CN104013514B - 一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，包括：机械骨架系统，包括行走用左、右下肢模块，腰带、背架，液压驱动系统，液压驱动系统包括液压集成控制单元、油箱、蓄电池、电机、液压泵，以及助力油缸，蓄电池连接电机，电机连接液压泵，液压泵连接油箱，由蓄电池为电机供电，电机带动液压泵运转，液压泵从油箱中吸油并将高压油液送入液压集成控制单元，液压集成控制单元控制高压油液流向各助力油缸，助力油缸驱动左、右下肢模块运动。本发明机构简单紧凑，成本低，装配简单，易于维修，适合大量生产和应用；穿戴该装置后，能够有效的缓解由于人体大量负重导致的疲劳感，可广泛应用于各种工业生产、养老助残、灾害救援，协助负重。

Description

一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人

技术领域

本发明属于液压机器人领域，涉及一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人。

背景技术

可穿戴式人体助力行走机器人是一种能够有效提高人体的运动和负载能力，降低人体氧气消耗的装备。随着科技的发展，对人体的助力负重不断增加，对人体助力行走机器人的需求也凸显出来。可穿戴式人体助力行走机器人当前主要通过电机提供助力，但是由于技术局限，导致当前的人体助力行走系统普遍存在着体积、重量偏大的问题，因此影响了人体助力行走机器人的应用。若人体助力行走机器人大量制造并应用，上述问题则更为突出。因此需要设计一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，解决以往人体助力行走机器人体积重量过大、设计制造复杂、安装困难等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其包括：

机械骨架系统，包括行走用左、右下肢模块，连接所述左、右下肢模块上端部的腰带106，以及设置在所述腰带106上方的背架108，所述背架108上放置重物；

液压驱动系统，包括设置在所述背架上的液压集成控制单元406、油箱和蓄电池，设置在所述腰部模块上的电机、液压泵，以及设置在所述左、右下肢模块上各个关节处的助力油缸，所述液压集成控制单元406与所述油箱、蓄电池、电机、液压泵和各助力油缸分别连接，所述蓄电池连接所述电机，所述电机连接所述液压泵，所述液压泵连接所述油箱，由蓄电池为电机供电，电机带动液压泵运转，液压泵从油箱中吸油并将高压油液送入液压集成控制单元406，液压集成控制单元406控制高压油液流向各助力油缸，助力油缸驱动左、右下肢模块运动。

优选地，所述左下肢模块包括：左传感靴114、与所述左传感靴114通过踝关节连接的左小腿113、与所述左小腿113通过膝关节连接的左大腿111、设置在所述左小腿113和踝关节之间的左小腿长度调节杆、以及设置在所述左大腿111和腰带106之间的左侧大腿长度调节杆110；

所述右下肢模块包括：右传感靴101、与所述右传感靴101通过踝关节连接的右小腿102，与所述右小腿102通过膝关节连接的右大腿104、设置在所述右小腿102和踝关节之间的右小腿长度调节杆301、以及设置在所述右大腿104和腰带106之间的右侧大腿长度调节杆105。

优选地，所述腰带106包括：与所述背架108连接的腰带连接块204，与所述腰带连接块204左侧连接的腰带左后杆205，与所述腰带左后杆205通过螺钉连接的腰带左侧杆207，与所述腰带左侧杆207通过关节轴承连接的左髋关节206，与所述腰带连接块204右侧连接的腰带右后杆203，与所述腰带右后杆203通过螺钉连接的腰带右侧杆201，与所述腰带右侧杆201通过关节轴承连接的右髋关节202，所述左髋关节206与左侧大腿长度调节杆110连接，所述右髋关节202与右侧大腿长度调节杆105连接。

优选地，所述油箱包括左侧油箱404和右侧油箱408，所述蓄电池包括左侧蓄电池405和右侧蓄电池407，所述电机包括左侧电机401和右侧电机411，所述液压泵包括左侧液压泵403和右侧液压泵409，所述左侧电机401通过左侧连接块402与左侧液压泵403连接，左侧蓄电池405为左侧电机401供电，左侧电机401带动左侧液压泵403运转；右侧电机411通过右侧连接块410与右侧液压泵409连接，右侧蓄电池407为右侧电机411供电，右侧电机411带动右侧液压泵409运转，左侧液压泵403从左侧油箱404中吸油，右侧液压泵409从右侧邮箱408吸油，左侧液压泵403和右侧液压泵409输出的高压油液进入液压集成控制单元406中。

