CN112548993A - 一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，包括腰部连接机构和腿部连接机构，腰部连接机构两侧设置有腿部连接机构，腰部连接机构两侧分别设置有电机处串联弹性模块，腿部连接机构顶部设置有髋关节处串联弹性模块，所述髋关节处串联弹性模块与电机处串联弹性模块通过套索传动机构连接传动，髋关节处串联弹性模块、电机处串联弹性模块和套索传动机构通过驱动及传感系统提供控制与动力。本发明能够实现为行走能力弱人群如老年人或患病康复人群的行走辅助，亦可为日常生活中需进行长时间、长距离行走人群提供行走助力，结合人机交互、意图感知技术，进一步实现人体运动辅助，实现人体运动能力提升。

Description

一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及机器人及人机交互技术领域，特别涉及一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人。

背景技术

近年来，随着社会快速的发展变化，人口老龄化问题及医疗康复问题日益严重，预计到2050年，我国60岁以上老年人口数量将会达到4.38亿；同时，许多人在日常工作和生活中需要进行长时间、长距离的行走运动，如护士、环卫工人、管道维护人员及军事人员等，长时间、长距离的行走经常会导致身体不适及肌肉疲劳等症状，长期性的肌肉疲劳更是引起肌肉组织损伤的最主要原因，严重的肌肉损伤甚至会导致肾功能衰竭等后果。下肢助力外骨骼能够实现对人体运动的辅助，减少腿部肌肉疲劳，避免肌肉损伤。

现有下肢助力外骨骼多为驱动电机直接布置在人体关节处，通过电机及减速器带动外骨骼关节运动，从而实现对人体助力效果，但该种形式使得外骨骼关节处体积庞大，且重量及转动惯量非常大，对穿戴及控制过程造成不便。

因此针对现有下肢助力外骨骼机器人所存在的问题，需设计一种将驱动系统后置或外置，体积小、重量轻的便携式助力外骨骼机器人。

发明内容

为了克服现有下肢助力外骨骼机器人关节处重量及转动惯量过大，以及助力效果较差等问题，本发明的目的在于提供一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，能够实现为行走能力弱人群如老年人或患病康复人群的行走辅助，亦可为日常生活中需进行长时间、长距离行走人群提供行走助力，结合人机交互、意图感知技术，进一步实现人体运动辅助，实现人体运动能力提升。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，包括腰部连接机构和腿部连接机构，腰部连接机构两侧设置有腿部连接机构，腰部连接机构两侧分别设置有电机处串联弹性模块，腿部连接机构顶部设置有髋关节处串联弹性模块，所述髋关节处串联弹性模块与电机处串联弹性模块通过套索传动机构连接传动，髋关节处串联弹性模块、电机处串联弹性模块和套索传动机构通过驱动及传感系统提供控制与动力。

所述腰部连接机构包括环绕人腰部设置的腰带2以及用于外骨骼机器人腰部宽度调整的腰部调长板1；左右侧腰板3通过螺栓与腰部调长板1进行连接。

所述腰带2采用运动护腰，其内部有硬质支撑结构，同时其宽度约为10cm，腰带2与腰部调长板1通过螺栓进行连接，所述腰部调长板1上设置有螺纹孔，左右侧腰板3连接时可根据穿戴者需要进行选择，可调节范围为390mm-510mm,调节至适宜穿戴者穿戴宽度进行连接。

所述腿部连接结构包括外摆连接块21，外摆连接块21通过螺栓与髋关节处串联弹性模块的髋关节弹性传动外圈14连接，外摆连接块21设置在腿部连杆22上，所述腿部连杆22采用碳纤维管，腿部连杆22上安装有腿部连接块23，腿部连接块23上设置有腿部调长板24，所述腿部连接块23上设计有陀螺仪安装槽，用于布置JY901加速度计，感知人体运动模式；腿部调长板24上安装有护板25，护板25用于与人体大腿进行固连，腿部连接块23单边各布置有4个插扣26，用于连接绑带。

所述腿部调长板24可调节范围为400mm-450mm，护板25与调长板24通过螺栓连接。

所述套索传动机构包括两根钢索11，钢索11一端通过紧定螺钉与驱动电机串联弹性模块中钢索固定块17固定连接，另一端固定于髋关节串联弹性模块中的盘线轮12上，钢索11通过驱动电机8提供动力，通过驱动电机8转动，盘线轮12通过下方外摆连接座21与腿部模块的连接，带动腿部模块进行运动。

所述钢索11穿过套索支撑架6，套索支撑架6两端分别通过螺栓与定位板7进行固连，一端的定位板7设置在腰板3上，另一端的定位板7设置在盘线轮12上，套索支撑架6表面设置有凹槽，凹槽内布置有套管5，所述套管5通过钢索11的预紧拉力与套索支撑架6贴合，实现套索支撑架6对套管5的支撑作用。

