CN103610524B - 一种便携储能式外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

一种便携储能式外骨骼助力机器人，它涉及一种外骨骼助力机器人，以解决现有穿戴于人体的下肢助力外骨骼机器人存在助力效果差导致人体的负重能力降低，以及人体穿戴舒适性差、通用性差，野外的环境适应性差的问题，它包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动系统和小腿穿戴系统；所述髋关节储能机构包括连接座、伸缩杆、第二弹簧和挡片，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；每个所述大腿驱动系统包括带有编码器的第二电机、第二减速器、第三锥齿轮、第四锥齿轮、大腿连接杆、膝关节支架、膝关节连接板、角度传感器、串联弹性组合体、膝关节齿轮箱体、膝关节轴和端盖；本发明适用于野外穿戴助行。

Description

一种便携储能式外骨骼助力机器人

技术领域

本发明涉及一种外骨骼助力机器人，具体涉及一种用于供人体穿戴，适用于野外辅助人体背负重物行走的便携储能式外骨骼助力机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

目前国内外在下肢外骨骼助力装置方面进行了大量的研究，尤其是专用于行动不便的病人、残疾人的康复机器人、医疗辅助器械等领域的研究比较普遍，这些装置普遍具有机械强度不大、与人体的契合度和舒适性不高、需要量身定做和成本较高的特点，而对于可以在室外环境下，辅助人体运动的负重型助力机器人则研究较少。因此，在复杂地理环境和恶劣工况下，物资的搬运要靠人来完成，但由于人在搬运时体力有限，工作效率低。

经文献检索，申请号为201310202205.3的中国发明专利申请提出了一种外骨骼助力装置，它采用电机及谐波减速，涡轮蜗杆减速及换向，大腿、小腿连接杆采用与人体贴合的设计方法，通过绷带缚于腿部，但没有大小腿的伸缩机构，人体穿戴适应性差，野外携带使用不方便，而且不包含脚部的设计，其助力不能直接传递到地面，增加了人体脚部的负荷，导致人体的负重能力降低，工作效率降低。

经文献检索，申请号为201310262919.3的中国发明专利申请提出了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条腿仅用一个电机驱动，为单自由度机械腿，使用连杆机构配合一个驱动电机，使髋关节、膝关节、踝关节同时拟合出恰当的转动角度曲线，控制上较为简单，但对野外的环境适应性较差，且针对不同身高体型的穿戴者，需要针对性的设计连杆的长度，不具有通用性。

所以，针对上述设计方面的问题，有必有提供一种适用于野外穿戴应用的，具有储能功能节省能源消耗的，便于拆卸和装配组装的低成本下肢外骨骼助力机器人，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明是为解决现有穿戴于人体的下肢助力外骨骼机器人存在助力效果差导致人体的负重能力降低，以及人体穿戴舒适性差、通用性差，野外的环境适应性差的问题，进而提供一种便携储能式外骨骼助力机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种便携储能式外骨骼助力机器人包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动系统和小腿穿戴系统；

上体背部包括背部支架、背部腰带、腰部后侧转动板、腰部后侧连接板、调整连接板、上位机、电源模块和两个第一弹簧；所述腰部后侧连接板为倒T形腰部后侧连接板；背部腰带固装在水平设置的腰部后侧转动板上，背部支架固装在腰部后侧转动板的上表面上，背部支架上固装有上位机和电源模块，腰部后侧转动板的下端面上固装有腰部后侧连接板，腰部后侧连接板的竖臂的上端与腰部后侧转动板转动连接，腰部后侧连接板的两个横臂上分别固装有能水平伸缩的竖直设置的调整连接板，腰部后侧转动板的下表面与腰部后侧连接板的两个横臂之间分别安装有与二者连接的第一弹簧；

每个髋部驱动系统包括弯折腰带、带有编码器的第一电机、第一减速器、大腿过渡连接杆、髋关节连接杆、髋关节齿轮箱和髋关节储能机构；所述髋关节储能机构包括连接座、伸缩杆、第二弹簧和挡片，所述伸缩杆倾斜设置，伸缩杆的一端与连接座连接，伸缩杆的另一端安装有挡片，挡片与连接座之间的伸缩杆上套装有第二弹簧；所述髋关节齿轮箱包括箱体、连接套、第一锥齿轮、第二锥齿轮和髋部驱动系统的串联弹性组合体，连接套与箱体连接为一体，连接座与连接套的下表面固接，挡片支撑在髋关节连接杆上，箱体上安装有髋部驱动系统的串联弹性组合体，所述弯折腰带的一端与调整连接板转动连接，连接套固套在弯折腰带的另一端，且弯折腰带的伸入长度可调；第一锥齿轮与第二锥齿轮的轴向均水平设置，带有编码器的第一电机的输出端与第一减速器的输入端连接，第一减速器的输出端与第一锥齿轮连接，髋部驱动系统的串联弹性组合体的一端与第二锥齿轮连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；髋部驱动系统的串联弹性组合体的另一端与竖直设置的髋关节连接杆连接，髋关节连接杆与竖直设置的大腿过渡连接杆的上部可拆卸连接；

