CN103610568A - 一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，它涉及一种外骨骼机器人，以解决现有的外骨骼式机器人存在运动空间耦合度低，穿戴舒适性差，可靠性、适应性差以及电机需求功率较大的问题，它包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统和脚部穿戴系统；腰部后侧连接板与负载安装板转动连接；带有编码器的第一电机和第一减速器均安装在髋关节支板上，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，髋关节连接板能在竖直平面内转动；大腿伸缩板与髋关节连接板可拆卸连接，主驱动机构的输出端与小腿连接板连接；弹性板的下表面与脚部橡胶鞋底的上表面粘接。本发明用于助力行走。

Description

一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人，具体涉及一种用于助力行走的拟人化的下肢外骨骼机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

目前，外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如助老助残，医疗康复，工业生产，地震救援，单兵作战等领域。一般的助力外骨骼具有以下特点：可以检测人体的运动意图；和人体类似的关节自由度和关节转动空间；具有必要的关节主动驱动以辅助出力；自带控制系统和能源系统；具有一定的安全防护机制。

助力外骨骼按照动力传递的目的，可分为两种情况:外骨骼带动人体运动，和人体带动外骨骼运动。其主要区别体现在“人-机”连接信息交互装置的设计和系统控制策略的制定上。

对于助老助残或医疗康复领域，外骨骼的目的是辅助人体自身肌肉的运动，以达到帮助老人抬腿，或帮助病人做肌肉功能恢复训练等目的。需要外骨骼设定好各关节的运动规划，或检测人体的肌电信号、肢体运动方向等判断人体的运动意图，带动穿戴者运动，此时人体和外骨骼之间需要动力的传递，因此“人-机”之间是紧密的固连关系；

对于工业生产，地震救援或单兵作战等应用领域，面对的是正常的健康工人或消防战士，外骨骼的目的不是辅助人体自身肌肉的运动，而是增强放大人体的出力效果，此时，人机连接机制的设计中，“人-机”之间需要传递的不是动力，而仅仅是检测到的人体运动信息。此时，“人-机”之间的捆绑连接是一种弹性连接，传递的是微小的交互力信息。

在关节的自由度设计方面，人体下肢中的髋关节，踝关节可近似看做球关节，具有3个自由度；膝关节是近似绕一点转动，可以近似为销关节，具有1个自由度；脚掌在蹬地的时候，脚掌前段具有一定的弯曲，也应视为1个自由度；人体的腰部，在行走的过程中，可以左右侧向弯曲，向前弯腰，或上体转动，因此，腰部也可以视为具有3个自由度。因此，针对下肢助力外骨骼机器人，若完全按照人体的运动特点来进行仿生学设计，共需19个自由度，对于结构设计，驱动设计较为复杂，信息监测系统及控制系统也较为困难。因此，必须要简化处理，设计的自由度可分为主动驱动自由度，被动自由度，辅助自由度。以往的相关发明专利中，大多数是对髋关节，膝关节，踝关节进行高副低代式的设计简化，对腰部的自由度考虑的较少，对人体关节运动副自由度的近似及高副低代造成的运动偏差也没有进行设计上的考虑。一般的下肢助力机器人，都是重点考虑人体的主要处理环节，只在髋关节的伸展/弯曲、膝关节的伸展/弯曲、踝关节的伸展/弯曲3个自由度上施加驱动。常用的驱动方式有电机驱动，液压驱动，人工肌肉气动驱动等方式。

经文献检索，专利号为201110292009.0的中国发明专利提出一种外骨骼式下肢康复机器人，不包括上体背部设计，以及“人-机”连接捆绑装置，脚部连接捆绑装置等部件，采用盘式电机加谐波减速器驱动，由于盘式电机受功率和安装体积限制，很难超出100W，达到较大的出力效果；同时自由度设计较为简化，难以达到行走过程中的舒适度要求；申请号为201210319331.2的中国发明专利申请提出了一种外骨骼穿戴式仿生搬运机器人，用来辅助工人搬运大重量物体，下肢采用液压驱动，上肢采用电机驱动，该发明专利是一种对人体运动自由度和运动空间的功能性仿生设计，在结构的细节性设计，安全性设计，“人-机”连接捆绑设计，腰部的辅助自由度设计、脚踝自由度实现方式设计等方面没有进行全面的描述；申请号为201310034245.1的中国发明专利申请提出了一种穿戴式外骨骼助行机器人，对髋关节和膝关节采用直线式串联弹性器驱动，但自由度设置非常简化，后腰部没有相应的辅助自由度设计，脚踝关节由球副简化为一个旋转副，对于外展/内收运动构成限制，同时，没有设计大腿、小腿、腰部等的伸缩调整机构，不具有针对不同身高体重的穿戴者的适应能力。

发明内容

本发明是为解决现有的外骨骼式机器人存在运动空间耦合度低，穿戴舒适性差，可靠性、适应性差以及电机需求功率较大的问题，进而提供一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统和脚部穿戴系统；

上体后背部包括布背带、橡胶后背板、连接板、负载安装板、腰部后侧连接板、转动限位板、腰部后侧转动轴、罩壳、第一倾角传感器、两个腿连接转动板和两个弹性部件；负载安装板水平设置，罩壳盖合在负载安装板上，腰部后侧连接板、转动限位板、腰部后侧转动轴、两个腿部连接转动板和两个弹性部件位于罩壳内，橡胶后背板倾斜设置，橡胶后背板安装在负载安装板上，连接板插装在负载安装板上，腰部后侧连接板与负载安装板转动连接，腰部后侧连接板和腰部转动限位板连接为一体，腰部后侧转动轴竖直设置，两个腿连接转动板对接后分别与腰部后侧转动轴转动连接，腰部后侧转动轴的上端与腰部后侧连接板固定连接，负载安装板与腰部后侧连接板之间并列设置有两个弹性部件，两个弹性部件均与负载安装板与腰部后侧连接板连接，腰部转动限位板能限制腰部后侧连接板上连接的两个腿连接转动板的转向，布背带的上部与橡胶后背板连接，布背带的下部两侧分别与连接板的两端连接，第一倾角传感器安装在橡胶后背板上；

