CN106137687B - 一种下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢外骨骼机器人，涉及机器人技术领域,包括控制盒、背架、髋关节组件、大腿杆、膝关节组件、小腿杆、支撑足组件，大腿杆、膝关节组件、小腿杆、支撑足组件均为两个，控制盒内设控制器和电源；控制盒设置在背架上，背架与髋关节组件相连接，两个大腿杆上端与髋关节组件铰接、下端分别与膝关节组件相连，小腿杆两端分别与膝关节组件及支撑足组件相连，髋关节组件及膝关节组件均与控制盒相连。利用控制器控制膝关节组件发生弯曲，使膝关节的弯曲工况与人体生理弯曲相接近，改善原来膝关节刚性大导致振动冲击大的状况。利用本发明提升关节的柔顺性，适应不同工况和不同路面的使用需求。

Description

一种下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域,尤其涉及一种下肢外骨骼机器人。

背景技术

近年来，可穿戴式外骨骼机器人在人体助力领域逐渐得到了广泛的认识，外骨骼机器人主要应用在行动不便的病人、残疾人康复或医疗辅助等领域，多用来帮助残疾人的辅助行走及为正常人提供人体助力。由于外骨骼穿戴于人体外侧，其机构设计需要拟人化，外骨骼的终极目标是使得外骨骼机械腿能够像人腿一样灵活实用，为此依据人体仿生学原理进行设计是一种较好的外骨骼结构优化设计的方法。

研究表明，行走时人腿在行走过程中带有弹性，可以避免因接触路面造成的振动冲击，而且其弹性及刚度可以实时调整，其原理如下：人体在行走时，针对不同的行走状态，可以通过老练的骨骼肌肉系统实时调整腿部关节的刚度，使人体能够适应不同的步行速度、步行幅度和路况等，大大增加了适应环境的能力。而目前外骨骼多采用刚性关节，导致使用过程中存在以下缺陷：1）外骨骼工作时，刚性关节导致振动冲击大，造成设备损坏；2）由于外骨骼穿戴于人体外侧，属于人机耦合设备，刚性关节会牵绊人体，造成人体穿戴不舒适；3）适应不同路面和工况能力差。

发明内容

本发明提供一种下肢外骨骼机器人，旨在解决关节刚性导致振动冲击大，造成设备损坏、人体穿戴不适的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种下肢外骨骼机器人，包括控制盒、背架、髋关节组件、大腿杆、膝关节组件、小腿杆、支撑足组件，所述大腿杆、膝关节组件、小腿杆、支撑足组件均为两个，所述控制盒内设控制器和电源；所述控制盒设置在背架上，所述背架与髋关节组件相连接，两个大腿杆上端与髋关节组件铰接、下端分别与膝关节组件相连，所述小腿杆两端分别与膝关节组件及支撑足组件相连，所述髋关节组件及膝关节组件均与控制盒相连。

优选的，所述背架包括背板和两个横杆，所述横杆为L型，背板为工字型框架，背板下部两端分别与两个横杆活动连接，横杆另一端通过髋关节组件与大腿杆上端活动连接。

优选的，所述背板与横杆之间还设有支撑阻尼器，所述支撑阻尼器为两个，两个支撑阻尼器分别设置在背板上部两端与横杆之间。

优选的，所述髋关节组件包括双耳套环、髋关节电机和枢轴，所述双耳套环与横杆外侧端部固定连接，髋关节电机外壳与双耳套环的外侧固定连接，髋关节电机输出轴与枢轴连接，枢轴与大腿杆上端固定连接，枢轴设置双耳套环之间、且两端与双耳套环的内孔配合。

优选的，所述膝关节组件包括膝关节上杆、膝关节轴、膝关节下杆和板簧，所述膝关节上杆上端设置在大腿杆下端孔内、下端套装在膝关节轴上，所述膝关节下杆下端设置在小腿杆上端孔内，由关节电机驱动的膝关节轴与膝关节下杆固定连接，所述板簧上端套装在大腿杆上、下端固定连接在关节电机外壳上，关节电机外壳活动套装在膝关节轴上。

优选的，所述板簧上端与板簧固定板相连，所述板簧固定板套装在大腿杆上，板簧下端通过固定外壳与关节电机外壳相连，所述固定外壳为框架式结构，固定外壳内设能够带动板簧支点套上下滑动的垂直移位机构，所述板簧支点套另一端套装在板簧上。

