CN113021314A - 下肢外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下肢外骨骼机器人，包括胯部支架、连接于胯部支架左边的左腿支架以及连接于胯部支架右边的右腿支架；所述左腿支架和右腿支架均包括角度调节器和小腿伸缩杆；所述角度调节器的上端与对应的左腿支架或者对应的右腿支架固定连接，以及角度调节器的下端与对应的小腿伸缩杆的上端铰接；角度调节器包括外壳以及安装于外壳内部的铰接轮和锁紧机构；所述铰接轮转动连接于外壳的内部，并且铰接轮与所述锁紧机构通过牵引绳连接，以及铰接轮与小腿伸缩杆的上端连接；通过锁紧机构锁死牵引绳，进而防止小腿伸缩杆与对应的角度调节器之间的夹角减小。本发明减少了人体处于下蹲姿势的体力支出，同时避免了复杂的电路结构，降低故障率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种下肢外骨骼机器人。
背景技术
外骨骼机器人并不是为代替人力，而是与人结合，赋予穿戴着更多的能力、力量，主要分为医疗场景和消费级场景。医疗场景，让身体有残疾的人能够站起来意义非凡，不可逆损伤市场，主要针对的是肌肉、骨骼、神经、软组织损伤和老化造成行动不便的人群，这一类人群约2500万；工业场景，生产适用于膝盖、大腿、手臂等单个部件形式的产品，总体潜在市场超过260万个。消费级场景，针对有需要较长时间行走与站立的人群或职业(例如：导游、警察、户外活动等细分行业与用途市场)，老年人(老龄化及康养市场)、行动不便人士等市场，这部分的市场没有确定参数，但空间十分巨大。
对于下肢外骨骼机器人，目前已经公开的结构多种多样，但大部分结构复杂，将机械结构和电子传感器、控制器等结合，使得造价高，市场销售价格更高，为推广使用的增加了很大的阻力。另外，通过电子设备进行反馈、控制等，故障率偏高，一旦出故障，维修费用也高，从而导致了后期使用维护的成本高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种下肢外骨骼机器人，包括胯部支架、连接于胯部支架左边的左腿支架以及连接于胯部支架右边的右腿支架；
所述左腿支架和右腿支架均包括角度调节器和小腿伸缩杆；所述角度调节器的上端与对应的左腿支架或者对应的右腿支架固定连接，以及角度调节器的下端与对应的小腿伸缩杆的上端铰接；
所述角度调节器包括外壳以及安装于外壳内部的铰接轮和锁紧机构；所述铰接轮转动连接于外壳的内部，并且铰接轮与所述锁紧机构通过牵引绳连接，以及铰接轮与小腿伸缩杆的上端连接；通过锁紧机构锁死牵引绳，进而防止小腿伸缩杆与对应的角度调节器之间的夹角减小。
本发明的有益效果体现在：
佩戴方法：胯部支架固定于人体胯部，左腿支架和右腿支架分别佩戴于人体的左腿和右腿，具体是左腿支架的角度调节器沿着左大腿延伸且位于左大腿的外侧，而左腿支架的小腿伸缩杆固定于左小腿。同理，右腿支架的佩戴方式相同。整个设备采用纯机械设计，无电子零件，结构稳定，耐用。
使用方法：通过角度调节器设定小腿伸缩杆与对应的角度调节器之间的锁定角度，左腿支架的锁定角度和右腿支架的锁定角度相同。设定好后；两个小腿伸缩杆的下端支撑于地面，人体在下蹲的过程中，两个小腿伸缩杆带动对应的铰接轮摆动，人体大腿与小腿之间的夹角减小至设定的锁定角度后，小腿伸缩杆与对应的角度调节器则无法转动。在这个状态下，人体大部分的重量通过胯部支架传递至左腿支架和右腿支架，最后传递至地面，而人体的腿部仅仅是起到稳定重心，保持人体平衡的作用，无需大腿施力以承受身体的重量。腿部施力大大减小后，可以使腿部长时间内保持弯曲状态，避免了腿麻、腿软等导致的下蹲姿势保持时间短的问题，特别适用于操作类的工作，大幅度降低了体力支出以及工作劳动强度。如需调整下蹲的幅度，则重新设置角度调节器的锁定角度即可。
优选地，所述胯部支架设有背带，捆紧于人体腰部的插扣组件，以及用于兜住人体臀部的护臀带。
背带挂于人体的双肩，用于防止整个设备下滑。护臀带在保持腿部弯曲状态下，起到承重，增大与人体接触面积，提高佩戴舒适度的作用。
优选地，所述小腿伸缩杆包括伸缩连接的第一直杆和第二直杆；
