CN107351057B - 一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，涉及仿生可穿戴外骨骼机器人领域；包括下肢人体仿生外骨骼的机械结构、外骨骼移动平台、髋部仿生结构和背部安装板；外骨骼移动平台位于底端；下肢人体仿生外骨骼的机械结构固定安装在外骨骼移动平台的上表面；髋部仿生结构固定安装在下肢人体仿生外骨骼的机械结构的顶端；背部安装板固定安装在髋部仿生结构的后部；本发明通过改进传统的下肢外骨骼结构形式，增加智能辅助移动平台结构，对各关节自由度集成化，在满足不同运动环境下这个系统辅助运动功能，轻量化结构形式，增强了人机安全性和使用舒适度，提高了新型外骨骼辅助功效和扩大了其运用领域。

Description

一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及仿生可穿戴外骨骼机器人领域，特别是一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人。

背景技术

在科技高度发达的今天，机器人已经渗入到各行各业，执行各种各样的任务，仿生外骨骼机器人就是机器人领域中一个非常重要的模块，可穿戴仿生外骨骼机器人可以有效的完成复杂运动，扩大机器人的应用领域，但是传统的外骨骼机器人功能过一单一,关节设计复杂，关节自由度主要来自分散的自由度组成，或者由一个两个自由度组成，活动范围较小，机械结构复杂，总体重量难以实现更轻，更柔顺，行走辅助效果差，人机协同性差，且只适合短距离运行，。随着科学技术的不断发展，特别是在进入21世纪之后，外骨骼助力机器人作为一种人体的辅助设备，在军用领域和民用领域都得到了空前的发展。

目前外骨骼助力机器人种类繁多，将外骨骼助力机器人按照驱动关节的个数进行分类，包括:单关节外骨骼助力机器人和多关节外骨骼助力机器人(两个及以上驱动关节)。单关节外骨骼助力机器人很容易区分，即髋、膝、踝外骨骼助力机器人系统。多关节外骨骼助力机器人与其相比具有更好的助力效果和能力，在军用、航天、工业、建筑、消防以及康复等领域都有广泛的应用，而且在结构设计、驱动方式、步态感知、控制策略及能源配置和辅助效果等问题上也更加复杂，多功能多姿态的外骨骼助力机器人结构设计是外骨骼普及运用研究的热点和难点。能够辅助人体运动和辅助行走，仿生外骨骼结构形式直接影响外骨骼机器人的辅助效果。目前国内外外骨骼结构设计种类繁多，由于结构形式的设计缺陷，外骨骼助力机器人辅助功能单一，人机耦合性差，穿戴不舒适，即使拥复杂设计的主被动驱动系统，但也制约了外骨骼机器人在各领域的辅助功能，也不能提高穿戴者对辅助行走设备热情；一种合理的机构设计制约着多位态外骨骼机器人的穿戴和普及。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，通过改进传统的下肢外骨骼结构形式，增加智能辅助移动平台结构，对各关节自由度集成化，在满足不同运动环境下这个系统辅助运动功能，轻量化结构形式，增强了人机安全性和使用舒适度，提高了新型外骨骼辅助功效和扩大了其运用领域。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，包括下肢人体仿生外骨骼的机械结构、外骨骼移动平台、髋部仿生结构和背部安装板；其中，外骨骼移动平台位于外骨骼机器人的底端；下肢人体仿生外骨骼的机械结构固定安装在外骨骼移动平台的上表面；髋部仿生结构固定安装在下肢人体仿生外骨骼的机械结构的顶端；背部安装板固定安装在髋部仿生结构的后部。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述下肢人体仿生外骨骼的机械结构包括腿部仿生结构和人机连接组件；外骨骼移动平台包括移动底盘和人机交互结构；其中，移动底盘水平固定在最底端；人机交互结构竖直固定安装在移动底盘的上表面。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述腿部仿生结构固定安装在移动底盘的上表面；且腿部仿生结构位于人机交互结构的两侧；人机链接组件固定安装在腿部仿生结构上。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述的腿部仿生结构包括足部仿生结构、小腿仿生结构、大腿仿生结构、踝关节、膝关节和髋关节；其中，足部仿生结构固定安装在移动底盘的上表面；小腿仿生结构固定安装在足部仿生结构的上端，且小腿仿生结构与足部仿生结构之间通过踝关节固定连接；大腿仿生结构固定安装在小腿仿生结构的上端，且大腿仿生结构与小腿仿生结构之间通过膝关节固定连接；腿部仿生结构与髋部仿生结构之间通过髋关节固定连接。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述的人机连接组件包括足部连接件、大腿连接件和腰部背部连接件；其中，足部连接件、大腿连接件和腰部背部连接件均为环状结构；足部连接件固定安装在足部仿生结构的上表面，实现与人体足部的连接；大腿连接件固定安装在大腿仿生结构的中部，实现与人体大腿的连接；腰部背部连接件水平固定安装在髋部仿生结构的前端，实现与人体腰部的连接。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述移动底盘包括两驱动轮机构、前后平衡轮结构、底盘、减震缓冲系统、电机和减速器；其中，底盘水平放置；两驱动轮机构固定安装在底盘的两侧；前后平衡轮结构分别固定安装在底盘的前后两端；减震缓冲系统设置在底盘的底部两侧，实现底盘与两驱动轮机构的连接；电机固定安装在底盘的中部，实现对两驱动轮机构的驱动；减速器固定安装在电机与两驱动轮机构之间。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述人机交互结构包括支撑座机构、锁紧机构、扶手、主梁和显示界面；其中，主梁垂直固定安装在移动底盘的上表面；支撑座机构固定安装在主梁的中部；扶手固定安装在主梁的顶部；显示界面固定安装在主梁的顶部，且位于扶手的一侧；锁紧机构固定安装在主梁上，且位于支撑座机构的上方。

