CN114055431B - 一种用于下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，涉及外骨骼机器人技术领域，包括左下肢外骨骼、右下肢外骨骼、人机固定绑带和控制单元，所述左下肢外骨骼与所述右下肢外骨骼对称布置，可通过所述人机固定绑带穿戴于人体下肢，所述左下肢外骨骼包括大腿部件、膝关节和小腿部件，所述大腿部件围绕所述膝关节相对于所述小腿部件旋转，本发明可针对人体运动信息，自动切换加载与卸载状态，并且可根据应用场景不同，调节外骨骼支撑力大小，提高穿戴使用的舒适性，为人体腿部提供支撑力，减缓穿戴者关节软骨磨损，减轻人体疲劳损伤及工作强度，提高人工作业效率及质量。

Description

一种用于下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，是一种用于下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构。

背景技术

被动式下肢工业外骨骼机器人是一种能够辅助并增强人体机能的穿戴式特种机器人，在工业生产领域，受制于生产环境、加工工艺、人机置换成本等因素，在焊接、打磨、装配以及检修等诸多环节只能通过人工处理，工人往往需要以高疲劳且难以长时间保持的身体姿势工作，极易对腿部肌肉及关节造成疲劳损伤，导致工人工作强度大、效率低，从而间接影响产品质量。

目前，没有一种面向频繁蹲坐、持续久蹲等腿部持续受力的人工作业场景而研发的使用方便、智能控制、动作可靠、参数可根据需要快速调节的下肢外骨骼机器人，这种下肢外骨骼机器人需要具备便于穿戴的特点，能在下蹲等工作状态下自动加载，在需要自由运动时自动卸载的功能，以及能根据工作需求快速方便调节支撑力的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，以解决上述背景技术中提出的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，包括左右对称布置的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼包括大腿部件、小腿部件；所述大腿部件围绕膝关节相对小腿部件旋转；

所述大腿组件与膝关节之间设有储能元件；所述大腿组件内设有传动机构和加载机构，所述储能单元一端与传动机构铰接，另一端与膝关节铰接；所述传动机构能够沿大腿长度方向滑动；所述加载机构用于对传动机构进行锁死和解锁，实现储能元件工作状态和非工作状态的切换，完成加载和卸载。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)支撑机构具有两种状态，加载状态下能够为人体下蹲姿态提供可靠的支撑助力，卸载状态下不影响人体走动、站立等正常活动，两种状态间切换快捷、可靠；

(2)支撑力大小可以根据穿戴者需求进行调节，能够适应不同场景的工作需求，调节方式快速、方便。

附图说明

图1为本发明第一视角的结构示意图；

图2为本发明第二视角的结构示意图；

图3为本发明第三视角的结构示意图；

图4为本发明左下肢外骨骼第一姿态的结构示意图；

图5为本发明悬挂机构的爆炸视图；

图6为本发明大腿部件的结构示意图；

图7为图6中A处的放大结构示意图(卸载状态)；

图8为图6中A处的放大结构示意图(加载状态)；

图9为本发明膝关节壳体的结构示意图；

图10为本发明膝关节第一视角的结构示意图；

图11为本发明膝关节壳体的内部沟槽与开孔示意图；

图12为本发明膝关节第二视角的结构示意图；

图13位本发明档位调节滑块结构示意图；

图14为本发明的控制架构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图14，本实施例的一种用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，包括左下肢外骨骼1、右下肢外骨骼2、人机固定绑带3和控制单元4，所述左下肢外骨骼1与所述右下肢外骨骼2对称布置，可通过所述人机固定绑带3穿戴于人体下肢，所述左下肢外骨骼1包括大腿部件11、膝关节12和小腿部件13，所述大腿部件11围绕所述膝关节12相对于所述小腿部件13旋转，所述大腿部件11包括大腿壳体111、悬挂机构112和运动支撑模块114。

