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CN107260483A - 一种连杆式下肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

一种连杆式下肢外骨骼康复机器人 Download PDF

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CN107260483A
CN107260483A CN201710365590.1A CN201710365590A CN107260483A CN 107260483 A CN107260483 A CN 107260483A CN 201710365590 A CN201710365590 A CN 201710365590A CN 107260483 A CN107260483 A CN 107260483A
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Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，包括跑步机(4)、气动肌肉框架(1)、传动装置(2)和下肢外骨骼(3)；所述气动肌肉框架(1)包括大腿转轴(1‑2)、小腿转轴(1‑3)、髋关节轴(1‑4)、气动肌肉(1‑5)和支撑架(1‑6)；所述传动装置(2)包括大腿传动机构和小腿传动机构，所述大腿传动机构由大腿转臂(2‑1)、大腿连杆(2‑2)和大腿骨架(2‑7)构成平行四连杆机构；所述小腿传动机构包括两个四连杆机构；所述下肢外骨骼(3)通过所述传动装置(2)与所述气动肌肉框架(1)实现连接。本发明的康复机器人，将气动肌肉全部集中于气动肌肉框架内，相较于其他气动肌肉驱动的外骨骼发明，其结构简单紧凑，安全性高，易于操作。

Description

一种连杆式下肢外骨骼康复机器人
技术领域
本发明属于气动技术和外骨骼机器人领域，更具体地，涉及一种连杆式下肢外骨骼康复机器人。
背景技术
目前我国已进入人口老龄化社会，老年人群体日益庞大，据统计，截至2015年底，60岁以上老年人口已达到2.22亿，而中风是老年人群体面临主要危险之一。同时，截至2016年底我国机动车保有量为2.9亿辆，由此引发的各种交通事故也日益增多。据统计，目前我国由于中风和各种事故造成的肢体功能障碍患者人数已超过800万。而多数肢体障碍患者可通过康复训练改善或恢复其运动功能。目前我国的康复训练主要由专业医生指导，在护士或家属的帮助下完成康复训练，这个过程耗时耗力。随着机器人技术的发展，越来越多的科研机构开始将机器人技术应用于康复训练，由此产生了外骨骼康复机器人。
目前国内外大多数外骨骼机器人多采用电机或液压驱动，电机驱动具有响应快、控制方便、精度高和结构简单等优点，但其功率质量比较小，需要配合减速器使用，由此引发电机驱动式外骨骼体积较大，难以承受较大负载等问题；而液压驱动具有较高的功率质量比，但因为其工作介质为液压油，易发生泄漏，因此不适合用于康复外骨骼机器人。
气动肌肉是根据仿生学原理，模拟人体肌肉设计的一种驱动原件。与电机和液压驱动相比，因为其采用仿生学设计，其力-位移关系特性与人类肌肉相似，因此更加适合应用于外骨骼康复机器人。且气动肌肉工作介质为空气，无色无味，不会对病人有任何影响。除此之外气动肌肉还有功率质量比高、安全舒适等优点。
由于国内外骨骼研究起步较晚，多数外骨骼并未考虑人类行走过程中重心的上下浮动、膝关节的瞬心变化大腿前屈时的内收，由此导致外骨骼穿戴舒适性较差。
专利CN101810533A公开了一种助行外骨骼康复机器人，包括移动式辅助机构、控制机构和外骨骼假肢机构，移动式辅助机构和外骨骼假肢机构相连，控制机构分别与移动式辅助机构和外骨骼假肢机构相连。该外骨骼假肢机构设计结构紧凑、各关节转动范围大，能满足人体实际运动要求。但专利CN101810533A公开的助行外骨骼康复机器人也存在不足：
(1)该发明未考虑膝关节的瞬心变化和大腿前屈时的内收，穿戴舒适性较差，对于腿型不正的患者，可能会出现无法穿戴的情况；
(2)其整体结构较大，使用时需要需要宽阔的场地；
(3)该发明采用电机驱动，且为移动平台，需要蓄电池供电，因此续航能力有限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其目的在于将气动肌肉全部集中于气动肌肉框架内，相较于其他气动肌肉驱动的外骨骼发明，其结构简单紧凑，安全性高，易于操作。
