一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人,包括控制箱以及从上向下依次衔接的腰部被动支撑结构、大腿执行机构、小腿执行机构和足部机构，腰部被动执行机构包括腰部支撑杆、两个腰部被动旋转机构，大腿执行机构包括从上往下依次连接的大腿上限位连杆、大腿主动驱动单元和大腿下限位连杆，小腿执行机构包括从上往下依次连接的小腿上限位连杆、小腿主动驱动单元和小腿下限位连杆，足部机构包括足底压力鞋和足部被动旋转机构。本发明相比现有技术具有以下优点：采用主被动自由度相结合的助力助残实现方式，满足人体下肢运动自由度的需求以及灵活性，能满足脊髓损伤截瘫患者的日常行走功能，操作简单方便，灵活性高。
【专利说明】
一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人
技术领域
[0001]本发明涉及下肢助残机器人技术领域，尤其涉及的是一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人。
【背景技术】
[0002]由脊髓损伤引起的下肢残疾，轻者使损伤者行走能力减弱，重则瘫痪。我国肢体残疾人数庞大，且人数每年仍在递增。庞大的肢体残疾人数，使得我国康复装备供应和康复临床的需求存在巨大缺口。助残机器人是专为具有下肢肢体残疾的人而设计的一款便捷、康复的机器人。但现有的下肢助残机器人大多功能单一，仅能满足辅助日常行走的功能，对于脊髓损伤导致的半瘫或全瘫患者不适用，通用性差，且现有的下肢助残机器人结构复杂、占用空间大、容易对人造成损伤。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，以期达到针对脊髓损伤导致的半瘫或全瘫患者也适用且安全性高的目的。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005]—种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，包括控制箱以及从上向下依次衔接的腰部被动支撑结构、大腿执行机构、小腿执行机构和足部机构；
[0006]所述腰部被动执行机构包括腰部支撑杆、两个腰部被动旋转机构，所述两个腰部被动旋转机构的上端分别固定连接在所述腰部支撑杆的左右两端、下端分别转动连接所述大腿执行机构；
[0007]所述大腿执行机构包括从上往下依次连接的大腿上限位连杆、大腿主动驱动单元和大腿下限位连杆，所述大腿上限位连杆和所述大腿下限位连杆之间是通过所述大腿主动驱动单元转动连接的，所述大腿上限位连杆的上端与所述腰部被动旋转机构的下端转动连接，所述大腿下限位连杆的下端固定连接所述小腿执行机构；
[0008]所述小腿执行机构包括从上往下依次连接的小腿上限位连杆、小腿主动驱动单元和小腿下限位连杆，所述小腿上限位连杆和所述小腿下限位连杆之间是通过所述小腿主动驱动单元转动连接的，所述小腿上限位连杆的上端与所述大腿下限位连杆的下端固定连接，所述小腿下限位连杆的下端固定连接所述足部机构；
[0009]所述足部机构包括足底压力鞋，所述足底压力鞋通过足部被动旋转机构与所述小腿下限位连杆的下端转动连接。
[0010]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述大腿上限位连杆下端和大腿下限位连杆上端相搭接，且所述大腿上限位连杆下端设有向所述大腿下限位连杆一侧凸出的第一大腿限位凸台，所述大腿下限位连杆上端设有与所述第一大腿限位凸台相配合的第二大腿限位凸台，所述大腿下限位连杆能相对于所述大腿上限位连杆前后摆动，且当所述大腿下限位连杆向后摆动到与所述大腿上限位连杆平直时，所述第一大腿限位凸台与所述第二大腿限位凸台的工作面正好相接触实现机械限位。
[0011]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述小腿上限位连杆下端和小腿下限位连杆上端相搭接，且所述小腿上限位连杆下端设有向所述小腿下限位连杆一侧凸出的第一小腿限位凸台，所述小腿下限位连杆上端设有与所述第一小腿限位凸台相配合的第二小腿限位凸台，所述小腿下限位连杆能相对于所述小腿上限位连杆前后摆动，且当所述小腿下限位连杆向前摆动到与所述小腿上限位连杆平直时，所述第一小腿限位凸台与所述第二小腿限位凸台的工作面正好相接触实现机械限位。
