專利名稱：一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種可穿戴式的下肢步行外骨骼，尤其是一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng) 的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置。
背景技術(shù)：
[0002]現(xiàn)有外骨骼裝置作為人類負(fù)重極限的擴(kuò)展，越來越被各領(lǐng)域重視，特別是醫(yī)療 康復(fù)和軍事領(lǐng)域?，F(xiàn)有外骨骼裝置普遍分為液壓驅(qū)動(dòng)型和旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型。如中國(guó) 發(fā)明專利ZL200410053695.6號(hào)公開了一種可穿戴式的下肢步行外骨骼，該可穿戴式的下 肢步行外骨骼是由腰部支撐、髖部四桿機(jī)構(gòu)、膝蓋四桿機(jī)構(gòu)、腳踝四桿機(jī)構(gòu)和足底支撐 依次串連構(gòu)成。針對(duì)截肢病人或者肌肉萎縮病人，該發(fā)明可以利用事先編好的步行程序 用作輔助行走工具。對(duì)于一般旅游者或者體弱者，可以先穿著該發(fā)明行走，由位移傳感 器定時(shí)采集穿戴者步行時(shí)的運(yùn)動(dòng)位姿信號(hào)，并通過計(jì)算機(jī)記錄穿戴者的步態(tài)，然后逐步 復(fù)現(xiàn)穿戴者的步態(tài)，模仿穿戴者的行走步態(tài)，實(shí)現(xiàn)輔助或者增強(qiáng)穿戴者步行運(yùn)動(dòng)能力的 作用。使用該發(fā)明可在一定程度上減輕步行者疲勞，提高人體運(yùn)動(dòng)極限，并增強(qiáng)人體攜 帶重物運(yùn)動(dòng)的能力。該發(fā)明既可作為下肢截肢病人或者肌肉萎縮病人的助行器，也可作 為徒步旅行的代步工具或野外科考裝備。又如中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)200680006514.1號(hào)公開 的一種下部肢體外骨骼，該包括兩個(gè)可經(jīng)配置以耦合至所述人體下肢且經(jīng)配置以在其站 立階段期間倚靠在地面上的腿部支撐件。每一腿部支撐件包括一大腿連接段、一小腿連 接段及兩個(gè)膝蓋關(guān)節(jié)。每一膝蓋關(guān)節(jié)經(jīng)配置以使各自小腿連接段與各自大腿連接段之間 能夠彎曲及伸展。所述下部肢體外骨骼還包括可經(jīng)配置以耦合至人體上半身的外骨骼軀 干。所述外骨骼軀干可以可旋轉(zhuǎn)方式連接至所述腿部支撐件的大腿連接段，從而使腿部 支撐件與外骨骼軀干之間能夠彎曲及伸展。在此例示性實(shí)施例中，在周期性膝蓋運(yùn)動(dòng)期 間，腿部支撐件的小腿連接段與各自大腿連接段之間的彎曲及伸展運(yùn)動(dòng)所需的能量是由 人體來提供。還有一些用于研究的旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型外骨骼系統(tǒng)。[0003]但是，現(xiàn)有外骨骼采用液壓缸或旋轉(zhuǎn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置存在以下缺陷1、液壓 油缸驅(qū)動(dòng)需要較多的部件，如油箱、閥門、油缸、油路管道等。不僅增加了制造成本、 重量和體積，而且增加系統(tǒng)熱量，影響系統(tǒng)正常工作。另外，液壓缸噪聲大、控制復(fù) 雜、控制難度也大。其次，能耗大(小型液壓系統(tǒng)的效率不到70%)、液壓控制系統(tǒng)故 障高、運(yùn)行可靠性差，維護(hù)工作量大。2、旋轉(zhuǎn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的缺陷是提供的力矩小，不能 滿足系統(tǒng)要求；力矩大的旋轉(zhuǎn)電機(jī)體積大，占據(jù)空間大，妨礙系統(tǒng)運(yùn)行；系統(tǒng)的外骨骼 動(dòng)作幅度小，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度小，難以控制且控制精確度不能滿足使用要求。因此，現(xiàn)有 外骨骼裝置存在缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型的目的是在現(xiàn)有外骨骼裝置的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，提供一種體積小、 能耗低、易于控制且制造成本少的一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置。[0005]本實(shí)用新型的一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置，包括背 架、髖關(guān)節(jié)部件、大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、電源、控制裝置、傳感器和 驅(qū)動(dòng)裝置，所述背架與髖關(guān)節(jié)部件固定連接，所述髖關(guān)節(jié)部件與大腿部件活動(dòng)連接，所 述大腿部件與小腿部件活動(dòng)連接，小腿部件與踝骨部件活動(dòng)連接，所述踝骨部件與底板 活動(dòng)連接，所述電源與控制裝置相連通，所述傳感器與控制裝置相連通，所述控制裝置 與驅(qū)動(dòng)裝置相連通，其特征是所述驅(qū)動(dòng)裝置為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝 置一端與大腿部件傳動(dòng)連接，所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另一端與小腿部件傳動(dòng)連接。