CN110861074B - 一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人，包括腰带，所述腰带下方对应设置两个腿部固定装置，两个腿部固定装置并列设置，所述腿部固定装置包括大腿固定带，大腿固定带下方对应设置小腿固定带，且大腿固定带和小腿固定带之间连接卡扣弯曲装置；所述腰带与控制器连接，控制器的壳体内设置舵机和单片机，舵机和单片机相连，舵机通过丝鞘与卡扣弯曲装置连接。

Description

一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人

技术领域

本公开属于医疗助力器械技术领域，具体涉及一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人。

背景技术

外骨骼机器人，是指套在人体外侧的机器人，如同穿在人体上的“钢铁战衣”，因其使用前需要穿戴，故也称为“可穿戴的机器人”。外骨骼机器人是一种综合性技术，融合了传感、控制、信息、机械、移动计算等技术，在医疗、军事、救援等领域具有广阔的应用前景，尤其应用在民用市场的助老、助残方面。

目前市场上出现的大多是电机驱动的刚性外骨骼助力机器人，这种机器人不仅整体笨重、对人体伤害大、容易产生不舒适感，而且其使用的液压驱动器结构复杂、易泄漏、成本高，还需要额外的高压安全保护装置，并不适合未来发展需要。此外，还有气压驱动的机器人，与电机、液压驱动器相比，气压驱动虽然具有轻便、清洁、结构简单、价格便宜、高功率－重量比等优点，但由于气体的可压缩性，气动驱动器系统响应的时滞性明显，不利于位置的精确控制，因而并没有得到广泛应用。目前的康复训练器械功能单一，以固定式为主，而且此前的康复外骨骼机器人多是刚性的，虽然可以提供较大的支撑力，但限制人体活动自由度，并且自身重量和成本也较高。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人；该助力机器人通过舵机的旋转带动绳索收紧(或放松)来协助膝关节的运动，有效解决了传统刚性外骨骼机器人结构导致的笨重、束缚性大等的问题。

本公开的发明目的是提出一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人，包括腰带，所述腰带下方对应设置两个腿部固定装置，两个腿部固定装置并列设置，所述腿部固定装置包括大腿固定带，大腿固定带下方对应设置小腿固定带，且大腿固定带和小腿固定带之间连接卡扣弯曲装置；所述腰带与控制器连接，控制器的壳体内设置舵机和单片机，舵机和单片机相连，舵机通过丝鞘与卡扣弯曲装置连接。

作为进一步的技术方案，所述卡扣弯曲装置包括多个依次连接的卡扣，相邻卡扣均铰接于同一连接块，以使卡扣弯曲装置形成关节形式结构。

作为进一步的技术方案，所述卡扣弯曲装置设置两个，两卡扣弯曲装置分别设置于大腿固定带两侧。

作为进一步的技术方案，所述丝鞘包括第一丝鞘、第二丝鞘、第三丝鞘、第四丝鞘、第五丝鞘，第一丝鞘位于大腿固定带后方，第二、第三丝鞘位于大腿固定带一侧，第四、第五丝鞘位于大腿固定带另一侧。

作为进一步的技术方案，所述第一丝鞘绕线于第一舵机，第二、第三丝鞘绕线于第二舵机，第二、第三丝鞘在第二舵机的绕线方式相反，第四、第五丝鞘绕线于第三舵机，第四、第五丝鞘在第三舵机的绕线方式相反。

作为进一步的技术方案，所述卡扣弯曲装置顶部通过连接板与横向的第一弧形板连接，第一丝鞘底部连接于第一弧形板，卡扣弯曲装置底部也通过连接板与横向的第二弧形板连接，第一弧形板和第二弧形板之间通过连接绳连接。

作为进一步的技术方案，所述第一弧形板对应于大腿固定带外侧，第二弧形板对应于小腿固定带外侧。

作为进一步的技术方案，所述第二、第三丝鞘连接于一侧的卡扣弯曲装置，第三、第四丝鞘连接于另一侧的卡扣弯曲装置。

作为进一步的技术方案，所述大腿固定带和小腿固定带均呈环形；所述大腿固定带和腰带之间通过吊带连接；所述小腿固定带下方设置脚底传感器，脚底传感器与单片机连接。

作为进一步的技术方案，两所述卡扣弯曲装置之间连接膝盖固定带，膝盖固定带呈弧形。

本公开的有益效果为：

本公开的助力机器人，通过线驱动的柔性外骨骼，使用舵机驱动来改变线长，从而使膝关节外骨骼改变形状而帮助行走，帮助老人或腿脚不方便的人行走；通过采用丝鞘原理来完成整个线驱系统的布线，使得整个机构更加简洁、紧凑，避免了传统线驱系统的不利之处，使得助力机器人更好的实现简洁化和一体化。

本公开的助力机器人，通过更改结构，使部分舵机可以驱动两根线，减少了舵机的数量，有效地减轻了柔性外骨骼的重量；通过采用卡扣弯曲装置，更好的实现了对外骨骼穿戴者膝关节弯曲和伸展的助力，使得老人或腿脚不方便的人行走更加方便。

