一种下肢膝关节助力外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种下肢膝关节助力外骨骼机器人，包括腰部支撑盒、能源机构、控制机构以及左侧和右侧的腿结构；所述控制机构控制连接于左侧和右侧的腿结构，所述能源机构用于为各需要用电的部件供电。本发明专利技术通过膝关节离合器中牙嵌离合器与圆柱凸轮的有机结合，使得外骨骼机器人的运动轨迹更符合人体的步态运动，使得使用者更舒适。同时由于膝关节离合器中使用的步进电机功率小，而且每侧的腿结构只要一个步进电机，这样就更加节约电量，使得同等容量的电池续航能力翻倍。的电池续航能力翻倍。的电池续航能力翻倍。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢膝关节助力外骨骼机器人


[0001]本专利技术涉及医疗器械
，具体涉及一种下肢膝关节助力外骨骼机器人。

技术介绍

[0002]当前，肌肉、骨骼、神经、软组织损伤和老化等不可逆损伤造成行动不便的人群约9000万，因为手术原因卧床治疗造成的临时肌肉萎缩、智能康复人群也人数众多。外骨骼机器人的目的是帮助下肢运动功能障碍患者重新获得行走能力，以及为因脊髓损伤、脑损伤、骨折术后、人工关节置换、脑肿瘤术后等原因造成的下肢运动功能障碍的患者提供整个康复训练过程，助其快速恢复。
[0003]当前，外骨骼机器人有部分是采用屈伸电机和旋转电机配合，存在行走舒适度差的问题；还有一部分外骨骼机器人采用多电机工作(单腿需要2个甚至3个电机，双腿需要4个或更多电机)，存在能耗大，电池续航能力差的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种下肢膝关节助力外骨骼机器人。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种下肢膝关节助力外骨骼机器人，包括腰部支撑盒、能源机构、控制机构以及左侧和右侧的腿结构；所述控制机构控制连接于左侧和右侧的腿结构，所述能源机构用于为各需要用电的部件供电；
[0007]能源机构和控制机构均安装于所述腰部支撑盒的内部；
[0008]左侧和右侧的腿结构均包括大腿结构、小腿结构、膝关节离合器、脚掌结构、传动结构和步进电机；小腿结构的上端和大腿结构的下端可转动连接，大腿结构的上端可转动地连接于连接件的一端并与步进电机传动连接，连接件的另一端连接于所述腰部支撑盒；脚掌结构连接于所述小腿结构的下端；
[0009]膝关节离合器包括牙嵌离合器从动体、凸轮随动器、牙嵌离合器主动体和传动轮；牙嵌离合器主动体和传动轮之间同轴传动连接，牙嵌离合器主动体和牙嵌离合器从动体相对的端面分别设有相匹配的牙结构和；所述传动轮通过传动结构和步进电机传动连接；所述牙嵌离合器主动体呈圆柱凸轮结构，其侧表面设有曲线沟槽，牙嵌离合器主动体和凸轮随动器同轴套接并可相对凸轮随动器转动，凸轮随动器上的凸柱和牙嵌离合器主动体的曲线沟槽相配合；牙嵌离合器主动体转动时，凸轮随动器的凸柱可通过沿牙嵌离合器主动体的曲线沟槽相对移动推动牙嵌离合器主动体沿凸轮随动器轴向移动，从而使牙嵌离合器主动体和牙嵌离合器从动体的牙结构分离或咬合；所述牙嵌离合器从动体和凸轮随动器均与小腿结构的上端固定连接。
[0010]进一步地，左侧和右侧的腿结构的大腿结构和小腿结构均设置有运动传感器，所述运动传感器用于采集各大腿结构和小腿结构的运动参数并传输至控制机构，控制机构据此控制左侧和右侧的腿结构的大腿结构和小腿结构的运动。
[0011]进一步地，所述传动结构包括主动轮和传动带，所述主动轮和所述步进电机传动连接，主动轮和传动轮通过传动带传动连接。
[0012]进一步地，所述能源机构包括聚合物磷酸铁锂电池。
[0013]进一步地，所述控制机构包括单片机控制系统。
[0014]本专利技术还提供一种上述下肢膝关节助力外骨骼机器人的工作方法，具体过程为：
[0015]当外骨骼机器人一侧的腿结构向前迈步时，控制机构向该侧腿结构的步进电机发送正转指令，从而驱动该侧腿结构的大腿结构和小腿结构整体向前运动，同时步进电机通过传动结构驱动该侧腿结构的膝关节离合器的传动轮正转，从而带动牙嵌离合器主动体正转，此时如果该侧腿结构的小腿结构与大腿结构不在一条直线上，牙嵌离合器主动体和牙嵌离合器从动体处于咬合状态，牙嵌离合器主动体会带动牙嵌离合器从动体正转，从而带动小腿结构相对于大腿结构向前运动；牙嵌离合器主动体转动的过程中，由于凸轮随动器是固定的，因此凸轮随动器的凸柱在曲线沟槽内的相对移动会推动牙嵌离合器主动体轴向移动，逐渐与牙嵌离合器从动体分离；当该侧腿结构的小腿结构向前运动至和大腿结构成直线，脚足跟落地，此时牙嵌离合器主动体恰好与牙嵌离合器从动体彻底分离，小腿失去动力不再向前运动；此时，控制机构控制外骨骼机器人另一侧的腿结构开始按照相同的过程向前迈步；
