CN110584954A - 一种柔性连续体驱动型外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性连续体驱动型外骨骼机器人，包括行走平台、以吊臂悬吊于所述行走平台上方的减重支架以及外骨骼本体机构，所述减重支架的悬臂将一对吊钩垂吊于行走平台的上方，所述外骨骼本体机构包括髋关节穿戴组件、一对膝关节穿戴组件和背包组件；髋关节穿戴组件的髋关节柔性执行器及膝关节穿戴组件的膝关节柔性执行器分别由对应的上、下支撑环与弹性气管束组构成，通过气压伺服阀调节管中气压的大小，进而在管束中产生压差，实现连续体柔性关节的2自由度弯曲运动。本发明的机器人与穿戴者之间完全为柔顺接触，有效提高了机器人穿戴舒适性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼康复机器人技术领域，更具体地说是一种柔性连续体驱动型外骨骼机器人。
背景技术
脑卒中或脊髓损伤会给患者造成永久性的运动功能障碍。临床研究表明，外骨骼康复机器人辅助治疗能很好地促进脑卒中和脊髓损伤患者下肢的运动功能恢复。通过外骨骼康复机器人技术恢复两类患者的运动能力，对于有效缓解老龄与残障人群的社会服务压力及加快培育新兴产业具有重要的战略意义。但是，现有外骨骼机器人机构与传动刚性强，材料抗冲击性小，结构笨重与穿戴不便，限制了穿戴者运动的舒适性和灵活性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，为脑卒中和脊髓损伤引致的神经性肢体损伤患者进行下肢运动功能恢复提供一种结构轻便、穿戴舒适的柔性连续体驱动型外骨骼机器人。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其结构特点是：
包括行走平台、以吊臂悬吊于所述行走平台上方的减重支架以及外骨骼本体机构，所述减重支架的悬臂将一对吊环垂吊于行走平台的上方，所述外骨骼本体机构包括髋关节穿戴组件、一对膝关节穿戴组件和背包组件；
所述髋关节穿戴组件穿戴于用户的髋部，以髋关节弹性布料层紧密包覆于髋关节柔性执行器外，所述髋关节柔性执行器的四组髋关节弹性气管束组以两两前后相对形成一对，并以两对髋关节弹性气管束组呈左右对称布置于髋部左右端；每组髋关节弹性气管束组的多支髋关节弹性气管均是竖直地贴靠于髋部，向下延伸至下肢上端部，且沿周向等间距分布，两管端分别于髋关节穿戴组件的顶端及底端露出，对应作为髋关节进气孔与出气孔；每组髋关节弹性气管束组的多个髋关节进气孔经对应的各髋关节进气支管汇聚形成一个髋关节主进气口，多个髋关节出气孔经对应的各髋关节出气支管汇聚形成一个髋关节主出气口；
一对膝关节穿戴组件穿戴于用户的一对膝部，所述膝关节穿戴组件是以膝关节弹性布料层包覆于膝关节柔性执行器外，所述膝关节柔性执行器以两组膝关节弹性气管束组呈前后对称地贴靠于膝部的前后侧，所述膝关节弹性气管束组的多支膝关节弹性气管竖直且沿周向等间距分布，两管端分别于膝关节穿戴组件的顶端及底端露出，对应作为膝关节进气孔与出气孔；每组膝关节弹性气管束组的多个膝关节进气孔经对应的各膝关节进气支管汇聚形成一个膝关节主进气口，多个膝关节出气孔经对应的各膝关节出气支管汇聚形成一个膝关节主出气口；
所述背包组件包括背包及内置于背包中的控制模块、分别相连且受控于所述控制模块的气压源、单向阀、气动三联件、截止阀、八个气压伺服阀，以及进气管组、出气管组与***，由气压源提供气源、经进气管组的主进气管输出，并由进气管组的八个支进气管分别通过八个气压伺服阀向四组髋关节主进气口与四组膝关节主进气口输入，经四组髋关节主出气口与四组膝关节主出气口输出的气流分别通过八个气压伺服阀输出，经出气管组的八个支出气管汇流至出气管组的主出气管，由所述主出气管经所述***输出。
本发明的结构特点也在于：
所述髋关节柔性执行器是以长圆形第一上支撑环与呈左右对称分处于所述第一上支撑环两侧半圆环段正下方的一对圆形第一下支撑环为支撑框架，任一第一下支撑环与第一上支撑环之间均是通过呈前后对称布置的两组所述髋关节弹性气管束组相连通，于所述第一上支撑环及所述第一下支撑环上对应形成各髋关节进气孔及出气孔；
