CN111745624B - 一种无源助力的外骨骼负重机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无源助力的外骨骼负重机器人，包括腰部、髋部储能机构、大腿、小腿、足底；髋关节储能机构设置有涡旋弹簧，通过调节涡旋弹簧的弹力来支撑挂在腰部的负重的重力，涡旋弹簧相对于外骨骼前后摆动范围具有较大的行程，在外骨骼前后摆动过程中，涡旋弹簧力矩变化很小，行走过程中涡旋弹簧做功很小；负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底进而卸载到地面，而机器人在弹力协助向前迈腿行之。

Description

一种无源助力的外骨骼负重机器人
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种无源助力的外骨骼负重机器人。
背景技术
人体外骨骼作为现代化穿戴式装备，主要用于增强人体负重和机动能力，同时为穿戴者提供保护。近年来，伴随社会进步和老龄化发展加快，人体外骨骼得到了迅速的发展，传统外骨骼与人体同构，运动过程中与人体保持同步。
目前，对外骨骼系统的设计与研究已初具形态，但在技术和用户体验上仍拥有很大提升空间。由于人体结构复杂，很难通过机械结构模拟实现，通常将人体步行时单条腿运动分为摆动相与支撑相，摆动相为足底与地面无接触阶段，支撑相为足部与地面接触阶段。
各类同构外骨骼在支撑相条件下要求外骨骼膝关节保持很大刚度，而在摆动相条件下要求能实现自由弯曲，这就要求同构外骨骼需要十分复杂的传感系统、动力系统、控制系统以及十分高效的人体运动意图预测算法和控制策略来实现人体步态的灵活转换，否则会严重削弱外骨骼综合效能。与此同时，传感系统、动力系统和控制系统的存在必然会带来布线复杂、续航能力受限、环境适应性和工作可靠性下降等问题,还会显著增加外骨骼自重。
例如：专利号为CN201120010944.9专利名称为一种有四只外骨骼下肢的人体外骨骼助行装置的发明，其使用了电源、控制装置、传感器和驱动裝置，使得其结构布线复杂、续航能力受限。又如：专利CN201721139616.2下肢外骨骼机器人及康复机器人作为康复医疗结构，同样包含了驱动系统及控制系统，且如现有大部分外骨骼，该结构膝关选用单转轴结构完成下肢小腿伴随人体运动,该设计方法不利于上身重力传递至地面，且外骨骼下肢弯曲后，需要人与电机共同作用使其恢复伸直状态，对穿戴者的舒适度产生影响。又如：西北工业大学韩冰、张力、刘更、杨柳、王喆、李汉、张通、袁建平等所发明的一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置(专利号：CN201810622484.1)，其尺寸过大，占用空间过大。而专利CN201910859622.2一种新型无源人体负重外骨骼，由于髋关节为存被动铰接轴，在重力作用下负责会压倒人体背部，影响传递舒适性及负重能力。近年来，随着通信容量的快速增大、通信业务的日益丰富、通信应用需求的灵活多样，传统的城域网与接入网独立通信模式已经不能适应当前飞速发展的通信网络现状，也已经不能满足人们对不断膨胀的网络信息的巨大需求，因而寻求一种能够解决上述问题的新型网络体系结构已成为未来城域网与接入技术领域所面临的重大挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无源助力的外骨骼负重机器人，将负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底进而卸载到地面，而机器人在弹力协助下向前迈腿，减少负重行走肌肉能力消耗，具有结构简单、尺寸小、质量轻且外接能源等特点。
