CN110575366A - 一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，它涉及一种机器人，它包括背部、腰部、腿部和脚部；腿部分为左腿和右腿，左腿和右腿均包括大腿和小腿；它还包括悬浮背包和柔性驱动装置，所述悬浮背包包括背包连接板、弹性绳、背部滑轮组、肩部滑轮组和肩部支架；背部的背板上端安装有两个肩部支架，背包连接板设置在背板背面的滑轨上，背包连接板上安装有两组背部滑轮组，两个肩部支架和两组背部滑轮组对应设置，每个肩部支架上沿前后方向安装有一排肩部滑轮组，弹性绳的两端固定于安装在大腿上的大腿绑绳构件上，每个肩部支架上安装有两个柔性驱动装置。本发明能减少负载对机器人造成冲击，运动灵活，助力效果好。

Description

一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人。
背景技术
目前对于下肢助力外骨骼机器人来说，已有的下肢助力外骨骼机器人大多以钢或者铝合金作为结构主体材料，虽然强度好但十分笨重，人体穿戴起来不方便，容易造成较大的体能消耗。且很多外骨骼机器人主要是以电机直驱的方式带动关节运动，有效力矩因为电机等部件的重量而大大减少，很难承受大负载下的运动。且目前外骨骼机器人都是直接将重物背负在自身上面进行快速行走时，负载对整个外骨骼的冲击会带来很多不利的因素，使机器人的稳定性和可靠性不能得到保障。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，该机器人能减少负载对机器人造成冲击，运动灵活，助力效果好。
本发明的技术方案是：
一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，它包括背部、腰部、腿部和脚部；腿部分为左腿和右腿，左腿和右腿均包括大腿和小腿；背部和腰部连接，腰部和大腿通过髋关节连接，大腿和小腿通过膝关节连接，小腿和脚部通过踝关节连接；
它还包括悬浮背包和柔性驱动装置，所述悬浮背包包括背包连接板、弹性绳、背部滑轮组、肩部滑轮组和肩部支架；背部的背板上端安装有两个肩部支架，背包连接板设置在背板背面的滑轨上，且背包连接板能在滑轨上上下滑动，背包连接板上安装有两组背部滑轮组，两个肩部支架和两组背部滑轮组对应设置，每个肩部支架上沿前后方向安装有一排肩部滑轮组，弹性绳的两端固定于安装在大腿上的大腿绑绳构件上，弹性绳依次搭设在一排肩部滑轮组、一组背部滑轮组、再经另一组背部滑轮组和另一排肩部滑轮组上并能滑动，每个肩部支架上安装有两个柔性驱动装置，每两个柔性驱动装置分别能驱动对应腿的膝关节和踝关节以助力大腿和脚部运动。
进一步地，所述柔性驱动装置包括电机、支撑连接架、连接轴、外壳、柔性绳圈、导向件、钢丝绳和端盖；电机与支撑连接架连接，电机的输出轴与转动安装在支撑连接架内的连接轴连接，支撑连接架与端盖之间布置有与二者连接的外壳，外壳内布置有柔性绳圈，导向件和连接轴之间布置有与二者连接的柔性绳圈，外壳上沿连接轴的轴向还开设有导向槽，导向件能沿导向槽往复移动，钢丝绳滑动穿过端盖，钢丝绳的一端与导向件连接，钢丝绳的另一端与膝关节或踝关节连接。
进一步地，所述背板、背包连接板、肩部支架、大腿、小腿、腰杆、外壳和脚底板均由碳纤维材料制成。
进一步地，所述连接杆、上连接件、下连接件、连接座、安装座、支撑连接架、两个连接座、两个大腿绑绳构件和两个小腿连接件均由铝合金材料制成。
本发明与现有技术相比具有以下技术效果：
1、将悬浮背包与外骨骼机器人巧妙地结合起来，通过悬浮背包上弹性绳的拉力作用，辅助人体抬腿行走，尤其是在快速行走时效果非常明显，有很好的助力效果，结构紧凑，装置可靠轻便。
2、本发明采用主被动相结合方式驱动，弹性绳被动平衡髋关节，柔性驱动装置主动驱动，主被动结合优点是：(1)、电机数量减少，重量大幅度减少，电池工作时间也会更长；(2)、控制更容易，且结构紧凑，巧妙利用悬浮背包的弹性绳的力平衡髋关节。
3、本发明还采用刚柔混合的设计结构，柔性驱动装置主动拉动为柔性驱动，腰部、大腿和小腿构建的整体架构为刚性结构。刚柔混合的优点是：(1)、驱动为柔性驱动，质量轻，结构紧凑，完全不需要复杂的传动机构，相较于传统的外骨骼机器人，人体穿戴更加舒适。(2)、刚性结构使负载的重量完全可以通过外骨骼机器人传递到脚下，使人体在穿戴外骨骼机器人工作作业时更加轻松，且结构稳定可靠，起到一定保护人体作用。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。
