專利名稱：六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種助力行走機(jī)構(gòu)，特別是一種運(yùn)用六桿機(jī)構(gòu)模擬正常人步態(tài)軌 跡的助力行走機(jī)構(gòu)。
(二)
背景技術(shù)：
隨著科技進(jìn)步和人民生活水平的提高,我國和世界上許多國家一樣,正在步 入老齡化。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多 伴偏癱或截癱癥狀，導(dǎo)致下肢肢體運(yùn)動(dòng)障礙；另外，還有由于交通事故等其它原 因?qū)е碌南轮w障礙患者人數(shù)也居多。一種可以輔助人體行走的器械可以滿足 該部分人群的需求，而助力行走機(jī)構(gòu)是該類器械的關(guān)鍵部分。
正常人步行行走時(shí)， 一側(cè)足跟著地至同側(cè)足跟再次著地為一個(gè)步行周期。 一個(gè)步行周期又分為兩個(gè)時(shí)期，即支撐期和擺動(dòng)期。為使患者行走接近自然步態(tài)， 該機(jī)構(gòu)應(yīng)該能夠保證支撐期穩(wěn)定和擺動(dòng)期接近運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以約 束患者下肢實(shí)現(xiàn)正常人步態(tài)軌跡。
目前，在國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)中，腿部助力機(jī)構(gòu)主要是通過髖關(guān)節(jié)處和膝關(guān)節(jié) 處各安裝驅(qū)動(dòng)裝置，然后通過特定的控制技術(shù)協(xié)調(diào)控制兩自由度來實(shí)現(xiàn)患者的自 然步態(tài)。如中國專利申請?zhí)?00710171696.4的專利文件中公開的下肢康復(fù)自動(dòng) 步態(tài)矯正器，該發(fā)明涉及一種下肢康復(fù)自動(dòng)步態(tài)矯正器。它包括大腿構(gòu)件和小腿 構(gòu)件， 一個(gè)U型架的兩端鉸鏈大腿構(gòu)件，大腿構(gòu)件鉸鏈小腿構(gòu)件；U型架和兩 大腿構(gòu)件與電動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)器的兩端鉸連，鉸鏈處有編碼器；大腿構(gòu)件和小腿構(gòu)件 與另一個(gè)電動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)器的兩端鉸連，鉸鏈處有編碼器。訓(xùn)練期間，患者穿戴下 肢外骨骼步態(tài)矯形器，引導(dǎo)患者腿運(yùn)動(dòng)，利用傳感器實(shí)時(shí)測量關(guān)節(jié)角和力矩大小， 以實(shí)現(xiàn)自然步態(tài)。該類技術(shù)的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)裝置較多，體積龐大，控制技術(shù)復(fù)雜， 成本較高。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，可控性好，成本低廉的六桿仿人步態(tài) 助力行走機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)的組成包括車體、安裝在車體底部的驅(qū)動(dòng)輪和萬 向輪、安裝在車體上并與驅(qū)動(dòng)輪相連的驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)；車體的左右兩側(cè)各有一套單 自由度的六桿機(jī)構(gòu)和桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置；所述的桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置包括固定在車體上 的桿驅(qū)電機(jī)，由與桿驅(qū)電機(jī)相連的主動(dòng)鏈輪、通過從動(dòng)鏈輪軸安裝在車體上的從 動(dòng)鏈輪和連接于主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪之間的鏈條組成的鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述的單 自由度的六桿機(jī)構(gòu)包括成一定的角度相對位置固定在從動(dòng)鏈輪軸上的短曲柄桿 和長曲柄桿，與短曲柄桿鉸接的連桿I，與長曲柄桿鉸接的連桿II， 一端鉸接在 車體上、另一端與連桿I鉸接的大腿桿， 一端與連桿I和大腿桿鉸接、中間通過 連軸與連桿II鉸接的小腿桿。
本發(fā)明還可以包括
1 、大腿桿和小腿桿上分別配置有大腿約束件和小腿約束件。
2、 短曲柄桿與長曲柄桿之間的夾角9=8°
3、 大腿桿、曲柄桿和車體分別形成的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈之間的連線與豎直方向的夾 角為《=32° 。
4、 短曲柄桿長度/。長曲柄桿長度/2、連桿1長度/3、連桿11長度/4、小腿 桿的兩個(gè)鉸接點(diǎn)之間的長度/5 、大腿桿長度/6以及從動(dòng)鏈輪軸與大腿桿與車體的 鉸接點(diǎn)之間的長度/,的長度比滿足
丄〃,=[1 ， 1.167， 2.333， 2.333， 0.833， 3.333， 3.75 ]T 丄=[/2 /3 /4 /5 /6 /7 ] t。
短曲柄桿和長曲柄桿構(gòu)成的鉸鏈軸上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置由安裝在車體 上的桿驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，兩曲柄成一定的角度，相對位置固定； 大腿桿和小腿桿上分別配置有大腿約束件和小腿約束件，以約束大小腿的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律；車體底部裝有驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪以及萬向輪。
