CN112659104A - 一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人包括脚部及小腿模块、膝关节及大腿模块、髋关节及腰部模块和背部模块；膝关节及大腿模块的膝关节处设置有膝关节一体电机模块，髋关节及腰部模块包括设置在髋关节处的髋关节一体电机模块和腰部弧形滑动模块；脚部及小腿模块具有两个转动自由度，脚部及小腿模块与膝关节一体电机模块连接以形成一个转动自由度；髋关节一体电机模块的两个输出端分别与膝关节及大腿模块和腰部弧形滑动模块连接以形成一个转动自由度；腰部弧形滑动模块具有一个转动自由度，腰部弧形滑动模块和背部模块连接以形成一个转动自由度。本外骨骼助力机器人具有结构简单、占用体积较小、与人体契合度高等优点。

Description

一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人

技术领域

本发明涉及下肢外骨骼机器人领域，特别涉及一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人。

背景技术

自进入二十一世纪以来，国内外对下肢外骨骼机器人进行了大量的研究，尤其以美国为代表的相关研究代表了下肢外骨骼领域的一流水平，而这些下肢外骨骼研究中最重要的应用领域就是构建辅助单兵作战的外骨骼机器人系统。纵观国内外的现有的研究成果，能帮助穿戴者增加负重能力的产品并不多，它们普遍具有机体结构复杂、占用体积大、质量大、与人体契合度差、负重能力差、续航能力差、不能适应多种室外地形环境的问题，且国内尚未有一款成熟的产品面世。因此，设计开发一款能较好解决上述问题的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，本辅助负重型下肢外骨骼助力机器人具有结构简单、占用体积较小、与人体契合度高、续航能力强及负载重量大等优点。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人包括脚部及小腿模块、膝关节及大腿模块、髋关节及腰部模块和背部模块；所述膝关节及大腿模块的膝关节处设置有膝关节一体电机模块，所述髋关节及腰部模块包括设置在髋关节处的髋关节一体电机模块和腰部弧形滑动模块；所述脚部及小腿模块具有两个转动自由度，所述脚部及小腿模块与所述膝关节及大腿模块通过所述膝关节一体电机模块相连接以形成一个转动自由度；所述髋关节一体电机模块的两个输出端分别与所述膝关节及大腿模块和所述腰部弧形滑动模块连接以形成一个转动自由度；所述腰部弧形滑动模块具有一个转动自由度，所述腰部弧形滑动模块和所述背部模块连接以形成一个转动自由度，且所述背部模块的两侧分别安装有一个所述髋关节及腰部模块。

进一步地，所述脚部及小腿模块包括脚板、连接轴、脚部弧形件和小腿杆；所述脚板通过所述连接轴与所述脚部弧形件的一端转动连接以形成一个被动的转动自由度；所述小腿杆的一端与所述脚部弧形件的另一端转动连接以形成一个被动的转动自由度；优选地，所述连接轴的安装面为法兰结构。

进一步地，所述小腿杆由两个凹型件拼焊而成，且所述小腿杆为内部中空的矩形管结构；每个所述凹型件的一端均设置有第一轴承，所述脚部弧形件的另一端设置有第一键槽孔，销轴穿过所述第一轴承和所述第一键槽孔以将所述小腿杆的一端与所述脚部弧形件转动连接，且所述脚部弧形件的另一端位于两个所述第一轴承之间。

进一步地，所述脚部及小腿模块还包括脚部磁环模块，所述脚部磁环模块包括第一霍尔传感器组件、脚部磁环载体零件和第一径向磁化的磁环；所述小腿杆的一端设置有U形安装口，所述脚部磁环载体零件设有第二键槽孔，所述脚部磁环载体零件和所述脚部弧形件的另一端均设置在所述U形安装口中，所述销轴穿过所述第二键槽孔，所述销轴分别与所述脚部弧形件的另一端和所述脚部磁环载体零件固定连接；所述第一径向磁化的磁环胶接固定在所述脚部磁环载体零件上，所述第一霍尔传感器组件胶接固定在所述小腿杆的一端内侧壁上，且所述第一霍尔传感器组件靠近所述脚部弧形件的另一端并与所述脚部磁环载体零件之间具有空隙。

进一步地，所述膝关节及大腿模块还包括大腿杆和大腿杆绑带模块；所述大腿杆为内部中空的矩形管结构，所述膝关节一体电机模块的两个输出端分别与所述小腿杆和所述大腿杆固定连接以形成驱动所述膝关节的一个主动的转动自由度；所述大腿杆绑带模块设置在所述大腿杆的内侧，所述大腿杆绑带模块用于将人体大腿与所述大腿杆固定连接。

进一步地，所述大腿杆绑带模块包括微型导轨滑块、轴承模块和腿部固定件；所述微型导轨滑块的导轨固定设置在所述大腿杆的内侧面上，所述轴承模块固定设置在所述微型导轨滑块的滑块上，所述腿部固定件固定设置在所述轴承模块上，所述腿部固件上安装有带状魔术贴。