[0006]本實(shí)用新型中所述的直線電機(jī)(包括直線伺服電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、圓筒式直 線電機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)裝 置一端與大腿部件傳動(dòng)連接，所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另一端與小腿部件傳動(dòng)連接，即是 指直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的兩頭位于大腿部件與小腿部件鉸接部分的兩端，也就是直線電機(jī) 驅(qū)動(dòng)裝置一端與大腿部件傳動(dòng)連接，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中段跨越大腿部件與小腿部件之 間的活動(dòng)連接部分(膝關(guān)節(jié)或絞結(jié))，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另一端與小腿部件傳動(dòng)連接。當(dāng) 直線電機(jī)(或直線伺服電機(jī)或直線步進(jìn)電機(jī)或直線圓筒式電機(jī)或線性磁軸電機(jī)等所有將 電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)裝置收到控制裝置信號(hào)進(jìn)行推動(dòng)時(shí)，會(huì)作出與現(xiàn)有 液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置相同的動(dòng)作，即讓大腿部件與小腿部件圍繞活動(dòng)連接部分(膝關(guān)節(jié)或絞 結(jié))進(jìn)行扇面運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型中所述大腿部件、小腿部件、踝骨部件和底板均仿造人 體左右腿形式，既可以為輔助治療為目的，只生產(chǎn)有左或右腿的產(chǎn)品，也可以為專業(yè)負(fù) 重為目的，生產(chǎn)同時(shí)具備左右腿的產(chǎn)品。[0007]本實(shí)用新型中所述背架由金屬或塑料或高分子材料制成，所述髖關(guān)節(jié)部件由金 屬或塑料或高分子材料制成，所述大腿部件由金屬或塑料或高分子材料制成，所述小腿 部件由金屬或塑料或高分子材料制成，所述踝骨部件由金屬或塑料或高分子材料制成， 所述底板由金屬或塑料或高分子材料制成。[0008]本實(shí)用新型所述的直線電機(jī)(包括直線伺服電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、圓筒式直線 電機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)裝置 為電力驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)(包括直線伺服電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、圓筒式直線電 機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))裝置，可以 安裝在外骨骼系統(tǒng)的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)部位。在系統(tǒng)控制裝置的控制下，通過直 線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)缸推動(dòng)外骨骼的大腿部件、小腿部件、腳掌部件隨人體相應(yīng)部位的動(dòng)作做 基本相同的前后擺動(dòng)和伸縮，給負(fù)重行走的人體提供助力。[0009]本實(shí)用新型中所述的一種用直線電機(jī)(包括直線伺服電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、圓 筒式直線電機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī)) 驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置還可以具有腰部直線電機(jī)(包括直線伺服電機(jī)、直 線步進(jìn)電機(jī)、圓筒式直線電機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線 動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)裝置和踝骨部直線電機(jī)(包括直線伺服電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、圓筒式 直線電機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng) 裝置，所述腰部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置均受控于系統(tǒng)控制裝置， 所述腰部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置一端與髖關(guān)節(jié)部件傳動(dòng)連接，所述腰部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另4一端與大腿部件傳動(dòng)連接；所述踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置一端與小腿部件傳動(dòng)連接，所 述踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另一端與底板傳動(dòng)連接。[0010]本實(shí)用新型的要點(diǎn)是采用把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能作為人體外骨骼 下肢和外骨骼下肢關(guān)節(jié)的動(dòng)作動(dòng)力。