优选的，所述垂直移位机构包括调节电机和滚珠丝杆，所述调节电机设置在固定外壳下方，所述滚珠丝杆设置在固定外壳内部，所述板簧支点套与滚珠丝杆配合。

优选的，所述支撑足组件包括足连接杆、足支撑座及设置在足支撑座内侧的鞋底，所述足连接杆上端设置在小腿杆下端孔内，足连接杆下端通过足支撑座与鞋底相连。

优选的，所述足支撑座上端与足连接杆固定连接，足支撑座下端与鞋底为活动连接，使足支撑座能够相对鞋底上下滑动，足支撑座与鞋底之间设有足弯曲板簧，所述足弯曲板簧为弧形，所述足弯曲板簧上端与足支撑座上端固定连接，足弯曲板簧下端自由插入足支撑座下端卡槽。

优选的，所述鞋底上设有两个与控制盒相连的压力传感器，两个压力传感器分别设置在鞋底的前部和后部。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）膝关节刚度通过刚度调节电机实时改变，增加了外骨骼柔顺性，减少了地面振动冲击，板簧可以进行储能，减少了能源消耗。

（2）支撑足通过人机工程设计，具有刚度被动调整功能，增加了外骨骼与地面接触时的柔顺性；通过被动板簧蓄能，减轻了行走过程人体的能耗。

（3）本发明具有结构简单紧凑、操作方便的优点，能够提升关节的柔顺性的，适应不同工况和不同路面的使用需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人的结构示意图；

图2是图1中背架的结构示意图；

图3是图1中膝关节组件的结构示意图；

图4是图1中支撑足组件的结构示意图；

图5是膝关节组件的工作原理图；

图6是下肢外骨骼机器人在支撑相初期的工作原理图；

图7是下肢外骨骼机器人在支撑相中期的工作原理图；

图8是下肢外骨骼机器人在摆动相阶段的工作原理图；

图中：1-控制盒，2-背架，3-髋关节组件，4-大腿杆，5-膝关节组件，6-小腿杆，7-支撑足组件，21-横杆，22-支撑阻尼器，23-背板，31-双耳套环，32-髋关节电机，33-枢轴，41-上连接杆，42-大腿杆主体，51-板簧固定板，52-板簧，53-滚珠丝杆，54-板簧支点套，55-固定外壳，56-调节电机，57A-膝关节上杆，57B-膝关节上杆，58-膝关节轴，59-关节电机，71-足连接杆，72-足支撑座，73-足弯曲板簧，74-鞋底，75-压力传感器，76-鞋固定板。

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所示，本发明提供的下肢外骨骼机器人，包括控制盒1、背架2、髋关节组件3、大腿杆4、膝关节组件5、小腿杆6、支撑足组件7，所述大腿杆4、膝关节组件5、小腿杆6、支撑足组件7均为两个，所述控制盒1内设控制器和电源；所述控制盒1设置在背架2上，所述背架2与髋关节组件3相连接，两个大腿杆4上端分别与髋关节组件3活动连接、下端分别与膝关节组件5相连，所述小腿杆6两端分别与膝关节组件5及支撑足组件7相连，所述髋关节组件3及膝关节组件5与控制盒1相连。利用控制器控制膝关节组件5发生弯曲，使膝关节的弯曲工况与人体生理弯曲相接近，改善原来膝关节刚性大导致振动冲击大的状况。

为了方便安装拆卸，大腿杆4和小腿杆6可设计为分体式，以大腿杆4为例，包括上连接杆41及与之固定连接的大腿杆主体42，大腿杆主体42下部设有连接孔，用来与膝关节组件5配合。

在本发明一个优选实施例中，如图2所示，所述背架2包括背板23和两个横杆21，所述横杆21为L型，背板23为工字型框架，背板23下部两端分别与两个横杆21活动连接，横杆21另一端与大腿杆4活动连接。背板23下部两端设有连接孔，左右两根横杆21与之相连部位设有双耳，二者可通过销轴活动连接，可使两个横杆21相对背板23上下旋转，使用更方便灵活。

在本发明一个优选实施例中，所述髋关节组件3包括双耳套环31、髋关节电机32和枢轴33，双耳套环31与横杆21外侧端部固定连接，髋关节电机32外壳与双耳套环31的外侧固定连接，髋关节电机32输出轴与枢轴33固定连接，枢轴33与大腿杆4的上连接杆41固定连接，枢轴33设置双耳套环31之间、且两端与双耳套环31的内孔配合。

为了提升背部运动灵活性，所述背板23与横杆21之间还设有支撑阻尼器22，所述支撑阻尼器22为两个，两个支撑阻尼器22分别设置在背板23上部两端与横杆21之间。通过支撑阻尼器22支撑背板23和电源及控制器模块1重量，同时起到减少背板23和电源及控制器模块1振动的双重作用。

