CN109262596B - 一种助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力外骨骼机器人，包括依次连接的外骨骼腰髋部、外骨骼腿膝部和外骨骼足部，髋关节内外展自由度的弹簧凸轮机构，人体髋关节能够在一定范围内柔顺运动，在不受外力的时候能够恢复初始位置，大腿套管端串联的支撑相减震结构使负重的外骨骼在人体步态中足部落地时减缓因重物惯性造成的外骨骼腿部与地面之间的刚性冲击，动态保护助力外骨骼整体机构，小腿端连接弹性扭转块，增加了扭转自由度，外骨骼腿部可随人腿内旋外旋的运动扭转，人体穿戴外骨骼时的柔顺性和舒适性得到提高，使得负重的外骨骼在人体步态中每次足部落地时减缓因重物惯性造成的外骨骼腿部与地面之间的刚性冲击，动态保护助力外骨骼整体机构，增加穿戴者的舒适性。

Description

一种助力外骨骼机器人

技术领域

本发明属于助力外骨骼机器人领域，具体涉及一种助力外骨骼机器人。

背景技术

主动动力关节作为助力外骨骼重要的一部分，主要为外穿戴者的主动关节运动提供动力，传统的外骨骼动力关节主要考虑人腿部的蜷伸运动的自由度，采用电机和减速器串联后与执行部分直接连接的方案，没有考虑人体下肢关节其它自由度的运动，外骨骼关节部分刚性大，不柔顺，限制了穿戴者的灵活性和舒适度，在未知的环境中行走舒适性差，不能抵抗地面的冲击。同时采用直线式驱动膝关节的方式一般为直线电机铰接在关节的两端，体积庞大，机电结构不够紧凑。

而足部作为助力外骨骼的一部分，主要的作用是传导负载重物(包括外骨骼腿部以上部分、背负重物和人体)的重力。传统的外骨骼足部多数设计为简单的一体式刚性平板结构，对足部的踝关节和趾关节部位缺少针对性设计，只考虑了大负载的能力而忽略了人体穿戴外骨骼运动时的灵活性和舒适度，同时对未知环境的适应性差。且对于交互传感器的集成度不高，机电结构不紧凑，使得体积庞大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种助力外骨骼机器人，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种助力外骨骼机器人，包括依次连接的外骨骼腰髋部、外骨骼腿膝部和外骨骼足部；

外骨骼腰髋部包括腰部主体结构以及对称设置于腰部主体结构两侧的髋关节结构；腰部主体结构包括通过腰部转接板连接的右腰部结构件和左腰部结构件；髋关节结构包括固定在右腰部结构件上的髋关节转接板，右腰部结构件和髋关节转接板上均设有双孔结构，右腰部结构件和髋关节转接板双孔结构内分别设有一个运动连接轴，两个转动连接轴的端部分别固定有髋关节内外展运动机构和髋关节动力机构，髋关节内外展运动机构和髋关节动力机构通过连接固定件连接为一体，髋关节内外展运动机构下端设有用于与外骨骼腿膝部连接的大腿部外管；

外骨骼腿膝部包括大腿连接套管、支撑相减震结构、膝关节屈伸动力结构、腿部内外旋扭转弹性体和小腿连接端；大腿连接套管上端与大腿部外管下端固定连接；大腿连接套管固定于支撑相减震结构上端，支撑相减震结构下端固定于膝关节屈伸动力结构上端，腿部内外旋扭转弹性体固定于膝关节屈伸动力结构下端，小腿连接端固定于腿部内外旋扭转弹性体下端；

外骨骼足部包含小腿连接套管、踝关节弹性扭转结构和分层式足底结构；小腿连接套管上端与小腿连接端固定连接；踝关节弹性扭转结构包括踝关节支撑结构块和盘式扭转壳体，盘式扭转壳体上端与小腿连接套管下端固定连接；盘式扭转壳体下端设有与踝关节支撑结构块上端配合转动的回转体；分层式足底结构固定于踝关节支撑结构块下端，分层式足底结构包括前脚掌左部主体层、前脚掌右部主体层和后脚掌主体层，前脚掌左部主体层和前脚掌右部主体层分别与后脚掌主体层之间采用铰接合页铰接。

进一步的，腰部转接板上设有滑槽，右腰部结构件和左腰部结构件在腰部转接板的滑槽中嵌入配合，且右腰部结构件和左腰部结构件能在腰部转接板的滑槽中移动。

进一步的，所述运动连接轴包括分别同轴心设置于髋关节转接板的双孔结构内的髋关节轴承座和动力关节轴承座，髋关节轴承座内同轴心配合有髋关节轴承，且在髋关节轴承外同轴心配合着髋关节轴承壳体，髋关节轴承座端部设有髋关节轴承盖板；动力关节轴承座中同轴心配合有动力关节轴承，动力关节轴承外环同轴心配合有动力关节轴承壳，动力轴承座同轴连接有动力关节轴承盖。

进一步的，髋关节内外展运动机构包括与髋关节轴承壳端面固定连接的侧摆导向块，侧摆导向块上设有弧形滑槽和轴孔，侧摆导向块的轴孔内通过髋关节法兰轴承和髋关节短轴与侧摆导向块铰接有大腿部外管，大腿部外管内设有同轴心的腿管弹簧、弹簧上连接块和弹簧下连接块，弹簧上连接块与腿管弹簧上端固定连接，弹簧下连接块和腿管弹簧下端固定连接，弹簧上连接块上端设有与髋关节短轴同轴心连接的连接孔，弹簧下连接块下端设有与髋关节短轴平行的压轴，压轴一端与侧摆导向块弧形滑槽通过小滚轮同轴心连接，大腿部外管端部设有用于与外骨骼腿膝部连接锁紧的锁紧环。

进一步的，髋关节动力机构包括通过法兰轴承和短轴铰接于动力关节轴承壳端面的动力关节转接件)，动力关节转接件下端固定有动力机构上基板，动力机构上基板下端固定有两个平行设置的第一滑块光轴和第四滑块光轴，第一滑块光轴和第四滑块光轴下端固定有动力机构下基板，动力机构上基板和动力机构下基板之间固定有髋关节动力丝杆；动力机构上基板下端固定有用于驱动髋关节动力丝杆的髋关节电机；第一滑块光轴和第四滑块光轴上设有与髋关节动力丝杆配合传动的动力传送机构，动力传送机构下端固定连接有动力机构输出块，动力机构输出块与大腿部外管通过连接固定件固定连接。

进一步的，膝关节屈伸动力结构包括膝关节回转体以及设置于膝关节回转体外侧与膝关节回转体转动连接的壳体，壳体内固定有电机固定板，电机固定板与壳体内固定连接，电机固定板的前端固定有膝关节驱动电机，电机固定板的后端固定有直线滑轨，直线滑轨上设有配合滑动的滑块，滑块上固定连接有弹性滑块组件；电机固定板的后端上下两端分别固定一个轴承座，两个轴承座之间设有丝杆，丝杆与轴承座之间通过轴承转动连接，丝杆通过膝关节驱动电机驱动；弹性滑块组件内固定有与丝杆相对传动滑动的螺母块；膝关节回转体圆周侧壁设有用于与大腿连接端连接的连接圆柱，膝关节回转体与连接圆柱相对一侧设有偏心连接孔；弹性滑块组件上连接有能够相对弹性滑块组件转动的Y型连杆，Y型连杆的一端与偏心连接孔通过转轴连接；壳体位于膝关节回转体下端设有两个相对设置的两个壳体固定板，两个壳体固定板之间固定有腿部内外旋扭转弹性体。

