CN114260879A - 一种穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，涉及机器人领域，包括背部支撑装置、连接于背部支撑装置下端的髋关节、连接于髋关节的髋关节驱动模块、上端连接于髋关节驱动模块的大腿部、小腿部、在小腿部下端依次连接的踝关节和足底装置、设置在大腿部上、可调节连接于小腿部的膝关节驱动模块，以及控制模块；其中，大腿部设置有膝关节内侧装置，小腿部设置有膝关节外侧装置，膝关节内侧装置连接于膝关节外侧装置构成膝关节；控制模块通过控制膝关节驱动模块助力下肢，通过弹性元件的形变在提供有效的支撑及助力下不影响膝关节活动，实现行走助力。

Description

一种穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为操作者提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体技能、辅助运动方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。本发明涉及一种可穿戴的下肢负重助力外骨骼，当人体负重行走时提供支持和助力，类似结构在US13139933专利里也有所提及。

当人体处于背负重物状态，尤其是在背负重物长时间行走时，其身体肌肉和骨骼容易疲劳和损伤。长期处于这样的状态下容易引肌肉骨骼疾病。

US15349602专利描述了一种用于支撑人体的无动力负重外骨骼结构，该结构由仿生脊柱、腰部、腿部和足部组成，无外部驱动或弹储能装置。仿生脊柱通过机械结构与绑缚与人体的固定，仿生脊柱背负重物，腰部用于连接仿生脊柱和腿部，腿部结构通过绑缚固定在大腿上，当身体背负重物时，有外骨骼承担负载重量，减轻重物对人体造成的伤害。然而该外骨骼并未安装驱动结构，故无法在行走中提供有效的助力及支撑。

US15339293和US13639984专利中也描述了类似的结构，但两者同样无法在行走中提供有效的助力及支撑。

US14634403专利公开了一种用于支撑身体重量并辅助人体行走的外骨骼结构，其通过安放在背部的电机带动钢绳来驱动三铰链结构的膝关节，实现膝关节、髋关节的屈伸和屈曲运动。但因膝关节结构较为主被动混合式，无法在背负重物时提供有效助力。

US15604891专利公开了一种用于支撑身体重量并辅助人体行走的外骨骼结构，其中膝关有多个片状结构铰链组成，并由电机驱动，同样的该膝关节结构较为复杂，在背负重物时膝关节容易出现铰链无法闭合情况，无法提供有效助力。

CN201811252375.1公开了一种膝关节主动助力的负重外骨骼，通过背部驱动电机驱动绳索，在人体膝关节伸时提供主动助力，为人体提供额外的扭矩，辅助人体行走。但该外骨骼无法将有效将重量传递至地面。

CN201920639613.8公开了一种髋关节、膝关节助力外骨骼，通过电机驱动滚珠丝结构实现髋关节、膝关节助力，辅助人体行走。同时该外骨骼会影响膝关节自由运动，容易使人体失去平衡。

发明内容

本发明目的在于提供一种穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，以精简轻便的结构，可贴合地穿戴于不同体形用户的身体上，增加穿戴舒适性，提供可靠的支撑和助力，并能够在提供有效的支撑及助力等情况下不影响膝关节。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，包括背部支撑装置、髋关节、髋关节驱动模块、两个膝关节驱动模块、两个大腿部、两个小腿部、两个踝关节、两个足底装置和控制模块：

所述背部支撑装置下端连接于髋关节，所述髋关节驱动模块驱动连接于髋关节；所述大腿部上端连接于髋关节驱动模块，其内设置有膝关节内侧装置；所述小腿部下端依次连接于踝关节和足底装置，其内设置有膝关节外侧装置；所述膝关节内侧装置连接于膝关节外侧装置构成膝关节；所述膝关节驱动模块设置在大腿部上，可调节连接于小腿部；

所述控制模块分别连接于髋关节驱动模块和膝关节驱动模块，通过控制膝关节驱动模块调节小腿部，实现行走助力。

进一步的，所述背部支撑装置包括支撑模块、一体式背带、一体化腰垫和髋连接件；所述支撑模块沿竖直方向布置，其底部经第一连接部连接于髋连接件；所述一体式背带固连于支撑模块，所述一体化腰垫固连于髋连接件，并且一体式背带和一体化腰垫同侧布置；

所述支撑模块包括内支撑杆、外支撑杆、第一尺寸调节模块和背包支架；所述内支撑杆插设于外支撑杆中，所述第一尺寸调节模块固连外支撑杆和内支撑杆，并且第一尺寸调节模块通过调节外支撑杆和内支撑杆的固定位置调节支撑模块沿竖直方向的长度；所述背包支架对应固连于所述一体式背带。

进一步的，定义人体的前后左右方向为所述下肢负重助力外骨骼机器人的前后左右方向；

所述髋关节连接于髋连接件，包括对称设置在髋连接件左右侧的两根腰杆、两个腰深调节单元、两个第二连接部和若干第二尺寸调节模块；

所述腰杆靠近髋连接件的端部插设于髋连接件，所述髋连接件与两根腰杆连接处分别设置有一第二尺寸调节模块，该第二尺寸调节模块用于调节腰杆与髋连接件固定的相对位置，进而调节腰杆与髋连接件围成的腰部宽度；

