CN106078702B - 一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，背部与腰部上下设置，腰部上的腰部捆绑连接件与背部上的背部支撑件连接，髋关节上的髋关节转轴与腰部上的腰髋连接件铰接，髋关节上的弹簧上压板与弹簧调节板连接，弹簧调节板位于背部支撑件的上端，弹簧调节板与背部支撑件连接，导向滑轮座与腰部上的腰部固定板固连；大腿的上端通过腿髋连接轴与髋关节上的连接板铰接，髋关节上的钢丝固定件固装在大腿的外壁上，大腿的下端通过膝关节连接轴与膝关节支撑壳体的上端铰接，膝关节中的电机编码器、电机、减速器、联轴器和丝杠由上至下依次设置在大腿内部，小腿的上端与膝关节支撑壳体连接，小腿的下端通过足部关节轴承与足部铰接。本发明用于军用负重。

Description

一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种下肢助力外骨骼机器人，具体涉及一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人。

背景技术

目前，对于下肢助力外骨骼机器人来讲，膝关节和髋关节是至关重要的设计环节，而且这两个关节对机器人助力效果影响最大。现有的外骨骼机器人在膝关节和髋关节设计上都采用主动驱动，采用电机直接驱动，对电机出力和速度要求高，导致电机体积重量做的很大；采用液压缸驱动，整体体积大，还需要考虑液压泵站，油源泄露，环境污染，效率低下，而且运动范围受限制；还有的外骨骼只在膝关节采用主动驱动，采用电机直接驱动或者液压缸驱动，髋关节完全采用被动驱动，由穿戴者直接带动控制，这种设计方式，对膝关节的要求特别高，导致膝关节电机或者液压缸的尺寸、重量进一步加大，增加外骨骼整体重量，髋关节没有任何助力装置，完全由人体带动，会消耗人体很多体能，限制人体的正常运动范围。

发明内容

本发明为解决现有下肢助力外骨骼机器人，体积大、重量大、运动范围受限、消耗人体体能或者其他能源较大，能量利用率低的问题，而提出一种轻型化主被动结合式的下肢助力外骨骼机器人。

本发明的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，所述机器人包括背部、腰部、弹簧调节板、两个髋关节、两个膝关节、两个大腿、两个小腿、两个足部关节轴承、两个足部、两个腿髋连接轴、两个膝关节连接轴和两个绑腿塑料板；

每个髋关节包括髋关节转轴座、上滑轮轴、下滑轮轴、上滑轮、下滑轮、钢丝、导向滑轮、钢丝固定件、导向滑轮座、弹簧下压板、一组平衡弹簧和弹簧上压板，髋关节转轴座包括髋关节转轴和两个连接板，每个连接板的上方设有两个滑轮轴孔，每个连接板的下方设有一个腿髋连接轴孔，两个连接板平行设置，两个连接板对称设置在髋关节转轴的两侧，且两个连接板与髋关节转轴制成一体，上滑轮轴与下滑轮轴上下平行设置在两个连接板之间，上滑轮轴和下滑轮轴分别固装在相应的滑轮轴孔中，上滑轮通过轴承安装在上滑轮轴上，下滑轮通过轴承安装在下滑轮轴上，钢丝的下端先绕过下滑轮再绕过上滑轮后与钢丝固定件连接，钢丝的上端绕过导向滑轮后与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的下端与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的上端与弹簧上压板连接，导向滑轮固装在导向滑轮座中；

每个膝关节包括连杆轴、膝关节支撑壳体、电机编码器、电机、减速器、联轴器、丝杠、螺母传动部件、两个轴承座、两个导轨和两个弹性连杆，螺母传动部件包括丝杠螺母、滑块连接件、两个动力传动连接件和两个滑块，滑块连接件与丝杠螺母平行且同轴设置，两个动力传动连接件设置在丝杠螺母与滑块连接件之间，两个动力传动连接件以丝杠的轴线为基准对称设置，每个动力传动连接件的外侧设有连杆销，两个滑块对称设置在动力传动连接件的两侧；

