CN109623797B - 一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼，包括一个座椅机构、两个滑块机构和两个腿部机构；两个腿部机构与各自的滑块机构固定连接；两个滑块机构安装于座椅机构上，座椅机构能够相对于滑块机构滑动；腿部机构包括大腿板、腿部驱动机构、小腿传动机构、小腿杆、同步带、棘爪控制器、棘爪轴、小腿胫连接件、脚支架垫片、脚支架连接销轴、脚支架、脚连接件销轴、脚支架轴套和棘爪；腿部驱动机构包括力矩电机、电机台、谐波减速器、带轮轴承端盖、减速器法兰、单向轴承、第一同步带轮和电机轴套；小腿传动机构包括大小腿连接件、第二同步带轮、棘轮和阶梯轴。该外骨骼传动结构简单，易于控制，通配性好，稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及助力机器人领域，具体是一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼。
背景技术
随着科技的进步，外骨骼机器人的作用越来越明显，尤其是在民用医疗和军事领域。其作为一种为人体提供力量的辅助设备，发展前景可观。如在生产车间里的站立作业、弯腰作业，或者使用楼梯进行送货工作方面，通过下肢外骨骼可以达到减轻腿部负担和减少劳累的作用。
现有的外骨骼机器人多采用拟人设计，虽然能满足助力行走的需求，但很难与人体形成良好的耦合，或者穿戴后与人体之间的捆绑会对人体造成二次伤害。同时传动结构复杂，加工制造、装配、控制和维修不便，通配性差。申请号201710346504.2的文献公开了一种适于医疗康复、矫正或训练使用的助力行走机器人，该机器人的下肢结构和传动复杂，控制难度大。申请号201710334755.9的文献公开了一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，该机器人的下肢结构简单但需要与人体进行绑缚，不能与人体形成良好的耦合。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼，其特征在于该外骨骼包括一个座椅机构、两个滑块机构和两个腿部机构；两个腿部机构与各自的滑块机构固定连接；两个滑块机构安装于座椅机构上，座椅机构能够相对于滑块机构滑动；
所述腿部机构包括大腿板、腿部驱动机构、小腿传动机构、小腿杆、同步带、棘爪控制器、棘爪轴、小腿胫连接件、脚支架垫片、脚支架连接销轴、脚支架、脚连接件销轴、脚支架轴套和棘爪；所述腿部驱动机构包括力矩电机、电机台、谐波减速器、带轮轴承端盖、减速器法兰、单向轴承、第一同步带轮和电机轴套；所述小腿传动机构包括大小腿连接件、第二同步带轮、棘轮和阶梯轴；
所述大腿板与滑块机构固定连接；谐波减速器和电机台固定于大腿板的后端外侧，力矩电机与电机台固定连接；电机轴套的内圈固定在力矩电机的输出轴上，电机轴套的外圈固定在谐波减速器的输入端上，谐波减速器的输出端固定连接有减速器法兰；所述减速器法兰的输出轴穿出大腿板，与单向轴承的内圈固定连接，单向轴承的外圈与第一同步带轮固定连接；带轮轴承端盖与第一同步带轮固定连接；大腿板的前端通过滚动轴承安装有阶梯轴；阶梯轴的两端分别固定安装有棘轮和第二同步带轮，棘轮位于大腿板外侧，第二同步带轮位于大腿板内侧；大腿板的前端外侧通过滚动轴承安装有棘爪轴，棘爪轴上固定安装有棘爪，与棘轮配合，通过棘爪控制器实现接触和断开；所述第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接；所述大小腿连接件与第二同步带轮固定连接，大小腿连接件的下端与小腿杆固定连接；小腿杆与小腿胫连接件的上端固定连接；小腿胫连接件的下端与脚支架连接销轴的上端间隙配合连接，两者可相对转动；所述脚支架的上端与脚支架连接销轴的下端间隙配合连接，两者可相对转动。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本外骨骼采用非拟人设计，使用简便，不需要将外骨骼捆绑在人体上，只需使用者的裆部坐于座椅机构上，胯部前后位置分别倚靠在座椅机构上，双脚固定在两个脚支架上即可，能够与人体形成良好的耦合，避免穿戴式外骨骼与人体之间的捆绑对人体造成二次伤害。