所述腰深调节单元包括腰深调节块和旋转块；所述腰深调节块一端插设于腰杆远离髋连接件的端部，另一端经圆柱销连接于所述旋转块；所述旋转块底部经第二连接部连接于髋关节驱动模块；所述两根腰杆上与腰深调节块的连接处分别设置有一第二尺寸调节模块，该第二尺寸调节模块用于调节腰杆与腰深调节块固定的相对位置，进而调节腰杆与腰深调节块围成的腰部深度。

进一步的，所述髋关节驱动模块包括自内向外依次连接的电机内壳、第一电机架和电机架外罩，以及连接设置在所述第一电机架和电机架外罩之间的第一驱动电机，所述第一驱动电机靠近电机内壳的一侧转动连接于第二连接部。

进一步的，所述两个大腿部沿左右方向对称设置，均还包括大腿外壳、大腿内壳、大腿杆、大腿绑缚板和两个第三尺寸调节模块；所述大腿杆竖向设置，其上端插接于第一电机架、下端铰接于膝关节内侧装置，并且大腿杆与第一电机架的连接处设置有一第三尺寸调节模块，该第三尺寸调节模块用于调节大腿杆与第一电机架固定的相对位置，进而调节大腿部沿竖直方向的长度；所述大腿绑缚板设置在大腿杆靠近人体侧，用于与人体的大腿部绑缚连接；

所述大腿内壳固接于大腿杆，大腿外壳扣合连接于大腿内壳，并且大腿内壳与大腿外壳之间形成一安装腔室；所述膝关节驱动模块设置在所述安装腔室内；

所述两个小腿部沿左右方向对称设置，均还包括小腿插槽、小腿杆、小腿上外壳、小腿上内壳、小腿下外壳、小腿下内壳、小腿绑缚板和两个第四尺寸调节模块；所述小腿插槽上端铰接于膝关节外侧装置，所述小腿杆自小腿插槽底端插接于小腿插槽，并且小腿杆与小腿插槽的连接处设置有一第四尺寸调节模块，该第四尺寸调节模块用于调节小腿杆与小腿插槽固定的相对位置，进而调节小腿部沿竖直方向的长度；所述小腿绑缚板设置在膝关节外侧装置及小腿插槽靠近人体侧，用于与人体的小腿部绑缚连接；

所述小腿上外壳、小腿上内壳扣合设置在所述膝关节外侧装置外侧，并分别连接于所述膝关节外侧装置；所述小腿下外壳分别固连于小腿杆和小腿下内壳，并且小腿下外壳与小腿下内壳连接后罩设在所述小腿杆外侧。

进一步的，所述膝关节内侧装置靠近小腿部的下端设置为弧形过渡结构，所述弧形过渡结构沿左右方向设置有第一贯通孔，并且第一贯通孔内设置有深沟球轴承；所述膝关节外侧装置远离小腿插槽的上端设置有安装卡槽，所述安装卡槽适配于同侧设置的膝关节内侧装置下端的弧形过渡结构，并且安装卡槽沿左右方向的两侧壁设置有位置对应于第一贯通孔的第二贯通孔；所述第二贯通孔和第一贯通孔经铰接销连接；

所述安装卡槽底部设置有一膝关节限位块，所述膝关节限位块用于限制膝关节外侧装置和膝关节内侧装置的相对转动角度。

进一步的，所述膝关节驱动模块包含第二电机架、第二驱动电机、电机驱动单元、塞打螺丝、滑轮、弹性元件和绳索；

所述第二电机架固连于大腿杆，所述第二驱动电机安装在第二电机架上，所述电机驱动单元驱动连接于第二驱动电机；所述塞打螺丝一端固连于所述第二驱动电机的输出端、另一端插接于滑轮，塞打螺丝在所述第二驱动电机的输出端偏心设置；所述弹性元件一端连接于滑轮、另一端连接于绳索，并且绳索远离弹性元件的端部连接于膝关节外侧装置；

当第二驱动电机不工作，所述膝关节弯曲时，膝关节内侧装置远离膝关节外侧装置，绳索拉伸弹性元件；所述膝关节复位时，弹性元件带动绳索实现被动助力；

当第二驱动电机工作，其单方向旋转一周完成一个步态周期的助力，并且使得所述滑轮在第二驱动电机的输出面存在一最高点及最低点；所述膝关节由弯曲状态向直立状态变换时，第二驱动电机单向旋转使得滑轮由最低点向最高点移动；所述膝关节直立时，滑轮位于最高点，绳索拉伸弹性元件实现主动助力；所述膝关节由直立状态向弯曲状态变换时，第二驱动电机单向旋转使得滑轮由最高点向最低点移动；所述膝关节弯曲时，滑轮位于最低点，绳索放松弹性元件实现主动助力。

