CN109009891A - 可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，它包括左腿、右腿、电机‑减速器驱动系统、电源模块；所述右腿和左腿结构相同，并对称设置在腰部两侧；电机‑减速器驱动系统分别设置在左腿和右腿的各主动驱动关节处，并对其进行控制。髋关节、膝关节和踝关节的运动协作来完成行走，共有5个自由度，髋关节具有3个自由度，分别是屈/伸、外展/内收和旋内/旋外运动，膝关节有1个屈/伸运动的自由度，踝关节有1个屈/伸运动的自由度。另外，考虑到人体行走时背部存在与地面不垂直而摆动的情况，所以在背部再设置1个屈/伸运动的自由度。本发明具有机构简单、穿戴方便、长度可调、适合不同身高体重的人穿戴和外骨骼各关节活动自如等特点。

Description

可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构

技术领域

本发明涉及机器人领域、外骨骼领域以及助力机构领域，涉及一种可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构。

背景技术

在医疗行业，对于一些刚从下肢伤病（下肢骨折、神经损伤等）中康复过来的患者来说，自主行动还略显困难，在这种情况下，需要开发一种能够识别人体意图来帮助患者进行康复训练和自主行动的助力外骨骼机构。

此外，当代社会老龄化问题日益凸显，具有人体意图识别功能的外骨骼的出现能够帮助老年人解决行走不便、由于体力问题而无法长时间行走的问题。

助力外骨骼的特点是要求在各种外界环境下与穿戴者进行协作，这要求研究人员需要解决随机环境下的人机一体化问题，包括有效可靠的人机交互问题、对人体运动意图的快速响应问题、轻便灵活的仿生结构设计问题、人机系统的安全性问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有外骨骼研究领域技术的不足，提出一种可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构。

该机构包括髋关节、膝关节和踝关节三个腿部关节，并通过三个关节的协调配合来实现外骨骼的助力行为。其中，髋关节具有屈/伸、外展/内收和旋内/旋外三个运动自由度，膝关节和踝关节各有一个屈/伸运动自由度。并且考虑到人体在行走过程中背部会有轻微的前倾/后仰行为，所以在背部在增设一个俯/仰运动自由度。本发明具有机构简单、穿戴方便、各部位（腰部、大腿、小腿）长度可调、适合不同身高体重的人穿戴和外骨骼各关节活动自如等特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括：腰部、左腿、右腿、电机-减速器驱动系统、电源模块。其中，所述左腿和右腿分别与腰部连接，并对称设置在腰部两侧；电机-减速器驱动系统分别设置在左右腿的各主动驱动关节（髋关节和膝关节）处，并对其进行控制；电源模块对电机-减速器驱动系统供电。

所述腰部包括：背部负重板、电池底板、腰部宽度调整板、连接板、腰部旋转板、腰部旋转阻尼器、海绵垫、腰部绑带。其中，电池底板安装在背部负重板的后下方；两块腰部宽度调整板分别连接在背部负重板两侧；连接板连接在腰部宽度调整板上；腰部旋转板与连接板配合，并且使用腰部旋转阻尼器进行限制；腰部绑带固定连接在背部负重板与两块连接板上；海绵垫用于缓冲。

所述电机-减速器驱动系统包括：电机、减速器、电机与减速器连接法兰。其中，电机的输出轴与减速器的输入轴相连；减速器的输出装置固定连接在驱动零件上；电机与减速器连接法兰一端固定在电机上，另一端固定在减速器上，用于保护在运动过程中的电机输出轴。

所述右腿和左腿结构相同，包括：髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节板、脚掌；其中，髋关节固定联接在腰部旋转和大腿固定板上；大腿和小腿连接形成膝关节；小腿与踝关节板连接并加以踝关节阻尼器进行约束；踝关节板与脚掌通过螺钉连接；力传感分别固定在大腿固定板与小腿固定板上，用于采集运动过程中的力学信息；腿部绑带钣金件固定在大腿固定板和小腿固定板的两侧，用于安装绑带以保证力传感器所得到的准确的信息。

