CN109938970B - 可穿戴式下肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

Abstract

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，包括腰部‑髋关节装置、大小腿连续调节装置、踝关节‑足部装置，腰部‑髋关节装置中包含前后屈伸、内外收展、内外旋转三个自由度，可以提高运动的灵活性和穿戴的舒适性，增加运动步态的多样性和提升康复训练策略的全面性；在大小腿连续调节装置中，采用正反旋丝杆连续调节方式，提高了人体和外骨骼机器人之间的匹配精确度和电机的使用效率，减少外骨骼机器人自身零部件的磨损，提高外骨骼机器人的使用寿命；在踝关节‑足部装置中，减轻外力对踝关节造成的冲击，起到省力和自动复位的功能，足部结构的缓冲结构，可以减缓因地面反射形成的刚性冲击力，同时保护外骨骼机器人本体和提高穿戴者的舒适性。

Description

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种可穿戴式下肢外骨骼康复机器人。

背景技术

现有的下肢外骨骼康复机器人髋关节结构只包括一个前后屈伸自由度，没有满足实现人体髋关节前后屈伸、内外收展、内外旋转三个自由度的设计要求，自由度单一则不能提高运动的灵活性和穿戴的舒适性，更无法实现人体运动步态的多样性和康复训练策略的全面性，外骨骼康复机器人的适用程度将会进一步降低。

现有的外骨骼机器人腿部调节伸缩机构采用手动间隔调节的方式，导致人体和外骨骼机器人之间的匹配度较差，降低人体穿戴的舒适性和运动的灵活性，而且在一定程度上还损失了电机的使用效率、减少外骨骼机器人的使用寿命。

现有的外骨骼康复机器人踝关节-足部结构多采用一体化钢板刚性结构，缺少对踝关节旋转结构和足部缓冲原理的仿生设计，极大地降低了运动的灵活性和穿戴的舒适性，而且无法适应其他未知的非结构化环境地面，一体化钢板结构设计降低传感器的集成程度，减少人机耦合的可能性，并且减少了接触面积和接触程度，降低运动过程中的稳定性和可靠性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，能够提高运动的灵活性、稳定性和穿戴的舒适性，具有穿戴舒适、灵活性高、可靠性高、适应能力强、寿命长、成本低的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，包括腰部-髋关节装置1、大小腿连续调节装置2及踝关节-足部装置3，所述腰部-髋关节装置1与大小腿连续调节装置2相连，大小腿连续调节装置2与踝关节-足部装置3相连；

所述腰部-髋关节装置1包括腰部结构和髋关节结构，腰部结构包括腰连接件4，腰连接件4的两端分别与两个呈L型的腰弯板件5固定连接；

所述髋关节结构下端包括髋关节电机连接板14，髋关节电机连接板14顶端圆弧状左右内侧分别设有用于安装髋关节下端轴承12的轴承孔，髋关节旋转连接件10左右两侧内部设有用于安装髋关节下端轴承12的轴承孔，二者的轴承孔和髋关节下端轴承12过盈连接，且二者的轴承孔置于同一中心线上，髋关节旋转轴13沿其中心线安装，髋关节旋转轴13两端分别与髋关节旋转连接件10和髋关节电机连接板14左右两侧内部的髋关节下端轴承12过盈连接，髋关节旋转轴13的一端绘制沟槽用于安装卡簧来固定位于髋关节电机连接板14左右两侧内部的髋关节下端轴承12，位于髋关节下端轴承12外侧的髋关节侧面轴承端盖11与髋关节旋转连接件10固结；

所述髋关节结构上端包括髋关节固定件6，髋关节固定件6底部设有与髋关节上端轴承9过盈连接的轴承孔，髋关节固定件6上端内部分别设有不同直径的梯形孔，梯形孔自下向上分别安装髋关节上端轴承9、微型平面推力球轴承8、髋关节轴承端盖7，髋关节旋转连接件10顶部的旋转轴穿过髋关节固定件6内部的安装孔后与髋关节轴承端盖7固结；

所述大小腿连续调节装置2包括大腿自动连续调节结构和小腿连续调节结构，大腿自动连续调节结构包括整体支撑结构、导轨滑块结构、电机调节结构、丝杆自动传动结构，导轨滑块结构、电机调节结构、丝杆自动传动结构均与整体支撑结构相连；小腿连续调节结构包括小腿导轨结构和小腿丝杆结构；

所述整体支撑结构包括髋关节电机连接板14，髋关节电机连接板14圆弧端的左侧依次设有关节支撑板18、谐波减速机17、无刷电机16，关节支撑板18与谐波减速机17的外圈固结，谐波减速机17与无刷电机16固结，髋关节电机连接板14圆弧端的右侧与髋关节电机连接法兰15外圈固结，髋关节电机连接法兰15的内圈与谐波减速机17的内圈连接；

所述导轨滑块结构包括导轨固定板20，导轨固定板20一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板18上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，导轨固定板20上固定安装有导轨19，导轨19的一端与关节支撑板18相接触，导轨19的另一端固定连接导轨固定端21，导轨固定端21与滑块固定端24固定连接，滑块22通过其内部的凹槽轨道与导轨19滑动相连，滑块22分别与滑块固定板23、滑块固定端24固结，滑块固定板23为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板18上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接；

