CN106041899B - 一种下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢助力外骨骼机器人，涉及助力机器人技术领域,包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接。本发明具有结构简单、操作方便的优点，降低了机构的复杂程度，通过操控系统来灵活控制髋关节部件、下肢部件和踝关节部件的动作，方便提升控制性能，提高外骨骼的灵活性，降低外骨骼机器人的功率消耗。

Description

一种下肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及助力机器人技术领域,尤其涉及一种下肢助力外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种穿戴于人体外侧、帮助人体负重并且能够跟随人体运动的人机一体化智能系统。按照用途可分为康复外骨骼和助力外骨骼。康复外骨骼主要供失去行走能力的病残患者使用，用以代替或带动病人腿进行行走，使患者重新获得行走能力。助力外骨骼主要用于增强人体力量，使人能够轻松背负数倍于人体承受能力的重量而不觉得疲惫。

可见，康复外骨骼结构需要充分模拟人腿，才能达到较好的康复效果。对于助力外骨骼，研究人员都过分强调外骨骼的结构需要拟人化设计，即外骨骼机械仿照人腿，采用三个转动关节分别对应人腿的髋关节、膝关节和踝关节。然而，事与愿违，在追求完美人机体验过程中，拟人化的设计也带来了几大技术难题，导致了外骨骼技术裹足不前：1）目前外骨骼都采用拟人化设计，导致外骨骼机械结构较为复杂，过多的自由度导致控制难度呈几何倍数增加，而目前的控制水平并不能很好地控制外骨骼跟随人体运动。2）由于目前外骨骼的髋关节、膝关节、踝关节都采用转动关节，转动关节的驱动力通过布置在关节上的电机或者液压缸提供，由于驱动器布置在关节附件或者关节上，所以驱动力力臂远小于重力产生的阻力矩力臂，所以需要提高驱动力来平衡阻力矩，最终导致外骨骼整体耗能功率增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便的下肢助力外骨骼机器人，能够提高外骨骼的灵活性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种下肢助力外骨骼机器人，包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和带有足底的踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接。

优选的，所述背架下端与髋关节部件之间设有缓冲连接部件。

优选的，所述髋关节部件包括L型横杆、髋关节A杆、髋关节B杆、髋液压缸、髋下连接杆和髋绑缚带，所述L型横杆的短边部与髋关节A杆一端相连，L型横杆的长边部与缓冲连接部件活动连接，所述髋关节A杆另一端与髋关节B杆铰接，所述髋关节B杆下端通过髋下连接杆与下肢部件相连，所述髋液压缸设置在髋关节A杆与髋下连接杆之间。

优选的，所述缓冲连接部件包括L型连接板、支撑架和弹簧阻尼器，所述支撑架为工字型，所述L型连接板设置在支撑架上，所述背架设置在L型连接板上，所述L型横杆与工字型支撑架的中部竖梁铰接，所述弹簧阻尼器为四个、且分别相对设置在工字型支撑架的上下横梁端部，所述L型横杆的长边部设置在上下两个弹簧阻尼器的间隙内。

优选的，所述下肢部件包括上连接杆、平动液压缸、下连接杆和二级弹簧，所述上连接杆上端与髋关节部件为可拆卸连接、下端与平动液压缸缸体相连，所述平动液压缸活塞自由端与下连接杆相连，所述二级弹簧设置在下连接杆下端，所述下连接杆下端与踝关节部件相连。

优选的，所述踝关节部件包括支撑杆组件和足底，所述支撑杆组件上端与下肢部件连接、下端与足底转动连接。

优选的，所述踝关节部件还包括初级弹簧组件，所述初级弹簧组件包括弹簧导杆、初级弹簧、底座和滚轮，所述弹簧导杆上端设置在挡圈内、下端固定在底座上，所述挡圈设置在下肢部件下端，所述初级弹簧套装在弹簧导杆上、且设置在支撑杆组件侧面，挡圈对初级弹簧进行限位；所述滚轮设置在底座下端、且在支撑杆组件正下方，所述支撑杆组件下端侧面设有竖向卡槽，所述底座及滚轮能够在竖向卡槽内上下滑动。

优选的，所述支撑杆组件包括支撑杆、环形弹簧挡块、圆弧形弹簧导杆、足底转动轴孔、支撑杆转动轴、下挡块和环形弹簧，所述支撑杆下端侧面设有竖向卡槽，所述环形弹簧套装在弹簧导杆上，弹簧导杆下端套装在支撑杆转动轴上，支撑杆转动轴固定设置在支撑杆上，所述足底通过转动轴与足底转动轴孔配合，所述环形弹簧挡块设置在弹簧导杆圆弧顶部、且固定在支撑杆外壁，下挡块设置在弹簧导杆前部、且对应足底的前端。

