CN110465924A - 一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，包括：髋关节、膝关节和踝关节，所述髋关节一端与腰部连接件连接，另一端通过大腿支撑件与膝关节连接，所述膝关节通过小腿支撑件与踝关节连接；膝关节包括：膝关节上支撑块、膝关节下支撑块、第一膝关节摆动板和第二膝关节摆动板，所述膝关节上支撑块和膝关节下支撑块之间分别通过第一膝关节摆动板和第二膝关节摆动板铰接，形成四连杆结构；所述膝关节下支撑块上设有用于调节小腿支撑件长度的第一滑槽。本发明在下肢外骨骼的踝关节采用主动直线驱动+被动辅助机构的形式，有效地增加了对踝关节的辅助支撑能力，更便于帮助穿戴者行走。

Description

一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及助力与医疗康复训练机器人技术领域，尤其涉及一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

下肢外骨骼是一种穿戴在使用者身体外部的一种助力装置，通过电机、液压泵等为下肢各关节提供动力，将人机系统重力通过外骨骼机械腿传至地面，为穿戴者行走等下肢运动提供动力辅助和保护支撑等功能，它融合了传感、信号采集、步态识别、运动控制等关键技术，使外骨骼能够帮助穿戴者完成保护支撑、行走助力等功能。

现有的外骨骼机器人一般把膝关节设计成两个连杆铰接，旋转中心是固定的，但人体运动时膝关节的瞬时旋转中心是呈“J”型曲线移动的，因此，这种设计与人体关节差别较大，仿生特性与运动性能都比较差。

其次，现有的外骨骼机器人一般只驱动髋关节和膝关节，对踝关节采用被动设计，这种设计不能对踝关节起到有效地辅助支撑作用，对踝关节受伤的穿戴者作用很小。

另外，现有的外骨骼机器人长度调节装置结构复杂，成本高，同时增加了对外骨骼机器人的控制复杂度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，通过曲柄摇杆机构的膝关节结构，对人体膝关节的仿生性能更高，更贴合人体下肢结构，提高了仿生性能。通过对下肢外骨骼的踝关节采用主动直线驱动+被动辅助机构的形式，有效地增加了对踝关节的辅助支撑能力，更便于帮助穿戴者行走。通过滑槽轨道机构来调节大腿、小腿和髋关节的长度，能满足不同人群的需求，并且结构简单。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，包括：髋关节、膝关节和踝关节，所述髋关节一端与腰部连接件连接，另一端通过大腿支撑件与膝关节连接，所述膝关节通过小腿支撑件与踝关节连接；

所述膝关节包括：膝关节上支撑块、膝关节下支撑块、第一膝关节摆动板和第二膝关节摆动板，所述膝关节上支撑块和膝关节下支撑块之间分别通过第一膝关节摆动板和第二膝关节摆动板铰接，形成四连杆结构；所述膝关节下支撑块上设有用于调节小腿支撑件长度的第一滑槽。

作为进一步地改进，所述第一膝关节摆动板的长度大于第二膝关节摆动板的长度。

作为进一步地改进，所述膝关节上设有铰接头，用于铰接第一驱动装置的液压缸活塞杆；通过第一驱动装置驱动膝关节下支撑块运动，从而带动小腿支撑件实现屈伸运动。

作为进一步地改进，所述小腿支撑件包括：支撑侧板和铰接块，所述支撑侧板一端设有与所述第一滑槽相匹配的若干螺纹孔，所述支撑侧板另一端连接铰接块，所述铰接块与踝关节铰接。

作为进一步地改进，所述髋关节包括：髋关节调节滑块、髋关节内收外摆摆动块、髋关节连接片和髋关节屈伸摆动块；

所述髋关节调节滑块一端与腰部连接件连接，另一端与髋关节内收外摆摆动块铰接，使得所述髋关节内收外摆摆动块能够向大腿内侧或两侧摆动；所述髋关节内收外摆摆动块通过髋关节连接片与髋关节屈伸摆动块铰接，所述髋关节屈伸摆动块与大腿支撑件连接，所述髋关节屈伸摆动块能够在第二驱动装置的驱动下，带动大腿支撑件摆动，实现大腿支撑件的屈伸运动。

