本發(fā)明涉及一種移動(dòng)輔助機(jī)器人，特別是涉及一種可折展的外骨骼輪椅一體化移動(dòng)輔助機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)已步入老齡化的社會(huì)。截止2014年底，我國(guó)60歲以上老年人口已經(jīng)達(dá)到2.12億，占總?cè)丝诘?5.5％。并且老年人多數(shù)存在關(guān)節(jié)力量不足、腿腳不便等問題，其日常生活需要人來照料。另外我國(guó)存在著較大一部分比重的腦血管疾病患者，他們通常伴有偏癱和截癱癥狀，嚴(yán)重影響著下肢肢體運(yùn)動(dòng)。醫(yī)學(xué)研究表明，腦血管患者在病情穩(wěn)定后，受損的神經(jīng)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，但自然恢復(fù)過程比較緩慢，并且難以痊愈。但有效的康復(fù)訓(xùn)練可以使得神經(jīng)系統(tǒng)功能重組和代償，加速神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)，使患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力。

國(guó)內(nèi)外眾多科研人員對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人開展了研究，主要致力于實(shí)現(xiàn)輔助行走和康復(fù)訓(xùn)練功能。從使用者的日常生活需求考慮，為使用者提供坐姿狀態(tài)下快速移動(dòng)、輔助使用者站立功能與前面兩種功能具有同等的地位。因此開發(fā)出一種融合坐姿狀態(tài)下快速移動(dòng)、輔助站立和輔助行走功能于一體的外骨骼輪椅一體化移動(dòng)輔助機(jī)器人顯得急為迫切。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種具備坐姿狀態(tài)下快速移動(dòng)、輔助站立和輔助行走功能于一體的可折展的外骨骼輪椅一體化移動(dòng)輔助機(jī)器人。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種可折展的外骨骼輪椅一體化移動(dòng)輔助機(jī)器人，包括左右對(duì)稱的兩個(gè)腳踏板、兩個(gè)小腿桿、兩個(gè)大腿桿和兩個(gè)腰桿，所述腳踏板通過踝關(guān)節(jié)連接在所述小腿桿的內(nèi)側(cè)，所述小腿桿的上端與所述大腿桿的下端通過膝關(guān)節(jié)連接在一起，所述大腿桿和所述小腿桿均設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述大腿桿的上端與所述腰桿的下端通過髖關(guān)節(jié)連接在一起，在所述大腿桿和所述小腿桿上均連接有腿部固定帶，在所述腰桿上連接有腰部固定帶，所述大腿桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線電機(jī)，所述直線電機(jī)安裝在所述腰桿和傳動(dòng)桿之間，所述傳動(dòng)桿的后端鉸接在大腿桿滑塊的外側(cè)，所述大腿桿滑塊安裝在所述大腿桿的外側(cè)；所述小腿桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在底桿上，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過錐齒輪組驅(qū)動(dòng)后輪軸，在所述后輪軸上固接有小齒輪，所述小齒輪和大齒輪嚙合，所述大齒輪固裝在膝關(guān)節(jié)的外端，在所述大齒輪的外側(cè)設(shè)有底桿，所述底桿的上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在所述后輪軸上，所述小腿桿設(shè)置在所述底桿的內(nèi)側(cè)，在所述底桿和所述小腿桿之間設(shè)有小連桿，所述小連桿的上端鉸接在小腿桿滑塊的外側(cè)，所述小腿桿滑塊安裝在所述小腿桿的外側(cè)，所述小連桿的下端與所述底桿鉸接，所述底桿的下端與所述小腿桿的下端通過踝關(guān)節(jié)連接；在所述底桿和所述連桿之間設(shè)有平行鎖固結(jié)構(gòu)，所述大腿桿滑塊和所述小腿桿滑塊通過位于其外側(cè)的大連桿連接，在所述腰桿和所述大腿桿之間設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)，在所述小腿桿滑塊和所述踝關(guān)節(jié)之間設(shè)有上移鎖固結(jié)構(gòu)，在所述底桿上安裝有前輪和后輪，在所述前輪的前方設(shè)有萬向輪，所述萬向輪通過輪架與所述小腿桿滑塊連接，在兩個(gè)所述腰桿之間連接有靠背板，在兩個(gè)所述大腿桿之間連接有柔性椅座墊。