进一步的，支撑相减震结构包括气体阻尼弹簧杆和光轴固定座，光轴固定座套设固定于连接圆柱外侧；气体阻尼弹簧杆一端与连接圆柱固定连接，另一端与大腿连接套管一端固定连接；大腿连接套管的另一端通过大腿内套管与大腿部外管连接，大腿内套管位于大腿部外管的轴心中，大腿部外管的一端设有锁紧环。

进一步的，腿部内外旋扭转弹性体包括固定于两个壳体固定板之间的转接块，转接块下端固定有转动座，转动座内设有凹槽，转动座的凹槽内设有轴承安装槽和多个弹簧限位块，轴承安装槽内设有相互嵌套设置的滚动轴承和滚针推力轴承，多个弹簧限位块均设于转动座的凹槽圆周内，还包括与转动座同轴配合的弹簧卡块座，弹簧卡块座上设有与转动座内弹簧限位块数量相同的弹簧卡块，弹簧卡块与弹簧限位块之间设有压缩弹簧。

进一步的，踝关节支撑结构块上端设有弧形槽，盘式扭转壳体下端设有与踝关节支撑结构块上端弧形槽配合转动的回转体，踝关节支撑结构块和盘式扭转壳体两侧通过踝关节侧固定板连接，踝关节侧固定板下端与踝关节支撑结构块通过固定螺栓连接，盘式扭转壳体上设有回转通孔，盘式扭转壳体沿回转通孔为圆心圆周设有弹簧安装槽，弹簧安装槽内设有扭转块和设置于扭转块两侧的弹簧，弹簧的一端与扭转块接触，另一端与设置于弹簧安装槽内的槽壁挡块接触；盘式扭转壳体与踝关节侧固定板通过弹簧转动连接。

进一步的，后脚掌主体层、前脚掌左部主体层和前脚掌右部主体层的上表面分别固定有足部后掌框、前脚掌左部框和前脚掌右部框；足部后掌框、前脚掌左部框和前脚掌右部框中间均设有凹槽，在足部后掌框、前脚掌左部框和前脚掌右部框的凹槽内设有压力薄膜传感器，压力薄膜传感器的上方分别填充着后脚掌填充橡胶层、前脚掌左部填充橡胶层和前脚掌右部填充橡胶层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种助力外骨骼机器人，包括依次连接的外骨骼腰髋部、外骨骼腿膝部和外骨骼足部，髋关节内外展自由度的弹簧凸轮机构，使得人体髋关节能够在一定范围内柔顺运动，在不受外力的时候能够恢复初始位置，大腿套管端串联的支撑相减震结构可使得负重的外骨骼在人体步态中每次足部落地时减缓因重物惯性造成的外骨骼腿部与地面之间的刚性冲击，动态保护助力外骨骼整体机构，小腿端连接弹性扭转块，增加了扭转自由度，使得外骨骼腿部可随人腿内旋外旋的运动扭转，人体穿戴外骨骼时的柔顺性和舒适性得到提高，踝关节的旋转运动链中阵列的直线弹簧和足部上下表面的弹性橡胶层使得人体和机构之间的力能够柔性交互，使得负重的外骨骼在人体步态中每次足部落地时减缓因重物惯性造成的外骨骼腿部与地面之间的刚性冲击，动态保护助力外骨骼整体机构，在人机交互中和外骨骼在未知环境中运动过程中抵抗力的冲击，增加穿戴者的舒适性。

进一步的，将外骨骼足部前脚掌处分离为左右两个独立的结构，与后脚掌分别铰连，在人体步态运动中，外骨骼足部与人体足底之间贴合程度更高，适应复杂地形，提高了外骨骼足部和人体足部之间的随动性。增加了与复杂路面之间的最大贴合面积，提高足部支撑的稳定性。

进一步的，在髋关节的内外摆自由度，采用弹簧凸轮机构进行耦合，穿戴者可在一定范围内内外摆动大腿，且弹簧凸轮机构会对腿部在内外摆动方向的运动进行一定程度上的约束。在无外力作用的情况下，髋关节的内外摆自由度方向能够自动恢复至初始位置。

进一步的，膝关节的屈伸运动采用曲柄滑块机构原理进行传动，电机与丝杆之间采用同步轮同步带方式传动，丝杆的转动带动螺母块沿丝杆方向进行滑动，螺母块与滑轨上的滑块之间采用弹簧进行弹性连接，滑块与膝关节转动体之间采用连杆铰接，因此电机的转动即可驱动膝关节的的角度变化，电机集成体积小，而由于弹性体被串联在整个传动链中，即此机构为串联弹性驱动的柔性传动方式，在输出端受到外界的力的作用时，能够以高度动态的形式去应变，保护机构从而减少不确定环境对其力的冲击。

附图说明

图1是本发明下肢助力外骨骼机器人整体结构示意图；

图2是助力外骨骼腰髋部爆炸图；

图3是助力外骨骼机器人腰部结构示意图；

图4是髋关节动力机构示意图；

图5是髋关节的前后摆运动结构示意图；

图6是髋关节内外展运动机构示意图，图6a为髋关节内外展运动机构爆炸结构示意图，图6b为髋关节内外展运动机构第一视角轴测图，图6c为髋关节内外展运动机构第二视角轴测图；

图7是髋关节内外展运动结构示意图；

图8是膝关节单元结构示意图，图8a为膝关节单装配结构示意图，图8b为膝关节单元结构爆炸图示意图；

图9是膝关节屈伸动力结构示意图；

图10是膝关节屈伸运动展示示意图；

图11是膝关节屈伸动力结构爆炸示意图；

图12是支撑相减震结构示意图；

图13是偏心膝关节转动体示意图；

图14a是膝关节屈伸动力结构示意图，图14b是图14a中A局部放大示意图；

图15是弹性滑块爆炸图；

图16是内旋外旋扭转机构示意图；

图17是扭转机构剖面图；

图18是外骨骼足部主体结构示意图；

图19是足部踝关节爆炸图；

图20是足部踝关节内部装配结构示意图；

图21是外骨骼足部主体爆炸图；

图22是外骨骼足底结构示意图；

图23是足部结构的运动展示示意图。

其中，1外骨骼腰髋部；2外骨骼腿膝部；3外骨骼足部；

101电路盖板，102第一开关，103第二开关，104第一按键组，105腰部陀螺仪传感器，106右电机驱动器，107支撑柱，108电路基板，109主控模块，110信号转换模块，111左电机驱动器，112第二按键组，113信息显示器；114背架固定扣，115腰部转接板，116右腰部结构件，117髋关节转接板，118动力关节轴承座，119动力关节轴承，120法兰轴承，121短轴，122动力关节轴承壳，123动力关节轴承盖，124动力关节转接件，125动力机构上基板，126滑块上板，127滑块中板，128滑块下板，129第一滑块光轴，130髋关节动力丝杆，131动力机构下基板，132动力机构输出块，133球头铰接块，134铰接转接块，135L型结构架，136锁紧环，137管外转接块，138大腿陀螺仪，139髋部电机编码器，140髋部电机，141大腿部外管，142侧摆导向块，143大腿管封盖，144髋关节轴承盖板，145髋关节轴承壳体，146髋关节轴承，147髋关节轴承座，148模式切换按键组，149髋关节编码器支架，150髋关节编码器，151腰部电磁阻尼，152左腰部结构件，153髋部大同步轮，154动力机构同步带，155髋部小同步轮，156基板法兰轴承，157第二光轴，158第三光轴，159第四光轴，160滑块支撑杆，161髋关节动力机构直线弹簧，162髋关节动力螺母，163髋关节短轴，164髋关节法兰轴承，165腿管弹簧，166小滚轮，167压轴，168弹簧上连块，169弹簧下连块。

