一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器。本发明专利技术采用通过多条支链连接静平台和动平台力的感知六自由度并联机构，在支链目标连杆上设置连杆力传感器，感受受力的大小，作为控制支链驱动电机的反馈信息，控制各条支链的传递力，从而实现保持平衡和减重，达到辅助行走的作用；本发明专利技术平台结构紧凑，使用时通过骨盆固定绷带与训练患者的骨盆部位固定连接，能够保证实现训练患者骨盆的六个自由度运动；并联机构运用于骨盆支撑，能够发挥并联机构惯量小的优点，增强与患者之间的柔顺性；能够通过骨盆运动的干预，实现训练患者在行走过程中的站立减重支撑、行走平衡控制、下肢异常步态干预，提高行走康复训练的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器
本专利技术涉及辅助行走助行器领域，具体涉及一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器。
技术介绍
由于神经损伤、肌肉骨骼损伤、残障、年龄增长等因素，有很大一部分患者在行走功能上存在一定的功能障碍。为了恢复这部分患者的行走能力，促进下肢肢体运动功能的康复，可以使用助行器辅助患者行走。助行器的种类和形态类型较多，从动力驱动分类，可以分有动力与无动力两种类型；从支撑形式分类，可以分扶手支撑、悬吊支撑、骨盆支撑、外骨骼支撑等四种类型。其中，行走能力受损较轻的患者可以使用扶手支撑助行器，而行走能力受损较严重的患者则需要借助于悬吊支撑、骨盆支撑、外骨骼支撑等类型的助行器。针对行走能力受损较严重的患者，相对于仅连接上躯干的悬吊支撑类型，骨盆支撑和外骨骼支撑等两种类型助行器由于和骨盆/下肢直接连接，在强化对患者下肢的行走辅助和功能干预方面更具有优势。本专利技术主要针对的是骨盆支撑类型助行器。骨盆支撑类型助行器的原理是在助行器和患者的骨盆之间的中间连接系统，采用主动辅助机械系统，辅助患者站立支撑和行走。目前的中间连接系统所采用的主动辅助机械系统(如CN103315876A、CN108392782A、CN110975227A)，多采用的是串联结构，其虽然能够实现人体骨盆在行走中的主要运动，然而，大部分专利技术中的机构无法实现骨盆三维空间的所有自由度运动，同时由于串联机构惯量较大，其最终应用于人体骨盆时缺乏柔顺性。此外，现有助行器主要在中间连接系统与训练患者之间安装六维力传感器来感知训练患者的运动意图，这种方式的优势是六维力传感器所提供的力感知较为灵敏，不足之处主要体现在一是六维力传感器安装于中间连接系统与训练患者中间，需要额外占一定的空间体积，二是由于六维力传感器安装于中间连接系统与训练患者中间，六维力传感器需要承担感知交互力和传递辅助力两个功能，然而一般六维力传感器负载设计有限，难于兼顾力传递和力感知两个功能。
技术实现思路
为了解决以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器及其实现方法，采用并联机构能够在训练患者骨盆的各个自由度运动方向上实现更好的辅助柔顺性，提高助行器的舒适性和应用效果。同时，在并联机构内部的连杆上设计并安装了连杆力传感器，能够满足沿连杆方向的力传递和力感知两个功能，进一步提升了助行器的实用性和紧凑性。本专利技术的基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器包括：左侧前轮、右侧前轮、后轮、底座、高度调节下支撑架、高度调节上滑动架、力感知六自由度并联机构、左侧扶手、骨盆固定绷带、右侧扶手和可折叠坐垫；其中，在底座的下表面的前端的左右两侧分别安装左侧前轮和右侧前轮，与地面直接滚动接触，在底座的下表面的后端的中心安装一个或多个后轮，与地面直接滚动接触；在底座后端中心上方安装高度调节下支撑架；在高度调节下支撑架上安装高度调节上滑动架，高度调节上滑动架能够沿高度调节下支撑架上下滑动，实现位置调节和固定，以适