CN108942885A - 一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人包括：背部支架及对称设置在背部支架两侧的伺服旋转平台、髋关节机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和智能鞋；背部支架上设有惯性传感器和控制器，背部支架与伺服旋转平台的底座相连接；伺服旋转平台的旋转体与髋关节机构绕竖直轴旋转连接；大腿机构通过髋关节机构与背部机构绕水平轴旋转连接，小腿机构通过所述膝关节机构与大腿机构绕水平轴旋转连接，小腿机构下端通过走线软管与智能鞋相连接，智能鞋底部设有压力传感器；惯性传感器和压力传感器的信号通过控制器发送给伺服旋转平台、髋关节机构和膝关节机构以实现行走时的腿部助力。该机器人运动过程和人体跟随性较好，同时符合人体仿生学原理。

Description

一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人。

背景技术

随着经济和技术的发展，机器人技术越来越得到人们关注。可穿戴下肢外骨骼机器人作为一种一直处于研发阶段而未普及的高新产品，有许多需要克服的技术难题。髋关节作为人体最承重的关节，对应的外骨骼髋关节结构设计也尤其重要。目前，大部分可穿戴式下肢外骨骼机器人的髋关节结构都比较复杂或只驱动人体的大腿在矢状面内的运动，复杂的结构导致外骨骼机器人的重量增加以及效率降低，单一的自由度导致外骨骼机器人对于人体的运动跟随性较差，这将影响佩戴的舒适度和运动的灵活性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，结构简单、跟随性好，可为老年人或恶劣环境中的工作者提供运动助力。

本发明提供一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，包括：背部支架以及对称设置在背部支架两侧的伺服旋转平台、髋关节机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和智能鞋；所述背部支架上设有惯性传感器和控制器，背部支架与伺服旋转平台的底座相连接；所述伺服旋转平台的旋转体与髋关节机构绕竖直轴旋转连接；所述大腿机构通过所述髋关节机构与背部支架绕水平轴旋转连接，所述小腿机构通过所述膝关节机构与大腿机构绕水平轴旋转连接，所述小腿机构下端通过走线软管与智能鞋相连接，所述智能鞋底部设有压力传感器；惯性传感器和压力传感器的信号通过控制器发送给伺服旋转平台、髋关节机构和膝关节机构以实现行走时的腿部助力。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述背部支架包括左侧支架和右侧支架，左侧支架和右侧支架上都设有多排连接孔，通过螺栓连接不同的连接孔以调节背部支架的宽度。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述髋关节机构包括：U型支架和髋关节模组，髋关节模组设置于U型支架内，所述U型支架的上支架臂与伺服旋转平台的旋转体相连接，所述髋关节模组的底座固定在U型支架的下支架臂内侧。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述大腿机构包括：第一大腿杆件、旋转轴环、第二大腿杆件、大腿绑缚机构和第三大腿杆件；第一大腿杆件的上端设有第一环形连接件，第一环形连接件套设固定在髋关节模组的旋转体上，第一大腿杆件的下端通过第一法兰盘连接在旋转轴环的内环上；所述第二大腿杆件的上端通过第二法兰盘连接在旋转轴环的外环上，第二大腿杆件的下端设有内螺纹；所述第三大腿杆件的上端设有外螺纹，第二大腿杆件和第三大腿杆件通过螺纹副连接；大腿绑缚机构设置在第二大腿杆件上，大腿绑缚机构是由弹性金属片制成的带有开口的环形结构，开口方向朝向人体矢状面。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述构成大腿绑缚机构的弹性金属片上设有多个通风孔。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述膝关节机构为膝关节模组，所述第三大腿杆件下端与膝关节模组的底座相连接。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述小腿机构包括：第一小腿杆件、第一小腿绑缚机构、第二小腿杆件和第二小腿绑缚机构；所述第一小腿杆件的上端有第二环形连接件，第二环形连接件套设固定在膝关节模组的旋转体上，第一小腿杆件的下端设有内螺纹；所述第二小腿杆件的上端设有外螺纹，第一小腿杆件和第二小腿杆件通过螺纹副连接，第二小腿杆件的下端通过走线软管与智能鞋相连接；第一小腿绑缚机构设置在第一小腿杆件上，第二小腿绑缚机构设置在第二小腿杆件上，第一小腿绑缚机构和第二小腿绑缚机构都是由弹性金属片制成的带有开口的环形结构，开口方向朝向人体矢状面。