电机与电机编码器连接，减速器与电机连接，丝杠的输入端通过联轴器与减速器连接，丝杠的两端分别支撑在相应的轴承座中，螺母传动部件套装在丝杠上，且丝杠螺母与丝杠螺纹连接，两个导轨与两个滑块一一对应，且滑块与导轨滑动连接，两个弹性连杆与两个连杆销一一对应，弹性连杆的一端与连杆销铰接，弹性连杆的另一端通过连杆轴与膝关节支撑壳体中部铰接；

背部与腰部上下设置，且腰部上的腰部捆绑连接件与背部上的背部支撑件连接，两个髋关节与腰部上的两个腰髋连接件一一对应，髋关节上的髋关节转轴与腰部上的腰髋连接件铰接，髋关节上的弹簧上压板与弹簧调节板连接，弹簧调节板位于背部支撑件的上端，弹簧调节板与背部支撑件连接，导向滑轮座与腰部上的腰部固定板固连；

两个大腿与两个髋关节一一对应，大腿的上端通过腿髋连接轴与髋关节上的连接板铰接，髋关节上的钢丝固定件固装在大腿的外壁上，两个膝关节与两个大腿一一对应，大腿的下端通过膝关节连接轴与膝关节支撑壳体的上端铰接，膝关节中的电机编码器、电机、减速器、联轴器和丝杠由上至下依次设置在大腿内部，两个小腿与两个膝关节一一对应，两个足部与两个小腿一一对应，小腿的上端与膝关节支撑壳体连接，小腿的下端通过足部关节轴承与足部铰接，两个绑腿塑料板与两个大腿一一对应，绑腿塑料板与大腿连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的膝关节为主动关节，膝关节采用电机丝杠配合提供动力的方式，相对电机直接驱动膝关节转动而言，增大了相同电机输出扭矩时的末端出力，提高了使用效率，减小了电机体积和重量，增加了结构紧凑性，对电机要求低，且具有一定的缓冲作用。采用丝杠螺母和曲柄连杆机构实现了由旋转运动到直线运动，再到旋转运动的转化，使整体结构更加紧凑，在较小的空间小实现大出力，从而实现轻型化重负载的助力效果。利用弹性连杆，使末端出力在保证负载要求的情况下，具有稳定的输出力、较低的输出阻抗，实现精确的力和力矩控制，并且具有缓冲外部冲击的能力。

二、本发明的髋关节为被动平衡关节，髋关节采用了平衡弹簧进行重力平衡，平衡弹簧在背部的弹簧的弹性势能与外骨骼的下肢重力势能相互平衡，达到人体不用克服外骨骼重力就可以在髋关节自由运动的效果，减少了不必要的能量消耗，利用钢丝实现了空间上的重力平衡，利用平衡弹簧进行重力平衡使得本发明结构简单、体积小、质量轻，满足了轻型化的设计标准。由于平衡弹簧的平衡作用，使得弹簧的弹性势能始终和外骨骼下肢的重力是能平衡。不管人体运动到任何姿态，都不需要人体出力维持姿态，不需要人体克服运动到外骨骼下肢的重力做功。

三、本发明在小腿与足部连接处采用足部连接轴进行铰接，使得本发明具有屈伸、内收/外摆、内旋/外旋三个自由度。采用足部连接轴进行铰接，使得整体体积小、结构更加紧凑、且满足一定的承力效果。

四、腰部具有一个自由度，为内收/外展，用来满足人体上下楼梯，行走运动时左右两条腿上下晃动的的要求；髋关节设置两个自由度，分别为屈伸和内收/外展，屈伸自由度上采用平衡弹簧被动平衡机构；膝关节设置一个关节，为屈伸自由度，采用串联弹性机构驱动；足部设置三个自由度，分别为屈伸、内收/外摆、内旋/外旋；与人体构型基本完全贴合，穿戴舒适；在大腿、小腿、腰部还设有伸缩调节机构，以适应不同的穿戴者的身材体型。

