CN107233193A - 一种可穿戴式下肢外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种医疗康复器械技术领域，具体为一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其包括：环腰支臂、控制背包和行走支架，环腰支臂下方通过固定平板与控制背包相连，环腰支臂下方还设有行走支架，行走支架四个关节位置对应设有电机组件。本发明结构简单，成本低廉，坚实可靠耐用，只需要四个关节位置的电机驱动即可实现自主行走和单腿单脚的康复练习，避免了传统采用屈伸电机和旋转电机配合，其行走舒适性差的特点。

Description

一种可穿戴式下肢外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及医疗康复技术领域，特别是一种可穿戴式下肢外骨骼机器人。
背景技术
随着社会经济的快速发展，目前，对残疾人的康复治疗进行也推进的十分迅速。据统计，我国由于中风、脊髓损伤以及各种交通事故引起的肢体功能障碍患者多达几百万，而这些人中，大部分可以通过训练改善肢体功能。传统的康复训练是通过专业医生手把手教导，并借助拐杖或辅助器械让患者可以自行行走，这种方法对恢复患者的生理和心理健康具有重大的意义，同时还能减少对医生、护士的依赖，增强患者在康复过程中的生活自理能力，有着明显的效果。
专利申请号：201110029533.9公开一种外骨骼可穿戴式康复机器人，包括：下肢外骨骼，穿戴于患者下肢及腰部；肩部外骨骼，穿戴于患者肩部，位于下肢外骨骼上方；上肢外骨骼，分为左右上肢外骨骼，穿戴于患者上肢，分别位于肩部外骨骼的大臂部分的下方。该专利结构复杂，不仅包括上肢部分，还有手指部分，可以预见成本极其高昂，同时由于零部件过多，其故障率也相应的增加，同时其采用屈伸电机和旋转电机配合，其行走时，不仅进行屈伸，同时旋转，不符合人体行走的特点，其舒适性差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，本申请结构简单，成本低廉，坚实可靠耐用，只需要四个关节位置的电机驱动即可实现自主行走和单腿单脚的康复练习，避免了传统采用屈伸电机和旋转电机配合，其行走舒适性差的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，包括控制背包、行走支架和电机组件；
所述行走支架包括环腰支臂、左大腿杆、左小腿杆、右大腿杆和右小腿杆；所述电机组件包括左大腿电机机构、左小腿电机机构、右大腿电机机构和右小腿电机机构；所述左大腿电机机构、所述左小腿电机机构、所述右大腿电机机构以及所述右小腿电机机构分别由减速机和步进电机构成；
所述环腰支臂为弯折的U字型结构，所述环腰支臂设有左扶杆和右扶杆，所述左扶杆和所述右扶杆上分别设有用于搁放手肘的左扶手板和右扶手板，所述左扶杆和所述右扶杆的端头位置还分别设有手柄，所述环腰支臂下方焊接有固定平板，所述固定平板上通过螺钉固定有控制背包；
所述左扶手板和所述右扶手板的下方还设有向下延伸的圆形板，所述圆形板上设有若干固定螺孔，所述左扶手板通过圆形板与所述左大腿电机机构以及所述左大腿杆的上端固定为一体，所述右扶手板通过圆形板与所述右大腿电机机构以及所述右大腿杆的上端固定为一体；所述左大腿杆的下端通过所述左小腿电机机构与所述左小腿杆的上端相连，所述右大腿杆的下端通过所述右小腿电机机构与所述右小腿杆的上端相连。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述左小腿杆的下端以及所述右小腿杆的下端还分别设有用于支撑平衡的鸡爪结构。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述控制背包包括壳体、PCB电路板和蓄电池，所述PCB电路板和所述蓄电池设于所述壳体内，所述壳体上还设有与蓄电池电路相连的充电接口，所述蓄电池还通过线路分别与左大腿电机机构、左小腿电机机构、右大腿电机机构和右小腿电机机构电路相连，所述PCB电路板还通过信号线分别与左大腿电机机构、左小腿电机机构、右大腿电机机构和右小腿电机机构相连。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述左大腿杆、所述左小腿杆、所述右大腿杆和所述右小腿杆分别设有绑带板，所述绑带板上设有若干用于与用户肢体绑定的绑带孔。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述左大腿电机机构、所述左小腿电机机构、所述右大腿电机机构和所述右小腿电机机构上分别设有用于限制步进电机和减速机转动角度过大的限位板。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述手柄包括左手柄和右手柄，所述右手柄上设有连续走按钮、提右脚按钮和提右腿按钮，所述左手柄上设有急停按钮、提左脚按钮和提左腿按钮。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述左扶手板和所述右扶手板中间还分别设有用于嵌入左扶杆和右扶杆的凹槽结构。
