CN114888778A - 一种兼容性下肢外骨骼机器人 - Google Patents

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CN114888778A CN202210450490.XA CN202210450490A CN114888778A CN 114888778 A CN114888778 A CN 114888778A CN 202210450490 A CN202210450490 A CN 202210450490A CN 114888778 A CN114888778 A CN 114888778A
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张建华
王占荣
王唱
曹鉴
赵岩
李克祥
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Hebei University of Technology
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Abstract

本申请提供一种兼容性下肢外骨骼机器人，包括腿部组件；腿部组件包括膝关节组件、大腿支架和小腿支架；大腿支架通过髋关节组件安装在背部组件上；小腿支架上通过踝关节组件安装有足部组件；膝关节组件可拆卸安装在大腿支架和小腿支架之间，用于调节腿部组件的整体长度；背部组件包括安装板；安装板一侧设有可相对滑动的背部支撑，一侧通过连接架与髋关节组件对接；连接架包括相互铰接的两连接支架；两连接支架相互远离的一端分别铰接在安装板和髋关节组件上。根据本申请实施例提供的技术方案，通过在背部组件上利用髋关节组件安装腿部组件，当佩戴者穿戴后，髋关节组件可与佩戴者的髋关节的回转中心重合，不仅舒服，还能使佩戴者的动作不受影响。

Description

一种兼容性下肢外骨骼机器人
技术领域
本申请涉及辅助机器人技术领域,具体涉及一种兼容性下肢外骨骼机器人。
背景技术
近年来，我国的老龄化趋势正在一步步扩大，老年人身体机能逐渐下降，一般会存在体力不支，行动不便的困扰，在力量以及耐力上也会出现不足，如若能发明一种供老年人使用且穿戴舒适的外骨骼机器人，可以帮助老年人进行日常的活动，如：轻松的上下楼梯，甚至可以实现一定重量范围内的负重前行。
与此同时，可穿戴式外骨骼机器人也用在那些身有缺陷的残疾人或者身体机能较弱的青年人身上，可以使他们进行简单劳作从而减轻家庭负担，且可以减轻用于照顾老弱病残所花费的人力资源，具有比较高的社会与经济价值。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种兼容性下肢外骨骼机器人。
本申请提供一种兼容性下肢外骨骼机器人，包括腿部组件；所述腿部组件包括膝关节组件、大腿支架和小腿支架；
所述大腿支架通过髋关节组件安装在背部组件上；
所述小腿支架上通过踝关节组件安装有足部组件；
所述膝关节组件可拆卸安装在所述大腿支架和小腿支架之间，用于调节所述腿部组件的整体长度；
所述背部组件包括安装板；所述安装板一侧设有可相对滑动的背部支撑，一侧通过连接架与所述髋关节组件对接；
所述连接架包括相互铰接的两连接支架；两所述连接支架相互远离的一端分别铰接在所述安装板和髋关节组件上。
进一步的，所述背部支撑设有两个，与所述安装板之间分别通过安装架连接；所述安装架与背部支撑固定连接，与所述安装板可滑动连接；所述安装板上对应所述安装架设有匹配的滑槽；两所述滑槽相互平行，之间还设有用于对所述背部支撑进行支撑的气囊。
进一步的，所述髋关节组件包括与所述连接支架连接的髋关节固定件；所述髋关节固定件的两侧分别安装有第一电机和第一扭矩传感器；所述第一扭矩传感器上设有用于安装所述大腿支架的第一法兰，与所述髋关节固定件之间通过第一减速器连接；所述第一减速器固定安装在所述髋关节固定件上，与所述第一电机对接。
进一步的，所述膝关节组件包括两个基架；两所述基架之间通过连杆机构连接；所述连杆机构呈X型排布，两端分别与两所述基架铰接。
进一步的，两所述基架远离所述连杆机构的一端还分别设有快接头；所述大腿支架和小腿支架上分别对应所述快接头设有对接槽；所述对接槽内对应所述快接头设有可相对滑动的卡头；所述卡头位于所述对接槽的一侧处，远离所述快接头的一端可转动安装有螺纹杆；所述螺纹杆贯穿所述对接槽，与所述对接槽之间通过螺纹连接。