其中，所述悬挂机构112包括悬挂杆1121、挂扣转盘1122、挂扣盖板1126和挂扣底板1129，该悬挂机构可以实现大腿部件与髋关节挂带33的可靠连接与快速装拆，所述悬挂杆1121底端与大腿下壳体1112连接，顶端与挂扣转盘1122连接，所述挂扣盖板1126与挂扣底板1129通过螺丝固连，并固定于髋关节挂带33，挂扣盖板1126上设有第一U型槽1127与第二U型槽1128，挂扣盖板1126与挂扣底板1129之间形成的空间即第二U型槽1128，所述第一U型槽1127圆弧直径与所述第一柱面1123底圆直径相同，所述第二U型槽1128圆弧直径与所述第二柱面1124底圆直径相同，在连接时，将挂扣转盘1122上带倒角的第一直槽1125和第一柱面1123分别对准挂扣底盘1129上的凸起1130(作为挂扣转盘1122的限位凸起)和挂扣盖板1126上的第一U型槽1127，将挂扣转盘1122上的1124柱面向挂扣底板1129与挂扣盖板1126之间的第二U型槽1128推入到极限位置，并让下肢外骨骼自由垂下，带动挂扣圆盘1122旋转一定角度后，凸台1130与直槽1125错开，挂扣圆盘1122与挂扣底板1129、挂扣盖板1126通过圆柱面1124与凸台1130的内侧圆弧面实现闭锁，即可实现二者快速、可靠连接。

其中，所述运动支撑模块114包括储能元件1141、传动机构1142和加载机构1146，所述储能元件1141可以为气弹簧或压缩弹簧，所述传动机构1142包括第一导轨1143和滑动棘齿齿条1144，所述第一导轨1143安装于所述大腿壳体1112，所述滑动棘齿齿条1144可在所述第一导轨1143上滑动，其上安装有第一销轴1145，所述储能元件1141的第一端可围绕所述第一销轴1145旋转。

其中，所述加载机构1146包括安装于所述大腿壳体1112的电机1147，所述电机1147的输出轴装有直齿轮1148，所述直齿轮1148与滑动直齿齿条1149啮合，所述滑动直齿齿条1149下方与大腿下壳体1112上的第二导轨1150配合，能够沿第二导轨1150滑动，滑动方向垂直于滑动棘齿齿条1144的滑动方向。所述滑动直齿齿条1149与第一推板1151固连，所述第一推板1151与滑动棘齿1153之间连接有第一弹簧1152，所述滑动棘齿1153下端套接有第二弹簧1156，所述第二弹簧1156设置在第一滑槽1154内，对滑动棘齿1153进行弹性支撑。在卸载状态下，滑动棘齿1153与滑动棘齿齿条1144脱离接触，使储能元件上端处于自由状态，此时支撑力为0，人体可自由行动，无支撑力阻碍。当电机正向运动时，滑动直齿齿条1149向右下方运动，第一推板1151随之运动，推动第二弹簧1156，第二弹簧1156被压缩并推动滑动棘齿1153沿大腿下壳体1112上的第一滑槽1154向右下方滑动(滑动方向垂直于滑动棘齿齿条1144的滑动方向)，压缩第一弹簧1152并与滑动直齿齿条1144啮合，锁住滑动直齿齿条1144，此时机构即转变为加载状态，在进行从加载到卸载的转变时，控制单元控制电机反转，第一推板1151恢复原位，第二弹簧1156随之恢复长度，弹力减小，第一弹簧1152推动滑动棘齿1153向左上方滑动，与滑动棘齿齿条1144脱离接触，锁定关系解除，机构即转变为卸载状态；所述大腿壳体1112安装有微动开关1155，所述微动开关1155可由所述第一推板1151触发，控制单元控制电机带动第一推板1151上下移动过程，实现滑动棘齿齿条1144的锁死与解锁的过程，同时触发微动开关1155，控制单元接收微动开关1155是否触发的信号，以判定微动开关1155是否与滑动棘齿齿条1144锁死或解锁，以提供故障信息反馈。