所述电机调节结构包括小型同步带轮25，小型同步带轮25通过顶丝连接到有刷电机26的电机输出轴上，有刷电机26的一端自带有与螺栓连接的螺纹孔，电机固定座27和调节滑块固定座28均通过其上的螺纹孔与有刷电机26固定连接，电机调节滑块29通过其上的螺纹孔与调节滑块固定座28固定连接，电机调节滑块29通过其内部设置的凹槽轨道与电机调节导轨30滑动连接，电机调节导轨30与圆端固定板31固定连接，圆端固定板31与L型连接板32横向方向的螺纹孔通过螺栓固定连接，L型连接板32竖直方向的螺纹孔与基座33固定连接，基座33与关节支撑板18固定连接；

所述丝杆自动传动结构包括一端均为圆弧形状的正旋丝杆螺母基座34和反旋丝杆螺母基座41，正旋丝杆螺母基座34和反旋丝杆螺母基座41的圆弧形状与关节支撑板18上圆弧形状的凹槽匹配固定连接，正旋丝杆螺母基座34和反旋丝杆螺母基座41分别与正旋丝杆螺母35、反旋丝杆螺母40固定连接，正旋丝杆螺母35和反旋丝杆螺母40分别通过其内部的梯形螺纹与正旋丝杆36、反旋丝杆39连接，正旋丝杆36和反旋丝杆39相对的一端均与平键37相配合，正旋丝杆36扁平端、反旋丝杆39扁平端、平键37三者相接触并一起和大型同步带轮38内部过盈连接，大型同步带轮38上套有同步带42；

所述小腿导轨结构包括膝关节电机连接法兰43，膝关节电机连接法兰43通过其最外层圆周阵列的螺纹孔与小腿电机固定件44圆端内部圆周阵列的螺纹孔固结，膝关节电机连接法兰43内层圆周阵列的螺纹孔与大腿自动连续调节结构下端的谐波减速机17中心圆周阵列的螺纹孔配合连接，小腿导轨固定板50一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与小腿电机固定件44上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，小腿导轨固定板50上固定安装有小腿导轨49，小腿导轨49的一端与小腿电机固定件44下端相接触，小腿导轨49的另一端固定连接小腿导轨固定端51，小腿滑块固定板53一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与踝关节连接件55上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，小腿滑块52分别与小腿滑块固定板53、小腿滑块固定端54固结，小腿滑块52通过其内部设置的凹槽轨道与小腿导轨49滑动相连；

所述小腿丝杆结构包括膝关节电机连接法兰43，膝关节电机连接法兰43最外层圆周阵列的螺纹孔与小腿电机固定件44圆端内部圆周阵列的螺纹孔配合连接，膝关节电机连接法兰43内层圆周阵列的螺纹孔与大腿自动连续调节结构下端的谐波减速机17中心圆周阵列的螺纹孔配合连接，两个小腿丝杆螺母固定块45一端为开有螺纹孔的圆弧形状，分别与小腿电机固定件44及踝关节连接件55上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，小腿正旋丝杆螺母46和小腿反旋丝杆螺母47的一端均为扁平形状并分别与两个小腿丝杆螺母固定块45的方形端匹配连接，小腿正旋丝杆螺母46和小腿反旋丝杆螺母47分别通过其内部的梯形螺纹与小腿正反旋丝杆48的两端的反旋丝杆连接；

所述踝关节-足部装置3包括踝关节结构和足部结构，所述踝关节结构包括踝关节支撑件56，踝关节支撑件56通过其圆端部分中心的通孔与踝关节旋转轴59间隙连接，踝关节支撑件56通过其通孔两侧的圆形凹槽与踝关节轴承60过盈连接，圆形凹槽的外围的圆弧型通孔内安装有复位弹簧57和滑动块61，复位弹簧57有两个，分别位于滑动块61的左右两侧，踝关节连接件55中心开有通孔，并与踝关节支撑件56的中心置于同一条中心线上，通过踝关节旋转轴59将两者连接，踝关节连接件55左右两侧的圆柱状凹槽内固定安装有轴端盖58，踝关节支撑件56的方形端上固定有陀螺仪外框68，陀螺仪外框68上部固定连接有陀螺仪端盖67；

所述足部结构包括用于连接人体足部绑带的脚底板62，脚底板62通过其左侧凸出部分与脚底固定块63、踝关节支撑件56固结，踝关节支撑件56垂直于脚底板62设置。

所述腰连接件4和腰弯板件5上面均设有按照线性阵列方式布置的安装孔，二者通过安装孔配合连接，能够通过调节不同安装孔的位置来调节二者的间距，以满足不同穿戴者的腰围尺寸的需求。

所述髋关节侧面轴承端盖11上面设有沿圆周均布的四个螺纹孔，髋关节旋转连接件10左右两侧内部也设有沿圆周均布的四个螺纹孔，二者通过螺栓固定连接。

所述髋关节电机连接板14圆弧端设有沿圆周均布的内螺纹孔，髋关节电机连接法兰15的外圈设有沿圆周均布的螺纹孔，二者通过螺栓固定连接；所述关节支撑板18和谐波减速机17的外圈均设有沿圆周均布的内螺纹孔，二者通过螺栓固定连接；所述谐波减速机17的内圈和髋关节电机连接法兰15的内圈均设有沿圆周均布的内螺纹孔，二者通过螺栓固定连接。

