CN106821689B - 一种可穿戴式人体外骨骼机器人 - Google Patents

一种可穿戴式人体外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种可穿戴式人体外骨骼机器人，包括背架，所述背架包括互相垂直连接在一起的背板和安装板，所述安装板上安装有控制箱，所述安装板底部靠近背板一侧的两边对称设有两个L型支架；在大、小腿处均采用柔性绑带连接，允许人和外骨骼之间具有一定的运动位置误差，且可以维持人机间合适的连接刚度；设有调节宽度和高度的定位孔，且通过螺栓连接，可以满足不同体格的使用者使用且调节方便；设有角度传感器和力传感器可以对使用者的运动状态进行数据采集。

Description

一种可穿戴式人体外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种可穿戴式人体外骨骼机器人。
背景技术
随着中国社会逐渐进入人口老龄化阶段，越来越多的中老年人受关节功能退化、骨质疏松、腿部肌肉劳损等各种因素的影响出现了下肢酸软乏力等症状，严重影响了行走及上下楼梯等基本日常活动，为了解决这类问题，保证中老年人群的正常机体运动，除了采取传统的体育锻炼、中医保健治疗、医疗器械辅助等常规性办法之外，开发研制助力机器人技术成为当前最有效的新型智能化护理措施，其中穿戴式人体外骨骼机器人技术是与人体关系最为密切的一类。目前国内外已有数家研究机构开展了对穿戴型下肢助力机器人技术的研究，个别研究成果甚至已经转化为产品上市销售，如美国加州大学伯克利分校研制出的助力机械服BLEEX以及日本筑波大学Cybernics实验室研制出的外骨骼机器人HAL，但是由于机构复杂且装置笨重，而且与人体的协调性较差，难以普及推广。
本发明针对此类机器人使用不便的缺点，提出一种新式的穿戴式人体外骨骼机器人。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在使用不便的缺点，而提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种可穿戴式人体外骨骼机器人，包括背架，所述背架包括互相垂直连接在一起的背板和安装板，所述安装板上安装有控制箱，所述安装板底部靠近背板一侧的两边对称设有两个L型支架；
所述L型支架上连接有大腿骨骼，所述大腿骨骼上靠近L型支架的一端设有安装座，所述安装座上安装有驱动机构，所述大腿骨骼上固定有上绑带，所述大腿骨骼的另一端设有连接孔；
所述连接孔内设有转轴，转轴连接有小腿骨骼，所述小腿骨骼侧面设有一段凸起，凸起上设有过线孔，所述小腿骨骼上固定有下绑带，所述小腿骨骼远离大腿骨骼的一端设有连接杆；
所述连接杆上安装有足部骨骼，所述足部骨骼包括平板和垂直设在平板上的连接管，所述连接管套装在连接杆上；
所述驱动机构包括外壳，所述外壳固定在安装座上，所述外壳上设有减速器和电机，所述电机的输出端与减速器连接，所述外壳内通过轴承安装有中轴，所述减速器的输出端与中轴连接，所述中轴上固定有滑轮，所述滑轮上缠绕有提拉丝，所述外壳底部设有出线孔，所述提拉丝从出线孔穿出且端部固定在过线孔上；
所述控制箱内设有控制器和电源，所述足部骨骼底部设有力传感器，所述连接孔处设有角度传感器，所述控制器通过导线与电源连接，所述力传感器和角度传感器与控制器电连接，所述电机与控制器电连接。
优选的，所述安装板上靠近背板的一侧设有等距排列的第一调节孔，所述L型支架通过两个螺栓固定在其中两个第一调节孔上。
优选的，所述L型支架的垂直边上等距排列有第二调节孔，大腿骨骼的端部设有不少于一个安装孔，所述安装孔通过定位螺栓安装在第二调节孔上。
优选的，所述连接杆上等距设有定位孔，所述连接管通过定位螺栓安装在定位孔上。
优选的，所述减速器包括壳体，壳体内通过轴承固定有驱动轴，驱动轴上固定有驱动齿轮，所述电机的端部设有传动齿轮，所述驱动齿轮与传动齿轮啮合，所述驱动轴的延伸到外壳内且端部固定有副轮，所述中轴上固定有从动齿轮，所述从动齿轮与副轮啮合。
优选的，所述控制器包括PC和两个直流电动机驱动器，所述电机与直流电动机驱动器电连接，PC和直流电动机驱动器之间通过A/D和D/A连接。
优选的，所述电源为锂电池，所述上绑带和下绑带为弹性松紧带或橡皮带，所述足部骨骼、小腿骨骼、大腿骨骼均为铝合金一体结构，所述提拉丝为尼龙丝或金属丝。
优选的，所述小腿骨骼上密布有工艺孔。
优选的，所述安装板上固定有两条背带，所述背带为弹性松紧带或布带。
本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人，有益效果在于：在大、小腿处均采用柔性绑带连接，允许人和外骨骼之间具有一定的运动位置误差，且可以维持人机间合适的连接刚度；设有调节宽度和高度的定位孔，且通过螺栓连接，可以满足不同体格的使用者使用且调节方便；设有角度传感器和力传感器可以对使用者的运动状态进行数据采集。
附图说明
图1为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的结构示意图；
图2为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的背架的结构示意图；