进一步地，所述腰部弧形滑动模块包括弧形载体零件、弧形轨道和滑块；所述弧形轨道固定设置在所述弧形载体零件上，所述滑块滑动设置在所述弧形轨道上以形成一个在水平面内被动的转动自由度；所述髋关节一体电机模块的两个输出端分别与所述大腿杆和所述滑块固定连接以形成了一个矢状面内驱动的主动的转动自由度；所述弧形载体零件一端与所述背部模块的下端连接以形成一个冠状面内的被动的转动自由度。

进一步地，所述髋关节及腰部模块还包括腰部磁环模块，所述腰部磁环模块设置在所述弧形载体零件和所述背部模块之间；所述腰部磁环模块包括第二径向磁化的磁环、腰部磁环载体零件和第二霍尔传感器组件，所述第二径向磁化的磁环通过胶接固定在所述腰部磁环载体零件上，所述第二霍尔传感器组件固定设置在所述背部模块上，且所述第二霍尔传感器组件与所述第二径向磁化的磁环之间具有空隙，所述腰部磁环载体零件设有一带键槽的中心孔；一带键槽的连接轴依次穿过设置在所述弧形载体零件一端的第三键槽孔、所述中心孔和固定在所述背部模块下端的第二轴承以将所述弧形载体零件、所述腰部磁环载体零件和所述背部模块连接从而形成所述冠状面内的被动的转动自由度。

进一步地，所述背部模块包括负重背包、背部框架、元器件板、控制模块及外壳和锂电池组模块；所述背部框架包括上框架、连接件和下框架，所述上框架和所述下框架均为U形结构，所述上框架和所述下框架通过所述连接件固定连接，且所述上框架的开口朝上、所述下框架的开口朝下，所述背部框架用于连接两个所述髋关节及腰部模块；所述负重背包固定设置在所述上框架上，且所述负重背包位于所述上框架的开口内；所述元器件板为铝合金板，所述元器件板固定设置在所述下框架上，且所述元器件板位于所述下框架的开口内；所述锂电池组模块固定设置在所述元器件板的后侧面上，所述控制模块及外壳固定设置在所述元器件板的前侧面上；所述下框架的下端设置有所述第二轴承，所述下框架与所述弧形载体零件连接以形成所述冠状面内的被动的转动自由度；优选地，一带有若干魔术贴的腰部束带固定设置在所述背部框架上，且所述腰部束带位于所述控制模块及外壳的前方。

进一步地，所述膝关节一体电机模块包括无框力矩电机、谐波减速器和膝关节磁环模块，所述膝关节磁环模块包括第三磁环组件和第三霍尔传感器组件，所述第三磁环组件和第三霍尔传感器组件分别固定设置在所述膝关节处，用来检测所述膝关节运动时的转动角度；所述髋关节一体电机模块包括无框力矩电机、谐波减速器和髋关节磁环模块；所述髋关节磁环模块包括第四磁环组件和第四霍尔传感器组件，所述第四磁环组件和所述第四霍尔传感器组件分别固定设置在所述髋关节处，用来检测所述髋关节运动时的转动角度。

分析可知，本发明公开一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人的实施例实现了如下技术效果：

(1)本发明设计的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人与现有下肢助力外骨骼机器人相比，它具有结构简单、占用体积小、质量小等优点，同时它装配简单、易于维护且各零部件的互换性较好，这对于产品化后的推广使用是一个很大的优势。

(2)本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人一共拥有十二个自由度，单腿拥有六个自由度，包括两个主动自由度和四个被动自由度，其中脚部及踝关节具有两个转动自由度、膝关节具有一个转动自由度、髋关节具有三个转动自由度，为了实现外骨骼与人体更大程度的贴合，髋关节三个转动自由度的转动中心轴被设计交于一点，这是同类外骨骼穿戴设备中所不具有的一项突出优势，这样设置可最大限度降低穿戴者肢体运动时的不适感。

(3)本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人可最高负重20kg，此负重能力通过外骨骼的整体机械结构设计及关节驱动组件的选择实现，这种负重能力在国内外现有负重下肢外骨骼产品中也具有很突出的优势。

(4)本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人所设计选用的高能量密度锂电池模组通过实际运行测试可为机器人本体提供最高负重状态下4-5个小时的续航能力，这在现有产品中也是一项突出的性能优势。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例中脚部及小腿模块局部结构的结构示意图；

