一种主被动结合的下肢外骨骼机器人机构制造技术

本发明专利技术公开一种主被动结合的下肢外骨骼机器人机构，采用有源和无源结合的方式，为穿戴者的下肢运动提供被动的重力补偿和主动的运动辅助

【技术实现步骤摘要】
一种主被动结合的下肢外骨骼机器人机构


[0001]本专利技术属于外骨骼领域，具体涉及一种主被动结合的下肢外骨骼机器人机构，可应用于下肢无力患者的运动辅助
。

技术介绍

[0002]脑卒中是我国成年人致死
、
致残的首位病因，脑卒中具有发病率高
、
死亡率高和致残率高的特点
。
脑卒中患者经过手术或药物治疗后常常伴有后遗症，导致患者下肢运动功能障碍，具体表现为肌张力异常
、
肌力下降
、
下肢关节运动受限
、
神经系统控制能力下降，使得患者的日常生活受到影响并加重了患者的心理负担
。
近年来
。
随着外骨骼技术的快速发展，越来越多的外骨骼被专利技术用来患者的辅助支撑和康复治疗，并且针对下肢有运动障碍的可穿戴外骨骼也不断的涌现
。
[0003]然而现阶段，多数下肢外骨骼机器人为纯刚性结构，并将多个驱动器直接安装在关节处，大幅增加患侧肢体的运动惯量，导致外骨骼机器人的重量较大，穿戴过程繁琐，设计上多采用关节定轴转动机构，存在驱动冗余
、
轻量化程度低
、
人机结构和运动匹配度低等问题
。
[0004]针对上述分析，研发一款面向脑卒中康复领域，能为穿戴者的下肢运动提供辅助支撑和重力补偿，缓解穿戴者下肢肌肉负荷，满足轻量化
、
柔顺化的特点的助力型下肢外骨骼机器人，对于改善脑卒中后期患者的下肢运动功能障碍的日常生活具有重要意义
。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了克服目前下肢外骨骼存在的重量较大
、
驱动冗余
、
人机结构和运动匹配度低等问题，综合了为人体下肢提供辅助支撑的外骨骼和重力平衡机构的特点，通过绳索驱动的特殊设计，提供了一种主被动结合的下肢可穿戴外骨骼
。
[0006]本专利技术主被动结合的下肢外骨骼机器人机构，包括绑缚于人体腰背部的外骨骼本体机构，以及绑缚于人体刷腿的下肢外骨骼机构
。
[0007]所述外骨骼本体机构包括背板
、
重力平衡装置与电机驱动平台；其中，重力平衡装置为4套横向安装于背板上的导轨滑块模组
。
四套导轨滑块模的滑块上通过拉伸弹簧连接重力平衡绳索，重力平衡绳索连接电动驱动平台中线轮外缘设计的凸起，进而将重力平衡装置中拉伸弹簧的预紧力传递给线轮
。
[0008]电机驱动平台包括腰背部绑缚背板
、
腰部机架
、
线轮驱动机构与导线机构；其中，腰部机架安装于背板上，腰部机构两侧具有下肢外骨骼机构连接臂；同时在两侧下肢外骨骼机构连接臂的上下位置安装有导线机构；导线机构为两个轴线纵向设置的导线轮
。
[0009]上述背板与腰部机架上横向对应位置开有四个通孔，形成线轮驱动机构安装通道；线轮驱动机构横向由左至右分别为左髋驱动机构
、
左膝驱动机构
、
右髋驱动机构
、
右膝驱动机构；四个线轮驱动机构结构相同，具有由电机模组驱动转动的线轮
。
其中线轮通过轴承安装于腰部机架上的通孔内，且其外表面绕线槽位于线轮驱动机构安装通道外部
。
[0010]腰背部绑缚背板平行于背板设置，与腰部机架固定；腰背部绑缚背板上开孔用于穿过绑带
。
[0011]所述下肢外骨骼机构由髋关节模块
、
大腿外骨骼
、
膝关节模块
、
小腿外骨骼与踝关节模块构成
。
[0012]其中，髋关节模块包括膝关节中转轮
、
髋关节驱动轮
、
大腿上端连接件，腰部连接件以及弹性元件，均套于髋关节阶梯轴上
。
膝关节中转轮为双槽线轮通过轴承进行安装；髋关节驱动轮为单槽线轮固定安装；大腿连接件通过轴承进行安装
。
腰部连接件通过轴承进行安装
。