五、本发明的具有调节功能，能够根据外骨骼下肢的重力变化调节平衡弹簧的挂点，以适应不同负载，实现不同负载下的重力平衡。

六、本发明的整体重量包括电气系统不超过15kg，最大负重70kg，实现轻型化大负载的要求。

七、本发明用于军事领域和工业领域的背负大负载行进和工作，主要用于军用负重。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；

图2是图1的右视图；

图3是背部A与腰部的主视图；

图4是图3的后视图；

图5是髋关节C与背部A和腰部B的连接关系示意图；

图6是大腿E与髋关节C和膝关节D的连接关系示意图；

图7是膝关节D的结构示意图；

图8是动力传动部件D7的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式包括背部A、腰部B、弹簧调节板J、两个髋关节C、两个膝关节D、两个大腿E、两个小腿F、两个足部关节轴承G、两个足部H、两个腿髋连接轴I、两个膝关节连接轴K和两个绑腿塑料板L；

每个髋关节C包括髋关节转轴座C1、上滑轮轴C2、下滑轮轴C3、上滑轮C4、下滑轮C5、钢丝C6、导向滑轮C7、钢丝固定件C8、导向滑轮座C9、弹簧下压板C10、一组平衡弹簧C11和弹簧上压板C12，髋关节转轴座C1包括髋关节转轴C1-1和两个连接板C1-2，每个连接板C1-2的上方设有两个滑轮轴孔C1-2-1，每个连接板C1-2的下方设有一个腿髋连接轴孔C1-2-2，两个连接板C1-2平行设置，两个连接板C1-2对称设置在髋关节转轴C1-1的两侧，且两个连接板C1-2与髋关节转轴C1-1制成一体，上滑轮轴C2与下滑轮轴C3上下平行设置在两个连接板C1-2之间，上滑轮轴C2和下滑轮轴C3分别固装在相应的滑轮轴孔C1-2-1中，上滑轮C4通过轴承安装在上滑轮轴C2上，下滑轮C5通过轴承安装在下滑轮轴C3上，钢丝C6的下端先绕过下滑轮C5再绕过上滑轮C4后与钢丝固定件C8连接，钢丝C6的上端绕过导向滑轮C7后与弹簧下压板C10连接，一组平衡弹簧C11的下端与弹簧下压板C10连接，一组平衡弹簧C11的上端与弹簧上压板C12连接，导向滑轮C7固装在导向滑轮座C9中；

每个膝关节D包括连杆轴D0、膝关节支撑壳体D1、电机编码器D2、电机D3、减速器D4、联轴器D5、丝杠D6、螺母传动部件D7、两个轴承座D8、两个导轨D9和两个弹性连杆D10，螺母传动部件D7包括丝杠螺母D71、滑块连接件D72、两个动力传动连接件D73和两个滑块D74，滑块连接件D72与丝杠螺母D71平行且同轴设置，两个动力传动连接件D73设置在丝杠螺母D71与滑块连接件D72之间，两个动力传动连接件D73以丝杠D6的轴线为基准对称设置，每个动力传动连接件D73的外侧设有连杆销D731，丝杠螺母D71与动力传动连接件D73通过连接元件连接，滑块连接件D72与动力传动连接件D73通过连接元件连接，两个滑块D74对称设置在动力传动连接件D73的两侧，动力传动部件D7由丝杠D6提供动力，由滑块D73进行导向实现直线动力传递作用；

