CN108670713A - 一种外骨骼机器人 - Google Patents

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王慧国
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闫泽峰
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陈志恒
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Abstract

本发明提供了一种外骨骼机器人，该外骨骼机器人包括大腿组件、小腿组件及驱动组件，驱动组件与大腿组件连接，且包括驱动机构及弹性机构，弹性机构包括连接件及弹性件，连接件与驱动机构连接以在驱动机构的驱动下转动，弹性件用于在驱动机构驱动连接件转动时抵接于连接件及小腿组件，以驱动小腿组件相对于大腿组件摆动，以使得驱动机构通过弹性件弹性驱动小腿组件相对于大腿组件摆动，相对于现有技术中的刚性驱动，能够降低驱动机构的阻抗上限及对小腿组件的冲击力，提高用户的穿戴舒适度。

Description

一种外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种外骨骼机器人。
背景技术
目前外骨骼机器人受到越来越多研究机构的重视，广泛应用于助行、助力以及医疗康复等领域。外骨骼机器人是人机耦合的系统，故友好的人机交互体验是目前研究的关注点之一。目前出现的外骨骼机器人中，大都使用传统的驱动方式，如伺服电机驱动、液压驱动等。这类驱动方式的驱动机构均为刚性驱动，导致输出阻抗大，对外冲击大，用户穿戴的舒适度较低。
发明内容
本发明主要是提供一种外骨骼机器人，旨在解决刚性驱动机构输出阻抗大、对外冲击力大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种外骨骼机器人，所述外骨骼机器人包括大腿组件、小腿组件及驱动组件；其中，所述驱动组件与所述大腿组件连接，且包括驱动机构及弹性机构，所述弹性机构包括连接件及弹性件，所述连接件与所述驱动机构连接以在所述驱动机构的驱动下转动，所述弹性件用于在所述驱动机构驱动所述连接件转动时，抵接于所述连接件及所述小腿组件，以驱动所述小腿组件相对于所述大腿组件摆动。
其中，所述驱动机构包括电机，所述连接件与所述电机的输出轴连接，所述小腿组件包括第一托盘及小腿杆，所述小腿杆与所述第一托盘连接，所述第一托盘上设有第一抵接部，所述第一抵接部在所述输出轴的周向上与所述连接件相对设置，所述弹性件设置于所述连接件与所述第一抵接部之间，以在所述电机驱动所述连接件转动时，抵接于所述连接件及所述第一抵接部，进而通过所述第一托盘带动所述小腿杆相对于所述大腿组件摆动。
其中，所述第一抵接部的数量为至少两个，所述至少两个第一抵接部分别设置于所述连接件相对的两侧，所述弹性件的数量为至少两个，所述至少两个弹性件分别设置于所述连接件与所述第一抵接部之间，以在所述电机驱动所述连接件往复转动时，驱动所述小腿杆相对于所述大腿杆组件往复摆动。
其中，所述连接件包括连接部及第二抵接部，所述连接部与所述电机的输出轴连接，所述第二抵接部在所述输出轴的周向上与所述第一抵接部相对设置。
其中，所述连接件与所述第一托盘转动连接。
其中，所述小腿组件进一步包括第一轴承，所述第一托盘上设有安装孔，所述第一轴承设置于所述安装孔内，且所述第一轴承的外圈与所述第一托盘相对固定，所述连接件进一步包括传动部，所述传动部穿设于所述第一轴承的内圈，并与所述第一轴承的内圈相对固定，以在所述电机驱动所述连接件转动时，所述第一轴承的内圈相对于所述第一轴承的外圈转动。
其中，所述外骨骼机器人进一步包括角度传感器，所述角度传感器与所述小腿组件连接，以监测所述小腿组件的摆动角度。
其中，所述大腿组件包括第二轴承及大腿杆，所述大腿杆与所述第二轴承的内圈配合连接，以与所述第二轴承的内圈相对固定，所述小腿组件进一步包括外壳，所述外壳与所述第一托盘和/或所述小腿杆连接，并与所述第二轴承的外圈配合连接，以与所述第二轴承的外圈相对固定，进而使得所述小腿杆通过第二轴承相对于所述大腿杆摆动。
其中，所述驱动机构进一步包括第二托盘，所述第二托盘分别与电机本体及所述大腿杆连接，以在所述电机的输出轴转动时，所述大腿杆与所述电机本体相对固定。