在上述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，所述支撑座机构包括皮座、弹簧和气缸；皮座水平固定安装在主梁的中部；弹簧的一端固定安装在皮座的底部，弹簧的另一端与气缸的一端固定连接；气缸的另一端固定安装在主梁的下部。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明中髋部仿生结构左右对称设计，固定在在背部安装板上旋转轴，在冠状面增加了左右腿和上肢自由度；在拉伸弹簧的作用下，左右髋部仿生结构具有绕固定轴回力功能；同时背部安装板和肩部人机连接件之间通过轴连接，在失状面增加了人体上肢前后倾斜自由度，人机匹配性更好；

(2)本发明中髋关节集成了3个自由度：屈伸、内外展和内外旋转；在内髋关节连接件2和连接件3之间轴连接，增加了折叠功能；同时在和大腿仿生结构有线性弹簧提供内外旋转回力功能；髋关节自由度相比传统髋关节自由度结构在髋部和腿部分散式的设计，更加集成化，功能集中，增强了人机协同；

(3)本发明中踝关节为3自由度，增加了足部仿生结构活动自由度，提高了下肢外骨骼对路况的适应性；在踝关节上杆和调节杆中间有弹簧，增加仿生结构回力功能，人机足部耦合性更好；

(4)本发明采用了大小腿仿生结构都包括调节杆，可以根据不同穿戴者的情况长度可调，自然性和适应性较强；

(5)本发明采用了移动平台结构，设计两个对称驱动轮和前后平衡轮结构，驱动轮结构通过弹簧减震机构连接在底盘上，同时弹性座结构设计整体结构简单，提高了外骨骼机器人舒适性；安全锁扣设计保证穿戴者驾驶安全性同时减少穿戴者负载达到零负载，操作更舒适；

(6)本发明采用了一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人机构模块化设计，针对各种需要助力的人群，例如助力外骨骼士兵、工程搬运工、残疾人和老年人；

(7)本发明通过切换可以实现外骨骼辅助助力行走、助残康复训练和智能移动平台模式的转变，利用智能移动平台结构，充当智能外骨骼系统的一部分，使得智能移动台与外骨骼功能有机结合在一起，这种设计扩大了外骨骼模式转换灵活，结构简单；

(8)本发明采用了基于移动平台的辅助外骨骼机器人，可以通过模式切换和重定义，大幅度增加了智能外骨骼机器人适用性，例如：步行或者乘坐状态下的辅助助残康复，街道巡逻模式，远距离单兵助力模式，可进一步发展成智能平衡车式外骨骼机器人，增强使用者科技感和自尊心。