每个所述髋部驱动系统包括外壳、弯折腰带、髋关节连接板、髋关节支板、带有编码器的第一电机、第一减速器和伸缩机构，外壳将带有编码器的第一电机和第一减速器包覆，带有编码器的第一电机和第一减速器均安装在髋关节支板上，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髋关节连接板转动连接，髋关节连接板能在竖直平面内转动，髋关节连接板上设置有能限制髋关节连接板转动角度的呈水平布置的第一限位面和呈倾斜布置的第二限位面，所述弯折腰带的弯折角度为90度，弯折腰带的其中一端插装在髋关节支板上，弯折腰带能水平往复移动，弯折腰带的另一端安装有伸缩机构，伸缩机构与相应的腿连接转动板连接；

每个所述膝部驱动系统包括大腿伸缩板、大腿连接板、小腿连接板和主驱动机构，大腿伸缩板与髋关节连接板可拆卸连接，大腿伸缩板插装在大腿连接板上，且大腿伸缩板能上下移动，主驱动机构与大腿连接板连接，主驱动机构的输出端与小腿连接板连接，主驱动机构能带动小腿连接板在竖直平面内转动，且小腿连接板能上下移动；

每个所述脚部穿戴系统包括U形连接板、脚部捆绑布带、脚部支撑架、弹性板、脚部橡胶鞋底和三个第一薄膜压力传感器，所述脚部支撑架包括底板和与底板一体制成的两个立式支耳，两个立式支耳竖直设置在底板的两侧边上，U形连接板的中部与小腿连接板的下端转动连接，U形连接板的两端分别与两个立式支耳转动连接，脚部捆绑布带捆绑在两个立式支耳的外侧面上，底板的另一端的下表面与弹性板的一端的上表面固接，弹性板的下表面与脚部橡胶鞋底的上表面粘接，底板的上表面上安装有三个第一薄膜压力传感器。

本发明的有益效果是：

一、本发明基于人机工程学和人体行走特征的分析，进行了高度拟人化设计，在功能上实现辅助人体行走，蹲下站起，上下台阶，爬坡等动作，在自由度设计方面，设计了分布合理的主动自由度，被动自由度，和必要的辅助运动自由度，各自由度的运动范围进行了合理的限制和分配，实现机械限位的安全性要求；人体后背部、髋部驱动系统、膝部驱动系统和脚部穿戴系统的设计，弯折腰带、大腿伸缩板、小腿连接板的伸缩移动性能方便准确的调整伸缩长度，提高了运动空间耦合度；脚部穿戴系统设计为弹性板加橡胶鞋底的形式，脚部与人体脚面贴合处设计有薄膜压力传感器，从而判断脚处于摆动阶段还是支撑阶段，辅助做出准确的判断，提供更好的助力效果；髋关节采用高副低代方式，设计了外展/内收、伸展/弯曲、旋内/旋外3个自由度；膝关节设计了伸展/弯曲1个自由度，踝关节设计了外展/内收、伸展/弯曲2个自由度；脚部在脚底板的设计上，采用了刚性连接与柔性连接相结合的方式，刚性连接脚部支撑架、缓冲减震弹性板用于把重力传到地面，同时具有一定的缓冲储能作用，柔性连接的脚部橡胶鞋底用于适应脚掌前端在脚尖点地动作时的弯曲，起到1个自由度的作用；腰部后侧设计了转动的两个腿连接转动板，相当于为每条腿的髋关节增加了1个辅助的旋内/旋外自由度，从而弥补了髋关节设计中高副低代造成的运动空间限制和运动偏差；同时，转动轴为上体后背模块提供了一个上体左右转动的自由度；上体后背模块设计了1个左右两侧弯曲的自由度，以适应人体上身左右侧的弯曲，利于保持行走过程中的平衡；在拟人化和舒适度的设计中，首先考虑上体的连接方式，背包带与后背弹性橡胶板和腰带连接板缝合链接。在对不同身高体型的穿戴者的适应性上，在信息检测方面，上体后背部安装第一倾角传感器，用来检测人体上身的倾斜角度，行走速度及加速度。

二、外骨骼上体后背部与人体背部曲线具有较高的拟合性，保证了与人体后背部贴合后的受力均匀。腰部后侧设计了腰部后侧转动轴，配合两个腿连接转动板，相当于为每条腿的髋关节增加了一个辅助的旋内/旋外自由度，从而弥补了髋关节设计中高副低代造成的运动空间限制和运动偏差；同时，腰部后侧转动轴为上体后背模块提供了一个上体左右转动的自由度，更加符合人体自然行走过程中骨盆的左右旋转，使穿戴外骨骼后行走步态更加自然。

三、小腿连接板设计为环绕小腿的包围型结构，将动力从小腿外侧传到小腿后侧，消除了人体髋关节和踝关节外展/内收自由度造成的“人-机”之间的位置偏差影响，提高了穿戴的舒适度，及传感检测系统的检测精度。

四、髋部关节和膝部关节采用电机驱动，比传统的电机加齿轮减速或谐波减速具有更大的峰值功率，有利于降低本发明中助力外骨骼的能耗同时，提高助力外骨骼的负重能力。

五、针对不同的应用场景，选择不同的大小腿捆绑方式，第一捆绑装置和第三捆绑装置适用于正常人的穿戴；第二捆绑装置是一种没有弹性的刚性连接方式，若外骨骼的滞后性较大，第二捆绑装置对于正常的穿戴者将会舒适度较差，因此更适用于具有运动障碍者穿戴。

六、脚部穿戴系统中，在脚底板的设计上，采用了刚性连接与柔性连接相结合的方式，刚性连接中脚部支撑架、弹性板用于把重力传到地面，同时具有一定的缓冲储能作用，柔性连接的脚部橡胶鞋底用于适应脚掌前端在脚尖点地动作时的弯曲。

