CN106239484A

CN106239484A - 一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置

Info

Publication number: CN106239484A
Application number: CN201610842619.6A
Authority: CN
Inventors: 王彦君; 刘少东
Original assignee: Beijing Lingyi Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Lingyi Technology Co Ltd
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2016-12-21

Abstract

本发明属于机械结构控制领域，涉及一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置。包括腰部背带、伺服电机减速模块、圆柱齿轮一、圆柱齿轮二、端盖、大腿护套、小腿护套、脚部护套、销轴等部件。本发明结构紧凑，运动自由度分配合理，动力上采用了伺服电机，配合三级减速装置，具有控制精度高，响应速度快，负载大的优点，在部件选材上选用强度高，质量轻的复合材料，穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展了人的活动范围。

Description

一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置

技术领域

本发明属于机械结构控制领域，涉及一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置。

背景技术

外骨骼是一种可以让人穿戴的人机一体化“机械装置，它将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢步行外骨骼则是一种可以辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的智能来控制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。下肢步行外骨骼可作为单兵作战系统中的一个子系统用于增强士兵的越野作战能力。士兵穿戴后，不仅可以将交通运输工具、护具、武器、通讯系统等集于一身，携带比平时更多的装备，而且能够跑得更快、更远，轻松越过障碍，因而可以大幅度提升士兵的作战能力。这种外骨骼也可作为极地考察、地质勘探人员的交通运输工具，减少科研人员不必要的体能消耗，提高工作效率。此外，在如西湖、黄山等旅游景点，人们往往无法以车代步，常常将过多的精力消耗在了跋山涉水的徒步旅行上，大大降低了旅游的兴致和热情。此时，下肢步行外骨骼可作为游客步行的交通工具，大幅度减轻游客步行所带来的疲劳，同时又不影响其欣赏各个景区的迷人景色，而且还可了却不少中老年人原本由于担心过于疲劳而无法畅游的遗憾。在一些交通己经过于拥堵的城市，下肢步行外骨骼还可以作为一种新型的轻型环保交通工具，可以大大减少城市汽车流量，降低市区的堵车情况，减少城市的汽车尾气污染，减缓城市的停车压力，同时使用者还可以达到锻炼身体的目的。可穿戴式的外骨骼技术作为人机一体化技术的重要组成部分，已越来越受到学术界和工业界的关注。目前，国际上对下肢行走外骨骼的研究多数还处于实验室研究阶段，国内虽然在智能假肢等相关领域已经取得了一些成果，但还未见有用于人体下肢的行走外骨骼的研究报道。在开发一套外骨骼系统的整个过程中，目标功能最终能否顺利实现取决于很多因素的共同影响和作用，包括设计拟人化的人体下肢外骨骼机构、选用高效的控制方式和控制策略等，解决了这些问题才能使外骨骼系统不仅能够跟随操作者完成必要的下肢运动，而且可以对人体步行适时提供助力，从而大幅度提高人的运动及负载能力。

具体来说，为实现最终的功能要求，在整个外骨骼系统的研发过程中，主要存在以下几大技术难点：

(1)拟人化外骨骼机构的合理设计，包括：外骨骼机械结构和关节运动副的优化设计，驱动器件和传感器件的合理选择与集成设计，运动自由度的分配和冗余自由度选择等，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围，这是外骨骼开发过程中首先需要解决的一大关键问题。

(2)外骨骼步态规划与生成及其运动稳定性问题，步态的规划和生成主要有两种方案：a) “离线规划，在线校正”。根据人体运动学统计数据进行外骨骼步态的规划，并且依靠对执行器的精确控制来完成步态的生成；在操作者穿着行走时，外骨骼可以通过和操作者的交互来实时校正和调整步态；b)外骨骼步态学习与复现。除了使用已有的人体运动学统计数据实现步态的生成外，还可以采用先让外骨骼自己跟踪和学习操作者的步态，继而将原步态完整复现的控制策略，增加操作者穿着步行时的舒适感。同时，必须保证外骨骼步态的稳定性调节范围不能超过人体可以调整的范围，以确保行走的平稳和穿戴者的安全。

(3)外骨骼和操作者的协调运动问题。外骨骼的控制算法要能保证它可以和操作者始终保持协调一致的运动节奏，以使二者之间的互相干涉作用最小，并可以根据人的运动意图来适时提供助力；保证人穿戴后，运动负担减小，即穿戴外骨骼后行走同样距离的路程人体所消耗的能量比没有穿戴外骨骼时所消耗的能量少。

(4)驱动器和驱动系统的选择。既要有较轻的重量，较小的体积，又必须具有较大的驱动力或驱动扭矩，同时还要有良好的散热性能。这也是可穿戴式的外骨骼系统能否实现“结构紧凑”、“轻巧便携”和“携带动力”等几大要素的关键问题。

(5)样机材料的选择。由于下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，与人一起运动的，因此必须要求外骨骼非常轻便，同时又要具有很好的刚度，以承受人体和重物的重量以及与地面的碰撞，因此可能需要选用一些新型的复合材料作为样机的制作材料。