附图说明

图1为本发明一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人结构示意图；

图2为本发明基于移动平台的辅助外骨骼机器人结构侧视图；

图3为本发明移动底盘结构示意图；

图4为本发明人机交互结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明要解决的技术问题：一种移动平台的机械外骨骼要解决外骨骼机器人功能单一，实现外骨骼机器人的多体位多功能辅助运动。要求仿生外骨骼各主被动关节自由度设计需要符合人体生理活动特性，同时满足在穿戴者非助力和助力时完成不同用途不同功能的需求，才能起到辅助行走的效果。传统的外骨骼机器人结构设计更复杂，功能单一，只能满足小范围助力或康复训练的功能。即使提供充足能源扩大外骨骼的运行范围，由于重量的增加，也无法保证人机穿戴的舒适性和安全性，辅助行走效果差。因此需要一种基于移动台的机械外骨骼机器人。基于移动平台的机械外骨骼机器人不但外观和关节比例符合人体特征，还能保证穿戴者在外骨骼辅助助力和无助力效果下辅助运动需求。即穿戴者在使用下肢外骨骼承受负载或进行其他种类动作时，保证外骨骼的助力辅助功效的同时帮助穿戴者辅助行走。需要外骨骼及其辅助移动平台辅助穿戴者进行辅助助力的同时继续行走或不移动，站着和坐着能不同的姿态完成不同辅助功能；基于移动平台的外骨骼机器人帮助穿戴者完成不同功能时，需要保证穿戴外骨骼状况下的人机安全性，需要机械结构不能过于冗杂，需要驱动结构和仿生结构尽量轻量化和模块化。

如图1所示为一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人结构示意图，由图可知，一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，包括下肢人体仿生外骨骼的机械结构1、外骨骼移动平台2、髋部仿生结构4和背部安装板11；其中，外骨骼移动平台2位于外骨骼机器人的底端；下肢人体仿生外骨骼的机械结构1固定安装在外骨骼移动平台2的上表面；髋部仿生结构4固定安装在下肢人体仿生外骨骼的机械结构1的顶端；背部安装板11固定安装在髋部仿生结构4的后部。

其中，下肢人体仿生外骨骼的机械结构1包括腿部仿生结构3和人机连接组件；外骨骼移动平台2包括移动底盘15和人机交互结构16；其中，移动底盘15水平固定在最底端；人机交互结构16竖直固定安装在移动底盘15的上表面。

腿部仿生结构3固定安装在移动底盘15的上表面；且腿部仿生结构3位于人机交互结构16的两侧；人机连接组件固定安装在腿部仿生结构3上。

其中，腿部仿生结构3包括足部仿生结构5、小腿仿生结构6、大腿仿生结构7、踝关节8、膝关节9和髋关节10；其中，足部仿生结构5固定安装在移动底盘15的上表面；小腿仿生结构6固定安装在足部仿生结构5的上端，且小腿仿生结构6与足部仿生结构5之间通过踝关节8固定连接；大腿仿生结构 7固定安装在小腿仿生结构6的上端，且大腿仿生结构7与小腿仿生结构6之间通过膝关节9固定连接；腿部仿生结构3与髋部仿生结构4之间通过髋关节10固定连接。

人机连接组件包括足部连接件12、大腿连接件13和腰部背部连接件14；其中，足部连接件12、大腿连接件13和腰部背部连接件14均为环状结构；足部连接件12固定安装在足部仿生结构5的上表面，实现与人体足部的连接；大腿连接件13固定安装在大腿仿生结构7的中部，实现与人体大腿的连接；腰部背部连接件14水平固定安装在髋部仿生结构4的前端，实现与人体腰部的连接。

如图3所示为移动底盘结构示意图，由图可知，所述移动底盘15包括两驱动轮机构17、前后平衡轮结构18、底盘21、减震缓冲系统22、电机23和减速器24；其中，底盘21水平放置；两驱动轮机构17固定安装在底盘21的两侧；前后平衡轮结构18分别固定安装在底盘21的前后两端；减震缓冲系统22 设置在底盘21的底部两侧，实现底盘21与两驱动轮机构17的连接；电机23 固定安装在底盘21的中部，实现对两驱动轮机构17的驱动；减速器24固定安装在电机23与两驱动轮机构17之间。两驱动轮机构17安装在底盘21的电机23和减速器24两侧，左右对称；前后平衡轮结构18前后分布，安装在底盘21机构上，保证移动平台安全性；减震缓冲系统22包括左右对称分布的弹簧缓冲结构件，保证运行过程的舒适性。

如图2所示为基于移动平台的辅助外骨骼机器人结构侧视图，如图4所示为人机交互结构示意图，由图可知，人机交互结构16包括支撑座机构19、锁紧机构20、扶手28、主梁29和显示界面30；其中，主梁29垂直固定安装在移动底盘15的上表面；支撑座机构19固定安装在主梁29的中部；扶手28固定安装在主梁29的顶部；显示界面30固定安装在主梁29的顶部，且位于扶手28的一侧；锁紧机构20固定安装在主梁29上，且位于支撑座机构的上方。

