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CN109363895B - 一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人 - Google Patents

一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人 Download PDF

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CN109363895B
CN109363895B CN201811205620.3A CN201811205620A CN109363895B CN 109363895 B CN109363895 B CN 109363895B CN 201811205620 A CN201811205620 A CN 201811205620A CN 109363895 B CN109363895 B CN 109363895B
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刘岳飞
吴青鸿
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Guangxi University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人，由腰部调节组件1、髋关节驱动组件2、髋关节组件3、膝关节驱动组件4、膝关节组件5、第一伸缩结构6、第二伸缩结构7、可调节柔性穿戴式结构8、足部调节结构9九大部分组成，本发明的下肢外骨骼机器人，其可以很好的嵌入到下肢康复外骨骼的结构装置中，满足不同身高使用者的需求。下肢康复外骨骼机器人在穿戴者坐下/起立过程中稳定性与适应性好，在不增加穿戴者本身负重的情况下，提高效率并维持重心的稳定性、提高穿戴者安全性，同时，也减少下肢外骨骼机器人本身的能耗。

Description

一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人。
背景技术
下肢行走是人体的重要功能之一，许多神经系统疾病如脑卒中、脊髓损伤等都会导致下肢运动障碍，除此之外，骨折、肌肉损伤等伤病也可能会涉及到下肢行走功能。我国作为人口大国，下肢功能障得患者的人数不可小觑。因此，下肢功能障碍的治疗与康复受到了人们的高度重视。
在康复医学领域，步行训练是下肢功能障碍康复中的重要手段之一。因此，下肢康复辅助装置的使用在康复治疗中显得十分必要。下肢外骨骼是下肢康复机器人中的典型代表之一，此类康复机器人基于仿生学原理设计，结合人体工程学，能穿戴于患肢，实现更自然有效的康复训练,具有较大的实用价值和研究意义。
传统的下肢外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置，它可给穿戴外骨骼的人提供支撑、保护，及増强运动能力。但传统的下肢外骨骼机器人装备存在质量大、结构功能单一、工作时间短、售价高以及穿戴不方便等缺点，不适合需要部分行走辅助的弱行走能力的老年人群体以及关节损伤、膝关节炎患。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种结构简单，操作方便，成本低廉的柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人，其可以很好的嵌入到下肢康复外骨骼的结构装置中，满足不同身高使用者的需求。下肢康复外骨骼机器人在穿戴者坐下/起立过程中稳定性与适应性好，在不增加穿戴者本身负重的情况下，提高效率并维持重心的稳定性、提高穿戴者安全性，同时，也减少下肢外骨骼机器人本身的能耗。