所述电机处串联弹性模块为三层结构，外部两层为封闭盖板10，内层为弹性固定块20、线固定块17、弹簧18及弹性块19，线固定块17通过螺栓与两侧封闭盖板10连接，弹性块19布置于弹性固定块20内部凹槽中，弹簧18位于弹性块19及弹性固定块20之间形成的空隙中，经压缩后弹簧18对弹性块10产生反作用力，所述电机处串联弹性模块通过D型孔与驱动电机8进行连接，并通过紧定螺钉进行位置固定。

所述髋关节处串联弹性模块包括盘线轮12，盘线轮12内部布置有两个弹性传动外圈14以及位于弹性传动外圈14中间的弹性传动内圈13，所述弹性传动内圈13内部的凹槽处布置有弹性块16，弹性块16与弹性传动内圈13之间形成的空隙处设置有弹簧15。

所述驱动及传感系统包括驱动电机8、控制板、电调、加速度计，所述驱动电机8采用减速电机，控制板配合电调可同时实现对两个驱动电机8的控制，腿部连接机构布置有加速度计，加速度计安装于腿部连接块23上，用以采集人体运动信息，进而进行意图感知识别。

本发明的有益效果：

本发明的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，能够实现克服现有下肢助力外骨骼机器人整机重量大，关节处转动惯量大，以及助力效果较差等问题，为行走能力弱人群如老年人或患病康复人群的行走辅助，亦可为日常生活中需进行长时间、长距离行走人群提供行走助力，结合人机交互、意图感知技术，进一步实现人体运动辅助，实现人体运动能力提升。具有如下优点：

(1)结构新颖可靠：创新性的采用套索驱动这一传动方式，并结合串联弹性模块，能够实现断电后仍可穿戴运动这一效果，解决了传统有源外骨骼系统断电即锁死这一弊端。

(2)驱动系统后置：通过将关节处的电机、减速器等驱动系统后置，电机依靠套索可远距离驱动关节，实现机构的运动。这样的结构布局解放了关节，大大降低了关节的重量与转动惯量，提高了自身承重比，避免了结构臃肿。

(3)重量轻、使用方便：采用航空铝材、碳纤维等轻质材料，在保证外骨骼结构可靠性的同时，大大减轻外骨骼系统的总质量。

(4)刚柔结合：采用刚性支撑材料以及柔性传动方式，以刚柔结合的方式实现外骨骼系统的助力功能，增加了运动柔顺性，且能够降低外骨骼对人体助力的瞬时冲击。

(4)安全性高：外骨骼系统髋关节处设计有机械限位，其中屈曲伸展角度范围为±45°，内收外展角度范围为±30°，能够在满足人体运动角度范围要求的同时实现限位功能，保护穿戴者安全。

(5)适用于多种常见运动场景：该外骨骼系统能够实现正常行走、上下楼梯，小步慢跑等动作，满足常见运动场景需求。

附图说明

图1是本发明专利整体轴测图。

图2是本发明专利侧视图。

图3是本发明专利套索驱动结构图。

图4是本发明专利腰部串联弹性模块图。

图5是本发明专利腰部串联弹性模块内部结构图。

图6是本发明专利电机处串联弹性模块图。

图7是本发明专利腿部连接机构图。

图中，

1.腰部调长板 2.腰带 3.腰板 4.电机连接板 5.套管 6.套管支撑架 7.横向定位板 8.驱动电机 9.纵向定位板 10.封闭盖板 11.钢索 12.盘线轮 13.弹性传动内圈14.弹性传动外圈 15.髋部弹簧 16.弹性传动块 17.钢索固定块 18.电机部弹簧 19.弹性传动块 20.弹性固定块 21.外摆连接座 22.腿部连接管 23.腿部连接块 24.腿部调长板25.大腿连接板 26.插扣

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

整体结构如图1所示，包括：腰部连接机构，其主要由腰带2、腰部调长板1、左右侧腰板3组成，用以实现外骨骼机器人与人体固连作用。腿部连接机构，其主要由外摆连接块21、腿部连接杆22、腿部调长板24、护板25、插扣26组成，用以确保外骨骼机器人与人体腿部连接的贴合性与舒适性。套索驱动机构，其主要由驱动电机8、钢索11、套索支撑架6、图6所示电机处串联弹性机构、图4所示髋关节串联弹性机构组成，用以实现动力提供及动力传递。控制及传感系统，其主要由驱动电机8、控制板、电调、加速度计组成，驱动电机8通过螺栓连接于腰板3上，用以提供动力及人体运动意图感知，实现外骨骼助力效果。

