一种含柔性关节的下肢康复外骨骼机构

本发明涉及一种下肢康复外骨骼机构，具体说，涉及一种含柔性关节的下肢康复外骨骼机构。

背景技术：

含柔性关节的下肢康复外骨骼机构，通过引入具有柔性的部件以提升康复训练过程中人机交互的舒适性和运动的柔顺性，相比于传统的人工康复训练，极大程度上降低了人工的工作强度，拥有更大的需求。随着时代和科学技术的进步，下肢康复外骨骼机构在医疗康复、民用、军队等领域的应用将愈加广泛。

目前，下肢康复机器人的种类繁多，相互间具有很大差异性，但从关节驱动装置类型上可分为刚性关节驱动和柔性关节驱动，两者相比较来看，现有技术中刚性关节驱动的下肢外骨骼机构主要是为人体关节提供运动助力，但存在因刚度大而导致训练过程生硬的问题，人体在主动或被动康复中容易因缺少缓冲而造成二次损伤，缺乏良好的穿戴舒适性和安全性。同时，当人体在刚性康复外骨骼机构辅助下进行下肢伸屈运动时，只有人体关节自身产生柔性活动范围，这降低了机构灵活性且容易造成不适感和疲劳感，缺乏康复训练的耐力性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种含柔性关节的下肢康复外骨骼机构，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种含柔性关节的下肢康复外骨骼机构，其特征在于，该下肢康复外骨骼机构包括髋关节支撑组件、左腿外骨骼系统和右腿外骨骼系统；所述左腿外骨骼系统和右腿外骨骼系统中的任一包括：引入柔性关节的髋关节驱动装置、髋关节被动转动组件、大腿伸缩组件、引入柔性关节的膝关节驱动装置以及小腿伸缩组件；柔性关节包括第一柔性关节和第二柔性关节，关节驱动装置通过引入柔性关节、使该下肢康复外骨骼机构具有柔弹性，髋关节被动转动组件、大腿伸缩组件以及小腿伸缩组件能根据不同患者的身形尺寸进行调节，髋关节支撑组件、髋关节被动转动组件、引入柔性关节的髋关节驱动装置以及大腿伸缩组件相互配合以支撑人体的髋部和大腿运动，小腿伸缩组件通过引入柔性关节的膝关节驱动装置连接于大腿伸缩组件以辅助人体小腿运动。

进一步地，所述髋关节被动转动组件连接于髋关节支撑组件远离中心轴线的一侧，引入柔性关节的髋关节驱动装置设置在髋关节被动转动组件上，髋关节支撑组件、髋关节被动转动组件以及引入柔性关节的髋关节驱动装置相互配合，用以对人体的髋部进行支撑并辅助人体直立，引入柔性关节的膝关节驱动装置连接于大腿伸缩组件远离髋关节的一端，小腿伸缩组件设置在膝关节驱动装置上，大腿伸缩组件通过引入柔性关节的膝关节驱动装置带动小腿伸缩组件以辅助人体小腿运动。

进一步地，所述髋关节支撑组件包括：髋关节被动滑动副、髋关节绑缚件、腰部连接件以及背板固定件，髋关节被动滑动副连接于腰部连接件，可根据患者身形尺寸的不同进行调节，髋关节支撑组件通过髋关节绑缚件绑缚于人体的腰部，腰部连接件与背板固定件连接以支撑腰部。

进一步地，所述髋关节被动转动组件包括：髋关节支撑件以及髋关节被动转动副，髋关节支撑件连接于髋关节被动转动副，髋关节被动转动副安装在髋关节被动滑动副远离腰部的一端，髋关节支撑件开设有第一轴承支撑孔，髋关节支撑件下端和大腿伸缩组件上端通过所述引入柔性关节的髋关节驱动装置连接。

进一步地，所述大腿伸缩组件包括：大腿支撑杆、大腿带孔空心杆、大腿伸缩节连接件、大腿卡紧头、大腿关节连接件、膝关节大腿连接件以及大腿绑缚件；大腿带孔空心杆的上端连接于大腿关节连接件，大腿带孔空心杆的下端与大腿支撑杆的上端通过大腿伸缩节连接件连接，由大腿卡紧头实现固定，大腿支撑杆的下端连接于膝关节大腿连接件，大腿绑缚件设置于大腿伸缩节连接件上以连接人体大腿。