所述第一直杆的上端设有第一连接板，所述铰接轮设有与第一连接板适配的第二连接板，且第一连接板和第二连接板通过螺栓可拆分连接，通过第一直杆和第二直杆摆动进而带动铰接轮转动。
第二直杆可以往下伸缩，从而调节小腿伸缩杆的总长度，适用于不同身高的使用者。
优选地，所述第一直杆设有用于包裹小腿的弧形护板且弧形护板设有捆紧小腿的插扣组件。
优选地，所述第一直杆设有用于锁紧第二直杆的锁扣。
优选地，所述第二直杆的下端设有用于捆住人体脚部的插扣组件。
优选地，所述第二连接板固定连接于铰接轮下部的周向侧壁，且所述外壳的下端设有用于露出第二连接板的开口；所述铰接轮上部的周向侧壁设有用于牵引绳缠绕的周向凹槽。
开口为左腿支架的摆动和右腿支架的摆动提供活动空间。周向凹槽使铰接轮的上部形成槽轮的结构，牵引绳沿着周向凹槽缠绕于铰接轮，或从周向凹槽中拉出，防止出现牵引绳偏离、脱落等问题。牵引绳采用钢丝绳，能够承受较大的拉力，足以支撑人体重量。
优选地，所述锁紧机构包括固定于外壳内部的固定齿条，以及滑动连接于壳体内部的活动齿条和拨条；所述牵引绳与活动齿条的一端固定连接，且活动齿条的滑动方向位于铰接轮的切线方向，所述拨条的滑动方向与活动齿条的滑动方向平行；
所述活动齿条位于固定齿条的上方，且活动齿条的齿牙与固定齿条的齿牙相对；活动齿条与固定齿条之间设有弹簧；
所述拨条位于活动齿条的上方，拨条的部分下表面与活动齿条的部分上表面均设有切面，通过小腿伸缩杆摆动以带动铰接轮拉动活动齿条往拨条的方向移动，进而使活动齿条的切面顶紧于拨条的切面并使活动齿条下移以将活动齿条的齿牙与固定齿条的齿牙啮合锁紧。
锁紧机构的工作原理：首选设定拨条与活动齿条之间的间距，间距越大，腿部可弯曲的幅度越大。该间距可通过滑动拨条而调整，即调整锁定腿部弯曲的角度。例如间距为x毫米，对应的锁紧角度为a°，当人体的大腿和小腿之间的角度大于a°则可以自由活动，不受限制。当人体的大腿和小腿之间的角度等于a°后，活动齿条的切面顶紧于拨条的切面，同时活动齿条的齿牙与固定齿条的齿牙啮合锁紧，铰接轮则无法继续转动。即人体下蹲至a°，锁紧机构便使小腿伸缩杆与对应的角度调节器无法转动，起到支撑人体重量、省力的作用。
优选地，所述外壳的内表面设有与拨条对应的两个相对第一滑槽，以及与活动齿条对应的两个相对第二滑槽；所述拨条的两侧与活动齿条的两侧均设有限位条，拨条的两个限位条一一对应地卡入两个第一滑槽中，进而使拨条与外壳滑动连接；
活动齿条的两个限位条一一对应地卡入两个第二滑槽中，进而使活动齿条与外壳滑动连接；所述第二滑槽的高度大于活动齿条的限位条的厚度，进而使活动齿条可在第二滑槽的高度方向位移。
由于第二滑槽的高度大于活动齿条的限位条的厚度，活动齿条在第二滑槽中存在一定的高度方向的活动空间，即活动齿条可在高度方向上、下移动。活动齿条的切面和拨条的切面不接触时，弹簧的弹力将活动齿条顶起上移，以使活动齿条与固定齿条分离，这种情况下小腿伸缩杆可以自由活动，无角度限制。当活动齿条的切面和拨条的切面接触，则活动齿条下移与固定齿条啮合，限制小腿伸缩杆摆渡的最大幅度，即人体下蹲至锁定角度后，小腿伸缩杆起到支撑的作用。
优选地，所述拨条的上表面设有用于露出外壳的拨杆。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本实施例的结构示意图；
图2为本实施例中左腿支架的结构示意图；
图3为本实施例中角度调节器的结构示意图；
图4为图3中铰接轮逆时针转动一定角度后的结构示意图。
附图中，胯部支架1、左腿支架2、右腿支架3、左侧固定板4、右侧固定板5、插扣组件6、背带7、护臀带8、角度调节器9、小腿伸缩杆10、第一直杆11、第二直杆12、第一连接板13、第二连接板14、锁扣15、弧形护板16、铰接轮17、外壳18、牵引绳19、开口20、固定齿条21、活动齿条22、拨条23、弹簧24、第一滑槽25、第二滑槽26、限位条27、拨杆28、阻尼片29。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，本实施例提供了一种下肢外骨骼机器人，包括胯部支架1、连接于胯部支架1左边的左腿支架2以及连接于胯部支架1右边的右腿支架3。胯部支架1固定于人体的胯部、腰部和肩部，胯部支架1的具体结构：包括左侧固定板4和右侧固定板5，而左侧固定板4和右侧固定板5之间设有捆紧于人体腰部的插扣组件6，插扣组件6上设有背带7，另外，左侧固定板4和右侧固定板5之间还设有用于兜住人体臀部的护臀带8。背带7挂于人体的双肩，用于防止整个设备下滑。护臀带8在保持腿部弯曲状态下，起到承重，增大与人体接触面积，提高佩戴舒适度的作用。左侧固定板4和右侧固定板5则分别位于人体胯部的左侧和右侧。