图3为本发明一实施例中脚部磁环模块局部结构的结构示意图；

图4为本发明一实施例中膝关节及大腿模块处的结构示意图；

图5为本发明一实施例中髋关节及腰部模块处的结构示意图；

图6为本发明一实施例中腰部磁环模块处的结构示意图；

图7为本发明一实施例中背部模块处的结构示意图。

附图标记说明：

1-脚部及小腿模块，101-脚板，102-连接轴，103-脚部弧形件，104-小腿杆，105-脚部磁环模块，1051-第一霍尔传感器组件，1052-脚部磁环载体零件，1053-第一径向磁化的磁环，2-膝关节及大腿模块，201-膝关节一体电机模块，2011-第三磁环组件，2012-第三霍尔传感器组件，202-大腿杆，203-大腿杆绑带模块，2031-微型导轨滑块，2032-轴承模块，2033-腿部固定件，3-髋关节及腰部模块，301-髋关节一体电机模块，3011-第四磁环组件，3012-第四霍尔传感器组件，302-腰部弧形滑动模块，3021-弧形载体零件，3022-弧形轨道，3023-滑块，303-腰部磁环模块，3031-第二径向磁化的磁环，3032-腰部磁环载体零件，3033-第二霍尔传感器组件，4-背部模块，401-背部框架，402-负重背包，403-元器件板，404-控制模块及外壳，405-锂电池组模块。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1至图7所示，根据本发明的实施例，提供了一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，包括脚部及小腿模块1、膝关节及大腿模块2、髋关节及腰部模块3和背部模块4；膝关节及大腿模块2的膝关节处设置有膝关节一体电机模块201，髋关节及腰部模块3包括设置在髋关节处的髋关节一体电机模块301和腰部弧形滑动模块302；脚部及小腿模块1具有两个转动自由度，脚部及小腿模块1与膝关节及大腿模块2通过膝关节一体电机模块201相连接以形成一个转动自由度；髋关节一体电机模块301的两个输出端分别与膝关节及大腿模块2和腰部弧形滑动模块302连接以形成一个转动自由度；腰部弧形滑动模块302具有一个转动自由度，腰部弧形滑动模块302和背部模块4连接以形成一个转动自由度，且背部模块4的两侧分别安装有一个髋关节及腰部模块3。

在上述实施例中，本辅助负重型下肢外骨骼助力机器人包括脚部及小腿模块1、膝关节及大腿模块2、髋关节及腰部模块3和背部模块4，其中，脚部及小腿模块1、膝关节及大腿模块2和髋关节及腰部模块3的个数分别为两个，脚部及小腿模块1、膝关节及大腿模块2和髋关节及腰部模块3依次连接形成单腿结构，背部模块4的个数为一个，两个单腿结构分别设置在背部模块4的两侧。脚部及小腿模块1具有两个转动自由度，脚部及小腿模块1和膝关节及大腿模块2通过膝关节处的一体电机模块201连接在一起，以形成一个转动自由度，髋关节一体电机模块301的两个输出端分别与膝关节及大腿模块2和腰部弧形滑动模块302连接以形成一个转动自由度；腰部弧形滑动模块302具有一个被动的转动自由度，腰部弧形滑动模块302和背部模块4连接以形成一个转动自由度。本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人结构一共拥有十二个自由度，单腿拥有六个自由度。单腿的六个自由度包括两个主动自由度和四个被动自由度，其中脚部及踝关节具有两个被动的转动自由度、膝关节具有一个主动的转动自由度、髋关节具有两个被动的转动自由度和一个主动的转动自由度，为了实现机器人与人体更大程度的贴合，髋关节三个转动自由度的转动中心轴被设计交于一点，这是同类外骨骼穿戴设备中所不具有的一项突出优势，这样设置可最大限度降低穿戴者肢体运动时的不适感。同时，本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人与现有下肢助力外骨骼机器人相比，它具有结构简单、占用体积小、质量小等优点，同时它装配简单、易于维护且各零部件的互换性较好，这对于产品化后的推广使用是一个很大的优势。优选地，如图1和图3所示，在本发明一个实施例中，脚部及小腿模块1包括脚板101、连接轴102、脚部弧形件103和小腿杆104；脚板101通过连接轴102与脚部弧形件103的一端转动连接以形成一个被动的转动自由度；小腿杆104的一端与脚部弧形件103的另一端转动连接以形成一个被动的转动自由度；优选地，连接轴102的安装面为法兰结构。

优选地，如图1和图2所示，在本发明一个实施例中，小腿杆104由两个凹型件拼焊而成，且小腿杆104为内部中空的矩形管结构；每个凹型件的一端均设置有第一轴承，脚部弧形件103的另一端设置有第一键槽孔，销轴穿过第一轴承和第一键槽孔以将小腿杆104的一端与脚部弧形件103转动连接，且脚部弧形件103的另一端位于两个第一轴承之间。

在上述实施例中，脚部及小腿模块1包括脚板101、脚部弧形件103、脚部磁环模块105和小腿杆104，小腿杆104是由两个凹型件拼焊而形成的内部中空的矩形管结构。脚板101通过一带有法兰安装面的连接轴102与脚部弧形件103的一端连接在一起以形成一被动的转动自由度，脚部弧形件103上与脚板101的连接处安装有轴承。小腿杆104与脚部弧形件103的另一端的连接形式是采用销轴穿过脚部弧形件103的另一端和固定在小腿杆104两侧的第一轴承的形式、即销轴与脚部弧形件103的另一端配合安装并固定在一起，脚部弧形件103的另一端位于小腿杆104上的两个第一轴承之间。优选地，凹型件为形状类似于槽钢的铝合金结构件，且材质为7075铝合金。