七、本发明应用于下肢助力外骨骼，可以在助老助残，医疗康复，工业生产，单兵作战等场合得到广泛的应用，帮助运动障碍者行走或医疗恢复，或使人工穿戴提高工作效率，工作效率提高了40%以上，提高士兵远途行军的负重能力等。

八、膝关节连接板上设置的限位块和髋关节连接板上设置有限位面便于人站立和蹲下时起到安全限位的作用，人行走时安全可靠性好。

附图说明

图1为本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为上体后背部整体结构立体图，图4为上体后背部中布背带、橡胶后背板和控制模块的分解示意图，图5为上体后背部中罩壳和橡胶后背部的分解示意图，图6为上体后背部中橡胶后背板、负载安装板和两个腿连接转动板的分解示意图，图7为左腿和右腿分别与腿连接转动板连接的结构示意图，图8为左腿的拆分结构以及与第一捆绑装置连接结构示意图，图9为髋部驱动系统的分解示意图，图10为髋部驱动系统中伸缩机构的分解示意图，图11为膝部驱动系统的分解示意图，图12为膝部驱动系统中主驱动机构的分解示意图，图13为主驱动机构中的串联弹性体的立体结构示意图，图14为主驱动机构中的限位结构示意图，图15为第一捆绑装置的结构示意图，图16为第三捆绑装置安装于人体下肢的使用状态示意图，图17为第二捆绑装置的结构示意图，图18脚部穿戴系统整体结构示意图，图19为脚部穿戴系统的分解示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图19说明，本实施方式的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人包括上体后背部A、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统B、膝部驱动系统C和脚部穿戴系统D；

上体后背部A包括布背带1、橡胶后背板2、连接板5、负载安装板7、腰部后侧连接板9、转动限位板10、腰部后侧转动轴12、罩壳17、第一倾角传感器4、两个腿连接转动板14和两个弹性部件11；负载安装板7水平设置，罩壳17盖合在负载安装板7上，腰部后侧连接板9、转动限位板10、腰部后侧转动轴12、两个腿部连接转动板14和两个弹性部件11位于罩壳17内，橡胶后背板2倾斜设置，橡胶后背板2安装在负载安装板7上，连接板5插装在负载安装板7上，腰部后侧连接板9与负载安装板7转动连接，腰部后侧连接板9和腰部转动限位板10连接为一体，腰部后侧转动轴12竖直设置，两个腿连接转动板14对接后分别与腰部后侧转动轴12转动连接，腰部后侧转动轴12的上端与腰部后侧连接板9固定连接，负载安装板7与腰部后侧连接板9之间并列设置有两个弹性部件11，两个弹性部件11均与负载安装板7与腰部后侧连接板9连接，腰部转动限位板10能限制腰部后侧连接板9上连接的两个腿连接转动板14的转向，布背带1的上部1-1与橡胶后背板2连接，布背带1的下部两侧1-4分别与连接板5的两端连接，第一倾角传感器4安装在橡胶后背板2上；

每个所述髋部驱动系统B包括外壳22、弯折腰带20、髋关节连接板24、髋关节支板23、带有编码器的第一电机21、第一减速器26和伸缩机构63，外壳22将带有编码器的第一电机21和第一减速器26包覆，带有编码器的第一电机21和第一减速器26均安装在髋关节支板23上，带有编码器的第一电机21的输出端与第一减速器26的输入端连接，第一减速器26的输出端与髋关节连接板24转动连接，髋关节连接板24能在竖直平面内转动，髋关节连接板24上设置有能限制髋关节连接板24转动角度的呈水平布置的第一限位面24-1和呈倾斜布置的第二限位面24-2，所述弯折腰带20的弯折角度为90度，弯折腰带20的其中一端插装在髋关节支板23上，弯折腰带20能水平往复移动，弯折腰带20的另一端安装有伸缩机构63，伸缩机构63与相应的腿连接转动板14连接；

每个所述膝部驱动系统C包括大腿伸缩板36、大腿连接板37、小腿连接板44和主驱动机构，大腿伸缩板36与髋关节连接板24可拆卸连接，大腿伸缩板36插装在大腿连接板37上，且大腿伸缩板36能上下移动，主驱动机构与大腿连接板37连接，主驱动机构的输出端与小腿连接板44连接，主驱动机构能带动小腿连接板44在竖直平面内转动，且小腿连接板44能上下移动；

每个所述脚部穿戴系统D包括U形连接板51、脚部捆绑布带54、脚部支撑架55、弹性板57、脚部橡胶鞋底58和三个第一薄膜压力传感器59，所述脚部支撑架55包括底板55-1和与底板55-1一体制成的两个立式支耳55-2，两个立式支耳55-2竖直设置在底板55-1的两侧边上，U形连接板51的中部与小腿连接板44的下端转动连接，U形连接板51的两端分别与两个立式支耳55-2转动连接，脚部捆绑布带54捆绑在两个立式支耳55-2的外侧面上，底板55-1的另一端的下表面与弹性板57的一端57-1的上表面固接，弹性板57的下表面与脚部橡胶鞋底58的上表面粘接，底板55-1的上表面上安装有三个第一薄膜压力传感器59。

本实施方式布背带在人体穿上后可通过上粘扣1-2和下粘扣1-3扣紧，通过布背带两侧的连接端1-4与连接板5缝合连接。

本实施方式的髋关节连接板24上设置有能限制髋关节连接板24转动角度的呈水平布置的第一限位面24-1和呈倾斜布置的第二限位面24-2，第一限位面24-1旋转到与髋关节支板23顶靠后，限制髋关节连接板24旋转120°，第二限位面24-2旋转到与髋关节支板23顶靠后，限制髋关节连接板24旋转30°。

本实施方式两个腿连接转动板14分别安装于腰部后侧转动轴12上，并通过腰部后侧连接板9上的第一限位挡块9-1和腰部转动限位板10上的第二限位挡块10-1限制两个腿连接转动板14的转动范围，起到安全限位的作用。