[0012]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述大腿主动驱动单元包括第一盘式电机、第一谐波减速器，所述第一盘式电机内设置有第一编码器，所述第一盘式电机固定安装在所述大腿下限位连杆上端，所述第一谐波减速器固定安装在所述大腿上限位连杆下端，且所述第一盘式电机的输出端连接所述第一谐波减速器的输入端，通过所述第一盘式电机旋转从而驱动所述大腿上限位连杆和所述大腿下限位连杆相对摆动。
[0013]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述小腿主动驱动单元包括第二盘式电机、第二谐波减速器，所述第二盘式电机内设置有第二编码器，所述第二盘式电机固定安装在所述小腿下限位连杆上端，所述第二谐波减速器固定安装在所述小腿上限位连杆下端，且所述第二盘式电机的输出端连接所述第二谐波减速器的输入端，通过所述第二盘式电机旋转从而驱动所述小腿上限位连杆和所述小腿下限位连杆相对摆动。
[0014]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述大腿下限位连杆下部沿长度方向设有多个第一螺纹孔，通过第一螺钉穿过所述第一螺纹孔将所述大腿下限位连杆与所述小腿上限位连杆固定在一起;所述小腿下限位连杆下部沿长度方向设有多个第二螺纹孔，通过第二螺钉穿过所述第二螺纹孔将所述小腿下限位连杆与所述足部被动旋转机构固定在一起。
[0015]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述足底压力鞋左右两侧分别设置有足部被动旋转机构，其中位于外侧的足部被动旋转机构上端与所述小腿下限位连杆的下端固定连接，两个足部被动旋转机构下端与所述足底压力鞋转动连接。
[0016]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述腰部支撑杆上安装有姿态传感器，所述大腿下限位连杆和小腿下限位连杆上分别安装有接近传感器，所述足底压力鞋上均布有压力传感器。
[0017]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述大腿下限位连杆和小腿下限位连杆均由从上往下依次连接的上连杆、倾斜连杆和下连杆构成，所述上连杆和下连杆均竖直设置，所述倾斜连杆倾斜设置，所述上连杆位于下连杆外侧。
[0018]作为上述的下肢助残机器人的优选实施方式，所述腰部支撑杆、大腿下限位连杆和小腿下限位连杆上均设置有用于安装绷带的绷带安装孔。
[0019]本发明相比现有技术具有以下优点:
[0020]1、本发明提供的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，在对应人体的髋关节和膝关节处采用主动驱动自由度，其腰部和踝关节处采用被动驱动自由度，采用主被动自由度相结合的助力助残实现方式，满足人体下肢运动自由度的需求以及灵活性，通过腰部、大腿和小腿处的绷带将该机器人绑在患者身上，即能满足脊髓损伤截瘫患者的日常行走功能，操作简单方便，灵活性高。
[0021]2、本发明提供的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，在对应人体的髋关节和膝关节处分别设置了机械限位结构，对大腿下限位连杆相对于大腿上限位连杆向后摆动的极限位置进行限位，以及对小腿下限位连杆相对于小腿上限位连杆向前摆动的极限位置进行限位，避免盘式电机失控导致摆动过度对患者下肢造成损伤，且两个限位机构均采用相配合的限位凸台的机械硬限位方式，限位效果好，进一步增加了下肢助残机器人的安全可靠性。
[0022]3、本发明提供的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其大腿下限位连杆下部沿长度方向设有多个第一螺纹孔，小腿下限位连杆下部沿长度方向设有多个第二螺纹孔，通过选用不同高度为的螺纹孔，即可调节大腿和小腿的长度，从而适应不同高度的患者，适用范围广，通用性强。
[0023]4、本发明提供的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其在腰部支撑杆上、大腿下限位连杆上、小腿下限位连杆上以及足底压力鞋上均安装有传感器，用于检测各类控制信号和人体意图识别，控制机器人具备行走、转弯、下蹲、起立等多种工作模式。