201大腿连接套管，202直线轴承盖，203直线轴承，204直线轴承导向座，205导向光轴，206光轴固定座，207膝关节转动体，208关节滚动轴承，209编码器固定座，210支撑壳，211壳体固定板，212编码器输出轴转接法兰，213转接板，214转动座，215压缩弹簧，216滚动轴承，217滚针止推轴承，218弹簧卡块座，219小腿连接端，220大同步轮，221小同步轮，222同步带，223螺母块，224电机固定块，225滑块侧板，226膝关节驱动电机，227 Y型连杆，228电机固定板，229直线滑轨，230电机编码器，231丝杆，232支撑壳，233滚动轴承，234绝对值编码器；235气体阻尼弹簧，236法兰轴承，237滑块，238滑块转接板，239弹簧，240垫圈，241光轴，242滑块结构板；243螺栓；244转动连接销；245法兰轴承，246电机固定圈，247轴承座，248大腿内套管，249大腿护具固定块，250小腿外套管，251小腿锁紧环，252小腿护具固定块，253小腿内套管，254小腿护具，255小腿护具转接板，256大腿护具转接板，257大腿护具。

301小腿连接套管，302盘式扭转壳体，303踝关节外侧固定板，304踝关节支撑结构块，305踝关节转接板，306转接板螺栓，307足部绑带扣件，308后脚掌填充橡胶层，309后脚掌主体层，310后脚掌底层橡胶，311足部后掌框，312扣件螺栓，313前脚掌右部底层橡胶，314前脚掌右部主体层，315前脚掌右部填充橡胶层，316前脚掌左部框，317脚掌螺栓，318铰接合页，319扭转块螺栓，320踝关节电磁阻尼输出轴，321踝关节内侧固定板，322扭转块螺栓，323压力薄膜采集板，324陀螺仪模块，325深沟球滚动轴承，326扭转块，327直线弹簧，328七点式压力薄膜传感器，329前脚掌左部底层橡胶，330前脚掌右框部，331前脚掌左部主体层，332前脚掌左部填充橡胶层，333踝关节电磁阻尼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种助力外骨骼机器人，包括依次连接的外骨骼腰髋部1、外骨骼腿膝部2和外骨骼足部3；

如图2、图3所示，外骨骼腰髋部1包括腰部主体结构以及对称设置于腰部主体结构两侧的髋关节结构；腰部主体结构包括通过腰部转接板115连接的右腰部结构件116和左腰部结构件152，三者组成U型结构，腰部转接板115上设有滑槽，右腰部结构件116和左腰部结构件152在腰部转接板115的滑槽中嵌入配合，且右腰部结构件116和左腰部结构件能在腰部转接板152的滑槽中移动，以改变腰部两侧之间的距离，可针对不同的用户进行调节；腰部转接板115的背面设有背架固定扣114，用于外骨骼背部结构的连接，腰部转接板115的背面固定有电路基板108，电路基板108通过螺栓与背部转接板115连接，电路基板108上分布固定着右电机驱动器106、主控模块109、信号转换模块110、腰部陀螺仪传感器105和左电机驱动器111，电路盖板101与电路基板108之间通过支撑柱107连接，电路盖板101上嵌入信息显示器113、第一开关102和第二开关103；电路盖板101两侧分别设有用于控制电路基板108的第一按键组104和第二按键组；

髋关节结构包括固定在右腰部结构件116上的髋关节转接板117，右腰部结构件116和髋关节转接板117上均设有双孔结构，髋关节转接板117的双孔结构内分别同轴心设有髋关节轴承座147和动力关节轴承座118，髋关节轴承座147内同轴心配合有髋关节轴承146，且在髋关节轴承146外同轴心配合着髋关节轴承壳体145，髋关节轴承座147端部设有髋关节轴承盖板144，髋关节轴承盖板144对髋关节轴承壳体145的轴向运动进行约束；动力关节轴承座118中同轴心配合有动力关节轴承119，动力关节轴承119外环同轴心配合有动力关节轴承壳122，动力轴承座118同轴连接有动力关节轴承盖123，动力关节轴承盖123对动力关节轴承壳122的轴向运动进行约束；

髋关节轴承壳145的端面连接有髋关节内外展运动机构，髋关节内外展运动机构如图6a,b,c所示：包括与髋关节轴承壳145端面固定连接的侧摆导向块142，侧摆导向块142上设有弧形滑槽和轴孔，侧摆导向块142的轴孔内通过髋关节法兰轴承164和髋关节短轴163与侧摆导向块142铰接有大腿部外管141,大腿部外管141上端设有大腿管封盖143，侧摆导向块142内设有同轴心的腿管弹簧165、弹簧上连接块168和弹簧下连接块169，弹簧上连接块168与腿管弹簧165上端固定连接，弹簧下连接块169和腿管弹簧165下端固定连接，弹簧上连接块168上端设有与髋关节短轴163同轴心连接的连接孔，弹簧下连接块169下端设有与髋关节短轴163平行的压轴167，压轴167一端与侧摆导向块142弧形滑槽通过小滚轮166同轴心连接，在大腿部外管141进行内外展运动时，腿管弹簧165能被压缩或拉伸，起到被动柔顺的效果；大腿部外管141上固定有大腿陀螺仪138和管外转接块137，大腿部外管141端部设有用于与外骨骼腿膝部连接锁紧的锁紧环136；髋关节的内外展运动如图7所示；

动力关节轴承壳122端面连接有髋关节动力机构，髋关节动力机构如图4所示，动力关节轴承壳122端面通过法兰轴承120和短轴121铰接有动力关节转接件124，动力关节转接件124下端固定有动力机构上基板125，动力机构上基板125下端固定有两个平行设置的第一滑块光轴129和第四滑块光轴159，第一滑块光轴129和第四滑块光轴159下端固定有动力机构下基板131，动力机构上基板125和动力机构下基板131之间通过基板法兰轴承156固定有髋关节动力丝杆130，髋关节动力丝杆130两端为阶梯轴固定在基板法兰轴承156上；髋关节动力丝杆130的一端固定有髋部大同步轮153，动力机构上基板125下端固定有髋关节电机140，髋关节电机140的输出端设有髋部小同步轮155，髋部小同步轮155与髋部大同步轮153通过动力机构同步带154传动；第一滑块光轴129和第四滑块光轴159上设有与髋关节动力丝杆130配合传动的动力传送机构，动力传送机构包括能够在第一滑块光轴129和第四滑块光轴159上滑动的滑块上板126和滑块下板128，滑块上板126和滑块下板128之间通过多个滑块支撑杆160固定连接组成了一个整体，具体本发明采用四个阵列的滑块支撑杆160固定在滑块上板126和滑块下板128之间；滑块上板126和滑块下板128之间设有相对两者平行的滑块中板127，滑块中板127上固定有与髋关节动力丝杆130配合传动的髋关节动力螺母162，滑块中板127能够随髋关节动力丝杆130与髋关节动力螺母162传动在滑块上板126和滑块下板128之间上下运动，滑块上板126和滑块下板128上固定有一端穿过动力机构下基板131的第二光轴157和第三光轴158，第二光轴157和第三光轴158的另一端与滑块上板126的固定连接；第二光轴157和第三光轴158的一端穿过动力机构下基板131，同时固定连接动力机构输出块132，动力机构输出块132端面连接球头铰接块133，形成输出端；连接球头铰接块133与大腿部外管141通过L型结构架135固定连接，L型结构架135一端与大腿部外管141上的管外转接块137固定连接，另一端与连接球头铰接块133通过铰接转接块134铰接连接，使髋关节动力机构和髋关节内外展运动机构形成一个整体；滑块上板126和滑块下板128的另外两个对角光孔配合在第一滑块光轴129和第四光轴159上，滑块中板127的四个光孔分别与第一滑块光轴129、第二光轴157、第三光轴158和第四滑块光轴159同轴配合，滑块上板126与滑块中板127之间和滑块中板127与滑块下板128之间分别存在四个阵列的髋关节动力机构直线弹簧161，形成刚柔耦合机构；髋关节的前后摆运动状态如图5所示：当髋关节前后摆运动时，可以利用髋部电机编码器139和髋关节编码器150之间的对应值的大小关系计算对外界输出力的大小和方向。且在高负载情况下腰部电磁阻尼151可对髋关节摆动自由度的灵活度进行调整，从而增大髋关节的承载能力。

