一种人体关节运动辅助装置及人体运动助力装置

摘要

本发明公开了一种体积较小且能够实现多自由度运动的人体关节运动辅助装置及人体运动助力装置。该人体关节运动辅助装置，包括拉索机械结构、拉索动力部件，拉索机械结构包括第一支撑架、第二支撑架、旋转轴、第一柔性拉索、第二柔性拉索，通过拉索的收缩牵引模拟人体肌肉的运动方式，实现关节的自由弯曲和伸展，柔性的拉索更易安装和布置，能够多个关节运动由一组执行机构驱动，减轻了驱动单元数量和系统体积、重量，且机构空间占用量小，能实现多用途的人工机械骨骼运动，而且通过拉索配置的数量和方位，能够模拟不同肌肉、不同方向的收缩，从而实现多自由度多方向的运动，适合在动辅助、康复，以及残疾人辅助装置领域推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及运动辅助、康复，以及残疾人辅助装置领域，具体涉及一种人体关节运动辅 助装置及人体运动助力装置。

背景技术

户外运动人群、老人和残疾人群需要一种简洁、灵活、高效的关节运动辅助和助力装置。 当前的关节运动辅助和助力装置的原理主要包括两类，一类是通过动力机构的旋转带动关节 的旋转，另一类是通过额外支撑杆的伸长和收缩带动关节旋转。现有解决方案主要存在笨重、 不宜实现多自由度的运动、结构形状不灵活等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积较小且能够实现多自由度运动的人体关节运 动辅助装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该人体关节运动辅助装置，包括拉索机械 结构、拉索动力部件，所述拉索机械结构包括第一支撑架、第二支撑架、旋转轴、第一柔性 拉索、第二柔性拉索，所述第一支撑架、第二支撑架均套设在旋转轴上且能够绕旋转轴自由 转动，所述旋转轴固定在左髋关节转轴或右髋关节转轴或左膝关节转轴或右膝关节转轴上且 二者的轴心线重合，第一支撑架设置在旋转轴的下方，第一支架的左侧与右侧均设置有导向 槽，第二支撑架设置在旋转轴的上方，第二支撑架的左侧、右侧以及顶部均设置有导向槽， 所述第一柔性拉索的一端固定在第一支撑架的底部，另一端依次绕过第一支撑架右侧设置的 导向槽、第二支撑架右侧设置的导向槽、第二支撑架顶部设置的导向槽后与拉索动力部件相 连，所述第二柔性拉索的一端固定在第一支撑架的底部，另一端依次绕过第一支撑架左侧设 置的导向槽、第二支撑架左侧设置的导向槽、第二支撑架顶部设置的导向槽后与拉索动力部 件相连，所述拉索动力部件用于分别拉伸第一柔性拉索与第二柔性拉索。