应不同身高的训练患者；在高度调节上滑动架上安装力感知六自由度并联机构；在力感知六自由度并联机构的前表面安装骨盆固定绷带，骨盆固定绷带与训练患者的骨盆部位固定连接；在底座的上表面的前部的左右两侧分别安装左侧扶手和右侧扶手，辅助训练患者控制上躯干姿势；在高度调节下支撑架上固定可折叠坐垫，便于训练患者在训练休息过程中辅助训练患者采用坐姿休息；力感知六自由度并联机构包括静平台、动平台和多条支链；静平台固定安装在高度调节上滑动架的前端，动平台通过多条按圆周均匀分布的支链连接静平台，在动平台的前表面固定连接骨盆固定绷带；其中，每条支链为转动-球铰-球铰结构，包括：支链驱动电机、支链转动关节、第一和第二支链球铰关节、第一至第三支链连杆以及连杆力传感器组件，支链驱动电机固定安装在静平台上，第一支链连杆的末端与支链驱动电机通过支链转动关节实现一自由度转动连接；第二支链连杆的末端与第一支链连杆的前端通过第一支链球铰关节实现三自由度转动连接；第二支链连杆和第三支链连杆作为支链目标连杆，第二支链连杆的前端和第三支链连杆的末端分别固定连接在连杆力传感器组件的两端，第三支链连杆的前端与动平台通过第二支链球铰关节实现三自由度转动连接，第二支链球铰关节安装在动平台的后表面；动平台在多个支链驱动电机的驱动下，能够实现三维空间的三个移动以及三个转动共计六个自由度运动；连杆力传感器组件包括连杆力传感器、第一和第二传感器连杆连接器；在连杆力传感器的前表面和后表面分别固定安装第二传感器连杆连接器和第一传感器连杆连接器，第二支链连杆的前端固定安装在第一传感器连杆连接器内，第三支链连杆的末端固定安装在第二传感器连杆连接器内；连杆力传感器包括：第一至第四梁、支撑轴、支撑轴承、应变片、采集器和控制器；其中，第一至第四梁呈矩形分布，第一梁和第四梁与支链目标连杆的轴线方向平行，第二梁和第三梁垂直于第一梁和第四梁，第四梁的第二端固定连接第三梁的第一端，第三梁的第二端固定连接第一梁的第一端，第一梁的第二端固定连接第二梁的第一端；在第二梁的第二端设置有凹槽，在凹槽的两侧侧壁上分别安装有支撑轴承，支撑轴穿过第四梁的第一端，并且支撑轴的两端分别连接支撑轴承，从而第四梁的第一端通过支撑轴和支撑轴承与第二梁的第二端转动连接；在第四梁靠近第一端的表面粘贴一组应变片，应变片电学连接至采集器，采集器电学连接至控制器，控制器电学连接至支链驱动电机；第一梁和第二梁的刚度远大于第三梁的刚度，第三梁的刚度大于第四梁的刚度；当支链目标连杆发生力传递时，第一梁和第二梁由于刚度最大，不发生形变，第三梁的刚度较小，发生微小形变，进而通过杠杆原理带动第四梁绕与第二梁连接处的支撑轴和支撑轴承转动，由于第四梁的刚度最小以及四根梁组成的杠杆效应，在第四梁的支撑轴和支撑轴承的连接处附近区域产生大形变，在该区域粘贴的应变片能够最灵敏地感知到支链目标连杆的力；同时，第四梁作为主要的力感知部位，支链目标连杆的力传递主要沿第三梁、第一梁和第二梁传递，达到了力感知和力传递的分离，能够兼顾力传递和力感知两个功能；同时，能够保证所述连杆力传感器仅对支链目标连杆轴线方向的力敏感，减少了支链目标连杆的其他方向受力带来的耦合效应；应变片感知到的力由采集器采集，并传输至控制器；控制器检测到支链目标连杆上受力的大小，作为控制支链驱动电机的反馈信息，控制支链驱动电机按照连杆力传感器感受到的力的大小，控制各条支链的传递力，从而实现帮助患者主动完成站立减重支撑、行走平衡控制、下肢异常步态干预的目的。动平台能够实现三维空间的三个移动，包括垂直于水平面的上下、垂直于矢状面的左右和垂直于冠状面的前后，以及三个转动，包括绕水平面法线的扭转、绕冠状面法线的侧倾和绕矢状面法线的俯仰，共计六个自由度运动。第一和第二传感器连杆连接器包括底座和安装槽，在底座上设置连接一体的安装槽，底座固定安装在连杆力传感器的前端或后端，第三支链连杆的末端或第二支链连杆的前端固定安装在安装槽内。连杆力传感器的第一至第四梁采用铝合金、钛合金或合金钢。