进一步的，所述大腿支架上设有大腿绑腿和膝关节驱动组件；
所述大腿绑腿可转动安装在所述大腿支架上，用于和腿部进行固定；
所述膝关节驱动组件包括与所述大腿支架连接的基板；所述基板的两侧分别安装有第二电机和第二扭矩传感器；所述第二扭矩传感器上安装有第二法兰，与所述基板之间通过第二减速器连接；所述第二减速器固定安装在所述基板上，与所述第二电机的输出轴对接。
进一步的，所述第二法兰上还安装有摆臂；所述摆臂一端固定安装在所述第二法兰上，一端铰接有摇杆；所述摇杆远离所述摆臂的一端铰接在所述小腿支架上，用于驱动所述膝关节组件进行转动。
进一步的，所述小腿支架上还设有小腿绑腿；所述小腿绑腿可转动安装在所述小腿支架上，用于和小腿进行固定。
进一步的，所述踝关节组件包括踝关节固定件和足部连接件；所述足部连接件与踝关节固定件之间通过弹簧连接；所述弹簧内设有鱼眼轴承；所述鱼眼轴承固定安装在所述足部连接件上，所述踝关节固定件上对应所述鱼眼轴承设有匹配的对接件。
进一步的，所述足部组件包括底板；所述底板的底部设有用于防滑的橡胶板，顶部设有用于和脚部固定脚部绷带和底板脚跟。
本申请具有的优点和积极效果是：
本技术方案通过在背部组件上利用髋关节组件安装腿部组件，当佩戴者穿戴后，髋关节组件可与佩戴者的髋关节的回转中心重合，不仅舒服，还能使佩戴者的动作不受影响；而腿部组件中，大腿支架和小腿支架通过可拆卸的膝关节组件连接，根据的不同的佩戴者，可选用不同的膝关节组件，从而可适配不同的穿戴者。
附图说明
图1为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的膝关节组件的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的大腿支架的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的小腿支架的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的髋关节组件的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的背部组件的结构示意图
图7为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的踝关节组件的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的兼容性下肢外骨骼机器人的足部组件的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：100-膝关节组件；110-基架；120-连杆机构；130-快接头；131-卡头；200-大腿支架；210-大腿绑腿；220-基板；230-第二电机；231-第二减速器；240-第二法兰；250-第二扭矩传感器；251-摆臂；252-摇杆；300-小腿支架；310-小腿绑腿；400-髋关节组件；410-髋关节固定件；420-第一电机；421-第一减速器；430-第一扭矩传感器；440-第一法兰；500-背部组件；510-安装板；520-背部支撑；521-安装架；530-连接支架；531-第一编码器；532-第二编码器；540-气囊；600-踝关节组件；610-踝关节固定件；620-足部连接件；621-鱼眼轴承；630-弹簧；700-足部组件；710-中间底板；720-橡胶板；730-薄膜传感器；740-脚部绷带；750-底板脚跟。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
请参考图1-8，本实施例提供一种兼容性下肢外骨骼机器人，包括腿部组件；腿部组件一端通过髋关节组件400与背部组件500对接，一端通过踝关节组件与足部组件对接，从而形成下肢外骨骼机器人，穿戴后，可辅助佩戴者进行行走。
在一优选实施例中，腿部组件包括膝关节组件100、大腿支架200和小腿支架300；膝关节组件100可拆卸安装在大腿支架200和小腿支架300之间，根据不同的佩戴者可选用不同的膝关节组件100，可有效调节腿部组件的的长度，从而更具适配性。
