CN104055653A - 下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，每一条混联腿机构均包括：挡板机架、腿部机架、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器、混联腿和足部；腰部机构包括腰部机架和第一直线驱动器；腰部机架分别与挡板机架和第一直线驱动器铰接；挡板机架分别与腿部机架和第一直线驱动器铰接；腿部机架分别与第二直线驱动器和第三直线驱动器铰接；混联腿连接在腿部机架的下方；混联腿与足部相连接；所述第四直线驱动器设置于混联腿与足部之间。本发明的混联腿机构，承载能力高，工作空间大，能够适应复杂地形，减缓人体携带重物中的疲劳，增强人的携带能力，适用于军事士兵，灾难救援人员，火灾抢险人员等，是一种多样化的运输平台。

Description

下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人

技术领域

本发明属于机械工程中机器人技术领域，具体是一种下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人。

背景技术

下肢增力型外骨骼能够减缓人体携带重物中的疲劳，增强人的携带能力，是一种多样化的运输平台。下肢增力型外骨骼主要应用于军事士兵，灾难救援人员，火灾抢险人员和其他紧急情况，其中需要个人携带很重的物品，例如食物，救援设备，急救用品，通讯设备和兵器武器等，在复杂未知的地形上行走，为人节省最大的力气，帮助穿戴者行走最长的时间。

经检索发现，申请号为200910088396.9的中国发明专利公开了一种串联构型下肢外骨骼，包括载物架和各连杆，共涉及双腿十二自由度，单腿六自由度，分别是髋关节两自由度，膝关节一自由度和踝关节三自由度。但是该腿是纯串联设计，承载能力低，精度差，刚度和稳定性不高，限制了高负载使用的潜力。

申请号为201320049169.7的中国发明专利设计了一个单腿四自由度的串联外骨骼，包括髋关节两自由度，膝关节一自由度和踝关节一自由度，另外脚板上还有一个适应脚趾弯曲的自由度。该机构能够保证步行时髋关节，膝关节和脚踝关节人机协调一致。但该外骨骼自由度不能满足人体下肢侧摆自由度和脚踝侧摆自由度，驱动模块与人体下肢大腿距离太近，影响安全。

申请号为201310262919.3的中国发明专利公开了一种穿戴式下肢助力外骨骼，该机构能够实现髋关节，膝关节和踝关节绕额状轴转动。但是该机构结构臃肿，不能实现人体下肢其余自由度的需求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，包括两条结构相同且对称设置的混联腿机构以及设置于两条混联腿机构之间的腰部机构；其中：每一条混联腿机构均具有四个驱动自由度和两个被动自由度。

优选地，所述每一条混联腿机构均包括：挡板机架、腿部机架、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器、混联腿和足部；

所述腰部机构包括腰部机架和第一直线驱动器；

所述腰部机架分别与两侧的挡板机架和第一直线驱动器铰接；所述挡板机架分别与腿部机架和第一直线驱动器铰接；所述腿部机架分别与第二直线驱动器和第三直线驱动器铰接；所述混联腿的上端连接在腿部机架的下方；所述混联腿的下端与足部相连接；所述第四直线驱动器设置于混联腿的下端与足部之间。

优选地，所述混联腿包括：第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、带孔销轴、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第四直线驱动器以及弹簧，其中，所述第一连杆和第二连杆的首端在相同的位置通过铰链与腿部机架相连，所述第一连杆和第二连杆的末端通过铰链分别与第三连杆和第四连杆的首端相连，所述第三连杆和第四连杆通过带孔销轴相连，所述第三连杆的末端与第八连杆相连，所述第四连杆的末端与第七连杆相连，所述第五连杆和带孔销轴固接，第五连杆通过开孔和第六连杆的首端形成密封且具有弹性的滑动副，所述第六连杆的末端通过铰链分别与第四直线驱动器和足部相连，所述弹簧位于第六连杆的末端和足部之间。

优选地，所述足部包括脚部连杆和脚板，其中，所述脚板通过铰链和脚部连杆相连，所述第六连杆的末端通过铰链与脚部连杆相连。

优选地，所述四个驱动自由度具体为：所述第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器分别具有一个驱动自由度，共四个驱动自由度，其中，第一直线驱动器用于驱动混联腿的侧摆运动，第二直线驱动器和第三直线驱动器协同运动带动混联腿在混联腿机构所在平面内的移动，第四直线驱动器用于驱动脚部连杆，进而带动脚板进行俯仰摆动。

优选地，所述两个被动自由度具体为：第一个被动自由度位于挡板机架和腿部机架之间，用于改变混联腿的自旋角度；第二个被动自由度位于脚板和脚部连杆之间，用于改变脚板左右侧摆。

优选地，所述混联腿在混联腿机构所在平面内的移动为并联输出。

优选地，所述每条混联腿下端的足部均具有弹性。

优选地，所述第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器可采用任意类型满足驱动需求的直线驱动系统。