本发明采取的具体技术方案是：
一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人，由腰部调节组件1、髋关节驱动组件2、髋关节组件3、膝关节驱动组件4、膝关节组件5、第一伸缩机构6、第二伸缩机构7、可调节柔性穿戴式结构8、足部调节结构9九大部分组成，其中：
所述腰部调节组件1由后腰板1-1、侧腰杆1-2、平动滑块1-3、第一调节滑块1-4四部分构成，其中后腰板1-1由后腰板板筋1-1-1、板筋滑槽1-1-2、固接滑道块1-1-3组成，目的是实现在后腰板1-1上的宽度调节；其中侧腰杆1-2由腰杆连接头1-2-1、腰杆连接槽1-2-2、腰杆1-2-3组成，目的是实现与后腰板1-1的连接与调节；平动滑块1-3铆接在侧腰杆1-2一端部且与后腰板1-1可实现左右滑移、上下限定移动，所述侧腰杆1-2另一端部为第一活动铰链座结构，第一调节滑块1-4的一侧靠螺栓铰接平动滑块1-3上；
所述髋关节驱动组件2由第一箱体2-1、第一伺服电机2-2、第一缸体2-3、丝杆2-4、第二活动铰链座2-5五部分构成，其中第一箱体2-1、第一伺服电机2-2、第一缸体2-3、丝杆2-4构成电动缸，第一箱体2-1一侧与第一调节滑块1-4的另一侧固定连接；第一伺服电机2-2、第一缸体2-3与第一箱体2-1螺钉连接，且第一伺服电机2-2可上下放置；丝杆2-4的端螺纹与第二活动铰链座2-5的铰链孔连接；
所述髋关节组件3由侧接头3-1、转骨件3-2构成，其中侧接头3-1与第二活动铰链座2-5螺栓连接，转骨件3-2与侧腰杆1-2端部的活动铰链座结构螺栓连接；
所述膝关节驱动组件4由固定铰链座4-1、第二调节滑块4-2、第二箱体4-3、第二伺服电机4-4、第二缸体4-5、丝杠4-6构成，其中第二箱体4-3、第二伺服电机4-4、第二缸体4-5、丝杆4-6构成电动缸，第二箱体4-3一侧与第二调节滑块4-2固接；第二伺服电机4-4、第二缸体4-5与第二箱体4-3螺钉连接，且第二伺服电机4-4可上下放置；
所述第一伸缩机构6由股骨件6-1、伸缩杆a6-2构成，第二伸缩机构7由胫骨件7-1、伸缩杆b7-2、踝骨件7-3构成；其中伸缩杆a6-2的一端内嵌在转骨件3-2内，并通过螺钉固定连接，另一侧内嵌在股骨件6-1内，通过手柄旋转螺纹杆固紧伸缩杆a6-2，可实现伸缩杆a6-2的无极伸缩调节，所述股骨件6-1上端与固定铰链座4-1固定连接，所述股骨件6-1下端为第三活动铰链座结构；伸缩杆b7-2一端内嵌在胫骨件7-1内，通过手柄旋转螺纹杆固紧伸缩杆b7-2，可实现伸缩杆b7-2的无极伸缩调节，另一端与踝骨件7-3固定连接；所述胫骨件7-1与股骨件6-1下端的第三活动铰链座结构螺栓连接；
所述的膝关节组件5由第四活动铰链座5-1、髌骨件5-2构成，第四活动铰链座5-1的螺纹孔与丝杠4-6的端螺纹连接且另一侧与髌骨件5-2的端接头螺栓连接；髌骨件5-2的外形设计为镰刀形，防止与膝关节摆动时产生干涉，同时，实现与膝关节的同步摆动；髌骨件5-2侧端与胫骨件7-1铆钉连接或铰链连接；
