CN106943282A - 一种多足助力康复机器人 - Google Patents

Abstract

一种多足助力康复机器人，所述机器人包括腰带结构和仿生机械腿，所述腰带结构两两串联形成环状腰带，所述腰带结构与仿生机械腿连接，所述仿生机械腿包括近腿骨、中腿骨和远腿骨，所述腰带结构与近腿骨的上端通过侧摆关节连接，所述近腿骨与所述中腿骨端的后端之间通过第一弯曲关节连接，所述中腿骨与所述远腿骨的上端通过第二弯曲关节连接。本发明提供一种平衡性较好、能源使用效率较高、有效适用于老年人和下肢残疾者的助力康复的多足助力康复机器人。

Description

一种多足助力康复机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种助力康复机器人。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，机器人的应用不单单只局限于工业领域，而是逐步应用于农业、医疗以及服务等领域。机器人的应用对象逐渐变得更加多样化和复杂化。本发明是一款可穿戴的六足仿生机械腿，它的主要功能是扩展人体下肢运动功能，应用对象是老年人和下肢残疾者，最终目标是实现应用对象恢复正常行走能力。这就要求六足机器人要像人腿一样灵活和安全。而传统的二足外骨骼机器人存在平衡性难度高、步态规划难以完美契合人腿运动以至于容易发生干涉造成损伤等等结构上的固有缺点，这些缺点使得二足的外骨骼机器人暂时不能较好地满足当今社会需求。

目前，国内外科研机构已经研制出多种助力机器人，其中以二足外骨骼助力机器人为主，而多足助力康复机器人方面是个空白。

外骨骼助力机器人的研究始于20世纪60年代的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的Hardiman外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。关于下肢外骨骼机器人，2004年，美国加州大学伯克利分校研制出的下肢外骨骼机器人(Berkeleylower extremity exoskeleton，BLEEX)，是美国国防部高级研究项目局(DARPA)EHPA项目研制的第一台能够负重且带移动电源的外骨骼机器人。BLEEX外骨骼机器人由动力设备、背包式支架、2条仿生机械动力腿组成，采用液压驱动，其液压泵能源来源于其背包式支架中的液压传动系统和箱式微型空速传感仪。但这款外骨骼机器人存在续航时间短，发电装置影响到行走步态，平衡性弱等问题。

外骨骼技术在我国尚处于基础研究阶段，我国国家自然科学基金和科技支撑计划也逐渐关注、开展外骨骼机器人的研究。2016年10月15日由荷福人工智能集团联合上海交通大学共同研发的六足并联步行机器人在上海浦东正式亮相，并进行了载人绕桩行走演示。该机器人六足协同行走可实现搬运、避障、上下爬梯等高难度动作，但其采用液压驱动，受压液体容易泄露，工作噪声较大，能源使用效率低，传动速度低，不适用于针对老年人和下肢残疾者的助力康复。

发明内容

为了克服已有外骨骼机器人的平衡性较差、能源使用效率较低、无法适用于老年人和下肢残疾者的助力康复的不足，本发明提供一种平衡性较好、能源使用效率较高、有效适用于老年人和下肢残疾者的助力康复的多足助力康复机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多足助力康复机器人，所述机器人包括腰带结构和仿生机械腿，所述腰带结构两两串联形成环状腰带，所述腰带结构与仿生机械腿连接，所述仿生机械腿包括近腿骨、中腿骨和远腿骨，所述腰带结构与近腿骨的上端通过侧摆关节连接，所述近腿骨与所述中腿骨端的后端之间通过第一弯曲关节连接，所述中腿骨与所述远腿骨的上端通过第二弯曲关节连接。

进一步，所述第一弯曲关节包括第一电动推杆驱动器、一个连接第一电动推杆驱动器与近腿骨的转动副、一个连接第一电动推杆驱动器与中腿骨的转动副和一个连接近腿骨的下端与中腿骨之间的转动副。

所述第一电动推杆驱动器包括第一滑块、第一导轨、第一步进电机、第一丝杠、第一丝杠套筒和第一杆端关节轴承，所述第一步进电机安装第一电机固定夹片上，所述第一电机固定夹片上开有第一圆孔，第一销轴穿过所述第一圆孔构成第一铰链连接在近腿骨上，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杠的一端连接，所述第一丝杠与第一丝杠套筒连接，所述第一杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第一丝杠套筒间隙配合，所述第一杆端关节轴承的另一端设有第二圆孔，所述第二圆孔与第二销轴构成第二铰链连接在中腿骨的后端；所述第一丝杠套筒与第一滑块的圆孔过盈配合，所述第一滑块可滑动地套装在第一导轨上，所述第一导轨与所述第一电机固定夹片固定连接。

