CN114851175B - 一种机械外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人设计制造领域，其公开了一种机械外骨骼，包括机架、大腿总成和小腿总成，所述机架、大腿总成和小腿总成从上到下依次连接；所述机架设有能源容纳部、第一人体连接部和大腿总成连接部，所述大腿总成连接部包括横向设置的安装板，所述安装板上水平设有第一铰接孔和第二铰接孔；所述大腿总成包括大腿框架、第一连杆、偏心轮、凸轮、滑块、第二连杆和驱动机构，所述大腿框架设有第三铰接孔、凸轮安装腔、导向槽和第四铰接孔；所述小腿总成铰接于所述第四铰接孔中，所述第二连杆一端与所述滑块铰接，另一端与所述小腿总成铰接。采用本发明，能够通过机械结构模拟人体的运动，从而起到辅助运动和辅助支撑的功能。

Description

一种机械外骨骼

技术领域

本发明涉及机器人设计制造领域，尤其涉及一种机械外骨骼。

背景技术

外骨骼是指节肢动物（一般是把虾、蟹、昆虫等）体表坚韧的几丁质的骨骼，有时也指软体动物的贝壳和棘皮动物石灰质的板和棘，它有保护和支持作用。随着科技的发展进步以及仿生学的发展，人体外骨骼越来越受到学者们的广泛关注。机械外骨骼是一种由钢铁的框架构成并且可让人穿上的机器装置，这个装备可以提供额外能量来供四肢运动。人体通过穿戴机械外骨骼获得外部动力，能够减轻工作劳动强度，降低身体负担，无论在工作、户外运动、军事、人体康复医疗等方面都有广阔的应用前景。

现有的下肢机械外骨骼装置比较常用的几种结构有：一、液压传动结构；二、丝杆螺母传动结构；三、连杆杆机构；四、凸轮机构。

上面的四种常见结构具有以下优缺点：

一、采用液压传动，需要一整套液压设备，例如油箱、液压泵及液压阀等，还需要一个油路控制系统。液压传动灵活性较高，可调速，液压缸行程大，液压油对于走路时产生的冲击有一定的缓冲作用，但整一套液压装置体积庞大笨重，而且这些设备是穿戴在人体身上的，有液压油泄露会造成污染甚至有害健康。

二、丝杆螺母机构与液压缸产生的运动形式类似，都能产生直线往复运动。丝杆螺母机构动作精准平稳，精度高，但吸收缓冲能力较差，动作缓慢，而且不容易模拟人体关节的运动。

三、连杆机构可以产生往复摆动运动，符合人体下肢运动特征，但多连杆机构的运动轨迹比较难确定，模拟真实关节运动需要复杂的连杆系统，装置的体积和重量也大大增加，影响其操控性。

四、凸轮机构结构紧凑、设计简单、可精确实现复杂运动规律，可以产生平缓的动作，可以适应不同类型的运动特性和运动特点，但相对于前面的几种机构，凸轮机构产生的运动行程较小。

发明内容

本发明实施例为了解决现有机械辅助装置与人体运动模式具有较大差距的技术问题，提供一种机械外骨骼，能够与人体下肢主要关节的运动匹配，并为人的躯体提供支撑，结构紧凑，活动顺畅。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种机械外骨骼，包括机架、大腿总成和小腿总成，所述机架、大腿总成和小腿总成从上到下依次连接；所述机架设有能源容纳部、第一人体连接部和大腿总成连接部，所述大腿总成连接部包括横向设置的安装板，所述安装板上水平设有第一铰接孔和第二铰接孔；所述大腿总成包括大腿框架、第一连杆、偏心轮、凸轮、滑块、第二连杆和驱动机构，所述大腿框架设有第三铰接孔、凸轮安装腔、导向槽和第四铰接孔，所述第二铰接孔与第三铰接孔通过铰接轴铰接；所述第一连杆一端铰接于所述第一铰接孔上，另一端铰接于偏心轮表面；所述偏心轮和凸轮设于凸轮安装腔内，并同轴固定连接；所述驱动机构用于驱动所述偏心轮和凸轮转动；所述导向槽位于所述凸轮安装腔下方，所述滑块设于所述导向槽中并能沿所述导向槽滑动，其顶部与所述凸轮抵接；所述小腿总成铰接于所述第四铰接孔中，所述第二连杆一端与所述滑块铰接，另一端与所述小腿总成铰接。