进一步的，所述踝关节沿左右方向对称设置，包括小腿连接杆、旋转铰链、足侧支撑块和支撑块外壳，以及用于测量足底压力的足底压力测量装置；

所述小腿连接杆沿竖直方向设置，小腿连接杆上端固接于小腿杆、下端沿左右或前后方向铰接于旋转铰链；所述旋转铰链设置在足侧支撑块的上方，其下端沿前后或左右方向与足侧支撑块铰接；所述支撑块外壳罩设在足侧支撑块外侧；所述小腿连接杆具有相对足侧支撑块沿内/外展和屈伸/曲方向旋转的自由度；

所述足底压力测量装置设置为足底压力测量片，足底压力测量片固连于足侧支撑块，其测量面位于足底装置的上方；所述足底压力测量片具有发生弹性形变使其测量面贴合于足底装置上表面的自由度。

进一步的，所述两个足底装置分别对应连接于与其同侧设置的踝关节，用于调节固定人体足部，均包括支撑钢片、橡胶垫和第五尺寸调节模块；

所述支撑钢片沿水平方向插入橡胶垫中，支撑钢片与橡胶垫共同构成位于足侧支撑块底部的鞋底；所述支撑钢片固连于足侧支撑块，所述足底压力测量片的测量面位于橡胶垫上方；所述第五尺寸调节模块包括能量扣和尼龙齿带，所述能量扣固接于橡胶垫，所述尼龙齿带一端固接于足侧支撑块，另一端出入能量扣，实现对鞋底和足侧支撑块松紧调节。

进一步的，所述第一尺寸调节模块、第二尺寸调节模块、第三尺寸调节模块和第四尺寸调节模块结构相同，均包括上夹片、调节杆和下夹片；

所述上夹片固连于下夹片，下夹片用于可拆卸连接于可进行尺寸调节的结构；所述调节杆夹持设置于上夹片与下夹片之间，其轴向两端分别连接于上夹片和下夹片；

定义调节杆连接于下夹片的端部为调节端，则所述调节段贯穿下夹片且凸出于下夹片，以便插设于可进行尺寸调节的结构上预设的调节孔。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：

本发明公开的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，包括背部支撑装置、连接于背部支撑装置下端的髋关节、连接于髋关节的髋关节驱动模块、两个上端连接于髋关节驱动模块的大腿部、两个小腿部、在小腿部下端依次连接的两个踝关节和两个足底装置、两个设置在大腿部上、可调节连接于小腿部的膝关节驱动模块，以及连接于髋关节驱动模块和膝关节驱动模块的控制模块，其中，大腿部设置有膝关节内侧装置，小腿部设置有膝关节外侧装置，膝关节内侧装置连接于膝关节外侧装置构成膝关节；控制模块通过控制膝关节驱动模块调节小腿部，能够在提供有效的支撑及助力等情况下不影响膝关节活动，实现行走助力。

本发明的膝关节驱动模块设置第二驱动电机、连接于第该电机输出端的塞打螺丝、设置在塞打螺丝上的滑轮、连接于滑轮的弹性元件和用于连接弹性元件和小腿部的绳索，通过弹性元件的形变实现第二驱动电机在工作状态下的主动助力、在不工作状态下的被动助力，当机器人与人体步态不一致时，人体膝关节仍可正常活动，不会因失去平衡造成危险。同时，膝关节驱动模块中第二驱动电机只需单向旋转完成步态周期的助力，无需电机往复旋转，避免电机重复启动造成的耗损。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明实施例提供的下肢负重助力外骨骼机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机器人的背部支撑装置分解示意图；

图3为本发明实施例提供的机器人的一体式腰垫分解示意图；

图4为本发明实施例提供的机器人的尺寸调节模块分解示意图；

图5为本发明实施例提供的机器人的髋关节分解示意图；

图6为本发明实施例提供的机器人的控制模块分解示意图；

图7为本发明实施例提供的机器人的髋关节驱动模块示意图；

图8为本发明实施例提供的机器人的大腿部分解示意图；

图9为本发明实施例提供的机器人的膝关节驱动模块分解示意图；

图10为本发明实施例提供的机器人的膝关节弯曲示意图；

图11为本发明实施例提供的机器人的小腿部分解示意图；

图12为本发明实施例提供的机器人的踝关节分解示意图。

图中，各标记的具体意义为：

1-背部支撑装置，111-外支撑杆，112-内支撑杆，113-第一连接部，114-髋连接件，115-背包支架；12-一体化背带；13-一体化腰垫；15-尺寸调节机构，151-上夹片，152-调节杆，153-下夹片；2-髋关节，211-腰杆，212-腰深调节块，213-旋转块，214-第二连接部，215-负载平台；22-控制模块，221-背板，222-主控盒，223-电池，224-航空插头；3-大腿部，32-髋关节驱动模块，321-第一驱动电机，322-电机架外罩，323-第一电机架，324-电机内壳；33-膝关节驱动模块，331-第二电机架，332-大腿外壳，333-大腿内壳，334-第二驱动电机，335-塞打螺丝，336-滑轮，337-弹性元件，338-绳索；34-大腿杆，35-电机驱动单元，36-膝关节内侧装置，362-深沟球轴承，37-大腿绑缚板；4-小腿部，41-膝关节外侧装置，42-小腿插槽，43-小腿杆，44-膝关节限位块，45-节点板，46-小腿上外壳，47-小腿上内壳，48-小腿下外壳，49-小腿下内壳，410-小腿绑缚板；5-踝关节，511-小腿连接杆，512-旋转铰链，513-足侧支撑块，514-支撑块外壳，515-足底压力测量片；52-鞋底，521-支撑钢片，522-橡胶垫，523-能量扣，524-尼龙齿带。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。

