CN109483521B - 一种多功能外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种多功能外骨骼机器人，包括上部支撑结构和下肢组件，所述下肢组件对称设于所述上部支撑结构的左右两侧，所述下肢组件至少包括一个关节和该关节所连接的两个下肢构件；所述多功能外骨骼机器人还包括与所述下肢组件电连接的轮式变形转运模块；所述轮式变形转运模块，包括可与所述下肢组件相连接的至少两个动力轮，所述下肢组件还包括关节锁止件，所述关节锁止件可以在所述关节处锁定该关节所连接的呈固定角度的下肢构件；至少有一个所述下肢构件设有用于与转运平台相连接的预安装固定结构，至少有一个所述下肢构件设有用于连接所述动力轮的快速拆装组件。

Description

一种多功能外骨骼机器人

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，具体涉及一种多功能外骨骼机器人。

背景技术

可穿戴型外骨骼机器人是基于机械学、传感器技术、生物医学、计算机技术和智能控制技术等的典型的人机一体化系统，可以给穿戴者提供支撑、或保护、或负重、或助力等帮助；在军事、康复医疗和护理、紧急救援和生物医学等领域具有广阔的发展前景。

随着仿生机构学、信息处理、控制理论和通讯等技术的不断发展，外骨骼机器人也在逐步发展并不断的更新换代，但是，现有的外骨骼机器人结构复杂、体型笨重，且一般只有一个固定的模式来辅助穿戴者负重、或做康复锻炼、或作为假肢，不能满足不同穿戴者的要求。

尤其是在军队卫勤领域，外骨骼机器人和操作者组成的人机一体化系统需要能够对环境有更大的适应能力。提高可穿戴型外骨骼机器人在新的军事变革下的卫勤装备的兼容性，是军队军事科技变革的一个重要课题。目前兼容新形势下的军队卫勤装备的多用途外骨骼机器人的研发变得越来越迫切。

发明内容

为弥补上述领域存在的不足，本发明提供一种可变形的多功能外骨骼机器人，即可用于卫勤士兵或特殊人员的行走助力及负重，又可直接转换模式与其他设备连接用于伤员的转运或物品平台的转运或伤员的辅助行走。

本发明通过以下技术方案实现：

一种多功能外骨骼机器人，包括上部支撑结构和下肢组件，所述下肢组件对称设于所述上部支撑结构的左右两侧，所述下肢组件至少包括一个关节和该关节所连接的两个下肢构件；

所述多功能外骨骼机器人还包括与所述下肢组件电连接的轮式变形转运模块；

所述轮式变形转运模块，包括可与所述下肢组件相连接的至少两个动力轮；

所述下肢组件还包括关节锁止件，所述关节锁止件可以在所述关节处锁定该关节所连接的呈固定角度的下肢构件；

至少有一个所述下肢构件设有用于与转运平台相连接的预安装固定结构，至少有一个所述下肢构件设有用于连接所述动力轮的快速拆装组件。

作为优选，所述下肢组件包括髋部杆件、大腿杆件、连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的电动机械髋关节；

或所述下肢组件包括大腿杆件、小腿杆件、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节；

或所述下肢组件包括小腿杆件、足部构件、连接所述小腿杆件与所述足部构件的电动机械踝关节；

或所述下肢组件包括髋部杆件、大腿杆件、小腿杆件、连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的电动机械髋关节、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节；

或所述下肢组件包括大腿杆件、小腿杆件、足部构件、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节、连接所述小腿杆件与所述足部构件的电动机械踝关节；

或所述下肢组件包括髋部杆件、大腿杆件、小腿杆件、足部构件、连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的电动机械髋关节、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节、连接所述小腿杆件与所述足部构件的电动机械踝关节。

作为优选，所述足部构件与所述电动机械踝关节通过快速拆装组件相连；所述关节锁止件包括用于将所述小腿杆件相对所述大腿杆件在一定角度锁定的膝关节锁止件，和/或用于将所述髋部杆件相对所述大腿杆件在一定角度锁定的髋关节锁止件。

作为优选，所述预安装固定结构设于所述大腿杆件和/或所述电动机械膝关节；所述下肢组件还包括设于所述髋部杆件用于与穿戴者交互的腰部绑带、和/或设于所述大腿杆件用于与穿戴者交互的大腿绑带、和/或设于所述小腿杆件用于与穿戴者交互的小腿绑带。

作为优选，上述多功能外骨骼机器人，还包括上部支撑结构，所述上部支撑结构包括设于所述髋部杆件上方的硬质背板，所述硬质背板左右两侧对称设有动力轮快速安装结构。

作为优选，所述电动机械髋关节、和/或所述电动机械膝关节、和/或所述电动机械踝关节为三铰链电缸驱动结构；所述三铰链电缸驱动结构包括三个铰链和和驱动电缸，用于连接并驱动所述关节连接的两个下肢构件相对转动。