第一梁和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器，包括：左侧前轮、右侧前轮、后轮、底座、高度调节下支撑架、高度调节上滑动架、左侧扶手、骨盆固定绷带、右侧扶手和可折叠坐垫；其中，在底座的下表面的前端的左右两侧分别安装左侧前轮和右侧前轮，与地面直接滚动接触，在底座的下表面的后端的中心安装一个或多个后轮，与地面直接滚动接触；在底座后端中心上方安装高度调节下支撑架；在高度调节下支撑架上安装高度调节上滑动架，高度调节上滑动架能够沿高度调节下支撑架上下滑动，实现位置调节和固定，以适应不同身高的训练患者；在底座的上表面的前部的左右两侧分别安装左侧扶手和右侧扶手，辅助训练患者控制上躯干姿势；在高度调节下支撑架上固定可折叠坐垫，便于训练患者在训练休息过程中辅助训练患者采用坐姿休息；其特征在于，所述基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器还包括力感知六自由度并联机构，在高度调节上滑动架上安装力感知六自由度并联机构，在力感知六自由度并联机构的前表面安装骨盆固定绷带，骨盆固定绷带与训练患者的骨盆部位固定连接；/n力感知六自由度并联机构包括静平台、动平台和多条支链；静平台固定安装在高度调节上滑动架的前端，动平台通过多条按圆周均匀分布的支链连接静平台，在动平台的前表面固定连接骨盆固定绷带；其中，每条支链为转动-球铰-球铰结构，包括：支链驱动电机、支链转动关节、第一和第二支链球铰关节、第一至第三支链连杆以及连杆力传感器组件，支链驱动电机固定安装在静平台上，第一支链连杆的末端与支链驱动电机通过支链转动关节实现一自由度转动连接；第二支链连杆的末端与第一支链连杆的前端通过第一支链球铰关节实现三自由度转动连接；第二支链连杆和第三支链连杆作为支链目标连杆，第二支链连杆的前端和第三支链连杆的末端分别固定连接在连杆力传感器组件的两端，第三支链连杆的前端与动平台通过第二支链球铰关节实现三自由度转动连接，第二支链球铰关节安装在动平台的后表面；动平台在多个支链驱动电机的驱动下，能够实现三维空间的三个移动以及三个转动共计六个自由度运动；/n连杆力传感器组件包括连杆力传感器、第一和第二传感器连杆连接器；在连杆力传感器的前表面和后表面分别固定安装第二传感器连杆连接器和第一传感器连杆连接器，第二支链连杆的前端固定安装在第一传感器连杆连接器内，第三支链连杆的末端固定安装在第二传感器连杆连接器内；/n连杆力传感器包括：第一至第四梁、支撑轴、支撑轴承、应变片、采集器和控制器；其中，第一至第四梁呈矩形分布，第一梁和第四梁与支链目标连杆的轴线方向平行，第二梁和第三梁垂直于第一梁和第四梁，第四梁的第二端固定连接第三梁的第一端，第三梁的第二端固定连接第一梁的第一端，第一梁的第二端固定连接第二梁的第一端；在第二梁的第二端设置有凹槽，在凹槽的两侧侧壁上分别安装有支撑轴承，支撑轴穿过第四梁的第一端，并且支撑轴的两端分别连接支撑轴承，从而第四梁的第一端通过支撑轴和支撑轴承与第二梁的第二端转动连接；在第四梁靠近第一端的表面粘贴一组应变片，应变片电学连接至采集器，采集器电学连接至控制器，控制器电学连接至支链驱动电机；第一梁和第二梁的刚度远大于第三梁的刚度，第三梁的刚度大于第四梁的刚度；/n当支链目标连杆发生力传递时，第一梁和第二梁由于刚度最大，不发生形变，第三梁的刚度较小，发生微小形变，进而通过杠杆原理带动第四梁绕与第二梁连接处的支撑轴和支撑轴承转动，由于第四梁的刚度最小以及四根梁组成的杠杆效应，在第四梁的支撑轴和支撑轴承的连接处附近区域产生大形变，在该区域粘贴的应变片能够最灵敏地感知到支链目标连杆的力；同时，第四梁作为主要的力感知部位，支链目标连杆的力传递主要沿第三梁、第一梁和第二梁传递，达到了力感知和力传递的分离，能够兼顾力传递和力感知两个功能；同时，能够保证所述连杆力传感器仅对支链目标连杆轴线方向的力敏感，减少了支链目标连杆的其他方向受力带来的耦合效应；应变片感知到的力由采集器采集，并传输至控制器；控制器检测到支链目标连杆上受力的大小，作为控制支链驱动电机的反馈信息，控制支链驱动电机按照连杆力传感器感受到的力的大小，控制各条支链的传递力，从而实现帮助患者主动完成站立减重支撑、行走平衡控制、下肢异常步态干预的目的。