CN106272337A - 一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，包括背架、髋关节、大腿组件、小腿组件、膝关节套、踝关节和鞋底，背架的前侧设置有髋关节护板，每块髋关节护板的两侧均安装有髋关节，大腿组件的上端与髋关节连接，下端与小腿组件的上端连接，小腿组件的下端与踝关节连接，踝关节固定在鞋底的外侧，髋关节与大腿组件的前侧之间装有髋关节液压油缸，大腿组件的后侧与小腿组件的后侧之间装有膝关节液压油缸，小腿组件的前侧与鞋底之间装有脚部液压油缸，髋关节液压油缸、膝关节液压油缸和脚部液压油缸由液压控制系统控制其伸缩。本发明的优点在于：能实现大负载，控制油路便于实现自动化；其各部位尺寸可调，士兵穿上后髋关节减少约束，更符合人机工程学原理。

Description

一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人

技术领域

本发明涉及助力机器人技术领域，特别是一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人。

背景技术

现有的产品部分是电动控制的下肢外骨骼机器人，不能够实现大负载的要求，控制部分比较复杂，而且在恶劣环境下的性能有所下降。有部分的液压控制的液压下肢外骨骼也存在液压缸过多，油路控制复杂等问题；存在大腿、小腿长度不可调，即使可调操作也很繁杂的问题；髋关节缺少可自由活动的自由度的问题，这些问题的存在，严重影响了外骨骼机器人的人机舒适度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，包括背架、髋关节、大腿组件、小腿组件、膝关节套、踝关节和鞋底，背架的前侧对称设置有髋关节护板，每块髋关节护板的两侧均安装有髋关节，所述大腿组件的上端与髋关节连接，下端通过膝关节套与小腿组件的上端连接，小腿组件的下端与踝关节连接，踝关节固定在鞋底的外侧，所述髋关节与大腿组件的前侧之间安装有髋关节液压油缸，所述大腿组件的后侧与小腿组件的后侧之间安装有膝关节液压油缸，所述小腿组件的前侧与鞋底之间安装有脚部液压油缸，髋关节液压油缸、膝关节液压油缸和脚部液压油缸由液压控制系统控制其伸缩。

所述背架的后侧固定有箱体，所述液压控制系统固定在箱体内侧。

所述髋关节护板为L形结构，L形结构的一边固定在背架上，另一边的外侧安装有髋关节座，所述髋关节为具有两个自由度的球关节，球关节配合安装在髋关节座内。

所述大腿组件包括大腿上部杆和大腿下部杆，大腿上部杆的上端与髋关节铰接，下端沿其长度方向开有多个大腿上部销孔，大腿下部杆为空心结构，大腿下部杆的上端沿其长度方向开有多个大腿下部销孔，大腿上部杆的下端插入大腿下部杆内，并由大腿销钉分别穿过大腿上部销孔和大腿下部销孔固定。

所述大腿下部杆的前侧设置有髋关节液压油缸座，后侧设置有膝关节液压油缸座，所述髋关节液压油缸的缸体尾部固定在髋关节液压油缸座上，所述髋关节液压油缸的伸缩杆头部固定在髋关节护板上，所述膝关节液压油缸的缸体尾部固定在膝关节液压油缸座上。

所述大腿下部杆内设有阶梯孔，大腿上部杆插入该阶梯孔内，并在阶梯孔底部与大腿上部杆的端面之间设有弹簧。

所述小腿组件包括小腿上部杆和小腿下部杆，所述小腿上部杆的上端与大腿下部杆的下端铰接，所述小腿上部杆的下端沿其长度方向设有小腿上部销孔，所述小腿下部杆为中空结构，且小腿下部杆的上端沿其长度方向设有多个小腿下部销孔，小腿上部杆的下端插入小腿下部杆内，并由螺栓穿过小腿上部销孔和小腿下部销孔实现固定。

所述小腿上部杆的后侧设有膝关节液压油缸连接板，膝关节液压油缸的伸缩端头部铰接在膝关节液压油缸连接板上，所述小腿下部杆的前侧设有脚部液压油缸连接板，脚部液压油缸的伸缩端头部铰接在脚部液压油缸连接板上。

