CN114347000B - 一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及助力机器人的技术领域，具体为一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人。包括外骨骼支架和一对能量回收释放装置；每个能量回收释放装置包括输入离合机构、储能机构和输出机构；膝关节弯曲阶段时，第一柔索或第二柔索牵引对应输入传动滑轮转动，使得输入传动齿轮和传动内齿圈啮合传动，实现储能弹簧储能；踝关节助力阶段时，舵机齿轮和传动齿条的齿轮啮合传动，使得离合齿轮与输出传动齿轮和输出传动滑轮同时啮合，储能弹簧释放储能，实现第三柔索受拉伸，向上牵引足部板运动；因此本发明通过辅助膝关节做负功的方式收集了膝关节在伸展时所作的部分负功，还吸收了膝关节在弯曲时的部分负功，使得本发明在进行负功收集时具有更高的效率。

Description

一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及助力机器人的技术领域，涉及可以穿戴于人身体上的通过收集膝关节负功来助力踝关节运动的柔性机器人，具体为一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人。

背景技术

随着人类社会的日益进步，各种与社会活动相关的生活场景逐渐趋于多样化与复杂化，这样的社会生活变化有时对人类身体的执行能力提出了更高的要求。对于普通人来说，在生活或者工作中有时需要长时间搬运较重的物品或者进行长时间的徒步运动，这将对很多人的身体负担能力产生一定的挑战；对于部分中老年人或者丧失部分运动能力的病人来说，由于其身体运动能力退化或部分缺失，进行像正常人一样的日常生活就已经很困难，而进行复杂的社会活动就更显得更加捉襟见肘；对于特殊的工作人群或从事重劳力的工人来说，经常需要面对高负重的运动场景或长时间高强度徒步运动。

基于以上种种，研发设计通过增强人体机能或辅助人体关节来帮助人类完成预定任务的机器人是当今社会所需要的，而外骨骼，尤其是下肢外骨骼作为一种可以与人体产生交互的可穿戴式机器人，引起了众多研究人员的注意。

下肢外骨骼主要分为主动式外骨骼和被动式外骨骼，其中被动式外骨骼是指不借助外部动力源来对人体运动进行辅助或矫正的外骨骼设备，由于其无需添加外部的动力元件和储存电能的装置，往往在质量上相对主动式外骨骼有很大的优势，且不会对人体自然步态产生太大干扰。

目前，国内外设计的被动式助力外骨骼大多通过收集人体正常步态中产生的负功作为动力源来对关节做正功的过程进行运动辅助。

由于在下肢三个关节中，膝关节有平均67W左右的功率且在整个步态周期的90％左右都做负功，所以在设计上，多以收集膝关节负功来进行运作的类型为主。但纵观多种被动式下肢外骨骼的设计方案，大多采用铰链式的机械关节刚性连接在平行于人体关节的位置来作为采集负功能量的输入端或助力的输出端，这样不但容易对人体正常的步态产生干扰，还容易使佩戴者感到不适；同时目前的诸多方案中，设计者大多将主要部件集成并安装于人体下肢远离腰部的关节上，这样远离人体重心的佩戴安装方式，往往会带来更多的额外新陈代谢，使人在运动中需要消耗更多的能量来抵消佩戴外骨骼所带来的的质量影响。

所以，需要研究一种柔性的被动式下肢外骨骼，使用柔性的连接方式与人体产生交互，并尽量将整个机构的质量集中于人体腰部，减少因设计不合理而增加的人体代谢成本。

发明内容

为了帮助减少人体行走时产生的新陈代谢消耗并增强人体下肢运动的机能，本发明基于柔性化、轻量化和集成化的设计思路设计了一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人。

具体技术方案如下：

一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，

包括外骨骼支架和一对能量回收释放装置1；

每个所述能量回收释放装置包括输入离合机构11、储能机构12、输出机构13，和从下至上依次间隔且水平固定布置的第一机架板14、第二机架板15、第三机架板16和第四机架板17；

所述输入离合机构11包括第一输入机构111、第二输入机构112和棘轮机构113，第一输入机构111和第二输入机构112结构相同，均包括副轴1121、输入传动齿轮1122、输入传动滑轮1123，和水平且间隔布置的上滑块1124和下滑块1125，

所述副轴1121通过一对轴承竖直转动安装在上滑块1124和下滑块1125之间，且副轴1121的下端部通过回复弹簧1126和下滑块1125连接，副轴1121的中部和输入传动滑轮1123型面联接，副轴1121的上端部贯穿上滑块1124并和输入传动齿轮1122型面联接；

第一输入机构111和第二输入机构112上的一对上滑块滑动设于第二机架板15上，第一输入机构111和第二输入机构112上的一对下滑块通过绳索1128连接，并滑动设于第一机架板14上；

所述储能机构12包括一体成型的齿圈和储能弹簧123，齿圈的轴向一端为传动内齿圈121，另一端为连接套122，储能弹簧123通过一对外端卡子同轴卡接于连接套122内；