作为优选，所述电动机械髋关节包括髋关节驱动电缸、第一铰链、第二铰链和第三铰链，所述髋部杆件的前端与所述大腿杆件的上端通过第一铰链直接相铰接；所述髋关节驱动电缸的缸体通过第二铰链与所述髋部杆件中间偏后的位置相铰接，所述髋关节驱动电缸的电动推杆通过第三铰链与所述大腿杆件的中间偏上位置相铰接；

和/或所述电动机械膝关节包括第四铰链、第五铰链、第六铰链和膝关节驱动电缸；所述大腿杆件的下端与所述小腿杆件的上端通过第四铰链直接相铰接；所述膝关节驱动电缸的缸体通过第五铰链与所述大腿杆件中间偏上位置相铰接，所述膝关节驱动电缸的电动推杆通过第六铰链与所述小腿杆件的中间偏上的位置相铰接；

和/或所述电动机械踝关节包括第七铰链、第八铰链、第九铰链和踝关节驱动电缸；所述小腿杆件的下端与所述足部构件的外侧的中间位置通过第七铰链直接或间接相铰接；所述踝关节驱动电缸的缸体通过第八铰链与所述小腿杆件中间偏上位置且在所述第六铰链的下方的位置相铰接，所述膝关节驱动电缸的电动推杆通过第九铰链与所述足部构件的外侧的中间靠后位置直接或间接相铰接。

作为优选，所述第一铰链与所述第三铰链的一端与所述快速拆装组件固定连接；和/或所述第七铰链与所述第九铰链的一端与所述快速拆装组件固定连接；和/或所述第七铰链与所述第九铰链的一端与所述快速拆装组件固定连接。

作为优选，所述动力轮为可折叠动力轮；在腿式多关节助力模块工作时，所述可折叠动力轮为折叠态；在轮式变形转运模块工作时，所述可折叠动力轮为展开态。

作为优选，所述可折叠动力轮包括可折叠的轮子及设于所述可折叠轮子轴心处用于驱动所述可折叠轮子转动的电动机；

或者所述可折叠动力轮包括轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的可折叠式轮毂及用于包裹所述可折叠式轮毂的轮圈和/或轮胎；

或者所述可折叠动力轮包括可折叠式轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的轮圈和/或轮胎；

或者所述可折叠动力轮包括可折叠式轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的可折叠式轮圈和/或轮胎；

或者所述可折叠动力轮包括轮机一体式可折叠轮毂电机，所述轮机一体式可折叠轮毂电机包括处于中心位置的轮毂电机或可折叠轮毂电机、和/或围绕所述轮毂电机或可折叠轮毂电机设置的可折叠式轮毂、和/或围绕所述轮毂电机或可折叠轮毂电机设置的轮胎或可折叠轮胎。

作为优选，所述多功能外骨骼机器人还包括腿式多关节助力模块，所述腿式多关节助力模块包括设于所述腰部绑带、和/或所述大腿绑带、和/或所述小腿绑带的内部的柔性PCB控制模块，所述柔性PCB控制模块包括肌肉变形检测传感器、位置姿态检测传感器、电缸驱动控制器。

作为优选，所述转运平台包括急救担架，所述急救担架两侧的担架杆上设有与所述预安装固定结构相配合的紧固结构。

作为优选，所述上部支撑结构还包括背包，所述硬质背板包括腰部背板和位于所述腰部背板上方一定距离处的背包背板；所述背包背板设于所述背包的后侧；所述髋部杆件的后端部通过所述腰部背板相连，所述腰部背板的上部的中间位置通过铰链连接所述背包背板底部的中间位置，所述腰部背板的上部的左右两侧通过弹性支撑元件连接所述背包背板底部的左右两侧。

作为优选，所述腰部背板的上部的形状为上凸的等腰钝角三角形，所述等腰钝角三角形的顶角处通过铰链连接所述背包背板底部的中间位置，所述等腰钝角三角形的底角处通过弹性支撑元件连接所述背包背板底部的左右两侧。

作为优选，所述轮式变形转运模块还包括自动跟随系统，所述自动跟随系统包括环境信息提取模块、定位模块和输出模块；所述输出模块连接所述电缸驱动控制器驱动电缸进行动力输出。

作为优选，所述环境信息提取模块包括设于所述腰部绑带或所述背包肩带的RGB-D深度图像摄像机和激光雷达；所述定位模块包括可以发射特殊调制的不可见光线的定位发射装置和可以接收特殊调制的不可见光线的定位接收装置。

作为优选，所述总控模块还设有康复训练模块，包括智能拐杖和康复软件系统，所述康复软件系统包括康复治疗师辅助模块、用户自主控制模块、自动感应用户身体动作触发模块和云端数据处理模块。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述的多功能外骨骼机器人设有轮式变形转运模块，既可以作为双足的行走助力式外骨骼机器人进行助力行走，又可以对其下肢组件进行变形作为动力轮自动输送转运平台；