(2)电机提供动力，通过带轮和同步带就能为人体提供助力，棘轮和棘爪用于制动，制动后人可以坐在外骨骼上休息。该传动结构简单，易于控制，通配性好，稳定性强。
(3)本外骨骼工作后能有效减轻人体下肢的负重，通过对人体部分体重进行支撑来减少下肢各关节和肌肉的负载，有效减轻和预防下肢关节疾病。
附图说明
图1为本发明一种实施例的整体结构示意图；
图2为本发明一种实施例的腿部机构轴测示意图；
图3为本发明一种实施例的腿部机构内侧示意图；
图4为本发明一种实施例的腿部机构外侧示意图；
图5为本发明一种实施例的大腿驱动原理示意图；
图6为本发明一种实施例的小腿传动原理示意图；
图7为本发明图3的局部放大示意图；
图8为本发明一种实施例的脚支架连接销轴示意图；
图9为本发明一种实施例的脚连接件销轴示意图。
(图中：1、座椅机构；2、滑块机构；3、腿部机构；31、大腿板；32、腿部驱动机构；33、小腿传动机构；34、小腿杆；35、同步带；36、棘爪控制器；37、棘爪轴；38、小腿胫连接件；39、脚支架垫片；310、脚支架连接销轴；311、脚支架；312、脚连接件销轴；313、脚支架轴套；314、顶丝；315、棘爪；321、力矩电机；322、电机台；323、电机支撑柱；324、谐波减速器；325、带轮轴承端盖；326、减速器法兰；327、垫片；328、单向轴承；329、第一同步带轮；3210、电机轴套；331、大小腿连接件；332、第二同步带轮；333、轴承端盖；334、轴套；335、棘轮；336、阶梯轴)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼(简称外骨骼，参见图1-9)，其特征在于该外骨骼包括一个座椅机构1、两个滑块机构2和两个腿部机构3；两个腿部机构3与各自的滑块机构2固定连接；两个滑块机构2安装于座椅机构1底部上，座椅机构能够相对于滑块机构2滑动；
所述腿部机构3包括大腿板31、腿部驱动机构32、小腿传动机构33、小腿杆34、同步带35、棘爪控制器36、棘爪轴37、小腿胫连接件38、脚支架垫片39、脚支架连接销轴310、脚支架311、脚连接件销轴312、脚支架轴套313和棘爪315；所述腿部驱动机构32包括力矩电机321、电机台322、电机支撑柱323、谐波减速器324、带轮轴承端盖325、减速器法兰326、垫片327、单向轴承328、第一同步带轮329和电机轴套3210；所述小腿传动机构33包括大小腿连接件331、第二同步带轮332、轴承端盖333、轴套334、棘轮335和阶梯轴336；
所述大腿板31通过螺栓与滑块机构2固定连接；谐波减速器324和电机台322通过螺钉固定于大腿板31的后端外侧，谐波减速器324通过电机支撑柱323与电机台322进行轴向定位，力矩电机321通过螺钉与电机台322固定连接；电机轴套3210的内圈通过键固定在力矩电机321的输出轴上，电机轴套3210的外圈通过键固定在谐波减速器324的输入端上，谐波减速器324的柔轮输出端固定连接有减速器法兰326，力矩电机321、电机台322、电机轴套3210、谐波减速器324和减速器法兰326均同轴；所述减速器法兰326的输出轴穿出大腿板31，通过键与单向轴承328的内圈固定连接，单向轴承328的外圈通过键与第一同步带轮329固定连接；垫片327和螺母对单向轴承328轴向定位；带轮轴承端盖325通过螺钉与第一同步带轮329固定连接，将单向轴承328固定在第一同步带轮329中；大腿板31的前端通过滚动轴承安装有阶梯轴336，轴承端盖333固定滚动轴承的外圈，轴套334固定滚动轴承的内圈；阶梯轴336的两端通过键分别固定安装有棘轮335和第二同步带轮332，棘轮335位于大腿板31外侧，第二同步带轮332位于大腿板31内侧，通过键实现棘轮335和第二同步带轮332的周向定位，通过螺母实现棘轮335和第二同步带轮332的轴向定位；大腿板31