每个所述大腿驱动系统包括带有编码器的第二电机、第二减速器、第三锥齿轮、第四锥齿轮、大腿连接杆、膝关节支架、膝关节连接板、角度传感器、大腿驱动系统的串联弹性组合体、膝关节齿轮箱体、膝关节轴和端盖；所述大腿连接杆为竖直设置的空心连接杆，大腿连接杆的上部固套在大腿过渡连接杆的下部，且大腿过渡连接杆的伸入长度可调，大腿连接杆的下部与膝关节齿轮箱体固接，第三锥齿轮的轴向垂直设置，第四锥齿轮的轴向水平设置，带有编码器的第二电机的输出端与第二减速器的输入端连接，第二减速器的输出端安装有设置在膝关节齿轮箱体内的第三锥齿轮，膝关节轴通过轴承安装在膝关节齿轮箱体内，膝关节轴上固装有膝关节支架、第四锥齿轮、大腿驱动系统的串联弹性组合体和膝关节连接板，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，大腿驱动系统的串联弹性组合体转动连接在膝关节轴上，大腿驱动系统的串联弹性组合体的一端与第四锥齿轮连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体的另一端与竖直设置的膝关节连接板连接，膝关节轴的与膝关节连接板相邻的一端加工有第一凹槽，第一凹槽内安装有与膝关节轴固接的角度传感器，角度传感器的输出轴穿过盖合在膝关节齿轮箱体上的端盖的中部，膝关节支架与膝关节轴连接，膝关节支架与膝关节连接板连接；

每个所述小腿穿戴系统包括小腿过渡连接杆、小腿连接杆、弧形板、小腿后侧连接杆、U形连接板、两段式鞋底、脚底测力鞋垫和两个鞋底支架；所述小腿过渡连接杆为竖直设置的空心连接杆，膝关节连接板与小腿过渡连接杆的上部连接，小腿过渡连接杆的下部固套在竖直设置的小腿连接杆的上部，且小腿连接杆的伸入长度可调，小腿连接杆的下部与竖直设置的弧形板的一侧边连接，弧形板的另一侧边与竖直设置的小腿后侧连接杆的上部连接，且小腿连接杆与小腿后侧连接杆之间的间距可调，小腿后侧连接杆的下部与U形连接板的中部转动连接，U形连接板的两端分别与两个鞋底支架转动连接，两段式鞋底的第一段与两个鞋底支架连接，两段式鞋底的第二段与第一段铰接，脚底测力鞋垫由多个薄膜压力传感器阵列排布制成，脚底测力鞋垫铺设在两段式鞋底的上表面上；

电源模块给上位机、带有编码器的第一电机、带有编码器的第二电机、角度传感器和薄膜压力传感器供电，上位机对带有编码器的第一电机、带有编码器的第二电机、角度传感器和薄膜压力传感器实行控制。

本发明的有益效果是：

一、本发明的大腿连接杆固套插装在大腿过渡连接杆上，大腿驱动系统和髋部驱动系统拆卸组装便捷，便于运输和安装，大腿过渡连接杆的伸入长度能调整，能适应不同高矮的穿戴者，增强穿戴的通用性；小腿过渡连接杆固套在小腿连接杆上，小腿穿戴系统和大腿驱动系统拆卸组装便捷，便于运输和安装，大腿过渡连接杆的伸入长度能调整，能适应不同高矮的穿戴者，增强穿戴的通用性；调整连接板能水平伸缩，弯折腰带能水平伸缩，能适应不同高矮和胖瘦的穿戴者，增强穿戴的通用性；小腿连接杆与小腿后侧连接杆之间的间距可调，能适应不同胖瘦的穿戴者，增强穿戴的通用性。

二、髋部驱动系统设计髋关节储能机构，在人体支撑腿从竖直状态到后伸这一阶段内，人体重心下降，弹簧储能过程如图7、图8和图9所示，从图8到图9的状态进行储能，反之则释能，便于减少能耗，有助于提高电源模块的续航时间，适应野外工作环境的需要，提高了野外穿戴的续航能力。

三、本发明整体采用仿拟人化设计，模拟人体下肢的整体造型，每条腿包括髋部驱动系统3自由度(调整连接板8处的外展/内收自由度，腰部外侧连接杆17的伸缩自由度、髋关节连接杆20的旋转自由度)；膝部1自由度(膝关节连接板44的旋转自由度)；踝部3自由度(小腿连接杆62的水平伸缩自由度、小腿后侧连接杆64的水平伸缩自由度、小腿后侧连接杆64的旋转自由度)，可实现脚部转动、内翻外翻转动和上下摆动，具有较高灵活性，各关节运动期间与人体运动保持良好的一致性好，位置偏差小；二段式鞋底的第一段构成脚跟，第二段构成前脚掌，前脚掌与脚跟铰接，使用时，通过捆绑绷带固定，提高穿戴舒适性，提高了人体的负重能力，缓解了疲劳，外骨骼机器人助力效果增加，提高了工作效率，工作效率提高了45％以上。

四、大腿驱动系统和小腿上，不安装捆绑装置，采用在人体脚底与外骨骼鞋底之间设置脚底测力鞋垫(图16所示)，脚底测力鞋垫是由一个个的薄膜压力传感器阵列排布组成的鞋垫，可以实时监测整个人体脚底面的接触压力，通过配合膝关节内部的角度传感器，进行上位机的轨迹规划，控制髋关节的带有编码器的第一电机和膝关节的带有编码器的第二电机的运动，使外骨骼的末端脚底始终跟随人体的脚底面，并且使二者之间的压力维持在一个舒适的力度，从而实现整体上的外骨骼控制策略，使外骨骼跟随人体运动并提供助力。

五、设计中选用了大量的型材，大大降低了制造成本。如背部支撑架、大腿连接杆、小腿过渡连接杆、第一弹簧和第二弹簧等零件均为常用材料，为此装置的批量生产提供了可能，降低了成本，成本降低了30％以上。

