CN110063877A - 驱动后置式下肢外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种新型驱动后置式下肢外骨骼机器人，包括包括背部组件(1)，以及分别在所述背部组件两侧从上之下依次连接的两个髋关节组件(2)、两个大腿杆件(3)、两个膝关节组件(4)、两个小腿杆件(5)、两个踝关节组件(6)和两个足部组件(7)。本发明结构功能适应性强，外观尺寸灵活符合人体仿生设计。本发明中的动力源完全放置在背部，由同步带将动力传递给髋关节，传动机构简单，传动准确且传动效率高，同时有效减少两侧尺寸，使该装置占据空间小且更加便携。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动后置式下肢外骨骼机器人，尤其是一种使用双电机通过同步带装置 为两侧髋关节提供动力的下肢外骨骼机器人,属于机器人技术领域。
背景技术
随着人口老龄化问题的日益加重，高龄人群由于身体机能老化，下肢机能衰退，对日常 活动造成困扰，同时偏瘫、中风等也会导致老年人行走障碍。因此，智能下肢外骨骼康复机 器人潜在需求规模巨大，供需缺口仍较大。另外，现存的下肢外骨骼大多规格过大且机构复 杂，同时采用的动力源设备过多且复杂，导致控制困难，穿戴不便且价格昂贵。
发明内容
本发明设计了一款驱动后置式下肢外骨骼机器人，其动力源完全放置在背部，由同步带 将动力传递给髋关节，传动机构简单，传动准确且传动效率高，同时有效减少两侧尺寸，使 该装置占据空间小且更加便携。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出了一种驱动后置式下肢外骨骼机器人，包括背部组件，以及分别在所述背部 组件两侧从上之下依次连接的两个髋关节组件、两个大腿杆件、两个膝关节组件、两个小腿 杆件、两个踝关节组件和两个足部组件。
优选的，所述髋关节组件包括驱动电机、法兰盘、谐波减速器、扭矩传感器、同步带机 构和输出轴；所述电机通过所述法兰盘连接所述谐波减速器；所述驱动电机的所述输出轴通 过键与所述背部支撑板的一侧连接；所述扭矩传感器与所述谐波减速器固定连接，所述扭矩 传感器用于传递扭矩并将其完全置于背部；所述同步带机构由一同步传送带及滚动轴承构成， 所述同步带机构通过滚动轴承与所述输出轴连接，所述滚动轴承外套接所述同步传送带的一 端，所述同步传送带的另一端连接所述大腿杆件的上端通过滚动轴承连接；所述髋关节组件 用于使用所述电机通过所述谐波减速器将扭矩由所述同步带机构传递给人体髋关节使其带动 大腿杆件摆动，实现髋关节的屈曲与伸展。
优选的，所述谐波减速器固定在输出法兰上，所述谐波减速器包括钢轮、柔轮和波发生 器，所述电机的输入固定法兰与所述刚轮固定连接，所述波发生器与电机输出轴通过螺钉连 接固定，所述电机的法兰与所述谐波减速器输入固定法兰通过螺钉连接；所述扭矩传感器固 连在输出法兰上；所述同步带机构通过滚动轴承与所述输出轴连接，电机输出轴通过键与背 部支撑板连接，传递扭矩，这种设计可有效减小外骨骼机器人左右两侧尺寸。
优选的，所述大腿杆件包括大腿上杆件、大腿下杆件和螺钉；所述大腿上杆件套接在所 述大腿下杆件的上端，所述大腿上杆件和所述大腿下杆件可上下相对运动，所述大腿上杆件 和所述大腿下杆件通过螺钉连接。
优选的，所述膝关节组件包括四连杆机构、气弹簧、气弹簧滑槽机构及锁定装置；所述 四连杆机构采用4个杆件，所述四连杆机构用于使运动过程稳定，使下肢助力外骨骼的速度 瞬心和膝关节的速度瞬心变化一致步态更加自然，所述四连杆机构连接于大腿杆件与小腿杆 件的下端；所述气弹簧的一端连接在大腿杆件上，另一端与固定在所述小腿杆件上的气弹簧 滑槽机构滑动连接，所述气弹簧滑槽机构上下两端安装有固定挡块；所述膝关节组件利用气 弹簧提供站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。
优选的，所述小腿杆件包括小腿上杆件、小腿下杆件和螺钉；所述小腿上杆件套接在所 述小腿下杆件的上端，所述小腿上杆件和所述小腿下杆件可上下相对运动，所述小腿上杆件 和所述小腿下杆件通过螺钉连接。