所述第二弯曲关节包括第二电动推杆驱动器、一个连接第二电动推杆驱动器与中腿骨的转动副、一个连接第二电动推杆驱动器与中腿骨或远腿骨的转动副和一个连接中腿骨的前端与远腿骨之间的转动副。

所述第二电动推杆驱动器包括第二滑块、第二导轨、第二步进电机、第二丝杠、第二丝杠套筒和第二杆端关节轴承，所述第二步进电机安装第二电机固定夹片上，所述第二电机固定夹片上开有第三圆孔，第三销轴穿过所述第三圆孔构成第三铰链连接在中腿骨上，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杠的一端连接，所述第二丝杠与第二丝杠套筒连接，所述第二杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第二丝杠套筒间隙配合，所述第二杆端关节轴承的另一端设有第四圆孔，所述第四圆孔与第四销轴构成第四铰链连接在远中腿骨的上端；所述第二丝杠套筒与第二滑块的圆孔过盈配合，所述第二滑块可滑动地套装在第二导轨上，所述第二导轨与所述第二电机固定夹片固定连接。

所述侧摆关节包括第三电动推杆驱动器、一个连接腰带结构和第三电动推杆驱动器的转动副，一个连接近腿骨和第三电动推杆驱动器的转动副和一个连接腰带结构和近腿骨的转动副。

所述第三电动推杆驱动器包括第三滑块、第三导轨、第三步进电机、第三丝杠、第三丝杠套筒和第三杆端关节轴承，所述第三步进电机安装第三电机固定夹片上，所述第三电机固定夹片上开有第五圆孔，第五销轴穿过所述第五圆孔构成第五铰链连接在腰带结构上，所述第三步进电机的输出轴与第三丝杠的一端连接，所述第三丝杠与第三丝杠套筒连接，所述第三杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第三丝杠套筒间隙配合，所述第三杆端关节轴承的另一端设有第六圆孔，所述第六圆孔与第六销轴构成第四铰链连接在近腿骨的上部，所述第三丝杠套筒与第三滑块的圆孔过盈配合，所述第三滑块可滑动地套装在第三导轨上，所述第三导轨与所述第三电机固定夹片固定连接。

所述腰带结构和仿生机械腿均为六个，每个腰带结构呈120°夹角，所述环形腰带呈正六边形，所述腰带结构的夹角处与仿生机械腿连接。当然，也可以是其他结构形式。

本发明的技术构思为：多足助力康复机器人以多足昆虫(例如蜘蛛)为原型，从结构和功能上进行模仿，具有6条仿生机械腿以及多个自由度，通过驱动器帮助人体连续进行类似走路、爬坡、上楼梯等动作。运用本发明设备，可以帮助年老体弱者和下肢残疾者像健康的年轻人一样快速地行动。作为一款可穿戴式新型轻量机器人。它不仅能帮助残疾人恢复行走能力，还有望避免患者因长时间坐在轮椅上而生压疮，同时还可以改善心脏健康状况、锻炼肌肉强度、缓解抑郁症等。穿上它的人可以实现轻松自如地行走，完全避免摇摇晃晃、边走边停的情况。同时，它的实现将会减轻老龄化和部分伤残造成的家庭和社会压力。

本发明是腰带式可穿戴设计，六条独立仿生机械腿环绕连接因采用六足结构设计，能较好地解决二足机器人无法避免的平衡性问题，在稳定性和安全性上具有良好保障。六足机器人的一个最大的优点是对行走路面的要求很低,它可以跨越障碍物、走过沙地、沼泽等特殊路面,因此用于康复助力机器人的设计是十分合适的，可以较好地实现上楼梯等越障功能。并且机器人的足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活,对凹凸不平的地形的适应能力更强。六足式移动机器人的立足点是离散的,跟地面的接触面积较小,可以在可达到的地面上选择最优支撑点,即使在表面极度不规则的情况下,通过严格选择足的支撑点,也能够行走自如。同时，本设备采用步进电机驱动，相比于液压驱动，具有体积小，技术成熟，结构简单，无污染，能耗低，信号传递迅速且易于实现自动化等优点。