发明内容

本发明的目的在于设计一套合理的外骨骼结构，选择与集成设计驱动器件和传感器件，合理分配运动自由度与冗余自由度，使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围。

为了实现上述目的，本发明的技术方案涉及一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置，包括腰部背带（101）、伺服电机减速模块（102）、圆柱齿轮一（103）、圆柱齿轮二（104）、端盖（105）、大腿护套（106）、小腿护套（107）、脚部护套（108）、销轴（109）。

其中，所述腰部背带（101）为组合件，共1件，主体采用高强度复合材料，具有强度高，重量清，耐磨性好的特点，腰带部分采用皮质，主体上有腰部背带固定孔（201）和腰部背带轴承孔（202）；伺服电机减速模块（102）为组合件，共4件，内部包含固定座（301），固定座侧边有安装孔，圆柱齿轮三（302），键轴（303），圆柱齿轮四（304），联轴器（305），伺服电机（306），这些件形成一个二级齿轮减速机构；圆柱齿轮一（103）共有4件；圆柱齿轮二（104）共有4件；端盖（105）共有4件；大腿护套（106）共2件，上边有大腿护套固定孔（401），大腿护套固定板（402），大腿护套轴承孔（403）；小腿护套（107）共2件；脚部护套（108）共2件；销轴（109）共2件。

其连接关系在于：由于装置左右两条腿结构相同，互为镜向，此处以左腿为例说明连接关系，腰部背带（101）作为整体结构的基件存在，伺服电机减速模块（102）通过固定座（301）与腰部背带（101）上腰部背带固定孔（201）连接。大腿护套（106）与腰部背带（101）通过腰部背带轴承孔（202）用销轴（109）连接在一起，圆柱齿轮二（104）先嵌套到销轴（109）上，再通过圆柱齿轮二柱销（501）与大腿护套（106）上的大腿护套固定孔（401）紧固在一起，形成一体运动，同时圆柱齿轮二（104）与圆柱齿轮一（103）形成齿轮配合，圆柱齿轮一（103）的运动可以传递给圆柱齿轮二（104）, 大腿护套（106）上的固定板（402）上边安置另外一个伺服电机减速模块（102），该伺服电机减速模块（102）键轴（303）上安置另外一个圆柱齿轮一（103），小腿护套（107）通过自身的销轴将大腿护套（106）与大腿护套轴承孔（403）装配，另外一个圆柱齿轮二（104）先装配到小腿护套（107）的销轴上，再通过圆柱齿轮二柱销（501）与小腿护套（107）紧固，形成一体运动，同时此处的圆柱齿轮二（104）与圆柱齿轮一（103）形成齿轮配合，实现运动传递，脚部护套（108）装配到小腿护套（107）上。

本发明的优点和有益效果在于：本发明结构紧凑，运动自由度分配合理，动力上采用了伺服电机，配合三级减速装置，具有控制精度高，响应速度快，负载大的优点，在部件选材上选用强度高，质量轻的复合材料，穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展了人的活动范围。

附图说明

图1为本发明可穿戴式下肢步行外骨骼装置示意图；

图2为本发明腰部背带示意图；

图3为本发明伺服电机减速模块示意图；

图4为本发明大腿护套示意图；

图5为本发明圆柱齿轮二示意图。

其中， 101-腰部背带、102-伺服电机减速模块、103-圆柱齿轮一、104-圆柱齿轮二、105-端盖、106-大腿护套、107-小腿护套、108-脚部护套、109-销轴、201-腰部背带固定孔、202-腰部背带轴承孔、301-固定座、302-圆柱齿轮三、303-键轴、304-圆柱齿轮四、305-联轴器、306-伺服电机、401-大腿护套固定孔、402-大腿护套固定板、403-大腿护套轴承孔、501-圆柱齿轮二柱销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-图5所示，本发明的技术方案涉及一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置，包括腰部背带（101）、伺服电机减速模块（102）、圆柱齿轮一（103）、圆柱齿轮二（104）、端盖（105）、大腿护套（106）、小腿护套（107）、脚部护套（108）、销轴（109）。

其中，所述腰部背带（101）为组合件，共1件，主体采用高强度复合材料，具有强度高，重量清，耐磨性好的特点，腰带部分采用皮质，主体上有腰部背带固定孔（201）和腰部背带轴承孔（202）；伺服电机减速模块（102）为组合件，共4件，内部包含固定座（301），固定座侧边有安装孔，圆柱齿轮三（302），键轴（303），圆柱齿轮四（304），联轴器（305），伺服电机（306），这些件形成一个二级齿轮减速机构；圆柱齿轮一（103）共有4件；圆柱齿轮二（104）共有4件；端盖（105）共有4件；大腿护套（106）共2件，上边有大腿护套固定孔（401）、大腿护套固定板（402）、大腿护套轴承孔（403）；小腿护套（107）共2件；脚部护套（108）共2件；销轴（109）共2件。