为实现上述目的，本发明提供一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，包括跑步机，还包括气动肌肉框架、传动装置和下肢外骨骼；
其中，所述气动肌肉框架设置于所述跑步机的两侧，包括大腿转轴、小腿转轴、髋关节轴、气动肌肉和支撑架，所述支撑架通过螺栓与所述跑步机连接，所述大腿转轴通过两个轴承座固定于所述支撑架顶部横梁的一侧，所述小腿转轴通过两个轴承座固定于支撑架顶部横梁的另一侧，所述大腿转轴和小腿转轴的中间位置均设有气动肌肉转臂，所述气动肌肉转臂两端各铰接有一根气动肌肉，所述髋关节轴通过轴承座固定于所述支撑架的外侧；
所述传动装置包括大腿传动机构和小腿传动机构，所述大腿传动机构由大腿转臂、大腿连杆和大腿骨架构成平行四连杆机构；所述小腿传动机构包括两个四连杆机构，第一四连杆机构包括小腿转臂、第一小腿连杆和三角块，第二四连杆机构包括三角块、第二小腿连杆、膝关节短连杆和大腿骨架；
所述下肢外骨骼通过所述传动装置与所述气动肌肉框架实现连接，包括大腿部分、膝关节和小腿部分，用于与穿戴者的大腿和小腿部分固定，所述气动肌肉充气拉紧并根据穿戴者运动意图带动所述大腿转轴和小腿转轴转动，进而带动所述髋关节轴和膝关节转动，实现行走康复的动作。
进一步地，所述大腿部分和所述小腿部分结构相同，包括大腿骨架、滑轨、滑块、传感器固定座和小腿骨架；
其中，所述大腿骨架与所述髋关节轴过盈配合，所述滑轨通过螺钉固定于大腿骨架和小腿骨架上，所述滑块设于所述滑轨的表面上，并穿过所述传感器固定座，用于带动所述传感器固定座在所述滑轨上滑动。
进一步地，所述膝关节包括两个平行四连杆机构，所述平行四连杆机构包括多个膝关节长连杆，所述平行四连杆机构之间设有膝关节三角块，所述膝关节三角块通过所述平行四连杆机构与所述大腿骨架(3-1)和小腿骨架实现连接。
进一步地，所述传感器固定座的一侧通过螺钉与悬臂梁传感器连接，所述悬臂梁传感器的端部设有导柱固定座，所述导柱固定座开有通孔，用于安放导柱，所述导柱为圆柱形结构，用于将绑带滑块套设于其上，所述绑带滑块可在导柱上滑动。
进一步地，所述三角块和第二小腿连杆之间、大腿骨架和小腿长连杆之间以及所述大腿连杆与大腿转臂之间均安装有角度传感器。
进一步地，所述角度传感器的外壳通过螺钉与传感器支架连接，所述传感器支架用于与所述大腿连杆、大腿骨架或三角块实现连接；所述角度传感器的转轴通过销轴与所述大腿转臂、小腿长连杆或第二小腿连杆实现连接。
进一步地，所述气动肌肉转臂和底板上对应每根所述气动肌肉都留有三个安装孔位，用于调节所述气动肌肉与对应转轴的转动力臂。
进一步地，所述气动肌肉上安装有力传感器，用于测量所述气动肌肉力的大小；所述气动肌肉的两端均设有关节轴承，其中，下端所述关节轴承与肌肉连接件铰接。
进一步地，所述大腿转轴和气动肌肉转臂、大腿转臂与大腿转轴之间均通过键实现连接。
进一步地，所述气动肌肉为四根。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明采用连杆结构，将气动肌肉全部集中于气动肌肉框架内，相较于其他气动肌肉驱动的外骨骼发明，其结构简单紧凑，安全性高，易于操作；
(2)本发明考虑了人类行走过程中重心上下浮动的因素，利用导轨滑块机构，使得与大小腿相连的绑带可上下移动，以此解决重心上下浮动的问题；
(3)本发明考虑了人类行走过程中大腿前屈时有不同程度内收的情况，利用导柱滑块机构，使得与大小腿相连的绑带可左右移动，以此解决大腿前屈时内收的问题；
(4)本发明考虑了膝关节瞬心变化的因素，利用两个四连杆组合机构，实现膝关节瞬心变化的功能；
(5)本发明采用多自由度设计，能够适应不同体格患者进行康复训练。
附图说明
图1为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的总体结构示意图；
图2为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的气动肌肉框架结构示意图；
图3为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的传动装置结构示意图；
图4为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的下肢外骨骼结构示意图；