作为进一步地改进，所述髋关节屈伸摆动块上设有滑槽，所述滑槽与设置在大腿支撑件上的螺纹孔配合，实现大腿支撑件长度调整。

作为进一步地改进，所述第二驱动装置一端与髋关节内收外摆摆动块连接，另一端液压缸与大腿支撑件铰接。

作为进一步地改进，所述踝关节包括：踝关节屈伸摆动块和支撑脚板，所述踝关节屈伸摆动块与小腿支撑件铰接，踝关节屈伸摆动块与支撑脚板铰接；所述踝关节屈伸摆动块在第三驱动装置的驱动下，带动支撑脚板实现屈伸运动；所述支撑脚板能够相对于踝关节屈伸摆动块向小腿内侧或者小腿外侧方向摆动。

作为进一步地改进，所述第三驱动装置一端连接在小腿支撑件上，另一端液压杆与踝关节屈伸摆动块铰接。

作为进一步地改进，所述腰部连接组件包括：后背靠板、后背上铰接板、后背下铰接板、腰部连接板、宽度调节板和L型转向滑板；所述后背靠板与后背上铰接板连接，腰部连接板与后背下铰接板连接，后背上铰接板和后背下铰接板铰接；所述后背靠板能够相对腰部连接板转动；所述腰部连接板的两端分别通过宽度调节板与L型转向滑板连接；所述L型转向滑板与髋关节连接，所述L型转向滑板上设有调节孔，通过所述调节孔调节L型转向滑板与髋关节之间的连接距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的外骨骼机器人一般把膝关节设计为两个连杆铰接，旋转中心是固定的，但人体运动时膝关节的瞬时旋转中心是呈“J”型曲线移动的，本发明膝关节采用的是曲柄摇杆结构，这种结构对人体膝关节的仿生性能更高，更贴合人体下肢结构。

本发明设计了滑槽轨道机构来调节大腿、小腿和髋关节的长度，使能满足不同人群的需求，同时直线驱动装置的安装位置也能适当调节，提高了下肢外骨骼的可穿戴性。

现有的外骨骼机器人一般只驱动髋关节和膝关节，对踝关节采用被动设计，本发明在下肢外骨骼的踝关节采用主动直线驱动+被动辅助机构的形式，有效地增加了对踝关节的辅助支撑能力，更便于帮助穿戴者行走。

附图说明

图1为实施例一中四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人结构示意图；

图2为图1中髋关节的结构示意图；

图3为图1中膝关节的结构示意图；

图4为图1中踝关节的结构示意图；

图5为图1中腰部连接组件的示意图；

图6为实施例一中机器人直立状态时膝关节的结构示意图；

图7为实施例一中机器人行走状态时的膝关节结构示意图；

图8为实施例一中膝关节弯曲时四连杆运动的模型示意图；

图9为实施例一中膝关节弯曲时四连杆机构和旋转中心的变化的模型示意图；

其中，1为髋关节，2为膝关节，3为踝关节，4为腰部连接件，5为大腿支撑件，6为小腿支撑件，7为第一驱动装置，8.第二驱动装置，9.第三驱动装置；

101为髋关节调节滑块，102为髋关节内收外旋摆动块，103为髋关节直线驱动装置支架，104为髋关节连接片，105为第一铰接螺丝，106为髋关节屈伸摆动块；

201为膝关节上支撑块、202为膝关节长摆动板，203为膝关节短摆动板，204为第二铰接螺丝，205为活塞杆铰接头，206为膝关节下支撑块；

301为小腿支撑板，302为小腿铰接板，303为踝关节屈伸摆动块，304为足部压力传感器，305为支撑脚板，306为第三铰接螺丝，307为驱动装置活塞杆，308为活塞缸；

401为后背靠板，402为后背上铰接板，403为后背下铰接板，404为后背铰接螺丝，405为铰接杆，406为腰部连接板，407为宽度调节板，408为宽度调节螺丝，409为L型转向滑板、410为调节滑孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，如图1所示，包括：髋关节1、膝关节2、踝关节3、腰部连接件4、大腿支撑件5和小腿支撑件6；其中，髋关节1通过大腿支撑件5与膝关节2连接，膝关节2通过小腿支撑件6与踝关节3连接，左右两侧髋关节1通过腰部连接件4连接；髋关节1上设有驱动大腿支撑件5的第二驱动装置8，膝关节2上设有驱动小腿支撑件6的第一驱动装置7，小腿支撑件6上设有驱动踝关节3的第三驱动装置9，上述驱动装置的位置可以根据实际需要进行调节。

