CN111671622B - 一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人，包括背部主控系统、连接背部主控系统下方的腰部动力系统、安装在腰部动力系统侧方的下肢杆件结构、套索传动系统、人机绑缚结构；其中通过套索驱动，使动力系统放置到了腰部动力系统，减轻了外骨骼下肢腿杆的惯量。套索的远距离传输使得关节设计可以模块化。膝关节的结构设计减小了下肢体积。髋关节有两个自由度的设计并设有限位结构。交互力传感器的设计使得能用价格低廉的薄膜压力传感器完成二维力测量，并且方便更换。外骨骼足底的设计，结构简单，实现成本低。

Description

一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种可穿戴外骨骼机器人。

背景技术

为了辅助下肢力量虚弱的老年人日常出行需求，通常需要一种辅助装置来代替或辅助人体行走。轮椅作为最常用的代替人体行走的装置，通常为人坐在椅子中，使用手或电动控制轮子速度完成移动功能。

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的机电设备，通常为使用电机或其他动力提供驱动力，通过传动结构将驱动力输出到人体关节处，在人体步行过程中为关节提供助力。下肢外骨骼机器人通常有刚性的机械腿杆，将自身负重传递到地面，因此穿戴者感受到的装置重量很小。外骨骼机器人通常具有体积小、可穿戴、跟随人体运动、可助力的特点，因此在辅助步行方面比轮椅有更好的地形通过性与适应性。

以上两种方式的不足之处在于手动轮椅受体积限制，不方便进入一些空间狭小的地区，或者是一些不平坦的地区，且难以上下楼梯，使用者在长时间使用后手部容易疲劳，且在危险时刻用手刹车容易导致手部受伤。电动轮椅虽然比手动轮椅更加方便，但是受到续航限制。

下肢外骨骼机器人中，采用齿轮、滚珠丝杠作为传动结构的，结构重量大，传动距离短，且不利于维修。因为传动距离短，驱动器通常安装于输出关节附近，比如安装于大腿附近、小腿附近。驱动器一般由电机和减速器组成，其体积大、重量大，安装在大小腿附近会使得机器人腿部结构惯量大，加大了运动控制难度。其次，驱动器的安装结构使得机器人腿部机械结构复杂，难以加工。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是设计一种可穿戴式的、单关节驱动下肢外骨骼机器人，驱动器不再安装在腿部结构或腿部关节上，使用刚性腿杆结构使得背部负载能够通过刚性结构传递到地面，结构简单，减轻结构重量，获得更好的运动控制效果。

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人，包括背部主控系统、连接背部主控系统下方的腰部动力系统、安装在腰部动力系统侧方的下肢杆件结构、套索传动系统、人机绑缚结构；所述套索传动系统包括安装在下肢杆件结构上的套索驱动轮及缠绕套索驱动轮的套索，套索的上端与腰部动力系统连接，

所述下肢杆件结构包括与腰部动力系统侧方连接的髋关节、自髋关节延伸的大腿杆、与大腿杆下方连接的膝关节、自膝关节向下延伸的小腿杆、与小腿杆下方连接的踝关节双头螺柱，与踝关节双头螺柱下方连接的外骨骼足底；

人机绑缚结构包括腿部护具以及腿部护具连接的交互力传感器用以测量人体腿部对下肢杆件结构施加的交互力。

进一步的，所述交互力传感器包括固定在下肢杆件结构上的固定件以及相对固定件转动的活动件，固定件的两个侧壁内侧包住活动件，固定件和活动件的两侧之间分别有空隙，且分别贴上薄膜压力传感器和弹性橡胶垫；当活动件与固定件有相对转动时，一侧的薄膜压力传感器被挤压，另一侧放松，两个薄膜压力传感器产生压力差而体现交互力。