所述髋关节包括：纵向旋转柱、第二连接柱、髋关节减速器连接板、髋关节旋转阻尼器。其中，纵向旋转柱与腰部旋转板配合并配以轴承；第二连接柱与纵向旋转柱通过螺钉固定连接；髋关节减速器连接板与第二连接柱配合，并且利用髋关节旋转阻尼器对髋关节减速器连接板与第二连接柱的相互旋转运动施加约束。

所述大腿包括：大腿固定板、大腿可调长度板、大腿力传感器、大腿绑带钣金件、大腿绑带。其中，大腿固定板和电机-减速器驱动系统的减速器钢轮连接；大腿可调长度板与大腿固定板通过螺栓连接；大腿力传感固定连接在大腿固定板上；大腿绑带钣金件固定连接在与大腿力传感器同高度处的大腿固定板的两边。

所述膝关节是由大腿可调长度板、小腿固定板以及电机-减速器驱动系统所组成的。其中，大腿可调长度板与减速器钢轮连接；小腿固定板与减速器柔轮连接。

所述小腿包括：小腿固定板、小腿可调长度板、小腿力传感器、小腿绑带钣金件、小腿绑带。其中，小腿固定板和电机-减速器驱动系统的减速器柔轮连接；小腿可调长度板与小腿固定板通过螺栓连接；小腿力传感器固定连接在小腿固定板上；小腿绑带钣金件固定连接在与小腿力传感器同高度处的小腿固定板的两边。

所述踝关节包括：踝关节连接板、踝关节旋转轴、踝关节旋转阻尼器。踝关节连接板与小腿可调长度板通过踝关节旋转轴配合；踝关节旋转轴通过平行键和小腿可调长度板锁死；踝关节旋转阻尼器固定连接在踝关节连接板上并为踝关节旋转轴提供被动约束。

所述脚掌包括：踝关节连接片、上层脚掌、底层脚掌、脚部绑带钣金件、脚掌薄膜力传感器。其中，踝关节连接片上端与踝关节连接板固定连接，下端与底层脚掌固定连接；上层脚掌与底层脚掌固定连接；脚掌薄膜传感器与脚部绑带钣金件固定在底层脚掌的凹槽中。

本发明与背景技术相比，特点与优点是：本发明主要用于辅助人体步行、增强部分人群的行走能力等方面；本发明的腰部和腿部结构都采取了可调长度板设计，使得该可穿戴式电驱助力外骨骼适用于各种体型的对象；本发明的结构设计符合人体生理结构构造，在各关节处的自由度设计有利于辅助人体进行行走运动；本发明采用电机-减速器驱动模式，整个驱动系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、输出扭力大等特点；本发明的力传感器设置在大小腿与脚跟处，通过人体意图识别算法利用各力传感器采集到的力学信息识别穿戴者的行动意图，并且以此为根据控制关节处驱动电机的输出，从而达到更加精确、有效、可靠的助力效果。

附图说明

图1是本发明的整体形状结构示意图；

图2是本发明的腰部放大结构示意图；

图3是本发明的电机-减速器驱动系统放大结构示意图；

图4是本发明的髋关节放大结构示意图；

图5是本发明的大腿放大结构（以左大腿为例）示意图；

图6是本发明的小腿放大结构（以左小腿为例）示意图；

图7是本发明的踝关节放大结构示意图；

图8是本发明的脚掌放大结构（以左脚掌为例）示意图；

图中，腰部1、髋关节2、电机-减速器驱动系统3、大腿4、膝关节5、小腿6、踝关节7、脚掌8、电池9、背部负重板10、腰部宽度调整板11、海绵垫12、连接板13、腰部旋转阻尼器14、腰部绑带15、腰部旋转板16、电机17、电机与减速器连接法兰18、减速器19、纵向旋转柱20、第二连接柱21、髋关节旋转阻尼器22、髋关节减速器连接板23、大腿固定板24、大腿力传感器25、大腿绑带钣金件26、大腿绑带27、大腿可调长度板28、小腿固定板29、小腿力传感器30、小腿绑带钣金件31、小腿绑带32、小腿可调长度板33、踝关节连接板34、踝关节旋转阻尼器35、踝关节旋转轴36、脚部绑带37、上层脚掌38、脚部绑带钣金件39、踝关节连接片40、脚掌薄膜力传感器41、底层脚掌42。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：腰部1、左腿、右腿、电机-减速器驱动系统3、电池电源9；其中，所述左腿和右腿分别与腰部1铰接，并对称设置在腰部两侧；电机-减速器驱动系统3分别设置在左右腿的各主动驱动关节（髋关节2和膝关节5）处，并对其进行控制；电池电源9对电机-减速器驱动系统3供电。