进一步的，在本发明优选的实施例中，所述减速机为精密RV减速机。
本发明的有益效果是：
(1)只需要四个关节位置的电机驱动即可实现自主行走和单腿单脚的康复练习，避免了传统采用屈伸电机和旋转电机配合，其行走舒适性差的特点；
(2)总共只包含十个主要零件，以一个环腰支臂为主体链接整个结构，结构简单，坚实可靠耐用，同时故障率低，成本低廉；
(3)操作简单，能通过手柄的按钮实现连续行走、急停以及单腿单脚练习等功能；
(4)稳定性强，前后左右以科学配重实现自平衡，底部设有鸡爪结构构成四点定一面，使得行走和站立时的平衡性强；
(5)有硬体的限位开关，能保障患者的安全性，避免控制背包失灵或软件出错时移动范围超过人体极限的情况发生；
(6)采用精密的RV减速机，能实现对运动的精密控制，增强了用户使用的体验感。
附图说明
图1为本发明下肢外骨骼机器人的立体图；
图2为本发明下肢外骨骼机器人的正视图；
图3为本发明左扶手板的左视图；
图4为本发明左扶手板的立体结构示意图；
图5为本发明左小腿杆的结构示意图；
图6为本发明左小腿杆的立体结构示意图；
图7为本发明右大腿杆的结构示意图；
图8为本发明环腰支臂的结构示意图；
图9为本发明减速机的结构示意图；
图中，102-固定螺孔，103-圆形板，104-凹槽结构，105-左小腿杆，106-绑带板，107-鸡爪结构，108-限位板，109-右大腿杆，110-环腰支臂，111-固定平板，112-右扶手杆，113-左扶手杆，114-右手柄，115-左手柄，116-右扶手板，117-左扶手板，118-左大腿电机机构，119-右大腿电机机构，120-左小腿电机机构，121-右小腿电机机构，122-左大腿杆，123-右小腿杆，124-控制背包。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，请参阅附图1-附图2所示，包括控制背包124、行走支架和电机组件；
所述行走支架包括环腰支臂110、左大腿杆122、左小腿杆105、右大腿杆109和右小腿杆123；所述电机组件包括左大腿电机机构118、左小腿电机机构120、右大腿电机机构119和右小腿电机机构121；所述左大腿电机机构118、所述左小腿电机机构120、所述右大腿电机机构119以及所述右小腿电机机构121分别由减速机和步进电机构成；
所述环腰支臂110为弯折的U字型结构，请参阅附图8所示，所述环腰支臂110设有左扶杆115和右扶杆112，所述左扶杆113和所述右扶杆112上分别设有用于搁放手肘的左扶手板117和右扶手板116，所述左扶杆113和所述右扶杆112的端头位置还分别设有手柄，所述环腰支臂110下方焊接有固定平板111，所述固定平板111上通过螺钉固定有控制背包124；
请参阅附图3和附图4所示，所述左扶手板117和所述右扶手板116的下方还设有向下延伸的圆形板103，所述圆形板103上设有若干固定螺孔102，所述左扶手板117通过圆形板103与所述左大腿电机机构118以及所述左大腿杆122的上端固定为一体，所述右扶手板116通过圆形板103与所述右大腿电机机构119以及所述右大腿杆109的上端固定为一体；所述左大腿杆122的下端通过所述左小腿电机机构120与所述左小腿杆105的上端相连，所述右大腿杆109的下端通过所述右小腿电机机构121与所述右小腿杆123的上端相连。
进一步的，在本实施例中，请参阅附图5所示，所述左小腿杆105的下端以及所述右小腿杆123的下端还分别设有用于支撑平衡的鸡爪结构107。
具体的，所述控制背包124包括壳体、PCB电路板和蓄电池，所述PCB电路板和所述蓄电池设于所述壳体内，所述壳体上还设有与蓄电池电路相连的充电接口，所述蓄电池还通过线路分别与左大腿电机机构118、左小腿电机机构120、右大腿电机机构119和右小腿电机机构121电路相连，所述PCB电路板还通过信号线分别与左大腿电机机构118、左小腿电机机构120、右大腿电机机构119和右小腿电机机构121相连。
需要说明的是，所述手柄包括左手柄115和右手柄114，所述右手柄114上设有连续走按钮、提右脚按钮和提右腿按钮，所述左手柄115上设有急停按钮、提左脚按钮和提左腿按钮。
本实施例所述下肢外骨骼机器人可以自行站立和行走，支撑自身重量，不会给患者带来负担，患者能够使用手柄上的六个按钮：连续行走按钮、急停按钮、单步提左脚按钮、单步提右脚按钮、单步提左腿按钮、单步提右腿按钮，这样患者即能自主练习行走，也能单独练习单只的腿或脚的运动。
在本实施例中，整个电机组件的工作主要依靠背后的蓄电池驱动，能够一定程度让患者恢复自主走动，增强患者康复的信心。同时当蓄电池没电时，能够通过控制背包124后方的电源接口与市电相连，对蓄电池进行充电。
进一步的，在本实施例中，请参阅附图5、附图6和附图7所示，所述左大腿杆122、所述左小腿杆105、所述右大腿杆109和所述右小腿杆123分别设有绑带板106，所述绑带板106上设有若干用于与用户肢体绑定的绑带孔。