六、对于关节的设计上，使用串联弹性组合体的柔性驱动关节，动力经过减速，换向，直接变为关节的旋转动力输出，结构更加紧凑，具有缓冲减震等功能。本发明下肢外骨骼助力机器人作为服务机器人，是将人和两足步行机器人有机结合在一起的仿生拟人化机器人，利用人的行为来控制机器人，提供动力协助人的行走，增强人的行走能力和速度。

附图说明：

图1为发明前侧看的整体结构立体图，图2为本发明后侧看的整体结构立体图，图3为本发明上体背部的整体结构立体图，图4为上体背部的分解示意图，图5为左腿的分解示意图，图6为髋部驱动系统的分解示意图，图7为髋部驱动系统中的髋关节连接杆与挡片分离状态示意图，图8为髋部驱动系统中的髋关节连接杆与挡片接触状态示意图，图9为髋部驱动系统中的髋关节连接杆压缩挡片及伸缩杆的状态示意图，图10为髋关节储能机构示意图，图11为髋关节齿轮箱的主剖视结构示意图，图12为串联弹性组合体与第二锥齿轮或第四锥齿轮连接结构立体图，图13为大腿驱动系统的分解示意图，图14为大腿驱动系统的主剖视结构示意图，图15为串联弹性组合体与第二锥齿轮或第四锥齿轮连接结构的分解示意图，图16为小腿驱动系统的分解示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图16说明，本实施方式的一种便携储能式外骨骼助力机器人包括上体背部A、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统B、大腿驱动系统C和小腿穿戴系统D；

上体背部A包括背部支架3、背部腰带4、腰部后侧转动板5、腰部后侧连接板7、调整连接板8、上位机2、电源模块1和两个第一弹簧10；所述腰部后侧连接板7为倒T形腰部后侧连接板；背部腰带4固装在水平设置的腰部后侧转动板5上，背部支架3固装在腰部后侧转动板5的上表面上，背部支架3上固装有上位机2和电源模块1，腰部后侧转动板5的下端面上固装有腰部后侧连接板7，腰部后侧连接板7的竖臂的上端与腰部后侧转动板5转动连接，腰部后侧连接板7的两个横臂上分别固装有能水平伸缩的竖直设置的调整连接板8，腰部后侧转动板5的下表面与腰部后侧连接板7的两个横臂之间分别安装有与二者连接的第一弹簧10；

每个髋部驱动系统B包括弯折腰带26、带有编码器的第一电机13、第一减速器15、大腿过渡连接杆21、髋关节连接杆20、髋关节齿轮箱18和髋关节储能机构；所述髋关节储能机构包括连接座22、伸缩杆25、第二弹簧24和挡片25-1，所述伸缩杆25倾斜设置，伸缩杆25的一端与连接座22连接，伸缩杆25的另一端安装有挡片25-1，挡片25-1与连接座22之间的伸缩杆25上套装有第二弹簧24；所述髋关节齿轮箱18包括箱体18-2、连接套18-1、第一锥齿轮15-1、第二锥齿轮15-2和髋部驱动系统的串联弹性组合体58，连接套18-1与箱体18-2连接为一体，连接座22与连接套18-1的下表面固接，挡片25-1支撑在髋关节连接杆20上，箱体18-2上安装有髋部驱动系统的串联弹性组合体58，所述弯折腰带26的一端与调整连接板8转动连接，连接套18-1固套在弯折腰带26的另一端，且弯折腰带26的伸入长度可调；第一锥齿轮15-1与第二锥齿轮15-2的轴向均水平设置，带有编码器的第一电机13的输出端与第一减速器15的输入端连接，第一减速器15的输出端与第一锥齿轮15-1连接，髋部驱动系统的串联弹性组合体58的一端与第二锥齿轮37-2连接，第一锥齿轮15-1与第二锥齿轮15-2啮合；髋部驱动系统的串联弹性组合体58的另一端与竖直设置的髋关节连接杆20连接，髋关节连接杆20与竖直设置的大腿过渡连接杆21的上部可拆卸连接；

每个所述大腿驱动系统C包括带有编码器的第二电机35、第二减速器37、第三锥齿轮37-1、第四锥齿轮37-2、大腿连接杆34、膝关节支架53、膝关节连接板44、角度传感器47、大腿驱动系统的串联弹性组合体58、膝关节齿轮箱体38、膝关节轴43和端盖50；所述大腿连接杆34为竖直设置的空心连接杆，大腿连接杆34的上部固套在大腿过渡连接杆21的下部，且大腿过渡连接杆21的伸入长度可调，大腿连接杆34的下部与膝关节齿轮箱体38固接，第三锥齿轮37-1的轴向垂直设置，第四锥齿轮37-2的轴向水平设置，带有编码器的第二电机35的输出端与第二减速器37的输入端连接，第二减速器37的输出端安装有设置在膝关节齿轮箱体38内的第三锥齿轮37-1，膝关节轴43通过轴承安装在膝关节齿轮箱体38内，膝关节轴43上固装有膝关节支架53、第四锥齿轮37-2、大腿驱动系统的串联弹性组合体58和膝关节连接板44，第三锥齿轮37-1与第四锥齿轮37-2啮合，大腿驱动系统的串联弹性组合体58转动连接在膝关节轴43上，大腿驱动系统的串联弹性组合体58的一端与第四锥齿轮37-2连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体58的另一端与竖直设置的膝关节连接板44连接，膝关节轴43的与膝关节连接板44相邻的一端加工有第一凹槽43-1，第一凹槽43-1内安装有与膝关节轴43固接的角度传感器47，角度传感器47的输出轴穿过盖合在膝关节齿轮箱体38上的端盖50的中部，膝关节支架53与膝关节轴43连接，膝关节支架53与膝关节连接板44连接；