[0016]此时，控制机构向已经完成向前迈步的该侧腿结构所对应的步进电机发送反转指令，该侧腿结构的小腿结构和大腿结构开始整体向后运动，同时步进电机通过传动结构驱动传动轮反转，从而带动牙嵌离合器主动体反转并反向轴向移动，直至牙嵌离合器主动体和牙嵌离合器从动体的牙结构重新咬合，此时小腿结构也开始相对于大腿结构向后运动，待运动到脚掌结构的脚后跟离地时，该一侧的腿结构完成一次步态周期。
[0017]本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过膝关节离合器中牙嵌离合器与圆柱凸轮的有机结合，使得外骨骼机器人的运动轨迹更符合人体的步态运动，使得使用者更舒适。同时由于膝关节离合器中使用的步进电机功率小，而且每侧的腿结构只要一个步进电机，这样就更加节约电量，使得同等容量的电池续航能力翻倍。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例1中下肢膝关节助力外骨骼机器人的总体示意图；
[0019]图2为本专利技术实施例1中下肢膝关节助力外骨骼机器人中腿结构的结构示意图；
[0020]图3为本专利技术实施例1中下肢膝关节助力外骨骼机器人中腿结构的另一角度的结合示意图；
[0021]图4为本专利技术实施例1中膝关节离合器和小腿结构的结合示意图；
[0022]图5为本专利技术实施例1中外骨骼机器人膝关节离合器的分解示意图；
[0023]图6为本专利技术实施例1中牙嵌离合器从动体、凸轮随动器和牙嵌离合器主动体的结合示意图；
[0024]图7为本专利技术实施例1中凸轮随动器和牙嵌离合器主动体的结合示意图；
[0025]图8为本专利技术实施例1中牙嵌离合器主动体的结构示意图。
具体实施方式
[0026]以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。
[0027]实施例1
[0028]本实施例提供一种下肢膝关节助力外骨骼机器人，如图1－8所示，包括腰部支撑盒1、能源机构、控制机构以及左侧和右侧的腿结构2；所述控制机构控制连接于左侧和右侧的腿结构，所述能源机构用于为各需要用电的部件供电；
[0029]能源机构和控制机构(图中未示)均安装于所述腰部支撑盒1的内部；
[0030]左侧和右侧的腿结构2均包括大腿结构3、小腿结构4、膝关节离合器7、脚掌结构(图中未示)、传动结构和步进电机5；小腿结构4的上端和大腿结构3的下端可转动连接，大腿结构3的上端可转动地连接于连接件6的一端并与步进电机5传动连接，连接件6的另一端连接于所述腰部支撑盒1；脚掌结构连接于所述小腿结构4的下端；
[0031]膝关节离合器7包括牙嵌离合器从动体71、凸轮随动器72、牙嵌离合器主动体73和传动轮74；牙嵌离合器主动体73和传动轮74之间同轴传动连接，牙嵌离合器主动体73和牙嵌离合器从动体71相对的端面分别设有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下肢膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部支撑盒、能源机构、控制机构以及左侧和右侧的腿结构；所述控制机构控制连接于左侧和右侧的腿结构，所述能源机构用于为各需要用电的部件供电；能源机构和控制机构均安装于所述腰部支撑盒的内部；左侧和右侧的腿结构均包括大腿结构、小腿结构、膝关节离合器、脚掌结构、传动结构和步进电机；小腿结构的上端和大腿结构的下端可转动连接，大腿结构的上端可转动地连接于连接件的一端并与步进电机传动连接，连接件的另一端连接于所述腰部支撑盒；脚掌结构连接于所述小腿结构的下端；膝关节离合器包括牙嵌离合器从动体、凸轮随动器、牙嵌离合器主动体和传动轮；牙嵌离合器主动体和传动轮之间同轴传动连接，牙嵌离合器主动体和牙嵌离合器从动体相对的端面分别设有相匹配的牙结构和；所述传动轮通过传动结构和步进电机传动连接；所述牙嵌离合器主动体呈圆柱凸轮结构，其侧表面设有曲线沟槽，牙嵌离合器主动体和凸轮随动器同轴套接并可相对凸轮随动器转动，凸轮随动器上的凸柱和牙嵌离合器主动体的曲线沟槽相配合；牙嵌离合器主动体转动时，凸轮随动器的凸柱可通过沿牙嵌离合器主动体的曲线沟槽相对移动推动牙嵌离合器主动体沿凸轮随动器轴向移动，从而使牙嵌离合器主动体和牙嵌离合器从动体的牙结构分离或咬合；所述牙嵌离合器从动体和凸轮随动器均与小腿结构的上端固定连接。2.根据权利要求1所述的下肢膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，左侧和右侧的腿结构的大腿结构和小腿结构均设置有运动传感器，所述运动传感器用于采集各大腿结构和小腿结构的运动参数并传输至控制机构，控制机构据此控制左侧和右侧的腿结构的大腿结构和小腿结构的运动。3.根据权利要求1所述的下肢膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述传动结构包括主动轮和传动带，所述主动轮和所述步进电...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭学松，
申请(专利权)人：彭学松，
类型：发明
国别省市：