优选地，如图1和图3所示，在本发明一个实施例中，脚部及小腿模块1还包括脚部磁环模块105，脚部磁环模块105包括第一霍尔传感器组件1051、脚部磁环载体零件1052和第一径向磁化的磁环1053；小腿杆104的一端设置有U形安装口，脚部磁环载体零件1052设有第二键槽孔，脚部磁环载体零件1052和脚部弧形件103的另一端设置在U形安装口中，销轴穿过第二键槽孔，销轴分别与脚部弧形件103的另一端和脚部磁环载体零件1052固定连接；第一径向磁化的磁环1053胶接固定在脚部磁环载体零件1052上，第一霍尔传感器组件1051胶接固定在小腿杆104的一端内侧壁上，且第一霍尔传感器组件1051靠近脚部弧形件103的另一端并与脚部磁环载体零件1052之间具有空隙。

在上述实施例中，脚部磁环模块105包括第一霍尔传感器组件1051、脚部磁环载体零件1052和第一径向磁化的磁环1053。小腿杆104的一端设置有U形安装口，且U形安装口方向朝下，脚部磁环模块105中的脚部磁环载体零件1052设有第二键槽孔。脚部磁环载体零件1052设置在小腿杆104一端的U形安装口中且被销轴穿过并与销轴配合固定在一起，脚部弧形件103的另一端、销轴及脚部磁环载体零件1052形成固定结构并可同轴转动，从而形成另一被动的转动自由度。脚部磁环载体零件1052为圆盘形铝合金结构件，这里脚部磁环载体零件1052通过第二键槽孔径向固定在销轴上，而轴向是通过使用轴用弹性挡圈卡在销轴上的卡簧槽内来实现轴向限制脚部磁环载体零件1052的轴向位移，其中，本发明实施例中所有轴的轴向固定均通过此方式实现。第一径向磁化的磁环1053胶接固定在脚部磁环载体零件1052上并随销轴一起转动，第一霍尔传感器组件1051胶接固定在小腿杆104的一端内侧壁上，且第一霍尔传感器组件1051靠近脚部弧形件103的另一端并与脚部磁环载体零件1052之间具有空隙，通过第一霍尔传感器组件1051检测第一径向磁化的磁环1053角度的变化可得到踝关节在矢状面内运动的角度。这里，第一霍尔传感器组件1051包括霍尔传感器探头及3D打印固定件，霍尔传感器探头固定安装在3D打印固定件，3D打印固定件胶接固定在小腿杆104的一端内侧壁上，霍尔传感器探头和第一径向磁化的磁环1053用来检测脚踝处与矢状面垂直的转动自由度的角度变化。

优选地，如图4所示，在本发明一个实施例中，膝关节及大腿模块2还包括大腿杆202和大腿杆绑带模块203；大腿杆202为内部中空的矩形管结构，膝关节一体电机模块201的两个输出端分别与小腿杆104和大腿杆202固定连接以形成驱动膝关节的一个主动的转动自由度；大腿杆绑带模块203设置在大腿杆202的内侧，大腿杆绑带模块203用于将人体大腿与大腿杆202固定连接。优选地，大腿杆绑带模块203包括微型导轨滑块2031、轴承模块2032和腿部固定件2033；微型导轨滑块2031的导轨固定设置在大腿杆202的内侧面上，轴承模块2032固定设置在微型导轨滑块2031的滑块上，腿部固定件2033固定设置在轴承模块2032上，腿部固件2033上安装有带状魔术贴。

在上述实施例中，膝关节及大腿模块2包括膝关节一体电机模块201、大腿杆202和大腿杆绑带模块203，膝关节一体电机模块201包括无框力矩电机、谐波减速器和膝关节磁环模块，膝关节磁环模块包括第三磁环组件2011和第三霍尔传感器组件2012，第三磁环组件2011包括径向磁化的磁环和3D打印固定件，径向磁化的磁环固定安装在3D打印固定件上，径向磁化的磁环通过3D打印固定件固定在膝关节所连接的小腿端上，第三霍尔传感器组件2012包括霍尔传感器和3D打印固定件，霍尔传感器固定安装在3D打印固定件上，霍尔传感器通过3D打印固定件固定在膝关节所连接的大腿端上。大腿杆绑带模块203包括微型导轨滑块2031、轴承模块2032和腿部固定件2033。大腿杆202与小腿杆104具有类似的内部中空矩形管结构，膝关节一体电机模块201通过两个矩形输出端分别插入小腿杆104及大腿杆202并用螺丝固定从而形成驱动膝关节的转动自由度，第三磁环组件2011和第三霍尔传感器组件2012分别固定设置在膝关节所连接的小腿端及大腿端上，用来检测膝关节运动时所转动的角度。微型导轨滑块2031的导轨通过螺丝安装在大腿杆202的内侧面上，轴承模块2032通过螺丝固定在微型导轨滑块2031的滑块上，可以实现在矢状面内的转动。腿部固定件2033通过螺丝固定在轴承模块2032上，腿部固件2033上安装有带状魔术贴，腿部固件2033用来将人体大腿与外骨骼机器人的大腿杆固定在一起，通过上述腿部固件2033的机构设置，大腿杆绑带模块203可为大腿提供在运动及穿戴过程中与外骨骼大腿杆202之间一定的调整裕度，使运动和穿戴更加舒适。