所述膝关节柔性执行器是以呈上下正对布置的圆形第二上支撑环与圆形第二下支撑环作为支撑框架，之间通过呈前后对称布置的两组所述膝关节弹性气管束组相连通，分别于第二上支撑环上及第二下支撑环上形成各膝关节进气孔及出气孔。
所述单向阀、气动三联件、截止阀顺着气流方向依次安装在气压源后的主进气管上。
所述髋关节弹性布料层是通过第一开口套装于髋关节柔性执行器外，开口处以第一拉链封装；所述膝关节弹性布料层是通过第二开口套装于膝关节柔性执行器外，开口处以第二拉链封装。
所述背包上具有背包板，所述背包板上具有一对竖钩，与所述一对吊环相配套。
所述行走平台左右侧具有扶手栏杆，所述减重支架以一对竖杆分别固连于一对扶手栏杆的后端，所述一对竖杆顶端通过呈U形水平的所述吊臂相连。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明采用柔性材料涉及外骨骼机器人，整体结构轻便、易于穿戴，利用八个气压伺服阀对应调节四组髋关节弹性气管束组与四组膝关节弹性气管束组中的压力，使各弹性气管的弹性变形以驱动人体关节运动，机器人与穿戴者之间完全为柔顺接触，增强了机器人穿戴舒适性和安全性，解决了目前刚性外骨骼存在的如结构复杂、笨重、穿戴不便等问题。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是髋关节穿戴组件的结构示意图；
图3是髋关节柔性执行器未变形状态的结构示意图；
图4是图3另一视角的结构示意图；
图5是髋关节柔性执行器的变形示意图；
图6是膝关节穿戴组件的结构示意图；
图7是膝关节柔性执行器未变形状态的结构示意图；
图8是图7另一视角的结构示意图；
图9是膝关节柔性执行器的变形示意图；
图10是本发明气动***原理图。
图中，1行走平台；11扶手栏杆；2减重支架；21竖杆；22吊臂；23吊环；3背包组件；31背包；32竖钩；33气压源；34单向阀；35气动三联件；36截止阀；37气压伺服阀；38主进气管；39支进气管；310主出气管；311支出气管；312***；4髋关节穿戴组件；41髋关节弹性布料层；42髋关节柔性执行器；43第一上支撑环；44第一下支撑环；45、46、47、48髋关节弹性气管束组；49髋关节进气孔；410髋关节出气孔；5膝关节穿戴组件；51膝关节弹性布料层；52膝关节柔性执行器；53第二上支撑环；54第二下支撑环；55、56、57、58膝关节弹性气管束组；59膝关节进气孔；510膝关节出气孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图10，本实施例的柔性连续体驱动型外骨骼机器人包括行走平台1、以吊臂22悬吊于行走平台1上方的减重支架2以及外骨骼本体机构，减重支架2的悬臂将一对吊环23垂吊于行走平台1的上方，外骨骼本体机构包括髋关节穿戴组件4、一对膝关节穿戴组件5和背包组件3；
髋关节穿戴组件4穿戴于用户的髋部，以髋关节弹性布料层41紧密包覆于髋关节柔性执行器42外，髋关节柔性执行器42的四组髋关节弹性气管束组45/46/47/48以两两前后相对形成一对，并以两对髋关节弹性气管束组(图3中45与46为一对，47与48为一对)呈左右对称布置于髋部左右端；每组髋关节弹性气管束组的多支髋关节弹性气管均是竖直地贴靠于髋部，向下延伸至下肢上端部，且沿周向等间距分布，两管端分别于髋关节穿戴组件4的顶端及底端露出，对应作为髋关节进气孔49与出气孔；每组髋关节弹性气管束组的多个髋关节进气孔49经对应的各髋关节进气支管汇聚形成一个髋关节主进气口，多个髋关节出气孔410经对应的各髋关节出气支管汇聚形成一个髋关节主出气口；
一对膝关节穿戴组件5穿戴于用户的一对膝部，膝关节穿戴组件5是以膝关节弹性布料层51包覆于膝关节柔性执行器52外，膝关节柔性执行器52以两组膝关节弹性气管束组呈前后对称地贴靠于膝部的前后侧，膝关节弹性气管束组的多支膝关节弹性气管竖直且沿周向等间距分布，两管端分别于膝关节穿戴组件5的顶端及底端露出，对应作为膝关节进气孔59与出气孔；每组膝关节弹性气管束组的多个膝关节进气孔59经对应的各膝关节进气支管汇聚形成一个膝关节主进气口，多个膝关节出气孔510经对应的各膝关节出气支管汇聚形成一个膝关节主出气口；