进一步的，述膝关节包括中空的膝关节限位轮、位于膝关节限位轮内的膝关节轴承、膝关节轴承支撑筒、膝关节绝对值编码器、大腿杆连接盘、固定在膝关节限位轮外侧的膝关节驱动轮、固定在膝关节限位轮内侧的小腿杆连接盘；膝关节限位轮35上设有弧形的开槽，大腿杆自开槽穿过并与大腿杆连接盘固定，大腿杆连接盘与膝关节轴承支撑筒固定，膝关节轴承支撑筒的凸缘与膝关节轴承内侧固定，膝关节轴承的外缘与膝关节驱动轮内侧的凹孔固定，限位轮的外侧抵靠在膝关节驱动轮内侧上并通过螺钉固定，大腿杆连接盘相对小腿杆连接盘转动；膝关节绝对值编码器固定于大腿杆连接盘，膝关节绝对值编码器的轴通过法兰盘固定在小腿杆连接盘上。

进一步的，髋关节包括髋关节支架、髋关节轴承、深沟球轴承的外圈盖板、固定在外圈盖板外侧的髋关节连接盘、髋关节编码器、内置弹簧减震器；髋关节连接盘下方固定有髋关节第一铰链；髋关节第一铰链下方铰接髋关节第二铰链；内置弹簧减震器的上方与髋关节连接盘连接而下方与髋关节第二铰链连接；髋关节第二铰链的下方连接大腿杆；第二铰链与第一铰链的配合带动大腿杆相对于髋关节连接盘外摆内收。

进一步的，大腿杆包括大腿杆上部、大腿杆下部和凸轮锁紧机构；大腿杆上部有方形凹槽，大腿杆上部在侧面和正面开槽，大腿杆下部的上端为方形结构用以伸入大腿杆上部的凹槽中进行滑动；大腿杆下部的上端两边有螺纹孔，正面也有螺纹孔，当大腿杆下部滑入大腿杆上部后，用螺钉穿过大腿杆上部两侧槽并旋入大腿杆下部上端的两边螺纹孔，完成滑槽机构安装；凸轮锁紧机构包括凸轮把手、锁紧垫片、螺栓连杆；将凸轮锁紧机构的螺栓连杆穿过大腿杆上部正面槽，并旋入大腿杆下部的正面螺纹孔中，按压凸轮把手而通过凸轮将大腿杆上下两部分锁紧。

进一步的，踝关节为鱼眼铰链结构，包括球铰和球铰接头。

进一步的，外骨骼足底包括两层泡沫鞋底、一层橡胶底、多个薄膜压力传感器、脚踏及脚步绑缚结构；脚踏与踝关节鱼眼接头通过螺栓连接，脚踏与泡面鞋底也通过螺栓螺母连接；薄膜压力传感器夹在橡胶鞋底与泡沫鞋底中间，用来检测足底压力。

进一步的，人机绑缚结构包括大腿绑缚机构、小腿绑缚机构，腰带、肩带，脚部绑缚机构。

本发明的优点在于，通过套索驱动，使动力系统放置到了后腰，减轻了外骨骼下肢腿杆的惯量。套索的远距离传输使得关节设计可以模块化。膝关节的结构设计减小了下肢体积。髋关节有两个自由度的设计并设有限位结构。交互力传感器的设计使得能用价格低廉的薄膜压力传感器完成二维力测量，并且方便更换。外骨骼足底的设计，结构简单，实现成本低。大小腿长度调节机构使用方便，易于调节。绑缚穿戴机构方便穿脱。

附图说明

图1是本发明整体结构的后侧向视图。

图2是本发明右下肢整体结构的侧向视图。

图3是本发明的膝关节Ⅱ结构立体分解图。

图4是本发明的髋关节Ⅰ结构立体分解图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本次发明的可穿戴式套索驱动关节负载步行外骨骼机器人包括背部主控系统3、腰部动力系统、下肢杆件结构、套索传动系统、人机绑缚结构。

