CN113771010A - 一种多自由度仿生外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度仿生外骨骼，包括固定座、大腿杆和小腿杆，所述固定座的顶部固定安装有平衡座，所述平衡座的顶部固定安装有固定架，所述固定架之间活动安装有平衡架，所述固定座的底部两侧皆固定安装有活动节，所述活动节之间活动安装有髋关节，所述活动节后端的固定座底部活动安装有活动架，所述髋关节的底部活动安装有第一活动座，所述第一活动座的底部对接安装有大腿杆。本发明实现了多自由度结构，通过活动节与髋关节的相互配合，能够使髋关节可以进行多自由度的活动，提高了灵活性，使本装置能够更加贴合真实的人员行走姿态，通过平衡架与转盘的相互配合，方便对本装置进行保持平衡，不易发生失衡，减少了维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，具体为一种多自由度仿生外骨骼。
背景技术
仿生外骨骼是一种人工智能的仿生设备，在医学上，医生们通过研究外骨骼的用途，以便帮助那些身体上的伤残人士，在健康领域，外骨骼的应用不仅仅是向截瘫患者提供机械腿，它还可以教他们如何学习再次行走，同时利用仿生外骨骼来模拟人的行走姿态，以便科研人员研究仿生机器人，目前的外骨骼广泛应用于医疗康复、工业生产、单兵作战等领域，为人们的生产和工作带来较多的便利，为了满足仿生外骨骼的更多使用需求，因此需要使用到多自由度仿生外骨骼以便提高使用效果。
虽然现有专利(公告号：CN108210244B)本发明公开了一种仿生三自由度外骨骼髋关节，包括髋部挡板、平行连杆机构和髋部承力构件，平行连杆机构通过两个延长边通过第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接，髋部承力构件一端通过第三转轴铰接布置在平行连杆机构的中部、和平行连杆机构之间连接有驱动元件，髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L1、髋部承力构件的第三转轴的轴线L2、平行连杆机构的中轴线L3相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点0，但是在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题没有得到解决：
1、该装置没有较好的行走机构，多自由度较为一般，不能根据使用需求进行模拟人的行走姿态，使作业人员不能较好的对机器人的行走方案进行研究，降低了模拟效果，同时不方便没有较好的缓冲结构，导致在模拟行走时容易与地面产生较多的冲力，容易对零部件造成损伤，降低了使用寿命；
2、该装置没有较好的稳定结构，在模拟人的行走姿态时，容易发生失衡的情况，导致装置发生倾倒跌落地面造成损坏，需要作业人员频繁进行维护，提高了维护成本，同时也提高了作业人员的工作强度，降低了工作效率，带来较多的不便。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：现有的多自由度仿生外骨骼不能较好的根据使用需求进行模拟人的行走姿态，使作业人员不能较好的对机器人的行走方案进行研究，降低了模拟效果，没有较好的稳定结构，在模拟人的行走姿态时，容易发生失衡的情况，导致装置发生倾倒跌落地面造成损坏，需要作业人员频繁进行维护，提高了维护成本，同时也提高了作业人员的工作强度，降低了工作效率，带来较多的不便的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多自由度仿生外骨骼，包括固定座、大腿杆和小腿杆，所述固定座的顶部固定安装有平衡座，所述平衡座的顶部固定安装有固定架，所述固定架之间活动安装有平衡架，所述固定座的底部两侧皆固定安装有活动节，所述活动节之间活动安装有髋关节，所述活动节后端的固定座底部活动安装有活动架，所述髋关节的底部活动安装有第一活动座，所述第一活动座的底部对接安装有大腿杆，所述大腿杆的底部固定安装有膝关节，所述膝关节的内侧活动安装有第二活动座，所述第二活动座的底部对接安装有小腿杆；
所述小腿杆的底部对接安装有踝关节，所述小腿杆延伸至踝关节的内部，所述踝关节的底部活动安装有脚座，所述脚座的前端活动安装有活动头，所述踝关节的外侧固定安装有限位架，所述限位架与活动头之间活动安装有第二弹簧，所述限位架与脚座之间活动安装有第三电动推杆，所述第三电动推杆位于踝关节的后端，所述大腿杆的内侧固定安装有第一固定套，所述小腿杆的内侧固定安装有有第二固定套，所述第一固定套与第二固定套上皆设置有绑带。
