CN105500343A - 一种线传动穿戴式机械外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种线传动穿戴式机械外骨骼，该机械外骨骼包括踝关节部件、膝关节部件、髋关节部件和控制部件，踝关节部件通过小腿支杆连接膝关节部件，膝关节部件通过大腿支杆连接髋关节部件，踝关节部件、膝关节部件、髋关节部件通过控制部件实现机械外骨骼完成与人体相似的动作。在膝关节处采用轮盘设计，保证了线传动机械外骨骼膝关节的弯曲度，有效避免了涉水时马达驱动膝关节的安全问题，大幅度地增加了恶劣环境下的可靠性；将牵引绳配合定滑轮组用于机械外骨骼，相比膝关节直接放置液压驱动器驱动，相关机构大为简化，并且液压驱动器布置的离混合动力模块很近，降低了液压油在油管路中的能量损失，提高了能量利用率。

Description

一种线传动穿戴式机械外骨骼

技术领域

本发明涉及一种机械外骨骼，尤其涉及到一种线传动穿戴式机械外骨骼。

背景技术

随着科技的发展，煤矿开采技术也从原来的人工挖掘、半机械化、机械化，逐步发展到现在的自动化、数字化的开采，今后将向无人化矿井迈进。由于无人化开采的推进，矿井的各项安全措施不会像以前那样完备。然而，机械设备再先进，也需要检修维护，检修维护人员为了达到更好的防护效果，需要携带大量装备。但是受人类生理极限的限制，加上井下的恶劣环境，这对工作人员是个很大负担。而且紧急救助（事故、灾害、突发事件）、搬运输送、危险工作（如核电站操作维护、航天空间站、深水作业）等也对机械外骨骼有很大的需求。

遗憾的是，目前还没有正在面向工业的机械骨骼。仅有的几次应用是：（1）HAL被用于福岛核电站救助现场；（2）欧盟Robo-Mate项目的研究人员开发出一种外骨骼，它能够使工人在抬举时只需负荷实物十分之一的重量。

发明内容

根据现有技术的不足，提供一种能够增强人体能力，帮助人们走得更快、能够携带更多更重的东西的同时，大大提高了能量利用效率及可靠性的线传动穿戴式机械外骨骼。

本发明按以下技术方案实现：

一种线传动穿戴式机械外骨骼，该机械外骨骼包括踝关节部件、膝关节部件、髋关节部件和控制部件，所述踝关节部件通过小腿支杆连接膝关节部件，所述膝关节部件通过大腿支杆连接髋关节部件，所述踝关节部件、膝关节部件、髋关节部件通过控制部件实现机械外骨骼完成与人体相似的动作，还包括一块为机械外骨骼提供动力的混合动力模块。

所述踝关节部件包括脚板，所述脚板通过回转轴承Ⅰ与小腿支杆活动连接，所述脚板上间隔固定连接有两个限位销轴，在两个限位销轴之间的小腿支杆上固定连接一个双向限位挡块，在脚板的上部和小腿支杆上各固定连接一个弹簧挂耳，两个弹簧挂耳之间悬挂一根拉伸弹簧，小腿支杆上还固定连接一个定滑轮Ⅰ。所述脚板分为后脚板和前脚板，所述后脚板和前脚板之间通过销轴连接，所述销轴上套装有扭转弹簧，扭转弹簧一端固定在后脚板上，另一端固定在前脚板上。

所述膝关节部件包括轮盘，所述轮盘下部与小腿支杆固定连接，轮盘中心与大腿支杆之间通过回转轴承Ⅱ活动连接，所述轮盘上开有两个牵引绳挂孔Ⅰ，所述大腿支杆上固定连接有两个定滑轮Ⅱ。