优选地，如图5和图6所示，在本发明一个实施例中，腰部弧形滑动模块302包括弧形载体零件3021、弧形轨道3022和滑块3023；弧形轨道3022固定设置在弧形载体零件3021上，滑块3023滑动设置在弧形轨道3022上以形成一个在水平面内的被动的转动自由度；髋关节一体电机模块301的两个输出端分别与大腿杆202和滑块3023固定连接以形成了一个矢状面内驱动的主动的转动自由度；弧形载体零件3021一端与背部模块4下端连接以形成一个冠状面内的被动的转动自由度。优选地，髋关节及腰部模块3还包括腰部磁环模块303，腰部磁环模块303设置在弧形载体零件3021和背部模块4之间；腰部磁环模块包括第二径向磁化的磁环3031、腰部磁环载体零件3032和第二霍尔传感器组件3033，第二径向磁化的磁环3031通过胶接固定在腰部磁环载体零件3032上，第二霍尔传感器组件3033固定设置在背部模块4上，且第二霍尔传感器组件3033与第二径向磁化的磁环3031之间具有空隙，腰部磁环载体零件3032设有一带键槽的中心孔；一带键槽的连接轴依次穿过设置在弧形载体零件3021一端的第三键槽孔、中心孔和固定在背部模块4下端的第二轴承以将弧形载体零件3021、腰部磁环载体零件3032和背部模块4连接从而形成冠状面内的被动的转动自由度。

在上述实施例中，髋关节及腰部模块3包括髋关节一体电机模块301、腰部弧形滑动模块302和腰部磁环模块303，髋关节一体电机模块301包括无框力矩电机、谐波减速器和髋关节磁环模块，髋关节磁环模块包括第四磁环组件3011和第四霍尔传感器组件3012。第四磁环组件3011包括径向磁化的磁环和3D打印固定零件，第四霍尔传感器组件3012包括霍尔传感器和3D打印固定零件。第四磁环组件3011和第四霍尔传感器组件3012分别固定设置在髋关节处，用来检测髋关节运动时的转动角度。腰部弧形滑动模块302包括弧形载体零件3021、弧形轨道3022和滑块3023，髋关节一体电机模块301的两矩形输出端分别用螺丝连接了大腿杆202和腰部弧形滑动模块302中的滑块3023，并由此形成了一矢状面内驱动的主动的转动自由度，同膝关节磁环模块固定方式及原理一样，髋关节磁环模块用来检测髋关节驱动自由度所转过的角度。其中，滑块3023滑动设置在弧形轨道3022上，腰部弧形滑动模块302自身具有一个被动的转动自由度，因为滑块3023在弧形轨道3022上的滑动可以看作是在绕着弧形轨道3022的曲率中心的转动(弧形轨道3022的轮廓是一个整圆的三分之一，对应的角度为120度，这里实际情况是弧形导轨3022是由两段60度的导轨拼接而成，故具有120度的转动角度)，同时，外骨骼的大腿杆202通过髋关节一体电机模块301固定连接在与滑块3023上，而在机械结构设计时将弧形轨道3022布置在水平面上并将其中心轴线近似布局与人体腿部做内外旋时的转动轴线相吻合，由此腰部弧形滑动模块302即形成了一个在初始水平面内的被动的转动自由度。滑块3023包括上端盖和下端盖，上端盖和下端盖之间形成空腔，多个滑动块设置在空腔中且位于弧形轨道3022的两侧，弧形轨道3022的两端均设置有限位阻尼器，限位阻尼器用于控制滑块3023的滑动范围。另外，腰部磁环模块包括第二径向磁化的磁环3031、腰部磁环载体零件3032和第二霍尔传感器组件3033，第二径向磁化的磁环3031通过胶接固定在腰部磁环载体零件3032上，第二霍尔传感器组件3033包括霍尔传感器探头和3D打印零件，霍尔传感器探头固定安装在3D打印零件上，霍尔传感器探头通过3D打印零件固定于背部模块4上并与第二径向磁化的磁环3031之间具有空隙，以检测垂直冠状面的髋关节转动自由度所转动的角度，腰部磁环载体零件3032设有一带键槽的中心孔，一带键槽的连接轴通过穿过弧形载体零件3021一端设置的第三键槽孔、腰部磁环载体零件3032和固定在背部模块4下端的第二轴承而将弧形载体零件3021和背部框架401连接在一起并形成一冠状面内的被动的转动自由度，且弧形载体零件3021保持与腰部磁环载体零件3032同步转动，第二霍尔传感器组件3033可用来检测大腿内收和外展时弧形载体零件3021所转过的角度。腰部磁环载体零件3032为圆盘形铝合金结构件，这里腰部磁环载体零件3032通过一带键槽的中心孔径向固定在连接轴上，而轴向是通过使用轴用弹性挡圈卡在连接轴上的卡簧槽内来实现轴向限制腰部磁环载体零件3032的轴向位移。