其中，所述驱动机构进一步包括谐波减速器及联轴器，所述谐波减速器包括从内至外依次连接的波发生器、柔轮及刚轮，所述联轴器分别与所述电机的输出轴及所述波发生器连接，所述柔轮与所述连接件连接，以在所述电机的输出轴转动时，驱动所述柔轮相对于所述刚轮转动，进而驱动所述连接件转动。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供的外骨骼机器人包括大腿组件、小腿组件及驱动组件，驱动组件与大腿组件连接，且包括驱动机构及弹性机构，弹性机构包括连接件及弹性件，连接件与驱动机构连接以在驱动机构的驱动下转动，弹性件用于在驱动机构驱动连接件转动时抵接于连接件及小腿组件，以驱动小腿组件相对于大腿组件摆动，以使得驱动机构通过弹性件弹性驱动小腿组件相对于大腿组件摆动，相对于现有技术中的刚性驱动，能够降低驱动机构的阻抗上限及对小腿组件的冲击力，提高用户的穿戴舒适度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的外骨骼机器人实施例的结构示意图；
图2是图1中小腿组件的分解示意图；
图3是图2中各组件装配的截面示意图；
图4是图1中驱动组件的分解示意图；
图5是图4中各组件装配的截面示意图；
图6是图4中弹性机构的结构示意图；
图7是图1中小腿组件的分解示意图；
图8是图7中个组件装配的截面示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种外骨骼机器人做进一步详细描述。
参阅图1，本发明提供的外骨骼机器人实施例包括小腿组件10、驱动组件20及大腿组件30，驱动组件20与大腿组件30连接。
共同参阅图2及图3，小腿组件10包括第一托盘11及小腿杆12。
其中，第一托盘11上设有第一抵接部111，可选地，第一抵接部111的数量至少两个，至少两个第一抵接部111呈两两相对设置。
可选的，第一抵接部111上设有第一防脱部1111，该第一防脱部1111可以为凸起。
可选的，第一托盘11还设有安装孔112。
小腿杆12与第一托盘11连接，用于绑缚人体小腿，以支撑人体小腿。
具体的，小腿杆12包括小腿支臂121及小腿绑带块122，小腿支臂121与第一托盘11连接，可选的，小腿支臂121可通过螺栓与第一托盘11连接；小腿绑带块122与小腿支臂121连接，用于绑缚人体小腿，可选的，小腿绑带块122上安装有小腿绑带(图中未示出)，通过该小腿绑带将小腿绑带块122绑缚于人体小腿。
其中，小腿杆12在第一托盘11远离第一抵接部111的一侧与第一托盘11连接，也即小腿支臂121在在第一托盘11远离第一抵接部111的一侧与第一托盘11连接。
可选的，小腿支臂121上设有多个安装位置，以便于调节小腿绑带块122在小腿支臂121上的相对位置，从而满足不同用户的使用需求。
可选的，小腿绑带块122用于与人体小腿绑缚的位置呈弧面设置，以便更好地与人体小腿贴合，提高用户的穿戴舒适度。
可选的，小腿杆12上设有容置槽123，在本实施例中，容置槽123设置于小腿支臂121上，且与安装孔112对应设置。
进一步的，小腿组件10还包括第一轴承13，第一轴承13设置于安装孔112内，第一轴承13的外圈与第一托盘11相对固定，该相对固定的方式可通过第一轴承13的外圈与安装孔112的内壁过盈配合实现，当然也可以通过其他方式实现，在此不做限定。
可选的，第一轴承13为深沟球轴承。
进一步的，小腿组件10还包括外壳14，外壳14与第一托盘11或小腿杆12连接，本实施例图3中以外壳14与第一托盘11通过螺栓连接为例，且外壳14与第一托盘11的外周壁连接，以罩设于第一托盘11。
共同参阅图4及图5，驱动组件20包括驱动机构21及弹性机构22。
其中，弹性机构22包括连接件221及弹性件222，连接件221与驱动机构21连接以在驱动机构21的驱动下转动。
具体的，驱动机构21包括电机211，连接件221与电机211的输出轴连接，以通过电机211的输出轴驱动连接件221转动。
可选的，驱动机构21还包括第二托盘212，第二托盘212与电机211的本体连接。
其中，第二托盘212上设有通孔2121，以在第二托盘212与电机211的本体连接时，电机211的输出轴穿过通孔2121。
可选的，驱动机构21还包括谐波减速器213及联轴器214，谐波减速器213包括从内之外依次连接的波发生器2131、柔轮2132及刚轮2133，波发生器2131与柔轮2132相对固定，柔轮2132与刚轮2133可相对转动，刚轮2133与第二托盘212连接而与电机211本体相对固定，联轴器214分别与电机211的输出轴及波发生器2131连接，以在电机211的输出轴转动时，通过联轴器214驱动波发生器2131转动，从而驱动柔轮2132相对于刚轮2133转动，柔轮2132与连接件221连接，进而驱动连接件221转动。
可选的，联轴器214通过顶丝2141与电机211的输出轴连接。
共同参阅图4及图6，连接件221在电机211的输出轴的周向上与第一抵接部111相对设置。
具体的，连接件221包括连接部2211及第二抵接部2212，连接部2211与电机211的输出轴连接，第二抵接部2122在电机211的输出轴的周向上与第一抵接部111相对设置。