所述第一输入机构111和第二输入机构112上的一对输入传动齿轮可分别和传动内齿圈121啮合；

所述棘轮机构113的棘轮1132通过棘轮输出轴1131和连接套122的轴向固定连接；

所述输出机构13包括输出主轴131、带齿轮的输出传动滑轮132、输出传动齿轮133、舵机134和离合滑架135；

所述输出主轴131通过一对轴承竖直布置在第三机架板16和第四机架板17之间，输出主轴131中部通过一对轴承套装所述输出传动滑轮132，下部型面联接输出传动齿轮133，且输出主轴131的下端贯穿第三机架板16并和所述储能弹簧123同轴固定连接；

所述舵机134的输出轴上套装有舵机齿轮1341；

所述离合滑架135通过滑块滑轨的配合滑动设于第三机架板16和第四机架板17之间，且离合滑架135的一端部开设传动齿条1351，另一端设有制动缺齿轮1352，中部安装有离合齿轮1353；

所述外骨骼支架包括环形的上腰绑带21、下腰绑带22和一对腿部支架；

所述上腰绑带21和下腰绑带22水平布置并通过竖直的背架23固定连接，一对能量回收释放装置1通过一对安装盒并列安装在背架23上；

每个所述腿部支架包括环形的大腿板24、环形的小腿板25和足部板26，小腿板25上固定设有直立的空心钢管251，空心钢管251的上端悬伸至对应的大腿板24一侧；

第一柔索31绕经第一输入机构111上的输入传动滑轮1123后，通过滑轮依次绕经背架23和大腿板24，最后和空心钢管251的悬伸端固定连接；

第二柔索32绕经第二输入机构112上的输入传动滑轮1123后，通过滑轮依次绕经背架23和大腿板24，最后和小腿板25固定连接；

第三柔索33绕经输出传动滑轮132后，通过管夹穿过小腿板25，最后和足部板26后部固定连接；

使用时，外骨骼支架穿戴完成，分别在脚底板的脚跟和脚尖处设有一对压力传感器5；

膝关节弯曲或是伸展时，第一柔索31或第二柔索32牵引着对应的输入传动滑轮1123转动，并带动对应副轴1121转动，使得输入传动齿轮1122和传动内齿圈121啮合传动，实现储能弹簧123储能；同时棘轮机构113可防止储能弹簧123反向转动耗散储能；

根据一对压力传感器5的检测结果将踝关节的运动分为助力阶段和自由阶段，助力阶段为脚跟和地面接触时开始至脚尖离开地面时结束，其余时间为自由阶段；

踝关节助力阶段，舵机134正转，舵机齿轮1341和传动齿条1351啮合传动，离合滑架135滑移，使得离合齿轮1353与输出传动齿轮133和输出传动滑轮132同时啮合，储能弹簧123转动释放储能，带动输出主轴131转动及输出传动滑轮132转动，实现第三柔索33受拉伸，向上牵引足部板26运动；

踝关节自由阶段时，舵机134反转，舵机齿轮1341和传动齿条1351啮合传动，离合滑架135反方向滑移，使得输出传动齿轮133和制动缺齿轮1352啮合，实现输出主轴131止动，此时输出传动滑轮132可自由转动。

进一步，所述第一机架板14、第二机架板15、第三机架板16和第四机架板17均为方形板，且对应的四个直角处通过四根立柱板18固定连接形成安装固定框；

所述第一机架板14和第二机架板15的两端部分别水平开设有U形的一对滑槽，第一机架板14两端部的一对滑槽和所述一对下滑块配合，第二机架板15两端部的一对滑槽和所述一对上滑块配合，一对下滑块通过绳索1128连接，使得第一输入机构111和第二输入机构112可沿着安装固定框的长度方向滑移，实现一对输入传动齿轮分别和传动内齿圈121的齿轮啮合。

进一步，所述棘轮机构113包括棘轮1132、一对棘爪1133和棘轮输出轴1131；

所述棘轮输出轴1131通过一对轴承转动安装在第一机架板14和第二机架板15的之间，且棘轮输出轴1131的下端部和棘轮1132型面联接，棘轮输出轴1131的上端部贯穿第二机架板15，并和连接套122同轴固定连接。

进一步，所述一对棘爪1133通过一对安装机构安装在所述棘轮1132径向两端对应的第一机架板14上；

每个所述安装机构包括中空的半圆柱形安装柱1134，安装柱1134的一侧设有挡块1135，棘爪的安装端通过销柱1136转动设于安装柱1134内，使得棘爪的齿部对应棘轮1132，销柱1136上套设有用于复位棘爪的回复扭簧1137。

进一步，每个所述下滑块1125上固定设有挡圈1127，所述回复弹簧1126同轴布置于挡圈1127内，回复弹簧1126的外端卡子和挡圈1127插接，回复弹簧1126的内端卡子和副轴1121对应插接。