本实施方式转动轴端盖13通过第二螺钉固定于腰部后侧转动轴12上，防止两个腿连接转动板14脱落。

本实施方式罩壳17和负载安装板7在连接端17-1通过第三螺钉连接，同时和臀部挡板16在17-2连接端固定连接，增强支撑的强度。

本实施方式髋关节支架23和弯折腰带20连接，髋关节支架23伸缩调整后通过四个第一螺钉20-1固定紧。脚部支撑架55和U形连接板51通过一对销轴52转动连接，用弹簧卡圈53卡紧。

脚部捆绑布带54和脚部支撑架55通过多个第一缝合连接处54-1、多个第二缝合连接处54-2和多个第三缝合连接处54-3缝合连接；脚部捆绑带54在穿戴上后，通过第一粘接扣54-4和第二粘接扣54-5扣紧。

髋关节连接板24能在竖直平面内转动，可通过第一减速器26与换向机构（如齿轮箱或锥齿轮组）的连接及换向机构与髋关节连接板的连接来实现。

具体实施方式二：结合图5和图6说明，本实施方式所述两个弹性部件11均为螺旋弹簧。如此设置，可以保持上体后背部的平衡，利于保持行走过程中的平衡。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5和图6说明，本实施方式所述上体后背部A还包括两条后背加强筋3，两条后背加强筋3为弧形后背加强筋，两条后背加强筋3安装在后背橡胶板2的背面上，两条后背加强筋3的内弧面与后背橡胶板2相邻设置，两条后背加强筋3的下端分别与负载安装板7连接；所述上体腰背部A还包括负载过渡板8和过渡转动轴8-1，负载过渡板8的上端与负载安装板7连接，负载过渡板8的下端通过过渡转动轴8-1与腰部后侧连接板9转动连接。如此设置，后背加强筋3具有一定的弯曲度，参考人体的后背曲线设计，保证了后背弹性橡胶板2与人体后背的良好贴合的同时，还具有一定的弹性变形能力，在背负重物时，起到一定的缓冲减震效果，提高了行走过程中保持平衡的能力。转动轴为上体后背模块提供了一个上体左右转动的自由度；上体后背部设计了1个左右两侧弯曲的自由度，以适应人体上身左右侧的弯曲，更加有利于保持行走过程中的平衡，该自由度通过背部负载过渡板、腰部后侧连接板以及转动轴实现。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图10说明，本实施方式的每个所述伸缩机构63包括第一伸缩板31、第二伸缩板33、第一扭簧32、转动轴30和两个轴承29，折弯腰带20的另一端的上部和下部分别设置有挡块20-2，折弯腰带20的另一端的板面上安装有水平设置的转动轴30，转动轴30上套设有贴靠连接的第一伸缩板31和第二伸缩板33，第一伸缩板31的板面的上端和下端分别设置有长条孔31-1，长条孔31-1的长度方向与转动轴20的轴向垂直，第二伸缩板33的上端和下端分别设置有长条凹槽33-1，长条孔31-1和长条凹槽33-1正对设置，第一伸缩板31和第二伸缩板33之间的转动轴30上套设有第一扭簧32，转动轴30的两端通过两个轴承29支撑，第一扭簧32的两个弹性臂分别卡在两个挡块20-2上，贴靠连接的第一伸缩板31和第二伸缩板33与相应的腿连接转动板14通过设置在长条孔31-1和长条凹槽33-1内的螺栓活动连接，贴靠连接的第一伸缩板31和第二伸缩板33能在折弯腰带20内伸缩移动。如此设置，能适应不同人群的臀部宽度，以实现高度拟人化设计，使用时，髋关节支架23和弯折腰带20连接，髋关节支架23伸缩调整后通过四个第一螺钉20-1固定紧；端盖34安装于弯折腰带20上，起到支撑转动轴30的作用，第一伸缩板31和第二伸缩板33在腿连接转动板14的拉伸和缩短是通过长条孔内的螺栓的连接实现的。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图11-图13说明，本实施方式所述主驱动机构包括护壳40、关节齿轮箱301、膝关节连接板42、下肢支架501、第二减速器39、旋转变压器130、带有编码器的第二电机38、串联弹性体160和第二扭簧240；所述齿轮箱300包括壳体41、第三锥齿轮90、第四锥齿轮230、第一锥齿轮250、第二锥齿轮170和关节轴140；壳体41与大腿连接板37连接，护壳40安装在大腿连接板37上，大腿连接板37和护壳40将带有编码器的第二电机38和第二减速器39包覆，带有编码器的第二电机38与第二减速器39连接，第二减速器39的输出端安装有第三锥齿轮90；关节轴140通过轴承水平安装在壳体41上，第一锥齿轮250与第二锥齿轮170分别安装在关节轴140的两端，第二扭簧240位于第一锥齿轮250与第二锥齿轮170之间，第三锥齿轮90分别与第一锥齿轮250和第二锥齿轮170啮合，第一锥齿轮250与第四锥齿轮230啮合，第四锥齿轮230与第二锥齿轮170啮合；所述串联弹性体160包括同心的内外双环本体160-1和至少四组波浪形弹片160-2，同心的内外双环本体160-1的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片160-2；串联弹性体160穿设在关节轴140上，第二锥齿轮170安装在同心的内外双环本体160-1的内环上，膝关节连接板42盖合在壳体41的侧面上，膝关节连接板42与内外双环本体160-1的外环活动连接，关节轴140与膝关节连接板42相邻的一端内安装有旋转变压器130，下肢支架501盖合在壳体41的与膝关节连接板42相对侧面上，下肢支架501分别与关节轴140和膝关节连接板42活动连接，小腿连接板44与膝关节连接板42活动连接，且小腿连接板44能上下移动，膝关节连接板42上设置有能限制膝关节连接板42转动角度的第一限位块42-1和第二限位块42-2，壳体41上设置有与第一限位块42-1和第二限位块42-2相对应的限位面。如此设置，相比传统的电机加齿轮减速或谐波减速具有更大的峰值功率，有利于降低本发明中助力外骨骼的能耗同时，提高助力外骨骼的负重能力，降低了电机所需功率，提高了关节系统的响应速度，控制精度以及系统的稳定性；在小腿连接板上设计有第一限位块和第二限位块，可以和壳体的对应接触面接触，起到安全保护作用，人站立时，第一限位块限制小腿连接板旋转120度，人体蹲下时，第二限位块限制小腿连接板旋转30度。