2、本发明所述的多功能外骨骼机器人采用电缸驱动，比油压驱动安全、环保且结构简单，能够兼容卫勤人员的站立、行走、匍匐、背负、伤员输送等基本战术动作。

3、本发明所述的多功能外骨骼机器人，在轮式变形转运模块工作时，采用至少两个动力轮驱动转运平台，实现转运平台的自动转移，且所述动力轮为可折叠动力轮，在腿式多关节助力模块工作时可以折叠收纳，节省空间；所述动力轮采用可快速装卸组件连接到所述下肢组件和/或所述上部支撑结构，模式转换简单快捷；

4、本发明所述的多功能外骨骼机器人，采用柔性PCB控制模块，将传感器、控制器等集成到一块柔性PCB控制板上，提高了系统及设备的集成度，并提高了设备的舒适性；

5、本发明所述的多功能外骨骼机器人，在轮式变形转运模块工作时，可以兼容当前的医用或军用担架；且设有自动跟随系统，在轮式变形转运模块工作时，通过环境提取模块识别周围地形并结合轮腿结构，可以自动越障避障，并在此过程中保持移动平台的稳定，减少对伤员的二次伤害；

6、本发明所述的多功能外骨骼机器人，还设有康复训练模块，配合智能拐杖和康复软件系统对骨损伤、脊髓损伤进行针对性的康复训练治疗。

附图说明

图1是本发明所述的多功能外骨骼机器人的腿式多关节助力模式下的背负伤员状态及结构示意图；

图2是本发明所述的多功能外骨骼机器人的腿式多关节助力模式下的行走助力状态结构示意图；

图3是本发明所述的多功能外骨骼机器人的轮式变形转运模式下的结构示意图；

图4是本发明所述的多功能外骨骼机器人的腿式多关节助力模式下的匍匐前进状态结构示意图；

图5是本发明所述的多功能外骨骼机器人的腿式多关节助力模式向轮式变形转运模式下转变的结构示意图；

图6是本发明所述的多功能外骨骼机器人的轮式变形转运模式下的根据地形自动柔性调整状态结构示意图；

图7是本发明所述的多功能外骨骼机器人的腿式轮式变形转运模式下的自动跟随与传统的多人抬式担架的对比示意图；

图8是本发明所述的多功能外骨骼机器人的自动跟随系统的拓扑结构结构示意图；

图9是本发明所述的多功能外骨骼机器人的康复训练模式示意图；

图10是本发明所述的多功能外骨骼机器人的康复训练模式的云评估示意图。

图中各标号列示如下：

1—上部支撑结构；11-硬质背板，111-动力轮快速安装结构，112-腰部背板，113-背包背板；12-背包；13-弹性支撑元件，121-背包肩带；

2—下肢组件；21-髋部杆件，22-大腿杆件，23-小腿杆件，24-足部构件，25-电动机械髋关节，26-电动机械膝关节，27-电动机械踝关节，28-快速拆装组件；

221-预安装固定结构；

261-第四铰链，262-第五铰链，263-第六铰链，264-膝关节驱动电缸；

271-第七铰链，272-第八铰链，273-第九铰链，274-踝关节驱动电缸；

3—轮式变形转运模块；

31—动力轮；311-可折叠动力轮；32-转运平台；321-急救担架；

4—智能拐杖；

5—电源；

6—腰部绑带

7—大腿绑带；

8—小腿绑带；

9—卫勤士兵；

10—伤员。

具体实施方式

实施例1

本发明所述的一种多功能外骨骼机器人，在描述时采用的前后、左右、上下等方位用语，仅是互为相对概念或是以多功能外骨骼机器人的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。本发明所述的一种多功能外骨骼机器人，如图1-6所示，包括上部支撑结构1和下肢组件2，所述下肢组件2对称设于所述上部支撑结构1的左右两侧，所述下肢组件2至少包括一个关节和该关节所连接的两个下肢构件；所述两个下肢构件可在所述关节处在合适角度范围内相对转动(包括一个转动自由度、两个转动自由度和三个转动自由度转动)；本实施例以一个转动自由度为例。比如大腿杆件22、小腿杆件23、连接所述大腿杆件23与所述小腿杆件24的电动机械膝关节26，所述多功能外骨骼机器人还包括与所述下肢组件2电连接的轮式变形转运模块3；

所述轮式变形转运模块3，包括可与所述下肢组件2相连接的至少两个动力轮31，所述动力轮31在接通能源后即可以动作；

所述多功能外骨骼机器人在拆去部分所述轮式变形转运模块3时，可以对其穿戴者进行行走助力，此时可将所述动力轮31悬挂于所述下肢组件2或置于所述上部支撑结构1内；

在所述轮式变形转运模块3工作时，所述多功能外骨骼机器人可以进行转运平台31的快速支撑与轮式快速移动；此时所述下肢组件2至少可以在其电动机械膝关节26处将所述大腿杆件23与所述小腿杆件24折叠成一个钝角，并通过所述膝关节锁止件锁定，所述大腿杆件23或所述小腿杆件24或所述电动机械膝关节26设有用于与转运平台32相连接的预安装固定结构221；所述小腿杆件24的远离所述膝关节的端部设有用于连接所述动力轮31的快速拆装组件28，并通过快速拆装组件28连接所述动力轮31，并通过航空插头接通电源5；