其中，支撑座机构19包括皮座25、弹簧26和气缸27；皮座25水平固定安装在主梁29的中部；弹簧26的一端固定安装在皮座25的底部，弹簧26的另一端与气缸27的一端固定连接；气缸27的另一端固定安装在主梁29的下部。

皮座25前端铰接与主梁29结构，后端通过气缸27与主梁29铰接，支撑皮座25，使皮座25具有一定的回程力，弹簧26安装在气缸27套筒外，起到再次减震效果，增强了移动平台舒适性；显示界面30显示外骨骼机器人运行状态，通过显示界面30可以选择不同运行模式等，扩大人机交互性，同时增强穿戴者职能控制参与感和自豪感。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，其特征在于：包括下肢人体仿生外骨骼的机械结构(1)、外骨骼移动平台(2)、髋部仿生结构(4)和背部安装板(11)；其中，外骨骼移动平台(2)位于外骨骼机器人的底端；下肢人体仿生外骨骼的机械结构(1)固定安装在外骨骼移动平台(2)的上表面；髋部仿生结构(4)固定安装在下肢人体仿生外骨骼的机械结构(1)的顶端；背部安装板(11)固定安装在髋部仿生结构(4)的后部；

所述下肢人体仿生外骨骼的机械结构(1)包括腿部仿生结构(3)和人机连接组件；外骨骼移动平台(2)包括移动底盘(15)和人机交互结构(16)；其中，移动底盘(15)水平固定在最底端；人机交互结构(16)竖直固定安装在移动底盘(15)的上表面；

所述腿部仿生结构(3)固定安装在移动底盘(15)的上表面；且腿部仿生结构(3)位于人机交互结构(16)的两侧；人机连接组件固定安装在腿部仿生结构(3)上；

所述的腿部仿生结构(3)包括足部仿生结构(5)、小腿仿生结构(6)、大腿仿生结构(7)、踝关节(8)、膝关节(9)和髋关节(10)；其中，足部仿生结构(5)固定安装在移动底盘(15)的上表面；小腿仿生结构(6)固定安装在足部仿生结构(5)的上端，且小腿仿生结构(6)与足部仿生结构(5)之间通过踝关节(8)固定连接；大腿仿生结构(7)固定安装在小腿仿生结构(6)的上端，且大腿仿生结构(7)与小腿仿生结构(6)之间通过膝关节(9)固定连接；腿部仿生结构(3)与髋部仿生结构(4)之间通过髋关节(10)固定连接；

所述的人机连接组件包括足部连接件(12)、大腿连接件(13)和腰部背部连接件(14)；其中，足部连接件(12)、大腿连接件(13)和腰部背部连接件(14)均为环状结构；足部连接件(12)固定安装在足部仿生结构(5)的上表面，实现与人体足部的连接；大腿连接件(13)固定安装在大腿仿生结构(7)的中部，实现与人体大腿的连接；腰部背部连接件(14)水平固定安装在髋部仿生结构(4)的前端，实现与人体腰部的连接；

所述移动底盘(15)包括两驱动轮机构(17)、前后平衡轮结构(18)、底盘(21)、减震缓冲系统(22)、电机(23)和减速器(24)；其中，底盘(21)水平放置；两驱动轮机构(17)固定安装在底盘(21)的两侧；前后平衡轮结构(18)分别固定安装在底盘(21)的前后两端；减震缓冲系统(22)设置在底盘(21)的底部两侧，实现底盘(21)与两驱动轮机构(17)的连接；电机(23)固定安装在底盘(21)的中部，实现对两驱动轮机构(17)的驱动；减速器(24)固定安装在电机(23)与两驱动轮机构(17)之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，其特征在于：所述人机交互结构(16)包括支撑座机构(19)、锁紧机构(20)、扶手(28)、主梁(29)和显示界面(30)；其中，主梁(29)垂直固定安装在移动底盘(15)的上表面；支撑座机构(19)固定安装在主梁(29)的中部；扶手(28)固定安装在主梁(29)的顶部；显示界面(30)固定安装在主梁(29)的顶部，且位于扶手(28)的一侧；锁紧机构(20)固定安装在主梁(29)上，且位于支撑座机构的上方。

3.根据权利要求2所述的一种基于移动平台的辅助外骨骼机器人，其特征在于：所述支撑座机构(19)包括皮座(25)、弹簧(26)和气缸(27)；皮座(25)水平固定安装在主梁(29)的中部；弹簧(26)的一端固定安装在皮座(25)的底部，弹簧(26)的另一端与气缸(27)的一端固定连接；气缸(27)的另一端固定安装在主梁(29)的下部。