如图3所示，所述膝关节组件5包括膝关节上杆57B、膝关节轴58、膝关节下杆57A和板簧52，所述膝关节上杆57B上端设置在大腿杆4下端孔内、下端套装在膝关节轴58上，所述膝关节下杆57A下端设置在小腿杆6上端孔内，由关节电机59驱动的膝关节轴58与膝关节下杆57A固定连接，所述板簧52上端套装在大腿杆4上、下端固定连接在关节电机59外壳上，关节电机59外壳活动套装在膝关节轴58上。启动关节电机59，驱动膝关节轴58旋转，从而带动膝关节下杆57A相对膝关节上杆57B转动，实现膝关节的弯曲，借助板簧52弹性作用，改变膝关节弯曲的刚度，增加其弯曲柔韧性。

作为一种优选结构，所述板簧52上端与板簧固定板51相连，所述板簧固定板51套装在大腿杆4上，板簧52下端通过固定外壳55与关节电机59外壳相连，所述固定外壳55为框架式结构，固定外壳55内设能够带动板簧支点套54上下滑动的垂直移位机构，所述板簧支点套54另一端套装在板簧52上。

在本发明一个具体实施例中，所述垂直移位机构包括调节电机56和滚珠丝杆53，所述调节电机56设置在固定外壳55下方，所述滚珠丝杆53设置在固定外壳55内部，所述板簧支点套54与滚珠丝杆53配合。当刚度调节电机56旋转带动滚珠丝杆53转动，从而驱动板簧支点套54，其套装在板簧52上的一端也上下移动，从而改变了板簧52的受力支点位置，从而改变膝关节关节刚度。

在本发明一个优选实施例中，如图4所示，所述支撑足组件7包括足连接杆71、足支撑座72及设置在足支撑座72内侧的鞋底74，所述足连接杆71上端设置在小腿杆6下端孔内，足连接杆71下端通过足支撑座72与鞋底74相连。

作为一种优选结构，所述足支撑座72上端与足连接杆71固定连接，足支撑座72下端与鞋底74为活动连接，使足支撑座72能够相对鞋底74上下滑动，足支撑座72与鞋底74之间设有足弯曲板簧73，所述足弯曲板簧73为弧形，所述足弯曲板簧73上端与足支撑座72上端固定连接，足弯曲板簧73下端自由插入足支撑座72下端卡槽。足弯曲板簧73通过人机工程设计，使其具有一定的曲率，保证在外骨骼行走过程中，足弯曲板簧73上各段板簧都能够地面充分接触，并且由于每段的曲率不同，能够刚度被动改变，以适应不同的工况，保持外骨骼整体稳定性。

足部不采用动力驱动，减少了控制的复杂性，取而代之的是，安装一根具有一定曲率的足弯曲板簧，随着足弯曲板簧与地面接触部分的改变，足部与地面的接触刚度也发生，提升行走的舒适度。

在本发明一个具体实施例中，所述足支撑座72通过鞋固定板76与鞋底74相连，所述鞋固定板76为U型槽状，鞋底74后部固定在鞋固定板76的U型槽内；鞋固定板76外侧设有与足支撑座72下端配合的滑槽。

为了增强下肢外骨骼机器人的灵敏度，所述鞋底74上设有两个与控制盒1相连的压力传感器75，两个压力传感器75分别设置在鞋底74的前部和后部，可以感应不同的行走步态，将相关信号传输至控制器，从而更好地校正行走速度。

另外，鞋底74由柔性材料制成，增加了穿戴的舒适性。

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6所示，在支撑相阶段，当膝关节下杆57A触地时（也就说足部支撑在地面），关节电机59断电不工作，这时候膝关节下杆57A、及膝关节轴58、关节电机59外壳、固定外壳55都可以作为一个整体。使得上身负重及大腿杆4的重量依靠板簧52的弯曲变形产生的弹性支撑其与大腿杆绕膝关节轴58转动。

在支撑相的初期、中期、末期，不同时期对膝关节的刚度需求不同，通过调节电机56调节改变板簧52的支点位置。在初期，如图6，调节电机56转动使板簧支点套54位置较低，此时板簧52的支点位于最低，相同的负重可变形范围大，刚性小弹性大；在中期，如图7，需要支撑起人体负重，支点位置较高，可变形范围小；在末期，支点位置在较低位置。