优选地，所述左侧电机401、左侧连接块402、左侧液压泵403布置于腰带左后杆205上，所述右侧液压泵409、右侧连接块410、右侧电机411布置于腰带右后杆203上。

优选地，所述助力油缸包括：左髋关节助力油缸109、左膝关节助力油缸112、右膝关节助力油缸103和右髋关节助力油缸107，所述左膝关节助力油缸112的油缸端连接左大腿111上端部，活塞杆端连接左小腿113上部；所述右膝关节助力油缸103的油缸端连接右大腿104上端部，活塞杆端连接右小腿102上部；所述右髋关节助力油缸107的油缸端连接腰带右侧杆201，活塞杆端连接右髋关节202；所述左髋关节助力油缸109的油缸端连接腰带左侧杆207，活塞杆端连接左髋关节206。

优选地，所述左小腿长度调节杆的结构和连接方式与右小腿长度调节杆301的结构和连接方式分别对应相同；所述右小腿102下端部设置内螺纹，右小腿长度调节杆301上端部设置外螺纹，右小腿长度调节杆301上端部通过螺纹钢套303与右小腿102下端部连接，通过旋转右小腿长度调节杆301调节小腿到合适长度后，利用锁紧螺母302将右小腿长度调节杆301所处位置固定，实现长度可调。

优选地，所述左侧大腿长度调节杆110的结构和连接方式与右侧大腿长度调节杆105的结构和连接方式分别对应相同；所述右大腿104上端部设置一孔，孔中放置弹簧304，右侧大腿长度调节杆105下部嵌套铜套307，该铜套307内侧为自润滑，铜套307下部内侧设置台阶，右侧大腿长度调节杆105的下部卡挡在台阶上，铜套307下方的右侧大腿长度调节杆105上设置挡片306和挡圈305，通过挡片306和挡圈305将右侧大腿长度调节杆105下部卡挡在铜套307外部，铜套307和右侧大腿长度调节杆105位于弹簧304上方；右大腿104上部设置压紧螺栓310，右侧大腿长度调节杆105调节到合适长度后，通过压紧螺栓310将右大腿104压紧，进而固定住右侧大腿长度调节杆105。

优选地，所述踝关节与所述左小腿113和左传感靴114的连接处具有三个自由度，所述踝关节与所述右传感靴101和右小腿102的连接处具有三个自由度；所述髋关节与所述腰带106和右大腿104之间具有三个自由度，所述髋关节与所述腰带106和左大腿111之间具有三个自由度；所述膝关节与所述右小腿102和右大腿104之间存在具有一个自由度，所述膝关节与所述左大腿111和左小腿113之间具有一个自由度。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，主体由传感靴、大小腿、腰带及背架组成，相互间通过关节轴承、销轴等实现连接；液压驱动系统主要布置于背架和腰带处，通过蓄电池的供电，液压系统为单兵助力系统提供助力，以实现助力行走；机构简单紧凑，成本低，装配简单，易于维修，适合大量生产和应用；穿戴该装置后，能够有效的缓解由于人体大量负重导致的疲劳感，可广泛应用于各种工业生产、养老助残、灾害救援，甚至可以改装后应用于协助负重。

附图说明

图1为一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的整体结构示意图；

图2为液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的腰带结构图；

图3为液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的小腿处长度可调装置示意图；

图4为液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的大腿长度可调装置示意图1；

图5为液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的大腿长度可调装置示意图2；

图6是液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的液压驱动系统的结构示意图。

图中：100.液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人；101.右传感靴；102.右小腿；103.右膝关节助力油缸；104.右大腿；105.右侧大腿长度调节杆；106.腰带；107.右髋关节助力油缸；108.背架；109.左髋关节助力油缸；110.左侧大腿长度调节杆；111.左大腿；112.左膝关节助力油缸；113.左小腿；114.左传感靴；201.腰带右侧杆；202.右髋关节；203.腰带右后杆；204.腰带连接块；205.腰带左后杆；206.左髋关节；207.腰带左侧杆；301.右小腿长度调节杆；302.锁紧螺母；303.螺纹钢套；304.弹簧；305.挡圈；306.挡片；307.铜套；308.螺丝；309.压板；310.压紧螺栓；401.左侧电机；402.左侧连接块；403.左侧液压泵；404.左侧油箱；405.左侧蓄电池；406.液压集成控制单元；407.右侧蓄电池；408.右侧油箱；409.右侧液压泵；410.右侧连接块；411.右侧电机。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图6，本发明一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人包括用于可穿戴式人体助力行走机器人的右传感靴101及相关的其他主体机械结构，用于模拟人体腰部的腰带106及附属零件，用于调节人体助力行走机器人各体段长度的右小腿长度调节杆301及相关部件，以及用于液压驱动系统的左侧电机401等相关部件。