其连接关系在于：由于装置左右两条腿结构相同，互为镜向，此处以左腿为例说明连接关系，腰部背带（101）作为整体结构的基件存在，伺服电机减速模块（102）通过固定座（301）与腰部背带（101）上腰部背带固定孔（201）连接。大腿护套（106）与腰部背带（101）通过腰部背带轴承孔（202）用销轴（109）连接在一起，圆柱齿轮二（104）先嵌套到销轴（109）上，再通过圆柱齿轮二柱销（501）与大腿护套（106）上的固定孔（401）紧固在一起，形成一体运动，同时圆柱齿轮二（104）与圆柱齿轮一（103）形成齿轮配合，圆柱齿轮一（103）的运动可以传递给圆柱齿轮二（104）, 大腿护套（106）上的固定板（402）上边安置另外一个伺服电机减速模块（102），该伺服电机减速模块（102）键轴（303）上安置另外一个圆柱齿轮一（103），小腿护套（107）通过自身的销轴与大腿护套（106）轴承孔（403）装配，另外一个圆柱齿轮二（104）先装配到小腿护套（107）的销轴上，再通过圆柱齿轮二柱销（501）与小腿护套（107）紧固，形成一体运动，同时此处的圆柱齿轮二（104）与圆柱齿轮一（103）形成齿轮配合，实现运动传递，脚部护套（108）装配到小腿护套（107）上。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置，其特征在于：包括腰部背带（101）、伺服电机减速模块（102）、圆柱齿轮一（103）、圆柱齿轮二（104）、端盖（105）、大腿护套（106）、小腿护套（107）、脚部护套（108）、销轴（109）、腰部背带固定孔（201）、腰部背带轴承孔（202）、固定座（301）、圆柱齿轮三（302）、键轴（303）、圆柱齿轮四（304）、联轴器（305）、伺服电机（306）、大腿护套固定孔（401）、大腿护套固定板（402）、大腿护套轴承孔（403）、圆柱齿轮二柱销（501）；

其中，所述腰部背带（101）为组合件，共1件，其主体采用高强度复合材料，其腰带部分采用皮质，主体上有腰部背带固定孔（201）和腰部背带轴承孔（202）；

所述伺服电机减速模块（102）为组合件，共4件，内部包含固定座（301），固定座侧边开有安装孔；

所述圆柱齿轮三（302）与所述键轴（303）、所述圆柱齿轮四（304）、所述联轴器（305）、所述伺服电机（306）组合形成一个二级齿轮减速机构；

所述圆柱齿轮一（103）、所述圆柱齿轮二（104）、所述端盖（105）各有4件；

所述大腿护套（106）共2件，上边有所述大腿护套固定孔（401）、所述大腿护套固定板（402）、所述大腿护套轴承孔（403）；

所述小腿护套（107）、所述脚部护套（108）、所述销轴（109）各有2件。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置，其连接关系在于：由于装置左右两条腿结构相同，互为镜向，此处以左腿为例说明连接关系，腰部背带（101）作为整体结构的基件存在，所述伺服电机减速模块（102）通过所述固定座（301）与所述腰部背带（101）上面所述腰部背带固定孔（201）连接；

所述大腿护套（106）与所述腰部背带（101）通过所述腰部背带轴承孔（202）用所述销轴（109）连接在一起，所述圆柱齿轮二（104）先嵌套到所述销轴（109）上，再通过所述圆柱齿轮二柱销（501）与所述大腿护套（106）上的所述大腿护套固定孔（401）紧固在一起，形成一体运动，同时所述圆柱齿轮二（104）与所述圆柱齿轮一（103）形成齿轮配合，所述圆柱齿轮一（103）的运动可以传递给所述圆柱齿轮二（104）, 所述大腿护套（106）上的所述大腿护套固定板（402）上边安置另外一个所述伺服电机减速模块（102），该所述伺服电机减速模块（102）和所述键轴（303）上安置另外一个所述圆柱齿轮一（103），所述小腿护套（107）通过自身的销轴与所述大腿护套（106）及所述大腿护套轴承孔（403）装配，另外一个所述圆柱齿轮二（104）先装配到所述小腿护套（107）的销轴上，再通过所述圆柱齿轮二柱销（501）与所述小腿护套（107）紧固，形成一体运动，同时此处的所述圆柱齿轮二（104）与所述圆柱齿轮一（103）形成齿轮配合，实现运动传递，所述脚部护套（108）装配到所述小腿护套（107）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置，其特征在于：所述伺服电机减速模块（102）自身为二级齿轮减速机构，配合所述圆柱齿轮一（103）与所述圆柱齿轮二（104）形成了三级减速增力机构，缩小了所需电机的功率，减小了电机体积，从而减小了装置的重量。

4.根据权利要求1或2所述的一种可穿戴式下肢步行外骨骼装置，其特征在于：所述伺服电机减速模块（102）分别放置在左右所述腿腰部背带（101）与所述大腿护套（106）连接处和所述大腿护套（106）与所述小腿护套（107）连接处，彼此运动独立，可单独控制，大大提高了装备的整体活动范围，由于采用的是伺服电机，在断电的情况下会形成自锁，在突然断电的情况下会保持姿态，对人体形成保护。