CN201920940U

CN201920940U - 一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置

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Publication number: CN201920940U
Application number: CN2011200109400U
Authority: CN
Inventors: 刘勤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-01-14

Abstract

本实用新型涉及一种下肢步行助力外骨骼，尤其是一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置。该装置包括上部固定装置、髋关节部件、大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、电源、控制装置、传感器和驱动装置，所述髋关节部件与大腿部件活动连接，所述大腿部件与小腿部件活动连接，小腿部件与踝骨部件活动连接，所述踝骨部件与底板活动连接，所述电源与控制装置相连通，所述传感器与控制装置相连通，所述控制装置与驱动装置相连通，其特征是所述驱动装置为直线电机驱动装置。

Description

一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置

技术领域

本实用新型涉及一种可置于人体下肢的助行外骨骼，尤其是一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置。

背景技术

现有外骨骼装置作为人类助行的装置，越来越被各领域重视，特别是医疗康复领域。现有外骨骼装置普遍分为液压驱动型和旋转电机驱动型。如：中国发明专利ZL200410053695.6号公开了一种可穿戴式的下肢步行外骨骼，该可穿戴式的下肢步行外骨骼是由腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踝四杆机构和足底支撑依次串连构成。针对截肢病人或者肌肉萎缩病人，该发明可以利用事先编好的步行程序用作辅助行走工具。对于一般旅游者或者体弱者，可以先穿着该发明行走，由位移传感器定时采集穿戴者步行时的运动位姿信号，并通过计算机记录穿戴者的步态，然后逐步复现穿戴者的步态，模仿穿戴者的行走步态，实现辅助或者增强穿戴者步行运动能力的作用。使用该发明可在一定程度上减轻步行者疲劳，提高人体运动极限，并增强人体携带重物运动的能力。该发明既可作为下肢截肢病人或者肌肉萎缩病人的助行器，也可作为徒步旅行的代步工具或野外科考装备。又如中国发明专利申请200680006514.1号公开的一种下部肢体外骨骼，该包括两个可经配置以耦合至所述人体下肢且经配置以在其站立阶段期间倚靠在地面上的腿部支撑件。每一腿部支撑件包括一大腿连接段、一小腿连接段及两个膝盖关节。每一膝盖关节经配置以使各自小腿连接段与各自大腿连接段之间能够弯曲及伸展。所述下部肢体外骨骼还包括可经配置以耦合至人体上半身的外骨骼躯干。所述外骨骼躯干可以可旋转方式连接至所述腿部支撑件的大腿连接段，从而使腿部支撑件与外骨骼躯干之间能够弯曲及伸展。在此例示性实施例中，在周期性膝盖运动期间，腿部支撑件的小腿连接段与各自大腿连接段之间的弯曲及伸展运动所需的能量是由人体来提供。还有一些用于研究的旋转电机驱动型外骨骼系统。

但是，现有外骨骼采用液压缸或旋转电机作为驱动装置存在以下缺陷：1、液压油缸驱动需要较多的部件，如油箱、阀门、油缸、油路管道等。不仅增加了制造成本、重量和体积，而且增加系统热量，影响系统正常工作。另外，液压缸噪声大、控制复杂、控制难度也大。其次，能耗大(小型液压系统的效率不到70％)、液压控制系统故障高、运行可靠性差，维护工作量大。2、旋转式电机驱动的缺陷是提供的力矩小，不能满足系统要求；力矩大的旋转电机体积大，占据空间大，妨碍系统运行；系统的外骨骼动作幅度小，电机旋转角度小，难以控制且控制精确度不能满足使用要求。因此，现有外骨骼装置存在缺陷，需要进一步改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是在现有外骨骼装置的结构上进行改进，提供一种体积小、能耗低、易于控制且制造成本少的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置。

本实用新型的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置包括上部固定装置、髋关节部件、大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、电源、控制装置、传感器和驱动装置，所述髋关节部件与大腿部件活动连接，所述大腿部件与小腿部件活动连接，小腿部件与踝骨部件活动连接，所述踝骨部件与底板活动连接，所述电源与控制装置相连通，所述传感器与控制装置相连通，所述控制装置与驱动装置相连通，其特征是所述驱动装置为直线电机驱动装置。