基于现有技术公开的外骨骼助力结构，由于膝关节的结构设计不同需要配置不同的驱动结构，因此常出现外骨骼工作时无法提供有效助力的情况；并且，常用驱动机构由电机带动，而为实现驱动机构带动膝关节贴合人体的往复屈伸，电机需要经常重启往复旋转，进而造成电机迅速耗损。为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可贴合地穿戴于不同体形用户身体上的髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，通过弹性元件和滑轮配合实现弹性助力，不仅能够提供有效的支撑及助力，且不影响膝关节活动。

下面结合附图所示的具体实施例，对本发明公开的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人作进一步具体介绍。

结合图1所示，穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人包括背部支撑装置1、髋关节2、髋关节驱动模块32、两个膝关节驱动模块33、两个大腿部3、两个小腿部4、两个踝关节5、两个足底装置和控制模块22。安装时，背部支撑装置1下端连接髋关节2，髋关节驱动模块32驱动连接于髋关节2；大腿部3上端连接于髋关节驱动模块32，其内设置有膝关节内侧装置36；小腿部4下端依次连接于踝关节5和足底装置，其内设置有膝关节外侧装置41；膝关节内侧装置36连接于膝关节外侧装置41构成膝关节；膝关节驱动模块33设置在大腿部3上，可调节连接于小腿部4；控制模块22分别连接于髋关节驱动模块32和膝关节驱动模块33，通过控制膝关节驱动模块33调节小腿部4，实现行走助力。

具体实施时，膝关节驱动模块33内部设置连接于小腿部4的弹性组件，通过电机转动带动弹性组件形变牵引小腿部4，在膝关节弯曲或直立时实现主动助力。同时，当膝关节驱动模块33中的电机不工作时，通过弹性组件的形变在膝关节复位时被动助力。

结合图2和图3所示，所述背部支撑装置1包括支撑模块、一体式背带12、一体化腰垫13和髋连接件114；其中，支撑模块沿竖直方向布置，其底部经第一连接部113连接于髋连接件114；一体式背带12固连于支撑模块，一体化腰垫13固连于髋连接件114，并且一体式背带12和一体化腰垫13同侧布置。本实施例中，支撑模块包括外支撑杆111、插设于外支撑杆111中的内支撑杆112、第一尺寸调节模块和背包支架115，第一尺寸调节模块固连外支撑杆111和内支撑杆112，并且第一尺寸调节模块通过调节外支撑杆111和内支撑杆112的固定位置调节支撑模块沿竖直方向的长度；背包支架115对应固连于一体式背带12，将一体式背带12与支撑模块固连，进而人体通过背负一体式背带12和一体式腰垫13将机器人固定在上半身。附图中，第一连接部113为连接片，连接片上端铰接于内支撑杆112、下端铰接于髋连接件114。

结合图5所示，定义人体的前后左右方向为下肢负重助力外骨骼机器人的前后左右方向；髋关节2连接于髋连接件114，包括对称设置在髋连接件114左右侧的两根腰杆211、两个腰深调节单元、两个第二连接部214和若干第二尺寸调节模块。安装时，腰杆211靠近髋连接件114的端部插设于髋连接件114，髋连接件114与两根腰杆211连接处分别设置有一第二尺寸调节模块，该第二尺寸调节模块用于调节腰杆211与髋连接件114固定的相对位置，进而调节腰杆211与髋连接件114围成的腰部宽度；腰深调节单元包括腰深调节块212和旋转块213，腰深调节块212一端插设于腰杆211远离髋连接件114的端部，另一端经圆柱销连接于旋转块213，旋转块213底部经第二连接部214连接于髋关节驱动模块32；两根腰杆211上与腰深调节块212的连接处分别设置有一第二尺寸调节模块，该第二尺寸调节模块用于调节腰杆211与腰深调节块212固定的相对位置，进而调节腰杆211与腰深调节块212围成的腰部深度。

第二尺寸调节模块在髋关节2上的应用，助益于本机器人适用于不同形体用户的腰部尺寸；同时旋转块213通过圆柱销与腰深调节块212销接，旋转块213可绕连接处转动，模拟人体下半身自髋关节2位置的转动。