髋关节连接板24上的端盖27，和大腿伸缩杆36上的端盖35起到轴向定位的作用，防止大腿伸缩杆36脱落。基于生物肌肉宏观力学特性研究的仿生学设计，以及关节转动中重力势能的变化，加入扭簧和串联弹性体，模拟肌肉的并联弹性元和串联弹性元，从而实现关节转动时，机器人重力势能的存储和大扭矩的释放以及关节的柔性驱动。本实施方式利用扭簧和串联弹性体实现了一种可以弹性储能以及释放大扭矩的柔性关节，具有较高的结构紧凑性和峰值功率。在传统的串联弹性驱动器（SEA)基础上，通过改进串联弹性单元的设计，同时引入并联弹性环节，从而设计出一种可以减小能耗的，具有较高功率密度的大出力柔性关节；本发明的一种用于行走机器人的柔性储能关节，关节内部设计安装有旋转变压器，配合电机自带的编码器，可以准确的检测柔性部件串联弹性体的变形量、电机的输出位置以及关节角度位移，从而计算出关节输出扭矩和扭簧(相当于并联弹簧)提供的扭矩，为关节转动提供准确的力控制和位置控制。扭簧施加在第一锥齿轮和第二锥齿轮之间，第一锥齿轮和第二锥齿轮的相对转动角度与关节的转角成正比关系，比例为2倍。当机器人肢体落地时，关节受重力影响转动弯曲，此时扭簧压缩储能，当肢体抬腿离地时，扭簧可以释能，辅助抬腿蹬地等动作。另外，关节弯曲的角度越大，扭簧扭转储能越大，例如本发明应用在类人机器人的蹲下站起动作时，髋关节及膝关节蹲下过程中，重力势能自动压缩扭簧，而站起过程中，即释能辅助站起，其中站起时关节需要的扭矩，扭簧提供不足部分由电机共同提供，从而使关节输出的峰值扭矩远大于电机的最大输出扭矩，实现了关节的大出力效果。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图15说明，本实施方式所述外骨骼机器人还包括四个第一捆绑装置E，两个膝关节连接板42和两个大腿连接板37上分别连接有一个第一捆绑装置E，每个所述捆绑装置E包括捆绑机构、位置偏差检测机构和滑动机构；所述捆绑机构包括捆绑带2-1、固定环1-5和两个捆绑板11-1；所述位置偏差检测机构包括滑动板3-1、第二薄膜压力传感器5-1、两个橡胶柱6-1和两个第一支撑轴4-1；所述滑动机构包括捆绑基座、固定座10-1、两个第二支撑轴9-1和四个螺旋弹簧8-10；捆绑基座上设置有基板7-2，捆绑基座的两端设置有连接板7-3，两个连接板7-3竖直并列设置，且两个连接板7-3的板面与基板7-2垂直，两个第二支撑轴9-1竖直并列设置在固定座10-1的两端，两个第二支撑轴9-1分别设在相应的连接板7-3上，每个连接板7-3通过设置在第二支撑轴9-1上的两个螺旋弹簧8-10支撑在固定座10-1上，滑动板3-1的两端分别连接有一个捆绑板11-1，其中一个捆绑板11-1上设置有固定环1-5，捆绑带2-1的一端与另一个捆绑板11-1连接，捆绑带2-1的另一端穿过固定环1-5，滑动板3-1的上端和下端分别穿设有水平设置的第一支撑轴4-1，滑动板3-1能在第一支撑轴4-1上滑动，滑动板3-1的两端分别设置有挡板3-10，两个挡板3-10的板面正对设置；每个第一支撑轴4-1的两端分别连接在两个连接板7-3上，基板7-2的板面与滑动板3-1的远离肢体的板面相贴靠设置，两个挡板3-10与连接板7-3贴靠设置，两个连接板7-3的板面上分别穿设有一个橡胶柱6-1，橡胶柱6-1顶靠在挡板3-10上，其中一个连接板7-3的与挡板3-10相贴靠的板面上安装有第二薄膜压力传感器5-1，固定座10-1固定在两个膝关节连接板42和两个大腿连接板37上。如此设置，适用于正常人穿戴，“人-机”之间是一种弹性连接，允许一定的偏差范围，从而使外骨骼运动滞后时人体有较好的舒适度，驱动电机的运动方向为使偏差减小的方向。捆绑带与滑动板、捆绑板形成捆绑环，将捆绑带套设在人的肢体上，通过拉动穿过固定环的捆绑带使本发明的装置固定在人的肢体上，位置偏差检测机构和滑动机构形成一个运动平面，人的肢体可在此平面运动。当肢体与本发明装置的捆绑基座发生相对运动时，通过读出接触力检测方向的压力变化可以读出肢体与捆绑基座的位置偏差，通过在垂直于检测方向引入滑动机构，可以消除肢体与基座在该方向的运动偏差对检测结果的影响，提高检测精度，也实现了检测人体运动意图的目的，辅助或增大肢体运动效果，具有较高的“人-机”耦合度，穿戴舒适度，可靠性及安全性，保证了穿戴装置具有较好的舒适性与方便性。本实施方式可以作为检测人体运动意图的“人-机”连接检测装置用。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图17说明，本实施方式所述外骨骼机器人还包括四个第二捆绑装置F，两个膝关节连接板42和两个大腿连接板37上分别连接有一个第二捆绑装置F，每个第二捆绑装置F包括连接基座48、二维力传感器49和硬质捆绑带50，连接基座48与腿部捆绑带50之间连接有与二者连接的二维力传感器49，连接基座48固定在两个膝关节连接板42和两个大腿连接板37上。如此设置，捆扎带与人体大腿、小腿的固连，适用于外骨骼带动运动障碍者（如助老助残或医疗康复者）进行运动，当应用于正常人的穿戴时，必须保证外骨骼对人体的跟随性能良好，滞后性较小，才会有较好的穿戴舒适度，使用时，二维力传感器用于检测“人-机”之间传递的动力，硬质捆绑带用于人体大腿、小腿的固连。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图16说明，本实施方式所述外骨骼机器人还包括四个第三捆绑装置G，每个捆绑装置G包括捆扎带44和连接在捆扎带44上的第二倾角传感器45。如此设置，适用于正常人穿戴，用于检测人体大腿和小腿的倾斜角度，角速度，角加速度，从而使外骨骼进行跟随运动，辅助或增大肢体运动效果，具有较高的“人-机”耦合度，穿戴舒适度，可靠性及安全性，使用时，将带有倾角传感器的捆扎带捆绑于大腿和小腿上。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：结合图16说明，本实施方式的弯折腰带20与髋关节支板23相连接的表面上布置有相互咬合的多对第一牙纹23-1；大腿伸缩板36与大腿连接板37相连接的表面上布置有相互咬合的多对第二牙纹37-1；小腿连接板44与膝关节连接板42相连接的表面上布置有相互咬合的多对第三牙纹44-1。