其中，腰部弧形滑动模块302具有一个被动的转动自由度，之所以设计选用腰部弧形滑动模块302来充当髋关节在初始水平面内的被动的转动自由度是因为要降低人机运动的干涉程度，众所周知，人体的单边髋关节可看作是一球形铰链、即具有3个方向的转动自由度，且这3个转动自由度的转动轴线相交于1点，因此如果要使人机运动协调，外骨骼单边髋关节也应具有3个转动自由度并且这3个转动自由度的转动轴线也应相交于1点，最重要的是此相交点应尽可能的与人体髋关节自由度轴线的相交点相重合，这样才能大大降低运动时人机之间的运动干涉感，提高穿着舒适性。外骨骼髋关节在矢状面及冠状面内的转动自由度机械结构比较容易设计与布局，直接布置在大腿外侧和臀部后侧即可，但外骨骼髋关节在水平面内的转动自由度机械结构难于布置，因为无法避开人体，因此通过设计弧形轨道3022结构才较好地解决了这一难题，将大腿杆202通过髋关节一体电机模块301固定在滑块3023上，用滑块3023绕弧形导轨3022曲率中心轴线的滑动来代替机械结构的直接转动，不仅能达到同样的效果还能避免机械结构与人体发生干涉。

优选地，如图1至图7所示，在本发明一个实施例中，背部模块4包括负重背包402、背部框架401、元器件板403、控制模块及外壳404和锂电池组模块405；背部框架401包括上框架、连接件和下框架，上框架和下框架均为U形结构，上框架和下框架通过连接件固定连接，且上框架的开口朝上、和下框架的开口朝下，背部框架401用于连接两个髋关节及腰部模块3；负重背包402固定设置在上框架上，且负重背包402位于上框架的开口内；元器件板403为铝合金板，元器件板403固定设置在下框架上，且元器件板403位于下框架的开口内；锂电池组模块405固定设置在元器件板403的后侧面上，控制模块及外壳404固定设置在元器件板403的前侧面上；下框架的下端设置有第二轴承，下框架与弧形载体零件3021连接以形成冠状面内的被动的转动自由度；优选地，一带有若干魔术贴的腰部束带固定设置在背部框架401上，且腰部束带位于控制模块及外壳404的前方。

在上述实施例中，背部模块4包括负重背包402、背部框架401、元器件板403、控制模块及外壳404和锂电池组模块405，背部框架401为由铝合金管材折弯并焊接而成的一体框架，它用来连接外骨骼机器人的两条腿部结构并作为负重的基础支撑框架来承载重物所带来的压力，负重背包402通过两侧缝合结实的布料固定包裹在背部框架401的上框架两侧的铝合金管上，用来装载重物。元器件板403为2mm厚的铝合金板，它通过螺丝固定在背部框架401的下框架两侧铝合金管的中间。锂电池组模块405通过两个3D打印支架固定安装在元器件板403的后侧，用来为外骨骼机器人提供运行的动力来源。控制模块及外壳404通过螺丝固定在元器件板403的前侧面上，外骨骼机器人各模块中的各传感器及电机线均沿着两条腿部结构汇集并连接至控制模块中，通过编写的相关算法及控制器、驱动器等实现对外骨骼机器人的运行控制。为方便穿戴，一带有若干魔术贴的腰部束带固定在背部框架401上，腰部束带整体置于控制模块及外壳404的前方。