如图8a/b所示，外骨骼腿膝部包括大腿连接套管201、支撑相减震结构、膝关节屈伸动力结构、腿部内外旋扭转弹性体和小腿连接端219；

如图9、图11、图13、图14a、图14b所示，膝关节屈伸动力结构包括膝关节回转体207以及设置于膝关节回转体207左右两侧的左壳体210和右壳体232，膝关节回转体207左右两侧分别设有一个转动连接轴，左壳体210和右壳体232上设有转轴连接孔，膝关节回转体207与左壳体210和右壳体232的转轴连接孔通过关节滚动轴承208连接；左壳体210和右壳体232之间固定有电机固定板228，电机固定板228左右两侧分别与左壳体210和右壳体232固定连接，电机固定板228的前端固定有膝关节驱动电机226，电机固定板228的后端固定有直线滑轨229，直线滑轨229上设有配合滑动的滑块237，滑块237上固定连接有弹性滑块组件；电机固定板228的后端上下两端分别固定一个轴承座247，两个轴承座247之间设有丝杆231，丝杆231与轴承座247之间通过轴承转动连接，丝杆231的一端固定有大同步轮220，膝关节驱动电机226输出轴端的输出小同步轮221与大同步轮220通过同步带222传动；弹性滑块组件内固定有与丝杆231相对传动滑动的螺母块223；膝关节回转体207圆周侧壁设有用于与大腿连接端连接的连接圆柱，膝关节回转体207与连接圆柱相对一侧设有偏心连接孔；弹性滑块组件上连接有能够相对弹性滑块组件转动的Y型连杆227，Y型连杆227的一端与偏心连接孔通过转轴连接；左壳体210和右壳体232位于膝关节回转体207下端设有两个相对设置的两个壳体固定板211，两个壳体固定板211之间固定有腿部内外旋扭转弹性体，如图16、图17所示，腿部内外旋扭转弹性体下端固定有小腿连接端219；两个壳体固定板211的两端分别与左壳体210和右壳体232固定连接；小腿连接端219固定连接有小腿外套管250，小腿外套管250的另一端设有小腿锁紧环251，小腿外套管250的轴心中设有小腿内套管253。

如图12所示，支撑相减震结构包括气体阻尼弹簧杆235和光轴固定座206，光轴固定座206套设固定于连接圆柱外侧；气体阻尼弹簧杆235一端与连接圆柱固定连接，另一端与大腿连接套管201一端固定连接；大腿连接套管201的另一端通过大腿内套管248与大腿部外管141连接，大腿内套管248位于大腿部外管141的轴心中，大腿部外管141的一端设有锁紧环136，可对大腿部外管141一端的管口大小进行调节，以调节大腿部外管141一端管壁对大腿内套管248的摩擦力；大腿连接套管201外侧固定有大腿护具固定块249，大腿护具固定块249与大腿连接套管201的外壁同轴配合连接。大腿护具固定块249内侧连接有大腿护具转接板256，大腿护具转接板256与大腿护具257固定连接。

腿部内外旋扭转弹性体包括固定于两个壳体固定板211之间的转接块213，转接块213下端固定有转动座214，转动座214内设有凹槽，转动座214的凹槽内设有轴承安装槽和多个弹簧限位块，轴承安装槽内设有相互嵌套设置的滚动轴承216和滚针推力轴承217，多个弹簧限位块均设于转动座214的凹槽圆周内，还包括与转动座214同轴配合的弹簧卡块座218，弹簧卡块座218上设有与转动座214内弹簧限位块数量相同的弹簧卡块，弹簧卡块与弹簧限位块之间设有压缩弹簧215；具体的在转动座214的凹槽圆周内均设四个弹簧限位块，与之对应的在弹簧卡块座218上设置四个弹簧卡块，弹簧卡块与弹簧限位块之间形成弹簧腔，用于放置压缩弹簧。滚动轴承216和滚针推力轴承217与转动座214同轴配合；转动座214与弹簧卡块座218之间通过同轴连接杆或连接转轴连接，实现转动座214与弹簧卡块座218之间弹簧的固定。

在使用的过程中，若人体穿戴包含此装置的下肢外骨骼，在人体腿部扭转运动时，转动座214与弹簧卡块座218可进行随动运动，减小外骨骼对人腿的约束限制，增加了外骨骼的灵活性，当没有扭转力作用于外骨骼腿部时，转动座214与弹簧卡块座218在弹簧的作用下自动回正。

如图15所示，弹性滑块组件包括与滑块237固定连接的滑块转接板238，滑块转接板238上下两端分别固定有一个滑块结构板242，两个滑块结构板242之间固定有多个竖直设置的光轴241，螺母块223固定于滑块转接板238的一侧，螺母块223位于两个滑块结构板242之间，螺母块223上设有用于光轴241穿过的通孔以及用于与丝杆231配合滑动的螺纹孔；螺母块223的上下面与滑块结构板242之间部分的光轴241上套设有弹簧239和垫圈240；弹簧239的两端分别与螺母块223表面和滑块结构板242接触；两个滑块结构板的两侧分别固定连接有一个滑块侧板225,滑块侧板225与滑块结构板242通过螺栓243连接，滑块侧板225与Y型连杆227通过转动连接销244转动连接；

具体的，在两块滑块侧板225的连接端处，设置有法兰轴承245，Y型连杆的一端与法兰轴承245同轴心配合，而Y型连杆的另一端与膝关节回转体207的一个偏心孔通过轴承铰接，形成膝关节屈伸运动的整个传动链；当膝关节驱动电机226工作时，膝关节驱动电机226输出轴连接的输出小同步轮221通过同步带222传动，带动大同步轮220旋转运动，与大同步轮220同轴配合的丝杆231旋转，从而推动螺母块223沿丝杆231的轴向移动，螺母块223推动弹簧239，弹簧239推动滑块结构板242，从而由滑块转接板238、滑块237、滑块结构板242、光轴241和滑块侧板225形成的整体框架沿着直线滑轨229移动，滑块侧板225铰连的Y型Y型连杆227带动膝关节回转体207运动，从而改变膝关节回转体207的角度；膝关节回转体207内中空，绝对值编码器234同轴安装至膝关节回转体207中，并通过编码器固定座209与膝关节回转体207固定连接，绝对值编码器234的输出轴通过编码器输出轴转接法兰212与左壳体210固定连接；膝关节驱动电机226尾部固定有电机编码器230；在膝关节工作时，通过电机尾部的电机编码器230和膝关节转动体中的绝对值编码器234之间的相对关系判断对外输出力的大小：若两个编码器的对应值保持一致，则对外无交互力；若两个编码器的对应值不一致，则对外有交互力，通过计算两个编码器对应值的差值测量弹簧239的形变量，从而获得屈伸运动机构对外交互的力的大小。