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器，包括：左侧前轮、右侧前轮、后轮、底座、高度调节下支撑架、高度调节上滑动架、左侧扶手、骨盆固定绷带、右侧扶手和可折叠坐垫；其中，在底座的下表面的前端的左右两侧分别安装左侧前轮和右侧前轮，与地面直接滚动接触，在底座的下表面的后端的中心安装一个或多个后轮，与地面直接滚动接触；在底座后端中心上方安装高度调节下支撑架；在高度调节下支撑架上安装高度调节上滑动架，高度调节上滑动架能够沿高度调节下支撑架上下滑动，实现位置调节和固定，以适应不同身高的训练患者；在底座的上表面的前部的左右两侧分别安装左侧扶手和右侧扶手，辅助训练患者控制上躯干姿势；在高度调节下支撑架上固定可折叠坐垫，便于训练患者在训练休息过程中辅助训练患者采用坐姿休息；其特征在于，所述基于具有力感知并联机构的骨盆支撑助行器还包括力感知六自由度并联机构，在高度调节上滑动架上安装力感知六自由度并联机构，在力感知六自由度并联机构的前表面安装骨盆固定绷带，骨盆固定绷带与训练患者的骨盆部位固定连接；
力感知六自由度并联机构包括静平台、动平台和多条支链；静平台固定安装在高度调节上滑动架的前端，动平台通过多条按圆周均匀分布的支链连接静平台，在动平台的前表面固定连接骨盆固定绷带；其中，每条支链为转动-球铰-球铰结构，包括：支链驱动电机、支链转动关节、第一和第二支链球铰关节、第一至第三支链连杆以及连杆力传感器组件，支链驱动电机固定安装在静平台上，第一支链连杆的末端与支链驱动电机通过支链转动关节实现一自由度转动连接；第二支链连杆的末端与第一支链连杆的前端通过第一支链球铰关节实现三自由度转动连接；第二支链连杆和第三支链连杆作为支链目标连杆，第二支链连杆的前端和第三支链连杆的末端分别固定连接在连杆力传感器组件的两端，第三支链连杆的前端与动平台通过第二支链球铰关节实现三自由度转动连接，第二支链球铰关节安装在动平台的后表面；动平台在多个支链驱动电机的驱动下，能够实现三维空间的三个移动以及三个转动共计六个自由度运动；
连杆力传感器组件包括连杆力传感器、第一和第二传感器连杆连接器；在连杆力传感器的前表面和后表面分别固定安装第二传感器连杆连接器和第一传感器连杆连接器，第二支链连杆的前端固定安装在第一传感器连杆连接器内，第三支链连杆的末端固定安装在第二传感器连杆连接器内；
连杆力传感器包括：第一至第四梁、支撑轴、支撑轴承、应变片、采集器和控制器；其中，第一至第四梁呈矩形分布，第一梁和第四梁与支链目标连杆的轴线方向平行，第二梁和第三梁垂直于第一梁和第四梁，第四梁的第二端固定连接第三梁的第一端，第三梁的第二端固定连接第一梁的第一端，第一梁的第二端固定连接第二梁的第一端；在第二梁的第二端设置有凹槽，在凹槽的两侧侧壁上分别安装有支撑轴承，支撑轴穿过第四梁的第一端，并且支撑轴的两端分别连接支撑轴承，从而第四梁的第一端通过支撑轴和支撑轴承与第二梁的第二端转动连接；在第四梁靠近第一端的表面粘贴一组应变片，应变片电学连接至采集器，采集器电学连接至控制器，控制器电学连接至支链驱动电机；第一梁和第二梁的刚度远大于第三梁的刚度，第三梁的刚度大于第四梁的刚度；
当支链目标连杆发生力传递时，第一梁和第二梁由于刚度最大，不发生形变，第三梁的刚度较小，发生微小形变，进而通过杠杆原理带动第四梁绕与第二梁连接处的支撑轴和支撑轴承转动，由于第四梁的刚度最小以及四根梁组成的杠杆效应，在第四梁的支撑轴和支撑轴承的连接处...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁文渊，孙爱萍，
申请(专利权)人：国家康复辅具研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11