每个所述小腿穿戴系统D包括小腿过渡连接杆51、小腿连接杆62、弧形板63、小腿后侧连接杆64、U形连接板68、两段式鞋底、脚底测力鞋垫74和两个鞋底支架70；所述小腿过渡连接杆51为竖直设置的空心连接杆，膝关节连接板44与小腿过渡连接杆51的上部连接，小腿过渡连接杆51的下部固套在竖直设置的小腿连接杆62的上部，且小腿连接杆62的伸入长度可调，小腿连接杆62的下部与竖直设置的弧形板63的一侧边连接，弧形板63的另一侧边与竖直设置的小腿后侧连接杆64的上部连接，且小腿连接杆62与小腿后侧连接杆64之间的间距可调，小腿后侧连接杆64的下部与U形连接板68的中部转动连接，U形连接板68的两端分别与两个鞋底支架70转动连接，两段式鞋底的第一段73与两个鞋底支架70连接，两段式鞋底的第二段72与第一段73铰接，脚底测力鞋垫74由多个薄膜压力传感器阵列排布制成，脚底测力鞋垫74铺设在两段式鞋底的上表面上；

电源模块1给上位机2、带有编码器的第一电机13、带有编码器的第二电机35、角度传感器47和薄膜压力传感器供电，上位机2对带有编码器的第一电机13、带有编码器的第二电机35、角度传感器47和薄膜压力传感器实行控制。

本实施方式的腰部后侧连接板7的竖臂与腰部后侧转动板5可通过圆柱销6转动连接，形成一个上体左右倾斜的自由度；两个第一弹簧的作用是保持上体背部的平衡；本实施方式的第四锥齿轮37-2通过两个第五轴承41支撑在膝关节轴43上，本实施方式的U形连接板68的两端分别与两个鞋底支架72可通过两个销子69连接。两段式鞋底的第二段72与第一段73通过合页71铰接。本实施方式大腿过渡连接杆21通过推力球轴承27支撑，大腿过渡连接杆21通过内轴套31、外轴套32以及二者之间设置的两个第七轴承28支撑并固定在髋关节连接杆20内，并通过支撑盖32压紧防止脱出，转动灵活方便。本实施方式髋关节连接杆20转动后能压缩挡片25-1，进而实现伸缩杆25以及第二弹簧24的收缩，实现储能。髋关节连接杆20转动后脱离挡片25-1后，实现伸缩杆25以及第二弹簧24的拉伸。

具体实施方式二：结合图11-图15说明，本实施方式髋部驱动系统的串联弹性组合体(58)和大腿驱动系统的串联弹性组合体(58)均包括多个串联弹性体54，每个串联弹性体54包括内环59、外环61和十条第三弹簧57，内环59的外壁上沿其周向均布设置有五个外卡座60，外环61的内壁上沿其周向均布设置有五个内卡座61-1，内环59和外环61同轴设置，外环61套装在内环59上，五个外卡座60和五个内卡座61-1相间布置，每个内卡座61-1与相邻的一个外卡座60之间安装有一个第三弹簧57，相邻两个串联弹性体54的其中一个串联弹性体54的外环61上沿轴向加工有多个卡爪61-2，相邻两个串联弹性体54中余下的一个串联弹性体54的外环61上沿轴向加工有与卡爪61-2相插接的卡槽61-3，多个串联弹性体54通过卡爪61-2和卡槽61-3的插接相连为一个髋部驱动系统的串联弹性组合体58或大腿驱动系统的串联弹性组合体58；髋部驱动系统的串联弹性组合体58的一端的串联弹性体54的外环61与第二锥齿轮15-2连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体58的一端的串联弹性体54的外环61与第四锥齿轮37-2连接，髋部驱动系统的串联弹性组合体58的另一端的串联弹性体54的内环59通过第六轴承77与髋关节连接杆20连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体58的另一端的串联弹性体54的内环59通过第六轴承77支撑在膝关节轴43上并与膝关节连接板44连接。

本实施方式的有益效果是：本实施方式基于对传统柔性驱动机器人关节和串联弹性驱动器(SEA)机理的研究，在此基础上进行了改进，修改了串联弹簧的连接形式，把串联弹簧设计成多个独立的串联弹性体，每个串联弹性体由十个弹簧及其内外环组成，外环和内环结构简单，易于加工，可以减小突然启动或者突然接触对关节以及电机的冲击；每个串联弹性体的变形量和扭矩之间的线性关系是多对弹簧线性度的平均值，串联弹性体传动平稳，线性度较高，直接进行旋转式扭矩输出，具有很高的传动精度和稳定性，传动精度提高了15％以上，使用使用寿命提高了3倍，输入和输出通过多个串联弹性体相连接，动力传递时，第二锥齿轮15-2或第四锥齿轮37-2将动力传递给串联弹性体54的外环61，外环61获得的动力通过第三弹簧57传递扭矩到内环60，内环60再把扭矩传递到髋关节连接杆21或膝关节连接杆44上。通过增减串联弹性体的个数来达到适应不同程度缓冲和改变系统刚度的目的。