[0024]5、本发明提供的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其大腿主动驱动单元和小腿主动驱动单元均采用盘式电机加谐波减速器的驱动方式，同时其大腿下限位连杆和小腿下限位连杆均由从上往下依次连接的上连杆、倾斜连杆和下连杆构成，一方面是为了符合人体工程学要求;另一方面也可留出一定空间供腿主动驱动单元和小腿主动驱动单元安装，使得整个机器人结构布局紧凑。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的立体结构示意图。
[0026]图2是本发明的主视图。
[0027]图3是本发明的大腿下限位连杆的主视图。
[0028]图4是本发明的大腿限位结构的示意图。
[0029]图5是本发明的大腿限位结构处于大腿极限位置时的示意图。
[0030]图6是本发明的小腿限位结构的示意图。
[0031]图7是本发明的小腿限位结构处于小腿极限位置时的示意图。
[0032]图中标号:I控制箱，21腰部支撑杆，22腰部被动旋转机构，31大腿上限位连杆，32大腿主动驱动单元，321第一盘式电机，322第一谐波减速器，33大腿下限位连杆，331第一螺纹孔，332上连杆，333倾斜连杆，334下连杆，34第一大腿限位凸台，35第二大腿限位凸台，41小腿上限位连杆，42小腿主动驱动单元，421第二盘式电机，422第二谐波减速器，43小腿下限位连杆，431第二螺纹孔，44第一小腿限位凸台，45第二小腿限位凸台，51足底压力鞋，52足部被动旋转机构。
【具体实施方式】
[0033]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]参见图1、图2和图3，本实施例公开了一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，包括控制箱I以及从上向下依次衔接的腰部被动支撑结构、大腿执行机构、小腿执行机构和足部机构；
[0035]腰部被动执行机构包括腰部支撑杆21、两个腰部被动旋转机构22，两个腰部被动旋转机构22的上端分别固定连接在腰部支撑杆21的左右两端、下端分别转动连接大腿执行机构;控制箱I可设置在腰部支撑杆21后端上，控制箱I内包括蓄电池、pc机、控制器件等。
[0036]大腿执行机构包括从上往下依次连接的大腿上限位连杆31、大腿主动驱动单元32和大腿下限位连杆33，大腿上限位连杆31和大腿下限位连杆33之间是通过大腿主动驱动单元32转动连接的，大腿上限位连杆31的上端与腰部被动旋转机构22的下端转动连接，大腿下限位连杆33的下端固定连接小腿执行机构。其中，大腿主动驱动单元32包括第一盘式电机321、第一谐波减速器322，第一盘式电机321内设置有第一编码器，第一盘式电机321固定安装在大腿下限位连杆33上端，第一谐波减速器322固定安装在大腿上限位连杆31下端，且第一盘式电机321的输出端连接第一谐波减速器322的输入端，通过第一盘式电机321旋转从而驱动大腿上限位连杆31和大腿下限位连杆33相对摆动。
[0037]小腿执行机构包括从上往下依次连接的小腿上限位连杆41、小腿主动驱动单元42和小腿下限位连杆43，小腿上限位连杆41和小腿下限位连杆43之间是通过小腿主动驱动单元42转动连接的，小腿上限位连杆41的上端与大腿下限位连杆33的下端固定连接，小腿下限位连杆43的下端固定连接足部机构。其中，小腿主动驱动单元42包括第二盘式电机421、第二谐波减速器422，第二盘式电机421内设置有第二编码器，第二盘式电机421固定安装在小腿下限位连杆43上端，第二谐波减速器422固定安装在小腿上限位连杆41下端，且第二盘式电机421的输出端连接第二谐波减速器422的输入端，通过第二盘式电机421旋转从而驱动小腿上限位连杆41和小腿下限位连杆43相对摆动。
[0038]足部机构包括足底压力鞋51，足底压力鞋51通过足部被动旋转机构与小腿下限位连杆43的下端转动连接。足底压力鞋51左右两侧分别设置有足部被动旋转机构，其中位于外侧的足部被动旋转机构上端与小腿下限位连杆43的下端固定连接，两个足部被动旋转机构下端与足底压力鞋51转动连接。
[0039]此机器人中，其大腿主动驱动单元32对应人体的髋关节前后摆动自由度，大腿下限位连杆33和小腿上限位连杆41连在一起共同对应人体的大腿部位，小腿主动驱动单元42对应人体的膝关节部位，小腿下限位连杆43和与其连为一体的外侧的足部被动旋转机构共同对应人体的小腿部位。