所述电机调节导轨30与圆端固定板31上面均设有相同的等间距的螺纹孔，通过螺栓按照等间距的螺纹孔将电机调节导轨30与圆端固定板31固定连接。

所述小腿正反旋丝杆48两端的梯形螺纹旋向相反，分别与不同旋向的丝杆螺母连接，以达到同时调节高度的目的。

所述脚底板62横向方向两侧分别设有连接人体足部绑带的竖起结构，脚底板62的上下分别固定有上部橡胶垫69和底部橡胶垫64，所述底部橡胶垫64上表面和上部橡胶垫69的下表面均设有切割凹槽和通孔，切割凹槽与脚底板62的形状相匹配，通过橡胶垫螺栓65、橡胶垫螺母66将脚底板62、上部橡胶垫69、底部橡胶垫64固定连接。

本发明的有益效果是：

该发明具有依次连接的腰部-髋关节装置、大小腿连续调节装置、踝关节-足部装置三个部分。在现有的腰部-髋关节装置中，大多数髋关节只包括一个前后屈伸的自由度，本发明包含前后屈伸、内外收展、内外旋转三个自由度，不仅可以提高运动的灵活性和穿戴的舒适性，而且还可以增加运动步态的多样性和提升康复训练策略的全面性。

在现有的大小腿连续调节装置中，采用螺栓间隔固定调节的方式，本发明采用正反旋丝杆连续调节方式，可以实现人体和外骨骼机器人之间的匹配精确度，提高人体穿戴的舒适性和运动的灵活性。由于人体和外骨骼机器人之间匹配精确度高，电机产生的能量可以很大程度上用于驱动人体的运动，提高了电机的使用效率。而且较高的匹配精确度可以提高人机之间的耦合性，减少外骨骼机器人自身零部件的磨损，降低开发成本、提高外骨骼机器人的使用寿命。而且有刷电机通过同步带传送实现自动调节，在一定程度上提高了外骨骼机器人腿部调节的自动化程度，降低了手动调节的工作量，更能体现出外骨骼机器人技术的水平。

在踝关节-足部装置中，踝关节结构方面是将现有的采用销轴连接的踝关节结构改进为采用圆周阵列弯曲弹簧构成的缓冲结构，不仅可以减轻外力对踝关节造成的冲击，而且弹簧本身具有储能的效果，还可以起到省力和自动复位的功能；足部结构方面是将现有的采用一体化钢板刚性结构改进为三段分布布置结合柔性橡胶垫形成的缓冲结构。不仅可以减缓因地面反射形成的刚性冲击力，而且还能同时保护外骨骼机器人本体和提高穿戴者的舒适性。高度仿生化的足部结构设计，将很大程度上提高外骨骼机器人适应非结构化地面的能力。由于采用柔性橡胶垫作为与地面和人体脚底接触的介质，增加了接触面积和接触程度，提高了运动过程中的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人结构示意图。

图2(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人腰部结构分解示意图及其整体结构示意图。

图3(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节结构下端分解示意图及其整体结构示意图。

图4(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节结构上端分解示意图及其整体结构示意图。

图5(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿整体支撑结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图6(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿导轨滑块结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图7(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿电机调节结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图8(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿丝杆自动传动结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图9(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人小腿导轨结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图10(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人小腿丝杆结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图11(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人踝关节结构的分解示意图及其整体结构示意图。

图12(1)、(2)分别是可穿戴式下肢外骨骼康复机器人足部结构的分解示意图及其整体结构示意图。

附图标记如下：

1腰部-髋关节装置、2大小腿连续调节装置、3踝关节-足部装置、4腰连接件、5腰弯板件、6髋关节固定件、7髋关节轴承端盖、8微型平面推力球轴承、9髋关节上端轴承、10髋关节旋转连接件、11髋关节侧面轴承端盖、12髋关节下端轴承、13髋关节旋转轴、14髋关节电机连接板、15髋关节电机连接法兰、16无刷电机、17谐波减速机、18关节支撑板、19导轨、20导轨固定板、21导轨固定端、22滑块、23滑块固定板、24滑块固定端、25小型同步带轮、26有刷电机、27电机固定座、28调节滑块固定座、29电机调节滑块、30电机调节导轨、31圆端固定板、32L型连接板、33基座、34正旋丝杆螺母基座、35正旋丝杆螺母、36正旋丝杆、37平键、38大型同步带轮、39反旋丝杆、40反旋丝杆螺母、41反旋丝杆螺母基座、42同步带、43膝关节电机连接法兰、44小腿电机固定件、45小腿丝杆螺母固定块、46小腿正旋丝杆螺母、47小腿反旋丝杆螺母、48小腿正反旋丝杆、49小腿导轨、50小腿导轨固定板、51小腿导轨固定端、52小腿滑块、53小腿滑块固定板、54小腿滑块固定端、55踝关节连接件、56踝关节支撑件、57复位弹簧、58轴端盖、59踝关节旋转轴、60踝关节轴承、61滑动块、62脚底板、63脚底固定块、64底部橡胶垫、65橡胶垫螺栓、66橡胶垫螺母、67陀螺仪端盖、68陀螺仪外框、69上部橡胶垫。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人如图1所示，包括腰部-髋关节装置1、大小腿连续调节装置2、踝关节-足部装置3。其中，腰部-髋关节装置1与大小腿连续调节装置2相连，大小腿连续调节装置2与踝关节-足部装置3相连。