本公开的助力机器人，结构简单，易于穿戴，减少了外骨骼穿戴者行走的人员配置，缓解了老人或腿脚不方便的人不能或无法出行的困扰。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为助力机器人整体结构示意图；

图2为助力机器人侧视图；

图3为卡扣弯曲装置与大腿、小腿固定带连接结构示意图；

图4为控制器内部结构示意图；

图5为丝鞘与控制器连接示意图；

图6为丝鞘与卡扣弯曲装置连接示意图；

图7为丝鞘示意图；

图中，1控制器、2腰带、3大腿固定带、4卡扣弯曲装置、5小腿固定带、6脚底传感器、7吊带、8第一丝鞘、9第二丝鞘、10第三丝鞘、11第四丝鞘、12第五丝鞘，13舵机、14单片机、15电池、16卡扣Ⅰ、17卡扣Ⅱ、18卡扣Ⅲ、19膝盖固定带，20连接板，21第一弧形板，22连接板，23第二弧形板，24连接绳。

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，本文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；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人。

本申请提供了一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人，包括腰带，所述腰带下方对应设置两个腿部固定装置，两个腿部固定装置并列设置，所述腿部固定装置包括大腿固定带，大腿固定带下方对应设置小腿固定带，且大腿固定带和小腿固定带之间连接卡扣弯曲装置；所述腰带与控制器连接，控制器的壳体内设置舵机和单片机，舵机和单片机相连，舵机通过丝鞘与卡扣弯曲装置连接。

实施例1

下面结合附图1-附图7对本实施例公开的助力机器人做进一步的说明；

参照附图1-图7所示，一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人，包括控制器1、腰带2、大腿固定带3、卡扣弯曲装置4、小腿固定带5、脚底传感器6、吊带7、第一丝鞘8、第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12。

控制器1挂于腰带2上，可在控制器壳体外侧设置卡扣，腰带2呈环形，腰带2穿过控制器壳体外侧的卡扣，系在人体腰部；

腰带2下方对应设置两个腿部固定装置，两腿部固定装置并列设置，腿部固定装置包括大腿固定带3、卡扣弯曲装置4、小腿固定带5，大腿固定带3、小腿固定带5均呈环形，大腿固定带3置于小腿固定带5上方，大腿固定带3系在膝关节上部，小腿固定带5系在膝关节下部，吊带7连接于腰带2和大腿固定带3之间。

大腿固定带3、小腿固定带5之间连接有两个卡扣弯曲装置4，两个卡扣弯曲装置4分别连接于大腿固定带3、小腿固定带5两侧；卡扣弯曲装置4上部与大腿固定带3连接，下部与小腿固定带5连接，连接方式均为销连接；

如图3所示，卡扣弯曲装置4由卡扣Ⅰ16、卡扣Ⅱ17、卡扣Ⅲ18连接而成，相邻卡扣均铰接于同一连接块，使得整体的卡扣弯曲装置4可形成能相应弯曲的关节形式结构。

卡扣弯曲装置4顶部通过连接板20与横向的第一弧形板21连接，第一丝鞘8底部通过螺栓连接于第一弧形板21，卡扣弯曲装置4底部也通过连接板22与横向的第二弧形板23连接，第一弧形板21对应于大腿固定带3外侧，第二弧形板23对应于小腿固定带5外侧，第一弧形板21和第二弧形板23之间通过连接绳24连接。

本公开的外骨骼助力机器人能够实现膝关节的弯曲和伸直：

膝关节的弯曲和伸直是通过卡扣弯曲装置4和各丝鞘实现的，控制器与腿部固定装置之间连接有多个丝鞘，分别为第一丝鞘8、第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12，第一丝鞘8位于膝关节后方，第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12位于膝关节两侧，其中第二丝鞘9、第三丝鞘10位于同一侧，第四丝鞘11、第五丝鞘12位于同一侧；如图4所示，控制器1内部装有单片机14、舵机13，舵机13和单片机14连接，单片机、舵机均由电池15供电，其中第一丝鞘8单独绕线在一个舵机上，第二丝鞘9、第三丝鞘10共同绕线在一个舵机上(第二丝鞘9、第三丝鞘10在舵机的绕线方式相反，使舵机运转时，缠绕其中一丝鞘而放松另一丝鞘)，第四丝鞘11、第五丝鞘12共同绕线在一个舵机上(第四丝鞘11、第五丝鞘12在舵机的绕线方式相反，使舵机运转时，缠绕其中一丝鞘而放松另一丝鞘)；第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12穿进卡扣弯曲装置4中，与卡扣弯曲装置4在下部通过螺栓连结，其中第二丝鞘9、第三丝鞘10连接于膝关节一侧的卡扣弯曲装置4，第四丝鞘11、第五丝鞘12连接于膝关节另一侧的卡扣弯曲装置4。

同一腿部固定装置两侧的卡扣弯曲装置4中部之间连接膝盖固定带19，膝盖固定带呈环形，位于膝关节前方。

第一丝鞘8、第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12配合运动，通过不同丝鞘内部钢丝的拉紧，来实现膝关节的弯曲和伸直动作。