电机D3与电机编码器D2连接，减速器D4与电机D3连接，丝杠D6的输入端通过联轴器D5与减速器D4连接，丝杠D6的两端分别支撑在相应的轴承座D8中，螺母传动部件D7套装在丝杠D6上，且丝杠螺母D71与丝杠D6螺纹连接，两个导轨D9与两个滑块D74一一对应，且滑块D74与导轨D9滑动连接，两个弹性连杆D10与两个连杆销D731一一对应，弹性连杆D10的一端与连杆销D731铰接，弹性连杆D10的另一端通过连杆轴D0与膝关节支撑壳体D1中部铰接；

背部A与腰部B上下设置，且腰部B上的腰部捆绑连接件B1与背部A上的背部支撑件A1通过连接元件连接，两个髋关节C与腰部B上的两个腰髋连接件B4一一对应，髋关节C上的髋关节转轴C1-1与腰部B上的腰髋连接件B4铰接，髋关节C上的弹簧上压板C12与弹簧调节板J通过连接元件连接，弹簧调节板J位于背部支撑件A1的上端，弹簧调节板J与背部支撑件A1通过连接元件连接，导向滑轮座C9与腰部B上的腰部固定板B2固连；

两个大腿E与两个髋关节C一一对应，大腿E的上端通过腿髋连接轴I与髋关节C上的连接板C1-2铰接，髋关节C上的钢丝固定件C8固装在大腿E的外壁上，两个膝关节D与两个大腿E一一对应，大腿D的下端通过膝关节连接轴K与膝关节支撑壳体D1的上端铰接，膝关节D中的电机编码器D2、电机D3、减速器D4、联轴器D5和丝杠D6由上至下依次设置在大腿D内部，且轴承座D8与大腿E的内壁固定连接，导轨D9与大腿E的内壁固定连接，两个小腿F与两个膝关节D一一对应，两个足部H与两个小腿F一一对应，小腿F的上端与膝关节支撑壳体D1通过连接元件连接，小腿F的下端通过足部关节轴承G与足部H铰接，两个绑腿塑料板L与两个大腿E一一对应，绑腿塑料板L通过连接元件与大腿E连接。足部关节轴承G为市售产品。在足部关节处采用关节轴承G，实现了脚部绕踝关节完成屈伸、内收/外展、内旋/外旋三个自由度的旋转，最大程度满足拟人化和轻型化的设计要求。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的背部A包括背部支撑件A1和背部捆绑连接件A2，背部捆绑连接件A2与背部支撑件A1前后设置，背部捆绑连接件A2与背部支撑件A1通过连接元件连接，并且可以通过背部支撑件A1上的多个竖向连接元件安装孔的连接位置调节背部捆绑连接件A2的高度，用来适应不同身高的穿戴者。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式的一组平衡弹簧C11的数量为两个，且该两个平衡弹簧C11平行设置。该两个平衡弹簧C11并联起来平衡一侧的外骨骼下肢重力势能。弹簧调节板J通过调节背部支撑件A1的安装位置，来改变平衡弹簧C11的挂点，以改变平衡弹簧C11的伸长量、原长和刚度，从而达到在外骨骼下肢的重力势能变化的情况下，还能达到弹簧弹性势能与外骨骼重力势能平衡的效果。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的腰部B包括腰部捆绑连接件B1、腰部固定板B2、腰部转轴B3和两个腰髋连接件B4，腰部固定板B2设置在腰部捆绑连接件B1的后面，腰部固定板B2与腰部捆绑连接件B1通过连接元件链接，腰部转轴B3的一端与腰部捆绑连接件B1固接，腰部转轴B3的另一端通过角接触球轴承支撑在腰部固定板B2中，腰部固定板B2可以绕腰部转轴B3进行正负5度的旋转，以进行腰部B调节，使其适应人体在行进过程中两腿的上下浮动；两个腰髋连接件B4对称设置在腰部固定板B2的左右侧，且两个腰髋连接件B4均与腰部固定板B2通过连接元件连接，通过腰髋连接件B4上的多个连接元件安装孔进行腰髋连接件B4与腰部固定板B2的位置调节，以调节腰部B的宽度，适应不同身材的穿戴者。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的每个足部H包括踝关节H1和脚H2，踝关节H1垂直设置在脚H2的一侧，踝关节H1与脚H2通过连接元件连接。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的小腿F和膝关节支撑壳体D1上均沿竖向设有多个连接孔。这样设计用以调节小腿F与膝关节支撑壳体D1的连接位置，来改变小腿F的长度以适应不同的人群。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式的钢丝C6外部设置有护套。钢丝C6与护套组合在一起成为鲍登线。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