图示的实施例中，髋关节2还设置有用于负重的负载平台215，该负载平台215设置在髋连接件114上一体式腰垫安装侧的相对侧，即背部位置；负载平台215设置为一平板结构，控制模块22可拆卸安装在负载平台215的底部。为减小负载平台215在不使用时的占用空间，实施例设计了若干回收弹簧收纳负载平台215。具体的，负载平台215靠近髋连接件114的侧边设置有一向平板内部凹陷的安装槽，安装槽内设置有若干弹簧安装位，回收弹簧一一对应设置在弹簧安装位内，并且回收弹簧处于压缩状态；负载平台215不使用时在回收弹簧的作用下板面贴合于一体式背带12。

结合图7所示，髋关节驱动模块32包括自内向外依次连接的电机内壳324、第一电机架323、电机架外罩322和第一驱动电机321，电机架外罩322和第一电机架323扣合安装，其间形成第一驱动电机321安装空间，第一驱动电机321安装在该空间内，并且第一驱动电机321靠近电机内壳324的一侧转动连接于第二连接部214。实施例中，第二连接部214即设计为髋驱动电机连接件，该连接件旋转块213通过铰接销转动连接，在第一驱动电机321的作用下可带动髋驱动电机连接件绕旋转块213前后摆动，模拟人体下半身自髋关节2位置的前后摆动。

结合图8和图11所示，两个大腿部3沿左右方向对称设置，均还包括大腿外壳332、大腿内壳333、大腿杆34、大腿绑缚板37和两个第三尺寸调节模块。如图示，大腿杆34竖向设置，其上端插接于第一电机架323、下端铰接于膝关节内侧装置36，并且大腿杆34与第一电机架323的连接处设置有一第三尺寸调节模块，该第三尺寸调节模块用于调节大腿杆34与第一电机架323固定的相对位置，进而调节大腿部3沿竖直方向的长度。

大腿内壳333固接于大腿杆34，大腿外壳332扣合连接于大腿内壳333，并且大腿内壳333与大腿外壳332之间形成一安装腔室，膝关节驱动模块33设置在改安装腔室内。

两个小腿部4沿左右方向对称设置，均还包括小腿插槽42、小腿杆43、小腿上外壳46、小腿上内壳47、小腿下外壳48、小腿下内壳49、小腿绑缚板410和两个第四尺寸调节模块。安装时，小腿插槽42上端铰接于膝关节外侧装置41，实施例中，小腿插槽42与膝关节外侧装置41成一定夹角，贴合人体小腿外形。小腿杆43自小腿插槽42底端插接于小腿插槽42，并且小腿杆43与小腿插槽42的连接处设置有一第四尺寸调节模块，该第四尺寸调节模块用于调节小腿杆43与小腿插槽42固定的相对位置，进而调节小腿部4沿竖直方向的长度。

另外，为避免灰尘等进入膝关节，影响膝关节的正常转动，将小腿上外壳46、小腿上内壳47扣合设置在膝关节外侧装置41外侧，并分别连接于膝关节外侧装置41。同时，安装时将小腿下外壳48分别固连于小腿杆43和小腿下内壳49，小腿下外壳48与小腿下内壳49连接后罩设在小腿杆43外侧，进而在小腿下外壳48与小腿下内壳49之间形成一闭合空间，该闭合空间用于安装部分导线、传感器等；例如在该空间内设置一连接于小腿杆43的节点板45，导线和IMU传感器等可通过该节点板45进行中转传送。

图示的机器人通过大腿绑缚板37和小腿绑缚板410将大腿部3、小腿部4分别与人体固定；设计时，大腿绑缚板37设置在大腿杆34靠近人体侧，小腿绑缚板410设置在膝关节外侧装置41及小腿插槽42靠近人体侧，并且大腿绑缚板37和小腿绑缚板410均采用绑缚带与人体绑缚。

进一步结合图8和图9所示，膝关节内侧装置36靠近小腿部4的下端设置为弧形过渡结构，该弧形过渡结构沿左右方向设置有第一贯通孔，并且第一贯通孔内设置有深沟球轴承362；膝关节外侧装置41远离小腿插槽42的上端设置有安装卡槽，该安装卡槽适配于同侧设置的膝关节内侧装置36下端的弧形过渡结构，并且安装卡槽沿左右方向的两侧壁设置有位置对应于第一贯通孔的第二贯通孔；第二贯通孔和第一贯通孔经铰接销连接；膝关节在铰接处模拟人体膝关节的弯曲和直立。

为避免膝关节发生超过人体极限的弯曲，膝关节外侧装置41的安装卡槽底部设置有一膝关节限位块44，该膝关节限位块44用于限制膝关节外侧装置41和膝关节内侧装置36的相对转动角度。

结合图9和图10所示，膝关节驱动模块33包含第二电机架331、第二驱动电机334、电机驱动单元35、塞打螺丝335、滑轮336、弹性元件337和绳索338。组装时，第二电机架331固连于大腿杆34，第二驱动电机334安装在第二电机架331上，并且电机驱动单元35驱动连接于第二驱动电机334；为减小电机驱动单元35安装时占用的空间，电机驱动单元35采用一固定板固定在大腿杆34上、位于安装腔室内，并且电机驱动单元35同时连接于第一驱动电机321和第二驱动电机334。