优选的，所述踝关节组件设计为单自由度，包括：小腿下杆件末端连接件、踝关节连接 件、踝关节连接件、扭簧、中心轴、压力传感器；通过中心轴与所述小腿杆件连接，所述踝 关节连接件末端设计出一个凸台以此来限定踝关节前后摆动角度；中心轴两侧加有扭簧为踝 关节的跖屈背屈助力；脚踝处加有压力传感器，压力传感器放置在踝关节连接件中，踝关节 连接件和踝关节连接件固连，踝关节连接件的一端和脚板固连。
优选的，所述足部组件通过螺钉与踝关节组件连接，且支撑板设计为脚后跟大小，保证 患者脚部紧密接触地面。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1、利用两个电机为髋关节助力，相对于多电机驱动式下肢外骨骼重量更轻，更节能。
2、两电机均至于背部，有效减小两侧尺寸，使该装置占据空间小且更加便携。
3、采用同步带传动，工作时无滑动，有准确的传动比，且传动效率高，节能效果好。
4、膝关节四连杆机构连接大腿杆件与小腿杆件，使下肢外骨骼机器人的速度瞬心和膝关 节的速度瞬心变化一致，步态更加自然。
附图说明
图1是本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的等轴测图；
图2是本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的正视图；
图3是本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的左视图；
图4为本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的驱动组件剖视图；
图5是本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的行走视图；
图6是本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的背部组件轴测图
图7是本发明驱动后置式下肢外骨骼机器人的背部组件俯视图。
1-背部组件，2-髋关节组件，21-驱动电机，22-法兰盘，23-谐波减速器，24-扭矩传感 器，25-同步带机构，26-输出轴，3-大腿杆件，31-大腿上杆件，32-大腿下杆件，4-膝关节组件，41-四连杆机构，42-气弹簧，43-气弹簧滑槽机构，44-锁定装置，45-锁定装置，5- 小腿杆件，51-小腿上杆件52-小腿下杆件，6-踝关节组件，61-小腿下杆件末端连接件，62- 踝关节连接件，63-踝关节连接件，64-扭簧，65-中心轴，66-压力传感器，7-足部组件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1到图7所示，本发明的驱动后置式的下肢外骨骼机器人，包括背部组件1，以及 分别在所述背部组件两侧从上之下依次连接的两个髋关节组件2、两个大腿杆件3、两个膝关 节组件4、两个小腿杆件5、两个踝关节组件6和两个足部组件7。
所述髋关节组件2包括驱动电机21、法兰盘22、谐波减速器23、扭矩传感器24、同步带机构25和输出轴26；所述电机21通过所述法兰盘22连接所述谐波减速器23；所述驱动 电机21的所述输出轴26通过键与所述背部支撑板1的一侧连接；所述扭矩传感器24与所述 谐波减速器23固定连接，所述扭矩传感器24用于传递扭矩并将其完全置于背部；所述同步 带机构25由一同步传送带及滚动轴承构成，所述同步带机构25通过滚动轴承与所述输出轴26连接，所述滚动轴承外套接所述同步传送带的一端，所述同步传送带的另一端连接所述大 腿杆件3的上端通过滚动轴承连接；所述髋关节组件2用于使用所述电机21通过所述谐波减 速器23将扭矩由所述同步带机构25传递给人体髋关节使其带动大腿杆件摆动，实现髋关节 的屈曲与伸展。
