CN204121372U - 一种穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有辅助行走减压功能的外骨骼机器人装置。本装置主要包括左右外骨骼机械腿、内部支撑腿、伸缩腰带、测力鞋、电动驱动缸、控制器、蓄电池、销轴、紧定螺栓、弹簧等。其特征在于，在控制系统的控制下，安装在左右外骨骼机械腿髋部和膝部的驱动缸可以驱动髋部和膝部转动，内部支撑腿可以承担人体一部分压力，从而减轻膝盖的压力。尤其人伫立时可以当座椅使用，非常适合不能长时间行走的老人、残疾人或者风湿病患者。该装置采用电机驱动，响应精度高而且可以根据人体自身要求调节高度，适合穿戴。
Description
技术领域
本发明涉及一种外骨骼助力机器人，具体涉及一种用于可供人体穿戴辅助人体行走且能够减压休息的外骨骼助力机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
目前国内外都在下肢外骨骼助力装置方面做了大量的研究，其中很多用于辅助残疾人、病人的康复治疗，在医疗辅助器械等领域也展开了大量的研究，也取得了很多显著地成果。但是，这些外骨骼机器人的成本极其昂贵，且结构复杂、维护成本高。需要指出的一点，这些外骨骼机器人只是辅助人体行走，但不能减轻膝盖的压力。
外骨骼助行机器人有被动式和主动式，主动式是依靠外部提供动力驱动人体下肢运动，其中要求外骨骼能够达到人机协同，不产生阻力干涉。但是主要研究都是放在外骨骼驱动上，没有重点放在减压上，老人、残疾人以及患有风湿的病人，膝盖往往不能承受过大的力，如何减轻患者膝盖上面的压力具有重要的研究价值。
一种具有辅助行走减压功能的外骨骼机器人是根据人机合作机器人原理，通过外部驱动力模仿人体行走，并能承担一部分压力来实现助行减压功能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术不足，提供了一种助行减压外骨骼机器人，满足人体下肢实际步态运动要求，结构简单、高度可调。适合人群范围广。整套机器人机构紧凑，稳定安全能够实现辅助行走减压的功能。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：本发明的一种具有助行减压功能 的外骨骼机器人包括控制机构和驱动机构以及外骨骼机构。控制系统与驱动系统连接，驱动系统与外骨骼支架连接。控制系统控制驱动系统，驱动系统具体实现外骨骼机构模拟人体的行走。其中，左右两个外骨骼机械腿通过电动缸驱动为主动式，内部四条支撑腿为被动式，即形成外部驱动，内部支撑的格局。人体行走时靠外部两条腿驱动，站立时靠内部四条腿支撑。
所述外骨骼支架包括左右外骨骼腿、内部支撑腿、伸缩腰带、电驱动缸、测力鞋、伸缩腰带、后背支撑架。其中外骨骼腿包括大腿支撑架和小腿支撑架，其中大腿连接杆固套可以插装在大腿下连接杆上，通过螺栓固定，这样大腿杆的长度就能实现调节，能适应不同高矮穿戴者，增强穿戴的通用性。同样，小腿的连接杆也分为上下两节，上节连接杆能够插入下一节，通过螺栓固定实现伸缩。大小腿及穿戴系统、驱动系统都可以实现拆装，便于运输和存放。内部支撑腿包括大腿支撑架和小腿支撑架也是由上下两节组成，其中大腿支撑架上节与座椅架连接，小腿支撑架下节与测力鞋连接。其中，大小腿也是分为上下两节，原理与左右外骨骼腿一致，通过上下两节的伸缩来调节高度。伸缩腰带后背与电池支撑架连接，两侧分别与左右外骨骼腿大腿上节相连。伸缩腰带有前后左右四处可以调节，来实现腰带的伸缩，以便满足胖瘦人群的需要。其中后背电池支撑架与左右外骨骼腿通过电驱动缸连接。后背支撑架固定在腰带上，由人体背负。电池与控制器连接在一起，固定在后背支撑架上。
内部四条支撑腿的膝关节处分别安装两个弹簧，用来稳固内支撑腿。左右外骨骼腿上分别装有绑带可以捆缚人体的大小腿和外骨骼机械腿，实现人机协同运动。
内部四条支撑腿支撑着座椅架，座椅架的高度正好可以调节到人体胯部，人可以骑在上面。座椅架与四条支撑腿通过销轴来连接。内部四条支撑腿下端分别通过销轴连接测力鞋的两端。
控制系统通过数据线与测力鞋和电动缸连接。测力鞋通过上面安装的传感器 收集到压力信号通过数据线传输到控制系统，控制系统然后根据压力信号做出反应，将控制信号通过数据线传输到电动缸，电动缸驱动左右外骨骼腿运动。
所述的膝关节驱动电机及髋关节屈伸电机采用蓄电池作为驱动电源。蓄电池可以提供货长时间的动力供给，携带安装都很方便。
本发明相对现有技术具有以下优点：
相比较其他同类产品，增加四条内部支撑腿，能够减轻老人、残疾人、风湿病患者在行走过程中或者伫立时膝盖所受的压力；
左右外骨骼大腿、内部支撑腿都采用类套杆设计，结合螺丝无级调节长度，使得各个关节外骨骼能够良好贴合患者关节，同时减轻重量，减轻患者负担；
采用电动驱动缸作为动力源，响应灵敏，易于控制。采用蓄电池供电，输出稳定，能够提供更长时间的动力；
本装置整体结构简单，操作简便，易于穿戴，成本低，适用人群广；
附图说明
图1为具有辅助行走减压功能的外骨骼机器人结构示意图；
图2为机械外骨骼外部支撑腿和内部支撑腿结构示意图。
图3为外骨骼髋部驱动系统示意图
具体实施方式