在本发明的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人中，所述智能鞋底部设有三个压力传感器，两个压力传感器布置在前脚掌位置，另一个布置在后脚跟位置。

本发明的一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其髋关节的结构可以使外骨骼机器人更易于控制同时运动跟随性更好。这款机器人结构简单、跟随性好、穿戴舒适、灵活性好、具有多个自由度，可以使行动不便的老年人和由于各种疾病引起的肢体运动性障碍的病人重新走路，也可以作为在一些环境恶劣场所工作的各类人员的一种辅助设备以减少科研人员与工作人员不必要的体能消耗和提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人的结构示意图；

图2是背部支架的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人为对称结构，包括：背部支架1以及对称设置在背部支架1两侧的伺服旋转平台2、髋关节机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和智能鞋16。下面以一侧为例进行说明。

背部支架1上设有惯性传感器和控制器，背部支架1与伺服旋转平台2的底座相连接。所述伺服旋转平台2的旋转体与髋关节机构绕竖直轴旋转连接。所述大腿机构通过所述髋关节机构与背部支架1绕水平轴旋转连接，所述小腿机构通过所述膝关节机构与大腿机构绕水平轴旋转连接，所述小腿机构下端通过走线软管15与智能鞋16相连接，所述智能鞋16底部设有压力传感器。惯性传感器采集的人体加速度、角速度信号和压力传感器采集的人体足底压力信号发送给控制器，控制器判断出人体的动作意图后控制伺服旋转平台2、髋关节机构和膝关节机构运动以实现行走时的腿部助力。

如图2所示，背部支架1包括左侧支架17和右侧支架18，左侧支架17和右侧支架18上都设有多排连接孔19，通过螺栓连接不同的连接孔19以调节背部支架1的宽度。

髋关节机构包括U型支架3和髋关节模组4。髋关节模组4设置于U型支架3内，所述U型支架3的上支架臂与伺服旋转平台2的旋转体相连接，所述髋关节模组4的底座固定在U型支架3的下支架臂内侧。大腿机构包括第一大腿杆件5、旋转轴环6、第二大腿杆件7、大腿绑缚机构8和第三大腿杆件9。第一大腿杆件5的上端设有第一环形连接件51，第一环形连接件51套设固定在髋关节模组4的旋转体上，第一大腿杆件5的下端通过第一法兰盘52连接在旋转轴环6的内环上；所述第二大腿杆件7的上端通过第二法兰盘71连接在旋转轴环6的外环上，第二大腿杆件7的下端设有内螺纹。所述第三大腿杆件9的上端设有外螺纹，第二大腿杆件7和第三大腿杆件9通过螺纹副连接。大腿绑缚机构8设置在第二大腿杆件7上，大腿绑缚机构8是由弹性金属片制成的带有开口的环形结构，开口方向朝向人体矢状面。由于构成大腿绑缚机构8的弹性金属片的宽度较大，再其上设有多个通风孔81，可增加穿戴的舒适性。

膝关节机构为膝关节模组10，所述第三大腿杆件9下端与膝关节模组10的底座相连接。

小腿机构包括第一小腿杆件11、第一小腿绑缚机构12、第二小腿杆件13和第二小腿绑缚机构14。所述第一小腿杆件11的上端有第二环形连接件111，第二环形连接件111套设固定在膝关节模组10的旋转体上，第一小腿杆件11的下端设有内螺纹。所述第二小腿杆件13的上端设有外螺纹，第一小腿杆件11和第二小腿杆件13通过螺纹副连接。第二小腿杆件13的下端通过走线软管15与智能鞋16相连接。第一小腿绑缚机构12设置在第一小腿杆件11上，第二小腿绑缚机构14设置在第二小腿杆件13上，第一小腿绑缚机构12和第二小腿绑缚机构14都是由弹性金属片制成的带有开口的环形结构，开口方向朝向人体矢状面。

大腿机构和小腿机构中的杆件均为管状结构。大腿机构和小腿机构可以通过其螺纹副连接调节长度以适应人体不同的腿长。智能鞋16底部设有三个压力传感器，两个压力传感器布置在前脚掌位置，另一个布置在后脚跟位置。