的前端外侧通过滚动轴承安装有棘爪轴37，棘爪轴37上通过顶丝314固定安装有棘爪315，棘爪315位于棘轮335的后方，与棘轮335配合，通过棘爪控制器36实现接触和断开；所述第一同步带轮329与第二同步带轮332通过同步带35连接；所述大小腿连接件331通过螺钉与第二同步带轮332固定连接，大小腿连接件331的下端与小腿杆34通过螺钉固定连接；小腿杆34与小腿胫连接件38的上端固定连接(本实施例为用胶粘接)；小腿胫连接件38的下端与脚支架连接销轴310的上端间隙配合连接，两者可相对转动，具体是脚支架连接销轴310的上端方形轴穿过小腿胫连接件38下端的通孔伸入小腿胫连接件38内部，脚支架连接销轴310的上端方形轴顶部有螺纹孔，脚支架连接销轴310的中间圆柱轴与小腿胫连接件38的通孔间隙配合，脚支架连接销轴310的下方圆盘顶住小腿胫连接件38下表面，脚支架垫片39套在脚支架连接销轴310的上端方形轴上，通过手拧螺栓拧入脚支架连接销轴310的上端方形轴顶部的螺纹孔中，实现小腿胫连接件38与脚支架连接销轴310的连接；所述脚支架311的上端与脚支架连接销轴310的下端间隙配合连接，两者可相对转动，具体是脚支架311的上端通孔与脚支架轴套313间隙配合，脚连接件销轴312中间圆柱轴与脚支架轴套313过盈配合，脚连接件销轴312上端方形轴顶部具有螺纹孔，脚连接件销轴312上端方形轴伸入到脚支架连接销轴310下端的方孔中，脚连接件销轴312中间圆柱轴顶住脚支架连接销轴310并通过手拧螺栓拧入脚连接件销轴312上端方形轴顶部的螺纹孔中，实现脚支架311与脚支架连接销轴310的连接。
本发明的工作原理和工作流程是：
使用时，使用者的裆部坐于座椅机构1的座椅板上，胯部前后位置分别倚靠在座椅机构1的前后靠上(图1中是后靠比前靠长)，双脚固定在两个脚支架311上。
当使用者处于双腿站立状态时，两个腿部机构3的动力传递相同。力矩电机321通过谐波减速器324降速增扭输出力矩，通过减速器法兰326输出力矩带动大腿板31后端的第一同步带轮329转动，单向轴承328的内外圈不发生相对转动，为第一同步带轮329提供力矩。第一同步带轮329通过同步带35带动大腿板31前端的第二同步带轮332转动，但是由于使用者处于直立状态，脚支架311和地面接触，小腿杆34与大腿板31不发生相对转动，所以第二同步带轮332不会带动小腿杆34转动，而是在力的相互作用下大腿板31会相对于小腿杆34以阶梯轴336为轴向上转动。由于大腿板31和滑块机构2是固定连接，扭矩经滑块机构2传递给座椅机构1转化为支撑力，支撑人体部分体重，实现通过减轻人体体重对下肢的作用力来达到辅助行走的目的。
在行走过程中，使用者向前迈出一条腿(摆动腿)，力矩电机321转动，经过谐波减速器324减速后，通过减速器法兰326输出力矩，带动大腿板31后端的第一同步带轮329转动，此时单向轴承328的内外圈不发生相对转动，为第一同步带轮329提供力矩。第一同步带轮329通过同步带35带动大腿板31前端的第二同步带轮332转动，第二同步带轮332带动大小腿连接件331转动，进而带动小腿杆34转动，通过脚支架311为使用者向前的摆动腿提供辅助力。继续运动，此摆动腿转换为支撑腿，力矩电机321通过谐波减速器324降速增扭输出力矩，通过减速器法兰326输出力矩带动大腿板31后端的第一同步带轮329转动，单向轴承328的内外圈不发生相对转动，为第一同步带轮329提供力矩。第一同步带轮329通过同步带35带动大腿板31前端的第二同步带轮332转动，但是由于使用者处于直立状态，脚支架311和地面接触，小腿杆34与大腿板31不发生相对转动，所以第二同步带轮332不会带动小腿杆34转动，而是在力的相互作用下大腿板31会相对于小腿杆34以阶梯轴336为轴向上转动。由于大腿板31和滑块机构2是固定连接，扭矩经滑块机构2传递给座椅机构1转化为支撑力，支撑人体部分体重，实现通过减轻人体体重对下肢的作用力来达到辅助行走的目的。