[0040]参见图4、图5，在大腿上限位连杆31下端和大腿下限位连杆33上端之间即对应人体的髋关节部位设置有大腿限位结构，大腿上限位连杆31下端和大腿下限位连杆33上端相搭接，且大腿上限位连杆31下端设有向大腿下限位连杆33—侧凸出的第一大腿限位凸台34，大腿下限位连杆33上端设有与第一大腿限位凸台34相配合的第二大腿限位凸台35，大腿下限位连杆33能相对于大腿上限位连杆31前后摆动，且当大腿下限位连杆33向后摆动到与大腿上限位连杆31平直即处于大腿极限位置时，第一大腿限位凸台34与第二大腿限位凸台35的工作面正好相接触实现机械限位。在对应人体的髋关节部位设置大腿限位结构，对大腿下限位连杆33相对于大腿上限位连杆31向后摆动的极限位置进行限位，防止大腿下限位连杆33相对于大腿上限位连杆31向后摆动过度从而损伤人体髋关节或大腿，且采用大腿限位凸台的机械硬限位方式，限位效果好，进一步增加了下肢助残机器人的安全可靠性。[0041 ] 参见图6、图7，在小腿上限位连杆41下端和小腿下限位连杆43上端之间即对应人体的膝关节部位设置有小腿限位结构，小腿上限位连杆41下端和小腿下限位连杆43上端相搭接，且小腿上限位连杆41下端设有向小腿下限位连杆43—侧凸出的第一小腿限位凸台44，小腿下限位连杆43上端设有与第一小腿限位凸台44相配合的第二小腿限位凸台45，小腿下限位连杆43能相对于小腿上限位连杆41前后摆动，且当小腿下限位连杆43向前摆动到与小腿上限位连杆41平直即处于小腿极限位置时，第一小腿限位凸台44与第二小腿限位凸台45的工作面正好相接触实现机械限位。在对应人体的膝关节部位设置有小腿限位结构，对小腿下限位连杆43相对于小腿上限位连杆41向前摆动的极限位置进行限位，防止小腿下限位连杆43相对于小腿上限位连杆41向前摆动过度从而损伤人体膝关节或小腿，且采用小腿限位凸台的机械硬限位方式，限位效果好，进一步增加了下肢助残机器人的安全可靠性。
[0042]同时，本实施例在大腿下限位连杆33下部沿长度方向设有多个第一螺纹孔331，通过第一螺钉穿过第一螺纹孔331将大腿下限位连杆33与小腿上限位连杆41固定在一起;小腿下限位连杆43下部沿长度方向设有多个第二螺纹孔431，通过第二螺钉穿过第二螺纹孔431将小腿下限位连杆43与足部被动旋转机构固定在一起。通过选用不同高度的螺纹孔，SP可调节大腿和小腿的长度，从而适应不同高度的患者，适用范围广，通用性强。
[0043]为了检测各类控制信号和人体意图识别，在腰部支撑杆21上安装有姿态传感器，用于检测人体上身的姿态信息。在大腿下限位连杆33和小腿下限位连杆43上分别安装有接近传感器，用于通过软件限制关节摆动角，足底压力鞋51上均布有压力传感器，用于检测人体运动信息。
[0044]大腿下限位连杆33和小腿下限位连杆43均由从上往下依次连接的上连杆332、倾斜连杆333和下连杆334构成，上连杆332和下连杆334均竖直设置，倾斜连杆333倾斜设置，上连杆332位于下连杆334外侧。此种机构设计，一方面是为了符合人体工程学要求;另一方面也可留出一定空间供腿主动驱动单元和小腿主动驱动单元42安装，使得整个机器人结构布局紧凑。
[0045]腰部支撑杆21、大腿下限位连杆33和小腿下限位连杆43上均设置有用于安装绷带的绷带安装孔。通过在绷带安装孔上安装绷带，通过绷带与分别与人体的腰部、大腿和小腿连接，从而实现该机器人与人体相连，增加了患者舒适度。
[0046]以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
【主权项】
1.一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:包括控制箱以及从上向下依次衔接的腰部被动支撑结构、大腿执行机构、小腿执行机构和足部机构； 所述腰部被动执行机构包括腰部支撑杆、两个腰部被动旋转机构，所述两个腰部被动旋转机构的上端分别固定连接在所述腰部支撑杆的左右两端、下端分别转动连接所述大腿执行机构； 所述大腿执行机构包括从上往下依次连接的大腿上限位连杆、大腿主动驱动单元和大腿下限位连杆，所述大腿上限位连杆和所述大腿下限位连杆之间是通过所述大腿主动驱动单元转动连接的，所述大腿上限位连杆的上端与所述腰部被动旋转机构的下端转动连接，所述大腿下限位连杆的下端固定连接所述小腿执行机构； 所述小腿执行机构包括从上往下依次连接的小腿上限位连杆、小腿主动驱动单元和小腿下限位连杆，所述小腿上限位连杆和所述小腿下限位连杆之间是通过所述小腿主动驱动单元转动连接的，所述小腿上限位连杆的上端与所述大腿下限位连杆的下端固定连接，所述小腿下限位连杆的下端固定连接所述足部机构； 所述足部机构包括足底压力鞋，所述足底压力鞋通过足部被动旋转机构与所述小腿下限位连杆的下端转动连接。2.