图5为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的角度传感器安装方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的总体结构示意图。如图1所示，该康复机器人包括气动肌肉框架1、传动装置2、下肢外骨骼3和可编程跑步机4。
图2为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的气动肌肉框架结构示意图。如图2所示，左右气动肌肉框架为镜像对称关系，单侧气动肌肉框架包括一根大腿转轴1-2、一根小腿转轴1-3、一根髋关节轴1-4、四根气动肌肉1-5和支撑架1-6；
如图2所示，支撑架1-6整体采用焊接的方式连接，其与可编程跑步机4由螺栓连接。大腿转轴1-2通过两个轴承座固定于支撑架1-6顶部横梁的右侧，其中间位置装有气动肌肉转臂1-1，两者通过键连接。气动肌肉转臂1-1两侧各铰接有一根气动肌肉1-5，气动肌肉1-5上安装有力传感器1-7，两端安装有关节轴承，下端关节轴承铰接有气动肌肉连接件1-8。小腿转轴1-3通过两个轴承座固定于支撑架1-6顶部横梁的左侧，其与气动肌肉1-5的连接与大腿转轴1-2相同。髋关节轴1-4通过轴承座固定于支撑架1-6的左上侧。气动肌肉转臂1-1和底板1-9上对应每根气动肌肉1-5都留有三个安装孔位，可调节气动肌肉1-5与对应转轴的转动力臂。
图3为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的传动装置结构示意图。如图3所示，传动装置2分为大腿传动机构和小腿传动机构，大腿传动机构由大腿转臂2-1、大腿连杆2-2和大腿骨架2-7构成平行四连杆机构，大腿转臂2-1与大腿转轴1-2之间为键连接。大腿连杆2-2中间装有压力传感器，其与大腿转臂2-1之间装有角度传感器4-3。小腿传动机构由两个四连杆机构组合而成：小腿转臂2-3、小腿连杆12-4和三角块2-5构成第一个四连杆机构，三角块2-5、第二小腿连杆2-6、膝关节短连杆2-8和大腿骨架2-7构成第二个四连杆机构。其中小腿转臂2-3和小腿转轴1-3间通过键连接。三角块2-7和小腿长连杆2-8间安装有角度传感器4-3。
图4为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的下肢外骨骼结构示意图。如图4所示，下肢外骨骼包括大腿部分和小腿部分，且大腿部分和小腿部分的结构相同。包括大腿骨架3-1、滑轨3-2、滑块3-3、传感器固定座3-4、膝关节三角块3-5、膝关节长连杆3-6、小腿骨架3-7、导柱3-8、悬臂梁传感器3-9、绑带滑块3-10和导柱固定座3-11。
其中大腿骨架3-1与髋关节轴1-4过盈配合，滑轨3-2由螺钉固定于大腿骨架3-1上，滑块3-3可上下滑动。悬臂梁传感器3-9一侧通过螺钉固定于传感器固定座3-4上，另一侧连接有导柱固定座3-11，绑带滑块3-10可在导柱3-8上左右滑动。膝关节由两个平行四连杆机构组成，两平行四连杆之间的中间连杆为膝关节三角连杆3-5。
图5为本发明实施例一种连杆式下肢外骨骼康复机器人的角度传感器安装方法示意图。如图5所示，角度传感器4-3安装方式为：销轴4-5右端打有小孔，小孔与角度传感器4-3转轴采用间隙配合，由紧定螺钉将两者固定连接，角度传感器4-3外壳与传感器支架4-2由螺钉连接，传感器支架4-2另一端与大腿连杆2-2连接，销轴4-5与大腿转臂2-1采用过盈配合，由紧定螺钉固定。
本实例中，程跑步机4为低速跑步机，可通过编程改变其速度。
工作时，将左右外骨骼通过大小腿绑带与穿戴者下肢固定，完成外骨骼的穿戴；开机准备，8根气动肌肉充气，使气动肌肉连接件拉紧；根据传感器测得的数据判断穿戴者运动意图，控制器使每根轴的气动肌肉对一侧充气一次放气，以此带动相应的转轴转动；转轴的转动通过传动系统传递至髋关节和膝关节，带动髋关节和膝关节转动，完成行走康复的动作。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，包括跑步机(4)，其特征在于，还包括气动肌肉框架(1)、传动装置(2)和下肢外骨骼(3)；
其中，所述气动肌肉框架(1)设置于所述跑步机(4)的两侧，包括大腿转轴(1-2)、小腿转轴(1-3)、髋关节轴(1-4)、气动肌肉(1-5)和支撑架(1-6)，所述支撑架(1-6)通过螺栓与所述跑步机(4)连接，所述大腿转轴(1-2)通过两个轴承座固定于所述支撑架(1-6)顶部横梁的一侧，所述小腿转轴(1-3)通过两个轴承座固定于支撑架(1-6)顶部横梁的另一侧，所述大腿转轴(1-2)和小腿转轴(1-3)的中间位置均设有气动肌肉转臂(1-1)，所述气动肌肉转臂(1-1)两端各铰接有一根气动肌肉(1-5)，所述髋关节轴(1-4)通过轴承座固定于所述支撑架(1-6)的外侧；