具体实施方式三：结合图13说明，本实施方式的大腿驱动系统的串联弹性组合体58的另一端的串联弹性体54的内环59加工有多个第二凹槽59-1，膝关节连接板44上加工有与第二凹槽59-1数量相一致的凸起44-1，凸起44-1卡合在相应的第二凹槽59-1内。

本实施方式的有益效果是：串联弹性体与膝关节连接板通过凸起和凹槽的配合连接来实现传递扭矩，结构更加紧凑，柔性变形好。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2、图4和图6说明，本实施方式的每个弯折腰带26包括角钢16、腰部外侧连接杆17、弯折腰带连接杆12、第三弹性卡圈78和两个第四轴承11，调整连接板8的端部加工有竖直设置的两个圆环76，角钢16的一端与弯折腰带连接杆12连接，弯折腰带连接杆12的另一端安装有两个第四轴承11，两个第四轴承11卡装在两个圆环76内，角钢16的另一端安装有腰部外侧连接杆17，连接套18-1通过卡接在连接套18-1上的第三弹性卡圈78固套在腰部外侧连接杆17上，所述调整连接板8的板面上加工有向其长度方向延伸的长孔8-2，腰部后侧连接板7的两个横臂分别通过设置在长孔8-2内的第一螺栓8-1与调整连接板8连接。

本实施方式的有益效果是：两个第四轴承11安装在与调整连接板8连接的圆环76内，形成髋关节外展/内收自由度，适合不同穿戴者的需要；调整连接板8插入或拔出腰部后侧连接板7的两个横臂一定长度并通过第一螺栓8-1紧固，实现调整连接板8的伸缩，满足不同胖瘦穿戴者的需要；腰部外侧连接杆17插装或拔出在连接套18-1的一定长度并通过第三弹性卡圈78紧固，实现腰部外侧连接杆17的伸缩，满足不同胖瘦者的穿戴需要，方便实用，简单可靠。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图4说明，本实施方式所述背部支架3为二台阶式背部支架，一阶的下表面固装在腰部后侧转动板5的上表面上，一阶的上表面上安装有电源模块1，二阶的上表面上安装有上位机2。

本实施方式的有益效果是：背部支架仿生人体背部的拟人化设计，结构简单，占用空间小，便于携带，实际使用时，优先选用带有充电接口1-1的电源模块。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图8和图10说明，本实施方式所述髋关节储能机构还包括橡胶柱23，所述连接座22为三角形连接座，所述连接套18-1的下表面加工有竖直设置的两个支耳18-4，连接座22的一个尖端置于两个支耳18-4内并顶靠在连接套18-1的下表面，连接座22与两个支耳18-4通过销钉18-3固接，连接座22的一个尖端和两个支耳18-4设置有同轴的通孔22-1，通孔22-1内插装有橡胶柱23。

本实施方式的有益效果是：支耳和销钉的设计，结构简单，方便使用，可借助螺钉拧入橡胶柱，可使髋关节储能机构保持一定的平衡位置，并可以随着髋关节的角度变化作出微调，以适应野外工作环境的需要。其它与具体实施方式一、二、三或五相同。

具体实施方式七：结合图11和图13说明，本实施方式所述大腿驱动系统C还包括第一弹性卡圈33，大腿连接杆34的上部的杆壁上沿其轴向开有第一裂缝34-1，大腿连接杆34通过卡接在大腿连接杆34的上部的第一弹性卡圈33固套在大腿过渡连接杆21的下部。

本实施方式的有益效果是：大腿连接杆插装在大腿过渡连接杆的一定高度后，在第一裂缝处加装第一弹性卡圈，锁紧第一弹性卡圈将大腿过渡连接杆固定，需要调节大腿过渡连接杆的插入高度时，可松开第一弹性卡圈，如此反复使用，方便实用，简单可靠。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图13和图16说明，本实施方式所述小腿穿戴系统D还包括第二弹性卡圈52，小腿过渡连接杆51的下部的杆壁上沿其轴向开有第二裂缝51-1，小腿过渡连接杆51通过卡接在小腿过渡连接杆51的下部的第二弹性卡圈52固套在小腿连接杆62的上部。

本实施方式的有益效果是：小腿过渡连接杆插装在小腿连接杆的一定高度后，在第二裂缝处加装第二弹性卡圈，锁紧第二弹性卡圈将小腿连接杆固定，需要调节大腿过渡连接杆的插入高度时，可松开第二弹性卡圈，如此反复使用，方便实用，简单可靠。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图13说明，本实施方式所述大腿驱动系统C还包括支撑板46、支撑罩48和螺母49，膝关节轴43的一端通过第一轴承39支撑在膝关节齿轮箱体38上，膝关节轴43的另一端通过第二轴承45支撑在与膝关节齿轮箱体38连接的支撑板46上，角度传感器47和支撑罩48设置在端盖50与支撑板46之间，所述支撑罩48为圆筒形支撑罩，支撑罩48为一端开口而另一端封闭的支撑罩，支撑罩48的另一端的中部加工有轴孔48-1，支撑罩48设置在第一凹槽43-1内且与关节轴43可拆卸连接，角度传感器47的输出轴穿出支撑罩48的轴孔48-1伸入端盖50的中部，且角度传感器47通过螺母49与支撑罩48固接，端盖50与支撑板46固接。