背包组件3包括背包31及内置于背包31中的控制模块、分别相连且受控于控制模块的气压源33、单向阀34、气动三联件35、截止阀36、八个气压伺服阀37，以及进气管组、出气管组与***312；如图10所示，由气压源33提供气源、经进气管组的主进气管38输出，并由进气管组的八个支进气管39分别通过八个气压伺服阀37向四组髋关节主进气口与四组膝关节主进气口输入，经四组髋关节主出气口与四组膝关节主出气口输出的气流分别通过八个气压伺服阀37输出，经出气管组的八个支出气管311汇流至出气管组的主出气管310，由主出气管310经***312输出。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
髋关节柔性执行器42是以长圆形第一上支撑环43与呈左右对称分处于第一上支撑环43两侧半圆环段正下方的一对圆形第一下支撑环44为支撑框架，任一第一下支撑环44与第一上支撑环43之间均是通过呈前后对称布置的两组髋关节弹性气管束组相连通，于第一上支撑环43及第一下支撑环44上对应形成各髋关节进气孔49及出气孔；
膝关节柔性执行器52是以呈上下正对布置的圆形第二上支撑环53与圆形第二下支撑环54作为支撑框架，之间通过呈前后对称布置的两组膝关节弹性气管束组相连通，分别于第二上支撑环53上及第二下支撑环54上形成各膝关节进气孔59及出气孔。如此，八组弹性气管束组均布在对应的支撑环圆周，起到支撑和驱动的作用。
或，作为另一个可选的方案，也可以在各上、下支撑环中加工与对应弹性气管束组相连通的气室，在各上支撑环气室的顶端开设进气孔，在各下支撑环气室的底端开设出气孔，弹性气管束组的各弹性气管与上、下支撑环的气室相连通。
单向阀34、气动三联件35、截止阀36顺着气流方向依次安装在气压源33后的主进气管38上。
可选的，髋关节弹性布料层41是通过第一开口套装于髋关节柔性执行器42外，开口处以第一拉链封装；膝关节弹性布料层51是通过第二开口套装于膝关节柔性执行器52外，开口处以第二拉链封装。此部分于本领域普通技术人员而言是容易理解并易于实现的，开口位置可按需设置，本发明图中未示出，不做赘述。
背包31上具有背包31板，背包31板上具有一对竖钩32，与一对吊环23相配套。
行走平台1左右侧具有扶手栏杆11，减重支架2以一对竖杆21分别固连于一对扶手栏杆11的后端，一对竖杆21顶端通过呈U形水平的吊臂22相连。
本发明采用柔性外骨骼服的结构设计方式，即外骨骼机器人髋部和膝部由柔性执行器包裹，并将柔性执行器埋入在高弹性布料中。髋关节弹性布料层41及膝关节弹性布料层51与用户大小腿之间可以采用编织带或拉链形式固定，此部分为常规技术手段，不做赘述。
本发明为防止患者初期应重力过大引起肌肉痉挛和行走过程中的安全性，采用柔性外骨骼机器人与辅助减重支架2相结合的方式；患者站立于行走平台1上，手扶扶手栏杆11，利用一对吊钩勾挂于背包31上的一对钩环上，起到辅助减重的作用；由气压源33产生具有一定压力的气体，通过压力伺服阀伺服调节压力后的气体进入气室。通过各气压伺服阀37调节对应弹性气管束组中气压的大小，进而在各弹性气管束组中产生压差，实现连续体柔性关节的2自由度弯曲运动，具体如下：
设置四组髋关节弹性气管束组45/46/47/48、四组膝关节弹性气管束组55/56/57/58，对应配置八个气压伺服阀37。每个气压伺服阀37对应调节一组弹性气管束组内的压力。以膝关节弹性气管束组为例，初始状态如图7、图8所示，当膝关节弹性气管束组55内的压力大于膝关节弹性气管束组56内的压力，膝关节柔性执行器52向低压力的膝关节弹性气管束组56方向弯曲，如图9所示。当膝关节弹性气管束组55内的压力小于膝关节弹性气管束组56内的压力，膝关节柔性执行器52则反向弯曲。
同理，可以实现髋关节柔性执行器42的2自由度弯曲运动，如图3、图4、图5所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其特征是：
包括行走平台、以吊臂悬吊于所述行走平台上方的减重支架以及外骨骼本体机构，所述减重支架的悬臂将一对吊环垂吊于行走平台的上方，所述外骨骼本体机构包括髋关节穿戴组件、一对膝关节穿戴组件和背包组件；