进一步的是，所述第一支撑架、第二支撑架为三角形支架。

进一步的是，所述第一支撑架与第二支撑架之间设置有双向复位扭簧，所述双向复位扭 簧的两个支臂分别固定在第一支撑架与第二支撑架上。

本发明还提供了一种人体运动助力装置，该人体运动助力装置包括左小腿耦合装置、右 小腿耦合装置、左大腿耦合装置、右大腿耦合装置、髋部耦合装置，所述左小腿耦合装置与 左大腿耦合装置通过左膝关节转轴相连，所述左大腿耦合装置与髋部耦合装置左侧通过左髋 关节转轴相连，所述右小腿耦合装置与右大腿耦合装置通过右膝关节转轴相连，所述右大腿 耦合装置与髋部耦合装置右侧通过右髋关节转轴相连，所述左膝关节转轴、右膝关节转轴上 均安装有至少一个驱动其转动的拉索机械结构，还包括拉索动力部、拉索感知控制部件、人 机接口系统、控制系统，拉索感知控制部件通过人机接口系统感知人体的运动状态和运动意 图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给拉索动力部件，拉索动力部件 驱动拉索机械结构使左膝关节转轴或右膝关节转轴转动，所述拉索机械结构包括第一支撑架、 第二支撑架、旋转轴、第一柔性拉索、第二柔性拉索，所述第一支撑架、第二支撑架均套设 在旋转轴上且能够绕旋转轴自由转动，所述旋转轴固定在左髋关节转轴或右髋关节转轴或左 膝关节转轴或右膝关节转轴上且二者的轴心线重合，第一支撑架设置在旋转轴的下方，第一 支撑架的左侧与右侧均设置有导向槽，第二支撑架设置在旋转轴的上方，第二支撑架的左侧、 右侧以及顶部均设置有导向槽，所述第一柔性拉索的一端固定在第一支撑架的底部，另一端 依次绕过第一支撑架右侧设置的导向槽、第二支撑架右侧设置的导向槽、第二支撑架顶部设 置的导向槽后与拉索动力部件相连，所述第二柔性拉索的一端固定在第一支撑架的底部，另 一端依次绕过第一支撑架左侧设置的导向槽、第二支撑架左侧设置的导向槽、第二支撑架顶 部设置的导向槽后与拉索动力部件相连，所述拉索动力部件用于分别拉伸第一柔性拉索与第 二柔性拉索。

进一步的是，所述左髋关节转轴、右髋关节转轴上均安装有驱动其转动的拉索机械结构， 拉索感知控制部件通过人机接口系统感知人体的运动状态和运动意图并将其发送给控制系 统，控制系统将信息处理后发送指令给拉索动力部件，拉索动力部件驱动拉索机械结构使左 髋关节转轴或右髋关节转轴转动。

进一步的是，所述第一支撑架、第二支撑架为三角形支架。

进一步的是，所述第一支撑架与第二支撑架之间设置有双向复位扭簧，所述双向复位扭 簧的两个支臂分别固定在第一支撑架与第二支撑架上。

进一步的是，所述左小腿耦合装置包括第一半圆形护板以及第一C形环带，所述第一半 圆形护板与第一C形环带围成一个圆形的空间，所述第一半圆形护板的上端固定有第一支撑 板，所述左大腿耦合装置包括第二半圆形护板以及第二C形环带，所述第二半圆形护板与第 二C形环带围成一个圆形的空间，所述第二半圆形护板的下端固定有第二支撑板，上端固定 有第三支撑板，所述髋部耦合装置包括腰带，第二支撑板的下端与第一支撑板的上端通过左 膝关节转轴相连，第三支撑板的上端与腰带的左侧通过左髋关节转轴相连，所述右小腿耦合 装置包括第三半圆形护板以及第三C形环带，所述第三半圆形护板与第三C形环带围成一个 圆形的空间，所述第三半圆形护板的上端固定有第四支撑板，所述右大腿耦合装置包括第四 半圆形护板以及第四C形环带，所述第四半圆形护板与第四C形环带围成一个圆形的空间， 所述第四半圆形护板的下端固定有第五支撑板，上端固定有第六支撑板，第五支撑板的下端 与第四支撑板的上端通过右膝关节转轴相连，第六支撑板的上端与腰带的右侧通过右髋关节 转轴相连。

进一步的是，所述人机接口系统包括信息感知设备、输入输出设备、信息传输网络、信 息处理部件，所述信息感知设备包括压力传感器、惯性传感器、关节编码器、接触式应变片、 光纤传感器、肌电传感器、脑电传感器、位移传感器，旋转编码器、压力开关、测距传感器， 所述输入输出设备包括键盘、麦克风、耳机、表情识别系统、眼球跟踪系统。

进一步的是，所述控制系统针对人体运动状态，并根据运动动力学特征，将人体运动动 作分解为关节在各自由度上的转动，并建立对应的关节角度、关节角速度、关节力矩在运动 中随时间变化的规律数据库，作为反馈控制系统的期望输入信号，根据人机接口系统感知人 体的运动状态或运动意图，选择数据库中的期望输入信号，通过设计的协同控制律驱动每个 关节处的拉索机械结构工作。