如此设置，弯折腰带20通过咬合的第一牙纹23-1能水平伸缩；大腿伸缩板36通过多对咬合的第二牙纹37-1能上下伸缩；小腿连接板44通过咬合的多对第三牙纹44-1能上下伸缩，牙纹采用防滑牙纹连接，每个牙纹宽度均为2mm，便于准确的调整伸缩长度。其它与具体实施方式一、二、四、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图2和图10说明，本实施方式所述外骨骼机器人还包括控制模块，所述控制模块包括上位机模块18、电源模块19和髋关节驱动器28，上位机模块18和电源模块19安装在罩壳17的外壁上，髋关节驱动器28安装在弯折腰带20的另一端，上位机模块18用于控制髋关节驱动器28、带有编码器的第二电机21、第一倾角传感器4、第二倾角传感器45、旋转变压器130、第一薄膜压力传感器59、第二薄膜压力传感器5-1和二维力传感器49，髋关节驱动器28对带有编码器的第一电机38进行控制，电源模块19给上位机模块18、髋关节驱动器28、带有编码器的第二电机21、带有编码器的第一电机38、第一倾角传感器4、第二倾角传感器45、旋转变压器130、第二薄膜压力传感器5-1、第一薄膜压力传感器59和二维力传感器49供电。本实施方式的上位机模块由上位机及其扩展电路，散热结构，电压转换模块等组成；电源模块优选用锂离子电池单元组成的48V蓄电池组，电池容量为20Ah，为下肢助力外骨骼系统提供足够的动力。

工作过程

结合图1-图19说明，人体后背部中的布背带在人体穿上后可通过上粘扣1-2和下粘扣1-3扣紧，通过布背带两侧的连接端1-4与连接板5缝合连接，橡胶后背板2贴合人体后背，穿戴者的脚置入U形连接板51、脚部捆绑布带54和脚部支撑架55形成鞋体内，髋部驱动系统的伸缩机构带动两个腿连接转动板辅助人的上臂扩展和收缩运动；带有编码器的第一电机21的转动带动第一减速器26转动，第一减速器26带动髋关节连接板24能在竖直平面内转动，进而带动大腿伸缩板36的转动，进而带动小腿连接板44、主驱动机构和脚部穿戴系统的整体转动，髋部驱动系统实现膝部驱动系统辅助人抬腿、站立、摇摆和攀爬的行走运动，主驱动机构带动小腿辅助人站立、蹲下、抬腿、上下台阶和攀爬运动，在髋关节和膝关节设置电机驱动，主驱动机构的带有编码器的第二电机38的的转动，带动第二减速器39的转动，第二减速器39的转动带动第三锥齿轮90的转动，通过齿轮箱300内的四个锥齿轮的啮合运动，进而带动膝关节连接板42的转动，最后带动与膝关节连接板42连接的脚部穿戴系统的运动。采用不同的“人-机”捆绑检测方案，一种带有倾角传感器的带子捆绑于人体大腿和小腿上，检测人体大腿和小腿的倾斜角度，角速度，角加速度，从而使下肢助力外骨骼进行跟随运动（如图16所示）；一种强制性的捆绑装置，连接基座固连于外骨骼的两个膝关节连接板和两个大腿连接板上，二维力传感器用于检测“人-机”之间传递的动力，捆扎带用于与人体大腿、小腿的固连（如图17所示）；一种柔性捆绑装置适用于外骨骼带动具有运动障碍的穿戴者（如助老助残或医疗康复者）进行运动，当应用于正常人的穿戴时，必须保证外骨骼对人体的跟随性能良好，滞后性较小，才会有较好的穿戴舒适度（如图15所示）。

Claims (10)

1.一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：它包括上体后背部（A）、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统（B）、膝部驱动系统（C）和脚部穿戴系统（D）；

上体后背部（A）包括布背带（1）、橡胶后背板（2）、连接板（5）、负载安装板（7）、腰部后侧连接板（9）、转动限位板（10）、腰部后侧转动轴（12）、罩壳（17）、第一倾角传感器（4）、两个腿连接转动板（14）和两个弹性部件（11）；负载安装板（7）水平设置，罩壳（17）盖合在负载安装板（7）上，腰部后侧连接板（9）、转动限位板（10）、腰部后侧转动轴（12）、两个腿部连接转动板（14）和两个弹性部件（11）位于罩壳（17）内，橡胶后背板（2）倾斜设置，橡胶后背板（2）安装在负载安装板（7）上，连接板（5）插装在负载安装板（7）上，腰部后侧连接板（9）与负载安装板（7）转动连接，腰部后侧连接板（9）和腰部转动限位板（10）连接为一体，腰部后侧转动轴（12）竖直设置，两个腿连接转动板（14）对接后分别与腰部后侧转动轴（12）转动连接，腰部后侧转动轴（12）的上端与腰部后侧连接板（9）固定连接，负载安装板（7）与腰部后侧连接板（9）之间并列设置有两个弹性部件（11），两个弹性部件（11）均与负载安装板（7）与腰部后侧连接板（9）连接，腰部转动限位板（10）能限制腰部后侧连接板（9）上连接的两个腿连接转动板（14）的转向，布背带（1）的上部（1-1）与橡胶后背板（2）连接，布背带（1）的下部两侧（1-4）分别与连接板（5）的两端连接，第一倾角传感器（4）安装在橡胶后背板（2）上；