所述液压控制系统包括油箱、液压泵和冷却器，油箱的出口与液压泵的入口连接，液压泵的出口分别与第一伺服阀的第一连接口、第二伺服阀的第一连接口和第三伺服阀第一连接口连接，液压泵的出口处还设置有溢流阀，溢流阀与油箱连通，液压泵由电动机驱动，第一伺服阀的第二连接口与髋关节液压油缸的无杆腔连通，第二伺服阀的第二连接口与膝关节液压油缸的无杆腔连通，第三伺服阀的第二连接口与脚部液压油缸的无杆腔连通，髋关节液压油缸的有杆腔与第一伺服阀的第三连接口之间设置有第一电磁阀，膝关节液压油缸的有杆腔与第二伺服阀的第三连接口之间设置有第二电磁阀，脚部液压油缸的有杆腔与第三伺服阀的第三连接口之间设置有第三电磁阀，第一伺服阀的第四连接口、第二伺服阀的第四连接口和第三伺服阀的第四连接口均与冷却器的入口连接，冷却器的出口与油箱连通。

所述油箱与液压泵之间的管路上设置有进油过滤器，所述液压泵的出口处设置有过压报警灯，第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀均为两位三通电磁阀，所述冷却器与油箱之间的管路上还设置有回油过滤器。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用了液压控制的可穿戴的下肢外骨骼机器人，主要针对士兵的日常行动，能实现大负载，控制油路便于实现自动化；最大的特点是在大腿和小腿采用可以自动调节长度的结构，只需要通过调节按钮就可以满足不同身高使用者的要求；髋部也采用可调的结构，满足正常胖瘦的人的使用；在髋关节有自由活动的关节实现外展和内收，士兵穿上后髋关节减少约束，更符合人机工程学原理。

2、依据运动学、动力学和人机工程学的理论，本发明单腿设置六个自由度，髋关节设置为球关节及有二个自由度，实现大腿的屈曲和后伸、外展和内收；膝关节设置二个自由度，实现小腿与大腿间的屈曲和过伸运动；踝关节设置两个自由度，实现了踝关节的背屈和拓翻运动。

3、本发明为了简化设计，踝关节自由度不设计在同一个位置，分别设计在不同的位置但能达到相同的目标，踝关节的这些自由度的设置不安装在同人的脚踝相同的地方，其外展、内收运动的轴线安装在脚底处，分别是由与小腿相连的液压组件控制脚踝的在矢状面的运动和与小腿底部相连的踝关节，控制其在额状面内的运动。

4、髋关节为连续调节方式是为了更加贴合人体，增加舒适度；腿部调节方式为分级调节是为了便于左右腿的长度调节一致，满足不同身高人的穿戴，更加符合人机工程学原理和方便运动，在髋关节的设计上创新的使用了球副，实现了髋关节的内收和外展，满足了军人在行走过程中的舒适度和运动需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为髋关节护板的结构示意图；