为实现上述发明目的，本发明提供一种无源助力的外骨骼负重机器人，其特征在于，包括：负重、腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底；
所述腰部包括：腰部支撑板、左腰部伸缩板、右腰部伸缩板和腰带扣；其中，在左腰部伸缩板上设置有左腰部伸缩板长条孔，右腰部伸缩板上设置有右腰部伸缩板长条孔；
先将加载的负重固定在腰部支撑板上，再将左腰部伸缩板和右腰部伸缩板通过左腰部伸缩板长条孔和右腰部伸缩板长条孔固定到腰部支撑板上，使得腰部能够左右伸缩适应不同体型的人穿戴，穿戴完成后，通过将腰部伸缩板处的腰带扣系上，从而将整个装置固定在穿戴者的身体上；
所述髋关节储能装置分别设置绕X、Y、Z旋转的外展内收、屈伸、旋内旋外的旋转自由度，具体包括：屈曲关节转盘、涡旋弹簧、隔板、棘爪扭簧、棘爪、棘轮、凸轮、涡簧旋钮、棘爪旋钮、定位螺钉、大腿连接杆、外展内收关节杆、腰部连接块、第一滑动轴承、第二滑动轴承和屈曲关节转盘固定块；其中，棘爪上设置有棘爪转轴孔、棘爪长悬臂和棘爪短悬臂；腰部连接块又包括第一腰部连接块凸台、第二腰部连接块凸台和涡簧内钩卡槽；涡旋弹簧又包括涡簧内钩和涡簧外钩；涡簧旋钮又包括涡簧外钩卡槽、棘爪固定凸台、隔板固定凸台、扭簧限位凸台和凸轮限位槽；
整个髋关节储能装置通过腰部连接块与腰部的左腰部伸缩板或右腰部伸缩板连接，通过大腿连接杆与大腿连接；
在髋关节储能装置内部，屈曲关节转盘通过第一滑动轴承套在腰部连接块的第一腰部连接块凸台上，屈曲关节转盘通过第二滑动轴承套在第二腰部连接块凸台上，屈曲关节转盘固定块与屈曲关节转盘通过螺钉固连，使得屈曲关节转盘只能绕腰部连接块转动；
涡旋弹簧的涡簧内钩卡在涡簧内钩卡槽内，涡旋弹簧的涡簧外钩卡在涡簧外钩卡槽内；棘轮通过螺钉固定到屈曲关节转盘上，棘爪通过棘爪转轴孔套在棘爪固定凸台上，棘爪扭簧的中心套在隔板固定凸台，其一端顶住棘爪，另一端由扭簧限位凸台进行限位，隔板通过螺钉固定到隔板固定凸台上，限制棘爪扭簧的轴向移动；凸轮与棘爪旋钮布置在涡簧旋钮的两侧，并通过螺钉固定，使凸轮在旋拧棘爪旋钮时，一并在凸轮限位槽内转动，由于凸轮的凸轮面与棘爪长悬臂接触，则通过转动棘爪旋钮使得棘爪短悬臂与棘轮脱开或接触；涡簧旋钮套在屈曲关节转盘上，可绕屈曲关节转盘转动，通过定位螺钉限制轴向移动；
所述大腿和小腿的膝关节结合部设置有绕Y轴旋转的屈伸自由度，用于支持机器人行走；
所述足底用于站立机器人，在足底的踝关节处设置绕Y轴旋转的屈伸自由度，从而使机器人迈步行走；
机器人在无负重时，涡旋弹簧扭力为0，当机器人加载负重时，髋关节储能装置产生扭矩，扭矩的大小通过旋拧涡簧旋钮调节，产生的扭矩用于抵消负重重力，抵消的具体传输路径为：负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿、足底传递到地面；
当髋关节储能装置产生的扭矩小于负重重力时，在重力的作用下，向身体前方旋拧涡簧旋钮，通过涡簧旋钮带动涡旋弹簧的涡簧外钩旋转，从而使涡旋弹簧形变储存扭力；涡簧外钩的扭力通过涡簧旋钮传递到棘爪，进而传递到棘轮，再通过屈曲关节转盘、外展内收关节杆、大腿连接杆，最终传递到腿部实现迈腿；涡簧内钩的扭力通过腰部连接块传递到腰部的腰部支撑板，抵抗负重重力产生的扭矩，避免负重重力直接卸载到穿戴者腰部；当负重重力改变时，则减小涡旋弹簧扭力，通过旋拧棘爪旋钮，带动凸轮旋转，使得棘爪克服棘爪扭簧的扭矩而旋转，棘爪与棘轮脱开，此时涡簧旋钮可逆向旋转；调整到合适的扭矩后，松开棘爪旋钮，棘爪在棘爪扭簧的扭矩作用下回位与棘轮重新接触。