所述髋关节穿戴组件穿戴于用户的髋部，以髋关节弹性布料层紧密包覆于髋关节柔性执行器外，所述髋关节柔性执行器的四组髋关节弹性气管束组以两两前后相对形成一对，并以两对髋关节弹性气管束组呈左右对称布置于髋部左右端；每组髋关节弹性气管束组的多支髋关节弹性气管均是竖直地贴靠于髋部，向下延伸至下肢上端部，且沿周向等间距分布，两管端分别于髋关节穿戴组件的顶端及底端露出，对应作为髋关节进气孔与出气孔；每组髋关节弹性气管束组的多个髋关节进气孔经对应的各髋关节进气支管汇聚形成一个髋关节主进气口，多个髋关节出气孔经对应的各髋关节出气支管汇聚形成一个髋关节主出气口；
一对膝关节穿戴组件穿戴于用户的一对膝部，所述膝关节穿戴组件是以膝关节弹性布料层包覆于膝关节柔性执行器外，所述膝关节柔性执行器以两组膝关节弹性气管束组呈前后对称地贴靠于膝部的前后侧，所述膝关节弹性气管束组的多支膝关节弹性气管竖直且沿周向等间距分布，两管端分别于膝关节穿戴组件的顶端及底端露出，对应作为膝关节进气孔与出气孔；每组膝关节弹性气管束组的多个膝关节进气孔经对应的各膝关节进气支管汇聚形成一个膝关节主进气口，多个膝关节出气孔经对应的各膝关节出气支管汇聚形成一个膝关节主出气口；
所述背包组件包括背包及内置于背包中的控制模块、分别相连且受控于所述控制模块的气压源、单向阀、气动三联件、截止阀、八个气压伺服阀，以及进气管组、出气管组与***，由气压源提供气源、经进气管组的主进气管输出，并由进气管组的八个支进气管分别通过八个气压伺服阀向四组髋关节主进气口与四组膝关节主进气口输入，经四组髋关节主出气口与四组膝关节主出气口输出的气流分别通过八个气压伺服阀输出，经出气管组的八个支出气管汇流至出气管组的主出气管，由所述主出气管经所述***输出。
2.根据权利要求1所述的柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其特征是：
所述髋关节柔性执行器是以长圆形第一上支撑环与呈左右对称分处于所述第一上支撑环两侧半圆环段正下方的一对圆形第一下支撑环为支撑框架，任一第一下支撑环与第一上支撑环之间均是通过呈前后对称布置的两组所述髋关节弹性气管束组相连通，于所述第一上支撑环及所述第一下支撑环上对应形成各髋关节进气孔及出气孔；
所述膝关节柔性执行器是以呈上下正对布置的圆形第二上支撑环与圆形第二下支撑环作为支撑框架，之间通过呈前后对称布置的两组所述膝关节弹性气管束组相连通，分别于第二上支撑环上及第二下支撑环上形成各膝关节进气孔及出气孔。
3.根据权利要求1所述的柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其特征是：所述单向阀、气动三联件、截止阀顺着气流方向依次安装在气压源后的主进气管上。
4.根据权利要求1所述的柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其特征是：所述髋关节弹性布料层是通过第一开口套装于髋关节柔性执行器外，开口处以第一拉链封装；所述膝关节弹性布料层是通过第二开口套装于膝关节柔性执行器外，开口处以第二拉链封装。
5.根据权利要求1所述的柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其特征是：所述背包上具有背包板，所述背包板上具有一对竖钩，与所述一对吊环相配套。
6.根据权利要求1所述的柔性连续体驱动型外骨骼机器人，其特征是：所述行走平台左右侧具有扶手栏杆，所述减重支架以一对竖杆分别固连于一对扶手栏杆的后端，所述一对竖杆顶端通过呈U形水平的所述吊臂相连。
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| CN201910962615.5A CN110584954A (zh) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | 一种柔性连续体驱动型外骨骼机器人 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2019
- 2019-10-11 CN CN201910962615.5A patent/CN110584954A/zh active Pending
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