本实施方式的有益效果是：本实施方式采用螺母和轴承等常用的标准件，结构简单，使用方便，为批量生产提供了可能，降低了制造成本，膝关节轴的一端通过第一轴承支撑在膝关节齿轮箱体上，可通过封盖40压紧；第三锥齿轮将旋转动力传递给串联弹性组合体58的一端的串联弹性体54的外环61，串联弹性组合体58的外环61通过第三弹簧57将旋转动力传递另一端的串联弹性体54的内环60，内环60将旋转动力传递给膝关节支架53与膝关节连接板44，膝关节支架53将旋转动力传递给膝关节轴43，膝关节轴43将旋转动力传递给角度传感器47，角度传感器47的旋转实现检测膝关节的整个旋转角度；膝关节连接板44将旋转动力传递给小腿过渡连接杆51和小腿连接杆62，进而实现小腿穿戴系统的运动。其它与具体实施方式一、二、三、五、七或八相同。

具体实施方式十：结合图16说明，本实施方式所述小腿穿戴系统D还包括踝关节后侧转动轴65、踝关节后侧转动轴套66和踝关节端盖67，所述小腿后侧连接杆64为空心连接杆，小腿后侧连接杆64套装在踝关节后侧转动轴65上，踝关节端盖67安装在U形连接板68的中部，踝关节后侧转动轴65通过踝关节后侧转动轴套66与踝关节端盖67连接；弧形板63的两端分别加工有水平设置的长条孔63-1，小腿连接杆62的下部与竖直设置的弧形板63的一端通过设置在长条孔63-1内的第二螺栓75连接，弧形板63的另一端与竖直设置的小腿后侧连接杆64的上部通过设置在长条孔63-1内的第二螺栓75连接。

本实施方式的有益效果是：踝关节后侧转动轴65和踝关节后侧转动轴套66形成踝关节的旋内和旋外转动自由度，踝关节端盖67安装在U形连接板68的中部，踝关节后侧转动轴65通过踝关节后侧转动轴套66与踝关节端盖67连接，形成踝关节的外展和内收自由度，弧形板63的两端分别加工有水平设置的长条孔63-1，实现小腿连接杆62和小腿后侧连接杆64的间距可调，适应不同胖瘦穿戴者的需要。

工作过程

结合图1-图16说明，穿戴者穿戴上本发明的助力外骨骼机器人后，背部腰带4与人体的腰部捆绑，穿戴者的脚置入U形连接板68、两个脚底支架70、两段式鞋底形成的鞋体内并捆绑，髋部驱动系统中的带有编码器的第一电机13带动第一减速器15转动，第一减速器15的转动带动第一锥齿轮15-1及第二锥齿轮15-2转动，第二锥齿轮15-2将旋转动力传递给髋部驱动系统的串联弹性组合体58，髋部驱动系统的串联弹性组合体58将旋转动力传递给大腿连接杆20和大腿过渡连接杆21，进而实现大腿驱动系统C的旋转运动，大腿驱动系统C中的编码器的第二电机35带动第二减速器37转动，第二减速器37的转动带动第三锥齿轮37-1及第四锥齿轮37-2转动，第四锥齿轮37-2将旋转动力传递给大腿驱动系统的串联弹性组合体58，大腿驱动系统的串联弹性组合体58将旋转动力传递给膝关节支架53与膝关节连接板44，膝关节支架53将旋转动力传递给膝关节轴43，膝关节轴43将旋转动力传递给角度传感器47，角度传感器47的旋转实现检测膝关节的整个旋转角度，膝关节连接板44将旋转动力传递给小腿过渡连接杆51和小腿连接杆62，进而实现小腿穿戴系统D的运动；小腿穿戴系统D中的脚底测力鞋垫实时监测整个人体脚底面的接触压力，通过配合膝关节内部的角度传感器47，进行上位机的轨迹规划，控制髋关节的带有编码器的第一电机和膝关节的带有编码器的第二电机的运动，使外骨骼的末端脚底始终跟随人体的脚底面，并且使二者之间的压力维持在一个舒适的力度，从而实现整体上的外骨骼控制策略，使外骨骼跟随人体运动并提供助力。

Claims (10)

1.一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：它包括上体背部（A）、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统（B）、大腿驱动系统（C）和小腿穿戴系统（D）；

上体背部（A）包括背部支架（3）、背部腰带（4）、腰部后侧转动板（5）、腰部后侧连接板（7）、调整连接板（8）、上位机（2）、电源模块（1）和两个第一弹簧（10）；所述腰部后侧连接板（7）为倒T形腰部后侧连接板；背部腰带（4）固装在水平设置的腰部后侧转动板（5）上，背部支架（3）固装在腰部后侧转动板（5）的上表面上，背部支架（3）上固装有上位机（2）和电源模块（1），腰部后侧转动板（5）的下端面上固装有腰部后侧连接板（7），腰部后侧连接板（7）的竖臂的上端与腰部后侧转动板（5）转动连接，腰部后侧连接板（7）的两个横臂上分别固装有能水平伸缩的竖直设置的调整连接板（8），腰部后侧转动板（5）的下表面与腰部后侧连接板（7）的两个横臂之间分别安装有与二者连接的第一弹簧（10）；