如图9所示，塞打螺丝335一端固连于第二驱动电机334的输出端、另一端插接于滑轮336，塞打螺丝335在第二驱动电机334的输出端偏心设置；弹性元件337一端连接于滑轮336、另一端连接于绳索338，并且绳索338远离弹性元件337的端部连接于膝关节外侧装置41。

膝关节组装并连接好膝关节驱动模块33后，工作过程如下：

当第二驱动电机334不工作，膝关节弯曲时，膝关节内侧装置36远离膝关节外侧装置41，绳索338拉伸弹性元件337；膝关节复位时，弹性元件337带动绳索338快速恢复至直立状态，实现被动助力。当第二驱动电机334工作，其单方向旋转一周完成一个步态周期的助力，并且使得滑轮336在第二驱动电机334的输出面存在一最高点及最低点；膝关节由弯曲状态向直立状态变换时，第二驱动电机334单向旋转使得滑轮336由最低点向最高点移动；膝关节直立时，滑轮336位于最高点，绳索338拉伸弹性元件337实现主动助力；膝关节由直立状态向弯曲状态变换时，第二驱动电机334单向旋转使得滑轮336由最高点向最低点移动；膝关节弯曲时，滑轮336位于最低点，绳索338放松弹性元件337实现主动助力。

在膝关节驱动模块33实现的一整个步态周期内第二驱动电机334一直单向旋转，滑轮336便可交替到达最低点和最高点，与现有技术的其他驱动方案不同，无需第二驱动电机334频繁变换旋转方向，可有效降低系统对第二驱动电机334的要求。膝关节驱动模块33通过弹性元件337实现膝关节助力，当驱动与人体步态不一致时，人体膝关节仍可正常活动，不会因失去平衡造成危险。

结合图6所示，本申请实施例公开的控制模块22由背板221、主控盒222、电池223和航空插头224组成；具体结构为：背板221与负载平台215板面螺栓固定，背板121远离负载平台215侧的上方和主控盒222扣合安装，背板121远离负载平台215侧的下方连接电池223，电池223与其上方的主控盒222扣合安装；航空插头224电连接于电池223，用于向主控盒222供电，主控盒222通信连接于髋关节驱动模块32和膝关节驱动模块33。

结合图12所示，踝关节5沿左右方向对称设置，包括小腿连接杆511、旋转铰链512、足侧支撑块513和支撑块外壳514；其中，小腿连接杆511沿竖直方向设置，小腿连接杆511上端固接于小腿杆43、下端沿左右或前后方向铰接于旋转铰链512；旋转铰链512设置在足侧支撑块513的上方，其下端沿前后或左右方向与足侧支撑块513铰接；支撑块外壳514罩设在足侧支撑块513外侧，并采用螺纹固定；小腿连接杆511具有相对足侧支撑块513沿内/外展和屈伸/曲方向旋转的自由度。足底压力测量设置为足底压力测量片515，足底压力测量片515固连于足侧支撑块513，一般采用螺纹固定，其测量面位于足底装置的上方；足底压力测量片515具有发生弹性形变使其测量面贴合于足底装置52上表面的自由度。

如图12所示，两个足底装置分别对应连接于与其同侧设置的踝关节5，用于调节固定人体足部，均包括支撑钢片521、橡胶垫522和第五尺寸调节模块；具体为，支撑钢片521沿水平方向插入橡胶垫522中，支撑钢片521与橡胶垫522共同构成位于足侧支撑块513底部的鞋底；支撑钢片521采用螺纹固接于足侧支撑块513，足底压力测量片515的测量面位于橡胶垫522上方；第五尺寸调节模块包括能量扣523和尼龙齿带524，能量扣523固接于橡胶垫522，如采用螺纹固定，尼龙齿带524一端采用螺纹固接于足侧支撑块513，另一端出入能量扣523，实现对鞋底和足侧支撑块513之间的固定和尺寸调节。当足底压力测量片515受到上方人体脚部向下踩踏的压力发生形变，贴合于橡胶垫522表面，足底压力测量片515的形变信号经过转换即能获得当前用户踩踏的压力，可以用于产品测试。

结合附图所示的实施例，第一尺寸调节模块、第二尺寸调节模块、第三尺寸调节模块和第四尺寸调节模块结构相同，均采用由上夹片151、调节杆152和下夹片153构成的尺寸调节机构15。具体的，上夹片151固连于下夹片153，下夹片153用于可拆卸连接于可进行尺寸调节的结构；调节杆152夹持设置于上夹片151与下夹片153之间，其轴向两端分别连接于上夹片151和下夹片153。