其中，所述膝关节12包括膝关节壳体121、档位调节机构122和档位锁定机构123，所述膝关节壳体121设有第二滑槽1211、第三滑槽1212和旋转轴1213、轴孔1214，所述大腿壳体111可以围绕所述旋转轴1213转动，所述档位调节机构122设有档位调节滑块1221，可在所述第二滑槽1211内滑动，所述档位调节滑块1221设有第一轴孔1222，连接头1225可围绕所述第一轴孔1222旋转，所述连接头1225与所述储能元件1141的第二端连接，所述档位调节滑块1221设有第一锁定卡槽1223和第二锁定卡槽1224，第二销轴1228穿过膝关节壳体上的轴孔1214与档位调节开关1226相连，，档位调节开关1226设置在膝关节壳体外，膝关节壳体上设有第二销轴1228，档位调节开关1226可围绕第二销轴1228转动，所述档位调节滑块1221上设有拨动轴1220，所述拨动轴1220穿过第二滑槽1211，所述档位调节开关1226设有第四滑槽1227(作为档位调节开关的拨动滑槽)，所述档位调节开关1226通过第四滑槽1227套接在拨动轴1220上，拨动档位调节开关1226，使档位调节开关1226可绕第二销轴1228转动，通过第四滑槽1227带动拨动轴1220，从而带动档位调节滑块1221在第二滑槽1211内滑动。所述档位锁定机构123设有档位锁定滑块1231，所述档位锁定滑块1231可在第三滑槽1212内滑动，滑动方向垂直于档位调节滑块1221的滑动方向，所述档位锁定滑块1231上安装档位锁定开关1232。

其中，当将档位调节滑块1221滑动到左上方，并推动所述档位锁定开关1232，使所述档位锁定滑块1231滑入所述第一锁定卡槽1223时，所述左下肢外骨骼1处于第一档位，支撑力矩τ₁可表示为：

当将档位调节滑块1221滑动到右下方，并推动所述档位锁定开关1232，使所述档位锁定滑块1231滑入所述第二锁定卡槽1224时，所述左下肢外骨骼1处于第二档位，相对于处于第一档位时，旋转轴1213与第一轴孔1222的中心距离发生了变化，旋转轴1213中心与第一轴孔1222中心连线与水平面的夹角发生了变化，从而使支撑力矩发生变化，支撑力矩τ₂可表示为：

式中：F₀—所述储能元件1141初始输出力，k—储能元件1141刚度系数，l₁—第一销轴1145与旋转轴1213间距，l₂—第一档位时旋转轴1213与第一轴孔1222间距，l₃—第二档位时旋转轴1213与第一轴孔1222间距，θ—大腿部件11相对膝关节12旋转角度，φ₁—l₂与水平面夹角，φ₂—l₃与水平面夹角。

使用者可以根据场景需要，通过支撑力矩的调节，调整支撑姿态以满足工作需求。

所述小腿部件13与所述膝关节12固定连接，包括上支撑杆131、防护壳体132、下支撑杆133、小腿支撑板134以及足部支撑机构135，所述足部支撑机构135包括踝关节支撑杆1351和足底踏板1352，所述下支撑杆133与上支撑杆131相连；所述踝关节支撑杆1351与所述下支撑杆133固定连接，所述踝关节支撑杆1351和足底踏板1352通过球轴承1353连接。

所述人机固定绑带3包括肩部背带31、腰部固定绑带32、髋关节挂带33、臀部承力带34、小腿固定绑带35、足部固定绑带36，分别用于与肩部51，腰部52，髋关节53，臀部54，小腿55，足部56绑定。

所述控制单元4包括供电模块41、数据采集模块42、主控模块43和人机交互模块44，所述数据采集模块42具备无线通讯以及传感器信息采集功能，所述主控模块43具备运动状态识别以及控制决策功能，所述主控模块43控制所述电机1147正转及反转，实现外骨骼自动加载及卸载功能，所述人机交互模块44能够通过声光显示等方式，展示配对状态、连接状态、使能状态、欠电状态和故障状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种用于被动式下肢工业外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，包括左右对称布置的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼包括大腿部件、小腿部件；所述大腿部件围绕膝关节相对小腿部件旋转；其特征在于，

