一种适用于下肢康复外骨骼机器人的具有交互力参数测量的腿部装置的制作方法

一.技术领域

本发明涉及外骨骼机器人，具体涉及一种可穿戴的下肢康复外骨骼机器人。

二.

背景技术：

中国是一个人口大国，因为交通事故、老龄化、心脑血管疾病等造成的下肢损伤的人数逐年上升，医学理论表明，有些病人越早进行康复训练，恢复的可能性越大。

目前的康复训练主要是在专业护理人员的辅助下完成，但这种专业的护理人员十分缺乏，为此病人不得不自行训练，但效果不好，错过治疗的最佳时期。

人机一体化设备发展迅速，下肢外骨骼机器人是一种可穿戴式的人机一体化设备。

在外骨骼领域中，外骨骼的结构完全仿照人体下肢进行设计，在专利公开号为cn103908392a的穿戴式下肢外骨骼装置中，每条腿有六个自由度，髋部宽度和大腿小腿长度均可以调整，这种外骨骼既可以帮助健康的操作者负重行走，也可以帮助下肢受伤的患者完成行走动作。

对患者来说，该装置有些自由度冗余，不利于辅助行走，固定装置设计不够合理，穿着舒适度低。

因此，需要一种性能更加完善的可穿戴下肢康复外骨骼机器人。

三.

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种性能更加完善的可穿戴下肢康复外骨骼机器人。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可穿戴下肢外骨骼，包括背部、腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部，背部固定背带，采用拟人化的设计，适合人体穿戴，有利于实现良好的人机结合。

背部结构符合人体工程学，伤者背上更加舒适，并且在做外骨骼的集成化时，外骨骼的电源与控制器也都在背部，但这个重量不需要伤者来承担，由外骨骼承担。

腰部是背部与下肢的连接点，背部的所有重量会落在外骨骼的腰部，腰部的结构，需要确保人穿戴后，不会干涉人的运动，为了适应不同的人群，腰部的宽度需要可调节。

人体髋关节的自由度有三个，但对于下肢伤者来说，外骨骼髋关节保留三自由度不利于辅助行走，同时，髋关节采用液压驱动，这里的驱动是为了帮助伤者迈出大腿，同时需要测量髋关节的角位移。

外骨骼的腿部结构，需要确保伤者穿戴后，外骨骼带动伤者协调运动，膝关节采用液压驱动，帮助伤者控制小腿，外骨骼的大腿和小腿长度均可以调节，以适应不同的人群，也需要测量膝关节的角位移。

对于足部结构，踝关节要固定，下肢伤者的脚固定在外骨骼的足部，由外骨骼带动伤者运动，足底为橡胶材料，有效缓冲地面的反作用力，外骨骼的足部有压力传感器，可以测量人的足底压力信号。

人体穿戴外骨骼，背部有柔性背带，胸部有柔性绑缚带，腹部有柔性绑缚带，大腿内侧和小腿内侧均有柔性绑缚带，腿部有交互力传感器，可以测量外骨骼与人之间的力。

与现有技术相比，本发明的改进效果是：拟人化的设计，合理的自由度设置，满足了下肢伤者的正常行走，同时，不会因为自由度冗余，造成外骨骼过于灵活不利于伤者行走；主要固定部位均采用柔性绑缚带，提高了伤者穿戴的舒适度；髋关节、膝关节均采用液压驱动，驱动力大，适用于大体重的伤者；髋关节、膝关节处设有角度传感器，大腿与小腿内侧设有交互力传感器，采集的数据集中处理，方便外骨骼对不同伤者的步态规划。

四.附图说明

图1为本发明的一种用于辅助行走的可穿戴下肢康复外骨骼的结构示意图。

图2为本发明的下肢康复外骨骼的背部结构示意图。

图3为本发明的下肢康复外骨骼的具有关节角度测量的髋关节执行机构及腰部宽度调节机构示意图。

图4为本发明的下肢康复外骨骼的具有人机交互力测量的大腿长度调节机构及具有关节角度测量的膝关节执行机构。

图5为本发明的下肢康复外骨骼的具有人机交互力测量的小腿长度调节机构及具有足底压力测量的足部机构。

图6为本发明的下肢康复外骨骼的执行元件液压缸的结构图。

图中：1-肩部绑带固定孔，2-胸部绑带固定孔，3-腹部绑带固定孔，4-腰部绑带固定孔，5-上肢绑缚支架，6-腰部，6a-右腰部弯曲板，6b-左腰部弯曲板，7-髋关节液压缸，7a-右髋关节液压缸，7b-左髋关节液压缸，8-小腿，8a-右小腿，8b-左小腿，9-足部，9a-右足部，9b-左足部，10-大腿，10a-右大腿，10b-左大腿，11-大腿交互力传感器，11a-右大腿交互力传感器，11b-左大腿交互力传感器，12-小腿交互力传感器，12a-右小腿交互力传感器，12b-左小腿交互力传感器，13-髋关节电位计，13a-右髋关节，13b-左髋关节，14-膝关节液压缸，14a-右膝关节液压缸，14b-左膝关节液压缸，15-膝关节电位计，15a-右膝关节，15b-左膝关节，16-控制柜，17-背部夹板，18-髋关节轴承，19-髋关节轴承轴，20-屈伸杆，21-髋关节电位计套筒，22-腰部调节块，23-背部夹板夹块，24-腰部轴承，25-腰部轴承轴，26-腰部弯曲板，27-膝关节轴承轴，28-膝关节轴承盖，29-膝关节轴承，30-大腿伸缩杆，31-膝关节电位计套筒，32-小腿伸缩杆，33-踝关节套筒，34-足底压力传感器，35-后脚掌，36-前脚掌，37-足底，38-杆端关节轴承1,39-液压缸体，40-杆端关节轴承2,41-液压缸支架。