进一步，所述储能弹簧123的内端向上设有第一套接柱1231，所述连接套122的中心轴向向下设有第二套接柱1221；

所述棘轮输出轴1131的上端和第二套接柱1221型面联接；

所述输出主轴131的下端和第一套接柱1231型面联接。

进一步，所述离合滑架135的上、下端为平行的一对长条滑块1354，制动缺齿轮1352齿部的另一端设有第三长条滑块；所述第三机架板16的上端面和第四机架板17的下端面对应设有竖向截面为U形的滑轨171，通过长条滑块和滑轨171的对应配合，使得离合滑架135滑动设于第三机架板16和第四机架板17之间。

进一步，所述足部板26包括三角支架261和水平布置的U形板262，三角支架261倾斜向上布置，三角支架261下端的三个支撑点分别固定连接在U形板262的底板上，三角支架的上端和所述第三柔索33固定连接。

进一步，所述输出传动滑轮132的上、下端对应的输出主轴131上分别套设有用于轴向限位的轴套，所述输出传动齿轮133下端对应的输出主轴131上套设有用于轴向限位的轴套；

所述输入传动滑轮1123的上端对应的副轴1121套设有用于轴向限位的轴套，输入传动滑轮1123的下端通过副轴1121上对应的轴肩进行轴向限位；

所述输入传动齿轮1122上端对应的副轴1121上螺纹连接有固定螺母，输入传动齿轮1122下端通过副轴1121上对应的轴肩进行轴向限位；

棘轮1132的下端对应的棘轮输出轴1131上套设有用于轴向限位的轴套，棘轮1132的上端通过对应的棘轮输出轴1131上的轴肩轴向限位，所述连接套122上端对应的棘轮输出轴1131上螺纹连接有固定螺母。

进一步，所述外骨骼支架上对应一对腿部支架设有一对滑轮组，每个滑轮组包括第一滑轮41、第二滑轮42、第三滑轮43、第四滑轮44和第五滑轮45；

第一滑轮41设于第一输入机构111的输入传动滑轮1123对应的背架23上，第二滑轮42设于对应的大腿板24上，且第一滑轮41和第二滑轮42之间通过管夹固定设有第一空心软管311，使得所述第一柔索31绕经第一滑轮41后，穿过第一空心软管311，再绕经第二滑轮42后和所述空心钢管251的悬伸端固定连接；

第三滑轮43设于第二输入机构112的输入传动滑轮1123对应的背架23上，第四滑轮44设于对应的大腿板24上，且第三滑轮43和第四滑轮44之间通过管夹固定设有第二空心软管321，使得所述第二柔索32绕经第三滑轮43后，穿过第二空心软管321，再绕经第四滑轮44后和小腿板25通过线夹固定连接；

第五滑轮45设于输出传动滑轮132对应的背架23上，所述第五滑轮45和小腿板25之间通过管夹固定设有第三空心软管331，使得第三柔索33绕经第五滑轮45后，穿过第三空心软管331和足部板26的后部固定连接。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明的被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，包括外骨骼支架和一对能量回收释放装置；每个所述能量回收释放装置包括输入离合机构、储能机构和输出机构；将膝关节的运动状态分为弯曲阶段和伸展阶段，膝关节弯曲阶段时，第一柔索牵引第一输入机构的输入传动滑轮转动，使得输入传动齿轮和传动内齿圈啮合传动，实现储能弹簧储能；膝关节伸展阶段时，小腿板牵引拉伸第二柔索，使得第二柔索牵引第二输入机构的输入传动滑轮转动，并带动对应副轴转动，使得输入传动齿轮和传动内齿圈啮合传动，实现储能弹簧储能；同时棘轮机构可防止储能弹簧反向转动耗散储能；

踝关节助力阶段时，舵机正转，舵机齿轮和传动齿条的齿轮啮合传动，离合滑架滑移，使得离合齿轮与输出传动齿轮和输出传动滑轮同时啮合，储能弹簧转动释放储能，带动输出主轴转动，使得输出传动滑轮转动，实现第三柔索受拉伸，向上牵引足部板运动；踝关节自由阶段时，舵机反转，舵机齿轮和传动齿条的齿轮啮合传动，离合滑架反方向滑移，使得输出传动齿轮和制动缺齿轮啮合，实现输出主轴止动，此时输出传动滑轮可自由转动；

穿戴本发明的被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，可配合辅助人体膝关节在正常步态中做负功，降低了膝关节附近肌肉的活动量，降低了这部分肌肉所消耗的新陈代谢，并通过这种方式将部分负功收集到储能机构中，达到助力和能量收集的目的；同时储能机构收集的能量释放以辅助踝关节作正功，降低了踝关节附近肌肉的活动量，降低了这部分肌肉所消耗的新陈代谢，达到助力的目的，在踝关节不需要助力辅助的阶段，即踝关节处于自由阶段，踝关节的运动不受约束，防止机构对踝关节产生不必要的干涉；