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述大腿上限位连杆下端和大腿下限位连杆上端相搭接，且所述大腿上限位连杆下端设有向所述大腿下限位连杆一侧凸出的第一大腿限位凸台，所述大腿下限位连杆上端设有与所述第一大腿限位凸台相配合的第二大腿限位凸台，所述大腿下限位连杆能相对于所述大腿上限位连杆前后摆动，且当所述大腿下限位连杆向后摆动到与所述大腿上限位连杆平直时，所述第一大腿限位凸台与所述第二大腿限位凸台的工作面正好相接触实现机械限位。3.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述小腿上限位连杆下端和小腿下限位连杆上端相搭接，且所述小腿上限位连杆下端设有向所述小腿下限位连杆一侧凸出的第一小腿限位凸台，所述小腿下限位连杆上端设有与所述第一小腿限位凸台相配合的第二小腿限位凸台，所述小腿下限位连杆能相对于所述小腿上限位连杆前后摆动，且当所述小腿下限位连杆向前摆动到与所述小腿上限位连杆平直时，所述第一小腿限位凸台与所述第二小腿限位凸台的工作面正好相接触实现机械限位。4.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述大腿主动驱动单元包括第一盘式电机、第一谐波减速器，所述第一盘式电机内设置有第一编码器，所述第一盘式电机固定安装在所述大腿下限位连杆上端，所述第一谐波减速器固定安装在所述大腿上限位连杆下端，且所述第一盘式电机的输出端连接所述第一谐波减速器的输入端，通过所述第一盘式电机旋转从而驱动所述大腿上限位连杆和所述大腿下限位连杆相对摆动。5.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述小腿主动驱动单元包括第二盘式电机、第二谐波减速器，所述第二盘式电机内设置有第二编码器，所述第二盘式电机固定安装在所述小腿下限位连杆上端，所述第二谐波减速器固定安装在所述小腿上限位连杆下端，且所述第二盘式电机的输出端连接所述第二谐波减速器的输入端，通过所述第二盘式电机旋转从而驱动所述小腿上限位连杆和所述小腿下限位连杆相对摆动。6.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述大腿下限位连杆下部沿长度方向设有多个第一螺纹孔，通过第一螺钉穿过所述第一螺纹孔将所述大腿下限位连杆与所述小腿上限位连杆固定在一起;所述小腿下限位连杆下部沿长度方向设有多个第二螺纹孔，通过第二螺钉穿过所述第二螺纹孔将所述小腿下限位连杆与所述足部被动旋转机构固定在一起。7.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述足底压力鞋左右两侧分别设置有足部被动旋转机构，其中位于外侧的足部被动旋转机构上端与所述小腿下限位连杆的下端固定连接，两个足部被动旋转机构下端与所述足底压力鞋转动连接。8.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述腰部支撑杆上安装有姿态传感器，所述大腿下限位连杆和小腿下限位连杆上分别安装有接近传感器，所述足底压力鞋上均布有压力传感器。9.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述大腿下限位连杆和小腿下限位连杆均由从上往下依次连接的上连杆、倾斜连杆和下连杆构成，所述上连杆和下连杆均竖直设置，所述倾斜连杆倾斜设置，所述上连杆位于下连杆外侧。10.如权利要求1所述的一种用于脊髓损伤截瘫患者的下肢助残机器人，其特征在于:所述腰部支撑杆、大腿下限位连杆和小腿下限位连杆上均设置有用于安装绷带的绷带安装孔。
【文档编号】B25J9/00GK106078701SQ201610688420
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月18日 公开号201610688420.2, CN 106078701 A, CN 106078701A, CN 201610688420, CN-A-106078701, CN106078701 A, CN106078701A, CN201610688420, CN201610688420.2
【发明人】王美玲, 赵江海, 陈淑艳, 叶晓东, 何锋, 赵子毅, 赵汉宾, 付龙, 丁玲
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院, 常州先进制造技术研究所