本实施例中左腿支架2和右腿支架3分别佩戴于人体的左腿和右腿，具体是左腿支架2的角度调节器9沿着左大腿延伸且位于左大腿的外侧。同理，右腿支架3的佩戴方式相同。左腿支架2和右腿支架3的结构完全相同，具体结构如下：
如图1和图2所示，左腿支架2和右腿支架3均包括角度调节器9和小腿伸缩杆10，所述角度调节器9的上端与对应的左腿支架2或者对应的右腿支架3固定连接，以及角度调节器9的下端与对应的小腿伸缩杆10的上端铰接。左腿支架2的小腿伸缩杆10固定于左小腿的外侧，右腿支架3的小腿伸缩杆10固定于右小腿的外侧。其中小腿伸缩杆10的具体结构：小腿伸缩杆10包括伸缩连接的第一直杆11和第二直杆12；所述第一直杆11的上端设有第一连接板13，所述铰接轮17设有与第一连接板13适配的第二连接板14，且第一连接板13和第二连接板14通过螺栓可拆分连接，通过第一直杆11和第二直杆12摆动进而带动铰接轮17转动。第二直杆12可以往下伸缩，从而调节小腿伸缩杆10的总长度，适用于不同身高的使用者。且第一直杆11设有用于锁紧第二直杆12的锁扣15，通过锁扣15锁定第二直杆12伸出的当前长度。所述第一直杆11设有用于包裹小腿的弧形护板16且弧形护板16设有捆紧小腿的插扣组件6。所述第二直杆12的下端设有用于捆住人体脚部的插扣组件6。需要进行支撑，则两个小腿伸缩杆10的下端需要支撑于地面，而弧形护板16的插扣组件6能保证小腿伸缩杆10始终与小腿贴合，而第二直杆12的下端插扣组件6能保证第二直杆12稳稳地支撑于地面，防止出现偏离、滑动等支撑问题。
本实施例中角度调节器9的具体结构如下：
如图3和图4所示，所述角度调节器9包括外壳18以及安装于外壳18内部的铰接轮17和锁紧机构；所述铰接轮17转动连接于外壳18的内部，并且铰接轮17与所述锁紧机构通过牵引绳19连接，以及铰接轮17与小腿伸缩杆10的上端连接；通过锁紧机构锁死牵引绳19，进而防止小腿伸缩杆10与对应的角度调节器9之间的夹角减小。在使用过程中，通过角度调节器9设定小腿伸缩杆10与对应的角度调节器9之间的锁定角度，左腿支架2的锁定角度和右腿支架3的锁定角度相同。设定好后；两个小腿伸缩杆10的下端支撑于地面，人体在下蹲的过程中，两个小腿伸缩杆10带动对应的铰接轮17摆动，人体大腿与小腿之间的夹角减小至设定的锁定角度后，小腿伸缩杆10与对应的角度调节器9则无法转动。在这个状态下，人体大部分的重量通过胯部支架1传递至左腿支架2和右腿支架3，最后传递至地面，而人体的腿部仅仅是起到稳定重心，保持人体平衡的作用，无需大腿施力以承受身体的重量。腿部施力大大减小后，可以使腿部长时间内保持弯曲状态，避免了腿麻、腿软等导致的下蹲姿势保持时间短的问题，特别适用于操作类的工作，大幅度降低了体力支出以及工作劳动强度。如需调整下蹲的幅度，则重新设置角度调节器9的锁定角度即可。
本实施例中第二连接板14固定连接于铰接轮17下部的周向侧壁，且所述外壳18的下端设有用于露出第二连接板14的开口20，所述铰接轮17上部的周向侧壁设有用于牵引绳19缠绕的周向凹槽。开口20为左腿支架2的摆动和右腿支架3的摆动提供活动空间。周向凹槽使铰接轮17的上部形成槽轮的结构，牵引绳19沿着周向凹槽缠绕于铰接轮17，或从周向凹槽中拉出，防止出现牵引绳19偏离、脱落等问题。牵引绳19采用钢丝绳，能够承受较大的拉力，足以支撑人体重量。