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种无源助力的外骨骼负重机器人，包括腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿、足底；髋关节储能装置设置有涡旋弹簧，通过调节涡旋弹簧的弹力来支撑挂在腰部的负重的重力，涡旋弹簧相对于外骨骼前后摆动范围具有较大的行程，在外骨骼前后摆动过程中，涡旋弹簧力矩变化很小，行走过程中涡旋弹簧做功很小；负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底进而卸载到地面，而机器人在弹力协助向前迈腿行之。
同时，本发明一种无源助力的外骨骼负重机器人还具有以下有益效果：
(1)、机器人自由度多，穿戴后活动灵活；
(2)、负重的重量被传递到地面，避免负重直接卸载到腰部，能够有效降低负重情况下肌肉能力消耗；
(3)、对于不同负重可手动调节涡旋弹簧弹力来匹配；
(4)、本发明具有结构简单、尺寸小、质量轻且无外接能源。
附图说明
图1是本发明一种无源助力的外骨骼负重机器人架构图；
图2是图1所示腰部结构图；
图3是机器人自由度布置示意图；
图4是图1所示髋关节储能装置的剖视图；
图5是图1所示髋关节储能装置的部件图；
图6是图4所示涡旋弹簧的部件图；
图7是图4所示棘轮的部件图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种无源助力的外骨骼负重机器人架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种无源助力的外骨骼负重机器人，包括：1-负重，2-腰部，3-髋关节储能装置，4-大腿，5-小腿，6-足底；
如图2所示，2-腰部包括：2.1-腰部支撑板、2.2-左腰部伸缩板、2.3-右腰部伸缩板和2.4-腰带扣；其中，在2.2-左腰部伸缩板上设置有2.2.1-左腰部伸缩板长条孔，2.3-右腰部伸缩板上设置有2.3.1-右腰部伸缩板长条孔；
先将加载的1-负重固定在2.1-腰部支撑板上，再将2.2-左腰部伸缩板和2.3-右腰部伸缩板通过2.2.1-左腰部伸缩板长条孔和2.3.1-右腰部伸缩板长条孔固定到2.1-腰部支撑板上，使得腰部能够左右伸缩适应不同体型的人穿戴，穿戴完成后，通过将腰部伸缩板处的2.4-腰带扣系上，从而将整个装置固定在穿戴者的身体上；
如图3所示，3-髋关节储能装置分别设置绕X、Y、Z旋转的外展内收、屈伸、旋内旋外的旋转自由度，整个3-髋关节储能装置的剖视图如图4所示。如图5所示，3-髋关节储能装置的具体部件包括：3.1-屈曲关节转盘、3.2-涡旋弹簧、3.3-隔板、3.4-棘爪扭簧、3.5-棘爪、3.6-棘轮、3.7-凸轮、3.8-涡簧旋钮、3.9-棘爪旋钮、3.10-定位螺钉、3.20-大腿连接杆、3.21-外展内收关节杆、3.30-腰部连接块、3.31-第一滑动轴承、3.32-第二滑动轴承和3.33-屈曲关节转盘固定块；其中，如图7所示，3.5-棘爪上设置有3.5.1棘爪转轴孔、3.5.2棘爪长悬臂和3.5.3棘爪短悬臂；
如图6所示，3.30-腰部连接块又包括3.30.1–第一腰部连接块凸台、3.30.2–第二腰部连接块凸台和3.30.3-涡簧内钩卡槽；
如图6所示，3.2-涡旋弹簧又包括3.2.1-涡簧内钩和3.2.2-涡簧外钩；3.8-涡簧旋钮又包括3.8.1-涡簧外钩卡槽、3.8.2-棘爪固定凸台、3.8.3-隔板固定凸台、3.8.4-扭簧限位凸台和3.8.5-凸轮限位槽；
如图3所示，3.30-腰部连接块与3-髋关节储能装置的其他部分构成Y1轴屈伸自由度，3.21-外展内收关节杆通过螺钉固定到3.1屈曲关节转盘上与3.20-大腿连接杆的铰接轴构成X轴外展内收自由度，3.20-大腿连接杆与4-大腿的铰接轴构成Z轴的旋内旋外自由度；
