CN112618280B - 下肢康复机器人的软体驱动结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种下肢康复机器人的软体驱动结构，包括双层气囊、固定连接件，双层气囊包括硅橡胶材质的软体气囊，软体气囊的端部与固定连接件连接，软体气囊的内侧在两者的连接处设有锥面；固定连接件包括端盖、气孔盖和固定螺母，气孔盖与双层气囊密封连接，端盖盖于气孔盖上，气孔盖上设有通气管，端盖设有通孔，通气管的一端穿过通孔并外露于端盖，该外露部分通过固定螺母装配固定；气孔盖设有锥面，用于与软体气囊的锥面贴合，端盖的内侧设有与气孔盖相贴合的锥面。本发明采用锥面装配的设计提高了软体驱动结构的抗压耐受力，能够有效提高关节转动力矩，降低零部件损耗。

Description

下肢康复机器人的软体驱动结构

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域的一种可穿戴康复机器人，具体地，涉及一种外骨骼关节的软体驱动结构。

背景技术

近年来，软体机器人逐渐成为机器人技术领域的热点研究对象，其具有良好的柔性，能够适应各种非结构化环境，适用于人机交互与操作控制。相较于刚性机器人，其能够避免碰撞，减少对环境和机器人本身的伤害。因其上述特征，软体机器人适用于医疗康复领域，为可穿戴辅助机器人提供了很好的解决方案，出现了一类轻便、柔性高、穿戴舒适、关节轴线能自适应的软体外骨骼。

机器人的驱动问题是机器人运动的关键，驱动的作用是将其他能源的能量转化为供机器人运动的能量。现有机器人的主要驱动方式有：电气驱动、液压驱动、气压驱动等，这些驱动方式往往能够得到充足的力或扭矩，适用于刚性机器人。软体机器人主要采用硅橡胶、记忆合金等软体材料，通过气压、线拉力或电热效应驱动。

软体康复外骨骼的驱动部分是柔性的，使得机器人关节的弯曲轮廓与人体肢体轮廓能够重合。现有软体机器人的驱动主要采用气压、线拉力、电热效应等方式，如南方科技大学Zhong Shen等人提出的带有混合结构(刚性框架+软驱动器)的水下机器人设计方案，一种新颖的软气囊设计和均匀的驱动器设计使得一个紧凑的液压驱动系统能够驱动所有执行器；加州理工大学Kyunam Kim等人开发的一种软球形张力机器人，是一种新型可操纵的移动机器人平台，通过线和弹簧进行驱动，改变驱动策略能够使其变形，该机器人的几何形状适用于滚动运动；毕肯特大学Bilge Baytekin等人设计了一款植物机器人，能够通过自我调节表现出向阳性(太阳追踪)和夜光性(开叶)，其原理是在材料中掺杂光吸收性化学物质或通过改变电极的几何形状来调节姿态。目前混合结构中的软体驱动器都存在力矩和力不足的情况，无法承受较大的压强。若采用线拉力驱动外骨骼关节，会导致外骨骼弯曲轮廓与人体肢体轮廓不符的问题，关节驱动力不足，穿戴舒适性差、效率低。采用电热效应或是记忆合金产生形变的力和力矩过小，无法满足关节驱动。

经检索，申请人前期申请的发明专利，申请号：201910846107.0，提供一种刚软一体式下肢外骨骼，包括髋关节气动软体驱动器，膝关节气动软体驱动器，踝关节气动软体驱动器，腰部刚性连杆，大腿刚性连杆，小腿刚性连杆，脚刚性连杆，腰部穿戴机构，大腿穿戴机构，小腿穿戴机构和脚穿戴机构，其中：各关节气动软体驱动器采用具有双层气囊的椭圆柱形或椭圆环形结构，向不同气囊充气实现双向弯曲变形；刚性连杆将各关节气动软体驱动器连接起来，在刚性连杆上安装穿戴机构，用于将外骨骼穿戴在人体上；关节气动软体驱动器的弯曲变形和弯曲力矩，通过刚性连杆和穿戴机构传递给人体下肢，从而驱动人体下肢关节的转动，达到辅助人体下肢运动的目的。