所述轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)包括固接在所述大腿桿上端外側(cè)的鎖銷座和開設(shè)在所述腰桿下端前側(cè)的鎖口，在所述鎖銷座上設(shè)有滑道，在所述滑道內(nèi)從上至下依次設(shè)有鎖銷、彈簧和限位板，所述彈簧夾壓在所述限位板和所述鎖銷之間，所述鎖銷采用柔性鋼絲繩連接在大腿桿滑塊上；當(dāng)所述腰桿和所述大腿桿垂直時(shí)，所述鎖銷插裝在所述鎖口內(nèi)。

所述上移鎖固結(jié)構(gòu)包括固接在所述小腿桿滑塊下方的鎖殼，在所述鎖殼內(nèi)設(shè)有可伸縮的鎖舌，所述鎖舌以所述踝關(guān)節(jié)作為鎖栓，在所述鎖舌的后部設(shè)有回拉環(huán)。

當(dāng)輔助機(jī)器人處于輪椅狀態(tài)時(shí)，所述后輪著地，所述前輪和/或所述萬向輪著地，所述小齒輪與所述大齒輪脫離，所述上移鎖固結(jié)構(gòu)處于鎖固狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)處于鎖固狀態(tài)。

當(dāng)輔助機(jī)器人處于外骨骼機(jī)器人狀態(tài)時(shí)，所述直線電機(jī)通過所述傳動(dòng)桿帶動(dòng)所述大腿桿繞所述髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述平行鎖固結(jié)構(gòu)處于鎖固狀態(tài)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)所述小腿桿繞所述膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)輔助機(jī)器人處于輔助站立狀態(tài)時(shí)，所述直線電機(jī)通過所述傳動(dòng)桿帶動(dòng)所述大腿桿滑塊向所述膝關(guān)節(jié)移動(dòng)，帶動(dòng)所述大連桿繞所述小腿桿滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)所述大腿桿繞所述膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：基于可重構(gòu)機(jī)構(gòu)，通過桿件重合的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度的變化，機(jī)構(gòu)不同的自由度對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)了不同的功能：一)實(shí)現(xiàn)了輪椅狀態(tài)下的快速移動(dòng)的功能；二)實(shí)現(xiàn)了輔助站立功能；三)實(shí)現(xiàn)了外骨骼狀態(tài)下的輔助行走功能。三種功能基本涵蓋了使用者在日常生活中對(duì)于移動(dòng)的需求，將輪椅的功能和外骨骼機(jī)器人的功能集于一體。另外，本發(fā)明的輔助行走功能存在主動(dòng)適應(yīng)式行走和被動(dòng)控制式行走兩種模式可以選擇，從而下肢肢體運(yùn)動(dòng)障礙程度不同的使用者可以根據(jù)自身情況進(jìn)行選擇，即擴(kuò)大了使用者的范圍。并且本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)人體下肢髖、膝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，從而將特定關(guān)節(jié)的針對(duì)性訓(xùn)練與輔助行走相結(jié)合，既能夠提高康復(fù)訓(xùn)練效果，也能夠減少訓(xùn)練過程的枯燥性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明處于外骨骼機(jī)器人狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1下部的主視圖；

圖3為本發(fā)明處于輪椅狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明輔助人體站立初期的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明輔助人體站立后期的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的兩個(gè)局部放大示意圖。

圖中：101、腰桿，102、傳動(dòng)桿，103、大腿桿，104、小腿桿，105、大連桿，106、小連桿，107、底桿，201、靠背板，202、直線電機(jī)，203、大腿桿滑塊，204、柔性椅座墊，205、大齒輪，206、小齒輪，207、小腿桿滑塊，208、旋轉(zhuǎn)電機(jī)，209、錐齒輪組，210、腳踏板，211、后輪軸，301、萬向輪，302、前輪，303、后輪，401、轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)，402、上移鎖固結(jié)構(gòu)，403、平行鎖固結(jié)構(gòu)，411、柔性鋼絲繩，412、彈簧，413、鎖銷，421、鎖舌，422、回拉環(huán)，501、髖關(guān)節(jié)，502、膝關(guān)節(jié)，503、踝關(guān)節(jié)。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：