整个3-髋关节储能装置通过3.30-腰部连接块与腰部2.2-左腰部伸缩板或2.3-右腰部伸缩板连接，通过3.20-大腿连接杆与4-大腿连接；
在3-髋关节储能装置内部，3.1-屈曲关节转盘通过3.31-滑动轴承1套在3.30-腰部连接块的第一3.30.1-腰部连接块凸台上，3.33-屈曲关节转盘通过3.32-滑动轴承2套在第二3.30.2-腰部连接块凸台上，3.33-屈曲关节转盘固定块与3.1-屈曲关节转盘通过螺钉固连，使得3.1-屈曲关节转盘只能绕3.30-腰部连接块转动；
3.2-涡旋弹簧的3.2.1-涡簧内钩卡在3.30.3-涡簧内钩卡槽内，3.2-涡旋弹簧的3.2.2-涡簧外钩卡在3.8.1-涡簧外钩卡槽内；
3.6-棘轮通过螺钉固定到3.1-屈曲关节转盘上，3.5-棘爪通过3.5.1棘爪转轴孔套在3.8.2-棘爪固定凸台上，3.4-棘爪扭簧的中心套在3.8.3-隔板固定凸台，其一端顶住3.5-棘爪，另一端由3.8.4-扭簧限位凸台进行限位；3.7-凸轮与3.9-棘爪旋钮布置在3.8-涡簧旋钮的两侧，并通过螺钉固定，使3.7-凸轮在旋拧3.9-棘爪旋钮时，一并在3.8.5-凸轮限位槽内转动，由于3.7-凸轮的凸轮面与3.5.2棘爪长悬臂接触接触，则通过转动3.9-棘爪旋钮使得3.5.3棘爪短悬臂接触与3.6-棘轮脱开或接触；3.8-涡簧旋钮套在3.1-屈曲关节转盘上，可绕3.1-屈曲关节转盘转动，通过3.10-定位螺钉限制轴向移动；
大腿和小腿的膝关节结合部设置有绕Y轴旋转的屈伸自由度，用于支持机器人行走；
足底用于站立机器人，在足底的踝关节处设置绕Y轴旋转的屈伸自由度，从而使机器人迈步行走；
机器人在无负重时，涡旋弹簧扭力为0，当机器人加载1-负重时，3-髋关节储能装置产生的扭矩，扭矩的大小通过旋拧3.8-涡簧旋钮调节，产生的扭矩用于抵消负重重力，抵消的具体传输路径为：负重重力依次经过2-腰部、3-髋关节储能装置、4-大腿、5-小腿、6-足底传递到地面；
当3-髋关节储能装置产生的扭矩小于负重重力时，在重力的作用下，向身体前方旋拧3.8-涡簧旋钮，通过3.8-涡簧旋钮带动3.2-涡旋弹簧的3.2.2-涡簧外钩旋转，从而使涡旋弹簧形变储存扭力；3.2.2-涡簧外钩的扭力通过3.8-涡簧旋钮传递到3.5-棘爪，进而传递到3.6-棘轮，再通过3.1-屈曲关节转盘、3.21-外展内收关节杆、3.20-大腿连接杆，最终传递到腿部实现迈腿；3.2.1-涡簧内钩的扭力通过3.30-腰部连接块传递到腰部的2.1-腰部支撑板，抵抗负重重力产生的扭矩，避免负重直接卸载到穿戴者腰部；当负重重量改变时，则减小3.2-涡旋弹簧扭力，通过旋拧3.9-棘爪旋钮，带动3.7-凸轮旋转，使得3.5-棘爪克服3.4-棘爪扭簧的扭矩而旋转，3.5-棘爪与3.6-棘轮脱开，此时3.8-涡簧旋钮可逆向旋转；调整到合适的扭矩后，松开3.9-棘爪旋钮，3.5-棘爪在3.4-棘爪扭簧的扭矩作用下回位与3.6-棘轮重新接触。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种无源助力的外骨骼负重机器人，其特征在于，包括：负重、腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底；
所述腰部包括：腰部支撑板、左腰部伸缩板、右腰部伸缩板和腰带扣；其中，在左腰部伸缩板上设置有左腰部伸缩板长条孔，右腰部伸缩板上设置有右腰部伸缩板长条孔；
先将加载的负重固定在腰部支撑板上，再将左腰部伸缩板和右腰部伸缩板通过左腰部伸缩板长条孔和右腰部伸缩板长条孔固定到腰部支撑板上，使得腰部能够左右伸缩适应不同体型的人穿戴，穿戴完成后，通过将腰部伸缩板处的腰带扣系上，从而将整个装置固定在穿戴者的身体上；