附图说明
图1为从背板方向看的本发明整体结构图；
图2为从悬浮背包方向看的本发明整体结构图；
图3为本发明侧视图；
图4为柔性驱动装置的立体图；
图5为髋关节的结构图；
图6为膝关节的结构图；
图7为踝关节及脚部连接的结构图。
具体实施方式
如图1-图3所示，一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，它包括背部、腰部、腿部和脚部4；腿部分为左腿和右腿，左腿和右腿均包括大腿31和小腿32；背部和腰部连接，腰部和大腿31通过髋关节A连接，大腿31和小腿32通过膝关节B连接，小腿32和脚部4通过踝关节C连接；
它还包括悬浮背包5和柔性驱动装置6，所述悬浮背包5包括背包连接板51、弹性绳52、背部滑轮组53、肩部滑轮组54和肩部支架55；
背部的背板11上端安装有两个肩部支架55，背包连接板51设置在背板11背面的滑轨12上，且背包连接板51能在滑轨12上上下滑动，背包连接板51上安装有两组背部滑轮组53，两个肩部支架55和两组背部滑轮组53对应设置，每个肩部支架55上沿前后方向安装有一排肩部滑轮组54，弹性绳52的两端固定于安装在大腿31上的大腿绑绳构件33上，弹性绳52依次搭设在一排肩部滑轮组54、一组背部滑轮组53、再经另一组背部滑轮组53和另一排肩部滑轮组54上并能滑动，每个肩部支架55上安装有两个柔性驱动装置6，每两个柔性驱动装置6分别能驱动对应腿的膝关节和踝关节助力大腿和小腿运动。一排肩部滑轮组54的数量可选用2组，每组2个滑轮，一组背部滑轮组53可选用2个滑轮，滑轮的中部为向内半圆凹陷的滑轮，弹性绳52布置在两个肩部滑轮之间以及背部滑轮之间，弹性绳52被滑轮限位，弹性绳52的运动摩擦带动两个肩部滑轮和背部滑轮滚动。
为了保证下肢外骨骼机器人不会因为负载上下振动造成的惯性力对机器人本体的影响，设计了一种新型的上述悬浮背包5，背包连接板51可以在外骨骼背板11上通过滑轨12进行上下滑动，背包连接板51通过弹性绳52悬挂在滑轨12中央，弹性绳52与大腿绑绳构件33固连。这样在人体快速行走时，背包在弹性绳52的作用下与地面保持相对静止不动，且弹性绳52上的力可以作用在大腿绑绳构件33上，辅助人体抬腿行走，完成髋关节的被动助力效果。柔性驱动装置6驱动在背上，减少了对下肢助力的负担。不仅增加了装置的灵活性、快速性，对人体穿戴的舒适性和贴合性有了很大的提高，提高了使用效率。
如图1和图4所示，所述柔性驱动装置6包括电机61、支撑连接架63、连接轴64、外壳65、柔性绳圈66、导向件67、钢丝绳68和端盖69；电机61与支撑连接架63连接，电机61的输出轴与转动安装在支撑连接架63内的连接轴64连接，支撑连接架63与端盖69之间布置有与二者连接的外壳65，外壳65内布置有柔性绳圈66，导向件67和连接轴64之间布置有与二者连接的柔性绳圈66，外壳65上沿连接轴4的轴向还开设有导向槽65-1，导向件67能沿导向槽65-1往复移动，钢丝绳68滑动穿过端盖69，钢丝绳68的一端与导向件67连接，钢丝绳68的另一端与膝关节B或踝关节C连接。所述导向件67包括中心环67-1和做在中心环67-1上的凸棱67-2，连接轴64上做有闭环，柔性绳圈66绕过闭环和中心环67-1套接在一起，凸棱67-2设在导向槽65-1内。此种柔性驱动装置6，柔性驱动装置6体积小，重量轻，且驱动在背上，减少了对下肢助力的负担。这样不仅增加了装置的灵活性、快速性，对人体穿戴的舒适性和贴合性有了很大的提高，提高了使用效率。
外壳65起到支撑的作用，导向槽65-1与导向环67-1的凸台配合，可以平衡由直流电机传递到柔性绳圈66的末端转矩的作用，提高收缩效率。柔性驱动装置单个可作成仅有400g，重量轻、助力效果好。采用柔性驱动装置，本装置设计在外骨骼的背部，通过电机驱动柔性绳圈(铰绳)的旋转带动连接的钢丝绳68，钢丝绳68通过鲍登线连接到膝关节或踝关节处的小腿连接件34，当电机旋转工作时，带动钢丝绳上下运动，起到助力的效果。
直流式电机61不经过减速器，通过联轴器62和连接轴64直接带动多股柔性绳圈66自身缠绕，柔性绳圈66自身的长度缩短，从而将电机61输出轴的旋转运动转化成柔性绳圈66末端及钢丝绳68的直线运动，同时将电机61的转矩转化成沿连接轴64轴向的直线力输出。柔性绳圈66由于受到了电机转矩的作用而互绞收缩，从而达到驱动负载(膝关节和踝关节)的作用，最终实现负载位移变化的效果。