优选的，所述足底包括踝关节连接部、前足底板、后足底板和足绑缚带，所述踝关节连接部包括固定在一侧的转轴孔和转动轴，前足底板和后足底板均为三层，自上而下依次为柔性材料、刚性板材和柔性材料，前足底板和后足底板的刚性板材通过板簧连接，所述前足底板和后足底板的刚性板材上下分别设置与操控系统相连的薄膜压力传感器。

优选的，所述背架包括控制箱、背架底座和缓冲垫，所述操控系统设置在控制箱内，所述操控系统包括液压系统、信息采集与处理系统、中央控制单元和电源模块，所述控制箱侧壁设有安装操控系统油管或导线的孔洞；所述背架底座为上开口的中空壳体，控制箱设置在背架底座内，背架底座后方铰接安装有负重板，负重板末端与背架底座铰接、中部通过背架弹簧与背架底座侧壁铰接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明中下肢部件采用平动液压缸形成平动关节代替传统的转动膝关节，从结构原理而言，并不过分追求拟人化结构，降低了机构的复杂程度，方便提升控制性能。

（2）外骨骼下端的下肢部件及踝关节部件通过初级弹簧和二级弹簧的单独作用或两个弹簧并联作用，这两种不同的工况下，外骨骼的刚度也表现为不同，使外骨骼的灵活性和负重能力都得到了兼顾。

（3）通过在前足底板和后足底板上设置薄膜压力传感器，形成两套对应的压力传感系统，与目前只布置一套压力传感系统相比，其作用不仅仅提升了对外骨骼接触地面时的工作状态识别能力，还能在用于外骨骼悬空时对人机接触力进行采集。

附图说明

图1是本发明实施例背负在人体后方的结构示意图；

图2是图1中缓冲连接部件的结构示意图；

图3是图1中髋关节部件的结构示意图；

图4是图1中下肢部件的结构示意图；

图5是图1中踝关节部件的结构示意图；

图6是图5中支撑杆组件的结构示意图；

图7是图6中支撑杆的结构示意图；

图8是图5中初级弹簧组件的结构示意图；

图9是图5中足底的结构示意图；

图10是图5中足底的俯视图；

图11是图1中背架的结构示意图；

图12是本发明在足底脱离底面时的状态图；

图13是本发明在足底接触底面时的状态图；

图14、15是本发明在支撑相阶段膝关节弯曲度变化时的状态图；

图16、17是本发明在摆动相阶段膝关节弯曲度变化时的状态图；

图中：1-背架,2-负重板,3-缓冲连接部件,4-髋关节部件,5-下肢部件,6-踝关节部件,9-操控系统,11-控制箱,12-背架底座,13-缓冲垫,14-背架弹簧,31-L型连接板,32-支撑架,33-弹簧阻尼器,41-L型横杆,42-髋关节A杆,43-髋关节B杆,44-髋液压缸,45-髋下连接杆,46-髋绑缚带,51-上连接杆,52-平动液压缸,53-下连接A杆,54-下连接B杆,55-挡圈,56-二级弹簧,61-支撑杆组件,62-初级弹簧组件,63-足底,610-支撑杆,611-环形弹簧挡块,612-圆弧形弹簧导杆,613-足底转动轴孔,614-支撑杆转动轴,615-下挡块,616-环形弹簧,6101-上圆管,6102-下圆管,6103-竖向卡槽,620-弹簧导杆,621-初级弹簧,622-底座,623-滚轮,630-柔性材料,631-薄膜压力传感器,632-板簧,633-刚性板材,634-足绑缚带,635-转轴孔,636-转动轴,637-前足底板,638-后足底板,91-液压系统,92-信息采集与处理系统,93-中央控制单元,94-电源模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所述的一种下肢助力外骨骼机器人，包括操控系统9、背架1、髋关节部件4、下肢部件5和带有足底的踝关节部件6，所述操控系统9设置在背架1上，所述髋关节部件4、下肢部件5和踝关节部件6均为两组、且对称设置在背架1两侧，所述髋关节部件4、下肢部件5和踝关节部件6自上而下依次相连、且均与操控系统9相连，所述髋关节部件4上端与背架1活动连接。将背架1固定在人体背部，利用髋关节部件4、下肢部件5和踝关节部件6实现助力行走，通过操控系统9来控制各部件动作，实现简化结构、灵活运动、低消耗的目的。

