CN116473811A - 一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体 - Google Patents

一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体 Download PDF

Info

Publication number
CN116473811A
CN116473811A CN202310470910.5A CN202310470910A CN116473811A CN 116473811 A CN116473811 A CN 116473811A CN 202310470910 A CN202310470910 A CN 202310470910A CN 116473811 A CN116473811 A CN 116473811A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spring
button
bracket
fixed
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310470910.5A
Other languages
English (en)
Inventor
周利波
沈博唯
马雨烨
陈芳
欧林林
禹鑫燚
魏岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Technology ZJUT filed Critical Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority to CN202310470910.5A priority Critical patent/CN116473811A/zh
Publication of CN116473811A publication Critical patent/CN116473811A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/005—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about with knee, leg or stump rests
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/007—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1253—Driving means driven by a human being, e.g. hand driven
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164—Feet or leg, e.g. pedal
    • A61H2201/1642—Holding means therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165—Wearable interfaces

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人，可实现“主动”，“被动”和“主被动结合”三种驱动模式切换的多模式混合驱动下肢外骨骼机器人，包括支撑穿戴组件、被动驱动组件、电机驱动组件、主被动切换组件；本发明外骨骼机器人通过一对啮合的齿轮在人体关节转动过程中拉伸弹簧，为关节转动提供力矩克服重力影响，同时在齿轮上连接盘式电机带动大腿进行运动。另外，在电机与齿轮之间添加离合机构以切换电机与齿轮之间的力矩传递模式；在弹簧机构处加入挡板开关以切换弹簧与齿轮之间的力矩传递模式。本发明多模式混合驱动的设计方案，可以实现电机主动驱动、弹簧被动驱动以及电机+弹簧主被动结合驱动三种模式切换，可根据外界环境的不同和助力需要改变驱动模式，实现高效助力。