本发明的有益效果：该人体关节运动辅助装置通过拉索的收缩牵引模拟人体肌肉的运动 方式，实现关节的自由弯曲和伸展，相对于传统的关节运动辅助装置，柔性的拉索更易安装 和布置，能够多个关节运动由一组执行机构驱动，减轻了驱动单元数量和系统体积、重量， 且机构空间占用量小，并局部提高了机构结构强度，能实现多用途的人工机械骨骼运动，而 且通过拉索配置的数量和方位，能够模拟不同肌肉、不同方向的收缩，从而实现多自由度多 方向的运动，该人体关节运动辅助装置可以运用在膝关节、髋关节、肩关节、肘关节和踝关 节等其他关节，实现关节运动辅助。人体运动助力装置通过在左膝关节转轴、右膝关节转轴、 左髋关节转轴、右髋关节转轴上安装驱动其转动的拉索机械结构，拉索感知控制部件通过人 机接口系统感知人体的运动状态和运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后 发送指令给拉索动力部件，拉索动力部件驱动拉索机械结构使左膝关节转轴或右膝关节转轴 或左髋关节转轴或右髋关节转轴转动，从而为关节运动提供辅助支撑，并能大大降低穿戴者 的能量消耗、关节磨损，进而实现辅助穿戴者运动的目的。

附图说明

图1是本发明人体关节运动辅助装置的拉索机械结构示意图；

图2是本发明人体运动助力装置的结构示意图；

图中标记说明：左小腿耦合装置1、第一半圆形护板101、第一C形环带102、第一支撑 板103、右小腿耦合装置2、第三半圆形护板201、第三C形环带202、第四支撑板203、左 大腿耦合装置3、第二半圆形护板301、第二C形环带302、第二支撑板303、第三支撑板304、 右大腿耦合装置4、第四半圆形护板401、第四C形环带402、第五支撑板403、第六支撑板 404、髋部耦合装置5、腰带501、左膝关节转轴6、左髋关节转轴7、右膝关节转轴8、右髋 关节转轴9、拉索机械结构10、第一支撑架1001、第二支撑架1002、旋转轴1003、第一柔 性拉索1004、第二柔性拉索1005、导向槽1006、双向复位扭簧1007、拉索动力部11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，人体关节运动辅助装置，其特征在于：包括拉索机械结构10、拉索动力部 件11，所述拉索机械结构10包括第一支撑架1001、第二支撑架1002、旋转轴1003、第一柔 性拉索1004、第二柔性拉索1005，所述第一支撑架1001、第二支撑架1002均套设在旋转轴 1003上且能够绕旋转轴1003自由转动，所述旋转轴1003固定在左髋关节转轴7或右髋关节 转轴9或左膝关节转轴6或右膝关节转轴8上且二者的轴心线重合，第一支撑架1001设置在 旋转轴1003的下方，第一支撑架1001的左侧与右侧均设置有导向槽1006，第二支撑架1002 设置在旋转轴1003的上方，第二支撑架1002的左侧、右侧以及顶部均设置有导向槽1006， 所述第一柔性拉索1004的一端固定在第一支撑架1001的底部，另一端依次绕过第一支撑架 1001右侧设置的导向槽1006、第二支撑架1002右侧设置的导向槽1006、第二支撑架1002 顶部设置的导向槽1006后与拉索动力部件11相连，所述第二柔性拉索1005的一端固定在第 一支撑架1001的底部，另一端依次绕过第一支撑架1001左侧设置的导向槽1006、第二支撑 架1002左侧设置的导向槽1006、第二支撑架1002顶部设置的导向槽1006后与拉索动力部 件11相连，所述拉索动力部件11用于分别拉伸第一柔性拉索1004与第二柔性拉索1005。 该人体关节运动辅助装置通过拉索的收缩牵引模拟人体肌肉的运动方式，实现关节的自由弯 曲和伸展，相对于传统的关节运动辅助装置，柔性的拉索更易安装和布置，能够多个关节运 动由一组执行机构驱动，减轻了驱动单元数量和系统体积、重量，且机构空间占用量小，并 局部提高了机构结构强度，能实现多用途的人工机械骨骼运动，而且通过拉索配置的数量和 方位，能够模拟不同肌肉、不同方向的收缩，从而实现多自由度多方向的运动，该人体关节 运动辅助装置可以运用在膝关节、髋关节、肩关节、肘关节和踝关节等其他关节，实现关节 运动辅助。