所述髋关节部件包括髋关节轴筒，所述髋关节轴筒的下部与大腿支杆固定连接，髋关节轴筒的上部与髋关节轴承套活动连接，髋关节轴承套内安装有回转轴承Ⅲ，髋关节轴承套连接有一个定滑轮Ⅲ，髋关节轴承套的顶部固定连接一个牵引绳挂孔Ⅱ，髋关节轴承套的底部固定连接一个牵引绳挂孔Ⅲ；还包括一个刚性腰带，所述刚性腰带的前端短轴与回转轴承Ⅲ内圈相连接，所述刚性腰带的后端固定连接背部多功能支架，所述背部多功能支架上安装有呈T型布置的定滑轮组，所述定滑轮组包括外圈带齿定滑轮Ⅰ、位于外圈带齿定滑轮Ⅰ上方的外圈带齿定滑轮Ⅱ以及位于外圈带齿定滑轮Ⅰ两侧的定滑轮Ⅳ和定滑轮Ⅴ。所述髋关节轴承套上连接有两个髋关节轴承套挂耳，所述髋关节轴承套挂耳通过销轴与髋关节轴筒相连接；靠近后背的髋关节轴承套挂耳上间隔开有两个凹槽。

所述控制部件包括位于各个关节处的接收传感器，所述接收传感器与AD数模转换组相连，所述AD数模转换组与模拟比较器组相连，所述模拟比较器组与DA数模转换组相连，所述DA数模转换组与信号放大器组相连，所述信号放大器组与电液伺服阀组相连，所述电液伺服阀组与各个关节处的驱动器相连。

所述接收传感器包括位于踝关节处的踝关节压力传感器，位于膝关节处的位移传感器和位于髋关节处的髋关节压力传感器。所述驱动器包括位于背部多功能支架的裸关节液压驱动器和膝关节液压驱动器、位于刚性腰带的髋关节后液压驱动器和髋关节前液压驱动器；所述裸关节液压驱动器通过牵引绳Ⅰ与踝关节部件相连接，即牵引绳Ⅰ的一端与裸关节液压驱动器相连，另一端穿过定滑轮Ⅴ后经过髋关节轴承套挂耳上的任一个凹槽后又经过定滑轮Ⅰ连接到后脚板；所述膝关节液压驱动器通过牵引绳Ⅱ与膝关节部件相连接，即膝关节液压驱动器连接齿条，齿条与外圈带齿定滑轮Ⅰ和外圈带齿定滑轮Ⅱ相啮合，牵引绳Ⅱ的一端与任一个牵引绳挂孔Ⅰ相连，另一端经过其中一个定滑轮Ⅱ后、从另一个凹槽穿过后、又从外圈带齿定滑轮Ⅰ和外圈带齿定滑轮Ⅱ穿过后、又依次经过定滑轮Ⅳ、定滑轮Ⅲ和另一个定滑轮Ⅱ后连接到另一个牵引绳挂孔Ⅰ；所述髋关节后液压驱动器和髋关节前液压驱动器分别通过牵引绳Ⅲ和牵引绳Ⅳ与髋关节部件相连接，即牵引绳Ⅲ和牵引绳Ⅳ分别与牵引绳挂孔Ⅲ和牵引绳挂孔Ⅱ相连。

本发明原理如下：

该机械外骨骼的腰部有U型刚性腰带，腰带上有固定孔用以穿过尼龙带。当穿戴者站在刚性腰带中间位置时，扣好尼龙带，并将膝关节和踝关节及脚板处的固定带固定好，就此完成穿戴。

当裸关节压力传感器检测到人体脚踝动作时，裸关节压力传感器信号经过AD模数转换器组、模拟比较器组、DA数模转换器组、信号放大器组处理，输送到电液伺服阀组，控制踝关节液压驱动器动作；踝关节液压驱动器拉动牵引绳Ⅰ，牵引绳Ⅰ依次经过髋关节轴筒上的凹槽及定滑轮Ⅰ拉动后脚板，以完成提踝动作，直到机械外骨骼脚踝部位转动幅度与人脚踝转幅相同。脚板上有两块垂直于脚板的弹性钢板，通过回转支承轴承Ⅰ与小腿支杆下部连接；踝关节布置有两个限位销轴，限制脚踝弯曲最大值为15度，伸展最大角度为35度，均大于成年人行走时换关节屈伸极限；小腿支杆由两段铝合金管通过螺纹连接，可以相对自由旋转；脚板分为前脚板和后脚板两部分，二者采用销轴连接，销轴上套有扭转弹簧，当抬脚时，扭转弹簧先压缩存储部分能量，前脚板即将离地时再回弹，这部分能量又会释放，这种仿生设计不仅使穿戴者步行时更加舒适自然，而且还起到了助力作用。当人体恢复站立时，裸关节压力传感器得到的信号经处理后发给电液伺服阀组，控制踝关节液压驱动器拉杆反向动作，此时固定在小腿支杆和脚板弹簧挂耳间的拉伸弹簧将脚板拉回到初始位置。

