CN112318490A - 一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，包括肩带、腰带、控制器、电源、髋部柔性绑带、腿部结构和膝关节驱动单元，所述腿部结构包括外侧支撑结构、内侧支撑结构、大腿后侧护具、小腿后侧护具、以及腿部绑缚。本发明融合了“膝关节直驱、腿部双侧支撑、大小腿外形调整结构、大小腿内侧柔性变形结构”的机械结构方案，以及“肩部绑缚+腰部绑缚+髋部柔性绑带+腿部柔性绑缚”的绑缚方案，从机械结构和绑缚两方面改善人机匹配性和力矩传递的有效性，能够较好的解决人机匹配性，降低力矩传递过程中不期望力产生，增加人机之间的接触面积，实现提高穿戴舒适性、稳定性和助力效率的效果。

Description

一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人。

背景技术

助力型外骨骼机器人是一种穿戴式辅助智能机器人，利用随身能源为机器人本体提供动力，利用传感器网络采集和判断人体与环境信息，结合任务需求实现对人体单个或多个关节的助力。助力型外骨骼机器人可分为负重支撑型和运动辅助型。负重支撑型助力外骨骼一般与负重、与人体、与环境(地面)存在结构接口界面，利用自身机械结构将人体背负的全部或部分重量传递至地面，降低人体实际背负重量。运动辅助型助力外骨骼机器人大多只与人体存在结构接口界面，针对局部关节助力设计，外骨骼与关节和关节连接肢体形成并联结机构，构成人机闭合运动链路，辅助关节出力，降低关节运动相关肌肉群能量消耗和关节压力。

运动辅助型助力外骨骼机器人具有质量轻，运动灵活，运动速度快的特点，但其自身重量一般由人体负担，面临人机匹配性、穿戴舒适性、助力效率低的难题。膝关节助力外骨骼机器人需要跟人体腿部贴合，匹配腿部肌肉外形，适应腿部动态运动过程中肌肉变化，国外现有技术方案，例如加拿大b-temia公司的Keeogo等，其单侧或双侧主体结构外形固定，适应性不足，造成人机之间间隙大，影响穿戴稳定性和助力性能。穿戴舒适性需要外骨骼适应人体穿戴部位的骨骼肌肉结构特点，人机结构接口部位的压力分布合理，现有膝关节外骨骼技术方案结构部分采用全刚性结构，存在质量重，运动灵活性差，穿戴不牢靠现象。部分技术方案为减轻膝关节外骨骼运动下坠问题，引入刚性髋关节结构，进一步增加重量，降低助力效率。助力效率体现在助力大小和助力延时两个方面，现有技术一般采用关节处直接驱动和单侧结构方案，这种方式存在绕人体旋转惯量大，人机作用面小的问题，难以解决快速运动过程中人机稳定性差问题，人机之间的不期望运动随运动速度加快明显增加，力矩的传递效率降低，力矩的传递时间增大。

因而，有必要对膝关节助力外骨骼机器人进行深入研究，以提高人机匹配性、穿戴舒适性、和助力效率。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，其融合了“膝关节直驱、腿部双侧支撑、大小腿外形调整结构、大小腿内侧柔性变形结构”的机械结构方案，以及“肩部绑缚+腰部绑缚+髋部柔性绑带+腿部柔性绑缚”的绑缚方案，从机械结构和绑缚两方面改善人机匹配性和力矩传递的有效性，能够较好的解决人机匹配性，降低力矩传递过程中不期望力产生，增加人机之间的接触面积，实现提高穿戴舒适性、稳定性和助力效率的效果，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，包括肩带、腰带、控制器、电源、髋部柔性绑带、腿部结构和膝关节驱动单元，其中，所述肩带下端与腰带连接，用于搭载在人体肩部；所述腰带采用集成化设计，其上固定有控制器、电源和电缆，电缆将电源和控制器与腿部结构上的姿态传感器以及膝关节驱动单元电连接，用于供电和信号传输；所述控制器用于接收腿部结构上姿态传感器发送的信号，根据信号判断人体运动状态，形成控制指令发送至膝关节驱动单元，控制膝关节驱动单元的运动；所述髋部柔性绑带上端连接腰带，下端连接腿部结构，长度可调；所述腿部结构穿戴于人体腿部，膝关节驱动单元位于膝关节外侧，与腿部结构的内侧旋转轴同轴，与人体膝关节屈伸运动的旋转轴大致位置相同。