具体的，所述左大腿电机机构118、所述左小腿电机机构120、所述右大腿电机机构119和所述右小腿电机机构121上分别设有用于限制步进电机和减速机转动角度过大的限位板108，该限位板108避免了电机组件旋转的角度过大，带动患者的肢***移超过人体极限的情况发生，保障了患者的使用安全性，避免控制背包124失灵或软件出错造成恶意影响。
优选的，所述左扶手板117和所述右扶手板116中间还分别设有用于嵌入左扶杆113和右扶杆112的凹槽结构，左扶手板117和右扶手板116分别焊接于所述环腰支臂110上，使得患者在使用过程中，能达到整个装置的平衡。
进一步的，在本实施例中，请参阅附图9所示，所述减速机为精密RV减速机。
需要说明的是，本实施例所述环腰支臂110为环腰不锈钢管，控制背包124里面装的是PCB电路板和蓄电池，在环腰支臂110左右两侧分别焊接有一块扶手板，扶手板与下面的减速机相连接，减速机又分别与步进电机和大腿杆相连，大腿杆上设有限位板108，以保证其运动的范围，左小腿杆105和右小腿杆123的底部为脚掌，其结构类似鸡爪，能左右配合后稳定站立。步进电机在工作时通过减速机将其力量放大一百倍，再通过控制背包124即可精确控制四个步进电机的转动方向和角度。
本实施例所述下肢外骨骼机器人只需要四个关节位置的电机驱动即可实现自主行走和单腿单脚的康复练***衡，底部设有鸡爪结构107构成四点定一面，使得行走和站立时的平衡性强；有硬体的限位开关，能保障患者的安全性，避免控制背包失灵或软件出错时移动范围超过人体极限的情况发生；采用精密的RV减速机，能实现对运动的精密控制，增强了用户使用的体验感。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括控制背包、行走支架和电机组件；
所述行走支架包括环腰支臂、左大腿杆、左小腿杆、右大腿杆和右小腿杆；所述电机组件包括左大腿电机机构、左小腿电机机构、右大腿电机机构和右小腿电机机构；所述左大腿电机机构、所述左小腿电机机构、所述右大腿电机机构以及所述右小腿电机机构分别由减速机和步进电机构成；
所述环腰支臂为弯折的U字型结构，所述环腰支臂设有左扶杆和右扶杆，所述左扶杆和所述右扶杆上分别设有用于搁放手肘的左扶手板和右扶手板，所述左扶杆和所述右扶杆的端头位置还分别设有手柄，所述环腰支臂下方焊接有固定平板，所述固定平板上通过螺钉固定有控制背包；
所述左扶手板和所述右扶手板的下方还设有向下延伸的圆形板，所述圆形板上设有若干固定螺孔，所述左扶手板通过圆形板与所述左大腿电机机构以及所述左大腿杆的上端固定为一体，所述右扶手板通过圆形板与所述右大腿电机机构以及所述右大腿杆的上端固定为一体；所述左大腿杆的下端通过所述左小腿电机机构与所述左小腿杆的上端相连，所述右大腿杆的下端通过所述右小腿电机机构与所述右小腿杆的上端相连。
2.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述左小腿杆的下端以及所述右小腿杆的下端还分别设有用于支撑平衡的鸡爪结构。
3.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述控制背包包括壳体、PCB电路板和蓄电池，所述PCB电路板和所述蓄电池设于所述壳体内，所述壳体上还设有与蓄电池电路相连的充电接口，所述蓄电池还通过线路分别与左大腿电机机构、左小腿电机机构、右大腿电机机构和右小腿电机机构电路相连，所述PCB电路板还通过信号线分别与左大腿电机机构、左小腿电机机构、右大腿电机机构和右小腿电机机构相连。
4.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述左大腿杆、所述左小腿杆、所述右大腿杆和所述右小腿杆分别设有绑带板，所述绑带板上设有若干用于与用户肢体绑定的绑带孔。
5.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述左大腿电机机构、所述左小腿电机机构、所述右大腿电机机构和所述右小腿电机机构上分别设有用于限制步进电机和减速机转动角度过大的限位板。
6.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述手柄包括左手柄和右手柄，所述右手柄上设有连续走按钮、提右脚按钮和提右腿按钮，所述左手柄上设有急停按钮、提左脚按钮和提左腿按钮。
7.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述左扶手板和所述右扶手板中间还分别设有用于嵌入左扶杆和右扶杆的凹槽结构。
8.根据权利要求1所述一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述减速机为精密RV减速机。
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