每个髋部驱动系统（B）包括弯折腰带（26）、带有编码器的第一电机（13）、第一减速器（15）、大腿过渡连接杆（21）、髋关节连接杆（20）、髋关节齿轮箱（18）和髋关节储能机构；所述髋关节储能机构包括连接座（22）、伸缩杆（25）、第二弹簧（24）和挡片（25-1），所述伸缩杆（25）倾斜设置，伸缩杆（25）的一端与连接座（22）连接，伸缩杆（25）的另一端安装有挡片（25-1），挡片（25-1）与连接座（22）之间的伸缩杆（25）上套装有第二弹簧（24）；所述髋关节齿轮箱（18）包括箱体（18-2）、连接套（18-1）、第一锥齿轮（15-1）、第二锥齿轮（15-2）和髋部驱动系统的串联弹性组合体（58），连接套（18-1）与箱体（18-2）连接为一体，连接座（22）与连接套（18-1）的下表面固接，挡片（25-1）支撑在髋关节连接杆（20）上，箱体（18-2）上安装有髋部驱动系统的串联弹性组合体（58），所述弯折腰带（26）的一端与调整连接板（8）转动连接，连接套（18-1）固套在弯折腰带（26）的另一端，且弯折腰带（26）的伸入长度可调；第一锥齿轮（15-1）与第二锥齿轮（15-2）的轴向均水平设置，带有编码器的第一电机（13）的输出端与第一减速器（15）的输入端连接，第一减速器（15）的输出端与第一锥齿轮（15-1）连接，髋部驱动系统的串联弹性组合体（58）的一端与第二锥齿轮（15-2）连接，第一锥齿轮（15-1）与第二锥齿轮（15-2）啮合；髋部驱动系统的串联弹性组合体（58）的另一端与竖直设置的髋关节连接杆（20）连接，髋关节连接杆（20）与竖直设置的大腿过渡连接杆（21）的上部可拆卸连接；

每个所述大腿驱动系统（C）包括带有编码器的第二电机（35）、第二减速器（37）、第三锥齿轮（37-1）、第四锥齿轮（37-2）、大腿连接杆（34）、膝关节支架（53）、膝关节连接板（44）、角度传感器（47）、大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）、膝关节齿轮箱体（38）、膝关节轴（43）和端盖（50）；所述大腿连接杆（34）为竖直设置的空心连接杆，大腿连接杆（34）的上部固套在大腿过渡连接杆（21）的下部，且大腿过渡连接杆（21）的伸入长度可调，大腿连接杆（34）的下部与膝关节齿轮箱体（38）固接，第三锥齿轮（37-1）的轴向垂直设置，第四锥齿轮（37-2）的轴向水平设置，带有编码器的第二电机（35）的输出端与第二减速器（37）的输入端连接，第二减速器（37）的输出端安装有设置在膝关节齿轮箱体（38）内的第三锥齿轮（37-1），膝关节轴（43）通过轴承安装在膝关节齿轮箱体（38）内，膝关节轴（43）上固装有膝关节支架（53）、第四锥齿轮（37-2）、大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）和膝关节连接板（44），第三锥齿轮（37-1）与第四锥齿轮（37-2）啮合，大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）转动连接在膝关节轴（43）上，大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）的一端与第四锥齿轮（37-2）连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）的另一端与竖直设置的膝关节连接板（44）连接，膝关节轴（43）的与膝关节连接板（44）相邻的一端加工有第一凹槽（43-1），第一凹槽（43-1）内安装有与膝关节轴（43）固接的角度传感器（47），角度传感器（47）的输出轴穿过盖合在膝关节齿轮箱体（38）上的端盖（50）的中部，膝关节支架（53）与膝关节轴（43）连接，膝关节支架（53）与膝关节连接板（44）连接；

每个所述小腿穿戴系统（D）包括小腿过渡连接杆（51）、小腿连接杆（62）、弧形板（63）、小腿后侧连接杆（64）、U形连接板（68）、两段式鞋底、脚底测力鞋垫（74）和两个鞋底支架（70）；所述小腿过渡连接杆（51）为竖直设置的空心连接杆，膝关节连接板（44）与小腿过渡连接杆（51）的上部连接，小腿过渡连接杆（51）的下部固套在竖直设置的小腿连接杆（62）的上部，且小腿连接杆（62）的伸入长度可调，小腿连接杆（62）的下部与竖直设置的弧形板（63）的一侧边连接，弧形板（63）的另一侧边与竖直设置的小腿后侧连接杆（64）的上部连接，且小腿连接杆（62）与小腿后侧连接杆（64）之间的间距可调，小腿后侧连接杆（64）的下部与U形连接板（68）的中部转动连接，U形连接板（68）的两端分别与两个鞋底支架（70）转动连接，两段式鞋底的第一段（73）与两个鞋底支架（70）连接，两段式鞋底的第二段（72）与第一段（73）铰接，脚底测力鞋垫（74）由多个薄膜压力传感器阵列排布制成，脚底测力鞋垫（74）铺设在两段式鞋底的上表面上；

电源模块（1）给上位机（2）、带有编码器的第一电机（13）、带有编码器的第二电机（35）、角度传感器（47）和薄膜压力传感器供电，上位机（2）对带有编码器的第一电机（13）、带有编码器的第二电机（35）、角度传感器（47）和薄膜压力传感器实行控制。