所述可调节柔性穿戴式结构8由柔性带8-1、调节杆一8-2、调节杆二8-3、固连拉杆8-4、支撑块8-5、固连凸形块8-6构成，其中，柔性带8-1为实现对腿部的捆绑，柔性带8-1的背侧中间处与支撑块8-5粘接连接；支撑块8-5与调节杆一8-2通过螺钉连接，调节杆一8-2插于固连凸形块8-6内可实现左右的滑移，并通过手柄旋转螺纹杆固紧调节杆一8-2；并通过手柄旋转螺纹杆固紧调节杆二8-3；固连拉杆8-4两端都有螺纹，一端与固连凸形块8-6的螺纹孔螺纹连接，另一端与调节杆二8-3的螺纹孔螺纹连接；所述可调节柔性穿戴式结构8每侧腿为三个，两个分别通过调节杆二8-3插于股骨件6-1、胫骨件7-1的侧块中可实现前后的滑移，另外一个通过调节杆二8-3与踝骨件7-3固定连接；
所述足部调节结构9由横梁杆9-1、足部调节杆9-2、弹簧绳索9-3构成，其中横梁杆9-1端侧与胫骨件7-1通过螺栓连接，另一端通过侧端头与足部调节杆9-2经行连接，并可实现足部调节杆9-2的向上旋转；所述弹簧绳索9-3一端与足部矫正器相连接，另一端与足部调节杆9-2经行卡扣绑定连接。
优选地，所述的柔性带8-1为棉质材料。
优选地，所述调节杆一8-2与调节杆二8-3上都有刻度，可对调节量经行尺度调节。
本发明的有益效果是：
1、本发明在腰部调节组件的设计可根据人的体型以及行走左右摇摆的进行调节，可实现结构上的灵活性。
2、本发明在髋关节驱动组件的结构上，丝杆端部采用螺纹与活动铰链孔进行连接，结构简单、拆装方便。电动缸的伺服电机可以安置缸体上边也可安置下边，可根据患者的病患情况进行选择安装，上置可辅助患者实现大传动，结合设计更合理，功能实用更平顺可靠，且空间占用小。
3、本发明在膝关节的结构设计上，固定铰链座的铰链孔可设置多个，可适应膝关节的摆动幅度，连接上铰链孔可实现膝关节的大幅度摆动，自适应不同患者的情况，结构简单，操作简单。同时髌骨件的外形设计为镰刀形，其为防止与膝关节摆动时产生干涉，同时，实现与膝关节的同步摆动。
4、本发明在第一、二伸缩机构的结构设计上，可通过手柄旋转螺纹杆来紧固伸缩杆，增加伸缩杆伸长量的稳定性，提高其结构的安全性。髌骨件的外形设计为镰刀形，其为防止与膝关节摆动时产生干涉，同时，实现与膝关节的同步摆动，使其结构更加贴合骨节的运动。
5、可调节柔性穿戴式的结构设计上，可实现对不同患者的腿部准确定位。结构简单、调节过程便捷且功能实用，能达到外骨骼与患者腿部更好的贴合，使康复训练更具有效用。
6、本发明在可足部调节结构的设计上，一端通过侧端头与足部调节杆经行连接，并可实现足部调节杆的向上旋转。病患需足部调节时，通过弹簧绳索一端与足部矫正器相接，另一端与足部调节杆经行卡扣绑定连接，可以完成对足部调节的穿戴，为下肢训练提供支撑、保护，及増强运动能力，以达到更自然有效的康复训练。
附图说明
图1为本发明实施例立体结构示意图；
图2为图1的柔性穿戴式的侧视图；
图3为图1的腰部调节组件与髋关节组件及驱动组件结构示意图；
图4为图1中膝关节组件及驱动组件的结构示意图；
图5为图1中第一、二伸缩机构的局部放大示意图；
图6为图1中腰部调节组件的局部结构示意图；
图7为图1中腰部调节组件的局部结构示意图；
图8为图1中可调节柔性穿戴式结构与足部调节结构的结构示意图；