弹性元件固定安装，同时弹性元件两端与大腿上端连接件固定
。
上述结构的髋关节模块的阶梯轴通过轴承安装于腰部机架侧方的连接臂上；同时腰部连接件与连接臂间固连
。
[0013]大腿外骨骼包括髋关节侧大腿连杆
、
膝关节侧大腿连杆与大腿绑缚机构
。
[0014]其中，髋关节侧大腿连杆与膝关节侧大腿连杆滑动连接，使大腿外骨骼长度可调；髋关节侧大腿连杆顶部与髋关节模块中大腿上端连接件固定
。
[0015]大腿绑缚机构为弧形板状结构，位于膝关节侧大腿连杆外侧，且开孔用于穿过绑缚带；大腿绑缚机构外弧面与膝关节侧大腿连杆固定
。
[0016]膝关节模块包括大腿末端连接件
、
小腿上端连接件
、
膝关节弹性元件
、
膝关节驱动轮，均套于膝关节阶梯轴上
。
小腿上端连接件通过轴套进行安装；大腿末端连接件通过轴承进行安装；膝关节驱动轮为单槽线轮，固定安装；膝关节弹性元件固定安装；同时弹性元件两端与小腿上端连接件固定；上述结构的膝关节模块中，大腿末端连接件与大腿外骨骼中的膝关节侧大腿连杆下端连接固定
。
[0017]小腿外骨骼由膝关节侧小腿连杆
、
踝关节侧小腿连杆与小腿绑缚机构组成；其中，膝关节侧小腿连杆顶部与小腿上端连接件固连；膝关节侧小腿连杆下部与踝关节侧小腿连杆间滑动连接，使小腿外骨骼长度可调
。
[0018]小腿绑缚机构为弧形板状结构，位于膝关节侧小腿连杆外侧，且开孔用于穿过绑缚带；小腿绑缚机构外弧面与膝关节侧小腿连杆固定
。
[0019]所述踝关节模块由踝关节连杆
、
弹簧与足部支撑板构成；其中，踝关节连杆顶端与踝关节侧小腿连杆底端间铰接；且踝关节连杆底端与踝关节侧小腿连杆底端通过两侧弹簧连接；踝关节连杆底端固定于足部支撑板一侧
。
足部支撑板后端设计有绑缚板，绑缚板上开孔用于穿过绑缚带
。
[0020]上述结构的左右两套下肢外骨骼机构通过两组驱动绳索进行驱动运动；每组驱动绳索由两条髋关节驱动绳索
、
两条膝关节中转绳索与两条膝关节驱动绳索组成
。
其中，一组驱动绳索为左侧下肢驱动绳索，与线轮驱动机构中的左髋驱动机构
、
左膝驱动机构以及左侧下肢外骨骼机构连接
。
[0021]其中，两根髋关节驱动绳索反向缠绕于髋驱动机构中的线轮上，端部与左髋驱动机构中的线轮周向
U
型槽内销钉连接；进一步两根髋关节绳索沿水平横向分别绕过腰部机架左侧连接臂上下两个导线轴承中位于外侧的导线轴承后，水平前向到达髋关节模块中髋关节驱动轮处，并反向缠绕于髋关节模块中髋关节驱动轮上，另一端部与髋关节驱动轮周向
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种主被动结合的下肢外骨骼机器人机构，包括绑缚于人体腰背部的外骨骼本体机构，以及绑缚于人体刷腿的下肢外骨骼机构；其特征在于：所述外骨骼本体机构包括背板
、
重力平衡装置与电机驱动平台；其中，重力平衡装置为4套横向安装于背板上的导轨滑块模组；四套导轨滑块模的滑块上通过拉伸弹簧连接重力平衡绳索，重力平衡绳索连接电动驱动平台中线轮外缘设计的凸起，进而将重力平衡装置中拉伸弹簧的预紧力传递给线轮；电机驱动平台包括腰背部绑缚背板
、
腰部机架
、
线轮驱动机构与导线机构；其中，腰部机架安装于背板上，腰部机构两侧具有下肢外骨骼机构连接臂；同时在两侧下肢外骨骼机构连接臂的上下位置安装有导线机构；导线机构为两个轴线纵向设置的导线轮；背板与腰部机架上横向对应位置开有四个通孔，形成线轮驱动机构安装通道；线轮驱动机构横向由左至右分别为左髋驱动机构
、
左膝驱动机构
、
右髋驱动机构
、
右膝驱动机构；四个线轮驱动机构结构相同，具有由电机模组驱动转动的线轮；其中线轮通过轴承安装于腰部机架上的通孔内，且其外表面绕线槽位于线轮驱动机构安装通道外部；腰背部绑缚背板平行于背板设置，与腰部机架固定；腰背部绑缚背板上开孔用于穿过绑带；所述下肢外骨骼机构由髋关节模块