为了降低工作过程中背架1对髋关节部件4及以下部件造成振动，所述背架1下端与髋关节部件4之间设有缓冲连接部件3。

作为一种优选结构，如图3所示，所述髋关节部件4包括L型横杆41、髋关节A杆42、髋关节B杆43、髋液压缸44、髋下连接杆45和髋绑缚带46，所述L型横杆41的短边部与髋关节A杆42一端相连，L型横杆41的长边部与缓冲连接部件3活动连接，所述髋关节A杆42另一端与髋关节B杆43铰接，所述髋关节B杆43下端通过髋下连接杆45与下肢部件5相连，所述髋液压缸44设置在髋关节A杆42与髋下连接杆45之间。在髋关节A杆42与髋下连接杆45上分别焊有转动端子，各自与髋液压缸44的缸体、活塞杆端部铰接，髋关节的角度调节；利用安装在髋关节A杆42与髋关节B杆43铰接处的髋绑缚带46与人体绑缚固定，当人体大腿前后摆动时，操控系统9控制髋液压缸44动作，通过髋液压缸44推动髋下连接杆45使髋关节A杆42与髋关节B杆43的夹角发生变化，实现髋关节的角度调整。为了减轻整体重量、方便装卸，L型横杆41可选用圆管，与缓冲连接部件3为转动铰接，与髋关节A杆42通过螺钉连接。

如图2所示，所述缓冲连接部件3包括L型连接板31、支撑架32和弹簧阻尼器33，所述支撑架32为工字型，所述L型连接板31设置在支撑架32上，所述背架1设置在L型连接板31上，所述L型横杆41与工字型支撑架32的中部竖梁铰接，所述弹簧阻尼器33为四个、且分别相对设置在工字型支撑架32的上下横梁端部，所述L型横杆41的长边部设置在上下两个弹簧阻尼器33的间隙内。L型横杆41的长边部与上下弹簧阻尼器33间均留有一定的小间隙，可使L型横杆41在微小转动时不需要克服弹簧阻尼器33的弹簧力及阻尼力，增加转动灵活性。

在本发明一种优选实施例中，如图4，所述下肢部件5包括上连接杆51、平动液压缸52、下连接杆和二级弹簧56，所述上连接杆51上端与髋关节部件4为可拆卸连接、下端与平动液压缸52缸体相连，所述平动液压缸52活塞自由端与下连接杆相连，所述二级弹簧56设置在下连接杆下端，所述下连接杆下端与踝关节部件6相连。上连接杆51为圆管状，方便髋下连接杆45下端插入其中并通过螺钉固定连接，上连接杆51下端与平动液压缸52的缸体焊接固定。当人体膝关节在弯曲与伸直两种状态交替变换时，可通过平动液压缸52调节髋关节与踝关节之间的距离。其中，所述下连接杆包括下连接A杆53和下连接B杆54，下连接A杆53为套筒状，下连接B杆54通过螺钉固定设置在下连接A杆53内。这种结构方便装卸、维修，同时通过改变下连接B杆54在下连接A杆53内的安装位置，也可以调整下肢部件的长度。

在本发明一种优选实施例中，如图5，所述踝关节部件6包括支撑杆组件61和足底63，所述支撑杆组件61上端与下肢部件5连接、下端与足底63转动连接。

所述踝关节部件6还包括初级弹簧组件62，如图8所示，所述初级弹簧组件62包括弹簧导杆620、初级弹簧621、底座622和滚轮623，所述弹簧导杆620上端设置在挡圈55内、下端固定在底座622上，所述挡圈55设置在下肢部件5下端，所述初级弹簧621套装在弹簧导杆620上、且设置在支撑杆组件61侧面，挡圈55对初级弹簧621进行限位；所述滚轮623设置在底座622下端、且在支撑杆组件61正下方，所述支撑杆组件61下端侧面设有竖向卡槽6103，所述底座622及滚轮623能够在竖向卡槽内上下滑动。滚轮623能够保证使外骨骼接触不同地面时，底座622都能够顺利沿着竖向卡槽缩进支撑组件61内。