具体的，在两个滑块结构板242之间设有四个光轴241，螺母块为一个长方体特征块，螺母块223的中间位置设置螺纹孔，螺纹孔的四周均布有四个用于光轴241穿过的通孔；螺母块223的中心螺纹孔与滑块结构板242的中心孔同轴安装，且螺母块223的四个通孔与四个光轴241同轴配合，螺母块223的上下两面与滑块结构板242之间通过8个弹簧239连接，弹簧均分在螺母块223的两侧且与光轴241同轴配合；

具体的，丝杆231与轴承座247之间通过法兰轴承236连接，丝杆231的两端阶梯端在法兰轴承236中配合，丝杆231和直线滑轨229平行设置；

电机固定板228的前端固定有电机固定块224，电机固定块224上设有输出轴孔，膝关节驱动电机226通过电机固定环246固定在电机固定板228上，膝关节驱动电机226的输出轴穿过电机固定块224的输出轴孔；电机固定板228的前端指电机固定板228远离膝关节回转体207一侧；本发明直线滑轨229采用直线方滑轨，保证运行的可靠性；

大腿连接套管201外侧固定有直线轴承导向座204，直线轴承导向座204上设有多个下滑动孔，光轴固定座206上设有多个与直线轴承导向座204上的下滑动孔对应的上滑动孔，下滑动孔与上滑动孔之间设有导向光轴205；当外骨骼腿部落地支撑时，气体阻尼弹簧杆235则会因受到外力的冲击而收缩，同时直线轴承导向座204在导向光轴205上沿轴线滑动运动，此处除竖直方向的直线滑动运动外，其它运动自由度全部被约束；本发明采用在直线轴承导向座204上设置左右对称的两个下滑动孔，下滑动孔内套设有直线轴承203，直线轴承203上端通过直线轴承盖202固定限位，导向光轴205套设于直线轴承203上，从而保证气体阻尼弹簧杆235伸缩时的稳定性；

本发明关节滚动轴承208采用薄壁滚动轴承；膝关节回转体207为中空的偏心体，同时连接圆柱轴心方向的延长线与膝关节回转体207回转中心不相交且偏向回转中心的前侧，该设计使得外骨骼足部每次落地支撑时，重心向前偏置，使得外骨骼的膝关节易于保持最大展开角度，一部分支撑力由膝关节回转体7的机械限位结构提供，因此可实现支撑时自锁、关节不易打弯的特性，从而使得外骨骼的腿部在支撑相时可以稳定保持支撑重物重力，并将负重的重力传导至地面。

连接圆柱设有内连接螺纹孔或外连接螺纹，气体阻尼弹簧杆235一端设有与连接圆柱固定连接相匹配的外连接螺纹或内连接螺纹孔，气体阻尼弹簧杆235一端与连接圆柱通过螺纹连接；

膝关节屈伸动力结构运动状态展示如图10所示，支撑相时大腿部分与小腿部分处于同一条直线，屈伸运动的最大范围是120°该装置使得外骨骼腿部在膝关节部位拥有屈伸运动的主动自由度、竖直滑动缓冲自由度和腿部内外旋扭转自由度。在图11膝关节单元整体结构的爆炸视图中，

壳体10和壳体32之间通过电机固定板228紧固连接，电机固定块224与电机固定板228的一面固定连接，膝关节驱动电机226的端面与电机固定块224之间固定连接，同时电机固定环246与电机之间固定连接，且电机固定环246与电机固定板228之间固定连接；在电机固定板228的另一面，直线滑轨229与电机固定板228固定连接，与滑轨29配合的是滑块237，滑块转接板238与滑块237固定连接，在滑块转接板238的两端，固定连接着两块滑块结构板242，滑块结构板的两侧固定连接滑块侧板225，且四根光轴241在两块滑块结构板之间均匀固定连接，滑块转接板238、滑块237、滑块结构板242、光轴241和滑块侧板225形成了一个整体框架。

如图18至图23所示，外骨骼的足部做为助力外骨骼机器人的腿部向地面延伸的一个部分，进行负载重物(包括外骨骼腿部以上部分、背负重物和人体)的重力传导，足部单元的整体结构如图18所示，包含小腿连接套管301、踝关节弹性扭转结构和分层式足底结构；小腿连接套管301上端与小腿内套管253固定连接；

如图19、图20所示，踝关节弹性扭转结构包括踝关节支撑结构块304和盘式扭转壳体302，盘式扭转壳体302上端与小腿连接套管301下端固定连接；踝关节支撑结构块304上端设有弧形槽，盘式扭转壳体302下端设有与踝关节支撑结构块304上端弧形槽配合转动的回转体，踝关节支撑结构块304和盘式扭转壳体302两侧通过踝关节侧固定板连接，踝关节侧固定板下端与踝关节支撑结构块304通过固定螺栓连接，盘式扭转壳体302上设有回转通孔，盘式扭转壳体302沿回转通孔为圆心圆周设有弹簧安装槽，弹簧安装槽内设有扭转块326和设置于扭转块326两侧的弹簧327，弹簧327的一端与扭转块326接触，另一端与设置于弹簧安装槽内的槽壁挡块接触；盘式扭转壳体302与踝关节侧固定板通过弹簧327转动连接；当小腿连接套管301与踝关节支撑结构块304均处于竖直状态时，弹簧327处于自然状态；踝关节支撑结构块304下端通过踝关节转接板305与分层式足底结构固定连接；

分层式足底结构包括前脚掌左部主体层331、前脚掌右部主体层314和后脚掌主体层309，前脚掌左部主体层331和前脚掌右部主体层314分别与后脚掌主体层309之间采用铰接合页318铰接，形成左右分离的趾关节运动自由度，由前脚掌左部主体层331和前脚掌右部主体层314与后脚掌主体层309形成的两个趾关节之间的运动独立，且单个趾关节的运动范围为0°—50°，满足人体趾关节在步态运动中的运动范围；当人体足部站立时，外骨骼足部趾关节为初始角度，此时外骨骼足部前脚掌与后脚掌为同一平面，当人体进行步态运动时，外骨骼足部的趾关节角度跟随人体足部趾关节的运动而变化，后脚掌主体层309、前脚掌左部主体层331和前脚掌右部主体层314的上表面分别固定有足部后掌框311、前脚掌左部框316和前脚掌右部框330；足部后掌框311、前脚掌左部框316和前脚掌右部框330中间均设有凹槽，在足部后掌框311、前脚掌左部框316和前脚掌右部框330的凹槽内设有压力薄膜传感器328，压力薄膜传感器328采用七点式压力薄膜传感器，压力薄膜传感器在足部中的布置位置如图22所示。并且在七点式压力薄膜传感器的上方分别填充着后脚掌填充橡胶层308、前脚掌左部填充橡胶层332和前脚掌右部填充橡胶层315，用于压力薄膜传感器的固定，同时增加人体足部底部与外骨骼足部上表面接触的舒适度，在人体步态运动过程中，七点式足底压力薄膜传感器能够捕捉到人体足部底部对外骨骼足部的压力值的数据，方便用于步态分析以及对外骨骼动力机构的柔顺运动控制。在足部后掌框311、前脚掌左部框316和前脚掌右部框330的边缘通过扣件螺栓312固定着七个足部绑带扣件307，足部绑带扣件307在足部前脚掌分布两个，在后脚掌分布五个，在用户穿戴外骨骼足部时，可将绑带穿过足部绑带扣件307，将人体足部与外骨骼足部系在一起，进行随动运动。