2.根据权利要求1所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：髋部驱动系统的串联弹性组合体（58）和大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）均包括多个串联弹性体（54），每个串联弹性体（54）包括内环（59）、外环（61）和十条第三弹簧（57），内环（59）的外壁上沿其周向均布设置有五个外卡座（60），外环（61）的内壁上沿其周向均布设置有五个内卡座（61-1），内环（59）和外环（61）同轴设置，外环（61）套装在内环（59）上，五个外卡座（60）和五个内卡座（61-1）相间布置，每个内卡座（61-1）与相邻的一个外卡座（60）之间安装有一个第三弹簧（57），相邻两个串联弹性体（54）的其中一个串联弹性体（54）的外环（61）上沿轴向加工有多个卡爪（61-2），相邻两个串联弹性体（54）中余下的一个串联弹性体（54）的外环（61）上沿轴向加工有与卡爪（61-2）相插接的卡槽（61-3），多个串联弹性体（54）通过卡爪（61-2）和卡槽（61-3）的插接相连为一个髋部驱动系统的串联弹性组合体（58）或大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）；髋部驱动系统的串联弹性组合体（58）的一端的串联弹性体（54）的外环（61）与第二锥齿轮（15-2）连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）的一端的串联弹性体（54）的外环（61）与第四锥齿轮（37-2）连接，髋部驱动系统的串联弹性组合体（58）的另一端的串联弹性体（54）的内环（59）通过第六轴承（77）与髋关节连接杆（20）连接，大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）的另一端的串联弹性体（54）的内环（59）通过第六轴承（77）支撑在膝关节轴（43）上并与膝关节连接板（44）连接。

3.根据权利要求2所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：大腿驱动系统的串联弹性组合体（58）的另一端的内环（59）加工有多个第二凹槽（59-1），膝关节连接板（44）上加工有与第二凹槽（59-1）数量相一致的凸起（44-1），凸起（44-1）卡合在相应的第二凹槽（59-1）内。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述弯折腰带（26）包括角钢（16）、腰部外侧连接杆（17）、弯折腰带连接杆（12）、第三弹性卡圈（78）和两个第四轴承（11），调整连接板（8）的端部加工有竖直设置的两个圆环（76），角钢（16）的一端与弯折腰带连接杆（12）连接，弯折腰带连接杆（12）的另一端安装有两个第四轴承（11），两个第四轴承（11）卡装在两个圆环（76）内，角钢（16）的另一端安装有腰部外侧连接杆（17），连接套（18-1）通过卡接在连接套（18-1）上的第三弹性卡圈（78）固套在腰部外侧连接杆（17）上，所述调整连接板（8）的板面上加工有向其长度方向延伸的长孔（8-2），腰部后侧连接板（7）的两个横臂分别通过设置在长孔（8-2）内的第一螺栓（8-1）与调整连接板（8）连接。

5.根据权利要求4所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述背部支架（3）为二台阶式背部支架，一阶的下表面固装在腰部后侧转动板（5）的上表面上，一阶的上表面上安装有电源模块（1），二阶的上表面上安装有上位机（2）。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述髋关节储能机构还包括橡胶柱（23），所述连接座（22）为三角形连接座，所述连接套（18-1）的下表面加工有竖直设置的两个支耳（18-4），连接座（22）的一个尖端置于两个支耳（18-4）内并顶靠在连接套（18-1）的下表面，连接座（22）与两个支耳（18-4）通过销钉（18-3）固接，连接座（22）的一个尖端和两个支耳（18-4）设置有同轴的通孔（22-1），通孔（22-1）内插装有橡胶柱（23）。

7.根据权利要求6所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述大腿驱动系统（C）还包括第一弹性卡圈（33），大腿连接杆（34）的上部的杆壁上沿其轴向开有第一裂缝（34-1），大腿连接杆（34）通过卡接在大腿连接杆（34）的上部的第一弹性卡圈（33）固套在大腿过渡连接杆（21）的下部。

8.根据权利要求7所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述小腿穿戴系统（D）还包括第二弹性卡圈（52），小腿过渡连接杆（51）的下部的杆壁上沿其轴向开有第二裂缝（51-1），小腿过渡连接杆（51）通过卡接在小腿过渡连接杆（51）的下部的第二弹性卡圈（52）固套在小腿连接杆（62）的上部。

9.根据权利要求1、2、3、5、7或8所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述大腿驱动系统（C）还包括支撑板（46）、支撑罩（48）和螺母（49），膝关节轴（43）的一端通过第一轴承（39）支撑在膝关节齿轮箱体（38）上，膝关节轴（43）的另一端通过第二轴承（45）支撑在与膝关节齿轮箱体（38）连接的支撑板（46）上，角度传感器（47）和支撑罩（48）设置在端盖（50）与支撑板（46）之间，所述支撑罩（48）为圆筒形支撑罩，支撑罩（48）为一端开口而另一端封闭的支撑罩，支撑罩（48）的另一端的中部加工有轴孔（48-1），支撑罩（48）设置在第一凹槽（43-1）内且与关节轴（43）可拆卸连接，角度传感器（47）的输出轴穿出支撑罩（48）的轴孔（48-1）伸入端盖（50）的中部，且角度传感器（47）通过螺母（49）与支撑罩（48）固接，端盖（50）与支撑板（46）固接。

10.根据权利要求9所述的一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：所述小腿穿戴系统（D）还包括踝关节后侧转动轴（65）、踝关节后侧转动轴套（66）和踝关节端盖（67），所述小腿后侧连接杆（64）为空心连接杆，小腿后侧连接杆（64）套装在踝关节后侧转动轴（65）上，踝关节端盖（67）安装在U形连接板（68）的中部，踝关节后侧转动轴（65）通过踝关节后侧转动轴套（66）与踝关节端盖（67）连接；弧形板（63）的两端分别加工有水平设置的长条孔（63-1），小腿连接杆（62）的下部与竖直设置的弧形板（63）的一端通过设置在长条孔（63-1）内的第二螺栓（75）连接，弧形板（63）的另一端与竖直设置的小腿后侧连接杆（64）的上部通过设置在长条孔（63-1）内的第二螺栓（75）连接。