本发明的工作原理：在大腿E绕髋关节C屈伸自由度旋转的时候，平衡弹簧C11的伸长量会发生变化，即平衡弹簧C11的长度会发生变化，通过计算设计，并进行合理的结构设计，可以达到不管下肢怎么旋转，下肢的重力势能都会和长度变化的弹簧的弹性势能保持势能的守恒，达到重力平衡的效果，使人体不用克服外骨骼的重力做功。

Claims (7)

1.一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述机器人包括背部(A)、腰部(B)、弹簧调节板(J)、两个髋关节(C)、两个膝关节(D)、两个大腿(E)、两个小腿(F)、两个足部关节轴承(G)、两个足部(H)、两个腿髋连接轴(I)、两个膝关节连接轴(K)和两个绑腿塑料板(L)；

每个髋关节(C)包括髋关节转轴座(C1)、上滑轮轴(C2)、下滑轮轴(C3)、上滑轮(C4)、下滑轮(C5)、钢丝(C6)、导向滑轮(C7)、钢丝固定件(C8)、导向滑轮座(C9)、弹簧下压板(C10)、一组平衡弹簧(C11)和弹簧上压板(C12)，髋关节转轴座(C1)包括髋关节转轴(C1-1)和两个连接板(C1-2)，每个连接板(C1-2)的上方设有两个滑轮轴孔(C1-2-1)，每个连接板(C1-2)的下方设有一个腿髋连接轴孔(C1-2-2)，两个连接板(C1-2)平行设置，两个连接板(C1-2)对称设置在髋关节转轴(C1-1)的两侧，且两个连接板(C1-2)与髋关节转轴(C1-1)制成一体，上滑轮轴(C2)与下滑轮轴(C3)上下平行设置在两个连接板(C1-2)之间，上滑轮轴(C2)和下滑轮轴(C3)分别固装在相应的滑轮轴孔(C1-2-1)中，上滑轮(C4)通过轴承安装在上滑轮轴(C2)上，下滑轮(C5)通过轴承安装在下滑轮轴(C3)上，钢丝(C6)的下端先绕过下滑轮(C5)再绕过上滑轮(C4)后与钢丝固定件(C8)连接，钢丝(C6)的上端绕过导向滑轮(C7)后与弹簧下压板(C10)连接，一组平衡弹簧(C11)的下端与弹簧下压板(C10)连接，一组平衡弹簧(C11)的上端与弹簧上压板(C12)连接，导向滑轮(C7)固装在导向滑轮座(C9)中；

每个膝关节(D)包括连杆轴(D0)、膝关节支撑壳体(D1)、电机编码器(D2)、电机(D3)、减速器(D4)、联轴器(D5)、丝杠(D6)、螺母传动部件(D7)、两个轴承座(D8)、两个导轨(D9)和两个弹性连杆(D10)，螺母传动部件(D7)包括丝杠螺母(D71)、滑块连接件(D72)、两个动力传动连接件(D73)和两个滑块(D74)，滑块连接件(D72)与丝杠螺母(D71)平行且同轴设置，两个动力传动连接件(D73)设置在丝杠螺母(D71)与滑块连接件(D72)之间，两个动力传动连接件(D73)以丝杠(D6)的轴线为基准对称设置，每个动力传动连接件(D73)的外侧设有连杆销(D731)，两个滑块(D74)对称设置在动力传动连接件(D73)的两侧；