如图1所示，液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人的机械骨架主要由右传感靴101、右小腿102、右大腿104、右侧大腿长度调节杆105、腰带106、背架108、左侧大腿长度调节杆110、左大腿111、左小腿113、左传感靴114组成。其中右传感靴101、右小腿102及左小腿113、左传感靴114分别通过踝关节连接，单侧踝关节具有3个自由度，以模拟人体踝关节运动；右小腿102、右大腿104以及左大腿111、左小腿113分别通过膝关节连接，单侧膝关节具有一个自由度，以模拟人体膝关节运动；腰带106与右大腿104、左大腿111分别通过髋关节连接，单侧髋关节有3个自由度，用以模拟人体髋关节运动；背架108与腰带106连接。重物可放置于背架108上，并通过右髋关节助力油缸107和左髋关节助力油缸109将重物符合传递至大腿，并利用右膝关节助力油缸103、左膝关节助力油缸112实现对重物的支撑，最终通过右传感靴101、左传感靴114将负重传递至地面。

如图2所示，腰带106是将人体助力行走机器人人机耦合的一个重要部件，通过腰带106可以调节人体助力行走机器人髋部宽度，又能调节系统的中心，并将背架108的负重传递至腿部。其中右髋关节202、腰带右侧杆201和腰带右后杆203组成腰带右侧部分，腰带右侧杆201和腰带右后杆203通过螺钉连接，右髋关节202和腰带右侧杆201通过关节轴承连接，右髋关节助力油缸107的油缸端与腰带右侧杆201连接，右髋关节助力油缸107的活塞杆端与右髋关节202连接，同时右髋关节202与右侧大腿长度调节杆105连接。其中左髋关节206、腰带左侧杆207和腰带左后杆205组成腰带左侧部分，腰带左侧杆207和腰带左后杆205通过螺钉连接，左髋关节206和腰带左侧杆207通过关节轴承连接，左髋关节助力油缸109的油缸端与腰带左侧杆207连接，左髋关节助力油缸109的活塞杆端与左髋关节206连接，同时左髋关节206与左侧大腿长度调节杆110连接。腰带右侧部分连接腰带连接块204右侧，存在一个自由度，即腰带右后杆203和腰带连接块204间存在1个自由度；腰带左侧部分连接腰带连接块204左侧，存在一个自由度，腰带左后杆205和腰带连接块204间存在1个自由度，上述两个自由度可以实现助力行走机器人髋部宽度调节。通过腰带连接块204上部与背架108连接，存在一个自由度，即腰带连接块204和背架108间存在1个自由度，该自由度可以实现背架处重心调节，同时该自由度可以通过添加弹簧等机构实现助力。

如图3所示，小腿长度调节装置能够调节液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人小腿的长度，使助力行走机器人能够适合身高不同人穿戴。其中右小腿102内侧有内螺纹，右小腿长度调节杆301有外螺纹，并通过螺纹钢套303与右小腿102连接，通过旋转右小腿长度调节杆301调节小腿到合适长度后，利用锁紧螺母302将右小腿长度调节杆301所处位置固定，实现长度可调。

如图4、5所示，大腿长度调节装置能够调节液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人大腿的长度，同样能使助力行走机器人能够适合身高不同人穿戴。右大腿104上部有一孔，其中放置弹簧304，便于实现长度调节。右侧大腿长度调节杆105下部可以嵌套一铜套307，其中该铜套307内侧为自润滑，铜套307下部内侧设置一台阶，右侧大腿长度调节杆105卡挡在台阶处，避免其向下移动，右侧大腿长度调节杆105下端部设置了挡片306和挡圈305，将挡片306和挡圈305的下端部卡挡在铜套307外面，避免右侧大腿长度调节杆105上移，从而右侧大腿长度调节杆105通过铜套307上的台阶及挡片306和挡圈305实现轴向定位，并放置于右大腿104孔中弹簧304上部。调节到合适长度后，通过压紧螺栓310将右大腿104压紧，进而固定住右侧大腿长度调节杆105。完成右侧大腿长度调节杆105的固定后，在右大腿104端部安装右膝关节助力油缸103，其中右膝关节助力油缸103安装关节轴承后，放置于右大腿104的槽中，并通过压板309及螺丝308固定。