根据本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，腿部内外侧双支撑结构增加人机之间接触面积，降低膝关节驱动单元因偏置于人腿外侧，造成力矩传递过程中结构不期望偏移量增大，提高力传递效率；

(2)本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，腿部内外双侧支撑减少了外侧结构的承载，降低结构重量，减小了外骨骼绕人体腿部旋转的惯量，降低了人体奔跑等运动过程中外骨骼不期望偏移运动，进一步提高了力传递效率；

(3)本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，腿部外侧支撑结构四自由度外形可调，配合内侧支撑结构的弹性片，能够提高人机匹配性，能够调整外骨骼与人体腿部包裹预紧力，进一步提高动态穿戴稳定性；

(4)本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，髋部柔性绑带在人体直立时提拉腿部重量，防止运动过程中腿部结构下坠，拉力可调，增加身高适应性；

(5)本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，采用大腿后侧护具和小腿后侧护具，腿部绑缚前侧至少四处安装有穿脱卡扣，可实现膝关节助力外骨骼腿部半包围结构设计，方便穿脱；

(6)本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，实现了腰封集成化设计，外骨骼控制器、电源、线缆、接插件等电气硬件集成于腰封中，利于穿戴。

附图说明

图1为膝关节助力外骨骼机器人的整体结构示意图；

图2为膝关节助力外骨骼机器人腿部结构与绑缚正面示意图；

图3为膝关节助力外骨骼机器人腿部结构与绑缚背面示意图；

图4为膝关节助力外骨骼机器人腿部形状调节机构的结构示意图；

附图标号说明

1-肩带；2-腰带；3-控制器；4-电源；5-髋部柔性绑带；6-腿部结构；61-大腿后侧护具；62-小腿后侧护具；63-腿部绑缚；641-大腿外侧支撑结构；642-小腿外侧支撑结构；643-关节板块；644-销轴；645-腿部形状调节机构；6451-涡轮；6452-蜗杆；6453-销轴；6454-固定盖板；6455-第一槽体；6456-第二槽体；6457-支撑板；6458-垫片；651-大腿内侧支撑结构；652-小腿内侧支撑结构；653-第一弹性片；654-第二弹性片；7-膝关节驱动单元；8-姿态传感器。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明提供了一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，如图1所示，包括肩带1、腰带2、控制器3、电源4、髋部柔性绑带5、腿部结构6和膝关节驱动单元7，所述肩带1下端与腰带2连接，用于搭载在人体肩部，使肩部承担部分机器人重量且避免机器人坠脱，所述肩带1可以采用前平行、后交叉方式，且长度可调；

所述腰带2采用集成化设计，两端通过穿脱卡扣连接且长度可调，其上固定有控制器3和电源4，控制器3和电源4的安装位置根据需要确定，优选电源4放置于腰带2的前侧或后侧，控制器3放置于腰带2的前部两侧或前部单侧，图1中以电源4置于腰部前侧，控制器3置于前部单侧为例；所述腰带2中布设电缆，将腰带2上的电源4和控制器3与腿部结构上的姿态传感器8以及膝关节驱动单元7电连接，用于供电和信号传输；

所述控制器3用于接收腿部结构上姿态传感器8发送的信号，根据信号判断人体运动状态，形成控制指令发送至膝关节驱动单元7，控制膝关节驱动单元7的运动；

所述髋部柔性绑带5上端连接腰带2，下端连接腿部结构6，长度可调，刚度在50至65N/cm范围内，可以采用Y形、V形、I形方式连接腰带2和腿部结构6，图1示出以I形方式连接腰带2和腿部结构6；