其中，在本发明一个实施例中，第一霍尔传感器组件1051中的霍尔传感器探头与第一径向磁化的磁环1053的距离为1.5mm-2.5mm，比如1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm。更优选地，第一霍尔传感器组件1051中的霍尔传感器探头与第一径向磁化的磁环1053的距离为2mm。同样，第二霍尔传感器组件3033中的霍尔传感器探头与第二径向磁化的磁环3031的距离为1.5mm-2.5mm，比如1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm。更优选地，第二霍尔传感器组件3033中的霍尔传感器探头与第二径向磁化的磁环3031的距离为2mm。霍尔传感器探头离磁环径向外缘的距离是由霍尔探头的灵敏度及磁环的磁场强度共同决定的，霍尔传感器探头自身有一个检测磁场强度的灵敏度范围，在范围内可以确保磁场强度与传感器输出电压间呈较为标准的线性关系，因此对于某一径向磁化的磁环，其外围满足上述灵敏度范围的磁场强度必然位于磁环外某一半径区间所形成的环状区域内，故将霍尔传感器探头安置于此区域内便能较好的检测磁场的强度，尤其是当磁环轴向转动时，若探头位置不变，霍尔传感器便能根据检测实时磁场强度来对应输出电压值，经过标定后此电压值即可反映磁环所转动的角度，若探头距磁环径向外缘的距离使其落在霍尔传感器所要求的灵敏度环状区域之外，那么经探头检测并反映的角度变化将不再准确。因此经过实测，将霍尔传感器探头布置于距离本次所采用的经定做加工的径向磁化磁环外边缘约2mm处最为合适，能够满足在运动范围内对磁环所转动角度区间的精确测量。

本发明实施例的一种辅助负重型下肢助力外骨骼机器人，使用时穿戴者先将两条胳膊穿过负重背包402两侧的背带并将其背在身上，其次将两脚穿入固定在两侧脚板101上的鞋靴中，然后将大腿放入腿部固定件2033中并将其上的带魔术贴的绑带绑紧，最后将腰部束带包裹住人体腰部并将其上魔术贴贴牢绑紧，由此完成了本实施例的外骨骼机器人的穿戴。通过辅助负重型下肢助力外骨骼机器人中各模块机械结构的设计，负重背包402所需承载的重物的重力可经背部框架401、弧形载体零件3021、滑块3023、髋关节一体电机模块301、膝关节及大腿模块2和脚部及小腿模块1最终由脚板101及固定在其上的鞋靴传导至地面，同时通过对外骨骼膝关节和髋关节的输出力矩的设计及对具体膝关节和髋关节中无框力矩电机及谐波减速器型号的选取，最终实现最大负重20kg重量的效果，并通过了样机实验验证。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)本发明设计的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人与现有下肢助力外骨骼机器人相比，它具有结构简单、占用体积小、质量小等优点，同时它装配简单、易于维护且各零部件的互换性较好，这对于产品化后的推广使用是一个很大的优势。

(2)本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人一共拥有十二个自由度，单腿拥有六个自由度，包括两个主动自由度和四个被动自由度，其中脚部及踝关节具有两个转动自由度、膝关节具有一个转动自由度、髋关节具有三个转动自由度，为了实现外骨骼与人体更大程度的贴合，髋关节三个转动自由度的转动中心轴被设计交于一点，这是同类外骨骼穿戴设备中所不具有的一项突出优势，这样设置可最大限度降低穿戴者肢体运动时的不适感。

(3)本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人可最高负重20kg，此负重能力通过外骨骼的整体机械结构设计及关节驱动组件的选择实现，这种负重能力在国内外现有负重下肢外骨骼产品中也具有很突出的优势。

(4)本发明的辅助负重型下肢助力外骨骼机器人所设计选用的高能量密度锂电池模组通过实际运行测试可为机器人本体提供最高负重状态下4-5个小时的续航能力，这在现有产品中也是一项突出的性能优势。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，包括脚部及小腿模块、膝关节及大腿模块、髋关节及腰部模块和背部模块；

所述膝关节及大腿模块的膝关节处设置有膝关节一体电机模块，所述髋关节及腰部模块包括设置在髋关节处的髋关节一体电机模块和腰部弧形滑动模块；

所述脚部及小腿模块具有两个转动自由度，所述脚部及小腿模块与所述膝关节及大腿模块通过所述膝关节一体电机模块相连接以形成一个转动自由度；

所述髋关节一体电机模块的两个输出端分别与所述膝关节及大腿模块和所述腰部弧形滑动模块连接以形成一个转动自由度；

所述腰部弧形滑动模块具有一个转动自由度，所述腰部弧形滑动模块和所述背部模块连接以形成一个转动自由度，且所述背部模块的两侧分别安装有一个所述髋关节及腰部模块。

2.根据权利要求1所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述脚部及小腿模块包括脚板、连接轴、脚部弧形件和小腿杆；

所述脚板通过所述连接轴与所述脚部弧形件的一端转动连接以形成一个被动的转动自由度；

所述小腿杆的一端与所述脚部弧形件的另一端转动连接以形成一个被动的转动自由度；

优选地，所述连接轴的安装面为法兰结构。

3.根据权利要求2所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述小腿杆由两个凹型件拼焊而成，且所述小腿杆为内部中空的矩形管结构；

每个所述凹型件的一端均设置有第一轴承，所述脚部弧形件的另一端设置有第一键槽孔，销轴穿过所述第一轴承和所述第一键槽孔以将所述小腿杆的一端与所述脚部弧形件转动连接，且所述脚部弧形件的另一端位于两个所述第一轴承之间。