如图5所示，腰部连接件4包括后背靠板401，后背上铰接板402，后背下铰接板403，后背铰接螺丝，铰接杆405，腰部连接板406，宽度调节板407，宽度调节螺丝408，L型转向滑板409和调节滑孔410，其中，后背靠板401与后背上铰接板402连接，后背上铰接板402通过铰接螺丝与后背下铰接板403铰接，后背下铰接板403与腰部连接板406连接，使后背靠板401可小角度转动，L型转向滑板409与宽度调节板407连接可调节腰部宽度，腰部连接板406连接左右两个宽度调节板407，调节滑孔410与髋关节调节滑块101连接，可调节腰部前后长度。

如图2所示，髋关节1包括髋关节调节滑块101，髋关节内收外旋摆动块102，髋关节1液压缸支架，髋关节连接片104，第一铰接螺丝105，髋关节屈伸摆动块106，其中，髋关节调节滑块101与髋关节内收外旋摆动块102连接，可带动大腿支撑件5内旋外传，髋关节直线驱动装置支架103与第二驱动装置8一端连接，第二驱动装置8另一端连接大腿支撑件5，第二驱动装置8采用液压缸的形式，通过液压杆伸缩驱动大腿支撑件5运动；髋关节内收外旋摆动块102上连接髋关节连接片104，髋关节连接片104与髋关节屈伸摆动块106通过第一铰接螺丝105铰接，可控制大腿支撑件5进行屈伸运动。髋关节屈伸摆动块106上设有滑槽，大腿支撑件5上设有相应的螺纹孔，通过滑槽与螺纹孔的配合实现对大腿支撑件5长度的调整。

大腿支撑件5包括大腿支撑板，大腿支撑板上部设有若干螺纹孔，这些螺纹孔与髋关节屈伸摆动块106上的滑槽连接，可用于调节大腿长度。大腿支撑件5一侧也设有若干螺纹孔，这些螺纹孔能够调节第二驱动装置8的液压缸连接位置。

如图3所示，膝关节2包括膝关节上支撑块201、膝关节长摆动板202(即第一膝关节2摆动板)、膝关节短摆动板203(即第二膝关节2摆动板)、第二铰接螺丝204、液压缸活塞杆铰接头205和膝关节下支撑块。其中，膝关节上支撑块201通过膝关节长摆动板202和膝关节短摆动板203，与膝关节下支撑块206通过第二铰接螺丝204铰接，第一驱动装置7的液压缸活塞杆与液压缸活塞杆铰接头205铰接，可控制小腿支撑件6进行屈伸运动。膝关节上支撑块201、膝关节长摆动板202、膝关节短摆动板203和膝关节下支撑块206构成一种四连杆机构，能够充分模仿膝关节2“J”型曲线的移动方式，对膝关节2的仿生度更高。

小腿支撑组件包括小腿支撑板301和小腿铰接板302。小腿支撑板301上方有螺钉孔，可用于调节小腿长度。另一侧有液压缸铰接支架，用于连接控制踝关节3的液压缸，小腿铰接板302上方与小腿侧板连接，下方与踝关节屈伸摆动块303连接。

如图4所示，踝关节3包括踝关节屈伸摆动块303，足部压力传感器304，支撑脚板305，第三铰接螺丝306，液压活塞杆307，活塞缸308，其中，小腿铰接板302与踝关节屈伸摆动块303通过第三铰接螺丝306铰接，驱动装置与踝关节屈伸摆动块303铰接控制脚部屈伸运动，踝关节屈伸摆动块303与支撑脚板305铰接控制脚部左右摆动，足部压力传感器304安装在支撑脚板305上，它与实时计算机控制系统连接，反馈足底压力变化信号，对下肢外骨骼进行控制。

图6所示是直立状态时膝关节2的结构，图7所示为膝关节2弯曲时的结构。膝关节上支撑块201、膝关节长摆动板202、膝关节短摆动板203和膝关节下支撑块206通过第二铰接螺丝204组成四连杆机构，由于人行走时膝关节2的旋转中心是移动的，因此把膝关节2设计成曲柄摇杆的四连杆机构能更好的模拟人体行走，具有更高的仿生性能。