本发明不仅通过辅助膝关节做负功的方式收集了膝关节在伸展时所作的部分负功，还吸收了膝关节在弯曲时的部分负功，使得本发明在进行负功收集时具有更高的效率。

2、本发明与现有的主动式下肢助力外骨骼机器人相比较，本发明在不借助外部动力源（例如电机、气缸）的情况下，仅仅通过对人体下肢在步态周期中不同关节的正负功进行重新规划、收集和释放就可以实现对人体的助力，大大降低了由于安装额外的动力源所带来的额外质量；

本发明与现有的被动式下肢助力外骨骼机器人相比较，本发明将整个机构大部分的质量都安装于腰部，而腰部是相当靠近人体重心的位置，而现有的被动式下肢外骨骼机器人往往将大部分机构安装在与下肢关节相平行的位置，而下肢膝踝关节是相对远离人体质心的位置，相当于在人体末端添加了额外的质量；在人体进行正常的步态行走且给人体添加相同额外质量的情况下，其越靠近人体质心，人体所消耗的额外的新陈代谢越少，所以本机构相对于现有的外骨骼机器人会带来更少的额外的新陈代谢，变相的提高了本发明的助力效率。

附图说明

图1是本发明的一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人的结构示意图。

图2是本发明的背板及其上结构装配的示意图。

图3是本发明的能量回收释放装置的结构示意图。

图4是本发明的能量回收释放装置的爆炸图。

图5是本发明的输入离合机构的结构示意图。

图6是本发明的第一输入机构或第二输入机构的结构示意图。

图7是本发明的第二输入机构的安装示意图。

图8是本发明的储能机构的结构示意图。

图9是本发明的储能机构的爆炸图。

图10是齿圈的底部轴测视图。

图11是本发明的棘轮机构的爆炸图。

图12是本发明的棘轮机构的安装示意图。

图13是本发明的输出机构的爆炸图。

图14是本发明的输出机构的装配示意图。

图15是图14的底部轴测视图。

图16是本发明离合滑架的结构示意图。

图17是本发明背板和腰板处结构示意图。

图18是本发明大腿板、小腿板处结构示意图。

图19是本发明一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人的工作状态示意图。

其中：1一对能量回收释放装置、11输入离合机构、111第一输入机构、112第二输入机构、1121副轴、1122输入传动齿轮、1123输入传动滑轮、1124上滑块、1125下滑块、1126回复弹簧、1127挡圈、1128绳索、113棘轮机构、1131棘轮输出轴、1132棘轮、1133一对棘爪、1134安装柱、1135挡块、1136销柱、1137回复扭簧、12储能机构、121传动内齿圈、122连接套、1221第二套接柱、123储能弹簧、1231第一套接柱、13输出机构、131输出主轴、132输出传动滑轮、133输出传动齿轮、134舵机、1341舵机齿轮、135离合滑架、1351传动齿条、1352制动缺齿轮、1353离合齿轮、1354一对长条滑块、14第一机架板、15第二机架板、16第三机架板、17第四机架板、171滑轨、18立柱板、21上腰绑带、22下腰绑带、23背架、24大腿板、25小腿板、251空心钢管、26足部板、261三角支架、262U形板、31第一柔索、311第一空心软管、32第二柔索、321第二空心软管、33第三柔索、331第三空心软管、41第一滑轮、42第二滑轮、43第三滑轮、44第四滑轮、45第五滑轮、5一对压力传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

见图1、图2、图17和图18，一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，包括外骨骼支架和一对能量回收释放装置1；

所述外骨骼支架包括环形的上腰绑带21、下腰绑带22和一对腿部支架；

所述上腰绑带21和下腰绑带22水平布置并通过竖直的背架23固定连接，一对能量回收释放装置1通过一对安装盒并列安装在背架23上；

每个所述腿部支架包括环形的大腿板24、环形的小腿板25和足部板26，小腿板25上固定设有直立的空心钢管251，空心钢管251的上端悬伸至对应的大腿板24一侧；

所述足部板26包括三角支架261和水平布置的U形板262，三角支架261倾斜向上布置，三角支架261下端的三个支撑点分别固定连接在U形板262的底板上，三角支架的上端和所述第三柔索33固定连接。

见图3和4，每个所述能量回收释放装置包括输入离合机构11、储能机构12、输出机构13，和从下至上依次间隔且水平固定布置的第一机架板14、第二机架板15、第三机架板16和第四机架板17；所述第一机架板14、第二机架板15、第三机架板16和第四机架板17均为方形板，且对应的四个直角处通过四根立柱板18固定连接形成安装固定框；

所述第一机架板14和第二机架板15的两端部分别水平开设有U形的一对滑槽，第一机架板14两端部的一对滑槽和所述一对下滑块配合，第二机架板15两端部的一对滑槽和所述一对上滑块配合，一对下滑块通过绳索1128连接，使得第一输入机构111和第二输入机构112可沿着安装固定框的长度方向滑移，实现一对输入传动齿轮分别和传动内齿圈121的齿轮啮合。

见图5，所述输入离合机构11包括第一输入机构111、第二输入机构112和棘轮机构113。

见图6和图7，第一输入机构111和第二输入机构112结构相同，均包括副轴1121、输入传动齿轮1122、输入传动滑轮1123，和水平且间隔布置的上滑块1124和下滑块1125，