优选的，所述平衡架的底部固定安装有第一电机，且第一电机的输出端固定安装有延伸出平衡架的转盘。
优选的，所述髋关节与固定座之间活动安装有第一电动推杆，且第一电动推杆位于髋关节之间。
优选的，所述活动架与固定座之间通过活动块活动安装，且活动架与第一活动座之间通过第二电动推杆活动安装。
优选的，所述大腿杆与第一活动座之间通过第一伸缩杆对接安装，且大腿杆与第一伸缩杆之间通过第一固定旋钮固定。
优选的，所述膝关节的内侧固定安装有第二电机，且第二电机的输出端与第二活动座固定安装。
优选的，所述小腿杆与第二活动座之间通过第二伸缩杆对接安装，且小腿杆与第二伸缩杆之间通过第二固定旋钮固定。
优选的，所述小腿杆与踝关节之间通过第一弹簧活动安装，脚座与活动头的底部皆设置均匀有防滑块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明实现了多自由度结构，通过活动节与髋关节的相互配合，能够使髋关节可以方便进行多自由度的活动，能够有效的提高了灵活性，能够较为方便的使穿戴人员可以根据需求模拟人的行走动作，使本装置能够更加贴合真实的人员行走姿态，给穿戴人员带来较多的便利，同时能够使穿戴人员方便根据不同的身高对本装置进行调节，有效的提高了适用范围，方便实用，通过小腿杆与踝关节的相互配合，能够在模拟行走脚座落地时，通过踝关节能够对小腿杆进行缓冲，有效的降低了落地时冲力较大造成的损伤，提高了使用寿命。
2、本发明实现了对模拟人员行走姿态时的平衡性，通过平衡架与转盘的相互配合，能够较为方便对本装置进行保持平衡，使本装置在模拟行走时能够不易发生失衡的情况，能够较为方便的保持平衡状态，减少了发生倾倒跌落造成损坏的情况，有效的减少了维护成本，同时也减少了作业人员维护的工作强度，提高了工作效率。
3、本发明通过在脚座的前端活动安装有活动头，能够较为方便的模拟人行走姿态时的脚部动作，当脚座离开地面时，能够通过利用活动头进行辅助支撑，防止支撑力减小使本装置发生歪斜的情况，配合限位架能够使活动头进行复位，有效的提高了使用效果，同时也提高了稳定性，方便快捷，同时配合防滑块能够有效的提高脚座以及活动头与地面的摩擦力，使本装置在模拟人员行走时不易发生打滑的情况，加强了安全性，方便实用。
附图说明
图1为本发明的主体第一外观结构示意图；
图2为本发明的主体第二外观立体结构示意图；
图3为本发明的主体内部正面结构示意图；
图4为本发明的主体内部侧面结构示意图；
图5为本发明的脚座立体结构示意图；
图6为本发明的脚座仰视立体结构示意图；
图7为本发明的髋关节立体结构示意图；
图8为本发明的踝关节内部结构示意图。
图中：1、平衡座；101、转盘；102、平衡架；103、固定架；104、第一电机；2、固定座；201、活动节；202、第一电动推杆；3、活动架；301、第二电动推杆；302、活动块；4、髋关节；401、第一活动座；5、大腿杆；501、第一伸缩杆；502、第一固定旋钮；6、膝关节；601、第二活动座；602、第二电机；7、小腿杆；701、第二伸缩杆；702、第二固定旋钮；8、踝关节；801、限位架；802、第一弹簧；901、第三电动推杆；9、脚座；902、第二弹簧；903、活动头；904、防滑块；10、第一固定套；11、绑带；12、第二固定套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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和简化描述，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1-8所示，本发明提出的一种多自由度仿生外骨骼，包括固定座2、大腿杆5和小腿杆7，固定座2的前端设置有凹槽，能够对穿戴人员的腰部贴合进行支撑，固定座2的顶部通过螺栓固定安装有平衡座1，平衡座1的顶部通过螺栓固定安装有固定架103，固定架103之间通过活动轴活动安装有平衡架102，平衡架102的底部固定安装有型号为57BYGH5330第一电机104，第一电机104的输出端固定安装有延伸出平衡架102的转盘101，能够通过第一电机104可以将动力传递至转盘101，能够带动转盘101转动，能够较为方便的使平衡架102保持垂直平衡，使本装置在进行模拟人行走时，可以较为方便的保持平衡，能够有效的使本装置不易发生歪斜倾倒摔落地面造成损坏的情况，提高了使用寿命，减少了作业人员的维护频率，同时也降低了维护成本，降低了作业人员的工作强度，提高了工作效率，固定座2的底部两侧皆通过螺栓固定安装有活动节201，活动节201之间通过活动轴活动安装有髋关节4，髋关节4与固定座2之间通过活动轴活动安装