如图8所示，为弯曲状态下四连杆膝关节2的运动模型，其中膝关节上支撑块201为机架，膝关节下支撑块206为连杆，膝关节长摆动板202和膝关节短摆动板203为四连杆机构的两个连架杆，他们延长线的交点为膝关节2的旋转中心，四连杆膝关节2通过驱动装置带动旋转，同时控制膝关节2的旋转角度，避免出现膝关节2外翻等危险动作，因为膝关节下支撑块206作为四连杆结构中的连杆，它带动小腿和踝关节3绕膝关节2旋转，因此要保证膝关节2的旋转中心和下端踝关节3的轨迹与人腿相应轨迹相同，这是一个刚体综合引导问题，求得参数范围后进行优化，从而得到下肢外骨骼机器人的设计参数。

图9所示为膝关节2不同弯曲角度时四连杆机构叠加的模型图，可以看出旋转中心从内往外看呈“J”型曲线移动，符合人体膝关节2的旋转中心的运动轨迹。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括：髋关节、膝关节和踝关节，所述髋关节一端与腰部连接件连接，另一端通过大腿支撑件与膝关节连接，所述膝关节通过小腿支撑件与踝关节连接；

所述膝关节包括：膝关节上支撑块、膝关节下支撑块、第一膝关节摆动板和第二膝关节摆动板，所述膝关节上支撑块和膝关节下支撑块之间分别通过第一膝关节摆动板和第二膝关节摆动板铰接，形成四连杆结构；所述膝关节下支撑块上设有用于调节小腿支撑件长度的第一滑槽。

2.如权利要求1所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述第一膝关节摆动板的长度大于第二膝关节摆动板的长度。

3.如权利要求1所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节上设有铰接头，用于铰接第一驱动装置的液压缸活塞杆；通过第一驱动装置驱动膝关节下支撑块运动，从而带动小腿支撑件实现屈伸运动。

4.如权利要求1所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿支撑件包括：支撑侧板和铰接块，所述支撑侧板一端设有与所述第一滑槽相匹配的若干螺纹孔，所述支撑侧板另一端连接铰接块，所述铰接块与踝关节铰接。

5.如权利要求1所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节包括：髋关节调节滑块、髋关节内收外摆摆动块、髋关节连接片和髋关节屈伸摆动块；

所述髋关节调节滑块一端与腰部连接件连接，另一端与髋关节内收外摆摆动块铰接，使得所述髋关节内收外摆摆动块能够向大腿内侧或两侧摆动；所述髋关节内收外摆摆动块通过髋关节连接片与髋关节屈伸摆动块铰接，所述髋关节屈伸摆动块与大腿支撑件连接，所述髋关节屈伸摆动块能够在第二驱动装置的驱动下，带动大腿支撑件摆动，实现大腿支撑件的屈伸运动。

6.如权利要求5所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节屈伸摆动块上设有滑槽，所述滑槽与设置在大腿支撑件上的螺纹孔配合，实现大腿支撑件长度调整。

7.如权利要求5所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述第二驱动装置一端与髋关节内收外摆摆动块连接，另一端液压缸与大腿支撑件铰接。

8.如权利要求1所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述踝关节包括：踝关节屈伸摆动块和支撑脚板，所述踝关节屈伸摆动块与小腿支撑件铰接，踝关节屈伸摆动块与支撑脚板铰接；所述踝关节屈伸摆动块在第三驱动装置的驱动下，带动支撑脚板实现屈伸运动；所述支撑脚板能够相对于踝关节屈伸摆动块向小腿内侧或者小腿外侧方向摆动。

9.如权利要求8所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述第三驱动装置一端连接在小腿支撑件上，另一端液压杆与踝关节屈伸摆动块铰接。

10.如权利要求1所述的一种四连杆膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部连接组件包括：后背靠板、后背上铰接板、后背下铰接板、腰部连接板、宽度调节板和L型转向滑板；所述后背靠板与后背上铰接板连接，腰部连接板与后背下铰接板连接，后背上铰接板和后背下铰接板铰接；所述后背靠板能够相对腰部连接板转动；所述腰部连接板的两端分别通过宽度调节板与L型转向滑板连接；所述L型转向滑板与髋关节连接，所述L型转向滑板上设有调节孔，通过所述调节孔调节L型转向滑板与髋关节之间的连接距离。