进一步地，所述小腿伸缩组件包括：小腿支撑杆、小腿带孔空心杆、小腿伸缩节连接件、大腿卡紧头、小腿关节连接件以及小腿绑缚件；小腿带孔空心杆的上端连接于小腿关节连接件，小腿带孔空心杆的下端与小腿支撑杆的上端通过小腿伸缩节连接件连接，由小腿卡紧头实现固定，小腿绑缚件设置于小腿伸缩节连接件上以连接人体小腿；大腿关节连接件和小腿关节连接件分别开设有第一转轴安装孔和第二转轴安装孔，膝关节大腿连接件开设有第三轴承支撑孔，大腿关节连接件通过引入柔性关节的髋关节驱动装置连接于髋关节被动转动组件，小腿关节连接件通过引入柔性关节的膝关节驱动装置连接于大腿伸缩组件。

进一步地，所述引入柔性关节的髋关节驱动装置包括：第一滚动轴承、髋部传动轴、髋部套筒、第二滚动轴承、髋部电机关节连接框、髋部轴端挡板、髋部电机固定框、第一柔性关节、髋部扭矩传感器以及髋部盘式电机；引入柔性关节的膝关节驱动装置包括：第三滚动轴承、膝部传动轴、膝部套筒、第四滚动轴承、膝部电机关节连接框、膝部轴端挡板、膝部电机固定框、第二柔性关节、膝部扭矩传感器以及膝部盘式电机；引入柔性关节的膝关节驱动装置和膝关节驱动装置分别通过髋部电机关节连接框和膝部电机关节连接框连接于髋关节支撑件和膝关节大腿连接件。

进一步地，所述第一柔性关节包括：髋部主动轮、髋部从动轮、髋部扭簧、髋部第一螺钉以及髋部第二螺钉，髋部主动轮开设有髋部凹槽以及髋部圆弧通孔，髋部从动轮开设有髋部从动轮安装孔、髋部紧定孔以及髋部第一螺纹孔，髋部主动轮一侧与传感器固定连接，髋部扭簧卡设于髋部凹槽内，髋部第一螺钉穿过髋部圆弧通孔和髋部扭簧固定于髋部第一螺纹孔，髋部第二螺钉通过髋部紧定孔将髋部从动轮固定于髋部传动轴远离髋关节的一侧；所述第二柔性关节包括：膝部主动轮、膝部从动轮、膝部扭簧、膝部第一螺钉以及膝部第二螺钉；膝部主动轮开设有膝部凹槽以及膝部圆弧通孔，膝部从动轮开设有膝部从动轮安装孔、膝部紧定孔以及膝部第一螺纹孔，膝部主动轮一侧与传感器固定连接，膝部扭簧卡设在膝部凹槽内，膝部第一螺钉通过膝部圆弧通孔和膝部扭簧固定于膝部第一螺纹孔，膝部第二螺钉通过膝部紧定孔将膝部从动轮固定于膝部传动轴远离膝关节的一侧。

与现有技术相比本发明的有益效果是：通过在下肢康复外骨骼机构的关节驱动装置处引入柔性关节，使人机交互由刚性连接驱动转化为柔性连接驱动，在康复训练过程中为髋关节和膝关节的转动提供缓冲，形成刚柔混合的驱动系统，便可在人体下肢与外骨骼机构之间增加运动的柔顺性。同时，由于髋关节被动转动组件、大腿伸缩组件以及小腿伸缩组件能根据不同患者的身形尺寸进行调节，提高该机构的通用性，髋关节支撑组件、大腿伸缩组件和小腿伸缩组件通过绑缚件相互配合，辅助支撑人体的下肢，可以很大程度上降低患者的负载和附加的约束，解决了现有技术中下肢外骨骼缺乏舒适性的问题。

附图说明

图1是本发明一种含柔性关节下肢康复外骨骼机构的结构示意图；

图2是图1所述实施例的髋关节支撑组件的轴测视图；

图3是图1所述实施例的髋关节被动转动组件的结构示意图；

图4是图1所述实施例的髋关节驱动装置的爆炸视图；

图5是图1所述实施例的第一柔性关节的爆炸视图；

图6是图1所述实施例的大腿伸缩组件的轴测视图；

图7是图1所述实施例的膝关节驱动装置的爆炸视图；

图8是图1所述实施例的小腿伸缩组件的轴测视图。

图9是图1所述实施例的髋部传动轴的剖面图；

图10是图1所述实施例的膝部传动轴的剖面图；

图11是图1所述实施例的第二柔性关节的爆炸视图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图10所示，图1是本发明一种含柔性关节下肢康复外骨骼机构的结构示意图，图2是图1所述实施例的髋关节支撑组件的轴测视图；图3是图1所述实施例的髋关节被动转动组件的结构示意图；图4是图1所述实施例的髋关节驱动装置的爆炸视图；