如图6所示，液压驱动系统是可穿戴式人体助力行走机器人的动力来源，将各部件主要布置于腰带106及背架108处。其中左侧油箱404、左侧蓄电池405、液压集成控制单元406、右侧蓄电池407、右侧油箱408布置于背架108上；左侧电机401、左侧连接块402、左侧液压泵403布置于腰带左后杆205上，右侧液压泵409、右侧连接块410、右侧电机411布置于腰带右后杆203上。助力行走机器人的能源来自于自身携带的左侧蓄电池405和右侧蓄电池407，左侧电机401通过左侧连接块402与左侧液压泵403连接，左侧蓄电池405为左侧电机401供电，左侧电机401带动左侧液压泵403运转；右侧电机411通过右侧连接块410与右侧液压泵409连接，右侧蓄电池407为右侧电机411供电，右侧电机411带动右侧液压泵409运转，为系统提供高压油液。左侧液压泵403从左侧油箱404中吸油，右侧液压泵409从右侧邮箱408吸油，左侧液压泵403、右侧液压泵409输出的高压油液进入液压集成控制单元406中，通过控制单元中各液压控制阀控制高压油液流向左髋关节助力油缸109、左膝关节助力油缸112、右膝关节助力油缸103、右髋关节助力油缸107中，通过右膝关节助力油缸103实现对右侧膝关节的助力，通过右髋关节助力油缸107实现对右侧髋关节的助力，通过左髋关节助力油缸109实现左侧髋关节的助力，通过左膝关节助力油缸112实现对左侧膝关节的助力。

由上述技术方案可以看出，本发明主要有传感靴、两侧大小腿、腰带、背架组成，其中踝关节处有三个自由度，足底有一个自由度，膝关节处有一个自由度，髋关节处有三个自由度，腰带及背架连接处有三个自由度；采用液压驱动形式，通过四个液压缸分别驱动膝关节和髋关节实现对人体的助力；是一种可穿戴式机器人，通过绑带或类似装置与人体连接；在传感靴、大小腿及背架处存在多种传感器，感知人体和机器人的位姿；通过控制系统实现对机器人的控制。当人穿戴好液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人后，能够实现大负重行走，提高了人体的背负能力和工作效率，并可应用于养老助残。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，包括：

机械骨架系统，包括行走用左、右下肢模块，连接所述左、右下肢模块上端部的腰带(106)，以及设置在所述腰带(106)上方的背架(108)，所述背架(108)上放置重物；

液压驱动系统，包括设置在所述背架上的液压集成控制单元(406)、油箱和蓄电池，设置在所述腰带上的电机、液压泵，以及设置在所述左、右下肢模块上各个关节处的助力油缸，所述液压集成控制单元(406)与所述油箱、蓄电池、电机、液压泵和各助力油缸分别连接，所述蓄电池连接所述电机，所述电机连接所述液压泵，所述液压泵连接所述油箱，由蓄电池为电机供电，电机带动液压泵运转，液压泵从油箱中吸油并将高压油液送入液压集成控制单元(406)，液压集成控制单元(406)控制高压油液流向各助力油缸，助力油缸驱动左、右下肢模块运动；

所述左下肢模块包括：左传感靴(114)、与所述左传感靴(114)通过踝关节连接的左小腿(113)、与所述左小腿(113)通过膝关节连接的左大腿(111)、设置在所述左小腿(113)和踝关节之间的左小腿长度调节杆、以及设置在所述左大腿(111)和腰带(106)之间的左侧大腿长度调节杆(110)；

所述右下肢模块包括：右传感靴(101)、与所述右传感靴(101)通过踝关节连接的右小腿(102)，与所述右小腿(102)通过膝关节连接的右大腿(104)、设置在所述右小腿(102)和踝关节之间的右小腿长度调节杆(301)、以及设置在所述右大腿(104)和腰带(106)之间的右侧大腿长度调节杆(105)；

所述腰带(106)包括：与所述背架(108)连接的腰带连接块(204)，与所述腰带连接块(204)左侧连接的腰带左后杆(205)，与所述腰带左后杆(205)通过螺钉连接的腰带左侧杆(207)，与所述腰带左侧杆(207)通过关节轴承连接的左髋关节(206)，与所述腰带连接块(204)右侧连接的腰带右后杆(203)，与所述腰带右后杆(203)通过螺钉连接的腰带右侧杆(201)，与所述腰带右侧杆(201)通过关节轴承连接的右髋关节(202)，所述左髋关节(206)与左侧大腿长度调节杆(110)连接，所述右髋关节(202)与右侧大腿长度调节杆(105)连接。