本发明的有益效果主要表现在：1、本发明所涉及的多足助力康复机器人具有六条机械仿生腿以及18个自由度，每条腿都包括了两个屈曲关节以及一个侧摆关节，从而可以实现屈曲运动以及侧摆运动，因此本发明可以实现人体下肢主要承担的站立、保持平衡、行走等功能；2、采用电动推杆驱动器驱动，能够产生足够大推力，转动关节实现运动，且步进电机能耗低、信号传递迅速并易于实现自动化；3、本发明采用模块化设计，六条机械仿生腿互相独立，通过主芯片协调控制，结构简单紧凑，加工方便、装配以及修理维护简便、成本较低。

附图说明

图1是本发明多足助力康复机器人整体结构三维效果图。

图2是本发明多足助力康复机器人腰带结构-仿生机械腿模块三维效果图。

图3是本发明多足助力康复机器人腰带结构-仿生机械腿模块侧向结构示意图。

图4是本发明多足助力康复机器人机腿部的弯曲关节三维效果图。

图5腿部的弯曲关节结构原理示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是本发明多足助力康复机器人中的电动推杆驱动器的结构示意图。

图8是本发明多足助力康复机器人中的侧摆关节结构三维效果图。

图9是本发明多足助力康复机器人中的侧摆关节结构示意图。

图10是本发明多足助力康复机器人中腰带结构连接的三围效果图。

图11是本发明多足助力康复机器人中腰带结构连接的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图11，一种多足助力康复机器人，所述机器人包括腰带结构5和仿生机械腿，所述腰带结构5两两串联形成环状腰带，所述腰带结构5与仿生机械腿连接，所述仿生机械腿包括近腿骨3、中腿骨1和远腿骨10，所述腰带结构5与近腿骨3的上端通过侧摆关节连接，所述近腿骨3与所述中腿1骨端的后端之间通过第一弯曲关节连接，所述中腿骨1与所述远腿骨10的上端通过第二弯曲关节连接。

进一步，所述第一弯曲关节包括第一电动推杆驱动器4、一个连接第一电动推杆驱动器与近腿骨的转动副、一个连接第一电动推杆驱动器与中腿骨的转动副和一个连接近腿骨的下端与中腿骨之间的转动副。

所述第一电动推杆驱动器4包括第一滑块、第一导轨、第一步进电机、第一丝杠、第一丝杠套筒和第一杆端关节轴承，所述第一步进电机安装第一电机固定夹片上，所述第一电机固定夹片上开有第一圆孔，第一销轴穿过所述第一圆孔构成第一铰链连接在近腿骨上，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杠的一端连接，所述第一丝杠与第一丝杠套筒连接，所述第一杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第一丝杠套筒间隙配合，所述第一杆端关节轴承的另一端设有第二圆孔，所述第二圆孔与第二销轴构成第二铰链连接在中腿骨的后端；所述第一丝杠套筒与第一滑块的圆孔过盈配合，所述第一滑块可滑动地套装在第一导轨上，所述第一导轨与所述第一电机固定夹片固定连接。

所述第二弯曲关节包括第二电动推杆驱动器8、一个连接第二电动推杆驱动器与中腿骨的转动副、一个连接第二电动推杆驱动器与中腿骨或远腿骨的转动副和一个连接中腿骨的前端与远腿骨之间的转动副。

所述第二电动推杆驱动器8包括第二滑块、第二导轨、第二步进电机、第二丝杠、第二丝杠套筒和第二杆端关节轴承，所述第二步进电机安装第二电机固定夹片上，所述第二电机固定夹片上开有第三圆孔，第三销轴穿过所述第三圆孔构成第三铰链连接在中腿骨上，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杠的一端连接，所述第二丝杠与第二丝杠套筒连接，所述第二杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第二丝杠套筒间隙配合，所述第二杆端关节轴承的另一端设有第四圆孔，所述第四圆孔与第四销轴构成第四铰链连接在远中腿骨的上端；所述第二丝杠套筒与第二滑块的圆孔过盈配合，所述第二滑块可滑动地套装在第二导轨上，所述第二导轨与所述第二电机固定夹片固定连接。

所述侧摆关节包括第三电动推杆驱动器7、一个连接腰带结构和第三电动推杆驱动器的转动副，一个连接近腿骨和第三电动推杆驱动器的转动副和一个连接腰带结构和近腿骨的转动副。