、
大腿外骨骼
、
膝关节模块
、
小腿外骨骼与踝关节模块构成；其中，髋关节模块包括膝关节中转轮
、
髋关节驱动轮
、
大腿上端连接件，腰部连接件以及弹性元件，均套于髋关节阶梯轴上；膝关节中转轮为双槽线轮通过轴承进行安装；髋关节驱动轮为单槽线轮固定安装；大腿连接件通过轴承进行安装；腰部连接件通过轴承进行安装；弹性元件固定安装，同时弹性元件两端与大腿上端连接件固定；上述结构的髋关节模块的阶梯轴通过轴承安装于腰部机架侧方的连接臂上；同时腰部连接件与连接臂间固连；大腿外骨骼包括髋关节侧大腿连杆
、
膝关节侧大腿连杆与大腿绑缚机构；其中，髋关节侧大腿连杆与膝关节侧大腿连杆滑动连接，使大腿外骨骼长度可调；髋关节侧大腿连杆顶部与髋关节模块中大腿上端连接件固定；大腿绑缚机构为弧形板状结构，位于膝关节侧大腿连杆外侧，且开孔用于穿过绑缚带；大腿绑缚机构外弧面与膝关节侧大腿连杆固定；膝关节模块包括大腿末端连接件
、
小腿上端连接件
、
膝关节弹性元件
、
膝关节驱动轮，均套于膝关节阶梯轴上；小腿上端连接件通过轴套进行安装；大腿末端连接件通过轴承进行安装；膝关节驱动轮为单槽线轮，固定安装；膝关节弹性元件固定安装；同时弹性元件两端与小腿上端连接件固定；上述结构的膝关节模块中，大腿末端连接件与大腿外骨骼中的膝关节侧大腿连杆下端连接固定；小腿外骨骼由膝关节侧小腿连杆
、
踝关节侧小腿连杆与小腿绑缚机构组成；其中，膝关节侧小腿连杆顶部与小腿上端连接件固连；膝关节侧小腿连杆下部与踝关节侧小腿连杆间滑动连接，使小腿外骨骼长度可调；小腿绑缚机构为弧形板状结构，位于膝关节侧小腿连杆外侧，且开孔用于穿过绑缚带；小腿绑缚机构外弧面与膝关节侧小腿连杆固定；踝关节模块由踝关节连杆
、
弹簧与足部支撑板构成；其中，踝关节连杆顶端与踝关节侧小腿连杆底端间铰接；且踝关节连杆底端与踝关节侧小腿连杆底端通过两侧弹簧连接；踝关节连杆底端固定于足部支撑板一侧；足部支撑板后端设计有绑缚板，绑缚板上开孔用于穿过绑缚带；
上述结构的左右两套下肢外骨骼机构通过两组驱动绳索进行驱动运动；每组驱动绳索由两条髋关节驱动绳索
、
两条膝关节中转绳索与两条膝关节驱动绳索组成；其中，一组驱动绳索为左侧下肢驱动绳索，与线轮驱动机构中的左髋驱动机构
、
左膝驱动机构以及左侧下肢外骨骼机构连接；其中，两根髋关节驱动绳索反向缠绕于髋驱动机构中的线轮上，端部与左髋驱动机构中的线轮周向
U
型槽内销钉连接；进一步两根髋关节绳索沿水平横向分别绕过腰部机架左侧连接臂上下两个导线轴承中位于外侧的导线轴承后，水平前向到达髋关节模块中髋关节驱动轮处，并反向缠绕于髋关节模块中髋关节驱动轮上，另一端部与髋关节驱动轮周向
U
型槽内销钉连接；两根膝关节驱动绳索反向缠绕于左膝驱动机构中的线轮上，端部与左膝驱动机构中的线轮周向
U
型槽内销钉连接；进一步两根膝关节绳索沿水平横向分别绕过腰部机架左侧连接臂上下方两个导线轴承中位于内侧的导线轴承后，水平前向到达膝关节模块中膝关节驱动轮处，并反向缠绕于髋关节模块中膝关节中转轮内侧的
U
型槽内，且端部与
U
型槽内销钉连接；两根膝关节中转绳索反向缠绕于髋关节模块中的膝关节中转轮外侧的
U
型槽上，与
U
型槽内销钉连接；进一步将两根膝关节中转绳索反向缠绕于膝关节驱动轮上，另一端部固定于膝关节中转轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭东，马洪涛，张武翔，马宏刚，史颜俊，冯仰刚，丁希仑，
申请(专利权)人：北歌潍坊智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：