請(qǐng)參閱圖1～圖6，一種可折展的外骨骼輪椅一體化移動(dòng)輔助機(jī)器人，包括左右對(duì)稱的兩個(gè)腳踏板210、兩個(gè)小腿桿104、兩個(gè)大腿桿103和兩個(gè)腰桿101，所述腳踏板210通過踝關(guān)節(jié)503連接在所述小腿桿104的內(nèi)側(cè)，所述小腿桿104的上端與所述大腿桿103的下端通過膝關(guān)節(jié)502連接在一起，所述大腿桿103和所述小腿桿104均設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述大腿桿103的上端與所述腰桿101的下端通過髖關(guān)節(jié)501連接在一起，在所述大腿桿103和所述小腿桿104上均連接有腿部固定帶，在所述腰桿101上連接有腰部固定帶，所述大腿桿103的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直線電機(jī)202，所述直線電機(jī)202安裝在所述腰桿101和傳動(dòng)桿102之間，所述傳動(dòng)桿102的后端鉸接在大腿桿滑塊203的外側(cè)，所述大腿桿滑塊203安裝在所述大腿桿103的外側(cè)。

請(qǐng)參閱圖3，所述小腿桿104的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)208，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)208固定在底桿107上，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)208通過錐齒輪組209驅(qū)動(dòng)后輪軸211，在所述后輪軸211上固接有小齒輪206，所述小齒輪206和大齒輪205嚙合，所述大齒輪205固裝在膝關(guān)節(jié)502的外端，在所述大齒輪205的外側(cè)設(shè)有底桿107，所述底桿107的上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在所述后輪軸211上，所述小腿桿104設(shè)置在所述底桿107的內(nèi)側(cè)，在所述底桿107和所述小腿桿104之間設(shè)有小連桿106，所述小連桿106的上端鉸接在小腿桿滑塊207的外側(cè)，所述小腿桿滑塊207安裝在所述小腿桿104的外側(cè)，所述小連桿106的下端與所述底桿107鉸接，所述底桿107的下端與所述小腿桿104的下端通過踝關(guān)節(jié)503連接，在所述底桿107和所述小連桿106之間設(shè)有平行鎖固結(jié)構(gòu)403，所述大腿桿滑塊203和所述小腿桿滑塊207通過位于其外側(cè)的大連桿105連接，在所述腰桿101和所述大腿桿103之間設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)401，在所述小腿桿滑塊207和所述踝關(guān)節(jié)503之間設(shè)有上移鎖固結(jié)構(gòu)402，在所述底桿107上安裝有前輪302和后輪303，在所述前輪302的前方設(shè)有萬向輪301，所述萬向輪301通過輪架與所述小腿桿滑塊207連接，在兩個(gè)所述腰桿101之間連接有靠背板201，在兩個(gè)所述大腿桿103之間連接有柔性椅座墊204。

在本實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)401包括固接在所述大腿桿103上端外側(cè)的鎖銷座和開設(shè)在所述腰桿101下端前側(cè)的鎖口，在所述鎖銷座上設(shè)有滑道，在所述滑道內(nèi)從前至下后依次設(shè)有鎖銷413、彈簧412和限位板，所述彈簧412夾壓在所述限位板和所述鎖銷413之間，所述鎖銷413采用柔性鋼絲繩411連接在大腿桿滑塊203上；當(dāng)所述腰桿101和所述大腿桿103垂直時(shí)，所述鎖銷413插裝在所述鎖口內(nèi)。所述上移鎖固結(jié)構(gòu)402包括固接在所述小腿桿滑塊207下方的鎖殼，在所述鎖殼內(nèi)設(shè)有可伸縮的鎖舌421，所述鎖舌421以所述踝關(guān)節(jié)503作為鎖栓，在所述鎖舌421的后部設(shè)有回拉環(huán)422。