作为一种优选结构，如图6，所述支撑杆组件61包括支撑杆610、环形弹簧挡块611、圆弧形弹簧导杆612、足底转动轴孔613、支撑杆转动轴614、下挡块615和环形弹簧616，所述支撑杆610下端侧面设有竖向卡槽6103，所述环形弹簧616套装在弹簧导杆612上，弹簧导杆612下端套装在支撑杆转动轴614上，支撑杆转动轴614固定设置在支撑杆610上，所述足底63通过转动轴636与足底转动轴孔613配合，所述环形弹簧挡块611设置在弹簧导杆612圆弧顶部、且固定在支撑杆610外壁，下挡块615设置在弹簧导杆612前部、且对应足底63的前端。环形弹簧616只在前侧放置，当外骨骼下肢往前倾斜时，通过环形弹簧616提供支撑力，使之能够保持平衡。

在本发明一种具体实施例中，如图7，支撑杆610由一端开口的两段圆管焊接固定而成，上圆管6101与下肢部件5的下连接B杆54固定相连,其中下圆管6102管壁开有竖向卡槽，环形弹簧挡块611和支撑杆转动轴614焊接在圆管6102外管壁上；底座622下边主体部分为实心圆柱，套装在下圆杆6102内管中，上边穿出下圆管6102的竖向卡槽与弹簧导杆620相连，底座622整体可以沿着下圆杆6102的竖向卡槽实现上下移动，实现支撑杆组件61与初级弹簧组件62的底座622产生相对运动。

为了提高足底63的灵活性及灵敏度，如图9、10所示，所述足底63包括踝关节连接部、前足底板637、后足底板638和足绑缚带634，所述踝关节连接部包括固定在一侧的转轴孔635和转动轴636，前足底板637和后足底板638均为三层，自上而下依次为柔性材料630、刚性板材633和柔性材料630，前足底板637和后足底板638的刚性板材633通过板簧632连接，所述前足底板637和后足底板638的刚性板材633上下分别设置与操控系统9相连的薄膜压力传感器631。

如图11所示，所述背架1包括控制箱11、背架底座12和缓冲垫13，所述操控系统9设置在控制箱11内，所述操控系统9包括液压系统91、信息采集与处理系统92、中央控制单元93和电源模块94，所述控制箱11侧壁设有孔洞，用于安装操控系统的油管或导线；所述背架底座12为上开口的中空壳体，控制箱11设置在背架底座12内，背架底座12下边形状与缓冲连接部件3的L型连接板31相配合，方便背架底座12在L型连接板31上稳定放置和固定；利用缓冲垫13来减少控制箱11箱体及内部元件的振动。

另外，如图11，背架底座12后方铰接安装有负重板2，负重板2末端与背架底座12铰接、中部通过背架弹簧14与背架底座12侧壁铰接，这样的有益效果是在负重板2不放置重物时，负重板2自动收缩；当负重板2上放置重物时，弹簧能够减少负重板2处的振动，增加负重的安全性。

人体行走原理如下：

1.人体行走分为支撑相和摆动相，支撑相就是腿部着地支撑身体的时间段；摆动相就是腿部在空中摆动的时间段。

2.外骨骼穿在人体外面，所以外骨骼行走也遵循支撑相和摆动相。其中支撑相又可以分为支撑相初期（腿部刚接触地面阶段），支撑相中期（腿部弯曲接触地面阶段），支撑相末期（腿部马上进入摆动相阶段）。

3.外骨骼在支撑相初期时，外骨骼腿部与地面开始接触，为了避免突然触地振动过大，需要关节刚度最小；

外骨骼在支撑相中期时，外骨骼腿部正式与地面接触，需要起到支撑重量的作用，需要关节刚度较大；

外骨骼在支撑相末期时外骨骼腿部开始于与地面分离，需要运动灵活，需要关节刚度中较小。

本发明的工作原理如下：

如图12、13所示，当外骨骼悬在空中、未与地面接触时，初级弹簧组件62由于重力作用处于最低位，此时初级弹簧组件62可以自由运动，不对外骨骼提供任何作用力。在支撑相初期阶段时，当外骨骼从空中着地时，初级弹簧组件62的滚轮623首先接触到地面，此时外骨骼上部仍旧悬在空中；当外骨骼继续往地面运动时，初级弹簧组件62的滚轮623支撑在地面上，外骨骼上部的重量通过挡圈55全部由初级弹簧621支撑，此时外骨骼平动关节部件5、支撑杆610和足底63也随之往下运动。在支撑相中期阶段，当负重继续增加时，滚轮623完全缩进支撑杆610内，此时滚轮623和下圆杆6102下端同时着地，外骨骼上部负重由初级弹簧621和二级弹簧56并联承受（即外骨骼弹簧等效刚度大大增加，提高外骨骼负重能力）。