为了方便第一支撑架1001与第二支撑架1002绕旋转轴1003转动，所述第一支撑架1001、 第二支撑架1002优选为三角形支架。

为了提高助力效果，所述第一支撑架1001与第二支撑架1002之间设置有双向复位扭簧 1007，所述双向复位扭簧1007的两个支臂分别固定在第一支撑架1001与第二支撑架1002上。 当拉索动力部件11拉伸柔性拉锁使第一支撑架1001与第二支撑架1002绕旋转轴1003转动 后，可以通过双向复位扭簧1007使其复位，方便下一次拉伸旋转。

本发明还提供了一种人体运动助力装置，如图1、2所示，该人体运动助力装置包括左小 腿耦合装置1、右小腿耦合装置2、左大腿耦合装置3、右大腿耦合装置4、髋部耦合装置5， 所述左小腿耦合装置1与左大腿耦合装置3通过左膝关节转轴6相连，所述左大腿耦合装置 3与髋部耦合装置5左侧通过左髋关节转轴7相连，所述右小腿耦合装置2与右大腿耦合装 置4通过右膝关节转轴8相连，所述右大腿耦合装置4与髋部耦合装置5右侧通过右髋关节 转轴9相连，所述左膝关节转轴6、右膝关节转轴8上均安装有至少一个驱动其转动的拉索 机械结构10，还包括拉索动力部、拉索感知控制部件、人机接口系统、控制系统，拉索感知 控制部件通过人机接口系统感知人体的运动状态和运动意图并将其发送给控制系统，控制系 统将信息处理后发送指令给拉索动力部件11，拉索动力部件11驱动拉索机械结构10使左膝 关节转轴6或右膝关节转轴8转动，所述拉索机械结构10包括第一支撑架1001、第二支撑 架1002、旋转轴1003、第一柔性拉索1004、第二柔性拉索1005，所述第一支撑架1001、第 二支撑架1002均套设在旋转轴1003上且能够绕旋转轴1003自由转动，所述旋转轴1003固 定在左髋关节转轴7或右髋关节转轴9或左膝关节转轴6或右膝关节转轴8上且二者的轴心 线重合，第一支撑架1001设置在旋转轴1003的下方，第一支架的左侧与右侧均设置有导向 槽1006，第二支撑架1002设置在旋转轴1003的上方，第二支撑架1002的左侧、右侧以及 顶部均设置有导向槽1006，所述第一柔性拉索1004的一端固定在第一支撑架1001的底部， 另一端依次绕过第一支撑架1001右侧设置的导向槽1006、第二支撑架1002右侧设置的导向 槽1006、第二支撑架1002顶部设置的导向槽1006后与拉索动力部件11相连，所述第二柔 性拉索1005的一端固定在第一支撑架1001的底部，另一端依次绕过第一支撑架1001左侧设 置的导向槽1006、第二支撑架1002左侧设置的导向槽1006、第二支撑架1002顶部设置的导 向槽1006后与拉索动力部件11相连，所述拉索动力部件11用于分别拉伸第一柔性拉索1004 与第二柔性拉索1005。进一步的是，所述左髋关节转轴7、右髋关节转轴9上均安装有驱动 其转动的拉索机件械结构，拉索感知控制部件通过人机接口系统感知人体的运动状态和运动 意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给拉索动力部件11，拉索动力 部件11驱动拉索机械结构10使左髋关节转轴7或右髋关节转轴9转动。这样便可以同时对 膝关节以及髋关节进行关节运动辅助，从而提供更多的运动辅助。