腰部-髋关节装置1分为腰部结构和髋关节结构两个部分，可穿戴式下肢外骨骼康复机器人腰部结构如图2所示，腰部结构包括腰连接件4和两个呈L型的腰弯板件5，腰连接件4的两端分别与腰弯板件5固定连接。腰连接件4和腰弯板件5上面有按照线性阵列方式设置的安装孔。一方面用于两者之间的固定连接，另一方面主要是用来调节间距，以满足不同穿戴者的腰围尺寸。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节结构下端如图3所示，髋关节结构下端包括髋关节侧面轴承端盖11、髋关节下端轴承12、髋关节旋转轴13、髋关节电机连接板14。其中，髋关节电机连接板14顶端圆弧状左右内侧分别有用于安装髋关节下端轴承12的轴承孔，髋关节下端轴承12和轴承孔过盈连接，与此同时髋关节旋转连接件10左右两侧内部也有用于安装髋关节下端轴承12的轴承孔，髋关节下端轴承12和轴承孔过盈连接，当髋关节旋转连接件10和髋关节电机连接板14左右两侧分别安装髋关节下端轴承12之后，将髋关节旋转连接件10和髋关节电机连接板14的轴承孔置于同一中心线上，然后将髋关节旋转轴13沿着中心线进行安装，髋关节旋转轴13两端分别与髋关节旋转连接件10和髋关节电机连接板14左右两侧内部的髋关节下端轴承12过盈连接，髋关节旋转轴13的一端绘制沟槽用于安装卡簧来固定位于髋关节电机连接板14左右两侧内部的髋关节下端轴承12，然后位于髋关节下端轴承12外侧的髋关节侧面轴承端盖11上面设计有圆周阵列的四个螺纹孔，同时髋关节旋转连接件10左右两侧内部也设计有圆周阵列的四个螺纹孔，通过螺栓可以将两者固定连接。将零件全部安装完成之后，转动髋关节旋转连接件10，可以实现髋关节旋转连接件10绕髋关节电机连接板14转动，这可以实现人腿的内收—外展功能，整体结构示意图如图3右部分所示。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节结构上端如图4所示，髋关节结构上端包括髋关节固定件6、髋关节轴承端盖7、微型平面推力球轴承8、髋关节上端轴承9、髋关节旋转连接件10。其中，如图中方向位置所示，髋关节固定件6底部设计有与髋关节上端轴承9过盈连接的轴承孔，髋关节固定件6上端内部分别设计有不同直径的梯形孔，这些梯形孔自下向上分别安装髋关节上端轴承9(过盈连接)、微型平面推力球轴承8(间隙连接)、髋关节轴承端盖7，当把髋关节轴承端盖7、微型平面推力球轴承8、髋关节上端轴承9三者按照位置关系安装在髋关节固定件6内部之后，将髋关节旋转连接件10顶部的旋转轴穿过髋关节固定件6内部的安装孔，然后采用螺栓从髋关节轴承端盖7处开始与髋关节旋转连接件10顶部旋转轴的内部螺纹孔连接起来，这样就可以将髋关节固定件6、髋关节旋转连接件10连接起来，实现髋关节旋转连接件10绕着髋关节固定件6旋转，实现髋关节的多自由度，髋关节固定件6与腰弯板件5通过螺栓固定连接，整体结构示意图如图4右部分所示。。

大小腿连续调节装置2分为大腿自动连续调节结构和小腿连续调节结构两个部分，大腿自动连续调节结构又分为整体支撑结构、导轨滑块结构、电机调节结构、丝杆自动传动结构4部分，导轨滑块结构与整体支撑结构相连，电机调节结构与整体支撑结构相连，丝杆自动传动结构与整体支撑结构相连，用于实现腿部自动连续调节且穿戴舒适、运动灵活、人机耦合，下面将依次进行说明。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿整体支撑结构如图5所示，包括髋关节电机连接板14、髋关节电机连接法兰15、无刷电机16、谐波减速机17、关节支撑板18。其中，髋关节电机连接板14圆弧端有圆周阵列分布的内螺纹孔，这些螺纹孔用来与髋关节电机连接法兰15外层圆周阵列的螺纹孔相配合，然后通过螺栓将两者固定连接，无刷电机16与谐波减速机17外围圆周阵列的螺纹孔通过螺栓固定连接(一般购买电机商家的产品时，商家会把无刷电机16和谐波减速机17集成一体化设计，我们直接可以拿来使用)、谐波减速机17外围圆周阵列的螺纹孔与关节支撑板18圆端阵列的螺纹孔通过螺纹固定连接，谐波减速机17中心部分还有圆周阵列的螺纹孔，这些螺纹孔与髋关节电机连接法兰15中心部分的圆周阵列的螺纹孔相配合，然后通过螺栓就可以将髋关节电机连接板14、髋关节电机连接法兰15、无刷电机16、谐波减速机17、关节支撑板18连接成一个整体，整体结构示意图如图5右部分所示。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿导轨滑块结构如图6所示，包括导轨19、导轨固定板20、导轨固定端21、滑块22、滑块固定板23、滑块固定端24。所述导轨固定板20的一端设计成圆弧形状，在圆弧形状上面设有螺纹孔，关节支撑板18设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将导轨固定板20的圆弧形状和关节支撑板18的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，导轨固定板20上安装有导轨19，两者通过等间隔的螺纹孔固定连接，导轨19的一端与关节支撑板18相接触，导轨固定端21上面设置有螺纹孔，导轨19的另一端通过螺纹固定连接导轨固定端21，滑块固定板23的一端设计成圆弧形状，在圆弧形状上面设有螺纹孔，关节支撑板18设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将滑块固定板23的圆弧形状和关节支撑板18的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，滑块22上面设置有4个螺纹孔，这4个螺纹孔分别与滑块固定板23上面的两个螺纹孔和滑块固定端24上面的两个螺纹孔对齐通过螺栓固定连接，这样的话就将滑块22、滑块固定板23、滑块固定端24连接为一个整体，滑块22内部设置有凹槽轨道，凹槽轨道与导轨19滑动相连，整体结构示意图如图6右部分所示。