本实用新型中所述的上部固定装置为使用时固定人体下肢外骨骼助行装置在人体上的装置或结构，可以是腰带，通过腰带束缚在人体腰部，让所述腰带与髋关节部件连接；也可以是髋关节部件延伸部，让髋关节部件延伸部束缚在人体大腿部等等。这样一来，本实用新型的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置就可以通过各种上部固定装置(束缚装置)在使用时与人体连接，起到支撑人体或/和固定助行装置的作用。

本实用新型中所述直线电机驱动装置可以是膝关节直线电机驱动装置，所述膝关节直线电机驱动装置的一端与大腿部件连接，所述膝关节直线电机驱动装置的另一端与小腿部件连接；当然，所述直线电机驱动装置也可以是髋关节直线电机驱动装置，所述髋关节直线电机驱动装置的一端与髋关节部件连接，所述髋关节直线电机驱动装置的另一端与大腿部件连接；还可以是踝骨部直线电机驱动装置，所述踝骨部直线电机驱动装置一端与小腿部件传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置另一端与底板传动连接。必要时，所述直线电机驱动装置甚至可以由膝关节直线电机驱动装置、髋关节直线电机驱动装置和踝骨部直线电机驱动装置共同构成。根据具体使用情况，所述直线电机驱动装置也可以任意搭配组合。

本实用新型中所述控制装置和电源，为直线电机驱动装置提供控制信号和电力，可以根据使用情况安装在前胸或腰带部位，只要与直线电机驱动装置连通即可。

本实用新型中所述的直线电机驱动装置，包括磁轴直线电机、直线伺服电机、直线步进电机、圆筒式直线电机、管形直线电机、线性磁轴电机等所有将电能转换为直线动作能的电机。直线电机驱动装置设置在大腿与小腿之间。直线电机驱动装置的一端与大腿部件连接，另一端与小腿部件连接，即是指直线电机驱动装置的两头位于大腿部件与小腿部件相应的连接部位。

当直线电机(包括磁轴直线电机、直线伺服电机、直线步进电机、圆筒式直线电机、管形直线电机、线性磁轴电机等所有将电能转换为直线动作能的电机)驱动装置收到控制装置信号进行推动时，会作出与现有液压缸驱动装置相同的动作，即让髋关节部件与大腿部件、大腿部件与小腿部件围绕活动连接部分(活动关节或绞结)进行扇面运动。本实用新型中所述大腿部件、小腿部件、踝骨部件和底板均仿造人体左右腿形式，既可以为辅助治疗为目的，只生产有左或右腿的产品，也可以只生产只驱动大腿动作或只驱动小腿动作的产品，也可以生产同时具备大小腿都有驱动的产品。

本实用新型中所述外骨骼由金属或塑料或高分子材料制成，所述髋关节部件由金属或塑料或高分子材料制成，所述大腿部件由金属或塑料或高分子材料制成，所述小腿部件由金属或塑料或高分子材料制成，所述踝骨部件由金属或塑料或高分子材料制成，所述底板由金属或塑料或高分子材料制成。

本实用新型所述的直线电机驱动装置为电力驱动的直线运动的直线电机。直线电机(包括磁轴直线电机、直线伺服电机、直线步进电机、圆筒式直线电机、管形直线电机、线性磁轴电机等所有将电能转换为直线动作能的电机)装置，可以任意安装在外骨骼系统的髋关节、膝关节、踝关节部位。在系统控制装置的控制下，通过直线运动的直线电机驱动装置推动外骨骼的大腿部件、小腿部件、脚掌部件随人体相应部位的动作做基本相同的前后或上下摆动或伸缩，给行走的人体提供助力。