人体膝关节动作时，膝关节上的两个位移传感器得到的信号经过AD模数转换器组、模拟比较器组、DA数模转换器组、信号放大器组处理后，通过电液伺服阀组控制膝关节液压驱动器，该液压驱动器推动齿条，使得外圈带齿定滑轮转动，带动牵引绳Ⅱ收放，以达到轮盘转动的目的。膝关节的核心是一块不锈钢轮盘，下部固定在小腿支杆上，中心部位通过回转轴承Ⅱ和大腿支杆连接；为减轻轮盘重量，在轮盘上开有一定数量的通孔；轮盘外圈开有两个牵引绳挂孔Ⅰ用于固定牵引绳Ⅱ的两端，牵引绳挂孔Ⅰ的位置很据膝关节最大弯曲范围和轮盘直径而定，本机械外骨骼膝关节最大弯曲度为75度；膝关节部位只有一个自由度。当位移传感器从机械外骨骼膝关节处得到的信号和人体膝关节处得到的信号相同时，控制膝关节驱动器停止动作，这样两者膝关节动作就能达到一致。

当髋关节动作时，该部位的髋关节压力传感器将信号经由AD模数转换器组、模拟比较器组、DA数模转换器组、信号放大器组处理后，控制髋关节前液压驱动器供油，髋关节后液压驱动器回油，带动牵引绳移动，通过拉动固定在髋关节轴承套上的牵引绳挂孔使得髋关节弯曲，该关节以下部位便绕着回转轴承Ⅲ中心旋转，直到转动角度和人体一致为止。大腿支杆和小腿支杆一样由两段铝合金管通过螺纹连接，此设计不仅可以保证髋关节与膝关节相对自由转动，还可以调节机械外骨骼的高度，使得外骨骼的关节位置尽量与身材各异的使用者吻合。髋关节轴筒底部与大腿支杆连接，上部通过两个髋关节轴承套挂耳与髋关节轴承套通过销轴连接；回转轴承Ⅲ内圈固定在刚性腰带伸出的短轴上。

本发明有益效果：

1.在膝关节处采用轮盘设计，保证了线传动机械外骨骼膝关节的弯曲度，有效避免了涉水时马达驱动膝关节的安全问题，大幅度地增加了恶劣环境下的可靠性；

2.将牵引绳配合定滑轮组用于机械外骨骼，相比膝关节直接放置液压驱动器驱动，相关机构大为简化，并且液压驱动器布置的离混合动力模块很近，降低了液压油在油管路中的能量损失，提高了能量利用率。