但是上述专利中的驱动器的抗压耐受能力有待进一步改善。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种下肢康复机器人的软体驱动结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种下肢康复机器人的软体驱动结构，包括双层气囊、固定连接件，其中：

所述双层气囊包括硅橡胶材质的软体气囊，所述软体气囊的端部与所述固定连接件连接，所述软体气囊的内侧在两者的连接处设有锥面；

所述固定连接件包括端盖、气孔盖和固定螺母，所述气孔盖与所述双层气囊密封连接，所述端盖盖于所述气孔盖上，所述气孔盖上设有通气管，所述端盖设有通孔，所述通气管的一端穿过所述通孔并外露于所述端盖，该外露部分通过所述固定螺母装配固定；所述气孔盖设有锥面，用于与所述软体气囊的锥面贴合，所述端盖的内侧设有与所述气孔盖相贴合的锥面；在所述固定螺母拧紧的过程中，通过缩小所述气孔盖的锥面和所述端盖的锥面间的距离，增大各个零件之间的摩擦，使得所述软体驱动结构能承受更大的气压值。

可选地，所述软体气囊包括上下端部，所述上下端部分别通过所述固定连接件连接。

可选地，所述通气管的管外壁设有螺纹，安装时将所述气孔盖塞入所述软体气囊中，所述气孔盖的锥面与所述软体气囊的锥面贴合，所述通气管、所述软体气囊内部相通。

可选地，所述通气管的端部设置有气动接口，用于插接外部气源，所述气动接头能用于气源与所述软体驱动结构相互连接与分离。

可选地，所述双层气囊中，每层软体气囊内均有气囊芯以保证气密性。

可选地，所述双层气囊还包括不可伸缩层和弹性纺织材料，所述不可伸缩层和弹性纺织材料包裹在所述软体气囊外围，对所述软体气囊起到保护作用，同时限制所述软体气囊发生不需要的形变及位移。

可选地，所述弹性纺织材料为单向弹性，用于限制所述软体气囊径向的膨胀，仅允许轴向伸长；所述不可伸缩层限制所述软体气囊内侧位置的伸长变形。

可选地，向所述双层气囊的软体气囊分别充气实现双向弯曲变形，即向其中一层气囊充气使所述软体驱动结构向另一侧软体气囊弯曲，从而辅助穿戴者进行下肢管节的弯曲和伸展运动。

可选地，所述软体气囊采用椭圆环形结构，自然弯曲角度与人体各关节的自然弯曲角度相适应。

可选地，所述软体驱动结构连接在下肢康复机器人的腰部刚性连杆和大腿刚性连杆之间、大腿刚性连杆与所述小腿刚性连杆之间、小腿刚性连杆和所述脚刚性连杆之间，能实现弯曲变形，驱动人体下肢关节的转动。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：

1)本发明采用锥面体装配的方式，能够有效增大各个零部件间的接触面积，增加摩擦力，从而提高驱动器的抗压耐受能力，使之能够实现大扭力驱动。

2)本发明采用的结构能够简化装配流程，降低组装工作量，同时能够有效延长下肢康复机器人关节驱动器的使用寿命，降低零部件损耗，提高下肢康复机器人的使用效率。

3)采用本发明软体驱动结构的弯曲变形驱动人体关节运动，具有质量轻、柔性高、安全性好、能够自适应人体关节轴线变化的优点，克服了线驱动对人体关节产生压迫力的缺点以及刚性外骨骼轴线对准的问题，进一步提高了所述下肢康复机器人的穿戴舒适性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构的示意图；