后脚掌主体层309、前脚掌左部主体层331和前脚掌右部主体层314的上表面通过螺栓连接的分别是足部后掌框311、前脚掌左部框316和前脚掌右部框330；

后脚掌主体层309、前脚掌左部主体层331和前脚掌右部主体层314的底面分别粘合有后脚掌底层橡胶310、前脚掌左部底层橡胶329和前脚掌右部底层橡胶313，用于缓冲外骨骼足部与地面之间的刚性冲击，在足部每次落地时起到保护外骨骼刚性结构的作用，同时弹性的底层橡胶增大了外骨骼足底与地面间的接触面积，增大外骨骼足部与地面之间的摩擦，适用于多种地形地面的平稳行走。

踝关节支撑结构块304和盘式扭转壳体302左右两侧分别设有踝关节外侧固定板303和踝关节内侧固定板321；如图4所示，踝关节支撑结构块304回转通孔中心设有轴承安装槽，踝关节支撑结构块304与弹簧327之间设有轴承325，轴承325为深沟球滚动轴承；

如图5所示，踝关节支撑结构块304中间设有中空结构，踝关节支撑结构块304的中空结构内固定有压力薄膜采集板323和陀螺仪模块324，用于采集外骨骼足部在人体步态过程中的交互力信息和空间运动姿态信息。

弹簧安装槽内设有两个相对设置的扭转块326，扭转块326为扇形扭转块，两个扭转块326之间垂直于两个扭转块326沿线上设有两个槽壁挡块，两个扭转块326之间设有四个弹簧，从而形成稳定的回转体结构；扭转块326上设有固定孔，扭转块326与踝关节侧固定板通过扭转块螺栓319固定；在扭转块326和盘式扭转壳体302组成的四个独立空间内存在四个弹簧327，使得扭转块326和盘式扭转壳体302之间弹性耦合，因此踝关节在不受外界交互力的情况下，小腿连接套管301和踝关节支撑结构块304之间保持同一条直线，即在支撑相进行力的传导；在人体步态运动过程中，外骨骼的足部踝关节跟随人体足部踝关节运动，弹性元件的存在，使得人体足部踝关节和外骨骼足部踝关节之间的运动耦合更加柔顺。踝关节支撑结构块304空腔内嵌入的陀螺仪能够获取人体的步态空间运动数据，为外骨骼动力机构的柔顺运动控制打下基础。同时，将足底压力薄膜传感器的采集模块置于踝关节支撑结构块中，提升机电一体化程度。

小腿连接套管301下端设有安装槽，盘式扭转壳体302上端设有与小腿连接套管301下端安装槽配合的安装凸块，盘式扭转壳体302的安装凸块置于小腿连接套管301下端的安装槽内，通过螺栓或者螺钉固定连接；

采用复合材料刚柔结合的方式，对助力外骨骼足部的踝关节和趾关节的运动进行针对性设计，并在足部结构的内部集成了多种交互传感器。

在足部的踝关节部分，设计了一个在一定角度范围内扭转可回正的弹性盘式机构，弹性盘式扭转机构包含两个相互作用的扭转块，之间采用圆周阵列的直线弹簧连接。使得人体踝关节运动时外骨骼足部的踝关节部位可跟随运动，而在人体站立支撑时，踝关节能够回到初始位置，进行大负载重力传导。在足部每次落地与离开地面时，弹簧的形变使得外骨骼系统的动态性增加，柔顺性增强。

而在外骨骼足部的趾关节部位，进行分离式铰连设计，将外骨骼足部的前脚掌部位与后脚掌分开，且前脚掌分为左右两部分，左前脚掌和又前脚掌分别与后脚掌之间铰连。此设计使得外骨骼足部趾关节部位能够在人体步态中随动运动，减小外骨骼对人体足部运动的约束。而对前脚掌进行左右两部分分离设计，使得人体在穿戴外骨骼时能够适应不平整路面，增大外骨骼足部与地面的最大接触面积，使得外骨骼在支撑相时能够稳定支撑。

由于助力外骨骼主要的用途是负重移动，外骨骼背负的重物在足部每次落地支撑时易造成较大到的刚性冲击，使得穿戴者舒适感很差，因此采用的方案是：在刚性足部结构的基础上，足底加入弹性橡胶层。在足部的金属骨架上下表面分别贴合光滑表面橡胶层和粗糙表面橡胶层，当人体穿戴配有该足部结构的外骨骼时，在足部每次支撑相落地时能够起到缓冲的作用，减缓助力外骨骼整体腿部机构受到地面对其的刚性冲击；同时，带有纹理的橡胶底层，使得外骨骼与地面之间的接触面积增加，行走稳定。

为了获取人体在步态行走过程中的运动信息，从而进行意图识别判断，对外骨骼的动力装置进行合理地响应控制，在足底的橡胶层和刚性体之间加入了多点式压电薄膜传感器用于采集人体足底压力信息；在踝关节下部加入了姿态传感器，用于获取足部在空间中的运动信息。该设计将传感器和外骨骼的足部进行内嵌，机电系统高度集成。

设计了一个紧凑精巧的助力外骨骼足部结构，采用多材料复合刚柔结合方式：踝关节的旋转运动链中阵列的直线弹簧和足部上下表面的弹性橡胶层使得人体和机构之间的力能够柔性交互，使得负重的外骨骼在人体步态中每次足部落地时减缓因重物惯性造成的外骨骼腿部与地面之间的刚性冲击，动态保护助力外骨骼整体机构。在人机交互中和外骨骼在未知环境中运动过程中抵抗力的冲击，增加穿戴者的舒适性。

而将外骨骼足部前脚掌处分离为左右两个独立的结构，与后脚掌分别铰连，在人体步态运动中，外骨骼足部与人体足底之间贴合程度更高，适应复杂地形，提高了外骨骼足部和人体足部之间的随动性。增加了与复杂路面之间的最大贴合面积，提高足部支撑的稳定性。

在足部橡胶层和刚性结构之间嵌入了压力薄膜传感器，以方便获取穿戴者在步态行走过程中与外骨骼足部之间的交互力信息；同时，在踝关节的下部，内嵌了姿态传感器，以方便获取穿戴者在步态过程中足部在空间中的运动信息；整合足底压力信息和足部运动信息可进行人体意图的识别和判断，从而对外骨骼的驱动部分合理控制，为实现柔顺化控制打下基础。

该发明专利针对助力外骨骼的足部结构进行设计，外骨骼的足部做为助力外骨骼机器人的腿部向地面延伸的一个部分，进行负载重物(包括外骨骼腿部以上部分、背负重物和人体)的重力传导。足部单元的整体结构如图1所示，包含小腿连接端、踝关节弹性扭转结构和分层式足底结构。

