐姿辅助装置(8)安装在背部组件(7)上，大腿组件(4)上端与髋关节组件(6)相连，大腿组件(4)下端与小腿组件(3)的上端相连，小腿组件(3)的下端与脚部组件(1)通过踝关节组件(2)相连，所述大腿组件(4)与小腿组件(3)、小腿组件(3)与脚部组件(1)之间设有驱动装置(5)，驱动装置(5)包括直流伺服电机、丝母滑块、导向杆、减速器、伸缩杆、丝杠和联轴器；直流伺服电机先通过减速器降低转速，然后通过联轴器将旋转运动传递给丝杠，丝杠带动丝母滑块在导向杆的导向作用下进行往复运动，伸缩杆的上端与丝母滑块连接；其中，大腿组件(4)与小腿组件(3)之间的驱动装置(5)的丝杠设置在大腿组件上，伸缩杆的下端与小腿组件(3)铰接，从而驱动膝关节进行屈伸运动；小腿组件(3)与脚部组件(1)之间的驱动装置(5)的丝杠设置在小腿组件上，伸缩杆的下端与脚部组件铰接，从而驱动踝关节进行屈伸运动；所述的坐姿辅助装置(8)包括座垫(81)、伸缩收紧件(93)、背板固定板(91)、背板固定块(90)、背板连杆(82)、支撑杆(92)、坐姿连接杆(83)、转接(84)、坐腿调整件(85)、伸缩件(88)、伸缩固定件(86)、坐腿(87)和背靠连杆(89)，其中，座垫(81)通过伸缩收紧件(93)设置在支撑杆(92)上，坐腿(87)通过伸缩固定件(86)和伸缩件(88)设置在坐腿调整件(85)上，座垫(81)可以根据人的高度通过伸缩收紧件(93)进行调整，坐腿调整件(85)可以根据人的高度通过伸缩件(88)和伸缩固定件(86)进行调整；背板连杆(82)通过背板固定块(90)和背板固定板(91)设置在背部组件(7)上，背靠连杆(89)的一端安装在背板连杆(82)上，支撑杆(92)设置在坐姿连接杆(83)上，坐姿连接杆(83)和坐腿调整件(85)安装在背靠连杆(89)的另一端，背靠连杆(89)能够绕其与背板连杆(82)的连接点在人体矢状面上旋转；坐腿调整件(85)通过转接(84)转动安装在坐姿连接杆(83)上；大腿组件包括大腿板(42)；当人处于坐姿时，外骨骼膝关节弯曲至90度，大腿板(42)、坐姿连接杆(83)和座垫(81)基本处于水平状态，坐姿连接杆(83)卡入大腿板(42)预定位置，坐腿(87)提供支撑力；当人处于站姿时，座垫(81)翻转至背部组件后侧，且座垫基本处于竖直状态，坐姿连接杆(83)处于基本水平状态。

2.根据权利要求1所述可坐式下肢外骨骼康复机器人，小腿组件(3)包括小腿板上段、调整件和小腿板下段，调整件上设有多个均布在同一轴线上的孔，调整件上部的孔与小腿板上段固定连接，调整件下部的孔与小腿板下段使用螺栓连接固定，从而小腿组件(3)的长度可调。