图5是图1所述实施例的第一柔性关节的爆炸视图；图6是图1所述实施例的大腿伸缩组件的轴测视图；图7是图1所述实施例的膝关节驱动装置的爆炸视图；图8是图1所述实施例的小腿伸缩组件的轴测视图。图9是图1所述实施例的髋部传动轴的剖面图；图10是图1所述实施例的膝部传动轴的剖面图；图11是图1所述实施例的第二柔性关节的爆炸视图。

本实施例提供了一种含柔性关节的下肢康复外骨骼机构，参图1-10所示，该下肢康复外骨骼机构包括：髋关节支撑组件2、引入柔性关节的髋关节驱动装置4、髋关节被动转动组件3、大腿伸缩组件5、引入柔性关节的膝关节驱动装置6以及小腿伸缩组件7。

进一步地，所述髋关节被动转动组件3连接于髋关节支撑组件2远离中心轴线的一侧，引入柔性关节的髋关节驱动装置4设置在髋关节被动转动组件3上，髋关节支撑组件2、髋关节被动转动组件3以及引入柔性关节的髋关节驱动装置4相互配合，用以对人体的髋部进行支撑并辅助人体直立，引入柔性关节的膝关节驱动装置6连接于大腿伸缩组件5远离髋关节的一端，小腿伸缩组件7设置在膝关节驱动装置6上，大腿伸缩组件5通过引入柔性关节的膝关节驱动装置6带动小腿伸缩组件7以辅助人体小腿运动。

进一步地，所述髋关节支撑组件2包括：髋关节被动滑动副21、髋关节绑缚件22、腰部连接件24以及背板固定件23，髋关节被动滑动副21连接于腰部连接件24，可根据患者身形尺寸的不同进行调节，髋关节支撑组件2通过髋关节绑缚件22绑缚于人体的腰部，腰部连接件24与背板固定件23连接以支撑腰部。

进一步地，所述髋关节被动转动组件3包括：髋关节支撑件31以及髋关节被动转动副32，髋关节支撑件31连接于髋关节被动转动副32，髋关节被动转动副32安装在髋关节被动滑动副21远离腰部的一端，髋关节支撑件31开设有第一轴承支撑孔33，髋关节支撑件31下端和大腿伸缩组件5上端通过所述引入柔性关节的髋关节驱动装置4连接。

进一步地，所述大腿伸缩组件5包括：大腿支撑杆55、大腿带孔空心杆52、大腿伸缩节连接件54、大腿卡紧头53、大腿关节连接件51、膝关节大腿连接件56以及大腿绑缚件57；大腿带孔空心杆52的上端连接于大腿关节连接件51，大腿带孔空心杆52的下端与大腿支撑杆55的上端通过大腿伸缩节连接件54连接，由大腿卡紧头53实现固定，大腿支撑杆55的下端连接于膝关节大腿连接件56，大腿绑缚件57设置于大腿伸缩节连接件54上以连接人体大腿。

进一步地，所述小腿伸缩组件7包括：小腿支撑杆74、小腿带孔空心杆72、小腿伸缩节连接件73、小腿卡紧头76、小腿关节连接件71以及小腿绑缚件75；小腿带孔空心杆72的上端连接于小腿关节连接件71，小腿带孔空心杆72的下端与小腿支撑杆74的上端通过小腿伸缩节连接件73连接，由小腿卡紧头76实现固定，小腿绑缚件75设置于小腿伸缩节连接件73上以连接人体小腿；大腿关节连接件51和小腿关节连接件71分别开设有第一转轴安装孔58和第二转轴安装孔77，膝关节大腿连接件56开设有第三轴承支撑孔59，大腿关节连接件51通过引入柔性关节的髋关节驱动装置4连接于髋关节被动转动组件3，小腿关节连接件71通过引入柔性关节的膝关节驱动装置6连接于大腿伸缩组件5。

所述髋关节绑缚件22可将髋关节支撑组件2绑缚于人体腰部，大腿绑缚件57可将大腿伸缩组件5绑缚于患者的左大腿和/或右大腿，小腿绑缚件75可将小腿伸缩组件7绑缚于患者的左小腿和/或右小腿，可选地，绑缚件可以选用聚酯纤维、皮革等具有柔软性和韧性的材料，以使得髋关节支撑组件2、大腿伸缩组件5和小腿伸缩组件7通过绑缚件相互配合辅助支撑人体下肢的同时，增加了各组件与人体的绑缚效果，解决了现有技术中下肢外骨骼缺乏舒适性的问题。