可选的，第二抵接部2212的数量为一个或多个，本实施例图6中以三个为例，三个第二抵接部2212在电机211的输出轴的周向上阵列排布。
可选的，第二抵接部2212上设有第二防脱部221a，该第二防脱部221a可以为凸起。
进一步的，连接件221与第一托盘11转动连接。
具体的，连接件221还包括传动部2213，传动部2213穿设于第一轴承13的内圈，并与第一轴承13的内圈相对固定，以在电机211驱动连接件221转动时，第一轴承13的内圈相对于第一轴承13的外圈转动，且由于上述描述可知，第一轴承13的外圈与第一托盘11相对固定，因此，连接件221通过第一轴承13与第一托盘11转动连接。
可选的，传动部2213与第一轴承13的内圈相对固定的方式可通过过盈配合的方式实现，当然也可以通过其他方式实现，在此不做限定。
可选的，传动部2213的端部设有卡合件221b，以在传动部2213穿过第一轴承13的内圈之后，通过卡合件221b与连接件221的连接部2211，在电机211的轴向上将第一轴承13固定于第一托盘11的安装孔112内。
可选的，卡合件221b为卡簧。
可以理解的，由于连接件221与第一托盘11转动连接，因此，在电机211驱动连接件221转动时，不能通过连接件221直接驱动第一托盘11转动，也即不能直接驱动小腿组件10摆动。
弹性件222用于在驱动机构21驱动连接件221转动时，抵接于连接件221及小腿组件10，以驱动小腿组件10摆动。
具体的，弹性件222设置于呈相对设置的连接件221与第一抵接部111之间，以在电机211驱动连接件221转动时，弹性件222抵接于连接件221与第一抵接部111，从而使得第一托盘11在该抵接作用下转动，进而通过第一托盘11带动小腿杆12摆动。
可以理解的，在本实施例中，弹性件222设置于呈相对设置的第二抵接部2212与第一抵接部111之间。
可选的，弹性件222的数量为至少两个，至少两个弹性件222分别设置于连接件221与至少两个第一抵接部111之间，以在电机211驱动连接件221往复转动时，驱动小腿杆12往复摆动，进一步的，弹性件222的数量为至少四个，至少四个弹性件222中的每两个分别设置于一个第二抵接部2212与两个第一抵接部111之间，且至少四个弹性件222中至少的每两个在电机211的输出轴的周向上阵列排布，以在增加电机211驱动小腿杆12摆动的平稳性。
在本实施例中，弹性件222的数量为6个，第一抵接部111的数量也为6个，它们分成3组呈正三角形设置，其中，每组包括2个弹性件222及2个第一抵接部111，对称地设置在第二抵接部2212两侧，电机211的输出轴在轴向上穿过正三角形的几何中心并与之垂直，以使得驱动组件20的输出更加平稳，从而增加电机211驱动小腿杆12摆动的平稳性。
可选的，弹性件222为弹簧，第一防脱部1111与第二防脱部221a的凸起插入弹簧的两端，以防止弹簧与第一抵接部111和第二抵接部2212脱离。
其中，弹簧的长度可根据小腿杆12所需的摆动角度调节，比如15mm、20mm或25mm，还可以根据小腿杆12所需的摆动速度，调节弹簧的弹性系数。
共同参阅图7及图8，大腿组件30与驱动组件20连接，以在驱动机构21驱动小腿组件10摆动时，该小腿组件10相对于大腿组件30摆动。
具体的，大腿组件30包括大腿杆31及第二轴承32，大腿杆31与第二轴承32的内圈配合连接，以与第二轴承32的内圈相对固定，第二轴承32的外圈与小腿组件10的外壳14配合连接，以与外壳14相对固定，进而使得驱动机构21驱动小腿组件10摆动时，小腿组件10中的小腿杆12通过第二轴承32相对于大腿杆31摆动。
可选的，大腿杆31与第二轴承32的内圈相对固定的方式及第二轴承32的外圈与小腿组件10的外壳14相对固定的方式均可通过过盈配合的方式实现，当然也可以通过其他方式实现，在此不做限定。
可选的，第二轴承32为深沟球轴承。
进一步的，大腿杆31与第二托盘212连接，以在电机211的输出轴转动时，大腿杆31与电机211本体相对固定。
其中，大腿杆31包括大腿支臂311及大腿绑带块312，大腿支臂311设有配合部3111，大腿支臂311通过配合部3111与第二轴承32的内圈配合连接，且与电机211本体连接，大腿绑带块312与大腿支臂311连接，用于与人体大腿绑缚，可选的，大腿绑带块312上设有大腿绑带(图中未示出)，通过该大腿绑带将大腿绑带块312与人体大腿绑缚。
可选的，大腿绑带块312与人体绑缚的位置呈弧面设置，以便更好地与人体大腿贴合，提高用户的穿戴舒适度。
进一步的，大腿组件30还包括第一挡环33及第二挡环34，第一挡环33及第二挡环34，分别设置于第二轴承32相对的两侧，且分别与外壳14与大腿杆31连接，以在电机211的轴向上固定第二轴承32，在本实施例中，第二挡环34与大腿杆31的配合部3111连接。