本实用新型的要点是采用把电能直接转换成直线运动的机械能作为人体外骨骼下肢和外骨骼下肢关节的动作动力。

本实用新型是采用把电能直接转换成直线运动的直线电机驱动装置，也可以是磁轴直线电机、直线伺服电机、直线步进电机、圆筒式直线电机、管形直线电机、线性磁轴电机等所有将电能转换为直线动作能的电机。直线电机分别装置在人体外骨骼的髋关节、膝关节、踝关节部位，或上述关节中的一处、两处或三处。给人体行走提供助力。

本实用新型为一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，模拟下肢健全的人行走时两条腿交替运动。行走时，一条腿为支撑腿，在行走中承受人体身体重量和人体身上的负重；另一条腿为非支撑腿，向前迈步，然后接触地面，转换成支撑腿。此前的支撑腿成为迈步腿，此前的迈步腿转换成为支撑腿....。人继续行走，则继续这些动作的循环。此时，人体下肢外骨骼助行装置的驱动直线电机在装置中控制器的指令下，进行伸或缩的直线运动，推动小腿(或大腿)作向前或向后、向上或向下的摆动动作，达到帮助人体行走的目的。

本实用新型中所述直线电机驱动装置提供助力的人体下肢外骨骼助行装置的助力原理是：外骨骼助力系统通过检测装置在人体肌肉或骨骼的压力或动作传感器的动作信号或压力信号，或者大、小腿的角度或位置信号，被检测出的信号送到装置控制系统分析处理，控制系统根据预置的程序，适时向执行部件发出指令，控制直线电机作推进或收缩的直线运动，从而改变人体外骨骼关节和部件的角度或位置，给人体行走提供助力。本实用新型主要用于人体下肢障碍者助力，帮助其模仿正常摆动，有利于下肢障碍者恢复健康。本实用新型还可以用于其它给人体行走提供助力的场合。

本实用新型中所述控制装置是采用计算机控制。传感器采集到的压力信号和肢体动作信号传递给计算机，计算机对信号进行分析处理，根据预置的程序，适时向电机发出开关信号、正反转信号，或者控制输送给电机的电压或电流或频率，控制电机运行、停止、正转、反转、加速、减速。直线电机在系统控制下作出相应的推进、收缩、加速、减速、停止等预定动作。本实用新型中所述控制元件如压力传感器、继电器等都是采用常规通用产品。本实用新型中所采用的把电能直接转换成直线电机(包括磁轴直线电机、直线伺服电机、直线步进电机、圆筒式直线电机、管形直线电机、线性磁轴电机等所有将电能转换为直线动作能的电机)的参数如下但不限于以下参数：

采用移动直流电源；

推力：1N-300N；

速度：0.1m-1000m/s；

行程：10mm-300mm；

功率：50W-1000W；

名称、型号和生产厂家(但不限于下列种类和生产厂)：

线性磁轴电机型号：S040D、S040T、S040Q、S080D、S080T、S080Q、S120D、S120T、S120Q；TSL2504、TSL2505、TSL2507等

步进直线电机：LBM57400

圆筒直线电机(直线同步电机)型号：LSMC200201、LSMC400401

管形直线电机

生产企业：深圳泰科电机有限公司、南京思展科技有限公司、日脉贸易(上海)有限公司、郑州微纳科技有限公司、深圳大族电机科技有限公司等。

与前述现有同类产品相比，本实用新型的一种用直线电机驱动的人体外骨骼负重行走助力装置体积小、能耗低、易于控制且制造成本少。

本实用新型的内容结合以下实施例作更进一步的说明，但本实用新型的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

附图说明

图1是实施例1中一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置的结构示意图。

图2是实施例2中一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置的结构示意图。

图3是实施例3中一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置的结构示意图。

图4是实施例4中一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置的结构示意图。

图5是实施例5中一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置的结构示意图。

图6是实施例6中一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例中所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置包括上部固定装置、髋关节部件1、大腿部件2、小腿部件3、踝骨部件4、底板5、电源6、控制装置7、传感器8和驱动装置，所述髋关节部件1与大腿部件2活动连接，所述大腿部件2与小腿部件3活动连接，小腿部件3与踝骨部件4活动连接，所述踝骨部件4与底板5活动连接，所述电源6与控制装置7相连通，所述传感器8与控制装置7相连通，所述控制装置7与驱动装置相连通，其特征是所述驱动装置为直线电机驱动装置。