实际作业时，单条混联腿具有四个驱动自由度和两个被动自由度；第一直线驱动器驱动混联腿的侧摆运动，第二直线驱动器和第三直线驱动器协同运动带动混联腿在混联腿机构所在平面内的移动，该移动是并联输出，第四直线驱动器驱动脚部连杆，带动脚板进行俯仰摆动。第一个被动自由度位于挡板机架和腿部机架之间，可用于改变腿部自旋角度，第二个被动自由度位于脚板和脚部连杆之间，可用于改变脚掌左右侧摆。本发明提供的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其整体有8个驱动自由度和4个被动自由度，通过一定的机电控制和步态输出可以实现满足人体下肢全方位需求的运动。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

本发明所采用的混联腿机构提高了下肢外骨骼机器人的承载能力，为增力效果提供了保障，同时保留了灵活性，能满足人体下肢的全方位运动需求；直线驱动器的布置方式简单，容易实现，结构紧凑；腿部和脚踝的弹性能够平衡触地冲击力，储蓄能量，在离地时释放，节省驱动能量。本发明能够满足下肢增力型外骨骼的承载需求和人体下肢运动空间需求，运动精度高，控制简单，适用于军事士兵，灾难救援人员，火灾抢险人员和其他紧急情况，最大程度地为穿戴者节省力气背负载，帮助穿戴者行走最长的时间；

本发明提供的混联腿机构，单腿具有六个自由度，包括四个驱动自由度和两个被动自由度。驱动自由度由所述直线驱动器包括第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器分别驱动。通过一定的步态控制可以实现配合与人体下肢协调的运动。本发明承载能力高，工作空间大，能够适应复杂地形，减缓人体携带重物中的疲劳，增强人的携带能力，适用于军事士兵，灾难救援人员，火灾抢险人员和其他紧急情况，是一种多样化的运输平台。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的正等侧视图；

图2为本发明的右视图；

图3为本发明的前视图；

图中，1为挡板机架，2为腿部机架，3为第一直线驱动器，4为腰部机架，5为第二直线驱动器，6为第三直线驱动器，7为第一连杆，8为第二连杆，9为第三连杆，10为第四连杆，11为带孔销轴，12为第五连杆，13为第六连杆，14为第七连杆，15为第八连杆，16为第四直线驱动器，17为弹簧，18为脚部连杆，19为脚板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图3。

本实施例提供了一种下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，包括两条结构相同且对称设置的混联腿机构以及设置于两条混联腿机构之间的腰部机构；其中：每一条混联腿机构均具有四个驱动自由度和两个被动自由度。

进一步地，所述每一条混联腿机构均包括：挡板机架、腿部机架、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器、混联腿和足部；

所述腰部机构包括腰部机架和第一直线驱动器；

所述腰部机架分别与两侧的挡板机架和第一直线驱动器铰接；所述挡板机架分别与腿部机架和第一直线驱动器铰接；所述腿部机架分别与第二直线驱动器和第三直线驱动器铰接；所述混联腿的上端连接在腿部机架的下方；所述混联腿的下端与足部相连接；所述第四直线驱动器设置于混联腿的下端与足部之间。

进一步地，所述混联腿包括：第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、带孔销轴、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第四直线驱动器以及弹簧，其中，所述第一连杆和第二连杆的首端在相同的位置通过铰链与腿部机架相连，所述第一连杆和第二连杆的末端通过铰链分别与第三连杆和第四连杆的首端相连，所述第三连杆和第四连杆通过带孔销轴相连，所述第三连杆的末端与第八连杆相连，所述第四连杆的末端与第七连杆相连，所述第五连杆和带孔销轴固接，第五连杆通过开孔和第六连杆的首端形成密封且具有弹性的滑动副，所述第六连杆的末端通过铰链分别与第四直线驱动器和足部相连，所述弹簧位于第六连杆的末端和足部之间。

进一步地，所述带孔销轴设置于第三连杆和第四连杆的中心位置处。

进一步地，所述足部包括脚部连杆和脚板，其中，所述脚板通过铰链和脚部连杆相连，所述第六连杆的末端通过铰链与脚部连杆相连。

进一步地，所述四个驱动自由度具体为：所述第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器分别具有一个驱动自由度，共四个驱动自由度，其中，第一直线驱动器用于驱动混联腿的侧摆运动，第二直线驱动器和第三直线驱动器协同运动带动混联腿在混联腿机构所在平面内的移动，第四直线驱动器用于驱动足部进行俯仰摆动，即第四直线驱动器驱动脚部连杆，进而带动脚板进行俯仰摆动。

进一步地，所述两个被动自由度具体为：第一个被动自由度位于挡板机架和腿部机架之间，用于改变混联腿的自旋角度；第二个被动自由度位于脚板和脚部连杆之间，用于改变脚板左右侧摆。

进一步地，所述混联腿在混联腿机构所在平面内的移动为并联输出。

进一步地，所述每条混联腿下端的足部均具有弹性。

进一步地，所述第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器可采用任意类型满足驱动需求的直线驱动系统。