髋关节支撑组件2、髋关节被动转动组件3以及引入柔性关节的髋关节驱动装置4相互配合，用以对人体的髋部进行支撑并辅助人体直立，因此能够减轻患者行走时的负载。同时，大腿伸缩组件5通过引入柔性关节的膝关节驱动装置6带动小腿伸缩组件7做相应的动作，为患者膝关节的转动提供助力。此外，由于髋关节支撑组件2、髋关节被动转动组件3、大腿伸缩组件5以及小腿伸缩组件7引入可调整单元，能够根据不同患者的身形尺寸进行调节，降低了患者的附加约束，提高了该下肢康复外骨骼机构的通用性和舒适性。

所述引入柔性关节的髋关节驱动装置4包括：第一滚动轴承41、髋部传动轴42、髋部套筒43、第二滚动轴承44、髋部电机关节连接框45、髋部轴端挡板46、髋部电机固定框47、第一柔性关节48、髋部扭矩传感器49以及髋部盘式电机410；引入柔性关节的膝关节驱动装置包括：第三滚动轴承61、膝部传动轴62、膝部套筒63、第四滚动轴承64、膝部电机关节连接框65、膝部轴端挡板66、膝部电机固定框67、第二柔性关节68、膝部扭矩传感器69以及膝部盘式电机610；引入柔性关节的髋关节驱动装置4和膝关节驱动装置6分别通过髋部电机关节连接框45和膝部电机关节连接框65连接于髋关节支撑件31和膝关节大腿连接件56。

所述第一柔性关节包括：髋部主动轮482、髋部从动轮484、髋部扭簧483、髋部第一螺钉481以及髋部第二螺钉489，髋部主动轮482开设有髋部凹槽488以及髋部圆弧通孔487，髋部从动轮484开设有髋部从动轮安装孔485、髋部紧定孔4810以及髋部第一螺纹孔486，髋部主动轮482一侧与传感器固定连接，髋部扭簧483卡设于髋部凹槽488内，髋部第一螺钉481穿过髋部圆弧通孔487和髋部扭簧483固定于髋部第一螺纹孔486；所述第二柔性关节包括：膝部主动轮682、膝部从动轮684、膝部扭簧683、膝部第一螺钉681以及膝部第二螺钉689；膝部主动轮682开设有膝部凹槽688以及膝部圆弧通孔687，膝部从动轮684开设有膝部从动轮安装孔685、膝部紧定孔6810以及膝部第一螺纹孔686，膝部主动轮682一侧与传感器固定连接，膝部扭簧卡683设在膝部凹槽688内，膝部第一螺钉686通过膝部圆弧通孔687和膝部扭簧683固定于膝部第一螺纹孔686。

所述髋部传动轴42和膝部传动轴62远离关节的一侧分别开设有髋部第二螺纹孔421以及膝部第二螺纹孔621，所述第一滚动轴承41安装于第一轴承支撑孔33，大腿关节连接件51通过第一转轴安装孔58与髋部传动轴42连接，髋部套筒43穿设在髋部传动轴42上压紧大腿关节连接件51，以实现轴上零件的轴向定位，髋部电机关节连接框45靠近髋部盘式电机47的一侧开设有第二轴承支撑孔411，第二滚动轴承44安装于第二轴承支撑孔411，轴承内圈连接在髋部传动轴42上与髋部套筒43一侧接触，髋部轴端挡板46通过与髋部电机关节连接框45连接以压紧第二滚动轴承44，以实现第二滚动轴承44的轴向定位，髋部传动轴42一侧与髋部从动轮安装孔485连接，髋部第二螺钉489通过髋部紧定孔4810固定于髋部第二螺纹孔421以实现第一柔性关节48与髋部传动轴42的连接和对心；

所述第三滚动轴承61安装于第三轴承支撑孔59，小腿关节连接件71通过第二转轴安装孔77与膝部传动轴62连接，膝部套筒63穿设在膝部传动轴62上压紧小腿关节连接件71，以实现轴上零件的轴向定位，膝部电机关节连接框65靠近膝部盘式电机67的一侧开设有第四轴承支撑孔611，第四滚动轴承64安装于第四轴承支撑孔611，轴承内圈连接在膝部传动轴62上与膝部套筒63一侧接触，膝部轴端挡板66通过与膝部电机关节连接框65连接以压紧第四滚动轴承64，以实现第四滚动轴承64的轴向定位，膝部传动轴62一侧与膝部从动轮安装孔685连接，膝部第二螺钉689通过膝部紧定孔6810固定于膝部第二螺纹孔621以实现第二柔性关节68与膝部传动轴62的连接和对心。