优选的，膝关节组件100包括基架110和连接机构120；其中，基架110的数量为两个；两基架110之间通过连接机构120连接；连接机构120为空间四连杆机构端部分别与两个基架110对应铰接，这种空间四杆机构具有变化的旋转中心，能够模仿人体膝关节旋转中心的变化，能够做到对人体膝关节运动进行精确跟踪，能够与人体的膝关节进行完美的重合，而且这种机构具有结构比较简单、结构紧凑、运动多样、工作比较灵活、能拥有更好的承载能力，能够延长外骨骼膝关节的使用寿命，不会因膝关节处的力的多变的原因而使得膝关节过早的被破坏了，从而使膝关节组件100能够与使用者的膝部更加契合。
优选的，两基架110远离连接机构120的一端还分别设有快接头130；而大腿支架200和小腿支架300上分别对应快接头130设有匹配的对接槽；快接头130上设有卡槽，插入对接槽后，可通过卡头131进行卡接，从而形成连接。
优选的，卡头131可伸缩安装在对接槽内，位于对接槽的一侧处，其远离快接头130的一端则是可转动安装有螺纹杆；螺纹杆贯穿对接槽，且与对接槽之间通过螺纹连接，通过在外部转动螺纹杆便可有效驱动卡头131进行滑动，从而与快接头130进行对接；膝关节是人体连接大腿和小腿的重要组成部分，对于不同的人来说，膝关节部分的长短是不一样的，所以考虑能够满足不同人的需求，可拆卸更换的膝关节组件100更加具有适配性。
在一优选实施例中，背部组件500包括安装板510；安装板510一侧设有可相对滑动的背部支撑520，一侧通过连接架与髋关节组件400对接；其中，连接架包括相互铰接的两连接支架530；而两连接支架530相互远离的一端则是分别铰接在安装板510和髋关节组件400上，从而形成空间球形机构，具有三个自由度，同时，当只用这佩戴后，回转中心会与使用者的髋关节的回转中心重合。
上述结构不仅能够有效避免使用者穿戴不舒服的情况，还能满足髋关节所需的自由度；此空间球形机构的设计满足了人体髋关节的三个自由度，这三个自由度是由一个主动自由度以及两个被动自由度组成，主动自由度为髋关节在矢状面回转提供动力，配合两个被动自由度降低了结构复杂度的同时，还能够利用这种结构满足人体髋关节上下摆动，左右摆动和自身回转这三个自由度，使得使用者在佩戴外骨骼的时候髋关节能够运动的更加灵活而不会受到外骨骼阻力的限制。
与此同时，上述结构的回转中心是与人体的回转中心是处于同一轴线上，这样人体穿戴的时候髋关节处不会感觉不舒适，符合人体工程学；如果该外骨骼用于下肢有运动障碍的人身上，还能够具有协助其进行康复训练的效果。
优选的，连接支架530与安装板510的铰接处还安装有第一编码器531；第一编码器531用于检测该连接支架530的转动角度值θ1，其输出端连接有第一控制单元，而第一控制单元的输出端连接有第一报警单元；第一控制单元配置用于：
S1，接受角度值θ1；
S2，根据公式计算第一夹角θa：
θa＝θ0+θ1；
其中，θ0为当人体处于自然站立状态，连接支架530与第一方向的夹角；第一方向平行于水平平面和第一平面，第一平面垂直于第一编码器531的转轴。
S3，判断夹角θa超出第一阈值范围时，控制所述第一报警单元报警。
优选的，两连接支架530的铰接处还安装有第二编码器532；第二编码器532用于检测两连接支架530间的转动角度值θ2，其输出端连接有第二控制单元，而第二控制单元的输出端则是连接有第二报警单元；第二控制单元配置用于：
S1，接收第二角度值θ2；
S2，判断角度值θ2超出第二阈值范围时，控制第二报警单元报警。
优选的，背部支撑520共设有两个，与安装板510之间分别通过安装架521连接；安装架521与背部支撑520固定连接，与安装板510可滑动连接，滑动方向与竖直方向平行，因此，面对不同的佩戴者，可自动调节背部支撑520的位置。
优选的，安装板510上对应安装架521设有匹配的滑槽；两滑槽相互平行，之间设有用于对背部支撑520进行支撑的气囊540。
优选的，安装架521与背部支撑520之间通过弹性件连接，使背部支撑520与背部更加贴合，配合气囊540还能防止出现意外时，起不到支撑作用。
在一优选实施例中，髋关节组件400包括与连接支架530连接的髋关节固定件410；髋关节固定件410的两侧分别安装有第一电机420和第一扭矩传感器430；第一扭矩传感器430上设有用于安装大腿支架200的第一法兰440，与髋关节固定件410之间通过第一减速器421连接；第一减速器421则是固定安装在髋关节固定件410上，与第一电机420对接，当使用者佩戴后，抬动大腿时，第一扭矩传感器430便会检测到，通过处理器便可驱动第一电机420进行转动，从而便可带动大腿支架200进行转动，辅助使用者进行走路；同时，当摆动幅度达到阈值后，第一电机420便会反向转动，从而进行复位。