請(qǐng)參閱圖3，當(dāng)輔助機(jī)器人處于輪椅狀態(tài)時(shí)，所述后輪303著地，所述前輪302和/或所述萬向輪301著地，所述大齒輪205與所述小齒輪206脫離，所述上移鎖固結(jié)構(gòu)402處于鎖固狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)401處于鎖固狀態(tài)。

請(qǐng)參閱圖1，當(dāng)輔助機(jī)器人處于外骨骼機(jī)器人狀態(tài)時(shí)，所述直線電機(jī)202通過所述傳動(dòng)桿102帶動(dòng)所述大腿桿103繞所述髖關(guān)節(jié)501轉(zhuǎn)動(dòng)；所述平行鎖固結(jié)構(gòu)403處于鎖固狀態(tài)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)208帶動(dòng)所述小腿桿104繞所述膝關(guān)節(jié)502轉(zhuǎn)動(dòng)。

請(qǐng)參閱圖4，當(dāng)輔助機(jī)器人處于輔助站立狀態(tài)時(shí)，所述直線電機(jī)202通過所述傳動(dòng)桿102帶動(dòng)所述大腿桿滑塊203向所述膝關(guān)節(jié)502移動(dòng)，帶動(dòng)所述大連桿105繞所述小腿桿滑塊207轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)所述大腿桿103繞所述膝關(guān)節(jié)502轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明的工作原理：

請(qǐng)參見圖3，本發(fā)明在輪椅狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)功能，其具體實(shí)現(xiàn)方式為：旋轉(zhuǎn)電機(jī)208工作，通過錐齒輪組209將動(dòng)力傳到后輪軸211上，實(shí)現(xiàn)后輪303的連續(xù)滾動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪椅的快速移動(dòng)功能。

請(qǐng)參見圖4，在輔助人體站立過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)401一直保持鎖固狀態(tài)。因?yàn)樵谌梭w坐下后期，鎖銷413在彈簧412的作用下沿滑道運(yùn)動(dòng)進(jìn)入腰桿101上的鎖口，阻礙腰桿101相對(duì)大腿桿103的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一狀態(tài)在輔助人體站立初期過程中一直保持。在這一過程中，小腿桿104、小腿桿和底桿之間的小連桿106以及底桿107保持靜止，機(jī)構(gòu)在左右兩個(gè)直線電機(jī)202的驅(qū)動(dòng)下輔助人體站立，具體過程為：

直線電機(jī)202伸出，推動(dòng)大腿桿滑塊203沿著大腿桿103向膝關(guān)節(jié)502移動(dòng)，此時(shí)小腿桿滑塊207在上移鎖固結(jié)構(gòu)402的作用下鎖固在小腿桿104上不能移動(dòng)，所以大連桿105在大腿桿滑塊203的帶動(dòng)下繞小腿桿滑塊207的鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)并將大腿桿103頂起，使大腿桿103繞膝關(guān)節(jié)502轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與大腿桿103固接的柔性椅座墊204升起，輔助人體初步站立。