所述副轴1121通过一对轴承竖直转动安装在上滑块1124和下滑块1125之间，且副轴1121的下端部通过回复弹簧1126和下滑块1125连接，副轴1121的中部和输入传动滑轮1123型面联接，副轴1121的上端部贯穿上滑块1124并和输入传动齿轮1122型面联接；

第一输入机构111和第二输入机构112上的一对上滑块滑动设于第二机架板15上，第一输入机构111和第二输入机构112上的一对下滑块通过绳索1128连接，并滑动设于第一机架板14上；

每个所述下滑块1125上固定设有挡圈1127，所述回复弹簧1126同轴布置于挡圈1127内，回复弹簧1126的外端卡子和挡圈1127插接，回复弹簧1126的内端卡子和副轴1121对应插接。

所述输入传动滑轮1123的上端对应的副轴1121套设有用于轴向限位的轴套，输入传动滑轮1123的下端通过副轴1121上对应的轴肩进行轴向限位；

所述输入传动齿轮1122上端对应的副轴1121上螺纹连接有固定螺母，输入传动齿轮1122下端通过副轴1121上对应的轴肩进行轴向限位。

见图11和图12，所述棘轮机构113的棘轮1132通过棘轮输出轴1131和连接套122的轴向固定连接；所述棘轮机构113包括棘轮1132、一对棘爪1133和棘轮输出轴1131；

所述棘轮输出轴1131通过一对轴承转动安装在第一机架板14和第二机架板15的之间，且棘轮输出轴1131的下端部和棘轮1132型面联接，棘轮输出轴1131的上端部贯穿第二机架板15，并和连接套122同轴固定连接。

所述一对棘爪1133通过一对安装机构安装在所述棘轮1132径向两端对应的第一机架板14上；

每个所述安装机构包括中空的半圆柱形安装柱1134，安装柱1134的一侧设有挡块1135，棘爪的安装端通过销柱1136转动设于安装柱1134内，使得棘爪的齿部对应棘轮1132，销柱1136上套设有用于复位棘爪的回复扭簧1137。

棘轮1132的下端对应的棘轮输出轴1131上套设有用于轴向限位棘轮1132的轴套，棘轮1132的上端通过对应的棘轮输出轴1131上的轴肩轴向限位，所述连接套122上端对应的棘轮输出轴1131上螺纹连接有固定螺母。

见图8、图9和图10，所述储能机构12包括齿圈和储能弹簧123，齿圈的轴向一端为传动内齿圈121，另一端为连接套122，储能弹簧123通过一对外端卡子同轴卡接于连接套122内；

所述第一输入机构111和第二输入机构112上的一对输入传动齿轮可分别和传动内齿圈121啮合；所述储能弹簧123的内端向上设有第一套接柱1231，所述连接套122的中心轴向向下设有第二套接柱1221；

所述棘轮输出轴1131的上端和第二套接柱1221型面联接；

所述输出主轴131的下端和第一套接柱1231型面联接。

见图13、图14和图15，所述输出机构13包括输出主轴131、带齿轮的输出传动滑轮132、输出传动齿轮133、舵机134和离合滑架135；舵机134竖直安装在第四机架板17上的安装槽内。

所述输出主轴131通过一对轴承竖直布置在第三机架板16和第四机架板17之间，输出主轴131中部通过一对轴承套装所述输出传动滑轮132，下部型面联接输出传动齿轮133，且输出主轴131的下端贯穿第三机架板16并和所述储能弹簧123同轴固定连接；

所述舵机134的输出轴上套装有舵机齿轮1341；

所述输出传动滑轮132的上、下端对应的输出主轴131上分别套设有用于轴向限位输出传动滑轮132的轴套，所述输出传动齿轮133下端对应的输出主轴131上套设有用于轴向限位输出传动齿轮133的轴套；输出传动滑轮132的下端对应的轴套同时用于限位输出传动齿轮133向上的轴向运动。

见图16，所述离合滑架135通过滑块滑轨的配合滑动设于第三机架板16和第四机架板17之间，且所述离合滑架135的上、下端为平行的一对长条滑块1354，制动缺齿轮1352齿部的另一端设有第三长条滑块；所述第三机架板16的上端面和第四机架板17的下端面对应设有竖向截面为U形的滑轨171，通过长条滑块和滑轨171的对应配合，使得离合滑架135滑动设于第三机架板16和第四机架板17之间。离合滑架135的一端部开设传动齿条1351，另一端设有制动缺齿轮1352，中部通过一对轴承安装有离合齿轮1353，离合齿轮1353的下端通过螺母轴向限位。