当使用者需要休息的时候，使用者以下蹲姿势下蹲，此时单向轴承328的内外圈发生相对转动。当下蹲到满意的位姿后，通过棘爪控制器36控制棘爪315向下拨动，棘轮335和棘爪315锁死，大腿板31和小腿杆34不能相对转动，使用者通过下蹲实现休息。休息结束，通过棘爪控制器36控制棘爪315抬起，棘爪315和棘轮335处于分离状态，使用者从坐姿站起过程中，力矩电机321工作，带动大腿板31以阶梯轴336为中心向上转动，通过座椅机构1支撑人体站立。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (1)
1.一种非拟人的体重支撑型下肢助力外骨骼，其特征在于该外骨骼包括一个座椅机构、两个滑块机构和两个腿部机构；两个腿部机构与各自的滑块机构固定连接；两个滑块机构安装于座椅机构上，座椅机构能够相对于滑块机构滑动；
所述腿部机构包括大腿板、腿部驱动机构、小腿传动机构、小腿杆、同步带、棘爪控制器、棘爪轴、小腿胫连接件、脚支架垫片、脚支架连接销轴、脚支架、脚连接件销轴、脚支架轴套和棘爪；所述腿部驱动机构包括力矩电机、电机台、谐波减速器、带轮轴承端盖、减速器法兰、单向轴承、第一同步带轮和电机轴套；所述小腿传动机构包括大小腿连接件、第二同步带轮、棘轮和阶梯轴；
所述大腿板与滑块机构固定连接；谐波减速器和电机台固定于大腿板的后端外侧，力矩电机与电机台固定连接；电机轴套的内圈固定在力矩电机的输出轴上，电机轴套的外圈固定在谐波减速器的输入端上，谐波减速器的输出端固定连接有减速器法兰；所述减速器法兰的输出轴穿出大腿板，与单向轴承的内圈固定连接，单向轴承的外圈与第一同步带轮固定连接；带轮轴承端盖与第一同步带轮固定连接；大腿板的前端通过滚动轴承安装有阶梯轴；阶梯轴的两端分别固定安装有棘轮和第二同步带轮，棘轮位于大腿板外侧，第二同步带轮位于大腿板内侧；大腿板的前端外侧通过滚动轴承安装有棘爪轴，棘爪轴上固定安装有棘爪，与棘轮配合，通过棘爪控制器实现接触和断开；所述第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接；所述大小腿连接件与第二同步带轮固定连接，大小腿连接件的下端与小腿杆固定连接；小腿杆与小腿胫连接件的上端固定连接；小腿胫连接件的下端与脚支架连接销轴的上端间隙配合连接，两者可相对转动；所述脚支架的上端与脚支架连接销轴的下端间隙配合连接，两者可相对转动；
小腿胫连接件的下端与脚支架连接销轴的上端的连接方式是脚支架连接销轴的上端方形轴穿过小腿胫连接件下端的通孔伸入小腿胫连接件内部，脚支架连接销轴的上端方形轴顶部有螺纹孔，脚支架连接销轴的中间圆柱轴与小腿胫连接件的通孔间隙配合，脚支架连接销轴的下方圆盘顶住小腿胫连接件下表面，脚支架垫片套在脚支架连接销轴的上端方形轴上，通过手拧螺栓拧入脚支架连接销轴的上端方形轴顶部的螺纹孔中，实现小腿胫连接件与脚支架连接销轴的连接；
脚支架的上端与脚支架连接销轴的下端的连接方式是脚支架的上端通孔与脚支架轴套间隙配合，脚连接件销轴的中间圆柱轴与脚支架轴套过盈配合，脚连接件销轴的上端方形轴顶部具有螺纹孔，脚连接件销轴的上端方形轴伸入到脚支架连接销轴下端的方孔中，脚连接件销轴的中间圆柱轴顶住脚支架连接销轴并通过手拧螺栓拧入脚连接件销轴的上端方形轴顶部的螺纹孔中，实现脚支架与脚支架连接销轴的连接。
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| Title |
|---|
| 下肢外骨骼助力装置;王诺彬;李晓丹;李佳希;李正帅;陈泽勇;;装备制造技术(08);全文 * |
| 适应个体差异的下肢康复机器人步态规划;陈贵亮;周晓晨;刘更谦;;机械设计与制造(12);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109623797A (zh) | 2019-04-16 |
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Legal Events
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