Description

一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体
技术领域
本发明涉及应用于老年人或下肢运动功能障碍患者助力的外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体。
背景技术
在人口老龄化加剧的社会背景下，关节炎、中风等影响运动能力的老年性疾病患者数量逐渐增加。这些疾病不仅降低了患者的生活质量，也对家庭以及社会带来了各方面的负担。外骨骼机器人是一种穿戴于人体外部，融合了机械、传感、控制、信息等技术的人机电系统。外骨骼机器人可以辅助穿戴者运动或为穿戴者提供助力。通过穿戴外骨骼机器人，可以提高运动功能障碍患者的行动能力，改善患者的生活质量。随着人口老龄化加剧，外骨骼机器人具有巨大的市场前景和社会价值。
下肢外骨骼机器人通过输出辅助力矩作用于人体下肢关节来助力穿戴者行走。根据驱动方式的不同，下肢外骨骼机器人可以分为动力型下肢外骨骼、被动型下肢外骨骼和准被动型下肢外骨骼。动力型下肢外骨骼机器人助力效果直观有效，但由于附加了电机和电池等装置，使得整体质量较大，耗能较多，续航能力和机动性能受到限制。被动型下肢外骨骼利用弹性元件在行走过程中储藏和释放辅助力矩来助力行走。由于不需要电机和电池等装置，外骨骼整体质量较低，且不受续航时间的限制。但由于被动型下肢外骨骼缺乏主动控制，助力效果欠佳。为了克服上述两种外骨骼存在的缺陷，一些研究者提出了准被动型下肢外骨骼，所谓准被动下肢外骨骼，就是被动型外骨骼加上传感器及其他一些状态切换开关。控制元件可用普通电池供能，但是系统的主要驱动力仍由人自身提供并通过机构完成。这样的准被动外骨骼既具有被动型的轻巧和随动性，又具有动力型外骨骼的部分灵活性。然而，准被动下肢外骨骼的助力方式主要靠机构自身的弹性系统来完成，虽然可以通过状态切换开关进行参数调整，但相对于动力型外骨骼，调整灵活度比较有限。因此，设计一款多模式混合驱动的下肢外骨骼，能根据外界环境的变化和穿戴者的需求实现“电机主动驱动助力”，“弹簧被动驱动助力”和“电机+弹簧主被动结合驱动助力”三种模式切换的多模式混合驱动下肢外骨骼机器人对提高其助力性能具有重要的意义。
发明内容
针对于现有的下肢外骨骼机器人存在工作模式单一，助力效率，安全性，随动性和续航时间难以兼顾的问题，本发明设计了一种结构紧凑、可实现“主动”，“被动”和“主被动结合”三种驱动模式切换的多模式混合驱动下肢外骨骼机器人。本发明外骨骼机器人通过一对啮合的齿轮在人体关节转动过程中拉伸弹簧，为关节转动提供辅助力矩，同时在齿轮上连接盘式电机，输入力矩带动大腿进行运动。在此结构的基础上在电机与齿轮之间添加离合机构，切换电机与齿轮之间的力矩传递模式，此外在弹簧机构处加入一个挡板开关，切换弹簧与齿轮之间的力矩传递模式，实现多模式的切换。本发明提供一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体。
本发明采用的技术方案是：一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人，包括支撑穿戴组件、被动驱动组件、电机驱动组件、主被动切换组件；
支撑穿戴组件包括腰部支撑件(3)、绑带1(1)和绑带2(2)，腰部支撑件(3)下端设有腰部连接件(4)；腰部连接件(4)的两侧分别设有后连接片1(5)和后连接片2(12)，后连接片1(5)、后连接片2(12)另一端分别与前连接片1(6)、前连接片2(8)固定；绑带1(1)一段穿过前连接片1(6)上端孔位，另一端穿过腰部连接件(4)一侧上端孔位；绑带2(2)与绑带1(1)交叉，一段穿过前连接片2(8)上端孔位，另一端穿过腰部连接件(4)另一侧上端孔位；前连接片1(6)上的孔位与前连接片2(8)的孔位之间连接有前绑带(7)；后连接片2(12)一端设有托架(11)，托架(11)上通过支撑轴(41)连接大腿直板(14)；大腿直板(14)背面一侧设有外壳连接件(37)，外壳连接件(37)与外壳(9)连接，外壳(9)通过外壳连接件(37)固定在大腿直板(41)上；大腿直板(14)上连接有大腿连接件(15)，大腿连接件(15)另一面与大腿支撑件(10)连接；
所述被动驱动组件包括摇杆(30)、轴承4(58)、摇杆柄(16)、轴承3(57)、直线轴承1(67)，摇杆(30)固定在电机轴(17)的一端与托架(11)相连；轴承4(58)、摇杆柄(16)与轴承3(57)依次套在摇杆(30)另一端通过轴承端盖(29)固定；摇杆柄(16)与连接杆(31)一端连接，摇杆柄(16)另一端穿过直线轴承1(67)、弹簧前端支架端盖(66)与弹簧前端支架(33)；直线轴承1(67)通过弹簧前端支架端盖(66)固定于弹簧前端支架(33)上端；滑块垫块(68)固定于弹簧前端支架(33)下端；弹簧前端支架(33)固定于滑块1(43)表面；滑块1(43)与滑轨1(20)配合；滑轨1(20)固定于大腿直板(14)中部对应孔位；弹簧1(19)一端穿过弹簧前端支架(33)一侧通过弹簧端盖1(18)固定，另一端穿过弹簧后端支架(22)一侧通过弹簧滑动端盖(23)固定；弹簧2(36)一端穿过弹簧前端支架(33)一侧通过弹簧端盖2(34)固定，另一端穿过弹簧后端支架(22)一侧通过弹簧端盖3(72)固定；弹簧后端支架(22)旋在丝杆(26)上；弹簧滑动端盖(23)固定于滑块2(24)表面；滑块2(24)与滑轨2(25)配合；滑轨2(25)固定于大腿直板(14)一侧对应孔位；丝杆(26)一端穿过轴承1(69)与丝杆前端支架(21)相连，另一端穿过轴承2(70)与丝杆后端支架(27)相连；丝杆前端支架(21)与丝杆后端支架(27)固定于大腿直板(14)对应孔位；预紧力调节扳手(28)固定于丝杆(26)末端；