见图17和图18，第一柔索31绕经第一输入机构111上的输入传动滑轮1123后，通过滑轮依次绕经背架23和大腿板24，最后和空心钢管251的悬伸端固定连接；

第二柔索32绕经第二输入机构112上的输入传动滑轮1123后，通过滑轮依次绕经背架23和大腿板24，最后和小腿板25固定连接；

第三柔索33绕经输出传动滑轮132后，通过管夹穿过小腿板25，最后和足部板26后部固定连接。

所述外骨骼支架上对应一对腿部支架设有一对滑轮组，每个滑轮组包括第一滑轮41、第二滑轮42、第三滑轮43、第四滑轮44和第五滑轮45；

第一滑轮41设于第一输入机构111的输入传动滑轮1123对应的背架23上，第二滑轮42设于对应的大腿板24上，且第一滑轮41和第二滑轮42之间通过管夹固定设有第一空心软管311，使得所述第一柔索31绕经第一滑轮41后，穿过第一空心软管311，再绕经第二滑轮42后和所述空心钢管251的悬伸端固定连接；

第三滑轮43设于第二输入机构112的输入传动滑轮1123对应的背架23上，第四滑轮44设于对应的大腿板24上，且第三滑轮43和第四滑轮44之间通过管夹固定设有第二空心软管321，使得所述第二柔索32绕经第三滑轮43后，穿过第二空心软管321，再绕经第四滑轮44后和小腿板25通过线夹固定连接；

第五滑轮45设于输出传动滑轮132对应的背架23上，所述第五滑轮45和小腿板25之间通过管夹固定设有第三空心软管331，使得第三柔索33绕经第五滑轮45后，穿过第三空心软管331和足部板26的后部固定连接。

见图19，使用时，外骨骼支架穿戴完成，分别在脚底板的脚跟和脚尖处设有一对压力传感器5；

将膝关节的运动状态分为弯曲阶段和伸展阶段，

膝关节弯曲阶段时，空心钢管251牵引拉伸第一柔索31，使得第一柔索31牵引第一输入机构111的输入传动滑轮1123转动，并带动对应副轴1121转动；同时第一柔索31牵引第一输入机构111沿着第一机架板14和第二机架板15上对应的滑槽滑动，使得输入传动齿轮1122和传动内齿圈121啮合传动，实现储能弹簧123储能，同时第一输入机构111的回复弹簧1126实现储能，为膝关节伸展阶段回收第一柔索31做准备；

膝关节伸展阶段时，小腿板25牵引拉伸第二柔索32，使得第二柔索32牵引第二输入机构112的输入传动滑轮1123转动，并带动对应副轴1121转动，同时第二柔索32牵引第二输入机构112沿着第一机架板14和第二机架板15上对应的滑槽滑动，使得输入传动齿轮1122和传动内齿圈121啮合传动，实现储能弹簧123储能，同时第二输入机构112的回复弹簧1126实现储能，为膝关节弯曲阶段回收第二柔索32做准备。

上述膝关节的弯曲和伸展阶段时，第一输入机构111和第二输入机构112通过绳索1128连接，使得第一输入机构111和第二输入机构112在第一机架板14和第二机架板15上同步同向滑动；当第一输入机构111上的输入传动齿轮1122和传动内齿圈121啮合时，第二输入机构112上的输入传动齿轮1122和传动内齿圈121脱开啮合，且回复弹簧1126带动第二输入机构112上的输入传动滑轮1123转动，实现回收第二柔索32。

当第二输入机构112上的输入传动齿轮1122和传动内齿圈121啮合时，第一输入机构111上的输入传动齿轮1122和传动内齿圈121脱开啮合，且回复弹簧1126带动第一输入机构111上的输入传动滑轮1123转动，实现回收第一柔索31。

同时棘轮机构113可防止储能弹簧123反向转动耗散储能。

根据一对压力传感器5检测数据将踝关节的运动状态划分为助力阶段和自由阶段，助力阶段为脚根和地面接触时开始至脚尖离开地面时结束，其余时间为自由阶段；

踝关节助力阶段时，舵机134正转，舵机齿轮1341和传动齿条1351的齿轮啮合传动，离合滑架135滑移，使得离合齿轮1353与输出传动齿轮133和输出传动滑轮132同时啮合，输出传动齿轮133和制动缺齿轮1352脱开啮合，储能弹簧123转动释放储能，带动输出主轴131转动，使得输出传动滑轮132转动，实现第三柔索33受拉伸，向上牵引足部板26运动；

踝关节自由阶段时，舵机134反转，舵机齿轮1341和传动齿条1351的齿轮啮合传动，离合滑架135反方向滑移，使得输出传动齿轮133和制动缺齿轮1352啮合，离合齿轮1353与输出传动齿轮133和输出传动滑轮132脱开啮合，实现输出主轴131止动，此时输出传动滑轮132可自由转动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：

包括外骨骼支架和一对能量回收释放装置（1）；每个所述能量回收释放装置包括输入离合机构（11）、储能机构（12）、输出机构（13），和从下至上依次间隔且水平固定布置的第一机架板（14）、第二机架板（15）、第三机架板（16）和第四机架板（17）；

所述输入离合机构（11）包括第一输入机构（111）、第二输入机构（112）和棘轮机构（113），第一输入机构（111）和第二输入机构（112）结构相同，均包括副轴（1121）、输入传动齿轮（1122）、输入传动滑轮（1123），和水平且间隔布置的上滑块（1124）和下滑块（1125）；