如图2–图8所示，所述腰部包括：电池、背部负重板10、电池底板、腰部宽度调整板11、海绵垫12、连接板13、腰部旋转阻尼器14、腰部绑带15、腰部旋转板16。其中，电池底板安装在背部负重板10的后下方；两块腰部宽度调整板11分别连接在背部负重板10两侧；连接板13连接在腰部宽度调整板11上；腰部旋转板16与连接板13配合，并且使用腰部旋转阻尼器14进行限制；腰部绑带15固定连接在背部负重板10与两块连接板13上；海绵垫12用于缓冲穿戴者背部冲击。

所述电机-减速器驱动系统包括：电机17、电机与减速器连接法兰18、减速器19。其中，电机17的输出轴与减速器19的输入轴相连；减速器19的输出装置固定连接在驱动零件上；电机与减速器连接法兰18一端固定在电机17上，另一端固定在减速器19上，用于保护在运动过程中的电机17输出轴。

所述右腿和左腿结构相同，包括：髋关节2、大腿4、膝关节5、小腿6、踝关节7和脚掌8；其中，髋关节2固定联接在腰部旋转板16和大腿固定板24上；大腿4和小腿6连接形成膝关节5；小腿6与踝关节连接板34连接并加以踝关节旋转阻尼器35进行约束；踝关节连接板34与脚掌8通过螺钉连接；力传感器分别固定在大腿固定板24与小腿固定板29上，用于采集运动过程中的力学信息；腿部绑带钣金件固定在大腿固定板24和小腿固定板29的两侧，用于安装绑带以保证力传感器所得到的准确的信息。

所述髋关节2包括：纵向旋转柱20、第二连接柱21、髋关节旋转阻尼器22、髋关节减速器连接板23。其中，纵向旋转柱20与腰部旋转板16配合并配以轴承；第二连接柱21与纵向旋转柱20通过螺钉固定连接；髋关节减速器连接板23与第二连接柱21配合，并且利用髋关节旋转阻尼器22对髋关节减速器连接板23与第二连接柱21的相互旋转运动施加约束。

所述大腿4包括：大腿固定板24、大腿力传感器25、大腿绑带钣金件26、大腿绑带27、大腿可调长度板28。其中，大腿固定板24和电机-减速器驱动系统3的减速器钢轮连接；大腿可调长度板28与大腿固定板24通过螺栓连接；大腿力传感器25固定连接在大腿固定板24上；大腿绑带钣金件26固定连接在与大腿力传感器25同高度处的大腿固定板24的两边。

所述膝关节5是由大腿可调长度板28、小腿固定板29以及电机-减速器驱动系统3所组成的。其中，大腿可调长度板28与减速器钢轮连接；小腿固定板29与减速器柔轮连接。

所述小腿（6）包括：小腿固定板29、小腿力传感器30、小腿绑带钣金件31、小腿绑带32、小腿可调长度板33。其中，小腿固定板29和电机-减速器驱动系统3的减速器柔轮连接；小腿可调长度板33与小腿固定板29通过螺栓连接；小腿力传感器30固定连接在小腿固定板29上；小腿绑带钣金件31固定连接在与小腿力传感器30同高度的小腿固定板29的两边。

所述踝关节7包括：踝关节连接板34、踝关节旋转阻尼器35、踝关节旋转轴36。踝关节连接板34与小腿可调长度板33通过踝关节旋转轴36配合；踝关节旋转轴36通过平行键和小腿可调长度板33锁死；踝关节旋转阻尼器35固定连接在踝关节连接板34上并为踝关节旋转轴36提供被动约束。