图3为大腿组件的结构示意图；

图4为大腿下部杆的内部结构示意图；

图5为小腿组件的结构示意图；

图6为液压控制系统的控制原理图；

图中：1-背架，2-箱体，3-髋关节护板，4-髋关节，5-大腿组件，6-髋关节液压油缸，7-小腿组件，8-膝关节液压油缸，9-膝关节套，10-脚部液压油缸，11-踝关节，12-鞋底，13-髋关节座，14-大腿上部杆，15-大腿下部杆，16-大腿上部销孔，17-大腿下部销孔，18-大腿销钉，19-髋关节液压油缸座，20-膝关节液压油缸座，21-弹簧，22-小腿上部杆，23-小腿下部杆，24-小腿上部销孔，25-小腿下部销孔，26-膝关节液压油缸连接板，27-脚部液压油缸连接板，28-油箱，29-出油过滤器，30-电动机，31-液压泵，32-溢流阀，33-过压报警灯，34-第一伺服阀，35-第二伺服阀，36-第三伺服阀，37-第一电磁阀，38-第二电磁阀，39-第三电磁阀，40-冷却器，41-回油过滤器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，包括背架1、髋关节4、大腿组件5、小腿组件7、膝关节套9、踝关节11和鞋底12，背架1的前侧对称设置有髋关节护板3，每块髋关节护板3的两侧均安装有髋关节4，所述大腿组件5的上端与髋关节4连接，下端通过膝关节套9与小腿组件7的上端连接，小腿组件7的下端与踝关节11连接，踝关节11固定在鞋底12的外侧，所述髋关节4与大腿组件5的前侧之间安装有髋关节液压油缸6，所述大腿组件5的后侧与小腿组件7的后侧之间安装有膝关节液压油缸8，所述小腿组件7的前侧与鞋底12之间安装有脚部液压油缸10，髋关节液压油缸6、膝关节液压油缸8和脚部液压油缸10由液压控制系统控制其伸缩。

所述背架1的后侧固定有箱体2，所述液压控制系统固定在箱体2内侧。

如图2所示，所述髋关节护板3为L形结构，为了满足人体本身形体的差异，髋关节护板3的尺寸可调，且为连续调节，L形结构的一边固定在背架1上，另一边的外侧安装有髋关节座13，所述髋关节4为具有两个自由度的球关节，球关节配合安装在髋关节座13内，更加符合人机工程学原理和方便运动，在髋关节的设计上创新的使用了球副，实现了髋关节的内收和外展，满足了军人在行走过程中的舒适度和运动需要。

如图3所示，所述大腿组件5包括大腿上部杆14和大腿下部杆15，大腿上部杆14的上端与髋关节4铰接，下端沿其长度方向开有多个大腿上部销孔16，大腿下部杆15为空心结构，大腿下部杆15的上端沿其长度方向开有多个大腿下部销孔17，大腿上部杆14的下端插入大腿下部杆15内，并由大腿销钉18分别穿过大腿上部销孔16和大腿下部销孔17固定，大腿上部杆14与大腿下部杆15之间的相对位置可调，将大腿销钉18取出后，调节大腿上部杆14与大腿下部杆15之间的相对位置，并在合适位置对准大腿上部销孔16和大腿下部销孔17，再将大腿销钉18插入，实现大腿长度调节。所述大腿下部杆15的前侧设置有髋关节液压油缸座19，后侧设置有膝关节液压油缸座20，所述髋关节液压油缸6的缸体尾部固定在髋关节液压油缸座19上，所述髋关节液压油缸6的伸缩杆头部固定在髋关节护板3上，所述膝关节液压油缸8的缸体尾部固定在膝关节液压油缸座20上。

如图4所示，所述大腿下部杆15内设有阶梯孔，大腿上部杆14插入该阶梯孔内，并在阶梯孔底部与大腿上部杆14的端面之间设有弹簧21。

如图5所示，所述小腿组件7包括小腿上部杆22和小腿下部杆23，所述小腿上部杆22的上端与大腿下部杆15的下端铰接，所述小腿上部杆22的下端沿其长度方向设有小腿上部销孔24，所述小腿下部杆23为中空结构，且小腿下部杆23的上端沿其长度方向设有多个小腿下部销孔25，小腿上部杆22的下端插入小腿下部杆23内，并由螺栓穿过小腿上部销孔24和小腿下部销孔25实现固定，小腿上部杆22与小腿下部杆23之间的相对位置可调，将螺丝拆卸后，调节小腿上部杆22与小腿下部杆23之间的相对位置，并在合适位置对准小腿上部销孔24和小腿下部销孔25，再将螺丝锁紧，实现小腿长度调节。所述小腿上部杆22的后侧设有膝关节液压油缸连接板26，膝关节液压油缸8的伸缩端头部铰接在膝关节液压油缸连接板26上，所述小腿下部杆23的前侧设有脚部液压油缸连接板27，脚部液压油缸10的伸缩端头部铰接在脚部液压油缸连接板27上。