所述腰部连接机构包括腰带2、腰部调长板1、左右侧腰板3，其中腰带2采用运动护腰，其内部有硬质支撑结构，同时其宽度约为10cm，能够与人体腰部产生较大接触面积，从而增强外骨骼机器人穿戴稳定性；腰带2与腰部调长板1通过螺栓进行连接，左右侧腰板3通过螺栓与腰部调长板1进行连接，其中腰部调长板1上设置有16个螺纹孔，左右侧腰板3连接时可根据穿戴者需要进行选择，可调节范围为390mm-510mm,调节至适宜穿戴者穿戴宽度进行连接。

所述腿部连接结构如图7所示，包括外摆连接块21，腿部连杆22、腿部连接块23、腿部调长板24、护板25、插扣26，其中，外摆连接块21通过螺栓与髋关节弹性传动外圈14连接，能够提供外骨骼机器人腿部外摆内收的自由度，腿部连杆22采用碳纤维管，能够在保证结构强度要求的情况下降低整机重量；腿部调长板24与腿部连接块23上分别设计有螺纹孔，可根据使用者不同腿长需求选择不同螺纹孔进行螺栓连接，腿部长度可调节范围为400mm-450mm，其中，腿部连接块23上设计有陀螺仪安装槽，用于布置JY901加速度计，感知人体运动模式；护板25用于与人体大腿进行固连，增强外骨骼机器人穿戴稳定性，护板25与调长板24通过螺栓连接；此外，单边各布置有4个插扣26，用于连接绑带，进一步增强机器人与人体腿部连接紧密程度。

所述套索传动机构包括钢索11、套管5、定位板7、套管支撑架6、图6所示电机处串联弹性模块、图4所示髋关节串联弹性模块，套索传动主要由内部钢索及外部套管5组成，该机构采用两根钢索11，其一端通过紧定螺钉与驱动电机串联弹性模块中钢索固定块17固定连接，另一端固定于髋关节串联弹性模块中的盘线轮12上，通过驱动电机8转动，实现力的传递，带动盘线轮12转动，并通过其下方外摆连接座21与腿部模块的连接，带动腿部模块进行运动；

驱动电机8转动后，钢索11将拉力传递至弹性模块中，压缩弹簧18后整个电机处串联弹性模块进行转动，减小了刚性冲击。

在外骨骼机器人工作过程中，电机8带动钢索11，钢索11将拉力传递至串联弹性模块中，压缩弹簧15后带动腿部连杆22进行运动，避免了刚性冲击，同时能够保护使用人员。

定位板7通过螺栓连接安装于腰板3上，结合安装于定位板7上的套索支撑架6，实现套管5的定位及支撑，确保钢索11在实现力的传递过程中保持固定的弯曲角度；图4所示髋关节串联弹性模块作为传动结构的主要组成部分，能够起到柔顺助力、限位保护、主被动结合等功能。

其中，电机处串联弹性模块由封闭盖板10、弹性固定块20、线固定快17、弹簧18、弹性块19组成，通过D型孔与驱动电机8进行连接，并通过紧定螺钉进行位置固定，驱动电机8转动后，钢索11将拉力传递至弹性模块中，压缩弹簧18后整个电机处串联弹性模块进行转动，减小了刚性冲击；髋关节处串联弹性模块由盘线轮12、弹性块16、弹簧15、弹性传动内圈13、弹性传动外圈14组成，在外骨骼机器人工作过程中，电机8带动钢索11，钢索11将拉力传递至串联弹性模块中，压缩弹簧15后带动腿部连杆22进行运动，避免了刚性冲击，同时能够保护使用人员。

所述驱动及传感系统包括驱动电机8、控制板、电调、加速度计，其中，驱动电机采用减速电机，其重量轻，且能够提供较大转矩；控制板配合电调可同时实现对两个驱动电机的控制，外骨骼腿部布置有加速度计，安装于腿部连接块23上，用以采集人体运动信息，进而进行意图感知识别。

第二部分：

为实现外骨骼机器人髋关节处的减重，本发明采用了套索传动方式。通过套索11传动，增加动力传递距离，通过远端传送动力，带动盘线轮12转动，进而带动图7所示腿部连接结构摆动，将驱动电机8后置于外骨骼腰部后侧，避免了传统外骨骼将电机及减速器直接布置于关节处而造成关节处重量及转动惯量的增加，影响外骨骼性能且降低穿戴体验这一缺陷。

为实现柔顺助力功能，本发明采用钢索传动加串联弹性驱动设计方案。驱动电机8转动后，钢索11将拉力传递至弹性模块中，压缩弹簧18后整个电机处串联弹性模块进行转动，随后带动钢索11，钢索11将拉力传递至髋关节处串联弹性模块中，压缩弹簧15后带动腿部连杆22进行运动，避免了刚性冲击，同时能够保护使用人员。