图3为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的大腿骨骼的结构示意图；
图4为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的小腿骨骼的结构示意图；
图5为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的足部骨骼的结构示意图。
图6为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的驱动机构的结构示意图；
图7为本发明提出的一种可穿戴式人体外骨骼机器人的减速器的结构示意图。
图中：背架1、控制箱2、足部骨骼3、小腿骨骼4、大腿骨骼5、驱动机构6、背板7、安装板8、第一调节孔9、L型支架10、第二调节孔11、安装孔12、安装座13、连接孔14、上绑带15、下绑带16、工艺孔17、连接杆18、过线孔19、连接管20、提拉丝21、电机22、减速器23、外壳24、中轴25、滑轮26、出线孔27、传动齿轮28、驱动齿轮29、副轮30、从动齿轮31、驱动轴32、背带33。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-7，一种可穿戴式人体外骨骼机器人，其特征在于：包括背架1，背架1包括互相垂直连接在一起的背板7和安装板8，安装板8上固定有两条背带33，背带33为弹性松紧带或布带，安装板8底部靠近背板7一侧的两边对称设有两个L型支架10，安装板8上靠近背板7的一侧设有等距排列的第一调节孔9，L型支架10通过两个螺栓固定在其中两个第一调节孔9上。使用时，背板7紧贴人体，配合背带33实现机器人的穿戴。L型支架10可以改变在安装板8底部的安装位置从而改变腿部骨骼之间的距离，以满足不同体格的人使用。
安装板8上安装有控制箱2，控制箱2内设有控制器和电源，电源为锂电池，足部骨骼3底部设有力传感器，连接孔14处设有角度传感器，控制器通过导线与电源连接，力传感器和角度传感器与控制器电连接，电机22与控制器电连接。控制器包括PC104和两个直流电动机驱动器，电机22与直流电动机驱动器电连接，PC104和直流电动机驱动器之间通过A/D和D/A连接。通过力传感器和角度传感器了解人体运动状态，从而控制电机22转动，控制小腿骨骼4保持跟随。
L型支架10上连接有大腿骨骼5，L型支架10的垂直边上等距排列有第二调节孔11，大腿骨骼5的端部设有不少于一个安装孔12，安装孔12通过定位螺栓安装在第二调节孔11上。
大腿骨骼5上靠近L型支架10的一端设有安装座13，安装座13上安装有驱动机构6，大腿骨骼5上固定有上绑带15，大腿骨骼5的另一端设有连接孔14。
连接孔14内设有转轴，转轴连接有小腿骨骼4，小腿骨骼4上密布有工艺孔17。工艺孔17起到减轻重量的作用。
小腿骨骼4侧面设有一段凸起，凸起上设有过线孔19，小腿骨骼4上固定有下绑带16，小腿骨骼4远离大腿骨骼5的一端设有连接杆18，上绑带15和下绑带16为弹性松紧带或橡皮带，大腿骨骼5和小腿骨骼4均采用柔性绑带与人体连接，该方法允许人和外骨骼之间具有一定的运动位置误差，避免在运动过程中，由于过度的刚性连接，导致较大的作用力施加在操作者的身上，保证在人与外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，实现最佳接触效果，维持了人机间合适的连接刚度。
连接杆18上安装有足部骨骼3，足部骨骼3包括平板和垂直设在平板上的连接管20，连接管20套装在连接杆18上连接杆18上等距设有定位孔，连接管20通过定位螺栓安装在定位孔上。足部骨骼3、小腿骨骼4、大腿骨骼5均为铝合金一体结构。小腿骨骼4和L型支架10上设有可以调节位置的第二调节孔11和定位孔，满足不同身高使用者的使用要求。
驱动机构6包括外壳24，外壳24固定在安装座13上，外壳24上设有减速器23和电机22，电机22的输出端与减速器23连接，外壳24内通过轴承安装有中轴25，减速器23的输出端与中轴25连接中轴25上固定有滑轮26，滑轮26上缠绕有提拉丝21，提拉丝21为尼龙丝或金属丝，外壳24底部设有出线孔27，提拉丝21从出线孔27穿出且端部固定在过线孔19上；电机22为伺服电机，通过电机22带动滑轮26旋转，收紧或松开提拉丝21实现对小腿骨骼的转动控制。
减速器23包括壳体，壳体内通过轴承固定有驱动轴32，驱动轴32上固定有驱动齿轮29，电机22的端部设有传动齿轮28，驱动齿轮29与传动齿轮28啮合，驱动轴32的延伸到外壳24内且端部固定有副轮30，中轴25上固定有从动齿轮31，从动齿轮31与副轮30啮合。
工作流程：使用时，背板7紧贴人体，配合背带33实现机器人的穿戴，通过电机22带动滑轮26旋转，收紧或松开提拉丝21实现对小腿骨骼4的转动控制，通过力传感器和角度传感器了解人体运动状态，通过第一调节孔9调节腿部骨骼的宽度，通过第二调节孔11和定位孔调节机器人的高度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变。