所述谐波减速器23固定在输出法兰上，所述谐波减速器22包括钢轮、柔轮和波发生器， 所述电机21的输入固定法兰与所述刚轮固定连接，所述波发生器与电机输出轴通过螺钉连接 固定，所述电机21的法兰与所述谐波减速器23输入固定法兰通过螺钉连接；所述扭矩传感 器24固连在输出法兰上；所述同步带机构25通过滚动轴承与所述输出轴26连接，电机输出 轴通过键与背部支撑板连接，传递扭矩，这种设计可有效减小外骨骼机器人左右两侧尺寸。
所述大腿杆件3包括大腿上杆件31、大腿下杆件32和螺钉；所述大腿上杆件31套接在 所述大腿下杆件32的上端，所述大腿上杆件31和所述大腿下杆件32可上下相对运动，所述 大腿上杆件31和所述大腿下杆件32通过螺钉连接。
所述膝关节组件4包括四连杆机构41、气弹簧42、气弹簧滑槽机构43及锁定装置44,45； 所述四连杆机构41采用4个杆件，所述四连杆机构41用于使运动过程稳定，使下肢助力外 骨骼的速度瞬心和膝关节的速度瞬心变化一致步态更加自然，所述四连杆机构41连接于大腿 杆件32与小腿杆件51的下端；所述气弹簧42的一端连接在大腿杆件32上，另一端与固定 在所述小腿杆件5上的气弹簧滑槽机构43滑动连接，所述气弹簧滑槽机构43上下两端安装 有固定挡块44,45；所述膝关节组件4利用气弹簧提供站立到坐下、坐下到站立姿态变换时 的助力。
所述小腿杆件5包括小腿上杆件51、小腿下杆件52和螺钉；所述小腿上杆件51套接在 所述小腿下杆件52的上端，所述小腿上杆件51和所述小腿下杆件52可上下相对运动，所述 小腿上杆件51和所述小腿下杆件52通过螺钉连接。
所述踝关节组件6设计为单自由度，包括：小腿下杆件末端连接件61、踝关节连接件62、 踝关节连接件63、扭簧64、中心轴65、压力传感器66；通过中心轴65与所述小腿杆件末端 61连接，所述踝关节连接件62末端设计出一个凸台以此来限定踝关节前后摆动角度；中心 轴两侧加有扭簧64为踝关节的跖屈背屈助力；脚踝处加有压力传感器66，压力传感器放置 在踝关节连接件63中，踝关节连接件62和踝关节连接件63固连，踝关节连接件67的一端 和脚板固连。
所述足部组件7通过螺钉与踝关节组件6连接，且支撑板设计为脚后跟大小，保证患者 脚部紧密接触地面。
当开始行走时，髋关节组件2中的电机转动，通过谐波减速器23、输出轴和同步带轮25 并由同步带传递到大腿组件3上，带动大腿组件3向前摆动；在摆动的瞬间使用者脚尖受力， 使足部组件8围绕踝关节组件7中的中心轴顺65时针转动。由于膝关节组件4中的钢丝绳与 足部组件连接，从而足部跖屈时带动钢丝绳向下运动，使得锁定机构46中的弹簧受压，插销 向下运动，当插销离开插槽时，实现解锁膝关节运动。屈曲时，助力扭簧47会储存能量，为 膝关节的伸展助力，此时插销会在弹簧力的作用下始终抵住连杆的曲面。当大腿摆到最大角 度时，小腿组件也会在助力扭簧47的作用下与大腿组件共线，此时锁定机构46进行锁定， 从而膝关节完成锁定。
当完成站立—坐下时，手动气弹簧组件42中的活动挡块44使之阻碍滑块的运动。此时 使用者身体前倾使脚尖受力，膝关节解锁，气弹簧42提供一个反作用力使得膝关节缓慢转动， 完成站立——坐下转换，此时膝关节的内侧锁定机构48的插销在弹簧力的作用下插入插槽， 使得膝关节锁定。在完成坐下——站立转换时，拉动大腿内侧的解锁机构48，膝关节解锁。 此时膝关节会受到气弹簧42的作用力，同时背部双电机转动，从而使使用者站立，当使用者 站立时，膝关节的外侧锁定机构46使膝关节锁定。
Claims (8)
1.一种驱动后置式下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括背部组件(1)，以及分别在所述背部组件两侧从上之下依次连接的两个髋关节组件(2)、两个大腿杆件(3)、两个膝关节组件(4)、两个小腿杆件(5)、两个踝关节组件(6)和两个足部组件(7)。