助力外骨骼足部的踝关节和趾关节运动状态展示如图23所示，支撑相时小腿部分与踝关节支撑部分处于同一条直线，踝关节的运动范围是-30°—40°。该装置对外骨骼和负重重物的整体起到支撑和传导的作用，同时在踝关节和趾关节部位拥有屈伸运动的被动运动自由度，并且足底的压力薄膜可采集人体步态过程的交互信息。

在髋关节部位，电机与丝杆之间采用同步轮同步带方式传动，丝杆的转动带动螺母块沿丝杆方向进行滑动，螺母块与光轴上的滑块之间采用弹簧进行弹性铰接，滑块的输出端具有直线式的驱动能力，电机的转动即可驱动髋关节的的角度变化，而由于弹性体被串联在整个传动链中，即此机构为串联弹性驱动的柔性传动方式，在输出端受到外界(人体和环境)的力的作用时，能够以高度动态的形式去应变，保护机构从而减少不确定环境对其力的冲击；弹簧的形变量可通过电机端直连的编码器和髋关节运动圆心直连的编码器对应插值测量，即可精确控制屈伸运动对人体的力的输出。

在髋关节的内外摆自由度，采用弹簧凸轮机构进行耦合，穿戴者可在一定范围内内外摆动大腿，且弹簧凸轮机构会对腿部在内外摆动方向的运动进行一定程度上的约束。在无外力作用的情况下，髋关节的内外摆自由度方向能够自动恢复至初始位置。

大腿和小腿部分采用同轴套管的配合方式，可根据穿戴者腿部长度进行外骨骼连续性的腿部长度调节。

膝关节的屈伸运动采用曲柄滑块机构原理进行传动，电机与丝杆之间采用同步轮同步带方式传动，丝杆的转动带动螺母块沿丝杆方向进行滑动，螺母块与滑轨上的滑块之间采用弹簧进行弹性连接，滑块与膝关节转动体之间采用连杆铰接，因此电机的转动即可驱动膝关节的的角度变化，而由于弹性体被串联在整个传动链中，即此机构为串联弹性驱动的柔性传动方式，在输出端受到外界(人体和环境)的力的作用时，能够以高度动态的形式去应变，保护机构从而减少不确定环境对其力的冲击；弹簧的形变量可通过电机端直连的编码器和膝关节运动圆心直连的编码器对应插值测量，即可精确控制屈伸运动对人体的力的输出。

由于助力外骨骼主要的用途是负重移动，外骨骼背负的重物在足部每次落地支撑时易造成较大到的刚性冲击，因此采用的方案是：与大腿端连接的套管部分与气体阻尼管进行串联，当此装置被安装在外骨骼腿部时，人体步态周期中足部每次落地的时候(即支撑相)，气体阻尼管可在腿部竖直方向上进行压缩，起到缓冲的作用，减缓助力外骨骼整体腿部机构受到地面对其的刚性冲击。

在小腿连接端处设计了一个弹性扭转的机构，以减少外骨骼对人体腿部的内旋和外旋的运动自由度的约束。弹性扭转机构主要由两个扭转块同轴配合，两个扭转块之间通过四个直线弹簧在顺时针和逆时针两个方向上进行连接，使得当外骨骼腿部受到内旋和外旋的运动力矩时，扭转块可进行随人体腿部的内外旋运动进行随动旋转运动，而不受扭转力时即可由于弹簧的弹性回复到起始角度位置。

在足部的踝关节部分，设计了一个在一定角度范围内扭转可回正的弹性盘式机构，弹性盘式扭转机构包含两个相互作用的扭转块，之间采用圆周阵列的直线弹簧连接。使得人体踝关节运动时外骨骼足部的踝关节部位可跟随运动，而在人体站立支撑时，踝关节能够回到初始位置，进行大负载重力传导。在足部每次落地与离开地面时，弹簧的形变使得外骨骼系统的动态性增加，柔顺性增强。踝关节出同轴连接的磁流体可变阻尼器，使得外骨骼在承担大负载重物时能够调节阻尼大小，帮助外骨骼维持稳定运动姿态。

而在外骨骼足部的趾关节部位，进行分离式铰连设计，将外骨骼足部的前脚掌部位与后脚掌分开，且前脚掌分为左右两部分，左前脚掌和又前脚掌分别与后脚掌之间铰连。此设计使得外骨骼足部趾关节部位能够在人体步态中随动运动，减小外骨骼对人体足部运动的约束。而对前脚掌进行左右两部分分离设计，使得人体在穿戴外骨骼时能够适应不平整路面，增大外骨骼足部与地面的最大接触面积，使得外骨骼在支撑相时能够稳定支撑。

由于助力外骨骼主要的用途是负重移动，外骨骼背负的重物在足部每次落地支撑时易造成较大到的刚性冲击，使得穿戴者舒适感很差，因此采用的方案是：在刚性足部结构的基础上，足底加入弹性橡胶层。在足部的金属骨架上下表面分别贴合光滑表面橡胶层和粗糙表面橡胶层，当人体穿戴配有该足部结构的外骨骼时，在足部每次支撑相落地时能够起到缓冲的作用，减缓助力外骨骼整体腿部机构受到地面对其的刚性冲击；同时，带有纹理的橡胶底层，使得外骨骼与地面之间的接触面积增加，行走稳定。

为了获取人体在步态行走过程中的运动信息，从而进行意图识别判断，对外骨骼的动力装置进行合理地响应控制，在足底的橡胶层和刚性体之间加入了多点式压电薄膜传感器用于采集人体足底压力信息；在外骨骼的腰部、大腿部、小腿部和踝关节下部加入了姿态传感器，用于获取足部在空间中的运动信息。该设计将传感器在外骨骼的结构中进行内嵌，机电系统高度集成。

Claims (9)

1.一种助力外骨骼机器人，其特征在于，包括依次连接的外骨骼腰髋部（1）、外骨骼腿膝部（2）和外骨骼足部（3）；

外骨骼腰髋部（1）包括腰部主体结构以及对称设置于腰部主体结构两侧的髋关节结构；腰部主体结构包括通过腰部转接板（115）连接的右腰部结构件（116）和左腰部结构件（152）；髋关节结构包括固定在右腰部结构件（116）上的髋关节转接板（117），右腰部结构件（116）和髋关节转接板（117）上均设有双孔结构，右腰部结构件（116）和髋关节转接板（117）双孔结构内分别设有一个运动连接轴，两个运动连接轴的端部分别固定有髋关节内外展运动机构和髋关节动力机构，髋关节内外展运动机构和髋关节动力机构通过连接固定件连接为一体，髋关节内外展运动机构下端设有用于与外骨骼腿膝部连接的大腿部外管（141）；

外骨骼腿膝部（2）包括大腿连接套管（201）、支撑相减震结构、膝关节屈伸动力结构、腿部内外旋扭转弹性体和小腿连接端（219）；大腿连接套管（201）上端与大腿部外管（141）下端固定连接；大腿连接套管（201）固定于支撑相减震结构上端，支撑相减震结构下端固定于膝关节屈伸动力结构上端，腿部内外旋扭转弹性体固定于膝关节屈伸动力结构下端，小腿连接端（219）固定于腿部内外旋扭转弹性体下端；