在一优选实施例中，大腿支架200上还设有大腿绑腿210和膝关节驱动组件；大腿绑腿210呈C型，可转动安装在大腿支架200的内侧，用于和使用者的腿部进行固定；大腿支架200与大腿绑腿210之间通过第一三维力传感器连接，因此，当使用者行走时，第一三维力传感器能够检测到大腿的行动趋势，从而驱动第一电机420辅助使用者进行行走。
优选的，膝关节驱动组件包括与大腿支架200连接的基板220；而基板220的两侧则是分别安装有第二电机230和第二扭矩传感器250；第二扭矩传感器250上安装有法兰240，与基板220之间通过第二减速器231连接；第二减速器231则是固定安装在基板220上，与第二电机230的输出轴对接。
优选的，第二法兰240上还安装有摆臂251；摆臂251一端固定安装在第二法兰250上，一端铰接有摇杆252；摇杆252远离摆臂251的一端则是铰接在小腿支架300上，用于驱动漆关节组件100进行转动；因此，当使用者抬动小腿时，第二扭矩传感器250便可检测到，通过处理器便可驱动第二电机230进行转动，从而辅助使用者抬动小腿；同时，当小腿支架300的摆动角度达到阈值后，第二电机230便会反向转动，从而带动小腿支架300进行复位。
在一优选实施例中，小腿支架300上还设有小腿绑腿310；小腿绑腿310可转动安装在小腿支架300上，且与小腿支架300之间通过第二三维力传感器连接，用于和小腿进行固定并检测小腿的运动趋向，因此，当使用者行走时，第二三维力传感器会检测到小腿的运动趋势，从而驱动第二电机230辅助使用者进行行走。
在一优选实施例中，踝关节组件600包括踝关节固定件610和足部连接件620；足部连接件620与踝关节固定件610之间通过弹簧630连接，同时弹簧630的内圈还设有鱼眼轴承621；鱼眼轴承621固定安装在足部连接件620上，而踝关节固定件610上则是对应鱼眼轴承621设有匹配的对接件。
优选的，足部组件700包括底板710；底板710的底部设有用于防滑的橡胶板720，同时，中间底板710远离橡胶板720的一侧还设有薄膜传感器730，薄膜传感器730用于检测脚部的动作，与膝关节组件100和髋关节组件400中的电机联动，当使用者正常行走时，薄膜传感器730能够检测到脚部的前脚掌和后脚更处的压力呈周期性变化，当使用者出现意外，导致压力异常时，薄膜传感器730便会通过处理器驱动第一电机420和第二电机230停止转动，从而防止再次出现意外。
优选的，中间底板710上还安装有脚部绷带740和底板脚跟750，分别用于和佩戴者的脚背和脚跟进行固定。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，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、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括腿部组件；所述腿部组件包括膝关节组件(100)、大腿支架(200)和小腿支架(300)；
所述大腿支架(200)通过髋关节组件(400)安装在背部组件(500)上；
所述小腿支架(300)上通过踝关节组件(600)安装有足部组件(700)；
所述膝关节组件(100)可拆卸安装在所述大腿支架(200)和小腿支架(300)之间，用于调节所述腿部组件的整体长度；
所述背部组件(500)包括安装板(510)；所述安装板(510)一侧设有可相对滑动的背部支撑(520)，一侧通过连接架与所述髋关节组件(400)对接；
所述连接架包括相互铰接的两连接支架(530)；两所述连接支架(530)相互远离的一端分别铰接在所述安装板(510)和髋关节组件(400)上。
2.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述背部支撑(520)设有两个，与所述安装板(510)之间分别通过安装架(521)连接；所述安装架(521)与背部支撑(520)通过弹性件连接，与所述安装板(510)可滑动连接；所述安装板(510)上对应所述安装架(521)设有匹配的滑槽；两所述滑槽相互平行，之间还设有用于对所述背部支撑(520)进行支撑的气囊(540)。