图中：1、腰部调节组件；1-1、后腰板；1-1-1、后腰板板筋；1-1-2、板筋滑槽；1-1-3、固接滑道块；1-2、侧腰杆；1-2-1、腰杆连接头；1-2-2、腰杆连接槽；1-2-3、腰杆；1-3、平动滑块；1-4、第一调节滑块；2、髋关节驱动组件；2-1、第一箱体；2-2、第一伺服电机；2-3、第一缸体；2-4、丝杆；2-5、第二活动铰链座；3、髋关节组件；3-1、侧接头；3-2、转骨件；4、膝关节驱动组件；4-1、固定铰链座；4-2、第二调节滑块；4-3、第二箱体；4-4、第二伺服电机；4-5、第二缸体；4-6、丝杠；5、膝关节组件；5-1、第四活动铰链座；5-2、髌骨件；6、第一伸缩机构；6-1、股骨件；6-2、伸缩杆a；7、第二伸缩机构；7-1、胫骨件；7-2、伸缩杆b；7-3、踝骨件；8、可调节柔性穿戴式结构；8-1、柔性带；8-2、调节杆一；8-3、调节杆二；8-4、固连拉杆；8-5、支撑块；8-6、固连凸形块；9、足部调节结构；9-1、横梁杆；9-2、足部调节杆；9-3、弹簧绳索。
具体实施方式
下面结合附图对本发明较佳方案做进一步详细说明。
实施例
一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人，如图1、2所示，由腰部调节组件1、髋关节驱动组件2、髋关节组件3、膝关节驱动组件4、膝关节组件5、第一伸缩机构6、第二伸缩机构7、可调节柔性穿戴式结构8、足部调节结构9九大部分组成，其中：
如图3所示，所述腰部调节组件1由后腰板1-1、侧腰杆1-2、平动滑块1-3、第一调节滑块1-4四部分构成，如图6所示，其中后腰板1-1由后腰板板筋1-1-1、板筋滑槽1-1-2、固接滑道块1-1-3组成，目的是实现在后腰板1-1上的宽度调节；如图7所示，其中侧腰杆1-2由腰杆连接头1-2-1、腰杆连接槽1-2-2、腰杆1-2-3组成，目的是实现与后腰板1-1的连接与调节；平动滑块1-3铆接在侧腰杆1-2一端部且与后腰板1-1可实现左右滑移、上下限定移动，所述侧腰杆1-2另一端部为第一活动铰链座结构，第一调节滑块1-4的一侧靠螺栓铰接平动滑块1-3上；所述髋关节驱动组件2由第一箱体2-1、第一伺服电机2-2、第一缸体2-3、丝杆2-4、第二活动铰链座2-5五部分构成，其中第一箱体2-1、第一伺服电机2-2、第一缸体2-3、丝杆2-4构成电动缸，第一箱体2-1一侧与第一调节滑块1-4的另一侧固定连接；第一伺服电机2-2、第一缸体2-3与第一箱体2-1螺钉连接，且第一伺服电机2-2可上下放置；丝杆2-4的端螺纹与第二活动铰链座2-5的铰链孔连接；所述髋关节组件3由侧接头3-1、转骨件3-2构成，其中侧接头3-1与第二活动铰链座2-5螺栓连接，转骨件3-2与侧腰杆1-2端部的活动铰链座结构螺栓连接；
如图4所示，所述膝关节驱动组件4由固定铰链座4-1、第二调节滑块4-2、第二箱体4-3、第二伺服电机4-4、第二缸体4-5、丝杠4-6构成，其中第二箱体4-3、第二伺服电机4-4、第二缸体4-5、丝杠4-6构成电动缸，第二箱体4-3一侧与第二调节滑块4-2固接；第二伺服电机4-4、第二缸体4-5与第二箱体4-3螺钉连接，且第二伺服电机4-4可上下放置；
如图5所示，所述第一伸缩机构6由股骨件6-1、伸缩杆a6-2构成，第二伸缩机构7由胫骨件7-1、伸缩杆b7-2、踝骨件7-3构成；其中伸缩杆a6-2的一端内嵌在转骨件3-2内，并通过螺钉固定连接，另一侧内嵌在股骨件6-1内，通过手柄旋转螺纹杆固紧伸缩杆a6-2，可实现伸缩杆a6-2的无极伸缩调节，所述股骨件6-1上端与固定铰链座4-1固定连接，所述股骨件6-1下端为第三活动铰链座结构；伸缩杆b7-2一端内嵌在胫骨件7-1内，通过手柄旋转螺纹杆固紧伸缩杆b7-2，可实现伸缩杆b7-2的无极伸缩调节，另一端与踝骨件7-3固定连接；所述胫骨件7-1与股骨件6-1下端的第三活动铰链座结构螺栓连接；