图2为本发明一优选实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构的结构分解示意图；

图3为图2所示的A-A剖面图；

图4为本发明一优选实施例的组装外观图；

图中：1为固定螺母，2为端盖、3为气孔盖，4为软体气囊，5为不可伸缩层，6为弹性纺织材料，7为通气管，8为通孔；

1A、1B、1C、1D分别为上端盖的左、右固定螺母和下端盖的左、右固定螺母，2A、2B分别为上端盖、下端盖，3A、3B、3C、3D分别为左上气孔盖、右上气孔盖、左下气孔盖和右下气孔盖，4A、4B分别为左气囊芯、右气囊芯，5A、5B分别为左不可伸缩层、右不可伸缩层，6A、6B分别为左弹性纺织材料、右弹性纺织材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一优选实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构的示意图。参照图1所示，本实施例中的下肢康复机器人的软体驱动结构，主要由包括双层气囊、固定连接件组成，其中固定连接件包括：固定螺母1、端盖2、气孔盖3；双层气囊包括硅橡胶材质的软体气囊4，软体气囊4的端部与固定连接件连接，软体气囊4的内侧在两者的连接处设有锥面；气孔盖3与双层气囊密封连接，端盖2盖于气孔盖3上，气孔盖3上设有通气管7，端盖2设有通孔8，通气管7的一端穿过通孔8并外露于端盖2，该外露部分通过固定螺母1装配固定；气孔盖3设有锥面，用于与软体气囊4的锥面贴合，端盖2的内侧设有与气孔盖3相贴合的锥面；在固定螺母1拧紧的过程中，通过缩小气孔盖33的锥面和端盖2的锥面间的距离，增大各个零件之间的摩擦，使得软体驱动结构能承受更大的气压值。如图1所示，软体气囊4包括上下端部，上下端部分别通过固定连接件连接。

本实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构，可以连接在下肢康复机器人的腰部刚性连杆和大腿刚性连杆之间、大腿刚性连杆与小腿刚性连杆之间、小腿刚性连杆和脚刚性连杆之间；下肢康复机器人的软体驱动结构可实现弯曲变形，驱动人体下肢关节的转动。因为软体气囊4、气孔盖3以及端盖2均采用锥面设计，提高了软体驱动结构的抗压耐受力，能够有效提高关节转动力矩。通过这种新的驱动器结构，提高驱动器的装配效率和使用寿命，提高驱动器能承受的最高气压，从而达到能够满足病人康复运动的驱动力。

在一优选的实施例中，参照图1所示，双层气囊中，每层软体气囊4内均有气囊芯以保证气密性，外包裹弹性纺织材料6和不可伸缩层5，能够对软体气囊4起到保护作用，同时还能够限制软体气囊4发生不需要的形变及位移。进一步的，弹性纺织材料6为单向弹性，能够限制径向的膨胀，仅允许轴向伸长.不可伸缩层5能够限制驱动器内侧位置的伸长变形。软体气囊4可以采用硅胶气囊，弹性纺织材料6和不可伸缩层5裹在硅胶气囊外围，用胶粘合使它们成为一体。

在一优选的实施例中，双层气囊中，通过分别向软体气囊4内部充气实现双向弯曲变形，即向其中一层软体气囊4充气使驱动结构软体向另一侧软体气囊4弯曲，从而辅助穿戴者进行下肢管节的弯曲和伸展运动。

在一优选的实施例中，软体驱动结构的双层气囊采用椭圆环形结构，自然弯曲角度与人体各关节的自然弯曲角度相适应。

在一优选的实施例中，气孔盖3的通气管7，在通气管7端部设置有气动接口，用于插接外部气源，气动接头可用于气源与软体驱动结构相互连接与分离。

为了更好理解本发明，以下结合详细的应用实例来进行说明，但是并不用于限定本发明。

图2为本发明一优选实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构的结构分解示意图，图3为图2所示的A-A剖面图。

参照图2、3所示，该下肢康复机器人的软体驱动器包括双层气囊，其中双层气囊具有上端和下端，双层气囊并列设置，其中软体气囊设有左气囊芯4A、右气囊芯4B，同时，还有包裹在软体气囊外围的左不可伸缩层5A、右不可伸缩层5B、左弹性纺织材料6A、右弹性纺织材料6B。

对应于上述的双层气囊，固定连接件包含了上端盖的左、右固定螺母1A、1B、下端盖的左、右固定螺母1C、1D、上端盖2A、下端盖2B、左上气孔盖3A、右上气孔盖3B、左下气孔盖3C、右下气孔盖3D，上端盖2A、下端盖2B分别位于软体气囊的上下端部，通过上端盖2A、下端盖2B将并列设置的双层气囊位置固定。双层气囊的上端设置有上端盖的左、右固定螺母1A、1B，左上气孔盖3A、右上气孔盖3B，其中左、右固定螺母1A、1B、左上气孔盖3A、右上气孔盖3B分别对应于双层气囊的左右两侧软体气囊的上端。双层气囊的下端设置有下端盖的左、右固定螺母1C、1D、左下气孔盖3C、右下气孔盖3D，其中左、右固定螺母1C、1D、左下气孔盖3C、右下气孔盖3D分别对应于双层气囊的左右两侧软体气囊的下端。