外骨骼足部（3）包含小腿连接套管（301）、踝关节弹性扭转结构和分层式足底结构；小腿连接套管（301）上端与小腿连接端（219）固定连接；踝关节弹性扭转结构包括踝关节支撑结构块（304）和盘式扭转壳体（302），盘式扭转壳体（302）上端与小腿连接套管（301）下端固定连接；盘式扭转壳体（302）下端设有与踝关节支撑结构块（304）上端配合转动的回转体；分层式足底结构固定于踝关节支撑结构块（304）下端，分层式足底结构包括前脚掌左部主体层（331）、前脚掌右部主体层（314）和后脚掌主体层（309），前脚掌左部主体层（331）和前脚掌右部主体层（314）分别与后脚掌主体层（309）之间采用铰接合页（318）铰接，所述运动连接轴包括分别同轴心设置于髋关节转接板（117）的双孔结构内的髋关节轴承座（147）和动力关节轴承座（118），髋关节轴承座（147）内同轴心配合有髋关节轴承（146），且在髋关节轴承（146）外同轴心配合着髋关节轴承壳体（145），髋关节轴承座（147）端部设有髋关节轴承盖板（144）；动力关节轴承座（118）中同轴心配合有动力关节轴承（119），动力关节轴承（119）外环同轴心配合有动力关节轴承壳（122），动力关节轴承座（118）同轴连接有动力关节轴承盖（123）。

2.根据权利要求1所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，腰部转接板（115）上设有滑槽，右腰部结构件（116）和左腰部结构件（152）在腰部转接板（115）的滑槽中嵌入配合，且右腰部结构件（116）和左腰部结构件能在腰部转接板（115）的滑槽中移动。

3.根据权利要求1所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，髋关节内外展运动机构包括与髋关节轴承壳体（145）端面固定连接的侧摆导向块（142），侧摆导向块（142）上设有弧形滑槽和轴孔，侧摆导向块（142）的轴孔内通过髋关节法兰轴承（164）和髋关节短轴（163）与侧摆导向块（142）铰接有大腿部外管（141），侧摆导向块（142）内设有同轴心的腿管弹簧（165）、弹簧上连接块（168）和弹簧下连接块（169），弹簧上连接块（168）与腿管弹簧（165）上端固定连接，弹簧下连接块（169）和腿管弹簧（165）下端固定连接，弹簧上连接块（168）上端设有与髋关节短轴（163）同轴心连接的连接孔，弹簧下连接块（169）下端设有与髋关节短轴（163）平行的压轴（167），压轴（167）一端与侧摆导向块（142）弧形滑槽通过小滚轮（166）同轴心连接，大腿部外管（141）端部设有用于与外骨骼腿膝部连接锁紧的锁紧环（136）。

4.根据权利要求3所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，髋关节动力机构包括通过法兰轴承（120）和短轴（121）铰接于动力关节轴承壳（122）端面的动力关节转接件（124），动力关节转接件（124）下端固定有动力机构上基板（125），动力机构上基板（125）下端固定有两个平行设置的第一滑块光轴（129）和第四滑块光轴（159），第一滑块光轴（129）和第四滑块光轴（159）下端固定有动力机构下基板（131），动力机构上基板（125）和动力机构下基板（131）之间固定有髋关节动力丝杆（130）；动力机构上基板（125）下端固定有用于驱动髋关节动力丝杆（130）的髋关节电机（140）；第一滑块光轴（129）和第四滑块光轴（159）上设有与髋关节动力丝杆（130）配合传动的动力传送机构，动力传送机构下端固定连接有动力机构输出块（132），动力机构输出块（132）与大腿部外管（141）通过连接固定件固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，膝关节屈伸动力结构包括膝关节回转体（207）以及设置于膝关节回转体（207）外侧与膝关节回转体（207）转动连接的壳体，壳体内固定有电机固定板（228），电机固定板（228）与壳体内固定连接，电机固定板（228）的前端固定有膝关节驱动电机（226），电机固定板（228）的后端固定有直线滑轨（229），直线滑轨（229）上设有配合滑动的滑块（237），滑块（237）上固定连接有弹性滑块组件；电机固定板（228）的后端上下两端分别固定一个轴承座（247），两个轴承座（247）之间设有丝杆（231），丝杆（231）与轴承座（247）之间通过轴承转动连接，丝杆（231）通过膝关节驱动电机（226）驱动；弹性滑块组件内固定有与丝杆（231）相对滑动的螺母块（223）；膝关节回转体（207）圆周侧壁设有用于与支撑相减震结构连接的连接圆柱，膝关节回转体（207）与连接圆柱相对一侧设有偏心连接孔；弹性滑块组件上连接有能够相对弹性滑块组件转动的Y型连杆（227），Y型连杆（227）的一端与偏心连接孔通过转轴连接；膝关节回转体（207）下端设有两个相对设置的两个壳体固定板（211），两个壳体固定板（211）之间固定有腿部内外旋扭转弹性体。

6.根据权利要求5所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，支撑相减震结构包括气体阻尼弹簧杆（235）和光轴固定座（206），光轴固定座（206）套设固定于连接圆柱外侧；气体阻尼弹簧杆（235）一端与连接圆柱固定连接，另一端与大腿连接套管（201）一端固定连接；大腿连接套管（201）的另一端通过大腿内套管（248）与大腿部外管（141）连接，大腿内套管（248）位于大腿部外管（141）的轴心中，大腿部外管（141）的一端设有锁紧环（136）。

7.根据权利要求5所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，腿部内外旋扭转弹性体包括固定于两个壳体固定板（211）之间的转接块（213），转接块（213）下端固定有转动座（214），转动座（214）内设有凹槽，转动座（214）的凹槽内设有轴承安装槽和多个弹簧限位块，轴承安装槽内设有相互嵌套设置的滚动轴承（216）和滚针推力轴承（217），多个弹簧限位块均设于转动座（214）的凹槽圆周内，还包括与转动座（214）同轴配合的弹簧卡块座（218），弹簧卡块座（218）上设有与转动座（214）内弹簧限位块数量相同的弹簧卡块，弹簧卡块与弹簧限位块之间设有压缩弹簧（215）。

8.根据权利要求1所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，踝关节支撑结构块（304）上端设有弧形槽，盘式扭转壳体（302）下端设有与踝关节支撑结构块（304）上端弧形槽配合转动的回转体，踝关节支撑结构块（304）和盘式扭转壳体（302）两侧通过踝关节侧固定板连接，踝关节侧固定板下端与踝关节支撑结构块（304）通过固定螺栓连接，盘式扭转壳体（302）上设有回转通孔，盘式扭转壳体（302）沿回转通孔为圆心圆周设有弹簧安装槽，弹簧安装槽内设有扭转块（326）和设置于扭转块（326）两侧的弹簧（327），弹簧（327）的一端与扭转块（326）接触，另一端与设置于弹簧安装槽内的槽壁挡块接触；盘式扭转壳体（302）与踝关节侧固定板通过弹簧（327）转动连接。

9.根据权利要求1所述的一种助力外骨骼机器人，其特征在于，后脚掌主体层（309）、前脚掌左部主体层（331）和前脚掌右部主体层（314）的上表面分别固定有足部后掌框（311）、前脚掌左部框（316）和前脚掌右部框（330）；足部后掌框（311）、前脚掌左部框（316）和前脚掌右部框（330）中间均设有凹槽，在足部后掌框（311）、前脚掌左部框（316）和前脚掌右部框（330）的凹槽内设有压力薄膜传感器（328），压力薄膜传感器（328）的上方分别填充着后脚掌填充橡胶层（308）、前脚掌左部填充橡胶层（332）和前脚掌右部填充橡胶层（315）。

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