2.根据权利要求1所述的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于：所述髋关节组件(2)包括驱动电机(21)、法兰盘(22)、谐波减速器(23)、扭矩传感器(24)、同步带机构(25)和输出轴(26)；所述电机(21)通过所述法兰盘(22)连接所述谐波减速器(23)；所述驱动电机(21)的所述输出轴(26)通过键与所述背部支撑板(1)的一侧连接；所述扭矩传感器(24)与所述谐波减速器(23)固定连接，所述扭矩传感器(24)用于传递扭矩并将其完全置于背部；所述同步带机构(25)由一同步传送带及滚动轴承构成，所述同步带机构(25)通过滚动轴承与所述输出轴(26)连接，所述滚动轴承外套接所述同步传送带的一端，所述同步传送带的另一端连接所述大腿杆件(3)的上端通过滚动轴承连接；所述髋关节组件(2)用于使用所述电机(21)通过所述谐波减速器(23)将扭矩由所述同步带机构(25)传递给人体髋关节使其带动大腿杆件摆动。
3.根据权利要求2所述的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述谐波减速器(23)固定在输出法兰上，所述谐波减速器(22)包括钢轮、柔轮和波发生器，所述电机(21)的输入固定法兰与所述刚轮固定连接，所述波发生器与电机输出轴通过螺钉连接固定，所述电机(21)的法兰与所述谐波减速器(23)输入固定法兰通过螺钉连接；所述扭矩传感器(24)固连在输出法兰上；所述同步带机构(25)通过滚动轴承与所述输出轴(26)连接，电机输出轴通过键与背部支撑板连接，传递扭矩。
4.根据权利要求1的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述大腿杆件(3)包括大腿上杆件(31)、大腿下杆件(32)和螺钉；所述大腿上杆件(31)套接在所述大腿下杆件(32)的上端，所述大腿上杆件(31)和所述大腿下杆件(32)可上下相对运动，所述大腿上杆件(31)和所述大腿下杆件(32)通过螺钉连接。
5.根据权利要求4所述的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述膝关节组件(4)包括四连杆机构(41)、气弹簧(42)、气弹簧滑槽机构(43)及锁定装置(44,45)；所述四连杆机构(41)采用4个杆件，所述四连杆机构(41)用于使运动过程稳定，使下肢助力外骨骼的速度瞬心和膝关节的速度瞬心变化一致步态更加自然，所述四连杆机构(41)连接于大腿杆件(32)与小腿杆件(51)的下端；所述气弹簧(42)的一端连接在大腿杆件(32)上，另一端与固定在所述小腿杆件(5)上的气弹簧滑槽机构(43)滑动连接，所述气弹簧滑槽机构(43)上下两端安装有固定挡块(44,45)；所述膝关节组件(4)利用气弹簧提供站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。
6.根据权利要求1所述的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述小腿杆件(5)包括小腿上杆件(51)、小腿下杆件(52)和螺钉；所述小腿上杆件(51)套接在所述小腿下杆件(52)的上端，所述小腿上杆件(51)和所述小腿下杆件(52)可上下相对运动，所述小腿上杆件(51)和所述小腿下杆件(52)通过螺钉连接。
7.根据权利要求1所述的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述踝关节组件(6)设计为单自由度，包括：小腿下杆件末端连接件(61)、踝关节连接件(62)、踝关节连接件(63)、扭簧(64)、中心轴(65)、压力传感器(66)；通过中心轴(65)与所述小腿杆件末端(61)连接，所述踝关节连接件(62)末端设计出一个凸台以此来限定踝关节前后摆动角度；中心轴两侧加有扭簧(64)为踝关节的跖屈背屈助力；脚踝处加有压力传感器(66)，压力传感器放置在踝关节连接件(63)中，踝关节连接件(62)和踝关节连接件(63)固连，踝关节连接件(67)的一端和脚板固连。
8.根据权利要求1所述的驱动后置式下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述足部组件(7)通过螺钉与踝关节组件(6)连接，且支撑板设计为脚后跟大小。
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