如图4所示，所述的膝关节组件5由第四活动铰链座5-1、髌骨件5-2构成，第四活动铰链座5-1的螺纹孔与丝杠4-6的端螺纹连接且另一侧与髌骨件5-2的端接头螺栓连接；髌骨件5-2的外形设计为镰刀形，防止与膝关节摆动时产生干涉，髌骨件5-2侧端与胫骨件7-1铆钉连接或铰链连接；
如图8所示，所述可调节柔性穿戴式结构8由柔性带8-1、调节杆一8-2、调节杆二8-3、固连拉杆8-4、支撑块8-5、固连凸形块8-6构成，其中，柔性带8-1为棉质材料容易实现对腿部的捆绑，柔性带8-1的背侧中间处与支撑块8-5粘接连接；支撑块8-5与调节杆一8-2通过螺钉连接，调节杆一8-2插于固连凸形块8-6内可实现左右的滑移，并通过手柄旋转螺纹杆固紧调节杆一8-1；并通过手柄旋转螺纹杆固紧调节杆二8-3；固连拉杆8-4两端都有螺纹，一端与固连凸形块8-6的螺纹孔螺纹连接，另一端与调节杆二8-3的螺纹孔螺纹连接；所述可调节柔性穿戴式结构8每侧腿为三个，两个分别通过调节杆二8-3插于股骨件6-1、胫骨件7-1的侧块中可实现前后的滑移，另外一个通过调节杆二8-3与踝骨件7-3固定连接；所述调节杆一8-2与调节杆二8-3上都有刻度，可对调节量经行尺度调节；所述足部调节结构9由横梁杆9-1、足部调节杆9-2、弹簧绳索9-3构成，其中横梁杆9-1端侧与胫骨件7-1通过螺栓连接，另一端通过侧端头与足部调节杆9-2经行连接，并可实现足部调节杆9-2的向上旋转；所述弹簧绳索9-3一端与足部矫正器相连接，另一端与足部调节杆9-2经行卡扣绑定连接。

Claims (3)

1.一种柔性穿戴式的下肢外骨骼机器人，其特征在于由腰部调节组件(1)、髋关节驱动组件(2)、髋关节组件(3)、膝关节驱动组件(4)、膝关节组件(5)、第一伸缩机构(6)、第二伸缩机构(7)、可调节柔性穿戴式结构(8)、足部调节结构(9)九大部分组成，其中：
所述腰部调节组件(1)由后腰板(1-1)、侧腰杆(1-2)、平动滑块(1-3)、第一调节滑块(1-4)四部分构成，其中后腰板(1-1)由后腰板板筋(1-1-1)、板筋滑槽(1-1-2)、固接滑道块(1-1-3)组成，目的是实现在后腰板(1-1)上的宽度调节；其中侧腰杆(1-2)由腰杆连接头(1-2-1)、腰杆连接槽(1-2-2)、腰杆(1-2-3)组成，目的是实现与后腰板(1-1)的连接与调节；平动滑块(1-3)铆接在侧腰杆(1-2)一端部且与后腰板(1-1)可实现左右滑移、上下限定移动，所述侧腰杆(1-2)另一端部为第一活动铰链座结构，第一调节滑块(1-4)的一侧靠螺栓铰接平动滑块(1-3)上；
所述髋关节驱动组件(2)由第一箱体(2-1)、第一伺服电机(2-2)、第一缸体(2-3)、丝杆(2-4)、第二活动铰链座(2-5)五部分构成，其中第一箱体(2-1)、第一伺服电机(2-2)、第一缸体(2-3)、丝杆(2-4)构成电动缸，第一箱体(2-1)一侧与第一调节滑块(1-4)的另一侧固定连接；第一伺服电机(2-2)、第一缸体(2-3)与第一箱体(2-1)螺钉连接，且第一伺服电机(2-2)可上下放置；丝杆(2-4)的端螺纹与第二活动铰链座(2-5)的铰链孔连接；
所述髋关节组件(3)由侧接头(3-1)、转骨件(3-2)构成，其中侧接头(3-1)与第二活动铰链座(2-5)螺栓连接，转骨件(3-2)与侧腰杆(1-2)端部的第一活动铰链座结构螺栓连接；
