[實用新型]一種基于可變柔性關節的下肢助力外骨骼機器人

有效

• 申請號: 201720239381.8
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN207253461U
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 張萌
• 申請（專利權）人: 張萌
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;B25J9/00
• 代理公司: 北京正鼎專利代理事務所(普通合伙)11495
• 代理人: 岳亞

技術領域

本實用新型涉及康復機器人技術領域，尤其涉及一種基于可變柔性關節的下肢助力外骨骼機器人。

背景技術

隨著生活水平的逐步提高和醫療條件的不斷改進，中國人的平均壽命已經達到了70多歲，整個社會的老齡化趨勢愈加明顯，而老年人面臨的一個常見問題即是行走能力的下降。行走能力的下降與缺失有多種原因，主要包括：視覺、平衡等系統缺陷導致的感知能力下降，腦卒中、脊髓外傷等神經系統損傷導致對機體控制能力下降，關節磨損導致活動時的疼痛導致行動的意愿缺失，髖、踝等大關節周圍肌肉群中全部或部分肌肉為所造成的肌肉力量下降等。而針對行走能力的下降，常見的行走輔具只有拐杖、助行架、手動或電動輪椅等，使用者無法維持正常的步態，也因此會導致活動量的下降，從而引發一系列次生的健康問題如體重增加、心血管疾病風險加大等等。

目前在世界范圍內，行走助力外骨骼的研發是一個大趨勢，與傳統行走輔具相比，助力外骨骼可在很大程度上令佩戴者保持直立姿態，并盡量貼近正常行走的步態，對佩戴者的活動能力和生理、心理健康均有助益。國內外陸續已有部分行走助力外骨骼處于產品化的不同階段，如以色列的Rewalk和日本的Cyberdyne HAL。值得一提的是，目前雖有商業化產品，但尚未進入大規模的實際應用。按照所提供的功能，現有產品大致可分為如下幾類：

1、不考慮佩戴者意圖的主動驅動、覆蓋全下肢、需要佩戴者額外拄拐杖的外骨骼。代表產品為以色列的Rewalk、美國的Ekso Bionics。此類產品一般針對截癱患者，其特點是體積龐大，結構復雜，價格高昂，對意外摔倒缺乏主動和被動保護機制，因此目前在市場上的反響并不好。

2、基于肌肉電信號、覆蓋全下肢、無需拄拐但只能在康復環境中使用的外骨骼。代表產品為日本Cyberdyne的HAL。此類產品基于采集的肌電信號驅動關節，因此病人可在一定程度上主動控制其運動并獲得助力。但此類產品由于肌電信號采集本身的特點，受到汗液的影響其數據精確度會急劇下降。同時由于機械結構設計方面的缺失，其肢體運動軌跡并不符合人體工學，其主要應用范圍仍然是康復機構內部，患者只能在在上半身相對固定的跑步機上慢走，進行功能恢復性訓練，無法在日常生活中長期佩戴使用。

3、基于角度傳感器，覆蓋大腿部分、出力較小的助力外骨骼。此類外骨骼代表為本田的SMA。其主要特點是輕便、體積小，佩戴簡單，但限于基于角度傳感器的剛性關節先天的安全性缺失，以及佩戴的舒適度，關節出力被限制在較小的水平，僅有4NM。而人在行走時髖關節的扭矩至少在60-120NM級別，其助力效果有限，僅能將步速從約1.2m/s提升至約1.3m/s。

發明內容

為克服現有技術存在的上述技術問題，本實用新型提供了一種基于可變柔性關節的下肢助力外骨骼機器人，其通過髖關節驅動器感知佩戴者腿部動作意圖，并為佩戴者腿部運動提供助力，提升佩戴者的行動能力。

本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下：一種基于可變柔性關節的下肢助力外骨骼機器人，其包括中控系統、髖關節連接機構、髖關節驅動器及設置在佩戴者大腿上的大腿連接機構；

所述中控系統設置在佩戴者腰部，與所述髖關節驅動器電氣連接，并通過所述髖關節連接機構與所述髖關節驅動器物理連接，用于接收所述髖關節驅動器發送的信息并控制所述髖關節驅動器的運行；

所述髖關節驅動器與所述大腿連接機構連接，用于通過大腿連接機構感知佩戴者腿部的運動，并為佩戴者腿部運動提供助力。

在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下改進。

進一步，所述髖關節驅動器包括伺服電機、與所述伺服電機連接的諧波減速機、與所述諧波減速機連接的環形力矩傳感器和與所述環形力矩傳感器連接的轉矩輸出盤；

所述環形力矩傳感器還與所述中控系統連接，用于監測佩戴者腿部關節扭矩，獲得關節扭矩數據；

所述中控系統根據所述關節扭矩數據控制所述伺服電機的轉動，以通過所述轉矩輸出盤帶動所述大腿連接機構運動，為佩戴者腿部運動提供助力。

進一步，所述髖關節驅動器還包括角度編碼器，所述角度編碼器用于監測佩戴者腿部關節位移，獲得關節位移數據；

所述中控系統還根據所述關節位移數據控制所述伺服電機及諧波減速機的轉動，以帶動所述大腿連接機構運動，為佩戴者腿部運動提供助力。

進一步，所述髖關節驅動器還包括輸入端外殼、輸入端內殼和輸出端外殼；