所述传动装置(2)包括大腿传动机构和小腿传动机构，所述大腿传动机构由大腿转臂(2-1)、大腿连杆(2-2)和大腿骨架(2-7)构成平行四连杆机构；所述小腿传动机构包括两个四连杆机构，第一四连杆机构包括小腿转臂(2-3)、第一小腿连杆(2-4)和三角块(2-5)，第二四连杆机构包括三角块(2-5)、第二小腿连杆(2-6)、膝关节短连杆(2-8)和大腿骨架(2-7)；
所述下肢外骨骼(3)通过所述传动装置(2)与所述气动肌肉框架(1)实现连接，包括大腿部分、膝关节和小腿部分，用于与穿戴者的大腿和小腿部分固定，所述气动肌肉(1-5)充气拉紧并根据穿戴者运动意图带动所述大腿转轴(1-2)和小腿转轴(1-3)转动，进而带动所述髋关节轴(1-4)和膝关节转动，实现行走康复的动作。
2.根据权利要求1所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述大腿部分和所述小腿部分结构相同，包括大腿骨架(3-1)、滑轨(3-2)、滑块(3-3)、传感器固定座(3-4)和小腿骨架(3-7)；
其中，所述大腿骨架(3-1)与所述髋关节轴(1-4)过盈配合，所述滑轨(3-2)通过螺钉固定于大腿骨架(3-1)和小腿骨架(3-7)上，所述滑块(3-3)设于所述滑轨(3-2)的表面上，并穿过所述传感器固定座(3-4)，用于带动所述传感器固定座(3-4)在所述滑轨(3-2)上滑动。
3.根据权利要求1或2所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述膝关节包括两个平行四连杆机构，所述平行四连杆机构包括多个膝关节长连杆(3-6)，所述平行四连杆机构之间设有膝关节三角块(3-5)，所述膝关节三角块(3-5)通过所述平行四连杆机构与所述大腿骨架(3-1)和小腿骨架(3-7)实现连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述传感器固定座(3-4)的一侧通过螺钉与悬臂梁传感器(3-9)连接，所述悬臂梁传感器(3-9)的端部设有导柱固定座(3-11)，所述导柱固定座(3-11)开有通孔，用于安放导柱(3-8)，所述导柱(3-8)为圆柱形结构，用于将绑带滑块(3-10)套设于其上，所述绑带滑块(3-10)可在导柱(3-8)上滑动。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述三角块(2-5)和第二小腿连杆(2-6)之间、大腿骨架(2-7)和小腿长连杆(2-8)之间以及所述大腿连杆(2-2)与大腿转臂(2-1)之间均安装有角度传感器(4-3)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述角度传感器(4-3)的外壳通过螺钉与传感器支架(4-2)连接，所述传感器支架(4-2)用于与所述大腿连杆(2-2)、大腿骨架(2-7)或三角块(2-5)实现连接；所述角度传感器(4-3)的转轴通过销轴与所述大腿转臂(2-1)、小腿长连杆(2-8)或第二小腿连杆(2-6)实现连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述气动肌肉转臂(1-1)和底板(1-9)上对应每根所述气动肌肉(1-5)都留有三个安装孔位，用于调节所述气动肌肉(1-5)与对应转轴的转动力臂。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述气动肌肉(1-5)上安装有力传感器(1-7)，用于测量所述气动肌肉(1-5)力的大小；所述气动肌肉(1-5)的两端均设有关节轴承，其中，下端所述关节轴承与肌肉连接件(1-8)铰接。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述大腿转轴(1-2)和气动肌肉转臂(1-1)、大腿转臂(2-1)与大腿转轴(1-2)之间均通过键实现连接。
10.根据权利要求1所述的一种连杆式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述气动肌肉(1-5)为四根。
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