每个所述髋部驱动系统（B）包括外壳（22）、弯折腰带（20）、髋关节连接板（24）、髋关节支板（23）、带有编码器的第一电机（21）、第一减速器（26）和伸缩机构（63），外壳（22）将带有编码器的第一电机（21）和第一减速器（26）包覆，带有编码器的第一电机（21）和第一减速器（26）均安装在髋关节支板（23）上，带有编码器的第一电机（21）的输出端与第一减速器（26）的输入端连接，第一减速器（26）的输出端与髋关节连接板（24）转动连接，髋关节连接板（24）能在竖直平面内转动，髋关节连接板（24）上设置有能限制髋关节连接板（24）转动角度的呈水平布置的第一限位面（24-1）和呈倾斜布置的第二限位面（24-2），所述弯折腰带（20）的弯折角度为90度，弯折腰带（20）的其中一端插装在髋关节支板（23）上，弯折腰带（20）能水平往复移动，弯折腰带（20）的另一端安装有伸缩机构（63），伸缩机构（63）与相应的腿连接转动板（14）连接；

每个所述膝部驱动系统（C）包括大腿伸缩板（36）、大腿连接板（37）、小腿连接板（44）和主驱动机构，大腿伸缩板（36）与髋关节连接板（24）可拆卸连接，大腿伸缩板（36）插装在大腿连接板（37）上，且大腿伸缩板（36）能上下移动，主驱动机构与大腿连接板（37）连接，主驱动机构的输出端与小腿连接板（44）连接，主驱动机构能带动小腿连接板（44）在竖直平面内转动，且小腿连接板（44）能上下移动；

每个所述脚部穿戴系统（D）包括U形连接板（51）、脚部捆绑布带（54）、脚部支撑架（55）、弹性板（57）、脚部橡胶鞋底（58）和三个第一薄膜压力传感器（59），所述脚部支撑架（55）包括底板（55-1）和与底板（55-1）一体制成的两个立式支耳（55-2），两个立式支耳（55-2）竖直设置在底板（55-1）的两侧边上，U形连接板（51）的中部与小腿连接板（44）的下端转动连接，U形连接板（51）的两端分别与两个立式支耳（55-2）转动连接，脚部捆绑布带（54）捆绑在两个立式支耳（55-2）的外侧面上，底板（55-1）的另一端的下表面与弹性板（57）的一端（57-1）的上表面固接，弹性板（57）的下表面与脚部橡胶鞋底（58）的上表面粘接，底板（55-1）的上表面上安装有三个第一薄膜压力传感器（59）。

2.根据权利要求1所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述两个弹性部件（11）均为螺旋弹簧。

3.根据权利要求1或2所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述上体后背部（A）还包括两条后背加强筋（3），两条后背加强筋（3）为弧形后背加强筋，两条后背加强筋（3）安装在后背橡胶板（2）的背面上，两条后背加强筋（3）的内弧面与后背橡胶板（2）相邻设置，两条后背加强筋（3）的下端分别与负载安装板（7）连接；所述上体腰背部（A）还包括负载过渡板（8）和过渡转动轴（8-1），负载过渡板（8）的上端与负载安装板（7）连接，负载过渡板（8）的下端通过过渡转动轴（8-1）与腰部后侧连接板（9）转动连接。

4.根据权利要求3所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：每个所述伸缩机构（63）包括第一伸缩板（31）、第二伸缩板（33）、第一扭簧（32）、转动轴（30）和两个轴承（29），折弯腰带（20）的另一端的上部和下部分别设置有挡块（20-2），折弯腰带（20）的另一端的板面上安装有水平设置的转动轴（30），转动轴（30）上套设有贴靠连接的第一伸缩板（31）和第二伸缩板（33），第一伸缩板（31）的板面的上端和下端分别设置有长条孔（31-1），长条孔（31-1）的长度方向与转动轴（20）的轴向垂直，第二伸缩板（33）的上端和下端分别设置有长条凹槽（33-1），长条孔（31-1）和长条凹槽（33-1）正对设置，第一伸缩板（31）和第二伸缩板（33）之间的转动轴（30）上套设有第一扭簧（32），转动轴（30）的两端通过两个轴承（29）支撑，第一扭簧（32）的两个弹性臂分别卡在两个挡块（20-2）上，贴靠连接的第一伸缩板（31）和第二伸缩板（33）与相应的腿连接转动板（14）通过设置在长条孔（31-1）和长条凹槽（33-1）内的螺栓活动连接，贴靠连接的第一伸缩板（31）和第二伸缩板（33）能在折弯腰带（20）内伸缩移动。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述主驱动机构包括护壳（40）、关节齿轮箱（301）、膝关节连接板（42）、下肢支架（501）、第二减速器（39）、旋转变压器（130）、带有编码器的第二电机（38）、串联弹性体（160）和第二扭簧（240）；所述齿轮箱（300）包括壳体（41）、第三锥齿轮（90）、第四锥齿轮（230）、第一锥齿轮（250）、第二锥齿轮（170）和关节轴（140）；壳体（41）与大腿连接板（37）连接，护壳（40）安装在大腿连接板（37）上，大腿连接板（37）和护壳（40）将带有编码器的第二电机（38）和第二减速器（39）包覆，带有编码器的第二电机（38）与第二减速器（39）连接，第二减速器（39）的输出端安装有第三锥齿轮（90）；关节轴（140）通过轴承水平安装在壳体（41）上，第一锥齿轮（250）与第二锥齿轮（170）分别安装在关节轴（140）的两端，第二扭簧（240）位于第一锥齿轮（250）与第二锥齿轮（170）之间，第三锥齿轮（90）分别与第一锥齿轮（250）和第二锥齿轮（170）啮合，第一锥齿轮（250）与第四锥齿轮（230）啮合，第四锥齿轮（230）与第二锥齿轮（170）啮合；所述串联弹性体（160）包括同心的内外双环本体（160-1）和至少四组波浪形弹片（160-2），同心的内外双环本体（160-1）的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片（160-2）；串联弹性体（160）穿设在关节轴（140）上，第二锥齿轮（170）安装在同心的内外双环本体（160-1）的内环上，膝关节连接板（42）盖合在壳体（41）的侧面上，膝关节连接板（42）与内外双环本体（160-1）的外环活动连接，关节轴（140）与膝关节连接板（42）相邻的一端内安装有旋转变压器（130），下肢支架（501）盖合在壳体（41）的与膝关节连接板（42）相对侧面上，下肢支架（501）分别与关节轴（140）和膝关节连接板（42）活动连接，小腿连接板（44）与膝关节连接板（42）活动连接，且小腿连接板（44）能上下移动，膝关节连接板（42）上设置有能限制膝关节连接板（42）转动角度的第一限位块（42-1）和第二限位块（42-2），壳体（41）上设置有与第一限位块（42-1）和第二限位块（42-2）相对应的限位面。