如图1和图5所示，所述髋关节A包括连接杆A1和两个连接座A2，两个连接座A2分别与腰部的腰杆21和大腿31上端固接，连接杆A1两端分别与两个连接座A2铰接，所述铰接的两个铰接轴相互垂直，大腿31能前后和左右摆动。所述铰接的两个铰接轴在水平面上分别沿前后方向和左右方向布置。在髋关节设计为被动助力关节，人体下肢大腿可以完成前后摆动和左右摆动等动作，大腿杆件上有大腿绑绳构件33，通过弹性绳52与背包连接板51相连接，在人体运动的过程中，弹性绳52随着背包连接板51的作用产生拉力，在人体抬腿行走的过程中，辅助人体抬腿，达到髋关节辅助助力的效果，结构紧凑，小巧可靠，质量轻，效果好。方便了人体的穿戴过程，使人体舒适度大大提高，并且起到很好的助力效果。
如图1和图6所示，所述膝关节B包括上连接件B1和下连接件B2；上连接件B1和下连接件B2分别安装在大腿31和小腿32上，且上连接件B1和下连接件B2铰接，柔性驱动装置6的钢丝绳68端部与上连接件B1连接。所述铰接的铰接轴在水平面上沿左右方向布置，上连接件B1和下连接件B2通过轴承铰接。
如图1和图7所示，所述踝关节C包括连接座C1和安装座C2；连接座C1通过球面轴承与安装座C2转动连接，小腿32的下端与连接座C1固接，小腿32的下端还固接有小腿连接件34，每个肩部支架55上的两个柔性驱动装置6中的钢丝绳68端部分别与上连接件B1和小腿连接件34固接，柔性驱动装置6的钢丝绳68与小腿连接件34连接。踝关节C采用球铰将小腿32和脚底板相连接，人体穿戴上后可灵活地活动。整体步态信息，通过脚底板的IMU传感器(该传感器安装在安装座C2上的U形支架上)捕捉人体运动时抬脚的加速度和角加速度，通过无线蓝牙传输将信息传给背部的主控板，主控板控制电机输出的力矩和转速，达到较好的适应性。
如图1和图7所示，所述脚部4为脚底板，脚底板安装在安装座C2上，脚底板上固装有与安装座C2正对布置的挡板41。挡板41的设置有利于脚部的控制和固定。
所述背板11、背包连接板51、肩部支架55、大腿31、小腿32、腰杆21、外壳65和脚底板均由碳纤维材料制成。所述连接杆A1、上连接件B1、下连接件B2、连接座C1、安装座C2、支撑连接架63、两个连接座A2、两个大腿绑绳构件33和两个小腿连接件34均由铝合金材料制成。主体采用碳纤维材料，关键复杂零部件采用铝合金材料，其可完成深蹲，跨越障碍等高难度动作，并辅助增强人体的跑跳能力，兼顾了对轻型化和机动性的要求。实施方式下的产品整体重量包括电气系统不超过8kg，整个下肢外骨骼机器人支撑构件由碳纤维材料制作，材料轻、不易变形，达到了单人即可穿戴的效果，支撑构件重量仅不到7kg。由于整体下肢助力外骨骼机器人为刚性材料，具有很好的卸荷效果，在大负载的工况下，有很好的助力效果，人体在直立不动时，负载可以通过外骨骼将重量传递给地面。
工作原理：本发明通过腰部的锂电池作为动力源，将柔性驱动装置的电机转动作为驱动动力，整体外骨骼机器人采用柔性驱动装置，其原理是电机61旋转使柔性绳圈66旋转，带动与柔性绳圈66相连的钢丝绳68，钢丝绳68外部由鲍登线包裹，一组(两个)柔性驱动装置驱动膝关节B，另一组(两个)柔性驱动装置驱动踝关节C，通过钢丝绳68拉动膝关节B和踝关节C起到助力效果。髋关节A采用被动助力，通过背部的悬浮背包5。悬浮背包5由一块背包连接板51、滑轨12和弹性绳52等构成，通过调节弹性绳52的刚度系数和阻尼系数，使人体在一定频率下行走的时候，背板11贴靠在人体的背部，背包连接板51相对地面不动，减少由于人体上下重心的变化导致背包上下移动产生巨大的惯性力冲击。整体重量包括机电系统不超过8kg，人体穿戴外骨骼后可以进行深蹲，跨越等高难度动作，实现轻型化、机动性好的要求。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，它包括背部、腰部、腿部和脚部(4)；腿部分为左腿和右腿，左腿和右腿均包括大腿(31)和小腿(32)；背部和腰部连接，腰部和大腿(31)通过髋关节(A)连接，大腿(31)和小腿(32)通过膝关节(B)连接，小腿(32)和脚部(4)通过踝关节(C)连接；
其特征在于：它还包括悬浮背包(5)和柔性驱动装置(6)，所述悬浮背包(5)包括背包连接板(51)、弹性绳(52)、背部滑轮组(53)、肩部滑轮组(54)和肩部支架(55)；