3.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节组件(400)包括与所述连接支架(530)连接的髋关节固定件(410)；所述髋关节固定件(410)的两侧分别安装有第一电机(420)和第一扭矩传感器(430)；所述第一扭矩传感器(430)上设有用于安装所述大腿支架(200)的第一法兰(440)，与所述髋关节固定件(410)之间通过第一减速器(421)连接；所述第一减速器(421)固定安装在所述髋关节固定件(410)上，与所述第一电机(420)对接。
4.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节组件(100)包括两个基架(110)；两所述基架(110)之间通过连杆机构(120)连接；所述连杆机构(120)呈X型排布，两端分别与两所述基架(110)铰接。
5.根据权利要求4所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，两所述基架(110)远离所述连杆机构(120)的一端还分别设有快接头(130)；所述大腿支架(200)和小腿支架(300)上分别对应所述快接头(130)设有对接槽；所述对接槽内对应所述快接头(130)设有可相对滑动的卡头(131)；所述卡头(131)位于所述对接槽的一侧处，远离所述快接头(130)的一端可转动安装有螺纹杆；所述螺纹杆贯穿所述对接槽，与所述对接槽之间通过螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支架(200)上设有大腿绑腿(210)和膝关节驱动组件；
所述大腿绑腿(210)可转动安装在所述大腿支架(200)上，与所述大腿支架(200)之间通过第一三维力传感器连接，用于和大腿进行固定，并检测所述大腿的运动趋向；
所述膝关节驱动组件包括与所述大腿支架(200)连接的基板(220)；所述基板(220)的两侧分别安装有第二电机(230)和第二扭矩传感器(250)；所述第二扭矩传感器(250)上安装有第二法兰(240)，与所述基板(220)之间通过第二减速器(231)连接；所述第二减速器(231)固定安装在所述基板(220)上，与所述第二电机(230)的输出轴对接。
7.根据权利要求6所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述第二法兰(240)上还安装有摆臂(251)；所述摆臂(251)一端固定安装在所述第二法兰(250)上，一端铰接有摇杆(252)；所述摇杆(252)远离所述摆臂(251)的一端铰接在所述小腿支架(300)上，用于驱动所述膝关节组件(100)进行转动。
8.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿支架(300)上还设有小腿绑腿(310)；所述小腿绑腿(310)可转动安装在所述小腿支架(300)上，与所述小腿支架(300)之间通过第二三维力传感器连接，用于和小腿进行固定并检测小腿的运动趋向。
9.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述踝关节组件(600)包括踝关节固定件(610)和足部连接件(620)；所述足部连接件(620)与踝关节固定件(610)之间通过弹簧(630)连接；所述弹簧(630)内设有鱼眼轴承(621)；所述鱼眼轴承(621)固定安装在所述足部连接件(620)上，所述踝关节固定件(610)上对应所述鱼眼轴承(621)设有匹配的对接件。
10.根据权利要求1所述的兼容性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述足部组件(700)包括中间底板(710)；所述中间底板(710)的底部设有用于防滑的橡胶板(720)，远离橡胶板(720)的一侧设有薄膜传感器(730)；所述薄膜传感器(730)与所述髋关节组件(400)和膝关节组件(100)联动，用于检测脚部的动作；所述中间底板(710)上还安装有脚部绷带(740)和底板脚跟(750)，用于和所述脚部进行固定。
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