所述副轴（1121）通过一对轴承竖直转动安装在上滑块（1124）和下滑块（1125）之间，且副轴（1121）的下端部通过回复弹簧（1126）和下滑块（1125）连接，副轴（1121）的中部和输入传动滑轮（1123）型面联接，副轴（1121）的上端部贯穿上滑块（1124）并和输入传动齿轮（1122）型面联接；

所述第一输入机构（111）和第二输入机构（112）上的一对上滑块滑动设于第二机架板（15）上，第一输入机构（111）和第二输入机构（112）上的一对下滑块通过绳索（1128）连接，并滑动设于第一机架板（14）上；

所述储能机构（12）包括一体成型的齿圈和储能弹簧（123），齿圈的轴向一端为传动内齿圈（121），另一端为连接套（122），储能弹簧（123）通过一对外端卡子同轴卡接于连接套（122）内；

所述第一输入机构（111）和第二输入机构（112）上的一对输入传动齿轮可分别和传动内齿圈（121）啮合；

所述棘轮机构（113）的棘轮（1132）通过棘轮输出轴（1131）和连接套（122）的同轴固定连接；

所述输出机构（13）包括输出主轴（131）、带齿轮的输出传动滑轮（132）、输出传动齿轮（133）、舵机（134）和离合滑架（135）；

所述输出主轴（131）通过一对轴承竖直布置在第三机架板（16）和第四机架板（17）之间，输出主轴（131）中部通过一对轴承套装着所述输出传动滑轮（132），下部型面联接输出传动齿轮（133），且输出传动齿轮（133）下端贯穿第三机架板（16）并和所述储能弹簧（123）同轴固定连接；

所述舵机（134）的输出轴上套装有舵机齿轮（1341）；

所述离合滑架（135）通过滑块滑轨的配合滑动设于第三机架板（16）和第四机架板（17）之间，且离合滑架（135）的一端部开设传动齿条（1351），另一端设有制动缺齿轮（1352），离合滑架（135）的中部安装有离合齿轮（1353）；

所述外骨骼支架包括环形的上腰绑带（21）、下腰绑带（22）和一对腿部支架；

所述上腰绑带（21）和下腰绑带（22）水平布置并通过竖直的背架（23）固定连接，一对能量回收释放装置（1）通过一对安装盒并列安装在背架（23）上；

每个所述腿部支架包括环形的大腿板（24）、环形的小腿板（25）和足部板（26），小腿板（25）上固定设有直立的空心钢管（251），空心钢管（251）的上端悬伸至对应的大腿板（24）一侧；

第一柔索（31）绕经第一输入机构（111）上的输入传动滑轮（1123）后，通过滑轮依次绕经背架（23）和大腿板（24），最后和空心钢管（251）的悬伸端固定连接；

第二柔索（32）绕经第二输入机构（112）上的输入传动滑轮（1123）后，通过滑轮依次绕经背架（23）和大腿板（24），最后和小腿板（25）固定连接；

第三柔索（33）绕经输出传动滑轮（132）后，通过管夹穿过小腿板（25），最后和足部板（26）后部固定连接；

使用时，外骨骼支架穿戴完成，分别在脚底板的脚跟和脚尖处设有一对压力传感器（5）；

膝关节弯曲或是伸展时，第一柔索（31）或第二柔索（32）牵引着对应的输入传动滑轮（1123）转动，并带动对应副轴（1121）转动，使得输入传动齿轮（1122）和传动内齿圈（121）啮合传动，实现储能弹簧（123）储能；同时棘轮机构（113）可防止储能弹簧（123）反向转动耗散储能；

根据一对压力传感器（5）的检测结果将踝关节的运动分为助力阶段和自由阶段，助力阶段为脚跟和地面接触时开始至脚尖离开地面时结束，其余时间为自由阶段；

踝关节助力阶段，舵机（134）正转，舵机齿轮（1341）和传动齿条（1351）啮合传动，离合滑架（135）滑移，使得离合齿轮（1353）与输出传动齿轮（133）和输出传动滑轮（132）同时啮合，储能弹簧（123）转动释放储能，带动输出主轴（131）转动及输出传动滑轮（132）转动，实现第三柔索（33）受拉伸，向上牵引足部板（26）运动；

踝关节自由阶段时，舵机（134）反转，舵机齿轮（1341）和传动齿条（1351）啮合传动，离合滑架（135）反方向滑移，使得输出传动齿轮（133）和制动缺齿轮（1352）啮合，实现输出主轴（131）止动，此时输出传动滑轮（132）可自由转动。

2.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述第一机架板（14）、第二机架板（15）、第三机架板（16）和第四机架板（17）均为方形板，且对应的四个直角处通过四根立柱板（18）固定连接形成安装固定框；