所述腿部结构6穿戴于人体腿部，膝关节驱动单元7位于膝关节外侧，与腿部结构的内侧旋转轴同轴，与人体膝关节屈伸运动的旋转轴大致位置相同，人体腿部在膝关节驱动单元7的带动下做屈伸运动，助力行走。

在本发明中，所述髋部柔性绑带5采用Y形、V形方式连接腰带2和腿部结构6时，髋部柔性绑带5的两分叉末端配置钩扣，腰带2的侧面均布多个环套，通过钩扣与不同间隔环套的钩接，调整腰带2与腿部结构6间的长度。

在本发明中，如图2和图3所示，所述腿部结构6包括外侧支撑结构、内侧支撑结构、大腿后侧护具61、小腿后侧护具62、以及腿部绑缚63，其中，所述外侧支撑结构、内侧支撑结构、大腿后侧护具61和小腿后侧护具62用于形成腿部结构的硬质骨架，外侧支撑结构、内侧支撑结构的两端通过大腿后侧护具61、小腿后侧护具62连接，这样膝关节驱动单元7输出的力矩通过外侧支撑结构传递至大腿后侧护具61和小腿后侧护具62，由护具传递至人体腿部；所述腿部绑缚63用于对使用者和腿部结构6的配合进行柔性调节和绑缚固定。

在本发明中，如图2和图3所示，所述外侧支撑结构包括大腿外侧支撑结构641、小腿外侧支撑结构642和关节板块643，关节板块643外侧安装有膝关节驱动单元7，并与大腿外侧支撑结构641、小腿外侧支撑结构642连接；所述外侧支撑结构具有五个自由度，其中膝关节处一个屈伸自由度，由膝关节驱动单元7实现，提供主动力矩输出，大腿、小腿部位各两个内外收展自由度，用于匹配腿形。

进一步地，大腿部位两个内外收展自由度可根据关节力矩大小采取两种方式，关节力矩较小时，上方自由度采用销轴644实施，下方靠近膝关节处自由度采用腿部形状调节机构645实施；关节力矩较大时，两个自由度均采用腿部形状调节机构645实施，图2和图3示中采用前一种方式。小腿部位两个内外收展自由度与大腿同理，下方靠近膝关节处自由度采用腿部形状调节机构645实施，关节力矩较小时，下方自由度采用销轴644实施，关节力矩较大时，下方自由度采用腿部形状调节机构645实施。

进一步地，如图4所示，所述腿部形状调节机构645包括涡轮6451、蜗杆6452、销轴6453和固定盖板6454，所述涡轮6451与蜗杆6452啮合，蜗杆6452一端开设沉头孔；用于固定腿部形状调节机构一端的第一结构板开设第一槽体6455，用于容纳涡轮，第一槽体底面为平面结构，涡轮部分弧面削平，使涡轮与槽体底面成面面接触；用于固定腿部形状调节机构另一端的第二结构板开设第二槽体6456，用于容纳蜗杆，第二槽体6456的一侧具有支撑板6457，与支撑板6457相对侧安装有封盖第二槽体的固定盖板6454，支撑板6457和固定盖板6454用于固定蜗杆6452的两端，且蜗杆6452的一端露于固定盖板6454的板面上，第一结构板、第二结构板、以及涡轮6451通过销轴6453连为一体，通过将调节工具伸入沉头孔中旋转蜗杆6452，带动涡轮6451及第一结构板绕销轴6453旋转，实施第一结构板与第二结构板之间夹角的调节，达到主动调节的目的。其中，第一结构板和第二结构板对应外侧支撑结构中与腿部形状调节机构连接的结构，如图4中所示的关节板块643和大腿外侧支撑结构641。