五.具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

参见图1和图2，一种用于辅助行走的可穿戴下肢康复外骨骼机器人，主要包括有背部、腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部，考虑到下肢伤者的极端情况，对髋关节和膝关节均加了执行元件液压缸，如此构成一个完整的下肢康复外骨骼机器人。

参考图1和图2，给出了完整的背部结构图，控制柜15是整个外骨骼机器人的控制中心和电源，固定在外骨骼的背部；肩部绑带固定孔1引出背带，绕过肩部固定在腰部绑带固定孔4；胸部绑带固定孔2左右对称有两个，连接绑带固定胸部；腹部绑带固定孔3左右对称有两个，连接绑带固定腹部；上肢绑缚支架5上有额外的支撑板来支撑腹部；如此构成对人体上肢的固定，所用绑带均为柔性绑带。

参考图3，给出了外骨骼的腰部及髋关节结构，中心位置为腰部调节块22，分为左右两个调节块，每个调节块上有3个孔，通过设置不同孔的组合，实现对腰部宽度的调节，然后通过腰部夹块的连接，实现调节块与腰部弯曲板的连接，夹板与调节块为固定连接，与腰部弯曲板则是通过转轴连接，目的是为了实现腰部的左右摆动，从而带动腿部的左右摆动，弯曲板另一端为外骨骼的髋关节，转轴连接实现腿部的前后摆动，通过髋关节电位计13来获取髋关节的运动角度，腰部为左右对称的结构，图3给出了一侧的腰部弯曲板，另一侧结构相同。

参考图4，给出了外骨骼的大腿及膝关节结构，图3中的屈伸杆20与图4中的大腿伸缩杆30通过法兰结构连接，处于对下肢伤者的安全考虑，舍弃了髋关节在水平面的自由度，大腿伸缩杆30与大腿10的配合是孔与轴的间隙配合，伸缩杆与大腿的配合长度可以调节，通过大腿的紧固装置，对伸缩杆进行位置固定，大腿的另一侧为外骨骼的膝关节，与髋关节类似，通过转轴实现小腿的前后摆动，出于下肢伤者的安全考虑，膝关节保留1个自由度，在腿的内侧，轴承盖28的密封是为了膝关节的清洁和保护，通过膝关节电位计15来获取膝关节的运动角度，在大腿的内侧，是大腿交互力传感器11，传感器一面固定在大腿内侧，另一面固定柔性绑带，绑带同时用来固定下肢伤者的大腿，如此实现人体大腿与外骨骼大腿的固定，大腿交互力传感器可以测量外骨骼与下肢伤者之间的交互力，交互力的大小反应了外骨骼给伤者的力的大小，对交互力的检测可以避免外骨骼对伤者造成的损伤与不适。

参考图5，给出了外骨骼的小腿与足部结构，大腿10通过膝关节与小腿8连接，只保留了前后的自由度，小腿另一侧与小腿伸缩杆32连接，与大腿的调节机构类似，小腿与小腿伸缩杆的配合是孔与轴的间隙配合，伸缩杆与小腿的配合长度可以调节，通过小腿的紧固装置，对伸缩杆进行位置固定，伸缩杆32连接踝关节套筒33，也是孔与轴的间隙配合，但通过定位孔进行固定，不设置长度调节，同时踝关节不设自由度。

踝关节套筒33通过螺钉与足部9连接，足部9分为后脚掌35、前脚掌36和足底37，踝关节套筒主要是与后脚掌35连接，在足底有三个圆孔，内置三个压力传感器，上面覆盖前后脚掌，下肢伤者的脚通过绑带固定在外骨骼脚掌上，外骨骼在带动下肢伤者运动时，可以获得人体的足底压力，前后脚掌间隔开的目的是足底采用的橡胶材料，可以起到缓冲作用，同时这样可以实现脚的弯折，使行走更加舒适。

参见图6，给出了外骨骼的动力元件液压缸，对于髋关节液压缸7，液压缸的缸体一端通过液压缸支架41与腰部弯曲板26连接，缸体通过杆端关节轴承2与液压缸支架41连接，液压缸的活塞杆一端通过液压缸支架41与大腿10连接，活塞杆通过杆端关节轴承1与液压缸支架41连接，如此，髋关节液压缸7可以实现对髋关节的控制，对于下肢完全失去行动能力的伤者，髋关节的驱动有必要性，实现大腿的前后摆动，对于膝关节液压缸14，安装原理与髋关节液压缸类似，缸体一端与活塞杆一端的安装位置分别在大腿与小腿，实现对膝关节的控制，膝关节驱动的必要性在于实现小腿相对大腿的前后摆动，通过髋关节液压缸7与膝关节液压缸14实现对整个下肢康复外骨骼机器人的驱动，同时，在采集的髋关节角度、膝关节角度、人机交互力和足底压力等信息传递给控制柜15，来对液压缸进行控制，调整外骨骼的轨迹、速度等参数。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，本发明的下肢康复外骨骼的优点在于：液压驱动方式，结构紧凑，驱动力大，适用于一些大体重的下肢伤者，具有腰部宽度和腿的长度调节功能，满足不同体型的下肢伤者，同时通过各类传感器，采集运动过程中的角度信息和力的信息，基于所有的传感器信息，控制中心对不同下肢伤者的步态进行规划，实现辅助下肢伤者行走的目的。