當(dāng)桿驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)將按照特定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪 驅(qū)動(dòng)車體以行走速度移動(dòng)，這樣大腿桿和小腿桿上的約束桿件約束患者以接近自
然步態(tài)的規(guī)律行走。
為使大小腿相對運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡竟可能接近理想步態(tài)，
本發(fā)明通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定了設(shè)計(jì)變量。
結(jié)合圖3和圖4，由于人體的大腿和小腿長度約為400mm左右，當(dāng)取 /7 =/8 =400附附時(shí)，曲柄桿旋轉(zhuǎn)一周，小腿桿末端H點(diǎn)可以繪制出如圖4所示的
軌跡，該軌跡與正常人步態(tài)的踝關(guān)節(jié)處的軌跡曲線非常相似，而與人體正常行走 各個(gè)時(shí)期相對應(yīng)的步態(tài)分析圖例如圖5所示，這表明該六桿機(jī)構(gòu)可以很好的模擬 正常人的步態(tài)軌跡，由于該行走機(jī)構(gòu)是由單自由度的六桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步態(tài)軌跡的擬 合，所以只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)力即可滿足功能的實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，可控性好，成本低廉。


圖1是本發(fā)明的整體機(jī)構(gòu)三維示意圖。
圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視圖。
圖3是對六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的變量示意圖。
圖4是大腿桿和小腿桿長度都等于400mm時(shí)，小腿桿末端H點(diǎn)(相當(dāng)于 人體的踝關(guān)節(jié))的運(yùn)動(dòng)軌跡。
圖5是六桿助力行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的仿人步態(tài)分析。 具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
本發(fā)明主要由桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置和單自由度的六桿機(jī)構(gòu)組成，同時(shí)基于可移動(dòng) 的車體實(shí)現(xiàn)助力行走的功能。
結(jié)合圖1和圖2，可移動(dòng)車體由驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)10、驅(qū)動(dòng)輪ll、萬向輪9和車 體13組成，車體由驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)自由移動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)輪的差速實(shí)現(xiàn)左右拐彎。
桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置主要由桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)14、鏈輪機(jī)構(gòu)12(包括鏈輪、鏈條)組成， 桿驅(qū)電機(jī)與車體固連在一起，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪，通過鏈傳動(dòng)把扭矩傳遞給六桿機(jī)構(gòu)。
單自由度六桿機(jī)構(gòu)包括短曲柄桿1、長曲柄桿2、連桿14、連桿H3、大腿 桿6、小腿桿5、連軸15及其其他鉸鏈軸；短曲柄桿和長曲柄桿成e角度與從動(dòng) 鏈輪固連，可由桿驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)該六桿機(jī)構(gòu)的各桿件的角度位置和長 度滿足以下關(guān)系(如圖3所示)
大腿桿、曲柄桿和車體分別形成的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈之間的連線與豎直方向的夾角為 a =32° ;短曲柄桿與長曲柄桿之間的夾角6=8° 。200810137092.2
說明書第4/4頁
各桿長比
<formula>formula see original document page 7</formula>其中
/1 / 分別表示六桿機(jī)構(gòu)的桿長。
大腿桿和小腿桿上分別配置有大腿約束件7和小腿約束件8，以約束大小腿 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)桿驅(qū)電機(jī)14驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)將按照特定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪11驅(qū)動(dòng)車體以行走速度移動(dòng)，這樣大腿桿和小腿桿上的約束桿件約 束患者以接近自然步態(tài)的軌跡運(yùn)動(dòng)，如圖4和圖5分別為/7 =/8 =400附附時(shí)，小
腿桿末端(相當(dāng)于人體踝關(guān)節(jié)處)的軌跡和與人體行走時(shí)相對應(yīng)的步態(tài)圖例，這 些都表明該助力行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了輔助肢體障礙者助力行走的功能。
權(quán)利要求