作为上述方案的改进，所述滑块上部设有滚子，所述滑块通过所述滚子与所述凸轮抵接。

作为上述方案的改进，所述小腿总成的顶部设有连接盘，所述小腿总成通过所述连接盘与所述第四铰接孔连接，所述第二连杆铰接于所述连接盘上，铰接点与所述连接盘轴线错开。

作为上述方案的改进，所述小腿总成包括小腿支架和脚掌固定板，所述脚掌固定板铰接于所述小腿支架下部，所述小腿支架上还设有第二人体连接部。

作为上述方案的改进，所述驱动机构包括直流电机，所述直流电机与蜗轮蜗杆减速机构连接，所述蜗轮蜗杆减速机构的输出轴与所述偏心轮的中心固定连接。

作为上述方案的改进，所述第一人体连接部和第二人体连接部均为可调松紧的捆扎带。

作为上述方案的改进，所述大腿总成还包括大腿盖，所述大腿盖覆盖于所述大腿框架表面。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

采用上述结构，通过偏心轮和凸轮作为大腿和小腿运动比率和时机的协调机构，配合相应的连杆结构，能够通过机械结构模拟人体的运动，从而起到辅助运动和辅助支撑的功能。本实施例的结构紧凑，运动部件少，能够最大限度减轻整体重量，将主要的结构材料用于支撑部分，便携性好，生产成本低，便于推广。

附图说明

图1是本发明一种机械外骨骼的爆炸图；

图2是本发明一种机械外骨骼隐藏大腿盖后的结构示意图；

图3是图2的A部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

如图1-图3所示，本发明具体实施例提供了一种机械外骨骼，包括机架1、大腿总成2和小腿总成3，所述机架1、大腿总成2和小腿总成3从上到下依次连接；所述机架1设有能源容纳部11、第一人体连接部12和大腿总成连接部13，所述大腿总成连接部13包括横向设置的安装板131，所述安装板131上水平设有第一铰接孔132和第二铰接孔133；所述大腿总成2包括大腿框架21、第一连杆22、偏心轮23、凸轮24、滑块25、第二连杆26和驱动机构27，所述大腿框架21设有第三铰接孔211、凸轮安装腔212、导向槽213和第四铰接孔214，所述第二铰接孔133与第三铰接孔211通过铰接轴铰接；所述第一连杆22一端铰接于所述第一铰接孔132上，另一端铰接于偏心轮23表面；所述偏心轮23和凸轮24设于凸轮安装腔212内，并同轴固定连接；所述驱动机构27用于驱动所述偏心轮23和凸轮24转动；所述导向槽213位于所述凸轮安装腔212下方，所述滑块25设于所述导向槽213中并能沿所述导向槽213滑动，其顶部与所述凸轮24抵接；所述小腿总成3铰接于所述第四铰接孔214中，所述第二连杆26一端与所述滑块25铰接，另一端与所述小腿总成3铰接。

所述机架1主要起到连接左右两个大腿总成2，以及装载能源装置和控制模块的作用。所述能源装置可以是锂电池。所述机架1的主体呈背包型，便于使用者固定于背部，其通过第一人体连接部12与使用者的腰腹部固定。所述大腿总成2和小腿总成3位于使用者两腿的外侧，所述大腿框架21作为其它活动零件的安装外壳，也同时起到主要支撑的作用；所述第一连杆22用于驱动大腿框架21相对机架1摆动，当所述偏心轮23转动时，所述第一连杆22、偏心轮23和大腿框架21的上半部分形成四连杆结构，模拟人体大腿的摆动。当偏心轮23转动时，所述凸轮24同步转动，通过凸轮24推动滑块25移动，从而带动小腿总成3同步运动，起到通过机械模拟人体关节和肌肉的协同运动的效果。

采用上述结构，通过偏心轮23和凸轮24作为大腿和小腿速度节拍和摆动速度的协调机构，配合相应的连杆结构，能够通过机械结构模拟人体的运动，从而起到辅助运动和辅助支撑的功能。本实施例的结构紧凑，运动部件少，能够最大限度减轻整体重量，将主要的结构材料用于支撑部分，便携性好，生产成本低，便于推广。