滑块22、滑块固定板23、滑块固定端24连接为一个整体可以沿着导轨19做直线往复运动，以便于达到连续调节腿部长度的目的。滑块固定端24一边设计有螺纹孔与导轨固定端21一边设计的螺纹孔相配合通过螺栓固定连接，以保持当前调节的高度。针对不同的身高人群可以选择适当的导轨19长度。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿电机调节结构如图7所示，包括小型同步带轮25、有刷电机26、电机固定座27、调节滑块固定座28、电机调节滑块29、电机调节导轨30、圆端固定板31、L型连接板32、基座33。其中，小型同步带轮25通过顶丝连接到有刷电机26的电机输出轴上面，电机输出轴转动将带动小型同步带轮25一起转动，有刷电机26的一端自带有与螺栓连接的螺纹孔，电机固定座27上面设计有螺纹孔，调节滑块固定座28底端也设计有螺纹孔，这样就可以通过螺栓将有刷电机26、电机固定座27、调节滑块固定座28连接为一个整体，调节滑块固定座28侧面设计有两个螺纹孔，电机调节滑块29上面自带有两个螺纹孔，通过螺栓将调节滑块固定座28和电机调节滑块29固定连接，电机调节滑块29内部设计有凹槽轨道，凹槽轨道与电机调节导轨30滑动连接，电机调节导轨30与圆端固定板31上面都设计有相同的等间距的螺纹孔，通过螺栓按照等间距的螺纹孔将电机调节导轨30与圆端固定板31固定连接，圆端固定板31与L型连接板32横向方向的螺纹孔通过螺栓固定连接、L型连接板32竖直方向的螺纹孔与基座33通过螺栓固定连接、关节支撑板18上面专门设计有用于连接基座33的螺纹孔，通过螺栓将基座33与关节支撑板18固定连接，整体结构示意图如图7下部分所示。

通过电机调节滑块29与电机调节导轨30的直线往复运动带动电机的上下高度调节。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人大腿丝杆自动传动结构如图8所示，包括正旋丝杆螺母基座34、正旋丝杆螺母35、正旋丝杆36、平键37、大型同步带轮38、反旋丝杆39、反旋丝杆螺母40、反旋丝杆螺母基座41、同步带42。其中，首先在关节支撑板18的一端专门设计有两个圆弧形状的凹槽，这两个圆弧形状的凹槽与正旋丝杆螺母基座34的圆弧形状端相对应，通过螺栓可以将正旋丝杆螺母基座34固定在关节支撑板18上面、正旋丝杆螺母35的一端设计成扁平形状可以与正旋丝杆螺母基座34的方形端相匹配，通过螺栓将两者进行连接、正旋丝杆螺母35内部设计有梯形螺纹，刚好与正旋丝杆36通过梯形螺纹连接，正旋丝杆36的一端设计成扁平形状为了与平键37相配合，相同的反旋丝杆39的一端也被设计成扁平形状为了与平键37相配合，正旋丝杆36扁平端、反旋丝杆39扁平端、平键37三者相接触并一起和大型同步带轮38内部过盈连接，当同步带42带动大型同步带轮38转动的同时，也会同时带动正旋丝杆36、反旋丝杆39、平键37一起转动，反旋丝杆螺母35内部设计有梯形螺纹，刚好与反旋丝杆39通过梯形螺纹连接，反旋丝杆螺母40扁平端和反旋丝杆螺母基座41的形状和安装连接方式与正旋丝杆相同，整体结构示意图如图8下部分所示。