有第一电动推杆202，第一电动推杆202位于髋关节4之间，能够通过第一电动推杆202配合活动节201，可以较为方便的推动髋关节4绕着活动节201的轴心进行向外侧翻转活动与向内侧翻转活动，能够根据模拟行走需求进行姿态调整，活动节201后端的固定座2底部活动安装有活动架3，活动架3与固定座2之间通过活动块302活动安装，髋关节4的底部通过活动轴活动安装有第一活动座401，第一活动座401的底部对接安装有大腿杆5，活动架3与第一活动座401之间通过第二电动推杆301活动安装，第二电动推杆301与活动架3之间固定安装，能够通过第二电动推杆301配合髋关节4可以较为方便的推动大腿杆5进行前后翻转活动，能够模拟人行走时大腿部的抬升动作，通过活动块302能够使活动架3可以同步髋关节4进行向外侧翻转活动与向内侧翻转活动，有效的提高了灵活性，使大腿杆5能够进行多自由度的活动，能够较为方便的贴合真实的行走姿态，提高了便捷性，大腿杆5与第一活动座401之间通过第一伸缩杆501对接安装，大腿杆5与第一伸缩杆501之间通过第一固定旋钮502固定，通过转动第一固定旋钮502方便将大腿杆5与第一伸缩杆501进行固定，大腿杆5的底部通过螺栓固定安装有膝关节6，膝关节6的内侧通过轴承活动安装有第二活动座601，第二活动座601的底部对接安装有小腿杆7，小腿杆7与第二活动座601之间通过第二伸缩杆701对接安装，膝关节6的内侧通过螺栓固定安装有型号为ECMA-C21020SS第二电机602，第二电机602的输出端与第二活动座601固定安装，能够通过第二伸缩杆701可以较为方便的调节小腿杆7的使用高度，配合大腿杆5能够方便作业人员根据不同的使用需求调节支撑高度，方便模拟不同身高人员的行走姿态，提高了适用范围，给研究带来较多的便利，小腿杆7与第二伸缩杆701之间通过第二固定旋钮702固定，通过转动第二固定旋钮702能够方便将小腿杆7与第二伸缩杆701之间进行固定，通过第二电机602的动力传递至第二活动座601上，能够带动第二活动座601翻转，能够带动小腿杆7进行翻转，模拟人行走时小腿的动作，方便实用；
实施例二
如图1-8所示，本发明提出的一种多自由度仿生外骨骼，相较于实施例一，本实施例还包括小腿杆7的底部对接安装有踝关节8，小腿杆7延伸至踝关节8的内部，小腿杆7与踝关节8之间通过第一弹簧802活动安装，能够在模拟人行走时，在落地时能够使小腿杆7可以延伸至踝关节8内，利用第一弹簧802对小腿杆7进行缓冲，能够有效的防止落地时冲击力较大对零部件造成的损伤，有效的提高了使用寿命，踝关节8的底部通过活动轴活动安装有脚座9，方便使穿戴人员的脚部踩在脚座9上，能够利用脚座9可以较为方便模拟人员的脚部贴合地面对本装置进行支撑，脚座9的前端通过活动轴活动安装有活动头903，踝关节8的外侧通过螺栓固定安装有限位架801，限位架801与活动头903之间通过活动轴活动安装有第二弹簧902，限位架801与脚座9之间通过活动轴活动安装有第三电动推杆901，第三电动推杆901位于踝关节8的后端，脚座9与活动头903的底部皆设置均匀有防滑块904，能够通过第三电动推杆901的伸缩可以在带动脚座9绕着踝关节8的轴心进行翻转活动，能够较为方便的模拟人员行走时脚部的踮起动作，在脚座9抬升后，使限位架801翻转压缩第二弹簧902，利用第二弹簧902的弹力使活动头903贴合地面进行辅助支撑，能够方便模拟行走时脚尖的支撑作用，有效的提高了本装置模拟人的行走姿态，提高了稳定性，能够使本装置更加的贴合人员真实的行走方式，提高了作业人员的研究的便捷性，降低研究带来的误差，提高了工作效率，防滑块904能够有效的提高脚座9以及活动头903与地面之间产生的摩擦力，方便提高抓地力，减少在模拟人员行走时发生打滑的情况，防止发生摔倒对装置造成损伤的情况，提高了便捷性，同时也提高了安全性，大腿杆5的内侧通过固定套件固定安装有第一固定套10，小腿杆7的内侧通过固定套件固定安装有有第二固定套12，第一固定套10与第二固定套12上皆设置有绑带11，能够将大腿部分贴合在第一固定套10的内侧，将小腿部分贴合在第二固定套12的内侧，通过绑带11进行固定，方便人员进行穿戴固定。