附图说明

图1为为机械外骨骼主视图（加入了人体设计）；

图2为机械外骨骼左视图；

图3为踝关节部件放大结构示意图；

图4为膝关节部件放大结构示意图；

图5为髋关节部件放大结构示意图；

图6为髋关节部件俯视图；

图7为髋关节轴承套结构示意图；

1-脚板；1.1-后脚板；1.2-前脚板；1.3-销轴；2-扭转弹簧；3-弹簧挂耳；4-拉伸弹簧；5-回转轴承Ⅱ；6-定滑轮Ⅰ；7-牵引绳挂孔Ⅰ；8-轮盘；9-定滑轮Ⅱ；10-髋关节轴筒；11-髋关节轴承套；12-刚性腰带；13-定滑轮Ⅳ；14-外圈带齿定滑轮Ⅰ；15-外圈带齿定滑轮Ⅱ；16-髋关节后液压驱动器；17-髋关节前液压驱动器；18-定滑轮Ⅴ；19-踝关节液压驱动器；20-膝关节液压驱动器；21-背部多功能支架；22-电液伺服阀组；23-信号放大器组；24-DA数模转换器组；25-模拟比较器组；26-AD模数转换器组；27-混合动力模块；28-髋关节压力传感器；29-位移传感器；30-踝关节压力传感器；31-双向限位挡块；32-限位销轴；33-回转轴承Ⅰ；34-小腿支杆；35-大腿支杆；36-牵引绳挂孔Ⅲ；37-牵引绳挂孔Ⅱ；38-回转轴承Ⅲ；39-凹槽；40-齿条；41-髋关节轴承套挂耳；42-定滑轮Ⅲ，43-牵引绳Ⅰ，44-牵引绳Ⅱ，45-牵引绳Ⅲ，46-牵引绳Ⅳ，100-踝关节部件，200-膝关节部件，300-髋关节部件，400-控制部件。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图7所示，一种线传动穿戴式机械外骨骼，该机械外骨骼包括踝关节部件100、膝关节部件200、髋关节部件300和控制部件400，踝关节部件100通过小腿支杆34连接膝关节部件200，膝关节部件200通过大腿支杆35连接髋关节部件300，踝关节部件100、膝关节部件200、髋关节部件300通过控制部件400实现机械外骨骼完成与人体相似的动作；还包括一块为机械外骨骼提供动力的混合动力模块27。

控制部件400包括位于各个关节处的接收传感器，接收传感器与AD数模转换组26相连，AD数模转换组26与模拟比较器组25相连，模拟比较器组25与DA数模转换组24相连，DA数模转换组24与信号放大器组23相连，信号放大器组23与电液伺服阀组22相连，电液伺服阀组22与各个关节处的驱动器相连。接收传感器包括位于踝关节处的踝关节压力传感器30，位于膝关节处的位移传感器29和位于髋关节处的髋关节压力传感器28。

踝关节部件100包括脚板1，脚板1分为后脚板1.1和前脚板1.2，后脚板1.1和前脚板1.2之间通过销轴1.3连接，销轴1.3上套装有扭转弹簧2，扭转弹簧2一端固定在后脚板1.1上，另一端固定在前脚板1.2上，脚板1通过回转轴承Ⅰ33与小腿支杆34活动连接，在脚板1的上部和小腿支杆34上各固定连接一个弹簧挂耳3，两个弹簧挂耳3之间悬挂一根拉伸弹簧4，脚板1上间隔固定连接有两个限位销轴32，在两个限位销轴32之间的小腿支杆34上固定连接一个双向限位挡块31，当拉伸弹簧收缩时拉动弹簧挂耳3时，限制踝关节弯曲角度，防止对穿戴者脚踝部分造成压迫感；当脚踝部分伸展时，双向限位挡块31与限位销轴32配合，限制其转动角度，起到物理保护的作用，小腿支杆34上还固定连接一个定滑轮Ⅰ6。

膝关节部件200包括轮盘8，轮盘8下部与小腿支杆34固定连接，轮盘8中心与大腿支杆35之间通过回转轴承Ⅱ5活动连接，轮盘8上开有两个牵引绳挂孔Ⅰ7，大腿支杆35上固定连接有两个定滑轮Ⅱ9。轮盘8上开有一定数量的通孔，以减轻重量，轮盘8沿着圆周方向加工成嵌槽，使得牵引绳Ⅱ44在嵌槽内绕着轮盘8转动；轮盘8上的牵引绳挂孔Ⅰ7的位置根据膝关节要实现弯曲角度以及轮盘8直径确定。