如图6所示，所述液压控制系统包括油箱28、液压泵31和冷却器40，油箱28的出口与液压泵31的入口连接，液压泵31的出口分别与第一伺服阀34的第一连接口、第二伺服阀35的第一连接口和第三伺服阀36第一连接口连接，液压泵31的出口处还设置有溢流阀32，溢流阀32与油箱28连通，液压泵31由电动机30驱动，第一伺服阀34的第二连接口与髋关节液压油缸6的无杆腔连通，第二伺服阀35的第二连接口与膝关节液压油缸8的无杆腔连通，第三伺服阀36的第二连接口与脚部液压油缸10的无杆腔连通，髋关节液压油缸6的有杆腔与第一伺服阀34的第三连接口之间设置有第一电磁阀37，膝关节液压油缸8的有杆腔与第二伺服阀35的第三连接口之间设置有第二电磁阀38，脚部液压油缸10的有杆腔与第三伺服阀36的第三连接口之间设置有第三电磁阀39，第一伺服阀34的第四连接口、第二伺服阀35的第四连接口和第三伺服阀36的第四连接口均与冷却器40的入口连接，冷却器40的出口与油箱28连通。

所述油箱28与液压泵31之间的管路上设置有进油过滤器29，所述液压泵31的出口处设置有过压报警灯33，第一电磁阀37、第二电磁阀38和第三电磁阀39均为两位三通电磁阀，所述冷却器40与油箱28之间的管路上还设置有回油过滤器41。

本发明的液压控制系统工作原理是：电动机30带动液压泵31运转，从油箱28中抽取的油液经过进油过滤器29进入到管路中，通过溢流阀32调节系统油路的压力。第一伺服阀34、第二伺服阀35、第三伺服阀36通正向电时，阀的右位接通，在第一电磁阀37、第二电磁阀38、第三电磁阀39的作用下组成了差动回路，油液进入髋关节液压油缸6、膝关节液压油缸8、脚部液压油缸10的无杆腔，推动活塞快速右移，有杆腔的油通过冷却器40回到了油箱28中。当活塞的位移达到设定值时，位移传感器向控制系统发出信号，此时的电磁铁断电，在弹簧的作用下，阀芯回到中位，髋关节液压油缸6、膝关节液压油缸8、脚部液压油缸10中的油液不流动，活塞也不发生移动，同时第一电磁阀37、第二电磁阀38、第三电磁阀39得电，阀的右路接通。当第一伺服阀34、第二伺服阀35、第三伺服阀36左边电磁铁通反向电时，即改变了电流的输入方向，第一伺服阀34、第二伺服阀35、第三伺服阀36左位接通，髋关节液压油缸6、膝关节液压油缸8、脚部液压油缸10的有杆腔进油，使活塞快速左移。当活塞杆的位移达到设定值时，传感器向控制系统发出信号，电磁铁断电，阀芯回到中位，完成一个周期的过程。

Claims (10)

1.一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：包括背架(1)、髋关节(4)、大腿组件(5)、小腿组件(7)、膝关节套(9)、踝关节(11)和鞋底(12)，背架(1)的前侧对称设置有髋关节护板(3)，每块髋关节护板(3)的两侧均安装有髋关节(4)，所述大腿组件(5)的上端与髋关节(4)连接，下端通过膝关节套(9)与小腿组件(7)的上端连接，小腿组件(7)的下端与踝关节(11)连接，踝关节(11)固定在鞋底(12)的外侧，所述髋关节(4)与大腿组件(5)的前侧之间安装有髋关节液压油缸(6)，所述大腿组件(5)的后侧与小腿组件(7)的后侧之间安装有膝关节液压油缸(8)，所述小腿组件(7)的前侧与鞋底(12)之间安装有脚部液压油缸(10)，髋关节液压油缸(6)、膝关节液压油缸(8)和脚部液压油缸(10)由液压控制系统控制其伸缩。

2.根据权利要求1所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述背架(1)的后侧固定有箱体(2)，所述液压控制系统固定在箱体(2)内侧。

3.根据权利要求1所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述髋关节护板(3)为L形结构，L形结构的一边固定在背架(1)上，另一边的外侧安装有髋关节座(13)，所述髋关节(4)为具有两个自由度的球关节，球关节配合安装在髋关节座(13)内。