所述蜗杆6452两端套设垫片6458，所述垫片6458为石墨尼龙垫片，与支撑板6457和固定盖板6454的内侧抵触，用于限定蜗杆轴向位移并起到润滑作用。

所述支撑板6457与第二结构板一体成型，其也可以更换为固定盖板，即通过两个固定盖板固定蜗杆的两端。

在本发明中，所述外侧支撑结构靠近关节处，如膝关节驱动单元两侧腿部形状调节机构的外侧安装有姿态传感器8，所述姿态传感器8用于采集大小腿的姿态(角速度)和运动状态(加速度)。姿态传感器安装在靠近关节处采集姿态参数，相较于远离关节处，信号灵敏度更高。

在本发明中，如图3所示，所述内侧支撑结构包括大腿内侧支撑结构651和小腿内侧支撑结构652，两者通过销轴连接。

进一步地，大腿内侧支撑结构651通过第一弹性片653与大腿后侧护具61连接；小腿内侧支撑结构652通过第二弹性片654与小腿后侧护具62连接。弹性片653刚度在250±50N/cm左右，可采用钢板弹簧，起到收敛抱紧腿部的作用。

腿部外侧支撑结构上的四处调节自由度，配合内侧两处弹簧片，可以在穿戴时实现对穿戴者腿部夹紧力的调节，给予腿部充分支撑，匹配腿形。其中，外侧关节附近两处腿部形状调节机构可以收紧/增加膝关节处内、外侧支撑结构之间距离，另外两处腿部形状调节机构或销轴在距离调整好后，能够调节腿部外形，匹配人体腿形。

在本发明中，如图3所示，所述大腿后侧护具61、小腿后侧护具62为弧形板结构，分别与大腿和小腿后侧面随型。

在本发明中，单腿的腿部绑缚63至少有六处，位于腿部结构前、后侧，前侧至少四处，后侧至少两处，前侧的至少四处腿部绑缚均安装有穿脱卡扣且长度可调，后侧的至少两处腿部绑缚长度可调，可采用魔术贴或穿脱卡扣将两端连接。

进一步地，腿部结构前侧对应大腿后侧护具61和小腿后侧护具62处、以及膝关节驱动单元7两侧处安装有腿部绑缚63；腿部结构后侧位于膝关节驱动单元7两侧处安装有腿部绑缚63；根据需要，在其他部位还可安装腿部绑缚。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，包括肩带(1)、腰带(2)、控制器(3)、电源(4)、髋部柔性绑带(5)、腿部结构(6)和膝关节驱动单元(7)，其中，所述肩带(1)下端与腰带(2)连接，用于搭载在人体肩部；所述腰带(2)采用集成化设计，其上固定有控制器(3)、电源(4)和电缆，电缆将电源(4)和控制器(3)与腿部结构上的姿态传感器(8)以及膝关节驱动单元(7)电连接，用于供电和信号传输；所述控制器(3)用于接收腿部结构上姿态传感器(8)发送的信号，根据信号判断人体运动状态，形成控制指令发送至膝关节驱动单元(7)，控制膝关节驱动单元(7)的运动；所述髋部柔性绑带(5)上端连接腰带(2)，下端连接腿部结构(6)，长度可调；所述腿部结构(6)穿戴于人体腿部，膝关节驱动单元(7)位于膝关节外侧，与腿部结构的内侧旋转轴同轴，与人体膝关节屈伸运动的旋转轴大致位置相同。

2.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋部柔性绑带(5)的刚度在50至65N/cm范围内，采用Y形、V形、I形方式连接腰带(2)和腿部结构(6)。

3.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋部柔性绑带(5)采用Y形、V形方式连接腰带(2)和腿部结构(6)时，髋部柔性绑带(5)的两分叉末端配置钩扣，腰带(2)的侧面均布多个环套，通过钩扣与不同间隔环套的钩接，调整腰带(2)与腿部结构(6)间的长度。

4.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部结构(6)包括外侧支撑结构、内侧支撑结构、大腿后侧护具(61)、小腿后侧护具(62)、以及腿部绑缚(63)，其中，所述外侧支撑结构、内侧支撑结构、大腿后侧护具(61)和小腿后侧护具(62)用于形成腿部结构的硬质骨架，外侧支撑结构、内侧支撑结构的两端通过大腿后侧护具(61)、小腿后侧护具(62)连接；所述腿部绑缚(63)用于对使用者和腿部结构(6)的配合进行柔性调节和绑缚固定。