锁紧机构包括固定于外壳18内部的固定齿条21，以及滑动连接于壳体内部的活动齿条22和拨条23；所述牵引绳19与活动齿条22的一端固定连接，且活动齿条22的滑动方向位于铰接轮17的切线方向，所述拨条23的滑动方向与活动齿条22的滑动方向平行；所述活动齿条22位于固定齿条21的上方，且活动齿条22的齿牙与固定齿条21的齿牙相对；活动齿条22与固定齿条21之间设有弹簧24，弹簧24的上端与活动齿条22固定连接，而弹簧24的下端仅仅与固定齿条21接触，不固定连接。当活动齿条22相对于固定齿条21移动，则弹簧24的下端在固定齿条21的上表面滑动。所述拨条23位于活动齿条22的上方，拨条23的部分下表面与活动齿条22的部分上表面均设有切面，通过小腿伸缩杆10摆动以带动铰接轮17拉动活动齿条22往拨条23的方向移动，进而使活动齿条22的切面顶紧于拨条23的切面并使活动齿条22下移以将活动齿条22的齿牙与固定齿条21的齿牙啮合锁紧。锁紧机构的工作原理：首选设定拨条23与活动齿条22之间的间距，间距越大，腿部可弯曲的幅度越大。该间距可通过滑动拨条23而调整，即调整锁定腿部弯曲的角度。例如间距为x毫米，对应的锁紧角度为a°，当人体的大腿和小腿之间的角度大于a°则可以自由活动，不受限制。当人体的大腿和小腿之间的角度等于a°后，活动齿条22的切面顶紧于拨条23的切面，同时活动齿条22的齿牙与固定齿条21的齿牙啮合锁紧，铰接轮17则无法继续转动。即人体下蹲至a°，锁紧机构便使小腿伸缩杆10与对应的角度调节器9无法转动，起到支撑人体重量、省力的作用。另外，活动齿条22的切面设有阻尼片29，以提高摩擦阻力。
本实施例中的外壳18的内表面设有与拨条23对应的两个相对第一滑槽25，以及与活动齿条22对应的两个相对第二滑槽26。活动齿条22既能沿着第二滑槽26移动，又能在第二滑槽26的高度方向活动，活动齿条22和外壳18之间的具体连接关系，以及固定齿条21和外壳18之间的具体连接关系如下：
所述拨条23的两侧与活动齿条22的两侧均设有限位条27，拨条23的两个限位条27一一对应地卡入两个第一滑槽25中，进而使拨条23与外壳18滑动连接；活动齿条22的两个限位条27一一对应地卡入两个第二滑槽26中，进而使活动齿条22与外壳18滑动连接；所述第二滑槽26的高度大于活动齿条22的限位条27的厚度，进而使活动齿条22可在第二滑槽26的高度方向位移。由于第二滑槽26的高度大于活动齿条22的限位条27的厚度，活动齿条22在第二滑槽26中存在一定的高度方向的活动空间，即活动齿条22可在高度方向上、下移动。活动齿条22的切面和拨条23的切面不接触时，弹簧24的弹力将活动齿条22顶起上移，以使活动齿条22与固定齿条21分离，这种情况下小腿伸缩杆10可以自由活动，无角度限制。当活动齿条22的切面和拨条23的切面接触，则活动齿条22下移与固定齿条21啮合，限制小腿伸缩杆10摆渡的最大幅度，即人体下蹲至锁定角度后，小腿伸缩杆10起到支撑的作用。另外，拨条23的上表面设有用于露出外壳18的拨杆28。手动拨动拨杆28可以带动拨条23移动，而拨条23与第一滑槽25之间存在摩擦阻力。由于存在摩擦阻力，活动齿条22无法推动拨条23移动，只能手动拨动拨杆28以使拨条23移动。通过拨杆28可以调节活动齿条22的锁定位置，即实现了角度调节器9设定小腿伸缩杆10与对应的角度调节器9之间的锁定角度的功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括胯部支架、连接于胯部支架左边的左腿支架以及连接于胯部支架右边的右腿支架；
所述左腿支架和右腿支架均包括角度调节器和小腿伸缩杆；所述角度调节器的上端与对应的左腿支架或者对应的右腿支架固定连接，以及角度调节器的下端与对应的小腿伸缩杆的上端铰接；
所述角度调节器包括外壳以及安装于外壳内部的铰接轮和锁紧机构；所述铰接轮转动连接于外壳的内部，并且铰接轮与所述锁紧机构通过牵引绳连接，以及铰接轮与小腿伸缩杆的上端连接；通过锁紧机构锁死牵引绳，进而防止小腿伸缩杆与对应的角度调节器之间的夹角减小。
2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述胯部支架设有背带，捆紧于人体腰部的插扣组件，以及用于兜住人体臀部的护臀带。