髋关节部件300包括髋关节轴筒10，髋关节轴筒10的下部与大腿支杆35固定连接，髋关节轴筒10的上部与髋关节轴承套11活动连接，髋关节轴承套11内安装有回转轴承Ⅲ38，髋关节轴承套11连接有一个定滑轮Ⅲ42，髋关节轴承套11的顶部固定连接一个牵引绳挂孔Ⅱ37，髋关节轴承套11的底部固定连接一个牵引绳挂孔Ⅲ36；还包括一个刚性腰带12，刚性腰带12的前端短轴与回转轴承Ⅲ38内圈相连接，刚性腰带12的后端固定连接背部多功能支架21，背部多功能支架21上安装有呈T型布置的定滑轮组，定滑轮组包括外圈带齿定滑轮Ⅰ14、位于外圈带齿定滑轮Ⅰ14上方的外圈带齿定滑轮Ⅱ15以及位于外圈带齿定滑轮Ⅰ14两侧的定滑轮Ⅳ13和定滑轮Ⅴ18。髋关节轴承套11上连接有两个髋关节轴承套挂耳41，髋关节轴承套挂耳41与髋关节轴筒10相连接；任一个髋关节轴承套挂耳41上间隔开有两个凹槽39。

驱动器包括位于背部多功能支架21的裸关节液压驱动器19和膝关节液压驱动器20、位于刚性腰带12的髋关节后液压驱动器16和髋关节前液压驱动器17；裸关节液压驱动器19通过牵引绳Ⅰ43与踝关节部件100相连接，即牵引绳Ⅰ43的一端与裸关节液压驱动器19相连，另一端穿过定滑轮Ⅴ18后经过髋关节轴承套挂耳41上的任一个凹槽后又经过定滑轮Ⅰ6连接到后脚板；踝关节液压驱动器19拉动牵引绳Ⅰ43，牵引绳Ⅰ43依次经过髋关节轴筒10上的凹槽及定滑轮Ⅰ6拉动后脚板1.1，以完成提踝动作，直到机械外骨骼脚踝部位转动幅度与人脚踝转幅相同。

膝关节液压驱动器20通过牵引绳Ⅱ44与膝关节部件200相连接，即膝关节液压驱动器20连接齿条40，齿条40与外圈带齿定滑轮Ⅰ14和外圈带齿定滑轮Ⅱ15相啮合，牵引绳Ⅱ44的一端与任一个牵引绳挂孔Ⅰ相连，另一端经过其中一个定滑轮Ⅱ后、从另一个凹槽穿过后、又从外圈带齿定滑轮Ⅰ14和外圈带齿定滑轮Ⅱ15穿过后、又依次经过定滑轮Ⅳ13、定滑轮Ⅲ42和另一个定滑轮Ⅱ后连接到另一个牵引绳挂孔Ⅰ；牵引绳Ⅱ44随着外圈带齿定滑轮Ⅰ14、外圈带齿定滑轮Ⅱ15的转动拉动轮盘8顺时针旋转，从而实现膝关节的弯曲；当膝关节需要回复原位时，刚性齿条40推动外圈带齿定滑轮Ⅰ14、外圈带齿定滑轮Ⅱ15反方向转动，通过牵引绳Ⅱ44使轮盘8逆时针转动，直到位移传感器29检测到的位移信号与人体一致为止。

髋关节后液压驱动器16和髋关节前液压驱动器17分别通过牵引绳Ⅲ45和牵引绳Ⅳ46与髋关节部件300相连接，即牵引绳Ⅲ45和牵引绳Ⅳ46分别与牵引绳挂孔Ⅲ36和牵引绳挂孔Ⅱ37相连；穿戴者髋关节的动作被髋关节压力传感器28探知后，

控制电液伺服阀组22处理通过髋关节后液压执行器16和髋关节前液压执行器17同时执行相反的动作，实现髋关节的屈曲和伸展。

Claims (10)

1.一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：该机械外骨骼包括踝关节部件（100）、膝关节部件（200）、髋关节部件（300）和控制部件(400)，所述踝关节部件（100）通过小腿支杆（34）连接膝关节部件（200），所述膝关节部件（200）通过大腿支杆（35）连接髋关节部件（300），所述踝关节部件（100）、膝关节部件（200）、髋关节部件（300）通过控制部件(400)实现机械外骨骼完成与人体相似的动作。