所述脚掌8包括：脚部绑带37、上层脚掌38、脚部绑带钣金件39、踝关节连接片40、脚掌薄膜力传感器41、底层脚掌42。其中，踝关节连接片40上端与踝关节连接板34固定连接，下端与底层脚掌42固定连接；上层脚掌38与底层脚掌42固定连接；脚掌薄膜传感器41与脚部绑带钣金件39固定在底层脚掌42的凹槽中。

伺服电机可采用的型号为Maxon EC90 flat的产品，但不限于此； 电机减速器可采用的型号为SHIMPO WPC CN的产品，但不限于此。

可穿戴式电驱助力外骨骼下肢结构一共有6个自由度，其中髋关节3具有屈/伸、外展/内收和旋内/旋外3个运动自由度，膝关节5具有屈/伸一个运动自由度，踝关节7具有屈/伸1个运动自由度。另外，考虑到人体行走时背部存在与地面不垂直而摆动的情况，所以在背部再设置1个屈/伸运动的自由度。在这6个自由度中，髋关节3和膝关节5的屈/伸运动自由度采用电机-减速器驱动系统进行主动驱动，其他运动自由度为被动自由度。

在具体应用过程中，穿戴者将腰部绑带15粘绑在身体的腰部位置，左右腿的大腿绑带27粘绑在左右腿大腿部位，左右腿的小腿绑带32粘绑在左右腿小腿部位。在穿戴者下肢运动过程中，位于大腿部位的大腿力传感器25采集运动过程中大腿的力学信息，位于小腿部位的小腿力传感器30采集运动过程中小腿的力学信息，位于脚跟处的薄膜力传感器41采集运动过程中脚跟处的力学信息，通过这几个部位采集到的力学信息、利用控制算法识别穿戴者的运动意图，并控制电机输出扭矩以达到助力效果。髋关节2的三个运动自由度分别是：由电机-减速器驱动系统3、髋关节减速器连接板23以及大腿固定板24完成的屈/伸运动；髋关节减速器连接板23与减速器柔轮相连，大腿固定板24与减速器钢轮相连，通过电机带动减速器柔轮转动从而完成大腿“迈步”屈/伸运动；另外，在髋关节减速器连接板23上设置机械限位槽，将髋关节2屈/伸运动限制在一定的范围内；由髋关节减速器连接板23和第二连接柱21完成的旋内/旋外运动；在第二连接柱21上也进行机械限位设置，从而限制髋关节2旋内/旋外运动的运动范围；由纵向连接柱20和腰部旋转板16完成的外展/内收运动。膝关节的屈/伸运动自由度由电机-减速器驱动系统2、大腿可调长度板28以及小腿固定板29完成的；大腿可调长度板28与电机减速器的钢轮连接，小腿固定板29与电机减速器的柔轮连接，通过电机带动减速器柔轮转动从而完成小腿“迈步”屈/伸运动；另外在大腿可调长度板28上设计限位槽，从而限制膝关节5屈/伸运动的范围。踝关节的屈/伸运动是由小腿可调长度板33、踝关节连接板34以及踝关节旋转轴36完成的。

Claims (9)

1.可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，包括腰部（1）、左腿、右腿、电机-减速器驱动系统（3）和电源模块；所述左腿和右腿分别与腰部（1）连接，并对称设置在腰部（1）两侧；电机-减速器驱动系统（3）分别设置在左右腿的各主动驱动关节处，并对其进行控制；电源模块对电机-减速器驱动系统（3）供电；