3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述小腿伸缩杆包括伸缩连接的第一直杆和第二直杆；
所述第一直杆的上端设有第一连接板，所述铰接轮设有与第一连接板适配的第二连接板，且第一连接板和第二连接板通过螺栓可拆分连接，通过第一直杆和第二直杆摆动进而带动铰接轮转动。
4.根据权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述第一直杆设有用于包裹小腿的弧形护板且弧形护板设有捆紧小腿的插扣组件。
5.根据权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述第一直杆设有用于锁紧第二直杆的锁扣。
6.根据权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述第二直杆的下端设有用于捆住人体脚部的插扣组件。
7.根据权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述第二连接板固定连接于铰接轮下部的周向侧壁，且所述外壳的下端设有用于露出第二连接板的开口；所述铰接轮上部的周向侧壁设有用于牵引绳缠绕的周向凹槽。
8.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述锁紧机构包括固定于外壳内部的固定齿条，以及滑动连接于壳体内部的活动齿条和拨条；所述牵引绳与活动齿条的一端固定连接，且活动齿条的滑动方向位于铰接轮的切线方向，所述拨条的滑动方向与活动齿条的滑动方向平行；
所述活动齿条位于固定齿条的上方，且活动齿条的齿牙与固定齿条的齿牙相对；活动齿条与固定齿条之间设有弹簧；
所述拨条位于活动齿条的上方，拨条的部分下表面与活动齿条的部分上表面均设有切面，通过小腿伸缩杆摆动以带动铰接轮拉动活动齿条往拨条的方向移动，进而使活动齿条的切面顶紧于拨条的切面并使活动齿条下移以将活动齿条的齿牙与固定齿条的齿牙啮合锁紧。
9.根据权利要求8所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述外壳的内表面设有与拨条对应的两个相对第一滑槽，以及与活动齿条对应的两个相对第二滑槽；所述拨条的两侧与活动齿条的两侧均设有限位条，拨条的两个限位条一一对应地卡入两个第一滑槽中，进而使拨条与外壳滑动连接；
活动齿条的两个限位条一一对应地卡入两个第二滑槽中，进而使活动齿条与外壳滑动连接；所述第二滑槽的高度大于活动齿条的限位条的厚度，进而使活动齿条可在第二滑槽的高度方向位移。
10.根据权利要求8所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述拨条的上表面设有用于露出外壳的拨杆。
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| CN202110234533.6A Active CN113021314B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 下肢外骨骼机器人 |
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| CN (1) | CN113021314B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-03-03 CN CN202110234533.6A patent/CN113021314B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 高阳等: "基于重力势能锁止的被动式下肢外骨骼参数优化", 《现代制造工程》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113021314B (zh) | 2023-03-21 |
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