[0011]本實(shí)用新型是采用把電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，也可以是 直線伺服電動(dòng)機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、圓筒式直線電機(jī)、管形直線電機(jī)、線性磁軸電機(jī)等所 有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī)，分別裝置在人體外骨骼的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié) 部位，或上述關(guān)節(jié)中的一處、兩處或三處。給人體負(fù)重行走提供助力。[0012]本實(shí)用新型為一種用直線電機(jī)(或直線伺服電動(dòng)機(jī)或直線步進(jìn)電機(jī)或圓筒式直 線電機(jī)或管形直線電機(jī)或線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)的 人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置，模擬下肢健全的人行走時(shí)兩條腿交替運(yùn)動(dòng)。行走時(shí)，一 條腿為支撐腿，在行走中承受人體身體重量和人體身上的負(fù)重；另一條腿為非支撐腿， 向前邁步，然后接觸地面，轉(zhuǎn)換成支撐腿。此前的支撐腿成為邁步腿，此前的邁步腿轉(zhuǎn) 換成為支撐腿....。人繼續(xù)行走，則繼續(xù)這些動(dòng)作的循環(huán)。此時(shí)，直線電機(jī)(或直線伺服 電動(dòng)機(jī)或直線步進(jìn)電機(jī)或圓筒式直線電機(jī)或管形直線電機(jī)或線性磁軸電機(jī)等所有將電能 轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)裝置提供助力的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置將人體外 骨骼承載的負(fù)荷傳遞給外骨骼髖關(guān)節(jié)，通過外骨骼髖關(guān)節(jié)傳遞給外骨骼大腿部件，再由 外骨骼大腿部件傳遞給外骨骼小腿部件，再由外骨骼小腿部件傳遞給外骨骼踝骨部件， 再由外骨骼踝骨部件傳遞給外骨骼底板，再由外骨骼底板傳遞給地面。[0013]本實(shí)用新型中所述直線電機(jī)(或直線伺服電動(dòng)機(jī)或直線步進(jìn)電機(jī)或圓筒式直線 電機(jī)或管形直線電機(jī)或線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))驅(qū)動(dòng)裝置 提供助力的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置的助力原理是外骨骼助力系統(tǒng)通過檢測(cè)裝置 在人體肌肉或骨骼的壓力或動(dòng)作傳感器的動(dòng)作信號(hào)或壓力信號(hào)，被檢測(cè)出的信號(hào)送到裝 置控制系統(tǒng)分析處理，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置的程序，適時(shí)向執(zhí)行部件發(fā)出指令，控制直線 電機(jī)(或直線伺服電動(dòng)機(jī)或直線步進(jìn)電機(jī)或圓筒式直線電機(jī)或管形直線電機(jī)或線性磁軸 電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為直線動(dòng)作能的電機(jī))作推進(jìn)或收縮的直線運(yùn)動(dòng)，從而改變?nèi)梭w 外骨骼關(guān)節(jié)和部件的角度或位置，給人體負(fù)重行走提供助力。[0014]本實(shí)用新型中所述控制裝置是采用計(jì)算機(jī)控制。傳感器采集到的壓力信號(hào)和 肢體動(dòng)作信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)預(yù)置的程序，適時(shí)向電 機(jī)發(fā)出開關(guān)信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)，或者控制輸送給電機(jī)的電壓或電流或頻率，控制電機(jī)運(yùn) 行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速。直線電機(jī)在系統(tǒng)控制下作出相應(yīng)的推進(jìn)、收縮、 加速、減速的直線運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型中所述控制元件如壓力傳感器、繼電器等都是采用 常規(guī)通用產(chǎn)品。本實(shí)用新型中所采用的把電能直接轉(zhuǎn)換成直線電機(jī)(或直線伺服電動(dòng)機(jī) 或直線步進(jìn)電機(jī)或圓筒式直線電機(jī)或管形直線電機(jī)或線性磁軸電機(jī)等所有將電能轉(zhuǎn)換為 直線動(dòng)作能的電機(jī))的參數(shù)如下但不限于以下參數(shù)[0015]采用移動(dòng)直流電源；[0016]推力1N-300N;[0017]速度0.1m-1000m/s；[0018]行程10mm-300mm;[0019]功率50W-1000W;[0020]名稱、型號(hào)和生產(chǎn)廠家(但不限于下列種類和生產(chǎn)廠)[0021]線性磁軸電機(jī)型號(hào)S040D、S040T、S040Q、S080D、S080T、S080Q、 S120D、S120T、S120Q 等[0022]圓筒直線電機(jī)(直線同步電機(jī))型號(hào)LSMC200201、LSMC400401[0023]管形直線電機(jī)[0024]生產(chǎn)企業(yè)日脈貿(mào)易(上海)有限公司、鄭州微納科技有限公司、深圳大族電機(jī) 科技有限公司等[0025]與前述現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，本實(shí)用新型的一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù) 重行走助力裝置體積小、能耗低、易于控制且制造成本少。[0026]本實(shí)用新型的內(nèi)容結(jié)合以下實(shí)施例作更進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型的內(nèi)容不 僅限于實(shí)施例中所涉及的內(nèi)容。