Claims (4)

1.一种可穿戴式人体外骨骼机器人，其特征在于：包括背架(1)，所述背架(1)包括互相垂直连接在一起的背板(7)和安装板(8)，所述安装板(8)上安装有控制箱(2)，所述安装板(8)底部靠近背板(7)一侧的两边对称设有两个L型支架(10)；
所述L型支架(10)上连接有大腿骨骼(5)，所述大腿骨骼(5)上靠近L型支架(10)的一端设有安装座(13)，所述安装座(13)上安装有驱动机构(6)，所述大腿骨骼(5)上固定有上绑带(15)，所述大腿骨骼(5)的另一端设有连接孔(14)；
所述连接孔(14)内设有转轴，转轴连接有小腿骨骼(4)，所述小腿骨骼(4)侧面设有一段凸起，凸起上设有过线孔(19)，所述小腿骨骼(4)上固定有下绑带(16)，所述小腿骨骼(4)远离大腿骨骼(5)的一端设有连接杆(18)；
所述连接杆(18)上安装有足部骨骼(3)，所述足部骨骼(3)包括平板和垂直设在平板上的连接管(20)，所述连接管(20)套装在连接杆(18)上；
所述驱动机构(6)包括外壳(24)，所述外壳(24)固定在安装座(13)上，所述外壳(24)上设有减速器(23)和电机(22)，所述电机(22)的输出端与减速器(23)连接，所述外壳(24)内通过轴承安装有中轴(25)，所述减速器(23)的输出端与中轴(25)连接，所述中轴(25)上固定有滑轮(26)，所述滑轮(26)上缠绕有提拉丝(21)，所述外壳(24)底部设有出线孔(27)，所述提拉丝(21)从出线孔(27)穿出且端部固定在过线孔(19)上；
所述控制箱(2)内设有控制器和电源，所述足部骨骼(3)底部设有力传感器，所述连接孔(14)处设有角度传感器，所述控制器通过导线与电源连接，所述力传感器和角度传感器与控制器电连接，所述电机(22)与控制器电连接；
所述安装板(8)上靠近背板(7)的一侧设有等距排列的第一调节孔(9)，所述L型支架(10)通过两个螺栓固定在其中两个第一调节孔(9)上；
所述L型支架(10)的垂直边上等距排列有第二调节孔(11)，大腿骨骼(5)的端部设有不少于一个安装孔(12)，所述安装孔(12)通过定位螺栓安装在第二调节孔(11)上；
所述连接杆(18)上等距设有定位孔，所述连接管(20)通过定位螺栓安装在定位孔上；
所述减速器(23)包括壳体，壳体内通过轴承固定有驱动轴(32)，驱动轴(32)上固定有驱动齿轮(29)，所述电机(22)的端部设有传动齿轮(28)，所述驱动齿轮(29)与传动齿轮(28)啮合，所述驱动轴(32)的延伸到外壳(24)内且端部固定有副轮(30)，所述中轴(25)上固定有从动齿轮(31)，所述从动齿轮(31)与副轮(30)啮合。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式人体外骨骼机器人，其特征在于：所述电源为锂电池，所述上绑带(15)和下绑带(16)为弹性松紧带或橡皮带，所述足部骨骼(3)、小腿骨骼(4)、大腿骨骼(5)均为铝合金一体结构，所述提拉丝(21)为尼龙丝或金属丝。
3.根据权利要求1所述的一种可穿戴式人体外骨骼机器人，其特征在于：所述小腿骨骼(4)上密布有工艺孔(17)。
4.根据权利要求1所述的一种可穿戴式人体外骨骼机器人，其特征在于：所述安装板(8)上固定有两条背带(33)，所述背带(33)为弹性松紧带或布带。
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