进一步参阅图1，本实施例的外骨骼机器人还包括角度传感器40，角度传感器40与小腿组件10连接，以检测小腿组件10的摆动角度，从而根据小腿组件10的摆动角度，调节电机211的驱动力及驱动速度、弹性件222的长度及弹性系数等。
具体的，角度传感器40设置于小腿杆12的容置槽123内，以检测小腿杆12的摆动角度。
可选的，角度传感器40为磁性角度传感器。
区别于现有技术的情况，本发明提供的外骨骼机器人包括大腿组件、小腿组件及驱动组件，驱动组件与大腿组件连接，且包括驱动机构及弹性机构，弹性机构包括连接件及弹性件，连接件与驱动机构连接以在驱动机构的驱动下转动，弹性件用于在驱动机构驱动连接件转动时抵接于连接件及小腿组件，以驱动小腿组件相对于大腿组件摆动，以使得驱动机构通过弹性件弹性驱动小腿组件相对于大腿组件摆动，相对于现有技术中的刚性驱动，能够降低驱动机构的阻抗上限及对小腿组件的冲击力，提高用户的穿戴舒适度。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人包括大腿组件、小腿组件及驱动组件；
其中，所述驱动组件与所述大腿组件连接，且包括驱动机构及弹性机构，所述弹性机构包括连接件及弹性件，所述连接件与所述驱动机构连接以在所述驱动机构的驱动下转动，所述弹性件用于在所述驱动机构驱动所述连接件转动时，抵接于所述连接件及所述小腿组件，以驱动所述小腿组件相对于所述大腿组件摆动。
2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动机构包括电机，所述连接件与所述电机的输出轴连接，所述小腿组件包括第一托盘及小腿杆，所述小腿杆与所述第一托盘连接，所述第一托盘上设有第一抵接部，所述第一抵接部在所述输出轴的周向上与所述连接件相对设置，所述弹性件设置于所述连接件与所述第一抵接部之间，以在所述电机驱动所述连接件转动时，抵接于所述连接件及所述第一抵接部，进而通过所述第一托盘带动所述小腿杆相对于所述大腿组件摆动。
3.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述第一抵接部的数量为至少两个，所述至少两个第一抵接部分别设置于所述连接件相对的两侧，所述弹性件的数量为至少两个，所述至少两个弹性件分别设置于所述连接件与所述第一抵接部之间，以在所述电机驱动所述连接件往复转动时，驱动所述小腿杆相对于所述大腿杆组件往复摆动。
4.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述连接件包括连接部及第二抵接部，所述连接部与所述电机的输出轴连接，所述第二抵接部在所述输出轴的周向上与所述第一抵接部相对设置。
5.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述连接件与所述第一托盘转动连接。
6.根据权利要求5所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿组件进一步包括第一轴承，所述第一托盘上设有安装孔，所述第一轴承设置于所述安装孔内，且所述第一轴承的外圈与所述第一托盘相对固定，所述连接件进一步包括传动部，所述传动部穿设于所述第一轴承的内圈，并与所述第一轴承的内圈相对固定，以在所述电机驱动所述连接件转动时，所述第一轴承的内圈相对于所述第一轴承的外圈转动。
7.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人进一步包括角度传感器，所述角度传感器与所述小腿组件连接，以监测所述小腿组件的摆动角度。
8.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿组件包括第二轴承及大腿杆，所述大腿杆与所述第二轴承的内圈配合连接，以与所述第二轴承的内圈相对固定，所述小腿组件进一步包括外壳，所述外壳与所述第一托盘和/或所述小腿杆连接，并与所述第二轴承的外圈配合连接，以与所述第二轴承的外圈相对固定，进而使得所述小腿杆通过第二轴承相对于所述大腿杆摆动。
9.根据权利要求8所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动机构进一步包括第二托盘，所述第二托盘分别与电机本体及所述大腿杆连接，以在所述电机的输出轴转动时，所述大腿杆与所述电机本体相对固定。
10.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动机构进一步包括谐波减速器及联轴器，所述谐波减速器包括从内至外依次连接的波发生器、柔轮及刚轮，所述联轴器分别与所述电机的输出轴及所述波发生器连接，所述柔轮与所述连接件连接，以在所述电机的输出轴转动时，驱动所述柔轮相对于所述刚轮转动，进而驱动所述连接件转动。
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