上端盖2A内部加工有锥面，能够增大与气囊的贴合度。上端盖2A顶部留有通孔8，供装配使用。将左上气孔盖3A、右上气孔盖3B的通气管7插入上端盖2A通孔8中，用左、右固定螺母1A、1B装配固定。螺母拧紧的过程中，能够通过缩小左上气孔盖3A、右上气孔盖3B的锥面和上端盖2A的锥面之间的距离来增大弹性纺织材料6A、6B和不可伸缩层5A、5B和左上气孔盖3A、右上气孔盖3B、上端盖2A之间的摩擦，使得驱动结构可以承受更大的气压值。

本实施例中，下肢康复机器人的软体驱动器是具有两层气囊结构的椭圆形截面的弯曲驱动器，每层气囊内均有一气囊芯以保证气密性，外包裹弹性纺织材料6A、6B以及不可伸缩层5A、5B，能够对软体气囊起到保护作用，同时还能够限制软体气囊发生不需要的形变及位移，弹性纺织材料6A、6B为单向弹性，能够限制径向的膨胀，仅允许轴向伸长，不可伸缩层5A、5B能够限制驱动器内侧位置的伸长变形。

具体的，作为较优的选择，左气囊芯4A、右气囊芯4B可以由硅橡胶材料制成，主体截面均为椭圆形，在软体气囊两端分别构建一个锥面。安装时能够增大与上端盖2A、左上气孔盖3A、右上气孔盖3B的接触面积。

本实施例中，左上气孔盖3A、右上气孔盖3B也分别加工有锥面，上端加工有通气管，管的外壁加工有螺纹，能够与固定螺母上端盖的左、右固定螺母1A、1B、下端盖的左、右固定螺母1C、1D配合。软体气囊端部设有开口，在安装时将左上气孔盖3A、右上气孔盖3B、左下气孔盖3C、右下气孔盖3D通过该开口塞入软体气囊中，锥面与软体气囊的锥面贴合，通气管外露于软体气囊端部，之后将弹性纺织材料6A、6B和不可伸缩层5A、5B紧紧包裹在软体气囊外围，并用胶粘合，从而形成一体。如图4所示，为上述各部分组装完成后的外观图。

本实施例中，下肢康复机器人的软体驱动器采用硅橡胶材料和弹性纺织材料6A、6B，使外骨骼关节具有很好的柔性，可以自动适应人体关节转动过程中的轴线变化，在辅助人体下肢运动的过程中更加安全。采用锥面装配设计能够大大提高驱动器的承压能力，可以使关节获得更大的转动扭矩。

本发明上述实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构，可应用于下肢康复机器人的髋关节气动软体驱动器，膝关节气动软体驱动器，踝关节气动软体驱动器等。该气动软体驱动结构采用具有双层椭圆柱形气囊的结构，气囊两端为锥面，连接件与气囊接触的部分也是锥面设计，采用锥面装配的设计提高了软体驱动结构的抗压耐受力，能够有效提高关节转动力矩；新软体驱动结构，简化装配流程，提高下肢康复机器人的使用寿命，降低零部件损耗，提高下肢康复机器人的使用效率，达到长时间辅助人体下肢运动的目的。

本发明上述实施例的下肢康复机器人的软体驱动结构，具有质量轻、柔性高、安全性好、双向驱动、能够自适应人体关节轴线变化、与人体下肢运动轮廓一致、长度可调、安装方便的优点，克服了原先扭矩不足无法满足康复者运动需求的问题，克服了上代气囊不易装配、零部件容易发生不可逆变形的问题，提高了外骨骼的安装效率、驱动效率和使用寿命。

以上是本发明中的优选结构设计，当然在其他实施例中，各个优选结构可以单独使用，在互相不冲突的前提下，也可以任意组合使用，组合使用时效果会更好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于本发明简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种下肢康复机器人的软体驱动结构，其特征在于：包括双层气囊、固定连接件，其中：