优选地，所述预安装固定结构221为预安装固定孔。

优选地，所述轮式变形转运模块3还包括用于与所述动力轮31相配合支起所述转运平台32的非动力型轮子或常规轮。

实施例二

与上述实施例的区别在于，如图1所示，所述下肢组件2包括髋部杆件21、大腿杆件22、小腿杆件23、足部构件24，还包括连接所述髋部杆件21与所述大腿杆件22的电动机械髋关节25、连接所述大腿杆件23与所述小腿杆件24的电动机械膝关节26、连接所述小腿杆件23与所述足部构件24的电动机械踝关节27；所述足部构件24与所述电动机械踝关节27通过快速拆装组件相连；具体地，所述足部构件24与所述电动机械踝关节27上分别设有相匹配的快速拆装组件28；所述快速拆装组件28可为常规的快拆螺纹组件或销钉组件或卡扣结构组件，也可为其他特殊类型的可重复使用的快速拆装组件。

所述下肢组件2还包括用于将所述小腿杆件23与所述大腿杆件22在固定角度锁定的膝关节锁止件、用于将所述髋部杆件21与所述大腿杆件22在固定角度锁定的髋关节锁止件。

优选地，所述预安装固定孔221设于所述大腿杆件22；所述膝关节锁止件和所述髋关节锁止件可以为拨叉或其他。

具体地，如图1和图4所示，所述上部支撑结构1包括设于所述髋部杆件21上方的背包12，所述背包12远离人体躯干侧设有硬质背板11，所述硬质背板11设有动力轮快速安装结构111；优选地，所述动力轮快速安装结构111为动力轮快速安装孔，且在所述硬质背板11的左右两侧对称设置；

如图3所示，所述多功能外骨骼机器人还包括至少两个动力轮31；所述动力轮31在接通能源后即可以动作；

在所述轮式变形转运模块工作时，所述多功能外骨骼机器人可以进行转运平台32的快速支撑与轮式快速移动；此时所述下肢组件2至少可以在其关节处将所述折叠成一个钝角并通过所述关节锁止件锁定，所述钝角一侧的下肢组件2上设有预安装固定孔221，可与转运平台3相连接；所述钝角另一侧的下肢组件2的端部通过快速拆装组件28连接所述动力轮4；具体地，所述动力轮31与所述电动机械踝关节25和/或所述硬质背板11的动力轮快速安装孔位111以快速拔插的方式相连并通过航空插头接通电源5；具体地，在所述电动机械踝关节和/或所述硬质背板11的动力轮快速安装孔位附近设有快速插接电源5的航空插头；

优选地，所述膝关节锁止件可将所述小腿杆件23与所述大腿杆件22在固定角度锁定，所述髋关节锁止件可将所述髋部杆件21与所述大腿杆件22在固定角度锁定，所述大腿杆件22通过预安装固定孔221固定连接一转运平台32，比如说急救担架321或其他货物运载平台等。

所述轮式变形转运模块开始工作时的变形具体为，如图6所示，卸去与所述电动机械踝关节27以可快速拆卸的形式相连的足部构件24，将所述下肢组件2通过其大腿杆件22上的预安装固定孔221安装固定到所述转运平台32的左右两侧，比如说急救担架321的左右两侧的担架杆上或货物运载平台的左右两侧；并通过髋关节锁止件将所述髋部杆件21在与所述大腿杆件22平行的位置锁定，此时，所述髋部杆件21与所述大腿杆件22之间的相对旋转角为180度；通过膝关节锁止件将所述小腿杆件23相对所述大腿杆件22向所述转运平台32的下方旋转到所述小腿杆件23相对所述大腿杆件22呈钝角的位置锁定，此时，所述小腿杆件23与所述大腿杆件22之间的相对旋转角为钝角；所述动力轮31上设有与所述所述电动机械踝关节27上的快速拆装组件28相匹配的快速拆装组件，通过其快速拆装组件将所述动力轮31插入所述下肢组件2，通过快速插装元件如航空插头将所述动力轮31接通电源5。

优选地，在所述硬质背板11的动力轮快速安装孔位111插入所述动力轮31或常规的与所述动力轮31基本相匹配的普通轮子，形成两轮驱动的运转平台或三轮驱动的转运平台或四轮驱动的转运平台。

实施例三

本实施例与上述实施例不同之处在于，如图2所示，作为优选地方案，所述电动机械髋关节25、所述电动机械膝关节26、所述电动机械踝关节27均为三铰链电缸驱动结构；所述三铰链电缸驱动结构包括三铰链和驱动电缸用于连接第一杆件和第二杆件；所述第一杆件的下端与所述第二杆件的上端通过第一铰链直接相铰接；所述驱动电缸的缸体通过第二铰链与所述第一杆件中间位置或远离所述第一铰链的位置相铰接，所述驱动电缸的电动推杆通过第三铰链与所述第二杆件的中间位置或远离所述第一铰链的位置相铰接。