在摆动相阶段，如图8，调节电机56将板簧支点套54上移到最顶端，此时板簧52几乎不能弯曲，可以视作刚体，此时的连接方式等效于：板簧固定板51、板簧52、滚珠丝杆53、板簧支点套54、固定外壳55可以视为一个刚性整体。此时，大腿杆4与关节电机59外壳固定，关节电机59轴与膝关节轴58固定，膝关节轴58与小腿杆6固定。这样就是最普通的两连杆，摆动时，大腿杆4可视作固定不同，关节电机59转动时，带动小腿杆7前后摆动，实现迈步。

以上是两种变刚度的主要情形，如果用在下蹲或者其他方式，也具有相同的功能。归纳起来说，就是关节电机59用来调节膝关节角度，到了特定角度后，由于膝关节可变刚度结构的存在，在该角度下，还可以通过调节电机56进行角度微调。

膝关节组件的工作原理如图5所示，采用板簧52作为弹性元件，通过板簧支点套54在板簧52上的位置不同，来改变板簧52的受力支点位置，从而改变板簧52的刚度，当支点位置为A时，板簧52不能做任何弯曲动作，可以以看成刚体；当支点位置改变至B时，板簧52右端可以自由弯曲（如虚线所示）；当支点位置移动到不同的位置，右端的刚度也随之改变。

综上所述，本发明具有结构简单紧凑、操作方便的优点，本发明提供的可变刚度外骨骼是依据仿生学原理，利用板簧来改变人体下肢刚度的行走原理，能够提升关节的柔顺性的，来提升外骨骼与人体穿戴时的工作性能，以适应不同工况和不同路面的使用需求。

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 (6)

1.一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括控制盒、背架、髋关节组件、大腿杆、膝关节组件、小腿杆、支撑足组件，所述大腿杆、膝关节组件、小腿杆、支撑足组件均为两个，所述控制盒内设控制器和电源；所述控制盒设置在背架上，所述背架与髋关节组件相连接，两个大腿杆上端与髋关节组件铰接、下端分别与膝关节组件相连，所述小腿杆两端分别与膝关节组件及支撑足组件相连，所述髋关节组件及膝关节组件均与控制盒相连；

所述膝关节组件包括膝关节上杆、膝关节轴、膝关节下杆和板簧，所述膝关节上杆上端设置在大腿杆下端孔内、下端套装在膝关节轴上，所述膝关节下杆下端设置在小腿杆上端孔内，由关节电机驱动的膝关节轴与膝关节下杆固定连接，所述板簧上端套装在大腿杆上、下端固定连接在关节电机外壳上，关节电机外壳活动套装在膝关节轴上；

所述板簧上端与板簧固定板相连，所述板簧固定板套装在大腿杆上，板簧下端通过固定外壳与关节电机外壳相连，所述固定外壳为框架式结构，固定外壳内设能够带动板簧支点套上下滑动的垂直移位机构，所述板簧支点套另一端套装在板簧上；所述垂直移位机构包括调节电机和滚珠丝杆，所述调节电机设置在固定外壳下方，所述滚珠丝杆设置在固定外壳内部，所述板簧支点套与滚珠丝杆配合；

所述支撑足组件包括足连接杆、足支撑座及设置在足支撑座内侧的鞋底，所述足连接杆上端设置在小腿杆下端孔内，足连接杆下端通过足支撑座与鞋底相连。

2.根据权利要求１所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述背架包括背板和两个横杆，所述横杆为L型，背板为工字型框架，背板下部两端分别与两个横杆活动连接，横杆另一端通过髋关节组件与大腿杆上端活动连接。

3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述背板与横杆之间还设有支撑阻尼器，所述支撑阻尼器为两个，两个支撑阻尼器分别设置在背板上部两端与横杆之间。

4.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节组件包括双耳套环、髋关节电机和枢轴，所述双耳套环与横杆外侧端部固定连接，髋关节电机外壳与双耳套环的外侧固定连接，髋关节电机输出轴与枢轴连接，枢轴与大腿杆上端固定连接，枢轴设置双耳套环之间、且两端与双耳套环的内孔配合。

5.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述足支撑座上端与足连接杆固定连接，足支撑座下端与鞋底为活动连接，使足支撑座能够相对鞋底上下滑动，足支撑座与鞋底之间设有足弯曲板簧，所述足弯曲板簧为弧形，所述足弯曲板簧上端与足支撑座上端固定连接，足弯曲板簧下端自由插入足支撑座下端卡槽。

6.根据权利要求5所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述鞋底上设有两个与控制盒相连的压力传感器，两个压力传感器分别设置在鞋底的前部和后部。