所述大腿部件与膝关节之间设有储能元件；所述大腿部件内设有传动机构和加载机构，所述储能单元一端与传动机构铰接，另一端与膝关节铰接；所述传动机构能够沿大腿长度方向滑动；所述加载机构用于对传动机构进行锁死和解锁，实现储能单元工作状态和非工作状态的切换，完成加载和卸载；

所述传动机构包括第一导轨和滑动棘齿齿条；所述第一导轨固定在大腿壳体内，所述滑动棘齿齿条与第一导轨滑动配合；所述储能单元一端与滑动棘齿齿条铰接；

所述加载机构包括设置在大腿壳体内的电机、直齿轮、滑动直齿齿条、第二导轨、推板、滑动棘齿；

所述电机的转轴与直齿轮相连，所述直齿轮与滑动直齿齿条啮合，所述滑动直齿齿条与第二导轨滑动配合，滑动方向垂直于传动机构的滑动方向；所述滑动直齿齿条与推板相连；所述推板与滑动棘齿之间通过第一弹簧相连，所述滑动棘齿能够沿大腿壳体内滑槽滑动，滑动方向垂直于传动机构的滑动方向；所述滑动棘齿与上述滑槽之间设有第二弹簧，第二弹簧套接在滑动棘齿上，电机转动带动滑动棘齿与传动机构啮合或分离，实现对传动机构进行锁死和解锁；

所述膝关节内设有档位调节机构和档位锁定机构；所述储能单元通过档位调节机构与膝关节铰接；所述档位调节机构可相对膝关节前后滑动，用于调节大腿部件和小腿部件的铰接点与储能单元和档位调节机构的铰接点之间的距离，还用于调节上述两个铰接点中心连线与水平面的夹角以调节支撑力矩；所述档位锁定机构用于对档位调节机构的滑动位置进行锁定。

2.根据权利要求1所述的用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，其特征在于，所述大腿壳体内设有微动开关，所述微动开关能够由推板触发，根据推板往复移动是否触发微动开关，以检测滑动棘齿是否与传动机构啮合或分离，实现故障信息检测。

3.根据权利要求1所述的用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，其特征在于，所述档位调节机构包括档位调节开关、档位调节滑块；所述档位调节滑块设置在膝关节壳体内，所述膝关节壳体内设有滑槽，所述档位调节滑块可沿滑槽前后滑动；所述储能单元通过连接件与档位调节滑块铰接；所述档位调节开关设置在膝关节壳体外，并通过销轴与膝关节壳体转动连接，所述档位调节滑块上设有拨动轴，所述档位调节开关上设有拨动滑槽，所述拨动滑槽套接在拨动轴上；拨动档位调节开关绕销轴旋转，通过拨动滑槽带动拨动轴，使档位调节滑块沿膝关节壳体内滑动，实现档位调节机构位置的调整。

4.根据权利要求1所述的用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，其特征在于，所述档位锁定机构包括档位锁定滑块、档位锁定开关，所述档位锁定滑块能够在膝关节壳体内滑动，滑动方向垂直于档位调节机构的滑动方向，用于卡入档位调节机构不同位置的卡槽，实现对档位调节机构位置的锁定；所述档位锁定开关与档位锁定滑块相连，用于档位锁定滑块推动的承力部件。

5.根据权利要求1所述的用于被动式下肢外骨骼机器人的支撑力加载与调节机构，其特征在于，所述大腿部件上还设有悬挂机构，所述悬挂机构包括悬挂杆、挂扣转盘、挂扣盖板和挂扣底板；

所述悬挂杆底端与大腿下壳体连接，悬挂杆顶端与挂扣转盘连接；所述挂扣盖板与挂扣底板固连，挂扣盖板与挂扣底板之间设有挂扣转盘的容纳空腔；所述挂扣底盘上设有挂扣转盘的限位凸起；所述挂扣转盘设有柱面，柱面穿过挂扣盖板后与悬挂杆连接，挂扣转盘位于容纳空腔的端面设有直槽，用于穿过限位凸起后安装在容纳空腔内，并旋转后与限位凸起配合，将挂扣转盘限位在容纳空腔内。