4.根据权利要求3所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述脚部及小腿模块还包括脚部磁环模块，所述脚部磁环模块包括第一霍尔传感器组件、脚部磁环载体零件和第一径向磁化的磁环；

所述小腿杆的一端设置有U形安装口，所述脚部磁环载体零件设有第二键槽孔，所述脚部磁环载体零件和所述脚部弧形件的另一端均设置在所述U形安装口中，所述销轴穿过所述第二键槽孔，所述销轴分别与所述脚部弧形件的另一端和所述脚部磁环载体零件固定连接；

所述第一径向磁化的磁环胶接固定在所述脚部磁环载体零件上，所述第一霍尔传感器组件胶接固定在所述小腿杆的一端内侧壁上，且所述第一霍尔传感器组件靠近所述脚部弧形件的另一端并与所述脚部磁环载体零件之间具有空隙。

5.根据权利要求2所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述膝关节及大腿模块还包括大腿杆和大腿杆绑带模块；

所述大腿杆为内部中空的矩形管结构，所述膝关节一体电机模块的两个输出端分别与所述小腿杆和所述大腿杆固定连接以形成驱动所述膝关节的一个主动的转动自由度；

所述大腿杆绑带模块设置在所述大腿杆的内侧，所述大腿杆绑带模块用于将人体大腿与所述大腿杆固定连接。

6.根据权利要求5所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述大腿杆绑带模块包括微型导轨滑块、轴承模块和腿部固定件；

所述微型导轨滑块的导轨固定设置在所述大腿杆的内侧面上，所述轴承模块固定设置在所述微型导轨滑块的滑块上，所述腿部固定件固定设置在所述轴承模块上，所述腿部固件上安装有带状魔术贴。

7.根据权利要求5所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述腰部弧形滑动模块包括弧形载体零件、弧形轨道和滑块；

所述弧形轨道固定设置在所述弧形载体零件上，所述滑块滑动设置在所述弧形轨道上以形成一个在水平面内被动的转动自由度；

所述髋关节一体电机模块的两个输出端分别与所述大腿杆和所述滑块固定连接以形成了一个矢状面内驱动的主动的转动自由度；

所述弧形载体零件一端与所述背部模块的下端连接以形成一个冠状面内的被动的转动自由度。

8.根据权利要求7所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述髋关节及腰部模块还包括腰部磁环模块，所述腰部磁环模块设置在所述弧形载体零件和所述背部模块之间；

所述腰部磁环模块包括第二径向磁化的磁环、腰部磁环载体零件和第二霍尔传感器组件，所述第二径向磁化的磁环通过胶接固定在所述腰部磁环载体零件上，所述第二霍尔传感器组件固定设置在所述背部模块上，且所述第二霍尔传感器组件与所述第二径向磁化的磁环之间具有空隙，所述腰部磁环载体零件设有一带键槽的中心孔；

一带键槽的连接轴依次穿过设置在所述弧形载体零件一端的第三键槽孔、所述中心孔和固定在所述背部模块下端的第二轴承以将所述弧形载体零件、所述腰部磁环载体零件和所述背部模块连接从而形成所述冠状面内的被动的转动自由度。

9.根据权利要求7所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述背部模块包括负重背包、背部框架、元器件板、控制模块及外壳和锂电池组模块；

所述背部框架包括上框架、连接件和下框架，所述上框架和所述下框架均为U形结构，所述上框架和所述下框架通过所述连接件固定连接，且所述上框架的开口朝上、所述下框架的开口朝下，所述背部框架用于连接两个所述髋关节及腰部模块；

所述负重背包固定设置在所述上框架上，且所述负重背包位于所述上框架的开口内；

所述元器件板为铝合金板，所述元器件板固定设置在所述下框架上，且所述元器件板位于所述下框架的开口内；

所述锂电池组模块固定设置在所述元器件板的后侧面上，所述控制模块及外壳固定设置在所述元器件板的前侧面上；

所述下框架的下端设置有所述第二轴承，所述下框架与所述弧形载体零件连接以形成所述冠状面内的被动的转动自由度；

优选地，一带有若干魔术贴的腰部束带固定设置在所述背部框架上，且所述腰部束带位于所述控制模块及外壳的前方。

10.根据权利要求1所述的辅助负重型下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述膝关节一体电机模块包括无框力矩电机、谐波减速器和膝关节磁环模块，所述膝关节磁环模块包括第三磁环组件和第三霍尔传感器组件，所述第三磁环组件和第三霍尔传感器组件分别固定设置在所述膝关节处，用来检测所述膝关节运动时的转动角度；

所述髋关节一体电机模块包括无框力矩电机、谐波减速器和髋关节磁环模块；所述髋关节磁环模块包括第四磁环组件和第四霍尔传感器组件，所述第四磁环组件和所述第四霍尔传感器组件分别固定设置在所述髋关节处，用来检测所述髋关节运动时的转动角度。

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