工作原理：智能鞋16底部内侧有三个压力传感器，两个布置于前脚掌位置，一个布置于后脚跟位置。背部支架1上装有惯性传感器模块和控制器。人体行走过程初段，人体姿态的变化使压力传感器和惯性传感器模块产生信号，信号经由控制器传递给伺服旋转平台2、髋关节机构和膝关节机构。伺服旋转平台2的旋转体根据信号转动，进而带动U型支架3转动，从而带动髋关节模组4和第一大腿杆件5及其下部结构以伺服旋转平台2为中心绕竖直轴线旋转，这部分操作作用是根据判断人体意图预调整好在人体冠状面和矢状面内的运动方向。同时，髋关节模组4的旋转体转动，带动第一大腿杆件5及以下的所有结构以髋关节模组4为中心绕水平方向的轴线旋转。膝关节模组10的旋转体转动，带动第一小腿杆件11及以下的所有结构以膝关节模组10为中心绕水平方向的轴线旋转，实现行走时腿部的助力。伺服旋转平台2、髋关节模组4和膝关节模组10的产生的工作信号反馈到控制器上，形成一个闭环控制系统，人体踝关节自主运动。该机器人运动过程和人体跟随性较好，同时符合人体仿生学原理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括：背部支架以及对称设置在背部支架两侧的伺服旋转平台、髋关节机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和智能鞋；所述背部支架上设有惯性传感器和控制器，背部支架与伺服旋转平台的底座相连接；所述伺服旋转平台的旋转体与髋关节机构绕竖直轴旋转连接；所述大腿机构通过所述髋关节机构与背部支架绕水平轴旋转连接，所述小腿机构通过所述膝关节机构与大腿机构绕水平轴旋转连接，所述小腿机构下端通过走线软管与智能鞋相连接，所述智能鞋底部设有压力传感器；惯性传感器和压力传感器的信号通过控制器发送给伺服旋转平台、髋关节机构和膝关节机构以实现行走时的腿部助力。

2.如权利要求1所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述背部支架包括左侧支架和右侧支架，左侧支架和右侧支架上都设有多排连接孔，通过螺栓连接不同的连接孔以调节背部支架的宽度。

3.如权利要求2所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节机构包括：U型支架和髋关节模组，髋关节模组设置于U型支架内，所述U型支架的上支架臂与伺服旋转平台的旋转体相连接，所述髋关节模组的底座固定在U型支架的下支架臂内侧。

4.如权利要求3所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿机构包括：第一大腿杆件、旋转轴环、第二大腿杆件、大腿绑缚机构和第三大腿杆件；第一大腿杆件的上端设有第一环形连接件，第一环形连接件套设固定在髋关节模组的旋转体上，第一大腿杆件的下端通过第一法兰盘连接在旋转轴环的内环上；所述第二大腿杆件的上端通过第二法兰盘连接在旋转轴环的外环上，第二大腿杆件的下端设有内螺纹；所述第三大腿杆件的上端设有外螺纹，第二大腿杆件和第三大腿杆件通过螺纹副连接；大腿绑缚机构设置在第二大腿杆件上，大腿绑缚机构是由弹性金属片制成的带有开口的环形结构，开口方向朝向人体矢状面。

5.如权利要求4所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述构成大腿绑缚机构的弹性金属片上设有多个通风孔。

6.如权利要求4所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节机构为膝关节模组，所述第三大腿杆件下端与膝关节模组的底座相连接。

7.如权利要求6所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿机构包括：第一小腿杆件、第一小腿绑缚机构、第二小腿杆件和第二小腿绑缚机构；所述第一小腿杆件的上端有第二环形连接件，第二环形连接件套设固定在膝关节模组的旋转体上，第一小腿杆件的下端设有内螺纹；所述第二小腿杆件的上端设有外螺纹，第一小腿杆件和第二小腿杆件通过螺纹副连接，第二小腿杆件的下端通过走线软管与智能鞋相连接；第一小腿绑缚机构设置在第一小腿杆件上，第二小腿绑缚机构设置在第二小腿杆件上，第一小腿绑缚机构和第二小腿绑缚机构都是由弹性金属片制成的带有开口的环形结构，开口方向朝向人体矢状面。

8.如权利要求1所述的髋关节的可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述智能鞋底部设有三个压力传感器，两个压力传感器布置在前脚掌位置，另一个布置在后脚跟位置。