所述第一机架板（14）和第二机架板（15）的两端部分别水平开设有U形的一对滑槽，第一机架板（14）两端部的一对滑槽和所述一对下滑块配合，第二机架板（15）两端部的一对滑槽和所述一对上滑块配合，一对下滑块通过绳索（1128）连接，使得第一输入机构（111）和第二输入机构（112）可沿着安装固定框的长度方向滑移，实现一对输入传动齿轮分别和传动内齿圈（121）的齿轮啮合。

3.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述棘轮机构（113）包括棘轮（1132）、一对棘爪（1133）和棘轮输出轴（1131）；

所述棘轮输出轴（1131）通过一对轴承转动安装在第一机架板（14）和第二机架板（15）的之间，且棘轮输出轴（1131）的下端部和棘轮（1132）型面联接，棘轮输出轴（1131）的上端部贯穿第二机架板（15），并和连接套（122）型面联接。

4.根据权利要求3所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述一对棘爪（1133）通过一对安装机构安装在所述棘轮（1132）径向两端对应的第一机架板（14）上；

每个所述安装机构包括中空的半圆柱形安装柱（1134），安装柱（1134）的一侧设有挡块（1135），棘爪的安装端通过销柱（1136）转动设于安装柱（1134）内，使得棘爪的齿部对应棘轮（1132），销柱（1136）上套设有用于复位棘爪的回复扭簧（1137）。

5.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：

每个所述下滑块（1125）上固定设有挡圈（1127），所述回复弹簧（1126）同轴布置于挡圈（1127）内，回复弹簧（1126）的外端卡子和挡圈（1127）插接，回复弹簧（1126）的内端卡子和副轴（1121）对应插接。

6.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述储能弹簧（123）的内端向上设有第一套接柱（1231），所述连接套（122）的中心轴向向下设有第二套接柱（1221）；

所述棘轮输出轴（1131）的上端和第二套接柱（1221）型面联接；

所述输出主轴（131）的下端和第一套接柱（1231）型面联接。

7.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述离合滑架（135）的上、下端为平行的一对长条滑块（1354），制动缺齿轮（1352）齿部的另一端设有平行于一对长条滑块（1354）的第三长条滑块；

所述第三机架板（16）的上端面和第四机架板（17）的下端面对应设有竖向截面为U形的滑轨（171），通过长条滑块和滑轨（171）的对应配合，使得离合滑架（135）滑动设于第三机架板（16）和第四机架板（17）之间。

8.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述足部板（26）包括三角支架（261）和水平布置的U形板（262），三角支架（261）倾斜向上布置，三角支架（261）下端的三个支撑点分别固定连接在U形板（262）的底板上，三角支架的上端和所述第三柔索（33）固定连接。

9.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：

所述输出传动滑轮（132）的上、下端对应的输出主轴（131）上分别套设有用于轴向限位的轴套，所述输出传动齿轮（133）下端对应的输出主轴（131）上套设有用于轴向限位的轴套；

所述输入传动滑轮（1123）的上端对应的副轴（1121）上套设有用于轴向限位的轴套，输入传动滑轮（1123）的下端通过副轴（1121）上对应的轴肩进行轴向限位；

所述输入传动齿轮（1122）上端对应的副轴（1121）上螺纹连接有固定螺母，输入传动齿轮（1122）下端通过副轴（1121）上对应的轴肩进行轴向限位；

棘轮（1132）的下端对应的棘轮输出轴（1131）上套设有用于轴向限位的轴套，棘轮（1132）的上端通过对应的棘轮输出轴（1131）上的轴肩轴向限位，所述连接套（122）上端对应的棘轮输出轴（1131）上螺纹连接有固定螺母。

10.根据权利要求1所述一种被动式柔性膝踝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼支架上对应设有一对滑轮组，每个滑轮组包括第一滑轮（41）、第二滑轮（42）、第三滑轮（43）、第四滑轮（44）和第五滑轮（45）；

第一滑轮（41）设于第一输入机构（111）的输入传动滑轮（1123）对应的背架（23）上，第二滑轮（42）设于对应的大腿板（24）上，且第一滑轮（41）和第二滑轮（42）之间通过管夹固定设有第一空心软管（311），使得所述第一柔索（31）绕经第一滑轮（41）后，穿过第一空心软管（311），再绕经第二滑轮（42）后和所述空心钢管（251）的悬伸端固定连接；

第三滑轮（43）设于第二输入机构（112）的输入传动滑轮（1123）对应的背架（23）上，第四滑轮（44）设于对应的大腿板（24）上，且第三滑轮（43）和第四滑轮（44）之间通过管夹固定设有第二空心软管（321），使得所述第二柔索（32）绕经第三滑轮（43）后，穿过第二空心软管（321），再绕经第四滑轮（44）后和小腿板（25）通过线夹固定连接；

第五滑轮（45）设于输出传动滑轮（132）对应的背架（23）上，所述第五滑轮（45）和小腿板（25）之间通过管夹固定设有第三空心软管（331），使得第三柔索（33）绕经第五滑轮（45）后，穿过第三空心软管（331）和足部板（26）的后部固定连接。

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