本实施例中所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是所述直线电机驱动装置为膝关节直线电机驱动装置9，所述膝关节直线电机驱动装置9的一端与大腿部件2连接，所述膝关节直线电机驱动装置9的另一端与小腿部件3连接。

本实施例中所述上部固定装置为腰带10，所述腰带10与髋关节部件1连接。

本实施例中所述一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置工作过程与现有外骨骼工作过程类似，此处不再赘述。

实施例2：如图2所示，本实施例与实施例1相似，所不同的是所述直线电机驱动装置为髋关节直线电机驱动装置11，所述髋关节直线电机驱动装置11的一端与髋关节部件1连接，所述髋关节直线电机驱动装置11的另一端与大腿部件2连接。

实施例3：如图3所示，本实施例与实施例1相似，所不同的是所述直线电机驱动装置为踝骨部直线电机驱动装置12，所述踝骨部直线电机驱动装置12一端与小腿部件3传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置12另一端与底板5传动连接。

实施例4：如图4所示，本实施例与实施例1相似，所不同的是还具有踝骨部直线电机驱动装置12，所述踝骨部直线电机驱动装置12一端与小腿部件3传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置12另一端与底板5传动连接。

实施例5：如图5所示，本实施例与实施例1相似，所不同的是还具有髋关节直线电机驱动装置11，所述髋关节直线电机驱动装置11的一端与髋关节部件1连接，所述髋关节直线电机驱动装置11的另一端与大腿部件2连接。

实施例6：如图6所示，本实施例与实施例5相似，所不同的是还具有踝骨部直线电机驱动装置12，所述踝骨部直线电机驱动装置12一端与小腿部件3传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置12另一端与底板5传动连接。

本实施例中所述上部固定装置为髋关节部件延伸部13。

Claims

1.一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，包括上部固定装置、髋关节部件、大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、电源、控制装置、传感器和驱动装置，所述髋关节部件与大腿部件活动连接，所述大腿部件与小腿部件活动连接，小腿部件与踝骨部件活动连接，所述踝骨部件与底板活动连接，所述电源与控制装置相连通，所述传感器与控制装置相连通，所述控制装置与驱动装置相连通，其特征是所述驱动装置为直线电机驱动装置。

2.如权利要求1所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是所述直线电机驱动装置为膝关节直线电机驱动装置，所述膝关节直线电机驱动装置的一端与大腿部件连接，所述膝关节直线电机驱动装置的另一端与小腿部件连接。

3.如权利要求1所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是所述直线电机驱动装置为髋关节直线电机驱动装置，所述髋关节直线电机驱动装置的一端与髋关节部件连接，所述髋关节直线电机驱动装置的另一端与大腿部件连接。

4.如权利要求1所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是所述直线电机驱动装置为踝骨部直线电机驱动装置，所述踝骨部直线电机驱动装置一端与小腿部件传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置另一端与底板传动连接。

5.如权利要求1所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是所述上部固定装置为腰带，所述腰带与髋关节部件连接。

6.如权利要求1所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是所述上部固定装置为髋关节部件延伸部。

7.如权利要求2或3或5或6所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是还具有踝骨部直线电机驱动装置，所述踝骨部直线电机驱动装置一端与小腿部件传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置另一端与底板传动连接。

8.如权利要求2或4或5或6所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是还具有髋关节直线电机驱动装置，所述髋关节直线电机驱动装置的一端与髋关节部件连接，所述髋关节直线电机驱动装置的另一端与大腿部件连接。

9.如权利要求8所述的一种用直线电机驱动的人体下肢外骨骼助行装置，其特征是还具有踝骨部直线电机驱动装置，所述踝骨部直线电机驱动装置一端与小腿部件传动连接，所述踝骨部直线电机驱动装置另一端与底板传动连接。