所述双层气囊包括硅橡胶材质的软体气囊，所述软体气囊的端部与所述固定连接件连接，所述软体气囊的内侧在两者的连接处设有锥面；

所述固定连接件包括端盖、气孔盖和固定螺母，所述气孔盖与所述双层气囊密封连接，所述端盖盖于所述气孔盖上，所述气孔盖上设有通气管，所述端盖设有通孔，所述通气管的一端穿过所述通孔并外露于所述端盖，外露部分通过所述固定螺母装配固定；所述气孔盖设有锥面，用于与所述软体气囊的锥面贴合，所述端盖的内侧设有与所述气孔盖相贴合的锥面；在所述固定螺母拧紧的过程中，通过缩小所述气孔盖的锥面和所述端盖的锥面间的距离，增大各个零件之间的摩擦，使得所述软体驱动结构能承受更大的气压值；

所述双层气囊有两个，两个双层气囊并列设置，其中两个双层气囊上分别设有左气囊芯、右气囊芯，同时，还有包裹在软体气囊外围的左不可伸缩层、右不可伸缩层、左弹性纺织材料、右弹性纺织材料；

对应于上述的两个双层气囊，固定连接件包含上端盖的左、右固定螺母、下端盖的左、右固定螺母、上端盖、下端盖、左上气孔盖、右上气孔盖、左下气孔盖、右下气孔盖，上端盖、下端盖分别位于软体气囊的上下端部，通过上端盖、下端盖将并列设置的双层气囊位置固定；双层气囊的上端设置有上端盖的左、右固定螺母，左上气孔盖、右上气孔盖，其中左、右固定螺母、左上气孔盖、右上气孔盖分别对应于双层气囊的左右两侧软体气囊的上端；双层气囊的下端设置有下端盖的左、右固定螺母、左下气孔盖、右下气孔盖，其中左、右固定螺母、左下气孔盖、右下气孔盖分别对应于双层气囊的左右两侧软体气囊的下端；

上端盖内部加工有锥面，能够增大与气囊的贴合度；上端盖顶部留有通孔，左上气孔盖、右上气孔盖的通气管插入上端盖通孔中，用左、右固定螺母装配固定；螺母拧紧的过程中，能够通过缩小左上气孔盖、右上气孔盖的锥面和上端盖的锥面之间的距离来增大左弹性纺织材料、右弹性纺织材料和左不可伸缩层、右不可伸缩层与左上气孔盖、右上气孔盖、上端盖之间的摩擦，使得驱动结构承受更大的气压值；

所述左弹性纺织材料、右弹性纺织材料，其中弹性纺织材料为单向弹性，用于限制所述软体气囊径向的膨胀，仅允许轴向伸长；左、右不可伸缩层限制所述软体气囊内侧位置的伸长变形。

2.根据权利要求1所述的下肢康复机器人的软体驱动结构，其特征在于：所述通气管的管外壁设有螺纹，安装时将所述气孔盖塞入所述软体气囊中，所述气孔盖的锥面与所述软体气囊的锥面贴合，所述通气管、所述软体气囊内部相通。

3.根据权利要求1所述的一种下肢康复机器人的软体驱动结构，其特征在于：所述通气管的端部设置有气动接口，用于插接外部气源，所述气动接头能用于气源与所述软体驱动结构相互连接与分离。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种下肢康复机器人的软体驱动结构，其特征在于：向所述双层气囊的软体气囊分别充气实现双向弯曲变形，即向其中一层气囊充气使所述软体驱动结构向另一侧软体气囊弯曲，从而辅助穿戴者进行下肢管节的弯曲和伸展运动。

5.根据权利要求4所述的一种下肢康复机器人的软体驱动结构，其特征在于：所述软体气囊采用椭圆环形结构，自然弯曲角度与人体各关节的自然弯曲角度相适应。

6.根据权利要求1-3任一项所述的下肢康复机器人的软体驱动结构，其特征在于：所述软体驱动结构连接在下肢康复机器人的腰部刚性连杆和大腿刚性连杆之间、大腿刚性连杆与小腿刚性连杆之间、小腿刚性连杆和脚刚性连杆之间，能实现弯曲变形，驱动人体下肢关节的转动。

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