所述髋关节储能装置分别设置绕X、Y、Z旋转的外展内收、屈伸、旋内旋外的旋转自由度，具体包括：屈曲关节转盘、涡旋弹簧、隔板、棘爪扭簧、棘爪、棘轮、凸轮、涡簧旋钮、棘爪旋钮、定位螺钉、大腿连接杆、外展内收关节杆、腰部连接块、第一滑动轴承、第二滑动轴承和屈曲关节转盘固定块；其中，棘爪上设置有棘爪转轴孔、棘爪长悬臂和棘爪短悬臂；腰部连接块又包括第一腰部连接块凸台、第二腰部连接块凸台和涡簧内钩卡槽；涡旋弹簧又包括涡簧内钩和涡簧外钩；涡簧旋钮又包括涡簧外钩卡槽、棘爪固定凸台、隔板固定凸台、扭簧限位凸台和凸轮限位槽；
整个髋关节储能装置通过腰部连接块与腰部的左腰部伸缩板或右腰部伸缩板连接，通过大腿连接杆与大腿连接；
在髋关节储能装置内部，屈曲关节转盘通过第一滑动轴承套在腰部连接块的第一腰部连接块凸台上，屈曲关节转盘通过第二滑动轴承套在第二腰部连接块凸台上，屈曲关节转盘固定块与屈曲关节转盘通过螺钉固连，使得屈曲关节转盘只能绕腰部连接块转动；
涡旋弹簧的涡簧内钩卡在涡簧内钩卡槽内，涡旋弹簧的涡簧外钩卡在涡簧外钩卡槽内；棘轮通过螺钉固定到屈曲关节转盘上，棘爪通过棘爪转轴孔套在棘爪固定凸台上，棘爪扭簧的中心套在隔板固定凸台，其一端顶住棘爪，另一端由扭簧限位凸台进行限位；隔板固定到隔板固定凸台上，限制棘爪扭簧的轴向移动；凸轮与棘爪旋钮布置在涡簧旋钮的两侧，并通过螺钉固定，使凸轮在旋拧棘爪旋钮时，一并在凸轮限位槽内转动，由于凸轮的凸轮面与棘爪长悬臂接触，则通过转动棘爪旋钮使得棘爪短悬臂与棘轮脱开或接触；涡簧旋钮套在屈曲关节转盘上，可绕屈曲关节转盘转动，通过定位螺钉限制轴向移动；
所述大腿和小腿的膝关节结合部设置有绕Y轴旋转的屈伸自由度，用于支持机器人行走；
所述足底用于站立机器人，在足底的踝关节处设置绕Y轴旋转的屈伸自由度，从而使机器人迈步行走；
机器人在无负重时，涡旋弹簧扭力为0，当机器人加载负重时，髋关节储能装置产生扭矩，扭矩的大小通过旋拧涡簧旋钮调节，产生的扭矩用于抵消负重重力，抵消的具体传输路径为：负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿、足底传递到地面；
当髋关节储能装置产生的扭矩小于负重重力时，在重力的作用下，向身体前方旋拧涡簧旋钮，通过涡簧旋钮带动涡旋弹簧的涡簧外钩旋转，从而使涡旋弹簧形变储存扭力；涡簧外钩的扭力通过涡簧旋钮传递到棘爪，进而传递到棘轮，再通过屈曲关节转盘、外展内收关节杆、大腿连接杆，最终传递到腿部实现迈腿；涡簧内钩的扭力通过腰部连接块传递到腰部的腰部支撑板，抵抗负重重力产生的扭矩，避免负重重力直接卸载到穿戴者腰部；当负重重力改变时，则减小涡旋弹簧扭力，通过旋拧棘爪旋钮，带动凸轮旋转，使得棘爪克服棘爪扭簧的扭矩而旋转，棘爪与棘轮脱开，此时涡簧旋钮可逆向旋转；调整到合适的扭矩后，松开棘爪旋钮，棘爪在棘爪扭簧的扭矩作用下回位与棘轮重新接触。
2.根据权利要求1所述的一种无源助力的外骨骼负重机器人，其特征在于，所述髋关节储能装置分别设置绕X、Y、Z旋转的外展内收、屈伸、旋内旋外的旋转自由度具体为：腰部连接块与髋关节储能装置的其他部分构成Y1轴屈伸自由度，外展内收关节杆固定到屈曲关节转盘上，与大腿连接杆的铰接轴构成X轴外展内收自由度，大腿连接杆与大腿的铰接轴构成Z轴的旋内旋外自由度。
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面向康复工程的助行可穿戴外骨骼机器人的人类工效学设计;邱静等;《计算机科学》;20151015(第10期);全文 *

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