电机(D3)与电机编码器(D2)连接，减速器(D4)与电机(D3)连接，丝杠(D6)的输入端通过联轴器(D5)与减速器(D4)连接，丝杠(D6)的两端分别支撑在相应的轴承座(D8)中，螺母传动部件(D7)套装在丝杠(D6)上，且丝杠螺母(D71)与丝杠(D6)螺纹连接，两个导轨(D9)与两个滑块(D74)一一对应，且滑块(D74)与导轨(D9)滑动连接，两个弹性连杆(D10)与两个连杆销(D731)一一对应，弹性连杆(D10)的一端与连杆销(D731)铰接，弹性连杆(D10)的另一端通过连杆轴(D0)与膝关节支撑壳体(D1)中部铰接；

背部(A)与腰部(B)上下设置，且腰部(B)上的腰部捆绑连接件(B1)与背部(A)上的背部支撑件(A1)连接，两个髋关节(C)与腰部(B)上的两个腰髋连接件(B4)一一对应，髋关节(C)上的髋关节转轴(C1-1)与腰部(B)上的腰髋连接件(B4)铰接，髋关节(C)上的弹簧上压板(C12)与弹簧调节板(J)连接，弹簧调节板(J)位于背部支撑件(A1)的上端，弹簧调节板(J)与背部支撑件(A1)连接，导向滑轮座(C9)与腰部(B)上的腰部固定板(B2)固连；

两个大腿(E)与两个髋关节(C)一一对应，大腿(E)的上端通过腿髋连接轴(I)与髋关节(C)上的连接板(C1-2)铰接，髋关节(C)上的钢丝固定件(C8)固装在大腿(E)的外壁上，两个膝关节(D)与两个大腿(E)一一对应，大腿(E)的下端通过膝关节连接轴(K)与膝关节支撑壳体(D1)的上端铰接，膝关节(D)中的电机编码器(D2)、电机(D3)、减速器(D4)、联轴器(D5)和丝杠(D6)由上至下依次设置在大腿(E)内部，两个小腿(F)与两个膝关节(D)一一对应，两个足部(H)与两个小腿(F)一一对应，小腿(F)的上端与膝关节支撑壳体(D1)连接，小腿(F)的下端通过足部关节轴承(G)与足部(H)铰接，两个绑腿塑料板(L)与两个大腿(E)一一对应，绑腿塑料板(L)与大腿(E)连接。

2.根据权利要求1所述的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述背部(A)包括背部支撑件(A1)和背部捆绑连接件(A2)，背部捆绑连接件(A2)与背部支撑件(A1)前后设置，背部捆绑连接件(A2)与背部支撑件(A1)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述一组平衡弹簧(C11)的数量为两个，且该两个平衡弹簧(C11)平行设置。

4.根据权利要求3所述的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述腰部(B)包括腰部捆绑连接件(B1)、腰部固定板(B2)、腰部转轴(B3)和两个腰髋连接件(B4)，腰部固定板(B2)设置在腰部捆绑连接件(B1)的后面，腰部固定板(B2)与腰部捆绑连接件(B1)链接，腰部转轴(B3)的一端与腰部捆绑连接件(B1)固接，腰部转轴(B3)的另一端通过角接触球轴承支撑在腰部固定板(B2)中，两个腰髋连接件(B4)对称设置在腰部固定板(B2)的左右侧，且两个腰髋连接件(B4)均与腰部固定板(B2)连接。

5.根据权利要求4所述的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：每个足部(H)包括踝关节(H1)和脚(H2)，踝关节(H1)垂直设置在脚(H2)的一侧，踝关节(H1)与脚(H2)通过连接元件连接。

6.根据权利要求5所述的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：小腿(F)和膝关节支撑壳体(D1)上均沿竖向设有多个连接孔。

7.根据权利要求6所述的一种轻型化主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述钢丝(C6)外部设置有护套。