所述第三电动推杆驱动器7包括第三滑块、第三导轨、第三步进电机、第三丝杠、第三丝杠套筒和第三杆端关节轴承，所述第三步进电机安装第三电机固定夹片上，所述第三电机固定夹片上开有第五圆孔，第五销轴穿过所述第五圆孔构成第五铰链连接在腰带结构上，所述第三步进电机的输出轴与第三丝杠的一端连接，所述第三丝杠与第三丝杠套筒连接，所述第三杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第三丝杠套筒间隙配合，所述第三杆端关节轴承的另一端设有第六圆孔，所述第六圆孔与第六销轴构成第四铰链连接在近腿骨的上部，所述第三丝杠套筒与第三滑块的圆孔过盈配合，所述第三滑块可滑动地套装在第三导轨上，所述第三导轨与所述第三电机固定夹片固定连接。

所述腰带结构和仿生机械腿均为六个，每个腰带结构呈120°夹角，所述环形腰带呈正六边形，所述腰带结构的夹角处与仿生机械腿连接。当然，也可以是其他结构形式。所述腰带结构通过螺栓组件32两两串联形成环状腰带。

本实施例的机器人各结构的布局以多足昆虫为参照，如图1，整体上成正六边形，由六个单独模块连接而成，每个模块包括一个腰带结构5和一条仿生机械腿，参照图2。最上端腰带结构是一个120度的角，角两边长125mm。远腿骨长850mm，中腿骨长560mm，近腿骨长440mm。每条机械腿第一弯曲关节与第二弯曲关节和侧摆关节转动角度范围都在0～60度。

本发明涉及的多足助力康复机器人的六个腰带-腿模块中总共使用了18个基于电动推杆驱动器的转动关节(12个弯曲关节，6个侧摆关节)。弯曲关节可以实现机械腿在其所在平面内的屈曲运动，是本发明的重要组成部件，故对弯曲关节进行详细的介绍，第一弯曲关节与第二弯曲关节的结构相同。参照图4～6，以第二弯曲关节为例，所述的第二弯曲关节包括一个连接第二电动推杆驱动器8与中腿骨1的转动副11，一个连接第二电动推杆驱动器8与远腿骨10的转动副12，一个连接中腿骨1和远腿骨10的转动副13。参照图7，所述的第二电动推杆驱动器包括第二滑块14、第二导轨15、两个第二电机固定夹片18和20，第二步进电机19，第二联轴器22，第二丝杠23，第二丝杠套筒24和第二杆端关节轴承26。其中两个第二电机固定夹片18、20通过4个内六角螺钉21与第二步进电机19固定连接，又通过第三圆孔17与销轴构成铰链接，连接在中腿骨1上。所述第二丝杠23通过第二联轴器22与第二电机轴16连接，所述第二丝杠套筒24与其内部的第二丝杠23螺纹连接，第二电机轴16转动时带动第二丝杠23转动，使得第二丝杠套筒24轴向移动。所述第二杆端关节轴承27，一端通过第二端口螺母26与第二丝杠套筒间隙配合，另一端第四圆孔28通过销轴构成铰链转动副与远腿骨10连接。所述第二滑块14一端与第二导轨15配合，该配合为间隙配合，另一端通过圆孔与第二丝杠套筒24过盈配合，第二导轨15固定连接在第二电机固定夹片18、20上，起到给第二丝杠23提供支撑作用。工作时，第二电动推杆驱动器伸长，中腿骨1与远腿骨10内侧角度变小，第二电动推杆驱动器缩短，中腿骨1与远腿骨10内侧角度变大。基于第二电动推杆驱动器的第二弯曲关节的转角范围为0°～60°，其结构简单，刚性好，动作灵活，具有较大的实施价值。

本发明多足助力康复机器人的每条机械腿不仅可以实现屈曲(弯曲)运动，而且可以实现侧摆运动。基于电动推杆驱动器发明了侧摆关节。参照图8和图9，所述的侧摆关节包括一个连接腰带结构5和第三电动推杆驱动器7的转动副30，一个连接近腿骨3和第三电动推杆驱动器7的转动副29，一个连接腰带结构5和近腿骨3的转动副31。所述的第三电动推杆驱动器7结构和工作原理与第二电动推杆驱动器相同，其后端通过第五圆孔和销轴构成铰链转动副30，前端通过第六圆孔和销轴构成铰链转动副29。工作时，第三电动推杆驱动器伸长或缩短，带动转动副31转动，实现机器的侧摆功能。基于第三电动推杆驱动器的侧摆关节的转角范围为0°～60°，其结构简单，刚性好，动作灵活，具有较大的实施价值。