所述膝关节驱动组件(4)由固定铰链座(4-1)、第二调节滑块(4-2)、第二箱体(4-3)、第二伺服电机(4-4)、第二缸体(4-5)、丝杠(4-6)构成，其中第二箱体(4-3)、第二伺服电机(4-4)、第二缸体(4-5)、丝杠(4-6)构成电动缸，第二箱体(4-3)一侧与第二调节滑块(4-2)固接；第二伺服电机(4-4)、第二缸体(4-5)与第二箱体(4-3)螺钉连接，且第二伺服电机(4-4)可上下放置；
所述第一伸缩机构(6)由股骨件(6-1)、伸缩杆a(6-2)构成，第二伸缩机构(7)由胫骨件(7-1)、伸缩杆b(7-2)、踝骨件(7-3)构成；其中伸缩杆a(6-2)的一端内嵌在转骨件(3-2)内，并通过螺钉固定连接，另一侧内嵌在股骨件(6-1)内，通过手柄旋转螺纹杆固紧伸缩杆a(6-2)，可实现伸缩杆a(6-2)的无极伸缩调节，所述股骨件(6-1)上端与固定铰链座(4-1)固定连接，所述股骨件(6-1)下端为第三活动铰链座结构；伸缩杆b(7-2)一端内嵌在胫骨件(7-1)内，通过手柄旋转螺纹杆固紧伸缩杆b(7-2)，可实现伸缩杆b(7-2)的无极伸缩调节，另一端与踝骨件(7-3)固定连接；所述胫骨件(7-1)与股骨件(6-1)下端的第三活动铰链座结构螺栓连接；
所述的膝关节组件(5)由第四活动铰链座(5-1)、髌骨件(5-2)构成，第四活动铰链座(5-1)的螺纹孔与丝杠(4-6)的端螺纹连接且另一侧与髌骨件(5-2)的端接头螺栓连接；髌骨件(5-2)的外形设计为镰刀形，防止与膝关节摆动时产生干涉，同时，实现与膝关节的同步摆动；髌骨件(5-2)侧端与胫骨件(7-1)铆钉连接或铰链连接；
所述可调节柔性穿戴式结构(8)由柔性带(8-1)、调节杆一(8-2)、调节杆二(8-3)、固连拉杆(8-4)、支撑块(8-5)、固连凸形块(8-6)构成，其中，柔性带(8-1)为实现对腿部的捆绑，柔性带(8-1)的背侧中间处与支撑块(8-5)粘接连接；支撑块(8-5)与调节杆一(8-2)通过螺钉连接，调节杆一(8-2)插于固连凸形块(8-6)内可实现左右的滑移，并通过手柄旋转螺纹杆固紧调节杆一(8-2)；并通过手柄旋转螺纹杆固紧调节杆二(8-3)；固连拉杆(8-4)两端都有螺纹，一端与固连凸形块(8-6)的螺纹孔螺纹连接，另一端与调节杆二(8-3)的螺纹孔螺纹连接；所述可调节柔性穿戴式结构8每侧腿为三个，两个分别通过调节杆二(8-3)插于股骨件(6-1)、胫骨件(7-1)的侧块中可实现前后的滑移，另外一个通过调节杆二(8-3)与踝骨件(7-3)固定连接；
所述足部调节结构(9)由横梁杆(9-1)、足部调节杆(9-2)、弹簧绳索(9-3)构成，其中横梁杆(9-1)端侧与胫骨件(7-1)通过螺栓连接，另一端通过侧端头与足部调节杆(9-2)经行连接，并可实现足部调节杆(9-2)的向上旋转；所述弹簧绳索(9-3)一端与足部矫正器相连接，另一端与足部调节杆(9-2)经行卡扣绑定连接。
2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于所述的柔性带(8-1)为棉质材料。
3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于所述调节杆一(8-2)与调节杆二(8-3)上都有刻度，可对调节量经行尺度调节。
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