髋部盘式电机410和膝部盘式电机610的外圈分别固定连接于髋部电机固定框47和膝部关节固定框67，进一步髋部电机固定框47和膝部电机固定框67分别与髋部电机连接框45和膝部电机连接框65连接，髋部盘式电机410通过髋部扭矩传感器49与髋部主动轮482连接，膝部盘式电机610通过膝部扭矩传感器69与膝部主动轮682连接。

所述髋部传动轴42依次穿设于第一滚动轴承41、大腿关节连接件51、髋部套筒43、第二滚动轴承44、髋部电机关节连接框45、髋部轴端挡板46、第一柔性关节48以及髋部电机连接框45内，第一滚动轴承41和第二滚动轴承44分别置于髋部传动轴42的两侧，通过第一轴承支撑孔33和第二轴承支撑孔411将髋部传动轴42及轴上零件固定于髋部电机连接框45；膝部传动轴62依次穿设于第三滚动轴承61、小腿关节连接件71、膝部套筒63、第四滚动轴承64、膝部电机关节连接框65、膝部轴端挡板56、第二柔性关节68以及膝部电机连接框65内，第三滚动轴承61和第四滚动轴承64分别置于膝部传动轴62的两侧，通过第三轴承支撑孔59和第四轴承支撑孔611将膝部传动轴62及轴上零件固定于膝部电机连接框65。

髋部盘式电机410可通过髋部扭矩传感器49带动髋部主动轮482旋转，膝部盘式电机610可通过膝部扭矩传感器69带动膝部主动轮682旋转，此时髋部扭簧483与膝部扭簧683被压缩分别为髋关节或膝关节的运动提供缓冲，髋部主动轮482和膝部主动轮682在转动一定角度后可分别与髋部从动轮484和膝部从动轮684锁死，进一步通过髋部传动轴42和膝部传动轴62分别带动大腿关节连接件51和小腿关节连接件71旋转，以实现大腿伸缩组件5和/或小腿伸缩组件7的摆动，为人体下肢伸屈提供主动助力。

当髋部盘式电机410处于使能状态保持静止，人体从初始站立状态至腿部主动进入摆动相时，大腿关节连接件51通过髋部传动轴42带动髋部从动轮484转动，由于髋部扭簧483及膝部扭簧683可压缩，髋部第一螺钉481可在髋部圆弧通孔487内转动预设角度后与髋部主动轮482接触，膝部第一螺钉681可在膝部圆弧通孔687内转动预设角度后与膝部主动轮682接触，以使大腿伸缩组件5和小腿伸缩组件7在转动至预设极限角度后分别与髋部盘式电机410和膝部盘式电机610形成刚性连接，在这一过程中，第一柔性关节48和第二柔性关节68随腿部摆动被压缩并具有弹性势能，以使髋关节或膝关节的转动具有调整和缓冲空间；当人体下肢站立伸展时，髋部第一螺钉481与髋部主动轮482脱离接触，膝部第一螺钉681与膝部主动轮682脱离接触，髋部主动轮482与髋部从动轮484由刚性连接变为柔性连接，膝部主动轮682与膝部从动轮684由刚性连接变为柔性连接，髋部扭簧483和膝部扭簧683释放弹性势能为髋关节和/或膝关节的站立伸展运动提供助力。

当髋部盘式电机410通电带动髋部主动轮484转动，人体从站立状态通过电机辅助进入摆动相时，髋部主动轮484与髋部第一螺钉481接触前压缩髋部扭簧483，以储存弹性势能实现与髋部从动轮482的柔性连接，以使第一柔性关节48为下肢的屈曲动作提供缓冲，髋部主动轮484达预设角度后通过髋部第一螺钉481与髋部从动轮484锁定形成刚性连接，髋部盘式电机410输出扭矩带动髋部传动轴42为髋关节或膝关节的屈曲旋转提供动力；当人体下肢由屈曲状态至站立伸展时，髋部第一螺钉481与髋部主动轮482脱离接触，此时，髋部扭簧483释放弹性势能为膝关节或髋关节的伸曲动作主动助力。

在本实施例中，髋关节支撑组件2还包括背部支撑板81，背部支撑板81与背板固定件23配合连接以支撑人体腰部。

在本实施例中，小腿伸缩组件7还包括脚部支撑件82，脚部支撑件82设置在小腿支撑杆74的下端。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。