为了使小腿总成3的活动更加顺畅，所述滑块25上部设有滚子251，所述滑块25通过所述滚子251与所述凸轮24抵接。由于小腿总成3的支持力一部分由凸轮24和滑块25的压力提供，所述滚子251可以使凸轮24对滑块25的施力更加便利，减轻凸轮24与滑块25之间的摩擦阻力。

所述小腿总成3的连接方式可以根据实际需要采取多种样式，在本实施例中，所述小腿总成3的顶部设有连接盘31，所述小腿总成3通过所述连接盘31与所述第四铰接孔214连接，所述第二连杆26铰接于所述连接盘31上，铰接点与所述连接盘31轴线错开。

优选地，所述小腿总成3包括小腿支架32和脚掌固定板33，所述脚掌固定板33铰接于所述小腿支架32下部，所述小腿支架32上还设有第二人体连接部34。使用时，使用者可以将脚踩在所述脚掌固定板33上，然后使用第二人体连接部34将小腿与小腿支架32绑紧固定。更优地，所述第一人体连接部12和第二人体连接部34均为可调松紧的捆扎带。

为了满足辅助运动的动力需求，所述驱动机构27包括直流电机271，所述直流电机271与蜗轮蜗杆减速机构272连接，所述蜗轮蜗杆减速机构272的输出轴与所述偏心轮23的中心固定连接。所述直流电机271由所述能源容纳部11内的电池供电驱动，直流电机271的扭矩通过蜗轮蜗杆减速机构272放大，从而驱动偏心轮23和凸轮24旋转，进而驱动大腿框架21和小腿支架32往复周期摆动，配合人体自身的肌肉运动，起到辅助下肢运动和支撑人体重量的功能。

所述大腿总成2还包括大腿盖28，所述大腿盖28覆盖于所述大腿框架21表面，用于保护所述大腿框架21内的活动部件，同时对滑块25等零件起到限位效果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种机械外骨骼，其特征在于，包括机架、大腿总成和小腿总成，所述机架、大腿总成和小腿总成从上到下依次连接；

所述机架设有能源容纳部、第一人体连接部和大腿总成连接部；所述大腿总成连接部包括横向设置的安装板，所述安装板上水平设有第一铰接孔和第二铰接孔；

所述大腿总成包括大腿框架、第一连杆、偏心轮、凸轮、滑块、第二连杆和驱动机构；所述大腿框架设有第三铰接孔、凸轮安装腔、导向槽和第四铰接孔；

所述第二铰接孔与第三铰接孔通过铰接轴铰接；

所述第一连杆一端铰接于所述第一铰接孔上，另一端铰接于偏心轮表面；

所述偏心轮和凸轮设于凸轮安装腔内，并同轴固定连接；

所述驱动机构用于驱动所述偏心轮和凸轮转动；

所述导向槽位于所述凸轮安装腔下方，所述滑块设于所述导向槽中并能沿所述导向槽滑动，所述滑块的顶部与所述凸轮抵接；

所述小腿总成铰接于所述第四铰接孔中，所述第二连杆一端与所述滑块铰接，另一端与所述小腿总成铰接。

2.如权利要求1所述的机械外骨骼，其特征在于，所述滑块上部设有滚子，所述滑块通过所述滚子与所述凸轮抵接。

3.如权利要求1所述的机械外骨骼，其特征在于，所述小腿总成的顶部设有连接盘，所述小腿总成通过所述连接盘与所述第四铰接孔连接，所述第二连杆铰接于所述连接盘上，铰接点与所述连接盘轴线错开。

4.如权利要求1所述的机械外骨骼，其特征在于，所述小腿总成包括小腿支架和脚掌固定板，所述脚掌固定板铰接于所述小腿支架下部，所述小腿支架上还设有第二人体连接部。

5.如权利要求1所述的机械外骨骼，其特征在于，所述驱动机构包括直流电机，所述直流电机与蜗轮蜗杆减速机构连接，所述蜗轮蜗杆减速机构的输出轴与所述偏心轮的中心固定连接。

6.如权利要求4所述的机械外骨骼，其特征在于，所述第一人体连接部和第二人体连接部均为可调松紧的捆扎带。

7.如权利要求1所述的机械外骨骼，其特征在于，所述大腿总成还包括大腿盖，所述大腿盖覆盖于所述大腿框架表面。

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