本发明涉及的多足助力康复机器人的腰带结构之间的连接参照图10。六个腰带结构通过螺栓组顺次连接可形成正六边形机身。其结构简单，刚性好，易于拆卸维修。

本发明的驱动系统与控制测量系统包括电源、步进电机、控制卡、工控机、超声波传感器以及计算机软件。

Claims (8)

1.一种多足助力康复机器人，其特征在于：所述机器人包括腰带结构和仿生机械腿，所述腰带结构两两串联形成环状腰带，所述腰带结构与仿生机械腿连接，所述仿生机械腿包括近腿骨、中腿骨和远腿骨，所述腰带结构与近腿骨的上端通过侧摆关节连接，所述近腿骨与所述中腿骨端的后端之间通过第一弯曲关节连接，所述中腿骨与所述远腿骨的上端通过第二弯曲关节连接。

2.如权利要求1所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述第一弯曲关节包括第一电动推杆驱动器、一个连接第一电动推杆驱动器与近腿骨的转动副、一个连接第一电动推杆驱动器与中腿骨的转动副和一个连接近腿骨的下端与中腿骨之间的转动副。

3.如权利要求2所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述第一电动推杆驱动器包括第一滑块、第一导轨、第一步进电机、第一丝杠、第一丝杠套筒和第一杆端关节轴承，所述第一步进电机安装第一电机固定夹片上，所述第一电机固定夹片上开有第一圆孔，第一销轴穿过所述第一圆孔构成第一铰链连接在近腿骨上，所述第一步进电机的输出轴与第一丝杠的一端连接，所述第一丝杠与第一丝杠套筒连接，所述第一杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第一丝杠套筒间隙配合，所述第一杆端关节轴承的另一端设有第二圆孔，所述第二圆孔与第二销轴构成第二铰链连接在中腿骨的后端；所述第一丝杠套筒与第一滑块的圆孔过盈配合，所述第一滑块可滑动地套装在第一导轨上，所述第一导轨与所述第一电机固定夹片固定连接。

4.如权利要求1～3之一所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述第二弯曲关节包括第二电动推杆驱动器、一个连接第二电动推杆驱动器与中腿骨的转动副、一个连接第二电动推杆驱动器与中腿骨或远腿骨的转动副和一个连接中腿骨的前端与远腿骨之间的转动副。

5.如权利要求4所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述第二电动推杆驱动器包括第二滑块、第二导轨、第二步进电机、第二丝杠、第二丝杠套筒和第二杆端关节轴承，所述第二步进电机安装第二电机固定夹片上，所述第二电机固定夹片上开有第三圆孔，第三销轴穿过所述第三圆孔构成第三铰链连接在中腿骨上，所述第二步进电机的输出轴与第二丝杠的一端连接，所述第二丝杠与第二丝杠套筒连接，所述第二杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第二丝杠套筒间隙配合，所述第二杆端关节轴承的另一端设有第四圆孔，所述第四圆孔与第四销轴构成第四铰链连接在远中腿骨的上端；所述第二丝杠套筒与第二滑块的圆孔过盈配合，所述第二滑块可滑动地套装在第二导轨上，所述第二导轨与所述第二电机固定夹片固定连接。

6.如权利要求1～3之一所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述侧摆关节包括第三电动推杆驱动器、一个连接腰带结构和第三电动推杆驱动器的转动副，一个连接近腿骨和第三电动推杆驱动器的转动副和一个连接腰带结构和近腿骨的转动副。

7.如权利要求6所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述第三电动推杆驱动器包括第三滑块、第三导轨、第三步进电机、第三丝杠、第三丝杠套筒和第三杆端关节轴承，所述第三步进电机安装第三电机固定夹片上，所述第三电机固定夹片上开有第五圆孔，第五销轴穿过所述第五圆孔构成第五铰链连接在腰带结构上，所述第三步进电机的输出轴与第三丝杠的一端连接，所述第三丝杠与第三丝杠套筒连接，所述第三杆端关节轴承的一端通过端口螺母与第三丝杠套筒间隙配合，所述第三杆端关节轴承的另一端设有第六圆孔，所述第六圆孔与第六销轴构成第四铰链连接在近腿骨的上部，所述第三丝杠套筒与第三滑块的圆孔过盈配合，所述第三滑块可滑动地套装在第三导轨上，所述第三导轨与所述第三电机固定夹片固定连接。

8.如权利要求1～3之一所述的多足助力康复机器人，其特征在于：所述腰带结构和仿生机械腿均为六个，每个腰带结构呈120°夹角，所述环形腰带呈正六边形，所述腰带结构的夹角处与仿生机械腿连接。