如图14、15所示，由于初级弹簧621和二级弹簧56的存在，在支撑相时，人腿随着膝关节弯曲造成的髋部和踝部距离的轻微变化时，可以通过弹簧被压伸缩调整，不需要平动液压缸52作用，节省能源。当调整范围超出被动可调范围时，再通过控制平动液压缸52控制长度，实现外骨骼下肢的灵活调节。

如图16、17所示，当人体进入摆动相阶段时，通过髋液压缸44调节髋关节的角度，同时通过平动液压缸52控制外骨骼腿部的长度以适应人腿的长度变化。

综上所述，本发明具有结构简单、操作方便、耗能小的优点，降低了机构的复杂程度，根据人体运动的实际情况，通过操控系统来灵活控制髋关节部件、下肢部件和踝关节部件的动作，简化了操作过程，方便提升控制性能，提高外骨骼的灵活性，降低外骨骼机器人的功率消耗。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和带有足底的踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接；所述背架下端与髋关节部件之间设有缓冲连接部件；所述髋关节部件包括L型横杆、髋关节A杆、髋关节B杆、髋液压缸、髋下连接杆和髋绑缚带，所述L型横杆的短边部与髋关节A杆一端相连，L型横杆的长边部与缓冲连接部件活动连接，所述髋关节A杆另一端与髋关节B杆铰接，所述髋关节B杆下端通过髋下连接杆与下肢部件相连，所述髋液压缸设置在髋关节A杆与髋下连接杆之间；所述背架包括控制箱、背架底座和缓冲垫，所述操控系统设置在控制箱内，所述操控系统包括液压系统、信息采集与处理系统、中央控制单元和电源模块，所述控制箱侧壁设有安装操控系统油管或导线的孔洞；所述背架底座为上开口的中空壳体，控制箱设置在背架底座内，背架底座后方铰接安装有负重板，负重板末端与背架底座铰接、中部通过背架弹簧与背架底座侧壁铰接。

2.根据权利要求1所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述缓冲连接部件包括L型连接板、支撑架和弹簧阻尼器，所述支撑架为工字型，所述L型连接板设置在支撑架上，所述背架设置在L型连接板上，所述L型横杆与工字型支撑架的中部竖梁铰接，所述弹簧阻尼器为四个、且分别相对设置在工字型支撑架的上下横梁端部，所述L型横杆的长边部设置在上下两个弹簧阻尼器的间隙内。

3.根据权利要求1所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述下肢部件包括上连接杆、平动液压缸、下连接杆和二级弹簧，所述上连接杆上端与髋关节部件为可拆卸连接、下端与平动液压缸缸体相连，所述平动液压缸活塞自由端与下连接杆相连，所述二级弹簧设置在下连接杆下端，所述下连接杆下端与踝关节部件相连。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节部件包括支撑杆组件和足底，所述支撑杆组件上端与下肢部件连接、下端与足底转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节部件还包括初级弹簧组件，所述初级弹簧组件包括弹簧导杆、初级弹簧、底座和滚轮，所述弹簧导杆上端设置在挡圈内、下端固定在底座上，所述挡圈设置在下肢部件下端，所述初级弹簧套装在弹簧导杆上、且设置在支撑杆组件侧面，挡圈对初级弹簧进行限位；所述滚轮设置在底座下端、且在支撑杆组件正下方，所述支撑杆组件下端侧面设有竖向卡槽，所述底座及滚轮能够在竖向卡槽内上下滑动。

6.根据权利要求5所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述支撑杆组件包括支撑杆、环形弹簧挡块、圆弧形弹簧导杆、足底转动轴孔、支撑杆转动轴、下挡块和环形弹簧，所述支撑杆下端侧面设有竖向卡槽，所述环形弹簧套装在弹簧导杆上，弹簧导杆下端套装在支撑杆转动轴上，支撑杆转动轴固定设置在支撑杆上，所述足底通过转动轴与足底转动轴孔配合，所述环形弹簧挡块设置在弹簧导杆圆弧顶部、且固定在支撑杆外壁，下挡块设置在弹簧导杆前部、且对应足底的前端。

7.根据权利要求6所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述足底包括踝关节连接部、前足底板、后足底板和足绑缚带，所述踝关节连接部包括固定在一侧的转轴孔和转动轴，前足底板和后足底板均为三层，自上而下依次为柔性材料、刚性板材和柔性材料，前足底板和后足底板的刚性板材通过板簧连接，所述前足底板和后足底板的刚性板材上下分别设置与操控系统相连的薄膜压力传感器。