如图1所示，所述具有辅助行走减压功能的外骨骼机器人包括：左右机械外骨骼腿(2、5、6、8)；内部支撑腿(14、15、17、18)；伸缩腰带11；其中测力鞋1直接穿在脚上。左右外骨骼小腿下肢2与测力鞋相连，可以驱动踝关节自由度。小腿上肢5与下肢2相连，可以通过调节螺丝无级调节长度，通过绑带4绑定穿戴者的小腿。小腿上肢5与大腿下节6通过销轴相连，具有一个自由度。左右外骨骼大腿下节6与上节8相连，可以通过调节螺丝无级调节长度，大腿下节6通过绑带绑定穿戴者 大腿。外骨骼大腿上节8与腰带11相连。腰带11前后左右四个中心点可以通过螺栓来调节腰带的长度，以适应穿戴者的体型。腰带11与后背支撑架9通过螺栓连接，后背支撑架用来固定蓄电池和控制机构10。外骨骼大腿上节8与后背支撑架9通过电动驱动缸相连。通过固定在后背支撑架上的电动驱动缸的屈伸来驱动外骨骼大腿的屈伸。
如图2示，外骨骼机器人的外部驱动腿系统由大腿下节6、小腿上节5、连接件14、电动驱动缸14组成。当电动驱动缸收到单片机发出的信号时，驱动缸的伸缩杆伸长，这样，伸长杆的直线运动会使大腿下节6和小腿上节5做旋转运动，即完成屈膝的动作。
内部支撑腿系统小腿18与测力鞋1相连，这以驱动踝关节自由度。内部支撑腿小腿上节17与下节18相连，可以通过调节螺丝无级调节长度，内部支撑腿大腿下节15与小腿上节17通过销轴相连，具有一个自由度。大腿下节15与大腿上节13相连，可以通过调节螺丝无级调节长度。内部支撑腿大腿下节15与小腿上节17之间连接一个弹簧16，用来稳固内部支撑腿防止左右摇摆。
如图2示，内部支撑腿大腿上节13与座椅12相连。穿戴者可以骑坐在上面，减轻膝盖的压力。当穿戴者伫立时可以起座椅的作用。
如图3示，后背支撑架9固定24V的蓄电池作为电源，驱动电机，使得本装置拥有便于携带的特点。和蓄电池固定在一起的是单片机，可以根据测力鞋上的传感器传来的信号控制电动驱动缸。
工作过程：事先将编好的程序输入到单片机10中，穿戴者按要求穿戴好本装置。可以根据自己身体的要求调解外骨骼腿的高度和腰带11的松紧度。当穿戴者行走时，测力鞋1会收集到人体足部给传感器的压力，判断力的分布情况，并将信号传输给单片机10。单片机根据传输过来的信号，分别控制左右外骨骼腿上的电动缸7屈伸量，从而达到控制各个关节转动的角度。来控制髋部和膝部的运动。同时，穿戴者根 据自身的高度调节好内部支撑腿(14、15、17、18)的高度，使人体可以骑坐在座椅12上，并能够分担一部分压力。内部支撑腿是被动式的，它的运动和左右外骨骼腿的运动同步。
以上是对本实用新型进行的描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实例，而是涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改，等效组合。
Claims (6)
1.一种穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置，其包括左右外骨骼支撑腿(1、5、6、8)、内部支撑腿(13、15、17、18)、髋部驱动系统、膝部驱动系统、控制系统；其特征在于左右外骨骼支撑架与伸缩腰带(11)固接，下端连接压力测力鞋(1)；一组驱动缸(7)通过螺栓固定在支撑腿的大腿上通过驱动缸(7)的伸缩端与固定在小腿上的连接片(14)连接；通过驱动缸的伸缩运动来驱动外骨骼支架运动；另一组驱动缸与腰带后支撑架(9)一端固定连接，另一端与外骨骼的髋部连接；内部支撑架通过销轴连接上下两节，连接部分两端固定弹簧(16)，上节支撑架与座椅(12)通过螺栓连接下端与测力鞋(1)通过销轴连接；整套装置是通过内部支撑腿起支撑减压，由控制系统控制外部支撑腿起驱动的作用来实现穿戴者的助力减压功能。
2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置，其特征在于有六条外骨骼机械腿，即内部四条外部两条，每条机械腿都包含有髋关节、膝关节和踝关节三个关节，每个关节有一个自由度，均为转动连接；在髋关节和膝关节处都安装有电动驱动缸(7)；踝关节处与测力鞋(1)转动连接，测力鞋(1)上安装有压力传感器。
3.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置，其特征在于内部四条机械腿(13、15、17、18)顶端与座椅架(12)通过螺栓连接，下端与测力鞋(1)内侧通过销轴连接。
4.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置，其特征在于六条外骨骼机械腿都是通过紧定螺栓来连接与调节高度。
5.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置，其特征在于内部四条机械腿膝关节处分别安装两个弹簧(16)，起到固定保护作用。
6.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行减压机器人装置，其特征在于腰带(11)与外侧两条机械腿通过螺栓连接，同时通过调节螺栓来伸缩；腰带(11)后面与电池支撑架(9)也通过螺栓来连接，电池与控制器(10)连接在一起固定在后支撑架上。
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