具体地，如图2所示，所述电动机械髋关节25包括髋关节驱动电缸、第一铰链、第二铰链和第三铰链，所述髋部杆件21的前端与所述大腿杆件22的上端通过第一铰链直接相铰接；所述髋关节驱动电缸的缸体通过第二铰链与所述髋部杆件21中间偏后的位置相铰接，所述髋关节驱动电缸的电动推杆通过第三铰链与所述大腿杆件22的中间偏上位置相铰接。

如图2所示，所述电动机械膝关节26包括第四铰链261、第五铰链262、第六铰链263和膝关节驱动电缸264；所述大腿杆件22的下端与所述小腿杆件23的上端通过第四铰链261直接相铰接；所述膝关节驱动电缸264的缸体通过第五铰链262与所述大腿杆件22中间偏上位置且在所述第三铰链253的下方的位置相铰接，所述膝关节驱动电缸264的电动推杆通过第六铰链263与所述小腿杆件23的中间偏上的位置相铰接。

所述电动机械踝关节27包括第七铰链271、第八铰链272、第九铰链273和踝关节驱动电缸274；所述小腿杆件23的下端与所述足部构件24的外侧的中间位置通过第七铰链271直接或间接相铰接；所述踝关节驱动电缸274的缸体通过第八铰链272与所述小腿杆件23中间偏上位置且在所述第六铰链263的下方的位置相铰接，所述膝关节驱动电缸264的电动推杆通过第九铰链273与所述足部构件24的外侧的中间靠后位置直接或间接相铰接。

优选地，所述第七铰链271与所述第九铰链273通过快速拆装组件28与所述足部构件24相连。

作为优选的方案，如图2所示，所述下肢组件2还包括设于所述髋部杆件21的用于与穿戴者的腰部交互的腰部绑带6、和/或设于所述大腿杆件22的用于与穿戴者的大腿交互的大腿绑带7、和/或设于所述小腿杆件23的用于与穿戴者的小腿交互的小腿绑带8。

作为优选的方案，所述多功能外骨骼机器人还包括腿式多关节助力模块，所述腿式多关节助力模块包括设于所述腰部绑带6、和/或所述大腿绑带7、和/或所述小腿绑带8的内部的柔性PCB控制模块，所述柔性PCB控制模块包括肌肉变形检测传感器、位置姿态检测传感器、电缸驱动控制器；用于检测人体的相应部位的肌肉变形及人体相应部位的动作和姿态并控制相应部位的电缸动作；所述大腿杆件22和所述小腿杆件23的内部开有走线槽，将该处所有的线集成起来并通过走线槽连接到相应的单元，并通过航空插头连接到总控模块与电源。

在腿式多关节助力模式下，所述髋关节驱动电缸254、所述膝关节驱动电缸264、所述踝关节驱动电缸274均在其位于所述腰部绑带6、所述大腿绑带7和所述小腿绑带8的内部的的电缸驱动控制器的控制下动作，实现正常的行走助力。

优选地，考虑多功能外骨骼机器人的穿戴者的安全以及舒适性问题，采用下肢组件2的三铰链电缸驱动结构进行硬件限位、合并所述腿式多关节助力模块的软件限位进行联合限位的方式共同保证上述各个关节的运动安全；具体地，用硬件限位的方式，保证上述各个关节的运动在合适的角度范围与区域内，避免让人体腿部超过相应的安全界限，比如说，以所述多功能外骨骼机器人竖直站立时，所述髋部杆件21垂直于所述大腿杆件22向后延伸位置为基本参考位置，所述电动机械髋关节25在所述第一铰链251处的有效转动角度在-35°到100°之间；以所述大腿杆件22、小腿杆件23均处于竖直位置为基本参考位置，所述电动机械膝关节26在所述第四铰链261处的有效转动角度在0°到106°之间；以所述足部构件24的脚掌处于水平位置为基本参考位置，所述电动机械踝关节27在所述第七铰链271处的有效转动角度在0°到33°之间。优选地，所述髋部杆件21、所述大腿杆件22和所述小腿杆件23为长度可调杆，所述大腿杆件22的长度在430mm-470mm之间可调，所述小腿关节23的长度在470mm-510mm之间可调。所述膝关节驱动电缸264的长度在383mm-505mm之间可调，所述踝关节驱动电缸274的长度在431mm-557mm之间可调。

在软件上进行软限位，指所述腿式多关节助力模块还包括两个应急开关，一个负责将上述各关节的驱动电缸与其控制单元如电缸驱动码盘等断开，另外一个负责关闭整个系统的电源供应。优选地，如图4所示，所述上部支撑结构1还包括背包12，所述硬质背板11包括腰部背板112和为与所述腰部背板112上方一定距离处的背包背板113；所述腰部背板112的长度可调，以适应不同体型的穿戴者；位于人体左右两侧的所述髋部杆件21的后端部通过所述腰部背板112相连；所述腰部背板112的上部的中间位置通过铰链连接所述背包背板113底部的中间位置，所述腰部背板112的上部的左右两侧通过弹性支撑元件13连接所述背包背板113底部的左右两侧；