1、一種六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，包括車體、安裝在車體底部的驅(qū)動(dòng)輪和萬向輪、安裝在車體上并與驅(qū)動(dòng)輪相連的驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)；其特征是車體的左右兩側(cè)各有一套單自由度的六桿機(jī)構(gòu)和桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置；所述的桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置包括固定在車體上的桿驅(qū)電機(jī)，由與桿驅(qū)電機(jī)相連的主動(dòng)鏈輪、通過從動(dòng)鏈輪軸安裝在車體上的從動(dòng)鏈輪和連接于主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪之間的鏈條組成的鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述的單自由度的六桿機(jī)構(gòu)包括成一定的角度相對位臂固定在從動(dòng)鏈輪軸上的短曲柄桿和長曲柄桿，與短曲柄桿鉸接的連桿I，與長曲柄桿鉸接的連桿II，一端鉸接在車體上、另一端與連桿I鉸接的大腿桿，一端與連桿I和大腿桿鉸接、中間通過連軸與連桿II鉸接的小腿桿。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是大腿桿 和小腿桿上分別配置有大腿約束件和小腿約束件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是短曲柄桿與長曲柄桿之間的夾角e =8°
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是大 腿桿、曲柄桿和車體分別形成的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈之間的連線與豎直方向的夾角為a =320 0
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是大腿桿、曲柄桿和車體分別形成的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈之間的連線與豎直方向的夾角為a=32° 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是短曲柄桿長度/,、長曲柄桿長度/2、連桿1長度/3、連桿11長度/4、小腿桿的兩 個(gè)鉸接點(diǎn)之間的長度/5 、大腿桿長度/6以及從動(dòng)鏈輪軸與大腿桿與車體的鉸接點(diǎn)之間的長度/7的長度比滿足^〃i=[ 1， 1.167， 2.333， 2.333， 0.833， 3.333， 3.75 ]Ti>[ /2 /3 /4 /5 /6 /7 ] t。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是短曲柄 桿長度/p長曲柄桿長度/2、連桿1長度/3、連桿11長度/4、小腿桿的兩個(gè)鉸接 點(diǎn)之間的長度/5 、大腿桿長度/6以及從動(dòng)鏈輪軸與大腿桿與車體的鉸接點(diǎn)之間 的長度/7的長度比滿足<formula>formula see original document page 3</formula>
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是短曲柄 桿長度/。長曲柄桿長度/2、連桿1長度/3、連桿11長度/4、小腿桿的兩個(gè)鉸接點(diǎn)之間的長度/5 、大腿桿長度/6以及從動(dòng)鏈輪軸與大腿桿與車體的鉸接點(diǎn)之間的長度/7的長度比滿足<formula>formula see original document page 3</formula>
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)，其特征是短曲柄桿長度/p長曲柄桿長度/2、連桿1長度/3、連桿11長度/4、小腿桿的兩個(gè)鉸接 點(diǎn)之間的長度/5、大腿桿長度/6以及從動(dòng)鏈輪軸與大腿桿與車體的鉸接點(diǎn)之間 的長度/7的長度比滿足<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明提供了一種六桿仿人步態(tài)助力行走機(jī)構(gòu)。包括車體、安裝在車體底部的驅(qū)動(dòng)輪和萬向輪、安裝在車體上并與驅(qū)動(dòng)輪相連的驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)；車體的左右兩側(cè)各有一套單自由度的六桿機(jī)構(gòu)和桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置；桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置包括桿驅(qū)電機(jī)、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪和鏈條；所述的單自由度的六桿機(jī)構(gòu)包括短曲柄桿、長曲柄桿、連桿I、連桿II、大腿桿和小腿桿。當(dāng)桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)將按照特定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，使得大腿桿和小腿桿上的約束桿件約束患者大小腿以接近自然步態(tài)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車體以行走速度移動(dòng)，使肢體障礙者按照正常人的步態(tài)軌跡行走。結(jié)構(gòu)簡單，可控性好，成本低廉。
文檔編號A61H3/04GK101361692SQ20081013709
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月11日
發(fā)明者張立勛, 勇 楊, 康 王 申請人:哈爾濱工程大學(xué)