为确保使用者安全，本发明设计有图5所示的机械限位装置，外骨骼在屈曲伸展运动过程中，由弹性传动块16压缩弹簧15，随后带动腿部连接部分进行助力运动，其中弹性传动块16运动范围为±45°，具有机械限位能力，能够确保外骨骼机器人关节活动范围小于人体关节活动范围，进而保证外骨骼机器人不会对使用者造成伤害。

Claims (10)

1.一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部连接机构和腿部连接机构，腰部连接机构两侧设置有腿部连接机构，腰部连接机构两侧分别设置有电机处串联弹性模块，腿部连接机构顶部设置有髋关节处串联弹性模块，所述髋关节处串联弹性模块与电机处串联弹性模块通过套索传动机构连接传动，髋关节处串联弹性模块、电机处串联弹性模块和套索传动机构通过驱动及传感系统提供控制与动力。

2.根据权利要求1所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部连接机构包括环绕人腰部设置的腰带(2)以及用于外骨骼机器人腰部宽度调整的腰部调长板(1)，左右侧腰板(3)通过螺栓与腰部调长板(1)进行连接。

3.根据权利要求2所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述腰带(2)采用运动护腰，其内部有硬质支撑结构，同时其宽度约为10cm，腰带(2)与腰部调长板(1)通过螺栓进行连接，所述腰部调长板(1)上设置有螺纹孔，左右侧腰板(3)连接时可根据穿戴者需要进行选择，可调节范围为390mm-510mm,调节至适宜穿戴者穿戴宽度进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部连接结构包括外摆连接块(21)，外摆连接块(21)通过螺栓与髋关节处串联弹性模块的髋关节弹性传动外圈(14)连接，外摆连接块(21)设置在腿部连杆(22)上，所述腿部连杆(22)采用碳纤维管，腿部连杆(22)上安装有腿部连接块(23)，腿部连接块(23)上设置有腿部调长板(24)，所述腿部连接块(23)上设计有陀螺仪安装槽，用于布置加速度计，加速度计用于感知人体运动模式；腿部调长板(24)上安装有护板(25)，护板(25)用于与人体大腿进行固连，腿部连接块(23)单边各布置有4个插扣(26)，插扣(26)用于连接绑带。

5.根据权利要求4所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部调长板(24)可调节范围为400mm-450mm，护板(25)与调长板(24)通过螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述套索传动机构包括两根钢索(11)，钢索(11)一端通过紧定螺钉与驱动电机串联弹性模块中钢索固定块(17)固定连接，另一端固定于髋关节串联弹性模块中的盘线轮(12)上，钢索(11)通过驱动电机(8)提供动力，通过驱动电机(8)转动，盘线轮(12)通过下方外摆连接座(21)与腿部模块的连接，带动腿部模块进行运动。

7.根据权利要求6所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述钢索(11)穿过套索支撑架(6)，套索支撑架(6)两端分别通过螺栓与定位板(7)进行固连，一端的定位板(7)设置在腰板(3)上，另一端的定位板(7)设置在盘线轮(12)上，套索支撑架(6)表面设置有凹槽，凹槽内布置有套管(5)，所述套管(5)通过钢索(11)的预紧拉力与套索支撑架(6)贴合，实现套索支撑架(6)对套管(5)的支撑作用。

8.根据权利要求1所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述电机处串联弹性模块为三层结构，外部两层为封闭盖板(10)，内层为弹性固定块(20)、线固定块(17)、弹簧(18)及弹性块(19)，线固定块(17)通过螺栓与两侧封闭盖板(10)连接，弹性块(19)布置于弹性固定块(20)内部凹槽中，弹簧(18)位于弹性块(19)及弹性固定块(20)之间形成的空隙中，经压缩后弹簧(18)对弹性块(10)产生反作用力，所述电机处串联弹性模块通过D型孔与驱动电机(8)进行连接，并通过紧定螺钉进行位置固定。

9.根据权利要求1所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节处串联弹性模块包括盘线轮(12)，盘线轮(12)内部布置有两个弹性传动外圈(14)以及位于弹性传动外圈(1)4中间的弹性传动内圈(13)，所述弹性传动内圈(13)内部的凹槽处布置有弹性块(16)，弹性块(16)与弹性传动内圈(13)之间形成的空隙处设置有弹簧(15)。

10.根据权利要求1所述的一种套索驱动髋关节串联弹性助力外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动及传感系统包括驱动电机(8)、控制板、电调、加速度计，所述驱动电机(8)采用减速电机，控制板配合电调可同时实现对两个驱动电机(8)的控制，腿部连接机构布置有加速度计，加速度计安装于腿部连接块(23)上，用于采集人体运动信息，进而进行意图感知识别。

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