人体运动助力装置通过在左膝关节转轴6、右膝关节转轴8、左髋关节转轴7、右髋关节 转轴9上安装驱动其转动的拉索机械结构10，拉索感知控制部件通过人机接口系统感知人体 的运动状态和运动意图并将其发送给控制系统，控制系统将信息处理后发送指令给拉索动力 部件11，拉索动力部件11驱动拉索机械结构10使左膝关节转轴6或右膝关节转轴8或左髋 关节转轴7或右髋关节转轴9转动，从而为关节运动提供辅助支撑，并能大大降低穿戴者的 能量消耗、关节磨损，进而实现辅助穿戴者运动的目的。

为了方便第一支撑架1001与第二支撑架1002绕旋转轴1003转动，所述第一支撑架1001、 第二支撑架1002优选为三角形支架。

为了提高助力效果，所述第一支撑架1001与第二支撑架1002之间设置有双向复位扭簧 1007，所述双向复位扭簧1007的两个支臂分别固定在第一支撑架1001与第二支撑架1002上。 当拉索动力部件11拉伸柔性拉锁使第一支撑架1001与第二支撑架1002绕旋转轴1003转动 后，可以通过双向复位扭簧1007使其复位，方便下一次拉伸旋转。

在上述结构中，所述左小腿耦合装置1包括第一半圆形护板101以及第一C形环带102， 所述第一半圆形护板101与第一C形环带102围成一个圆形的空间，所述第一半圆形护板101 的上端固定有第一支撑板103，所述左大腿耦合装置3包括第二半圆形护板301以及第二C 形环带302，所述第二半圆形护板301与第二C形环带302围成一个圆形的空间，所述第二 半圆形护板301的下端固定有第二支撑板303，上端固定有第三支撑板304，所述髋部耦合装 置5包括腰带501，第二支撑板303的下端与第一支撑板103的上端通过左膝关节转轴6相 连，第三支撑板304的上端与腰带501的左侧通过左髋关节转轴7相连，所述右小腿耦合装 置2包括第三半圆形护板201以及第三C形环带202，所述第三半圆形护板201与第三C形 环带202围成一个圆形的空间，所述第三半圆形护板201的上端固定有第四支撑板203，所 述右大腿耦合装置4包括第四半圆形护板401以及第四C形环带402，所述第四半圆形护板 401与第四C形环带402围成一个圆形的空间，所述第四半圆形护板401的下端固定有第五 支撑板403，上端固定有第六支撑板404，第五支撑板403的下端与第四支撑板203的上端通 过右膝关节转轴8相连，第六支撑板404的上端与腰带501的右侧通过右髋关节转轴9相连。 该左小腿耦合装置1、右小腿耦合装置2、左大腿耦合装置3、右大腿耦合装置4、髋部耦合 装置5结构简单，加工方便，且支撑效果较好，同时各个耦合装置之间的连接方便，便于批 量化生产。

为了保证全面地感知人体的运动状态、运动意图和生理心理状态，，所述人机接口系统包 括信息感知设备、输入输出设备、信息传输网络、信息处理部件，所述信息感知设备包括压 力传感器、惯性传感器、关节编码器、接触式应变片、光纤传感器、肌电传感器、脑电传感 器、位移传感器，旋转编码器、压力开关、测距传感器，所述输入输出设备包括键盘、麦克 风、耳机、表情识别系统、眼球跟踪系统。人机接口系统根据各传感器和输入输出设备的信 息，对人体各种动作步态进行机器自学习，实时预测人体的运动意图，感知人体的运动状态 和生理心理状态以及环境信息，并实时传输给控制系统。

最后，所述控制系统针对人体运动状态，并根据运动动力学特征，将人体运动动作分解 为关节在各自由度上的转动，并建立对应的关节角度、关节角速度、关节力矩在运动中随时 间变化的规律数据库，作为反馈控制系统的期望输入信号，根据人机接口系统感知人体的运 动状态或运动意图，选择数据库中的期望输入信号，通过设计的协同控制律驱动每个关节处 的拉索机械结构10工作，达到人体关节运动辅助的目的。