有刷电机26转动带动小型同步带轮25，小型同步带轮25通过同步带42带动大型同步带轮38，大型同步带轮38同时带动正旋丝杆36、反旋丝杆39并通过与正旋丝杆螺母35、反旋丝杆螺母40的配合，以及导轨滑块结构的联动实现自动连续调节的目的。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人小腿导轨结构如图9所示，所述小腿连续调节结构包括小腿导轨结构和小腿丝杆结构。所述小腿导轨结构包括膝关节电机连接法兰43、小腿电机固定件44、小腿导轨49、小腿导轨固定板50、小腿导轨固定端51、小腿滑块52、小腿滑块固定板53、小腿滑块固定端54、踝关节连接件55。其中，膝关节电机连接法兰43最外层圆周阵列的螺纹孔与小腿电机固定件44圆端内部圆周阵列的螺纹孔相配合然后通过螺栓将其连接在一起、与此同时膝关节电机连接法兰43内层圆周阵列的螺纹孔与大腿自动连续调节结构下端的谐波减速机17中心圆周阵列的螺纹孔相配合，然后通过螺栓就能将大腿自动连续调节结构部分和小腿连续调节结构部分连接起来。小腿导轨固定板50的一端设计成圆弧形状，在圆弧形状上面设有螺纹孔，小腿电机固定件44下端设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将小腿导轨固定板50的圆弧形状和小腿电机固定件44的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，小腿导轨固定板50上安装有小腿导轨49，两者通过等间隔的螺纹孔固定连接，小腿导轨49的一端与小腿电机固定件44下端相接触，起到限位的作用，小腿导轨固定端51上面设置有螺纹孔，小腿导轨49的另一端通过螺栓固定连接小腿导轨固定端51，小腿滑块固定板53的一端设计成圆弧形状，在圆弧形状上面设有螺纹孔，踝关节连接件55的一端设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将小腿滑块固定板53的圆弧形状和踝关节连接件55的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，小腿滑块52上面设置有4个螺纹孔，这4个螺纹孔分别与小腿滑块固定板53上面的两个螺纹孔和小腿滑块固定端54上面的两个螺纹孔对齐通过螺栓固定连接，这样的话就将小腿滑块52、小腿滑块固定板53、小腿滑块固定端54连接为一个整体，小腿滑块52内部设置有凹槽轨道，凹槽轨道与小腿导轨49滑动相连，整体结构示意图如图9下部分所示。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人小腿丝杆结构如图10所示，所述小腿丝杆结构包括膝关节电机连接法兰43、小腿丝杆螺母固定块45、小腿正旋丝杆螺母46、小腿反旋丝杆螺母47、小腿正反旋丝杆48、踝关节连接件55。其中，膝关节电机连接法兰43最外层圆周阵列的螺纹孔与小腿电机固定件44圆端内部圆周阵列的螺纹孔相配合然后通过螺栓将其连接在一起、与此同时膝关节电机连接法兰43内层圆周阵列的螺纹孔与大腿自动连续调节结构下端的谐波减速机17中心圆周阵列的螺纹孔相配合，然后通过螺栓就能将大腿自动连续调节结构部分和小腿连续调节结构部分连接起来，小腿丝杆螺母固定块45的一端设计成圆弧形状并且圆弧形状上面设计有螺纹孔，小腿电机固定件44下端设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将小腿丝杆螺母固定块45的圆弧形状和小腿电机固定件44的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，小腿正旋丝杆螺母46的一端设计成扁平形状可以与小腿丝杆螺母固定块45的方形端相匹配，通过螺栓将两者进行连接、小腿正旋丝杆螺母46的内部设计有梯形螺纹，刚好与小腿正反旋丝杆48一端的正旋丝杆通过梯形螺纹连接，与此同时小腿反旋丝杆螺母47的一端设计成扁平形状可以与小腿丝杆螺母固定块45的方形端相匹配，通过螺栓将两者进行连接、小腿反旋丝杆螺母47的内部设计有梯形螺纹，刚好与小腿正反旋丝杆48一端的反旋丝杆通过梯形螺纹连接，该小腿正反旋丝杆48两端的梯形螺纹旋向相反，可以分别与不同旋向的丝杆螺母连接，以达到同时调节高度的目的，踝关节连接件55的一端设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将小腿丝杆螺母固定块45的圆弧形状和踝关节连接件55的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，小腿正反旋丝杆48调节方式为手动调节方式，使用工具钳住小腿正反旋丝杆48中间的正六边形部分，通过旋转来达到调节高度的目的，整体结构示意图如图10下部分所示。

踝关节-足部装置3分为踝关节结构和足部结构两个部分，可穿戴式下肢外骨骼康复机器人踝关节结构如图11所示，包括踝关节连接件55、踝关节支撑件56、复位弹簧57、轴端盖58、踝关节旋转轴59、踝关节轴承60、滑动块61、陀螺仪端盖67、陀螺仪外框68。其中，踝关节支撑件56圆端部分的中心区域有一个用来安装踝关节旋转轴59的通孔，这个通孔和踝关节旋转轴59间隙连接，然后紧挨着通孔的位置两侧有用于安装踝关节轴承60圆形凹槽，踝关节轴承60和圆形凹槽过盈连接，紧挨着圆形凹槽的外围有用于安装复位弹簧57、滑动块61的圆弧型通孔，复位弹簧57一共有两个，滑动块61安装在他们中间，当滑动块61在圆弧型通孔内转动的同时，转动方向的复位弹簧57将被压缩，然后弹簧被存储了一定的弹性势能，便能起到一个自动复位的功能，在图中可以看到踝关节连接件55中心区域也有一个用于安装旋转轴的通孔，当把复位弹簧57、踝关节轴承60、滑动块61分别安装在各自的位置之后，将踝关节连接件55、踝关节支撑件56的中心区域放置于同一条中心线上，然后用踝关节旋转轴59将两者连接起来，踝关节连接件55左右两侧有用于安装轴端盖58的圆柱状凹槽，圆柱状凹槽分布着圆周阵列的4个螺纹孔与轴端盖58圆周阵列的4个螺纹孔相配合，然后通过匹配的螺栓将轴端盖58固定连接到踝关节连接件55上面，轴端盖58的主要目的是防止踝关节旋转轴59的轴向移动，陀螺仪端盖67与陀螺仪外框68两者上面有相同位置的螺纹孔，使用螺栓可以将两者连接在一起，陀螺仪外框68侧面有两个螺纹孔，踝关节支撑件56方形端上面也有两个相同尺寸的螺纹孔，使用螺栓将两者固定连接，整体结构示意图如图11下部分所示。