如图7所示，第一丝鞘8、第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12均是两层结构，丝鞘外层为橡胶材料，丝鞘内层与内部钢丝一样，为钢制材料，因此具备可弯曲和无法改变长度的特点；而钢丝在丝鞘内长度是一定的，舵机缠绕丝鞘内部的钢丝，舵机通过缠紧或放松钢丝，进而带动腰带和大腿固定带之间不同丝鞘的弯曲和伸展，从而带动膝关节的弯曲或伸展。

小腿固定带下方设置脚底传感器，脚底传感器与单片机连接，使用时脚底传感器6放置在脚底，具体采用压力传感器，通过感知脚底压力的变化将信号发送至控制器1内的单片机14。脚底传感器6为鞋套样式，可穿戴在脚上。

工作时，脚底传感器6收集脚底压力变化信号，将信号传至单片机14，单片机判断人体运动状态，控制舵机缠紧和放松丝鞘内部钢丝，进而带动第一丝鞘8、第二丝鞘9、第三丝鞘10、第四丝鞘11、第五丝鞘12的弯曲和伸展，其中第一丝鞘8、第二丝鞘9、第四丝鞘11相对于第三丝鞘10、第五丝鞘12位于后方，第一丝鞘8、第二丝鞘9、第四丝鞘11向后弯曲(即其内部钢丝被缠紧)即可带动卡扣弯曲装置4的弯曲，实现膝关节的弯曲，第三丝鞘10、第五丝鞘12向前弯曲(即其内部钢丝被缠紧)即可带动卡扣弯曲装置4的伸展，实现膝关节的伸展，从而帮助外骨骼穿戴者行走。

本公开通过更改结构，使一个舵机可以驱动两根线，有效的节省了舵机，从而增加了外骨骼机器人的续航时间，并且明显的减轻了外骨骼助力机器人的重量，大大增强了对下肢运动的协助作用，提高了助力器械的轻便性和安全性。

本公开的线驱动的外骨骼机器人，既有轻便、清洁、结构简单、价格便宜等优点，又不会使穿戴者的关节受外部刚性结构的束缚，对衣服的磨损也非常轻，这样就最大限度地减少了外骨骼对身体生物力学的无意干涉，能够进行更多的协同运动，对我国老年助力机器人领域发展具有重要意义。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人，其特征是，包括腰带，所述腰带下方对应设置两个腿部固定装置，两个腿部固定装置并列设置，所述腿部固定装置包括大腿固定带，所述大腿固定带和腰带之间通过吊带连接；大腿固定带下方对应设置小腿固定带，且大腿固定带和小腿固定带之间连接卡扣弯曲装置，所述小腿固定带下方设置脚底传感器；所述腰带与控制器连接，控制器的壳体内设置舵机和单片机，舵机和单片机相连，舵机通过丝鞘与卡扣弯曲装置连接；所述卡扣弯曲装置包括多个依次连接的卡扣，相邻卡扣均铰接于同一连接块，以使卡扣弯曲装置形成关节形式结构；所述卡扣弯曲装置设置两个，两卡扣弯曲装置分别设置于大腿固定带两侧；

所述丝鞘包括第一丝鞘、第二丝鞘、第三丝鞘、第四丝鞘、第五丝鞘，第一丝鞘位于大腿固定带后方，第二、第三丝鞘位于大腿固定带一侧，第四、第五丝鞘位于大腿固定带另一侧；

所述第一丝鞘绕线于第一舵机，第二、第三丝鞘绕线于第二舵机，第二、第三丝鞘在第二舵机的绕线方式相反，第四、第五丝鞘绕线于第三舵机，第四、第五丝鞘在第三舵机的绕线方式相反；

所述卡扣弯曲装置顶部通过连接板与横向的第一弧形板连接，第一丝鞘底部连接于第一弧形板，卡扣弯曲装置底部也通过连接板与横向的第二弧形板连接，第一弧形板和第二弧形板之间通过连接绳连接；

所述第二、第三丝鞘连接于一侧的卡扣弯曲装置，第四、第五丝鞘连接于另一侧的卡扣弯曲装置；

第一丝鞘、第二丝鞘、第三丝鞘、第四丝鞘、第五丝鞘均是两层结构，丝鞘外层为橡胶材料，丝鞘内层与内部钢丝一样，为钢制材料；舵机缠绕丝鞘内部的钢丝，舵机通过缠紧或放松钢丝，进而带动腰带和大腿固定带之间不同丝鞘的弯曲和伸展，从而带动膝关节的弯曲或伸展。

2.如权利要求1所述的绳驱动柔性外骨骼助力机器人，其特征是，所述第一弧形板对应于大腿固定带外侧，第二弧形板对应于小腿固定带外侧。

3.如权利要求1所述的绳驱动柔性外骨骼助力机器人，其特征是，所述大腿固定带和小腿固定带均呈环形；脚底传感器与单片机连接。

4.如权利要求1所述的绳驱动柔性外骨骼助力机器人，其特征是，两所述卡扣弯曲装置之间连接膝盖固定带，膝盖固定带呈弧形。

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