优选地，如图4所示，所述腰部背板112的上部的形状为上凸的等腰钝角三角形，所述等腰钝角三角形的顶角处通过铰链连接所述背包背板113底部的中间位置，所述等腰钝角三角形的底角处通过弹性支撑元件13连接所述背包背板113底部的左右两侧。便于穿戴者的匍匐前进战术动作的实现。优选地，所述背包12通过背包肩带121与穿戴者的肩部实现交互，所述背包12内可以放置总控模块和/或电源和/或动力轮31和/或其他负载等。

实施例四

与上述实施例的区别在于，作为优选的方案，如图5所示，所述动力轮31为可折叠动力轮311；在腿式多关节助力模块工作时，所述可折叠动力轮311为折叠态；在轮式变形转运模块工作时，所述可折叠动力轮311为展开态。

作为优选的方案，所述可折叠动力轮311包括可折叠的轮子及设于所述可折叠轮子轴心处用于驱动所述可折叠轮子转动的电动机；

作为优选的方案，所述可折叠动力轮311包括轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的可折叠式轮毂及用于包裹所述可折叠式轮毂的轮圈和/或轮胎。

作为优选的方案，所述可折叠动力轮311包括可折叠式轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的轮圈和/或轮胎。

作为优选的方案，所述可折叠动力轮311包括可折叠式轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的可折叠式轮圈和/或轮胎。

作为优选的方案，所述可折叠动力轮311包括轮机一体式可折叠轮毂电机。所述轮机一体式可折叠轮毂电机包括处于中心位置的轮毂电机或可折叠轮毂电机、和/或围绕所述轮毂电机或可折叠轮毂电机设置的可折叠式轮毂、和/或围绕所述轮毂电机或可折叠轮毂电机设置的轮胎或可折叠轮胎。

作为优选地方案，所述非动力型轮子为可折叠式轮子，在腿式多关节助力模块工作时，所述可折叠式轮子为折叠态；在轮式变形转运模块工作时，所述可折叠式轮子为展开态。

作为优选的方案，所述可折叠式轮子包括可折叠式轮毂及用于包裹所述可折叠式轮毂的轮圈和/或轮胎。

作为优选的方案，所述可折叠式轮子包括可折叠式轮毂及用于包裹所述可折叠式轮毂的可折叠轮圈和/或可折叠轮胎。

作为优选的方案，在所述轮式变形转运模块工作时，所述大腿杆件22通过预安装固定孔221固定连接急救担架321或其他转运平台，所述急救担架两侧的担架杆上或其他转运平台的两侧设有与所述大腿杆22件的预安装固定孔221相配合的紧固件。

实施例五

与上述实施例的区别在于，作为优选的方案，如图6-8所示，所述轮式变形转运模块3还包括自动跟随系统，当多功能外骨骼机器人的穿戴者(或卫勤兵)需要救护搬运伤员时，可通过所述快速拆装组件28装上所述动力轮31连接急救担架321，然后作为可自动移动担架使用，此时伤员平躺在急救担架321上。

所述自动跟随系统包括设于所述腰部绑带6和/或所述背包肩带121的环境信息提取模块、定位模块和输出模块；所述输出模块连接所述电缸驱动控制器驱动所述踝关节驱动电缸274进行动力输出，根据所述环境信息提取模块提取的地形与环境信息进行柔性伸缩调整，从而使得转运平台3、特别是伤员急救平台32不但可以自动跟随定位模块和环境信息提取模块的的指引通过动力轮31驱动转运平台32动作、发挥轮式机器人的快速跟随移动的优点，而且可以发挥腿式机器人对复杂路面的良好适应性的优点。

优选地，所述环境信息提取模块包括设于所述腰部绑带6或所述背包肩带121的RGB-D深度图像摄像机和激光雷达；环境信息提取模块采用RGB-D视觉混合激光雷达的方案搭建SLAM(simultaneous localization and mapping)系统并在此基础上进行模式识别，定位到引导救助的人员并以此为目标规划近距离导航。该系统能瞬间识别引导救助的人员的姿态并进行分析，可以根据其行动变化实时调整路径改变跟随策略，跟随其穿过人群、山丘、丛林等地形，确保不会跟丢。

所述定位模块包括可以发射特殊调制的不可见光线的定位发射装置和可以接收特殊调制的不可见光线的mini定位接收装置；该定位模块能在环境复杂的场地在半径5米的范围之内，相互识别并定位跟随，定位误差不超过10cm。

所述定位发射装置和所述定位接收装置其中一个装置设于迷你定位手环，另一个设于所述腰部绑带6或所述背包肩带121。在实际应用该定位系统，用于自动跟随卫勤兵脱离战场，辅以敌我识别系统，尽最大可能保证伤员安全并避免二次伤害。

所述自动跟随系统的拓扑结构如图8所示：

所述SLAM系统系统的工作流程如下：

Step1：首先通过搭载于所述多功能外骨骼机器人上的RGB-D摄像机和激光雷达，分别提取图像信息、半稠密地图测量、深度信息提取和环境信息提取，其中除了图像识别内容外，其他数据将参与数据融合，融合方式为通过融合矩阵分配权重的方式进行；