具体为：

如图1所示，本实施例提供的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，包括机架、直线驱动器、两条结构相同的混联腿以及足部。

其中：机架包括挡板机架1，腿部机架2，和腰部机架4。挡板机架1通过铰链和腿部机架2与腰部机架4相连。腿部机架2下方是混联腿。腰部机架4通过铰链连接两侧的挡板机架1。

所述混联腿机构包括混联腿和足部，具体为，包括第一连杆7，第二连杆8，第三连杆9，第四连杆10，带孔销轴11，第五连杆12，第六连杆13，第七连杆14，第八连杆15，第四直线驱动器16，弹簧17，脚部连杆18和脚板19。其中，第一连杆7和第二连杆8通过铰链在相同的位置与腿部机架2相连，第一连杆7和第二连杆8分别在末端通过铰链和第三连杆9与第四连杆10相连，第三连杆9和第四连杆10通过带孔销轴11相连，第三连杆9末端与第八连杆15相连，第四连杆10末端与第七连杆14相连，第五连杆12和带孔销轴11固接，第五连杆12通过开孔和第六连杆13形成密封的滑动副，具有一定的弹性，第六连杆13末端通过铰链和第四直线驱动器16、脚部连杆18相连，弹簧17位于第六连杆13末端和脚部连杆18之间，脚板19通过铰链和脚部连杆18相连。

所述第一直线驱动器3、第二直线驱动器5、第三直线驱动器6和第四直线驱动器16采用任意类型能满足驱动要求的直线驱动系统。

本实施例工作时，单条混联腿具有四个驱动自由度和两个被动自由度。第一直线驱动器3驱动单腿的侧摆运动，第二直线驱动器5和第三直线驱动器6协同运动带动整个腿在腿部机构在平面内的移动，该移动是并联输出，第四直线驱动器16驱动脚部连杆，带动脚板进行俯仰摆动。第一个被动自由度位于挡板机架1和腿部机架2之间，可用于改变腿部自旋角度，第二个被动自由度位于脚板19和脚部连杆18之间，可用于改变脚掌左右侧摆。外骨骼机器人整体12个自由度，包括8个驱动自由度和4个被动自由度，通过一定的机电控制和步态输出可以实现满足人体下肢全方位需求的运动。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，包括两条结构相同且对称设置的混联腿机构以及设置于两条混联腿机构之间的腰部机构；其中：每一条混联腿机构均具有四个驱动自由度和两个被动自由度。

2.根据权利要求1所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述每一条混联腿机构均包括：挡板机架、腿部机架、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器、混联腿和足部；

所述腰部机构包括腰部机架和第一直线驱动器；

所述腰部机架分别与两侧的挡板机架和第一直线驱动器铰接；所述挡板机架分别与腿部机架和第一直线驱动器铰接；所述腿部机架分别与第二直线驱动器和第三直线驱动器铰接；所述混联腿的上端连接在腿部机架的下方；所述混联腿的下端与足部相连接；所述第四直线驱动器设置于混联腿的下端与足部之间。

3.根据权利要求2所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述混联腿包括：第一连杆，第二连杆，第三连杆，第四连杆，带孔销轴，第五连杆，第六连杆，第七连杆，第八连杆，以及弹簧；其中，所述第一连杆和第二连杆的首端在相同的位置通过铰链与腿部机架相连，所述第一连杆和第二连杆的末端通过铰链分别与第三连杆和第四连杆的首端相连，所述第三连杆和第四连杆通过带孔销轴相连，所述第三连杆的末端与第八连杆相连，所述第四连杆的末端与第七连杆相连，所述第五连杆和带孔销轴固接，第五连杆通过开孔和第六连杆的首端形成密封且具有弹性的滑动副，所述第六连杆的末端通过铰链分别与第四直线驱动器和足部相连，所述弹簧位于第六连杆的末端和足部之间。

4.根据权利要求2或3所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述足部包括脚部连杆和脚板，其中，所述脚板通过铰链和脚部连杆相连，所述第六连杆的末端通过铰链与脚部连杆相连。

5.根据权利要求4所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述四个驱动自由度具体为：所述第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器分别具有一个驱动自由度，共四个驱动自由度，其中，第一直线驱动器驱动用于驱动混联腿的侧摆运动，第二直线驱动器和第三直线驱动器协同运动带动混联腿在混联腿机构所在平面内的移动，第四直线驱动器用于驱动脚部连杆，进而带动脚板进行俯仰摆动。

6.根据权利要求4所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述两个被动自由度具体为：第一个被动自由度位于挡板机架和腿部机架之间，用于改变混联腿的自旋角度，第二个被动自由度位于脚板和脚部连杆之间，用于改变脚板左右侧摆。

7.根据权利要求5所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述混联腿在混联腿机构所在平面内的移动为并联输出。

8.根据权利要求2或3所述的下肢增力型混联腿构型外骨骼机器人，其特征在于，所述每一条混联腿下端的足部均具有弹性。