5.根据权利要求4所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述外侧支撑结构包括大腿外侧支撑结构(641)、小腿外侧支撑结构(642)和关节板块(643)，关节板块(643)外侧安装有膝关节驱动单元(7)，并与大腿外侧支撑结构(641)、小腿外侧支撑结构(642)连接；所述外侧支撑结构具有五个自由度，其中膝关节处一个屈伸自由度，由膝关节驱动单元(7)实现，提供主动力矩输出，大腿、小腿部位各两个内外收展自由度，用于匹配腿形。

6.根据权利要求5所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿部位两个内外收展自由度可根据关节力矩大小采取两种方式，关节力矩较小时，上方自由度采用销轴(644)实施，下方靠近膝关节处自由度采用腿部形状调节机构(645)实施；关节力矩较大时，两个自由度均采用腿部形状调节机构(645)实施；

所述大腿部位两个内外收展自由度可根据关节力矩大小采取两种方式，关节力矩较小时，下方自由度采用销轴(644)实施，上方靠近膝关节处自由度采用腿部形状调节机构(645)实施，关节力矩较大时，两个自由度采用腿部形状调节机构(645)实施。

7.根据权利要求6所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部形状调节机构(645)包括涡轮(6451)、蜗杆(6452)、销轴(6453)和固定盖板(6454)，所述涡轮(6451)与蜗杆(6452)啮合，蜗杆(6452)一端开设沉头孔；用于固定腿部形状调节机构一端的第一结构板开设第一槽体(6455)，以容纳涡轮，第一槽体底面为平面结构，涡轮部分弧面削平，使涡轮与槽体底面成面面接触；用于固定腿部形状调节机构另一端的第二结构板开设第二槽体(6456)，以容纳蜗杆，第二槽体(6456)的一侧具有支撑板(6457)，与支撑板(6457)相对侧安装有封盖第二槽体的固定盖板(6454)，支撑板(6457)和固定盖板(6454)用于固定蜗杆(6452)的两端，且蜗杆(6452)的一端露于固定盖板(6454)的板面上，第一结构板、第二结构板、以及涡轮(6451)通过销轴(6453)连为一体，通过将调节工具伸入沉头孔中旋转蜗杆(6452)，带动涡轮(6451)及第一结构板绕销轴(6453)旋转，实施第一结构板与第二结构板之间夹角的调节其中，第一结构板和第二结构板对应外侧支撑结构中与腿部形状调节机构连接的结构。

8.根据权利要求7所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述蜗杆(6452)两端套设垫片(6458)，所述垫片(6458)为石墨尼龙垫片，与支撑板(6457)和固定盖板(6454)的内侧抵触，用于限定蜗杆轴向位移并实施旋转润滑。

9.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述外侧支撑结构靠近膝关节处，安装有姿态传感器(8)，所述姿态传感器(8)用于采集大小腿的姿态和运动状态。

10.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述内侧支撑结构包括大腿内侧支撑结构(651)和小腿内侧支撑结构(652)，两者通过销轴连接；大腿内侧支撑结构(651)通过第一弹性片653与大腿后侧护具(61)连接；小腿内侧支撑结构(652)通过第二弹性片654与小腿后侧护具(62)连接。

11.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿后侧护具(61)、小腿后侧护具(62)为弧形板结构，分别与大腿和小腿后侧面随型。

12.根据权利要求1所述的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于，腿部绑缚(63)至少有六处，腿部前侧至少四处，腿部后侧至少两处，前侧的至少四处腿部绑缚均安装有穿脱卡扣且长度可调，后侧的至少两处腿部绑缚长度可调；

腿部结构前侧对应大腿后侧护具(61)和小腿后侧护具(62)处、以及膝关节驱动单元(7)两侧处安装有腿部绑缚(63)；腿部结构后侧位于膝关节驱动单元(7)两侧处安装有腿部绑缚(63)。

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