Step2：依托上一步骤的数据构建点云图并构建SLAM系统，获得实时地图数据并匹配纹理，为之后的目标识别提供数据基础；

Step3：混合RGBD图像数据、定位模块目标数据、和实时地图数据进行模式识别，判断出勤务兵的位置并预测其运动轨迹，结合地图进行路径规划并导航。

Step4：地形识别功能结合轮式变形转运模块工作下的多功能外骨骼机器人，可以自动越障避障，并在此过程中保持外骨骼稳定，减少对伤员的二次伤害。

实施例六

与上述实施例的区别在于，所述多功能外骨骼机器人还包括康复训练模块，如图9所示，包括智能拐杖4和康复软件系统，所述康复软件系统包括康复治疗师辅助模块、用户自主控制模块、自动感应用户身体动作触发模块和云端数据处理模块，用于对骨损伤、脊髓损伤等进行针对性的康复训练治疗。

如图10所示，为本发明所述的多功能外骨骼机器人的康复训练模式的云评估示意图；康复训练模块是在所述多功能外骨骼机器人的机械结构的基础上，拆除轮式变形转运模块，配合智能拐杖4和康复软件系统对骨损伤、脊髓损伤进行针对性的康复训练治疗评估并传递到云端保存分析，并且在穿戴者行走过程中可以感应其重心的变化，模仿自然行走的步态，并能根据实际情况控制步行速度，除此之外穿戴者还能自行完成多功能外骨骼机器人的安装和拆卸。

作为优选，所述多功能外骨骼机器人的电动机械踝关节27的第七铰链271或第九铰链273是有三个自由度的曲线球轴承结构或者为球铰，使得所述足部构件24可以在一定范围内上下、前后、左右摆动。出于舒适性考虑，在人机交互部分，如背包肩带121与腰部绑带6等处，增加了柔性元件，来改善人体穿戴外骨骼系统的舒适性，并在下肢组件2与穿戴者的腿部相接触的部位加入了一些软材料，从而避免穿戴者的腿部与各杆件之间的直接碰撞，避免穿戴者的人体与刚性杆件之间的直接接触。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (13)

1.一种多功能外骨骼机器人，包括上部支撑结构和下肢组件，所述下肢组件对称设于所述上部支撑结构的左右两侧，其特征在于，

所述下肢组件至少包括一个关节和该关节所连接的两个下肢构件；所述多功能外骨骼机器人还包括与所述下肢组件电连接的轮式变形转运模块；所述轮式变形转运模块，包括可与所述下肢组件相连接的至少两个动力轮，所述下肢组件还包括关节锁止件，所述关节锁止件在所述关节处锁定该关节所连接的呈固定角度的下肢构件；至少有一个所述下肢构件设有用于与转运平台相连接的预安装固定结构，至少有一个所述下肢构件设有用于连接所述动力轮的快速拆装组件；

所述下肢组件包括髋部杆件、大腿杆件、连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的电动机械髋关节；或所述下肢组件包括大腿杆件、小腿杆件、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节；或所述下肢组件包括小腿杆件、足部构件、连接所述小腿杆件与所述足部构件的电动机械踝关节；或所述下肢组件包括髋部杆件、大腿杆件、小腿杆件、连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的电动机械髋关节、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节；或所述下肢组件包括大腿杆件、小腿杆件、足部构件、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节、连接所述小腿杆件与所述足部构件的电动机械踝关节；或所述下肢组件包括髋部杆件、大腿杆件、小腿杆件、足部构件、连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的电动机械髋关节、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的电动机械膝关节、连接所述小腿杆件与所述足部构件的电动机械踝关节；

所述足部构件与所述电动机械踝关节通过快速拆装组件相连；所述关节锁止件包括用于将所述小腿杆件相对所述大腿杆件在一定角度锁定的膝关节锁止件，和/或用于将所述髋部杆件相对所述大腿杆件在一定角度锁定的髋关节锁止件；

所述电动机械髋关节包括髋关节驱动电缸、第一铰链、第二铰链和第三铰链，所述髋部杆件的前端与所述大腿杆件的上端通过第一铰链直接相铰接；所述髋关节驱动电缸的缸体通过第二铰链与所述髋部杆件中间偏后的位置相铰接，所述髋关节驱动电缸的电动推杆通过第三铰链与所述大腿杆件的中间偏上位置相铰接；和/或所述电动机械膝关节包括第四铰链、第五铰链、第六铰链和膝关节驱动电缸；所述大腿杆件的下端与所述小腿杆件的上端通过第四铰链直接相铰接；所述膝关节驱动电缸的缸体通过第五铰链与所述大腿杆件中间偏上位置相铰接，所述膝关节驱动电缸的电动推杆通过第六铰链与所述小腿杆件的中间偏上的位置相铰接；和/或所述电动机械踝关节包括第七铰链、第八铰链、第九铰链和踝关节驱动电缸；所述小腿杆件的下端与所述足部构件的外侧的中间位置通过第七铰链直接或间接相铰接；所述踝关节驱动电缸的缸体通过第八铰链与所述小腿杆件中间偏上位置且在所述第六铰链的下方的位置相铰接，所述膝关节驱动电缸的电动推杆通过第九铰链与所述足部构件的外侧的中间靠后位置直接或间接相铰接；