所述腰部（1）包括电池（9）、背部负重板（10）、电池底板、腰部宽度调整板（11）、海绵垫（12）、连接板（13）、腰部旋转阻尼器（14）、腰部绑带（15）和腰部旋转板（16）；其中，电池底板安装在背部负重板（10）的后下方；两块腰部宽度调整板（11）分别连接在背部负重板（10）两侧；连接板（13）连接在腰部宽度调整板（11）上；腰部旋转板（16）与连接板（13）配合，并且使用腰部旋转阻尼器（14）进行限制；腰部绑带（15）固定连接在背部负重板（10）与两块连接板（13）上；海绵垫（12）用于缓冲穿戴者背部冲击。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述右腿和左腿结构相同，包括髋关节（2）、大腿（4）、膝关节（5）、小腿（6）、踝关节（7）和脚掌（8）；其中，髋关节（2）固定联接在腰部旋转板（16）和大腿固定板（24）上；大腿（4）和小腿（6）连接形成膝关节（5）；小腿（6）与踝关节连接板（34）连接并加以踝关节旋转阻尼器（35）进行约束；踝关节连接板（34）与脚掌（8）通过螺钉连接；力传感器分别固定在大腿固定板（24）与小腿固定板（29）上，用于采集运动过程中的力学信息；腿部绑带钣金件固定在大腿固定板（24）和小腿固定板（29）的两侧，用于安装绑带以保证力传感器所得到的准确的信息。

3.根据权利要求2所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述髋关节（2）包括纵向旋转柱（20）、第二连接柱（21）、髋关节旋转阻尼器（22）和髋关节减速器连接板（23）；其中，纵向旋转柱（20）与腰部旋转板（16）配合并配以轴承；第二连接柱（21）与纵向旋转柱（20）通过螺钉固定连接；髋关节减速器连接板（23）与第二连接柱（21）配合，并且利用髋关节旋转阻尼器（22）对髋关节减速器连接板（23）与第二连接柱（21）的相互旋转运动施加约束。

4.根据权利要求2所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述大腿（4）包括大腿固定板（24）、大腿力传感器（25）、大腿绑带钣金件（26）、大腿绑带（27）和大腿可调长度板（28）；其中，大腿固定板（24）和电机-减速器驱动系统（3）的减速器钢轮连接；大腿可调长度板（28）与大腿固定板（24）通过螺栓连接；大腿力传感器（25）固定连接在大腿固定板（24）上；大腿绑带钣金件（26）固定连接在与大腿力传感器（25）同高度处的大腿固定板（24）的两边。

5.根据权利要求4所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述膝关节（5）是由大腿可调长度板（28）、小腿固定板（29）以及电机-减速器驱动系统（3）所组成的；其中，大腿可调长度板（28）与减速器钢轮连接；小腿固定板（29）与减速器柔轮连接。

6.根据权利要求2所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述小腿（6）包括小腿固定板（29）、小腿力传感器（30）、小腿绑带钣金件（31）、小腿绑带（32）和小腿可调长度板（33）；其中，小腿固定板（29）和电机-减速器驱动系统（3）的减速器柔轮连接；小腿可调长度板（33）与小腿固定板（29）通过螺栓连接；小腿力传感器（30）固定连接在小腿固定板（29）上；小腿绑带钣金件（31）固定连接在与小腿力传感器（30）同高度的小腿固定板（29）的两边。

7.根据权利要求6所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述踝关节（7）包括踝关节连接板（34）、踝关节旋转阻尼器（35）和踝关节旋转轴（36）；踝关节连接板（34）与小腿可调长度板（33）通过踝关节旋转轴（36）配合；踝关节旋转轴（36）通过平行键和小腿可调长度板（33）锁死；踝关节旋转阻尼器（35）固定连接在踝关节连接板（34）上并为踝关节旋转轴（36）提供被动约束。

8.根据权利要求7所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述脚掌（8）包括脚部绑带（37）、上层脚掌（38）、脚部绑带钣金件（39）、踝关节连接片（40）、脚掌薄膜力传感器（41）和底层脚掌（42）；其中，踝关节连接片（40）上端与踝关节连接板（34）固定连接，下端与底层脚掌（42）固定连接；上层脚掌（38）与底层脚掌（42）固定连接；脚掌薄膜传感器（41）与脚部绑带钣金件（39）固定在底层脚掌（42）的凹槽中。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构，其特征在于，所述电机-减速器驱动系统（3）包括电机（17）、电机与减速器的连接法兰（18）、减速器（19）；其中，电机（17）的输出轴与减速器（19）的输入轴相连；减速器（19）的输出装置固定连接在驱动零件上；电机与减速器连接法兰（18）一端固定在电机（17）上，另一端固定在减速器（19）上，用于保护在运动过程中的电机（17）输出轴。