在輔助人體初步站立之后，大腿桿滑塊203運(yùn)動(dòng)到大腿桿103最前端，通過柔性鋼絲繩411傳動(dòng)將髖關(guān)節(jié)501處的轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)401打開，使腰桿101可以在人體腰部的作用下繞髖關(guān)節(jié)501逐漸向后翻轉(zhuǎn)至與大腿桿103平行的位置，同時(shí)拉動(dòng)小腿桿滑塊207的上移鎖固結(jié)構(gòu)402的回拉環(huán)422使鎖舌421縮回至鎖殼內(nèi)，放開小腿桿滑塊207使其可以移動(dòng)。然后直線電機(jī)202收縮，帶動(dòng)大腿桿滑塊203沿大腿桿103向髖關(guān)節(jié)501移動(dòng)，大連桿105則跟隨大腿桿滑塊203運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)小腿桿滑塊207沿小腿桿104向膝關(guān)節(jié)502移動(dòng)，與小腿桿滑塊207鉸接的小連桿106則在小腿桿滑塊207的帶動(dòng)下向小腿桿104靠攏，同時(shí)帶動(dòng)與其鉸接的底桿107繞著踝關(guān)節(jié)503向小腿桿104方向轉(zhuǎn)動(dòng)，后輪303離開地面，前輪302和萬向輪301在與地面保持接觸的同時(shí)相對(duì)于踝關(guān)節(jié)503逐漸上升使腳踏板210緩慢落地，實(shí)現(xiàn)由輪子著地到腳踏板著地的平穩(wěn)過渡，請(qǐng)參見圖5，此時(shí)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榍夫?qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，使用者可以根據(jù)自身習(xí)慣，在站立后期逐漸站立起來。

人體在站立階段后期，通過挺直身體，人體重量作用在踏板上。隨著腰桿101轉(zhuǎn)至與大腿桿103平行的位置，小連桿106和底桿107轉(zhuǎn)至與小腿桿104平行的位置，采用平行鎖固結(jié)構(gòu)403將小連桿106和底桿107鎖定在一起，并且這一狀態(tài)在人體行走過程中均保持不變，本發(fā)明轉(zhuǎn)化為外骨骼機(jī)器人狀態(tài)。

請(qǐng)參見圖1，人體在旋轉(zhuǎn)電機(jī)208和直線電機(jī)202的共同作用下，小腿桿104繞膝關(guān)節(jié)502做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大腿桿103繞髖關(guān)節(jié)501做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，腳踏板210跟隨人體腳步繞踝關(guān)節(jié)503做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輔助使用者行走功能。具體過程為：旋轉(zhuǎn)電機(jī)208通過錐齒輪組209和后輪軸211將動(dòng)力傳給后輪軸211端部的小齒輪206，小齒輪206與大直齒輪205形成行星齒輪傳動(dòng)，小齒輪206沿著大齒輪205外輪廓回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連接成一體的小腿桿104、底桿107和小連桿106繞膝關(guān)節(jié)502旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)輔助小腿運(yùn)動(dòng)的功能。在髖關(guān)節(jié)501處，直線電機(jī)202通過傳動(dòng)桿102帶動(dòng)大腿桿滑塊203，大腿桿滑塊203拉動(dòng)大腿桿103繞髖關(guān)節(jié)501轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輔助大腿運(yùn)動(dòng)的功能。通過編程控制能夠?qū)崿F(xiàn)膝關(guān)節(jié)502和髖關(guān)節(jié)501旋轉(zhuǎn)角度按設(shè)定的角度進(jìn)行變化。

請(qǐng)參見圖5，本發(fā)明在由外骨骼機(jī)器人狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩喴螤顟B(tài)的過程中，需要首先打開小腿桿104與底桿107之間的平行鎖固結(jié)構(gòu)403，之后直線電機(jī)202伸出，推動(dòng)大腿桿滑塊203沿著大腿桿103向膝關(guān)節(jié)502移動(dòng)，在大連桿105的作用下，小腿桿滑塊207沿小腿桿104向踝關(guān)節(jié)503移動(dòng)，推動(dòng)底桿107繞踝關(guān)節(jié)503向遠(yuǎn)離小腿桿104的方向旋轉(zhuǎn)，逐漸將底桿107放平，后輪303、前輪302和萬向輪301逐漸著地，腳踏板210離開地面，其中前輪302和萬向輪301先后著地，后輪303最后著地。同時(shí)，腰桿101被直線電機(jī)202拉起至與大腿桿103垂直的位置，轉(zhuǎn)動(dòng)鎖固結(jié)構(gòu)401中的鎖銷413在彈簧412作用下進(jìn)入腰桿101鎖口，實(shí)現(xiàn)腰桿101和大腿桿103的相對(duì)鎖定，保證坐姿狀態(tài)下機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定，此后便能提供坐姿狀態(tài)下快速移動(dòng)的功能。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。