4.根据权利要求1所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述大腿组件(5)包括大腿上部杆(14)和大腿下部杆(15)，大腿上部杆(14)的上端与髋关节(4)铰接，下端沿其长度方向开有多个大腿上部销孔(16)，大腿下部杆(15)为空心结构，大腿下部杆(15)的上端沿其长度方向开有多个大腿下部销孔(17)，大腿上部杆(14)的下端插入大腿下部杆(15)内，并由大腿销钉(18)分别穿过大腿上部销孔(16)和大腿下部销孔(17)固定。

5.根据权利要求4所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述大腿下部杆(15)的前侧设置有髋关节液压油缸座(19)，后侧设置有膝关节液压油缸座(20)，所述髋关节液压油缸(6)的缸体尾部固定在髋关节液压油缸座(19)上，所述髋关节液压油缸(6)的伸缩杆头部固定在髋关节护板(3)上，所述膝关节液压油缸(8)的缸体尾部固定在膝关节液压油缸座(20)上。

6.根据权利要求4所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述大腿下部杆(15)内设有阶梯孔，大腿上部杆(14)插入该阶梯孔内，并在阶梯孔底部与大腿上部杆(14)的端面之间设有弹簧(21)。

7.根据权利要求4所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述小腿组件(7)包括小腿上部杆(22)和小腿下部杆(23)，所述小腿上部杆(22)的上端与大腿下部杆(15)的下端铰接，所述小腿上部杆(22)的下端沿其长度方向设有小腿上部销孔(24)，所述小腿下部杆(23)为中空结构，且小腿下部杆(23)的上端沿其长度方向设有多个小腿下部销孔(25)，小腿上部杆(22)的下端插入小腿下部杆(23)内，并由螺栓穿过小腿上部销孔(24)和小腿下部销孔(25)实现固定。

8.根据权利要求7所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述小腿上部杆(22)的后侧设有膝关节液压油缸连接板(26)，膝关节液压油缸(8)的伸缩端头部铰接在膝关节液压油缸连接板(26)上，所述小腿下部杆(23)的前侧设有脚部液压油缸连接板(27)，脚部液压油缸(10)的伸缩端头部铰接在脚部液压油缸连接板(27)上。

9.根据权利要求1所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述液压控制系统包括油箱(28)、液压泵(31)和冷却器(40)，油箱(28)的出口与液压泵(31)的入口连接，液压泵(31)的出口分别与第一伺服阀(34)的第一连接口、第二伺服阀(35)的第一连接口和第三伺服阀(36)第一连接口连接，液压泵(31)的出口处还设置有溢流阀(32)，溢流阀(32)与油箱(28)连通，液压泵(31)由电动机(30)驱动，第一伺服阀(34)的第二连接口与髋关节液压油缸(6)的无杆腔连通，第二伺服阀(35)的第二连接口与膝关节液压油缸(8)的无杆腔连通，第三伺服阀(36)的第二连接口与脚部液压油缸(10)的无杆腔连通，髋关节液压油缸(6)的有杆腔与第一伺服阀(34)的第三连接口之间设置有第一电磁阀(37)，膝关节液压油缸(8)的有杆腔与第二伺服阀(35)的第三连接口之间设置有第二电磁阀(38)，脚部液压油缸(10)的有杆腔与第三伺服阀(36)的第三连接口之间设置有第三电磁阀(39)，第一伺服阀(34)的第四连接口、第二伺服阀(35)的第四连接口和第三伺服阀(36)的第四连接口均与冷却器(40)的入口连接，冷却器(40)的出口与油箱(28)连通。

10.根据权利要求9所述一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述油箱(28)与液压泵(31)之间的管路上设置有进油过滤器(29)，所述液压泵(31)的出口处设置有过压报警灯(33)，第一电磁阀(37)、第二电磁阀(38)和第三电磁阀(39)均为两位三通电磁阀，所述冷却器(40)与油箱(28)之间的管路上还设置有回油过滤器(41)。