可穿戴式下肢外骨骼康复机器人足部结构如图12所示，包括脚底板62、脚底固定块63、底部橡胶垫64、橡胶垫螺栓65、橡胶垫螺母66、上部橡胶垫69。脚底板62左侧凸出部分有两个螺纹孔与脚底固定块63的两个螺纹孔、以及踝关节支撑件56底部的螺纹孔相配合，使用螺栓将三者固定连接，脚底板62横向方向两侧竖起部分的主要目的是保证上部橡胶垫69的侧向移动，竖起部分的圆弧孔用来安装绑带，绑带可以将人脚和足部结构固定在一起，底部橡胶垫64上部分有特定形状的切割凹槽和通孔，上部橡胶垫69的底部也有特定形状的切割凹槽和通孔，这些特定形状的切割凹槽主要是和脚底板62相配合，通过定制的橡胶垫螺栓65、橡胶垫螺母66可以将脚底板62、上部橡胶垫69、底部橡胶垫64三者连接在一起，整体结构示意图如图12下部分所示。足部采用三段式设计方案，脚跟和前脚掌通过橡胶垫64代替，能够增加运动的灵活性和穿戴的舒适性。脚底板62左右两侧分别设置安装孔，可以使用绑带将脚垫和人足固定在一起。

Claims (7)

1.可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，包括腰部-髋关节装置(1)、大小腿连续调节装置(2)及踝关节-足部装置(3)，所述腰部-髋关节装置(1)与大小腿连续调节装置(2)相连，大小腿连续调节装置(2)与踝关节-足部装置(3)相连；

所述腰部-髋关节装置(1)包括腰部结构和髋关节结构，腰部结构包括腰连接件(4)，腰连接件(4)的两端分别与两个呈L型的腰弯板件(5)固定连接；

所述髋关节结构下端包括髋关节电机连接板(14)，髋关节电机连接板(14)顶端圆弧状左右内侧分别设有用于安装髋关节下端轴承(12)的轴承孔，髋关节旋转连接件(10)左右两侧内部设有用于安装髋关节下端轴承(12)的轴承孔，二者的轴承孔和髋关节下端轴承(12)过盈连接，且二者的轴承孔置于同一中心线上，髋关节旋转轴(13)沿其中心线安装，髋关节旋转轴(13)两端分别与髋关节旋转连接件(10)和髋关节电机连接板(14)左右两侧内部的髋关节下端轴承(12)过盈连接，髋关节旋转轴(13)的一端绘制沟槽用于安装卡簧来固定位于髋关节电机连接板(14)左右两侧内部的髋关节下端轴承(12)，位于髋关节下端轴承(12)外侧的髋关节侧面轴承端盖(11)与髋关节旋转连接件(10)固结；

所述髋关节结构上端包括髋关节固定件(6)，髋关节固定件(6)底部设有与髋关节上端轴承(9)过盈连接的轴承孔，髋关节固定件(6)上端内部分别设有不同直径的梯形孔，梯形孔自下向上分别安装髋关节上端轴承(9)、微型平面推力球轴承(8)、髋关节轴承端盖(7)，髋关节旋转连接件(10)顶部的旋转轴穿过髋关节固定件(6)内部的安装孔后与髋关节轴承端盖(7)固结；

所述大小腿连续调节装置(2)包括大腿自动连续调节结构和小腿连续调节结构，大腿自动连续调节结构包括整体支撑结构、导轨滑块结构、电机调节结构、丝杆自动传动结构，导轨滑块结构、电机调节结构、丝杆自动传动结构均与整体支撑结构相连；小腿连续调节结构包括小腿导轨结构和小腿丝杆结构；

所述整体支撑结构包括髋关节电机连接板(14)，髋关节电机连接板(14)圆弧端的左侧依次设有关节支撑板(18)、谐波减速机(17)、无刷电机(16)，关节支撑板(18)与谐波减速机(17)的外圈固结，谐波减速机(17)与无刷电机(16)固结，髋关节电机连接板(14)圆弧端的右侧与髋关节电机连接法兰(15)外圈固结，髋关节电机连接法兰(15)的内圈与谐波减速机(17)的内圈连接；

所述导轨滑块结构包括导轨固定板(20)，导轨固定板(20)一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板(18)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，导轨固定板(20)上固定安装有导轨(19)，导轨(19)的一端与关节支撑板(18)相接触，导轨(19)的另一端固定连接导轨固定端(21)，导轨固定端(21)与滑块固定端(24)固定连接，滑块(22)通过其内部的凹槽轨道与导轨(19)滑动相连，滑块(22)分别与滑块固定板(23)、滑块固定端(24)固结，滑块固定板(23)为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板(18)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接；

所述电机调节结构包括小型同步带轮(25)，小型同步带轮(25)通过顶丝连接到有刷电机(26)的电机输出轴上，有刷电机(26)的一端自带有与螺栓连接的螺纹孔，电机固定座(27)和调节滑块固定座(28)均通过其上的螺纹孔与有刷电机(26)固定连接，电机调节滑块(29)通过其上的螺纹孔与调节滑块固定座(28)固定连接，电机调节滑块(29)通过其内部设置的凹槽轨道与电机调节导轨(30)滑动连接，电机调节导轨(30)与圆端固定板(31)固定连接，圆端固定板(31)与L型连接板(32)横向方向的螺纹孔通过螺栓固定连接，L型连接板(32)竖直方向的螺纹孔与基座(33)固定连接，基座(33)与关节支撑板(18)固定连接；

所述丝杆自动传动结构包括一端均为圆弧形状的正旋丝杆螺母基座(34)和反旋丝杆螺母基座(41)，正旋丝杆螺母基座(34)和反旋丝杆螺母基座(41)的圆弧形状与关节支撑板(18)上圆弧形状的凹槽匹配固定连接，正旋丝杆螺母基座(34)和反旋丝杆螺母基座(41)分别与正旋丝杆螺母(35)、反旋丝杆螺母(40)固定连接，正旋丝杆螺母(35)和反旋丝杆螺母(40)分别通过其内部的梯形螺纹与正旋丝杆(36)、反旋丝杆(39)连接，正旋丝杆(36)和反旋丝杆(39)相对的一端均与平键(37)相配合，正旋丝杆(36)扁平端、反旋丝杆(39)扁平端、平键(37)三者相接触并一起和大型同步带轮(38)内部过盈连接，大型同步带轮(38)上套有同步带(42)；