定义调节杆152连接于下夹片153的端部为调节端，则调节段贯穿下夹片153且凸出于下夹片153，以便插设于可进行尺寸调节的结构上预设的调节孔。

实施例中，可进行尺寸调节的结构包括髋关节2要腰杆211与髋连接件114连接处、腰杆211与腰深调节块212连接处、第一电机架323与大腿杆34连接处、小腿插槽42与小腿杆43连接处。假设需要进行连接处尺寸调节的两个零件为零件一和零件二，则零件一和零件二上均设置有若干调节孔，连接时，将调节杆152的调节段插设于选定长度对应的零件一和零件二上的两个调节孔实现纤维，再将下夹片153与零件一和/或零件二可拆卸连接。本实施例采用的方式是，在下夹片153上设计磁石，通过磁吸作用实现可拆卸连接，即下夹片153与外支撑杆111、髋连接件114、腰杆211、第一电机架323或小腿插槽42磁吸连接；必然的，与下夹片153连接的结构需要具有磁性。

本发明的下肢负重助力外骨骼机器人充分精简髋、膝关节处的驱动机构，贴合地穿戴于不同体形用户的身体上，增加穿戴舒适性；对于膝关节，驱动机构通过设计弹性组件连接小腿部4对小腿部4提供支撑和助力，助力可靠并且不影响膝关节的自由活动，自由度更高，使用更方便，市场应用前景更广泛。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，包括背部支撑装置、髋关节、髋关节驱动模块、两个膝关节驱动模块、两个大腿部、两个小腿部、两个踝关节、两个足底装置和控制模块：

所述背部支撑装置下端连接于髋关节，所述髋关节驱动模块驱动连接于髋关节；所述大腿部上端连接于髋关节驱动模块，其内设置有膝关节内侧装置；所述小腿部下端依次连接于踝关节和足底装置，其内设置有膝关节外侧装置；所述膝关节内侧装置连接于膝关节外侧装置构成膝关节；所述膝关节驱动模块设置在大腿部上，可调节连接于小腿部；

所述控制模块分别连接于髋关节驱动模块和膝关节驱动模块，通过控制膝关节驱动模块调节小腿部，实现行走助力。

2.根据权利要求1所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述背部支撑装置包括支撑模块、一体式背带、一体化腰垫和髋连接件；所述支撑模块沿竖直方向布置，其底部经第一连接部连接于髋连接件；所述一体式背带固连于支撑模块，所述一体化腰垫固连于髋连接件，并且一体式背带和一体化腰垫同侧布置；

所述支撑模块包括内支撑杆、外支撑杆、第一尺寸调节模块和背包支架；所述内支撑杆插设于外支撑杆中，所述第一尺寸调节模块固连外支撑杆和内支撑杆，并且第一尺寸调节模块通过调节外支撑杆和内支撑杆的固定位置调节支撑模块沿竖直方向的长度；所述背包支架对应固连于所述一体式背带。

3.根据权利要求2所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，定义人体的前后左右方向为所述下肢负重助力外骨骼机器人的前后左右方向；

所述髋关节连接于髋连接件，包括对称设置在髋连接件左右侧的两根腰杆、两个腰深调节单元、两个第二连接部和若干第二尺寸调节模块；

所述腰杆靠近髋连接件的端部插设于髋连接件，所述髋连接件与两根腰杆连接处分别设置有一第二尺寸调节模块，该第二尺寸调节模块用于调节腰杆与髋连接件固定的相对位置，进而调节腰杆与髋连接件围成的腰部宽度；

所述腰深调节单元包括腰深调节块和旋转块；所述腰深调节块一端插设于腰杆远离髋连接件的端部，另一端经圆柱销连接于所述旋转块；所述旋转块底部经第二连接部连接于髋关节驱动模块；所述两根腰杆上与腰深调节块的连接处分别设置有一第二尺寸调节模块，该第二尺寸调节模块用于调节腰杆与腰深调节块固定的相对位置，进而调节腰杆与腰深调节块围成的腰部深度。

4.根据权利要求3所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动模块包括自内向外依次连接的电机内壳、第一电机架和电机架外罩，以及连接设置在所述第一电机架和电机架外罩之间的第一驱动电机，所述第一驱动电机靠近电机内壳的一侧转动连接于第二连接部。

5.根据权利要求4所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述两个大腿部沿左右方向对称设置，均还包括大腿外壳、大腿内壳、大腿杆、大腿绑缚板和两个第三尺寸调节模块；所述大腿杆竖向设置，其上端插接于第一电机架、下端铰接于膝关节内侧装置，并且大腿杆与第一电机架的连接处设置有一第三尺寸调节模块，该第三尺寸调节模块用于调节大腿杆与第一电机架固定的相对位置，进而调节大腿部沿竖直方向的长度；所述大腿绑缚板设置在大腿杆靠近人体侧，用于与人体的大腿部绑缚连接；

所述大腿内壳固接于大腿杆，大腿外壳扣合连接于大腿内壳，并且大腿内壳与大腿外壳之间形成一安装腔室；所述膝关节驱动模块设置在所述安装腔室内；

所述两个小腿部沿左右方向对称设置，均还包括小腿插槽、小腿杆、小腿上外壳、小腿上内壳、小腿下外壳、小腿下内壳、小腿绑缚板和两个第四尺寸调节模块；所述小腿插槽上端铰接于膝关节外侧装置，所述小腿杆自小腿插槽底端插接于小腿插槽，并且小腿杆与小腿插槽的连接处设置有一第四尺寸调节模块，该第四尺寸调节模块用于调节小腿杆与小腿插槽固定的相对位置，进而调节小腿部沿竖直方向的长度；所述小腿绑缚板设置在膝关节外侧装置及小腿插槽靠近人体侧，用于与人体的小腿部绑缚连接；