2.根据权利要求1所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述踝关节部件（100）包括脚板（1），所述脚板（1）通过回转轴承Ⅰ（33）与小腿支杆（34）活动连接，所述脚板（1）上间隔固定连接有两个限位销轴（32），在两个限位销轴（32）之间的小腿支杆（34）上固定连接一个双向限位挡块（31），在脚板（1）的上部和小腿支杆（34）上各固定连接一个弹簧挂耳（3），两个弹簧挂耳（3）之间悬挂一根拉伸弹簧（4），小腿支杆（34）上还固定连接一个定滑轮Ⅰ（6）。

3.根据权利要求2所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述脚板（1）分为后脚板（1.1）和前脚板（1.2），所述后脚板（1.1）和前脚板（1.2）之间通过销轴（1.3）连接，所述销轴（1.3）上套装有扭转弹簧（2），扭转弹簧（2）一端固定在后脚板（1.1）上，另一端固定在前脚板（1.2）上。

4.根据权利要求1所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述膝关节部件（200）包括轮盘（8），所述轮盘（8）下部与小腿支杆（34）固定连接，轮盘（8）中心与大腿支杆（35）之间通过回转轴承Ⅱ（5）活动连接，所述轮盘（8）上开有两个牵引绳挂孔Ⅰ（7），所述大腿支杆（35）上固定连接有两个定滑轮Ⅱ（9）。

5.根据权利要求1所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述髋关节部件（300）包括髋关节轴筒（10），所述髋关节轴筒（10）的下部与大腿支杆（35）固定连接，髋关节轴筒（10）的上部与髋关节轴承套（11）活动连接，髋关节轴承套（11）内安装有回转轴承Ⅲ（38），髋关节轴承套（11）连接有一个定滑轮Ⅲ（42），髋关节轴承套（11）的顶部固定连接一个牵引绳挂孔Ⅱ（37），髋关节轴承套（11）的底部固定连接一个牵引绳挂孔Ⅲ（36）；还包括一个刚性腰带（12），所述刚性腰带（12）的前端短轴与回转轴承Ⅲ（38）内圈相连接，所述刚性腰带（12）的后端固定连接背部多功能支架（21），所述背部多功能支架（21）上安装有呈T型布置的定滑轮组，所述定滑轮组包括外圈带齿定滑轮Ⅰ（14）、位于外圈带齿定滑轮Ⅰ（14）上方的外圈带齿定滑轮Ⅱ（15）以及位于外圈带齿定滑轮Ⅰ（14）两侧的定滑轮Ⅳ（13）和定滑轮Ⅴ（18）。

6.根据权利要求5所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述髋关节轴承套（11）上连接有两个髋关节轴承套挂耳（41），所述髋关节轴承套挂耳（41）与髋关节轴筒（10）相连接；靠近后背的髋关节轴承套挂耳（41）上间隔开有两个凹槽（39）。

7.根据权利要求1所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述控制部件(400)包括位于各个关节处的接收传感器，所述接收传感器与AD数模转换组（26）相连，所述AD数模转换组（26）与模拟比较器组（25）相连，所述模拟比较器组（25）与DA数模转换组（24）相连，所述DA数模转换组（24）与信号放大器组（23）相连，所述信号放大器组（23）与电液伺服阀组（22）相连，所述电液伺服阀组（22）与各个关节处的驱动器相连。

8.根据权利要求7所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述接收传感器包括位于踝关节处的踝关节压力传感器（30），位于膝关节处的位移传感器（29）和位于髋关节处的髋关节压力传感器（28）。

9.根据权利要求7所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：所述驱动器包括裸关节液压驱动器（19）、膝关节液压驱动器（20）、髋关节后液压驱动器（16）和髋关节前液压驱动器（17）；所述裸关节液压驱动器（19）通过牵引绳Ⅰ（43）与踝关节部件（100）相连接；所述膝关节液压驱动器（20）通过牵引绳Ⅱ（44）与膝关节部件（200）相连接；所述髋关节后液压驱动器（16）和髋关节前液压驱动器（17）分别通过牵引绳Ⅲ（45）和牵引绳Ⅳ（46）与髋关节部件（300）相连接。

10.根据权利要求1所述一种线传动穿戴式机械外骨骼，其特征在于：还包括一块为机械外骨骼提供动力的混合动力模块（27）。