如图1所示的整体系统：

系统共有12个自由度，每条下肢6个自由度。每条下肢中，髋关节Ⅰ具有屈/伸、外展/内收两个自由度。膝关节Ⅱ屈/伸自由度。踝关节有屈/伸自由度，其中外展/内收、外旋/内旋自由度分别通过鱼眼接头和足部螺柱实现。采用腰部电机和套索驱动，套索将动力传递到膝关节Ⅱ，通过控制算法使其在穿戴者步行时提供助力。

如图1所示的背部主控系统3。

背部主控系统3包括动力锂电池、伺服电机驱动器、主控制器PCB板、背部基本固定板、亚克力板结构件。背部基本固定板上固定伺服电机驱动器，并使用铜柱连接亚克力板，亚克力板上再通过铜柱连接PCB板等部件，背部的层板结构组成的凹槽用来放置动力锂电池。背部结构为层板连接式结构，方便安装各类器件与拓展。

如图1所示的腰部动力系统。

腰部动力系统包括伺服电机、行星减速机、伺服电机安装支架、电机托架、套索驱动轮、L形夹块、套索、刹车线固定板(均未图示)。伺服电机直连行星减速机，减速机安装于伺服电机安装支架上，支架安装于背部基本固定板上。电机托架也安装在背部基本固定板上，托住伺服电机防止因为行走振动影响伺服电机安装。减速机输出轴连接套索驱动轮，套索通过L形夹块绕在套索驱动轮对应的凹槽里。套索传动用的套管顶在刹车线固定板上。

如图1至图4所示的下肢杆件结构。

下肢杆件包括髋关节Ⅰ、大小腿杆可调机构、膝关节Ⅱ、踝关节、外骨骼足底。具体包括髋关节Ⅰ；膝关节Ⅱ；右鞋Ⅲ；髋关节Ⅰ连接盘5；弹簧减震器上部支架6；内置弹簧减震器7；髋关节Ⅰ第一铰链8；髋关节Ⅰ第二铰链9；髋关节Ⅰ外摆轴销11固定螺钉10；髋关节Ⅰ外摆轴销11；弹簧减震器下部支架12；大腿杆上部13；大腿凸轮锁紧把手14；大腿护具15；大腿交互力传感器16；大腿杆下部17；膝关节Ⅱ内侧驱动套索18；膝关节Ⅱ内侧驱动套管19；膝关节Ⅱ刹车线预紧板26预紧螺钉20；膝关节Ⅱ内侧套管盖板21；膝关节Ⅱ外侧驱动套索22；膝关节Ⅱ外侧驱动套管23；膝关节Ⅱ外侧套管盖板24；膝关节Ⅱ凸轮锁紧把手25；膝关节Ⅱ刹车线预紧板26；小腿护具27；小腿交互力传感器28；小腿杆上部29；小腿凸轮锁紧把手30；小腿杆下部31；踝关节双头螺柱32；膝关节Ⅱ刹车线盖板33；膝关节Ⅱ驱动轮34；膝关节Ⅱ限位轮35；膝关节Ⅱ轴承37内圈盖板36；膝关节Ⅱ轴承37；膝关节Ⅱ轴承支撑筒38；膝关节Ⅱ绝对值编码器39；大腿杆连接盘40；膝关节Ⅱ编码器法兰盘41；膝关节Ⅱ编码器法兰盘定位螺钉42；小腿杆连接盘43；髋关节Ⅰ轴承外圈盖板44；髋关节Ⅰ轴承45；髋关节Ⅰ轴46；髋关节Ⅰ轴承外圈固定座47；髋关节Ⅰ编码器固定盘48；髋关节Ⅰ支架49；髋关节Ⅰ编码器50。