工作原理：使用本装置前，使用人员先对装置进行检测，确认没有问题后使用，根据使用需求通过第一伸缩杆501调节大腿杆5的支撑高度，利用转动第一固定旋钮502将大腿杆5与第一伸缩杆501进行固定，通过第二伸缩杆701调节小腿杆7的支撑高度，利用转动第二固定旋钮702将小腿杆7与第二伸缩杆701进行固定，将大腿部分贴合在第一固定套10的内侧，将小腿部分贴合在第二固定套12的内侧，通过绑带11进行固定，将固定座2贴合在穿戴人员的腰部进行支撑，使脚部踩在脚座9上，通过启动型号为57BYGH5330第一电机104带动转盘101转动，通过固定架103对平衡架102进行限位，使平衡架102带动本装置保持平衡状态，通过第一电动推杆202的伸缩配合活动节201带动髋关节4向内侧翻转与向外侧翻转，配合第二电动推杆301的伸缩带动第一活动座401进行前后翻转活动，使髋关节4具有多自由角度活动，带动大腿杆5模拟人行走时的大腿部抬升动作，通过型号为ECMA-C21020SS第二电机602带动第二活动座601翻转，同步带动小腿杆7的抬升，模拟人行走时的小腿部整体动作，同时使踝关节8与脚座9之间发生翻转活动，模拟人行走时脚部的动作，通过第三电动推杆901的伸缩带动脚座9翻转与地面分离，使限位架801发生倾斜压缩第二弹簧902，利用第二弹簧902的弹力带动活动头903与地面贴合辅助支撑，当脚座9落地时，通过小腿杆7延伸至踝关节8内，利用第一弹簧802对小腿杆7进行缓冲，降低脚座9落地时产生的冲击力，完成模拟人员行走姿态，以上便完成本装置的一系列操作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种多自由度仿生外骨骼，包括固定座(2)、大腿杆(5)和小腿杆(7)，其特征在于：所述固定座(2)的顶部固定安装有平衡座(1)，所述平衡座(1)的顶部固定安装有固定架(103)，所述固定架(103)之间活动安装有平衡架(102)，所述固定座(2)的底部两侧皆固定安装有活动节(201)，所述活动节(201)之间活动安装有髋关节(4)，所述活动节(201)后端的固定座(2)底部活动安装有活动架(3)，所述髋关节(4)的底部活动安装有第一活动座(401)，所述第一活动座(401)的底部对接安装有大腿杆(5)，所述大腿杆(5)的底部固定安装有膝关节(6)，所述膝关节(6)的内侧活动安装有第二活动座(601)，所述第二活动座(601)的底部对接安装有小腿杆(7)；
所述小腿杆(7)的底部对接安装有踝关节(8)，所述小腿杆(7)延伸至踝关节(8)的内部，所述踝关节(8)的底部活动安装有脚座(9)，所述脚座(9)的前端活动安装有活动头(903)，所述踝关节(8)的外侧固定安装有限位架(801)，所述限位架(801)与活动头(903)之间活动安装有第二弹簧(902)，所述限位架(801)与脚座(9)之间活动安装有第三电动推杆(901)，所述第三电动推杆(901)位于踝关节(8)的后端，所述大腿杆(5)的内侧固定安装有第一固定套(10)，所述小腿杆(7)的内侧固定安装有有第二固定套(12)，所述第一固定套(10)与第二固定套(12)上皆设置有绑带(11)。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述平衡架(102)的底部固定安装有第一电机(104)，且第一电机(104)的输出端固定安装有延伸出平衡架(102)的转盘(101)。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述髋关节(4)与固定座(2)之间活动安装有第一电动推杆(202)，且第一电动推杆(202)位于髋关节(4)之间。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述活动架(3)与固定座(2)之间通过活动块(302)活动安装，且活动架(3)与第一活动座(401)之间通过第二电动推杆(301)活动安装。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述大腿杆(5)与第一活动座(401)之间通过第一伸缩杆(501)对接安装，且大腿杆(5)与第一伸缩杆(501)之间通过第一固定旋钮(502)固定。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述膝关节(6)的内侧固定安装有第二电机(602)，且第二电机(602)的输出端与第二活动座(601)固定安装。
7.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述小腿杆(7)与第二活动座(601)之间通过第二伸缩杆(701)对接安装，且小腿杆(7)与第二伸缩杆(701)之间通过第二固定旋钮(702)固定。
8.根据权利要求1所述的一种多自由度仿生外骨骼，其特征在于：所述小腿杆(7)与踝关节(8)之间通过第一弹簧(802)活动安装，脚座(9)与活动头(903)的底部皆设置均匀有防滑块(904)。
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