6.根据权利要求5所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼机器人还包括四个第一捆绑装置（E），两个膝关节连接板（42）和两个大腿连接板（37）上分别连接有一个第一捆绑装置（E），每个所述捆绑装置（E）包括捆绑机构、位置偏差检测机构和滑动机构；所述捆绑机构包括捆绑带（2-1）、固定环（1-5）和两个捆绑板（11-1）；所述位置偏差检测机构包括滑动板（3-1）、第二薄膜压力传感器（5-1）、两个橡胶柱（6-1）和两个第一支撑轴（4-1）；所述滑动机构包括捆绑基座、固定座（10-1）、两个第二支撑轴（9-1）和四个螺旋弹簧（8-10）；捆绑基座上设置有基板（7-2），捆绑基座的两端设置有连接板（7-3），两个连接板（7-3）竖直并列设置，且两个连接板（7-3）的板面与基板（7-2）垂直，两个第二支撑轴（9-1）竖直并列设置在固定座（10-1）的两端，两个第二支撑轴（9-1）分别设在相应的连接板（7-3）上，每个连接板（7-3）通过设置在第二支撑轴（9-1）上的两个螺旋弹簧（8-10）支撑在固定座（10-1）上，滑动板（3-1）的两端分别连接有一个捆绑板（11-1），其中一个捆绑板（11-1）上设置有固定环（1-5），捆绑带（2-1）的一端与另一个捆绑板（11-1）连接，捆绑带（2-1）的另一端穿过固定环（1-5），滑动板（3-1）的上端和下端分别穿设有水平设置的第一支撑轴（4-1），滑动板（3-1）能在第一支撑轴（4-1）上滑动，滑动板（3-1）的两端分别设置有挡板（3-10），两个挡板（3-10）的板面正对设置；每个第一支撑轴（4-1）的两端分别连接在两个连接板（7-3）上，基板（7-2）的板面与滑动板（3-1）的远离肢体的板面相贴靠设置，两个挡板（3-10）与连接板（7-3）贴靠设置，两个连接板（7-3）的板面上分别穿设有一个橡胶柱（6-1），橡胶柱（6-1）顶靠在挡板（3-10）上，其中一个连接板（7-3）的与挡板（3-10）相贴靠的板面上安装有第二薄膜压力传感器（5-1），固定座（10-1）固定在两个膝关节连接板（42）和两个大腿连接板（37）上。

7.根据权利要求5所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼机器人还包括四个第二捆绑装置（F），两个膝关节连接板（42）和两个大腿连接板（37）上分别连接有一个第二捆绑装置（F），每个第二捆绑装置（F）包括连接基座（48）、二维力传感器（49）和硬质捆绑带（50），连接基座（48）与腿部捆绑带（50）之间连接有与二者连接的二维力传感器（49），连接基座（48）固定在两个膝关节连接板（42）和两个大腿连接板（37）上。

8.根据权利要求5所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼机器人还包括四个第三捆绑装置（G），每个捆绑装置（G）包括捆扎带（44）和连接在捆扎带（44）上的第二倾角传感器（45）。

9.根据权利要求1、2、4、6、7或8所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：弯折腰带（20）与髋关节支板（23）相连接的表面上布置有相互咬合的多对第一牙纹（23-1），弯折腰带（20）通过咬合的第一牙纹（23-1）能水平伸缩；大腿伸缩板（36）与大腿连接板（37）相连接的表面上布置有相互咬合的多对第二牙纹（37-1），大腿伸缩板（36）通过多对咬合的第二牙纹（37-1）能上下伸缩；小腿连接板（44）与膝关节连接板（42）相连接的表面上布置有相互咬合的多对第三牙纹（44-1），小腿连接板（44）通过咬合的多对第三牙纹（44-1）能上下伸缩。

10.根据权利要求9所述的一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼机器人还包括控制模块，所述控制模块包括上位机模块（18）、电源模块（19）和髋关节驱动器（28），上位机模块（18）和电源模块（19）安装在罩壳（17）的外壁上，髋关节驱动器（28）安装在弯折腰带（20）的另一端，上位机模块（18）用于控制髋关节驱动器（28）、带有编码器的第二电机（21）、第一倾角传感器（4）、第二倾角传感器（45）、旋转变压器（130）、第一薄膜压力传感器（59）、第二薄膜压力传感器（5-1）和二维力传感器（49），髋关节驱动器（28）对带有编码器的第一电机（38）进行控制，电源模块（19）给上位机模块（18）、髋关节驱动器（28）、带有编码器的第二电机（21）、带有编码器的第一电机（38）、第一倾角传感器（4）、第二倾角传感器（45）、旋转变压器（130）、第二薄膜压力传感器（5-1）、第一薄膜压力传感器（59）和二维力传感器（49）供电。

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