髋关节Ⅰ连接外骨骼腰部和大腿杆，并具有两个自由度。其中，髋关节Ⅰ轴46上套上深沟球轴承内圈，轴承外圈套在髋关节Ⅰ轴46承45外圈固定环上，连接下肢的髋关节Ⅰ连接盘5与髋关节Ⅰ轴46固定。髋关节Ⅰ轴46绕外圈固定的轴承旋转构成了髋关节Ⅰ的屈/伸自由度。髋关节Ⅰ的外展/内收自由度是通过髋关节Ⅰ合页铰链实现的，并用两个内置弹簧阻尼器完成外展限位。髋关节Ⅰ还使用了编码器固定架安装微型编码器，编码器的D字轴连接到髋关节Ⅰ轴46中心的D字孔内，当髋关节Ⅰ轴46绕髋关节Ⅰ转动时，编码器的轴也跟着转动，从而记录髋关节Ⅰ角度。

大腿杆可调机构主要由三部分组成，大腿杆上部13、大腿杆下部17和凸轮锁紧机构。大腿杆上部13有方形凹槽，并在侧面和正面开槽。大腿杆下部17的上端为方形结构，可以伸入大腿杆上部13的凹槽中进行滑动。大腿杆下部17的上端两边有螺纹孔，正面也有螺纹孔，当大腿杆下部17滑入大腿杆上部13后，用螺钉穿过大腿杆上部13两侧槽并旋入大腿杆下部17上端的两边螺纹孔，完成滑槽机构安装。凸轮锁紧机构由凸轮把手、锁紧垫片、螺栓连杆组成。将凸轮锁紧机构的螺栓连杆穿过大腿杆上部13正面槽，并旋入大腿杆下部17的正面螺纹孔中，调整合适旋入深度，按压凸轮把手即可通过凸轮将大腿杆上下两部分锁紧。小腿杆可调机构与大腿杆可调机构相似，不同的是小腿杆是上部为滑芯，下部为滑槽，且可调长度与大腿杆不同。

膝关节Ⅱ连接大腿杆和小腿杆，具有屈/伸自由度。膝关节Ⅱ轴承37内圈套在膝关节Ⅱ轴承支撑筒38的凸缘上，其外圈被套在膝关节Ⅱ驱动轮34上。膝关节Ⅱ驱动轮34连接膝关节Ⅱ限位轮35，膝关节Ⅱ限位轮35又连接小腿连接盘43，小腿连接盘43上连接小腿杆件。膝关节包括中空的膝关节限位轮35、位于膝关节限位轮35内的膝关节轴承37、膝关节轴承支撑筒38、膝关节绝对值编码器39、大腿杆连接盘40、固定在膝关节限位轮35外侧的膝关节驱动轮34、固定在膝关节限位轮35内侧的小腿杆连接盘43。限位轮35上设有弧形的开槽，大腿杆自开槽穿过并与大腿杆连接盘40固定。大腿杆连接盘40与膝关节轴承37内侧固定。膝关节轴承37的外缘与膝关节限位轮35内环侧抵靠。大腿杆连接盘40相对小腿杆连接盘43转动。膝关节绝对值编码器39固定于大腿杆连接盘40。膝关节绝对值编码器39的轴通过固定在小腿杆连接盘43上。膝关节Ⅱ限位轮35固定在连接大腿的大腿杆连接盘40上，因此小腿杆相对大腿因为轴承的自由度可以完成屈/伸运动。膝关节Ⅱ限位轮35穿过了大腿杆下部17两侧，可以通过自身结构完成膝关节Ⅱ的限位。膝关节Ⅱ的角度用绝对值编码器检测，编码器本体固定于大腿杆连接盘40，其轴通过法兰盘固定在小腿杆连接盘43上，大小腿之间的负载通过膝关节Ⅱ轴承37传递而不通过编码器轴，可以有效保护编码器。

踝关节使用了鱼眼铰链结构。鱼眼铰链由球铰和球铰接头组成。球铰提供踝关节屈/伸自由度，其球铰结构也提供了部分的外展/内收自由度。球铰接头与小腿杆下部30下部连接的双头螺柱连接。双头螺柱可不用旋入到底，通过螺纹来提供外旋/内旋自由度。