所述小腿上外壳、小腿上内壳扣合设置在所述膝关节外侧装置外侧，并分别连接于所述膝关节外侧装置；所述小腿下外壳分别固连于小腿杆和小腿下内壳，并且小腿下外壳与小腿下内壳连接后罩设在所述小腿杆外侧。

6.根据权利要求5所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节内侧装置靠近小腿部的下端设置为弧形过渡结构，所述弧形过渡结构沿左右方向设置有第一贯通孔，并且第一贯通孔内设置有深沟球轴承；所述膝关节外侧装置远离小腿插槽的上端设置有安装卡槽，所述安装卡槽适配于同侧设置的膝关节内侧装置下端的弧形过渡结构，并且安装卡槽沿左右方向的两侧壁设置有位置对应于第一贯通孔的第二贯通孔；所述第二贯通孔和第一贯通孔经铰接销连接；

所述安装卡槽底部设置有一膝关节限位块，所述膝关节限位块用于限制膝关节外侧装置和膝关节内侧装置的相对转动角度。

7.根据权利要求6所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节驱动模块包含第二电机架、第二驱动电机、电机驱动单元、塞打螺丝、滑轮、弹性元件和绳索；

所述第二电机架固连于大腿杆，所述第二驱动电机安装在第二电机架上，所述电机驱动单元驱动连接于第二驱动电机；所述塞打螺丝一端固连于所述第二驱动电机的输出端、另一端插接于滑轮，塞打螺丝在所述第二驱动电机的输出端偏心设置；所述弹性元件一端连接于滑轮、另一端连接于绳索，并且绳索远离弹性元件的端部连接于膝关节外侧装置；

当第二驱动电机不工作，所述膝关节弯曲时，膝关节内侧装置远离膝关节外侧装置，绳索拉伸弹性元件；所述膝关节复位时，弹性元件带动绳索实现被动助力；

当第二驱动电机工作，其单方向旋转一周完成一个步态周期的助力，并且使得所述滑轮在第二驱动电机的输出面存在一最高点及最低点；所述膝关节由弯曲状态向直立状态变换时，第二驱动电机单向旋转使得滑轮由最低点向最高点移动；所述膝关节直立时，滑轮位于最高点，绳索拉伸弹性元件实现主动助力；所述膝关节由直立状态向弯曲状态变换时，第二驱动电机单向旋转使得滑轮由最高点向最低点移动；所述膝关节弯曲时，滑轮位于最低点，绳索放松弹性元件实现主动助力。

8.根据权利要求5所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述踝关节沿左右方向对称设置，包括小腿连接杆、旋转铰链、足侧支撑块和支撑块外壳，以及用于测量足底压力的足底压力测量装置；

所述小腿连接杆沿竖直方向设置，小腿连接杆上端固接于小腿杆、下端沿左右或前后方向铰接于旋转铰链；所述旋转铰链设置在足侧支撑块的上方，其下端沿前后或左右方向与足侧支撑块铰接；所述支撑块外壳罩设在足侧支撑块外侧；所述小腿连接杆具有相对足侧支撑块沿内/外展和屈伸/曲方向旋转的自由度；

所述足底压力测量装置设置为足底压力测量片，足底压力测量片固连于足侧支撑块，其测量面位于足底装置的上方；所述足底压力测量片具有发生弹性形变使其测量面贴合于足底装置上表面的自由度。

9.根据权利要求8所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述两个足底装置分别对应连接于与其同侧设置的踝关节，用于调节固定人体足部，均包括支撑钢片、橡胶垫和第五尺寸调节模块；

所述支撑钢片沿水平方向插入橡胶垫中，支撑钢片与橡胶垫共同构成位于足侧支撑块底部的鞋底；所述支撑钢片固连于足侧支撑块，所述足底压力测量片的测量面位于橡胶垫上方；所述第五尺寸调节模块包括能量扣和尼龙齿带，所述能量扣固接于橡胶垫，所述尼龙齿带一端固接于足侧支撑块，另一端出入能量扣，实现对鞋底和足侧支撑块松紧调节。

10.根据权利要求5所述的穿戴式髋膝主动驱动的下肢负重助力外骨骼机器人，其特征在于，所述第一尺寸调节模块、第二尺寸调节模块、第三尺寸调节模块和第四尺寸调节模块结构相同，均包括上夹片、调节杆和下夹片；

所述上夹片固连于下夹片，下夹片用于可拆卸连接于可进行尺寸调节的结构；所述调节杆夹持设置于上夹片与下夹片之间，其轴向两端分别连接于上夹片和下夹片；

定义调节杆连接于下夹片的端部为调节端，则所述调节段贯穿下夹片且凸出于下夹片，以便插设于可进行尺寸调节的结构上预设的调节孔。

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