所述小腿导轨结构包括膝关节电机连接法兰(43)，膝关节电机连接法兰(43)通过其最外层圆周阵列的螺纹孔与小腿电机固定件(44)圆端内部圆周阵列的螺纹孔固结，膝关节电机连接法兰(43)内层圆周阵列的螺纹孔与大腿自动连续调节结构下端的谐波减速机(17)中心圆周阵列的螺纹孔配合连接，小腿导轨固定板(50)一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与小腿电机固定件(44)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，小腿导轨固定板(50)上固定安装有小腿导轨(49)，小腿导轨(49)的一端与小腿电机固定件(44)下端相接触，小腿导轨(49)的另一端固定连接小腿导轨固定端(51)，小腿滑块固定板(53)一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与踝关节连接件(55)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，小腿滑块(52)分别与小腿滑块固定板(53)、小腿滑块固定端(54)固结，小腿滑块(52)通过其内部设置的凹槽轨道与小腿导轨(49)滑动相连；

所述小腿丝杆结构包括膝关节电机连接法兰(43)，膝关节电机连接法兰(43)最外层圆周阵列的螺纹孔与小腿电机固定件(44)圆端内部圆周阵列的螺纹孔配合连接，膝关节电机连接法兰(43)内层圆周阵列的螺纹孔与大腿自动连续调节结构下端的谐波减速机(17)中心圆周阵列的螺纹孔配合连接，两个小腿丝杆螺母固定块(45)一端为开有螺纹孔的圆弧形状，分别与小腿电机固定件(44)及踝关节连接件(55)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，小腿正旋丝杆螺母(46)和小腿反旋丝杆螺母(47)的一端均为扁平形状并分别与两个小腿丝杆螺母固定块(45)的方形端匹配连接，小腿正旋丝杆螺母(46)和小腿反旋丝杆螺母(47)分别通过其内部的梯形螺纹与小腿正反旋丝杆(48)的两端的反旋丝杆连接；

所述踝关节-足部装置(3)包括踝关节结构和足部结构，所述踝关节结构包括踝关节支撑件(56)，踝关节支撑件(56)通过其圆端部分中心的通孔与踝关节旋转轴(59)间隙连接，踝关节支撑件(56)通过其通孔两侧的圆形凹槽与踝关节轴承(60)过盈连接，圆形凹槽的外围的圆弧型通孔内安装有复位弹簧(57)和滑动块(61)，复位弹簧(57)有两个，分别位于滑动块(61)的左右两侧，踝关节连接件(55)中心开有通孔，并与踝关节支撑件(56)的中心置于同一条中心线上，通过踝关节旋转轴(59)将两者连接，踝关节连接件(55)左右两侧的圆柱状凹槽内固定安装有轴端盖(58)，踝关节支撑件(56)的方形端上固定有陀螺仪外框(68)，陀螺仪外框(68)上部固定连接有陀螺仪端盖(67)；

所述足部结构包括用于连接人体足部绑带的脚底板(62)，脚底板(62)通过其左侧凸出部分与脚底固定块(63)、踝关节支撑件(56)固结，踝关节支撑件(56)垂直于脚底板(62)设置。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述腰连接件(4)和腰弯板件(5)上面均设有按照线性阵列方式布置的安装孔，二者通过安装孔配合连接，能够通过调节不同安装孔的位置来调节二者的间距，以满足不同穿戴者的腰围尺寸的需求。

3.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述髋关节侧面轴承端盖(11)上面设有沿圆周均布的四个螺纹孔，髋关节旋转连接件(10)左右两侧内部也设有沿圆周均布的四个螺纹孔，二者通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述髋关节电机连接板(14)圆弧端设有沿圆周均布的内螺纹孔，髋关节电机连接法兰(15)的外圈设有沿圆周均布的螺纹孔，二者通过螺栓固定连接；所述关节支撑板(18)和谐波减速机(17)的外圈均设有沿圆周均布的内螺纹孔，二者通过螺栓固定连接；所述谐波减速机(17)的内圈和髋关节电机连接法兰(15)的内圈均设有沿圆周均布的内螺纹孔，二者通过螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述电机调节导轨(30)与圆端固定板(31)上面均设有相同的等间距的螺纹孔，通过螺栓按照等间距的螺纹孔将电机调节导轨(30)与圆端固定板(31)固定连接。

6.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述小腿正反旋丝杆(48)两端的梯形螺纹旋向相反，分别与不同旋向的丝杆螺母连接，以达到同时调节高度的目的。

7.根据权利要求1所述的可穿戴式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述脚底板(62)横向方向两侧分别设有连接人体足部绑带的竖起结构，脚底板(62)的上下分别固定有上部橡胶垫(69)和底部橡胶垫(64)，所述底部橡胶垫(64)上表面和上部橡胶垫(69)的下表面均设有切割凹槽和通孔，切割凹槽与脚底板(62)的形状相匹配，通过橡胶垫螺栓(65)、橡胶垫螺母(66)将脚底板(62)、上部橡胶垫(69)、底部橡胶垫(64)固定连接。

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