外骨骼足底由两层泡沫鞋底、一层橡胶底、多个薄膜压力传感器及其垫片、脚踏及脚步绑缚结构组成。脚踏与踝关节鱼眼接头通过螺栓连接，脚踏与泡面鞋底也通过螺栓螺母连接。薄膜压力传感器夹在橡胶鞋底与泡沫鞋底中间，用来检测足底压力。

套索传动系统。

本实施例中通过套索驱动膝关节。一个关节共有两条套索，套索通过腰部动力系统的伺服电机驱动。一条套索控制膝关节Ⅱ屈曲运动，当膝关节Ⅱ套索产生拉力时给膝关节Ⅱ提供屈曲力矩。另一条套索控制膝关节Ⅱ伸展运动，其产生拉力时给膝关节Ⅱ提供伸展力矩。当套索驱动轮正转或反转时，其中一条套索张紧，另一条套索放松，不会互相干涉。套索传动系统带动膝关节Ⅱ运动的方式可以参照中国发明专利申请CN110652425A中套索(钢丝绳)驱动的说明，在此不再赘述。

如图1、图2所示的人机绑缚结构。

人机绑缚结构主要分为大小腿绑缚机构，腰带4及肩带2，脚部绑缚机构。

大小腿绑缚机构。大腿与小腿绑缚机构都使用了腿部护具以及其连接的交互力传感器。腿部护具包括大腿护具15、小腿护具26；交互力传感器用以测量人体腿部对下肢杆件结构施加的交互力，包括大腿交互力传感器16、小腿交互力传感器27。腿部护具为医疗用腿部固定护具，内有软垫为包裹部分提供柔性，外壳由塑料曲面壳连接而成，在护具侧面有安装螺纹孔阵列，通过螺栓安装在交互力传感器上。交互力传感器主要由两部分构成，一部分是固定在腿杆上的固定件，一部分是可以绕固定件进行转动的活动件，两者通过销轴铰接，销轴的两端用卡簧限位。在固定件和活动件之间有两个空隙，分别贴上薄膜压力传感器和弹性橡胶垫。当活动件与固定件有相对转动时，一侧的薄膜压力传感器被挤压，另一侧放松，两个薄膜压力传感器产生压力差，从而能够体现交互力。大腿杆上的交互力传感器转动轴在其薄膜压力传感器受力点之上，小腿杆上的交互力传感器转动轴在其薄膜压力传感器受力点之下。

腰带4及肩带2为一体化织物。腰带4外侧有三横排织带被竖直方向等间距缝制固定，每两道竖直缝线间织带与腰带4有空隙。腰部的两个挂扣机构上都分别有两条竖直的固定带，两条固定带的间距等于腰带4横排织带缝线间距，因此挂扣机构上的固定带可分别从竖直方向插入腰带4横排织带的空隙，在插入时交替穿过横排织带，即从奇数织带的内侧穿过，从偶数织带的外侧穿过。最后用凹凸按扣固定在挂扣的凸扣上，即可将腰带4和腰部挂扣连接起来。腰部挂扣通过螺栓螺母固定在背部基本固定板上。穿戴者挂上肩带2，用腰部搭扣绑紧腰带4，就可以完成上身与外骨骼的绑缚。

脚部主要通过脚腕和前脚掌的魔术贴完成绑缚。脚腕处的魔术贴两端绑在魔术贴连接片的槽上，魔术贴连接片的通孔连接在脚踏的螺栓上，因此脚腕魔术贴可以绕螺栓轴转动，根据穿戴者不同的鞋型来调节。前脚掌的魔术贴胶粘在两层泡沫鞋底的夹层里，一端固定一个回字扣，另一端是公扣面，中间段是母扣面。公扣端穿过回字扣并绕回，粘在母扣上完成绑缚。脚腕处魔术贴的粘贴方式同理。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人，包括背部主控系统、连接背部主控系统下方的腰部动力系统、安装在腰部动力系统侧方的下肢杆件结构、套索传动系统、人机绑缚结构；所述套索传动系统包括安装在下肢杆件结构上的套索驱动轮及缠绕套索驱动轮的套索，套索的上端与腰部动力系统连接，其特征在于：