[0027]圖1是實(shí)施例中一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖。
具體實(shí)施方式
[0028]如圖1所示，本實(shí)施例中所述一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力 裝置包括背架1、髖關(guān)節(jié)部件2、大腿部件3、小腿部件4、踝骨部件5、底板6、電源7、 控制裝置8、傳感器9和驅(qū)動(dòng)裝置，所述背架1與髖關(guān)節(jié)部件2固定連接，所述髖關(guān)節(jié)部 件2與大腿部件3活動(dòng)連接，所述大腿部件3與小腿部件4活動(dòng)連接，小腿部件4與踝骨 部件5活動(dòng)連接，所述踝骨部件5與底板6活動(dòng)連接，所述電源7與控制裝置8相連通， 所述傳感器9與控制裝置8相連通，所述控制裝置8與驅(qū)動(dòng)裝置相連通，其特征是所述驅(qū) 動(dòng)裝置為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置10，所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置10 —端與大腿部件4傳動(dòng)連接， 所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置10另一端與小腿部件4傳動(dòng)連接。[0029]本實(shí)施例中所述的一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置，還具 有踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置11，所述踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置11與控制裝置8相連通， 所述踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置11 一端與小腿部件4傳動(dòng)連接，所述踝骨部直線電機(jī)驅(qū)動(dòng) 裝置11另一端與底板6傳動(dòng)連接。[0030]本實(shí)施例中所述一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置工作過程 與現(xiàn)有外骨骼工作過程類似，此處不再贅述。
權(quán)利要求1.一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置，包括背架、髖關(guān)節(jié)部件、 大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、電源、控制裝置、傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置，所述背 架與髖關(guān)節(jié)部件固定連接，所述髖關(guān)節(jié)部件與大腿部件活動(dòng)連接，所述大腿部件與小腿 部件活動(dòng)連接，小腿部件與踝骨部件活動(dòng)連接，所述踝骨部件與底板活動(dòng)連接，所述電 源與控制裝置相連通，所述傳感器與控制裝置相連通，所述控制裝置與驅(qū)動(dòng)裝置相連 通，其特征是所述驅(qū)動(dòng)裝置為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置一端與大腿部 件傳動(dòng)連接，所述直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另一端與小腿部件傳動(dòng)連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種可穿戴式的下肢步行外骨骼，尤其是一種用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼負(fù)重行走助力裝置。該裝置包括背架、髖關(guān)節(jié)部件、大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、電源、控制裝置、傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置，背架與髖關(guān)節(jié)部件固定連接，髖關(guān)節(jié)部件與大腿部件活動(dòng)連接，大腿部件與小腿部件活動(dòng)連接，小腿部件與踝骨部件活動(dòng)連接，踝骨部件與底板活動(dòng)連接，電源與控制裝置相連通，傳感器與控制裝置相連通，控制裝置與驅(qū)動(dòng)裝置相連通，其特征是驅(qū)動(dòng)裝置為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置一端與大腿部件傳動(dòng)連接，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置另一端與小腿部件傳動(dòng)連接。本產(chǎn)品體積小、能耗低、易于控制且制造成本低。
文檔編號(hào)A61F2/60GK201806802SQ20102056841
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者劉勤 申請(qǐng)人:劉勤