所述预安装固定结构设于所述大腿杆件和/或所述电动机械膝关节；所述下肢组件还包括设于所述髋部杆件用于与穿戴者交互的腰部绑带、和/或设于所述大腿杆件用于与穿戴者交互的大腿绑带、和/或设于所述小腿杆件用于与穿戴者交互的小腿绑带；所述多功能外骨骼机器人竖直站立时，所述髋部杆件垂直于所述大腿杆件向后延伸位置为基本参考位置，所述电动机械髋关节在所述第一铰链处的有效转动角度在-35°到100°之间；以所述大腿杆件、小腿杆件均处于竖直位置为基本参考位置，所述电动机械膝关节(26)在所述第四铰链(261)处的有效转动角度在0°到106°之间。

2.根据权利要求1所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，还包括上部支撑结构，所述上部支撑结构包括设于所述髋部杆件上方的硬质背板，所述硬质背板左右两侧对称设有动力轮快速安装结构。

3.根据权利要求2所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述电动机械髋关节、和/或所述电动机械膝关节、和/或所述电动机械踝关节为三铰链电缸驱动结构；所述三铰链电缸驱动结构包括三个铰链和和驱动电缸，用于连接并驱动所述关节连接的两个下肢构件相对转动。

4.根据权利要求3所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述第一铰链与所述第三铰链的一端与所述快速拆装组件固定连接；和/或所述第七铰链与所述第九铰链的一端与所述快速拆装组件固定连接；和/或所述第七铰链与所述第九铰链的一端与所述快速拆装组件固定连接。

5.根据权利要求4所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述动力轮为可折叠动力轮；在腿式多关节助力模块工作时，所述可折叠动力轮为折叠态；在轮式变形转运模块工作时，所述可折叠动力轮为展开态。

6.根据权利要求5所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述可折叠动力轮包括可折叠的轮子及设于所述可折叠轮子轴心处用于驱动所述可折叠轮子转动的电动机；或者所述可折叠动力轮包括轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的可折叠式轮毂及用于包裹所述可折叠式轮毂的轮圈和/或轮胎；或者所述可折叠动力轮包括可折叠式轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的轮圈和/或轮胎；或者所述可折叠动力轮包括可折叠式轮毂电机和设于所述轮毂电机外围的可折叠式轮圈和/或轮胎；或者所述可折叠动力轮包括轮机一体式可折叠轮毂电机，所述轮机一体式可折叠轮毂电机包括处于中心位置的轮毂电机或可折叠轮毂电机、和/或围绕所述轮毂电机或可折叠轮毂电机设置的可折叠式轮毂、和/或围绕所述轮毂电机或可折叠轮毂电机设置的轮胎或可折叠轮胎。

7.根据权利要求6所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，还包括腿式多关节助力模块，所述腿式多关节助力模块包括设于所述腰部绑带、和/或所述大腿绑带、和/或所述小腿绑带的内部的柔性PCB控制模块，所述柔性PCB控制模块包括肌肉变形检测传感器、位置姿态检测传感器、电缸驱动控制器。

8.根据权利要求7所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述转运平台包括急救担架，所述急救担架两侧的担架杆上设有与所述预安装固定结构相配合的紧固结构。

9.根据权利要求8所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述上部支撑结构还包括背包，所述硬质背板包括腰部背板和位于所述腰部背板上方一定距离处的背包背板；所述背包背板设于所述背包的后侧；所述髋部杆件的后端部通过所述腰部背板相连，所述腰部背板的上部的中间位置通过铰链连接所述背包背板底部的中间位置，所述腰部背板的上部的左右两侧通过弹性支撑元件连接所述背包背板底部的左右两侧。

10.根据权利要求9所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部背板的上部的形状为上凸的等腰钝角三角形，所述等腰钝角三角形的顶角处通过铰链连接所述背包背板底部的中间位置，所述等腰钝角三角形的底角处通过弹性支撑元件连接所述背包背板底部的左右两侧。

11.根据权利要求10所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述轮式变形转运模块还包括自动跟随系统，所述自动跟随系统包括环境信息提取模块、定位模块和输出模块；所述输出模块连接所述电缸驱动控制器驱动电缸进行动力输出。

12.根据权利要求11所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，所述环境信息提取模块包括设于所述腰部绑带或所述背包肩带的RGB-D深度图像摄像机和激光雷达；所述定位模块包括发射特殊调制的不可见光线的定位发射装置和接收特殊调制的不可见光线的定位接收装置。

13.根据权利要求12所述的多功能外骨骼机器人，其特征在于，总控模块还设有康复训练模块，包括智能拐杖和康复软件系统，所述康复软件系统包括康复治疗师辅助模块、用户自主控制模块、自动感应用户身体动作触发模块和云端数据处理模块。