所述下肢杆件结构包括与腰部动力系统侧方连接的髋关节、自髋关节延伸的大腿杆、与大腿杆下方连接的膝关节、自膝关节向下延伸的小腿杆、与小腿杆下方连接的踝关节双头螺柱，与踝关节双头螺柱下方连接的外骨骼足底；

人机绑缚结构包括腿部护具以及腿部护具连接的交互力传感器用以测量人体腿部对下肢杆件结构施加的交互力；

所述交互力传感器包括固定在下肢杆件结构上的固定件以及相对固定件转动的活动件，固定件的两个侧壁内侧包住活动件，固定件和活动件的两侧之间分别有空隙，且分别贴上薄膜压力传感器和弹性橡胶垫；当活动件与固定件有相对转动时，一侧的薄膜压力传感器被挤压，另一侧放松，两个薄膜压力传感器产生压力差而体现交互力；

所述膝关节包括中空的膝关节限位轮、位于膝关节限位轮内的膝关节轴承、膝关节轴承支撑筒、膝关节绝对值编码器、大腿杆连接盘、固定在膝关节限位轮外侧的膝关节驱动轮、固定在膝关节限位轮内侧的小腿杆连接盘；膝关节限位轮上设有弧形的开槽，大腿杆自开槽穿过并与大腿杆连接盘固定，大腿杆连接盘与膝关节轴承支撑筒固定，膝关节轴承支撑筒的凸缘与膝关节轴承内侧固定，膝关节轴承的外缘与膝关节驱动轮内侧设置的凹孔固定，限位轮的外侧抵靠在膝关节驱动轮内侧上并通过螺钉固定，大腿杆连接盘相对小腿杆连接盘转动；膝关节绝对值编码器固定于大腿杆连接盘，膝关节绝对值编码器的轴通过法兰盘固定在小腿杆连接盘上；

大腿杆包括大腿杆上部、大腿杆下部和凸轮锁紧机构；大腿杆上部有方形凹槽，大腿杆上部在侧面和正面开槽，大腿杆下部的上端为方形结构用以伸入大腿杆上部的凹槽中进行滑动；大腿杆下部的上端两边有螺纹孔，正面也有螺纹孔，当大腿杆下部滑入大腿杆上部后，用螺钉穿过大腿杆上部两侧槽并旋入大腿杆下部上端的两边螺纹孔，完成滑槽机构安装；凸轮锁紧机构包括凸轮把手、锁紧垫片、螺栓连杆；将凸轮锁紧机构的螺栓连杆穿过大腿杆上部正面槽，并旋入大腿杆下部的正面螺纹孔中，按压凸轮把手而通过凸轮将大腿杆上下两部分锁紧。

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：髋关节包括髋关节支架、髋关节轴承、深沟球轴承的外圈盖板、固定在外圈盖板外侧的髋关节连接盘、髋关节编码器、内置弹簧减震器；髋关节连接盘下方固定有髋关节第一铰链；髋关节第一铰链下方铰接髋关节第二铰链；内置弹簧减震器的上方与髋关节连接盘连接而下方与髋关节第二铰链连接；髋关节第二铰链的下方连接大腿杆；第二铰链与第一铰链的配合带动大腿杆相对于髋关节连接盘外摆内收。

3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：踝关节为鱼眼铰链结构，包括球铰和球铰接头。

4.根据权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：外骨骼足底包括两层泡沫鞋底、一层橡胶底、多个薄膜压力传感器、脚踏及脚步绑缚结构；脚踏与踝关节鱼眼接头通过螺栓连接，脚踏与泡面鞋底也通过螺栓螺母连接；薄膜压力传感器夹在橡胶鞋底与泡沫鞋底中间，用来检测足底压力。

5.根据权利要求4所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：人机绑缚结构包括大腿绑缚机构、小腿绑缚机构，腰带、肩带，脚部绑缚机构。

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