2.如权利要求1所述的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，所述油箱包括左侧油箱(404)和右侧油箱(408)，所述蓄电池包括左侧蓄电池(405)和右侧蓄电池(407)，所述电机包括左侧电机(401)和右侧电机(411)，所述液压泵包括左侧液压泵(403)和右侧液压泵(409)，所述左侧电机(401)通过左侧连接块(402)与左侧液压泵(403)连接，左侧蓄电池(405)为左侧电机(401)供电，左侧电机(401)带动左侧液压泵(403)运转；右侧电机(411)通过右侧连接块(410)与右侧液压泵(409)连接，右侧蓄电池(407)为右侧电机(411)供电，右侧电机(411)带动右侧液压泵(409)运转，左侧液压泵(403)从左侧油箱(404)中吸油，右侧液压泵(409)从右侧油箱(408)吸油，左侧液压泵(403)和右侧液压泵(409)输出的高压油液进入液压集成控制单元(406)中。

3.如权利要求2所述的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，所述左侧电机(401)、左侧连接块(402)、左侧液压泵(403)布置于腰带左后杆(205)上，所述右侧液压泵(409)、右侧连接块(410)、右侧电机(411)布置于腰带右后杆(203)上。

4.如权利要求3所述的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，所述助力油缸包括：左髋关节助力油缸(109)、左膝关节助力油缸(112)、右膝关节助力油缸(103)和右髋关节助力油缸(107)，所述左膝关节助力油缸(112)的油缸端连接左大腿(111)上端部，活塞杆端连接左小腿(113)上部；所述右膝关节助力油缸(103)的油缸端连接右大腿(104)上端部，活塞杆端连接右小腿(102)上部；所述右髋关节助力油缸(107)的油缸端连接腰带右侧杆(201)，活塞杆端连接右髋关节(202)；所述左髋关节助力油缸(109)的油缸端连接腰带左侧杆(207)，活塞杆端连接左髋关节(206)。

5.如权利要求1所述的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，所述左小腿长度调节杆的结构和连接方式与右小腿长度调节杆(301)的结构和连接方式分别对应相同；所述右小腿(102)下端部设置内螺纹，右小腿长度调节杆(301)上端部设置外螺纹，右小腿长度调节杆(301)上端部通过螺纹钢套(303)与右小腿(102)下端部连接，通过旋转右小腿长度调节杆(301)调节小腿到合适长度后，利用锁紧螺母(302)将右小腿长度调节杆(301)所处位置固定，实现长度可调。

6.如权利要求1所述的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，所述左侧大腿长度调节杆(110)的结构和连接方式与右侧大腿长度调节杆(105)的结构和连接方式分别对应相同；所述右大腿(104)上端部设置一孔，孔中放置弹簧(304)，右侧大腿长度调节杆(105)下部嵌套铜套(307)，该铜套(307)内侧为自润滑，铜套(307)下部内侧设置台阶，右侧大腿长度调节杆(105)的下部卡挡在台阶上，铜套(307)下方的右侧大腿长度调节杆(105)上设置挡片(306)和挡圈(305)，通过挡片(306)和挡圈(305)将右侧大腿长度调节杆(105)下部卡挡在铜套(307)外部，铜套(307)和右侧大腿长度调节杆(105)位于弹簧(304)上方；右大腿(104)上部设置压紧螺栓(310)，右侧大腿长度调节杆(105)调节到合适长度后，通过压紧螺栓(310)将右大腿(104)压紧，进而固定住右侧大腿长度调节杆(105)。

7.如权利要求1所述的液压驱动的可穿戴式人体助力行走机器人，其特征在于，所述踝关节与所述左小腿(113)和左传感靴(114)的连接处具有三个自由度，所述踝关节与所述右传感靴(101)和右小腿(102)的连接处具有三个自由度；所述髋关节与所述腰带(106)和右大腿(104)之间具有三个自由度，所述髋关节与所述腰带(106)和左大腿(111)之间具有三个自由度；所述膝关节与所述右小腿(102)和右大腿(104)之间存在具有一个自由度，所述膝关节与所述左大腿(111)和左小腿(113)之间具有一个自由度。