背部的背板(11)上端安装有两个肩部支架(55)，背包连接板(51)设置在背板(11)背面的滑轨(12)上，且背包连接板(51)能在滑轨(12)上上下滑动，背包连接板(51)上安装有两组背部滑轮组(53)，两个肩部支架(55)和两组背部滑轮组(53)对应设置，每个肩部支架(55)上沿前后方向安装有一排肩部滑轮组(54)，弹性绳(52)的两端固定于安装在大腿(31)上的大腿绑绳构件(33)上，弹性绳(52)依次搭设在一排肩部滑轮组(54)、一组背部滑轮组(53)、再经另一组背部滑轮组(53)和另一排肩部滑轮组(54)上并能滑动，每个肩部支架(55)上安装有两个柔性驱动装置(6)，每两个柔性驱动装置(6)分别能驱动对应腿的膝关节(B)和踝关节(C)以助力大腿(31)和脚部(4)运动。
2.根据权利要求1所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述柔性驱动装置(6)包括电机(61)、支撑连接架(63)、连接轴(64)、外壳(65)、柔性绳圈(66)、导向件(67)、钢丝绳(68)和端盖(69)；电机(61)与支撑连接架(63)连接，电机(61)的输出轴与转动安装在支撑连接架(63)内的连接轴(64)连接，支撑连接架(63)与端盖(69)之间布置有与二者连接的外壳(65)，外壳(65)内布置有柔性绳圈(66)，导向件(67)和连接轴(64)之间布置有与二者连接的柔性绳圈(66)，外壳(65)上沿连接轴(4)的轴向还开设有导向槽(65-1)，导向件(67)能沿导向槽(65-1)往复移动，钢丝绳(68)滑动穿过端盖(69)，钢丝绳(68)的一端与导向件(67)连接，钢丝绳(68)的另一端与膝关节(B)或踝关节(C)连接。
3.根据权利要求2所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述导向件(67)包括中心环(67-1)和做在中心环(67-1)上的凸棱(67-2)，连接轴(64)上做有闭环，柔性绳圈(66)绕过闭环和中心环(67-1)套接在一起，凸棱(67-2)设在导向槽(65-1)内。
4.根据权利要求2或3所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节(A)包括连接杆(A1)和两个连接座(A2)，两个连接座(A2)分别与腰部的腰杆(21)和大腿(31)上端固接，连接杆(A1)两端分别与两个连接座(A2)铰接，所述铰接的两个铰接轴相互垂直，大腿(31)能前后和左右摆动。
5.根据权利要求4所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述膝关节(B)包括上连接件(B1)和下连接件(B2)；上连接件(B1)和下连接件(B2)分别安装在大腿(31)和小腿(32)上，且上连接件(B1)和下连接件(B2)铰接，柔性驱动装置(6)的钢丝绳(68)端部与上连接件(B1)连接。
6.根据权利要求5所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节(C)包括连接座(C1)和安装座(C2)；连接座(C1)通过球面轴承与安装座(C2)转动连接，小腿(32)的下端与连接座(C1)固接，小腿(32)的下端还固接有小腿连接件(34)，每个肩部支架(55)上的两个柔性驱动装置(6)中的钢丝绳(68)端部分别与上连接件(B1)和小腿连接件(34)固接，柔性驱动装置(6)的钢丝绳(68)与小腿连接件(34)连接。
7.根据权利要求5或6所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述脚部(4)为脚底板，脚底板安装在安装座(C2)上，脚底板上固装有与安装座(C2)正对布置的挡板(41)。
8.根据权利要求7所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述背板(11)、背包连接板(51)、肩部支架(55)、大腿(31)、小腿(32)、腰杆(21)、外壳(65)和脚底板均由碳纤维材料制成。
9.根据权利要求8所述一种主被动结合的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述连接杆(A1)、上连接件(B1)、下连接件(B2)、连接座(C1)、安装座(C2)、支撑连接架(63)、两个连接座(A2)、两个大腿绑绳构件(33)和两个小腿连接件(34)均由铝合金材料制成。
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