所述电机驱动组件包括支撑轴端盖(42)、轴承5(62)、轴承6(63)、支撑轴(41)；支撑轴(41)穿过轴承6(63)放置在托架(11)下方孔位；支撑轴端盖穿过轴承5(62)与支撑轴(41)配合；大腿直板(14)固定在支撑轴(41)另一侧；内齿条(38)与大腿直板(14)上方对应孔位配合；齿轮1(39)固定在电机轴(17)一侧，同时电机轴(17)另一侧穿过大腿直板(14)中间空隙、轴承7(59)以及托架(11)中间孔位与摇杆(30)下方孔位配合；内齿轮1(40)与齿轮1(39)通过对应孔位固定；卡簧(64)固定在直线轴承2(60)对应槽位；齿轮2(53)套在直线轴承(60)上与卡簧(64)一侧贴合；中间轮(50)套在直线轴承(60)上与卡簧(64)另一侧贴合；齿轮3(61)套在直线轴承(60)上与中间轮(50)贴合；齿轮2(53)、中间轮(50)与齿轮3(61)三者通过对应孔位配合配合；电机支架(46)通过上方孔位与托架(11)固定；电机(13)通过对应孔位固定在电机支架(46)上；电机轴连接板(49)与电机(13)输出轴配合；轴承8(65)放置于电机轴连接板(49)中间孔位；垫圈(51)与内齿轮2(52)依次按照对应孔位固定在电机轴连接板(49)上；
所述主被动切换组件包括主动切换组件与被动切换组件，所述主备切换组件由按钮支架(44)、小弹簧1(74)、小弹簧2(75)、拨片载件(76)、按钮1(77)、按钮柄1(48)、按钮外壳1(78)、按钮外壳2(45)、拨片(47)组成，其中小弹簧1(74)和小弹簧2(75)结构相同；按钮支架(44)通过对应孔位配合固定在电机支架(46)；按钮外壳1(78)与按钮外壳2(45)配合，通过底部孔位配合固定在按钮支架(44)上；拨片(47)置于齿轮1(39)与中间轮(50)之间，上端穿过电机支架(46)中间孔位与拨片载件(76)配合；小弹簧1(74)与小弹簧2(75)套在拨片载件(76)对应凸起，安置于按钮外壳1(78)与按钮外壳2(45)配合的腔中；按钮1(77)置于按钮外壳1(78)与按钮外壳2(45)配合的圆柱体中，下方贴合拨片载件(76)背面；按钮柄1(48)安装于按钮1(77)上端；
所述被动切换组件包括小弹簧3(32)、小弹簧4(79)、直线轴承3(70)、直线轴承4(71)、按钮外壳3(73)、按钮外壳4(54)、挡块(35)、按钮柄2(56)、按钮2(55)；直线轴承3(70)与直线轴承4(71)置于大腿直板(14)对应孔位中；按钮外壳3(73)与按钮外壳4(54)配合，通过底部孔位配合固定在大腿直板(14)上；挡块(35)下端穿过直线轴承3(70)与直线轴承4(71)，上端贴合按钮2(55)；小弹簧3(32)与小弹簧4(54)套在挡块(35)对应凸起，安置于按钮外壳3(73)与按钮外壳4(54)配合的腔中；按钮2(55)置于按钮外壳3(73)与按钮外壳4(54)配合的圆柱体中；按钮柄2(56)安装于按钮2(5S)上端；外骨骼机器人包括纯被动模式和纯主动模式。
进一步，外骨骼机器人在纯被动模式下，即松开按钮1(77)与按钮2(S5)时，按下按钮1(77)卡入槽位时，拨片(47)向左移动，带动齿轮2(53)向右运动与内齿轮1(40)啮合，齿轮3(61)与内齿轮2(52)仍保持啮合，此时电机(13)输出力矩可通过啮合的齿轮传递力矩至齿轮1(39)作用于大腿直板(14)的转动，此时电机(14)为大腿转动提供电机辅助力矩，进入主被动混合驱动模式；旋出按钮1(77)时，小弹簧推动拨片载件(76)向右运动，拨片(47)带动齿轮2(53)向右运动，与内齿轮1(40)脱开，此时电机力矩无法提供辅助力矩，进入纯被动驱动模式。
进一步，外骨骼机器人在纯主动模式下，即旋入按钮1(77)与按钮2(55)时，将大腿直板(14)处于竖直状态旋出按钮2(5S)，小弹簧推动挡块(35)向右运动，挡块(35)收回至大腿直板(14)内，滑块1(43)恢复自由度，弹簧可形变提供辅助力矩，此时进入主被动模式。将大腿直板(14)处于竖直状态按下按钮2(55)卡入槽位时，挡块(35)穿过大腿直板(14)抵住滑块1(43)；大腿直板(14)转动，齿轮1(39)由于与固定于大腿直板上的内齿条(38)啮合，也转过一定角度，带动摇杆(30)上的连接杆(31)移动，由于滑块1(43)无法运动，连接杆(31)脱开弹簧前端支架(33)运动，弹簧不发生形变，此时弹簧不提供辅助力矩，进入纯电机驱动模式。
本发明的有益效果是：1)本发明采用多模式混合驱动的设计方案，该机构设计有主被动切换机构，可以实现电机主动驱动、弹簧被动驱动以及电机+弹簧主被动结合驱动三种模式切换，可根据外界环境的不同和助力需要改变驱动模式，可适应于多种应用场景，具有巨大的实用价值。
2)本发明调节至弹簧被动驱动模式时，可在能源耗尽或是需要节省能源时利用弹簧机构提供辅助力矩，助力人体行走。
3)本发明调节至电机主动驱动模式时，可用于上下坡等崎岖地形快速行走时弹簧难以提供合适助力的情况下，通过控制电机按照预先设定的人体行走轨迹进行助力。
4)本发明调节至电机+弹簧主被动结合的驱动模式时，主要用于平地行走时实现高效助力，利用被动部分的弹簧在关节转动过程中提供辅助力矩来克服下肢外骨骼重力力矩，减小电机所需要提供的力矩，提高续航能力的同时提高助力效率。
5)本发明将弹簧内置，并通过一对拟合的齿轮在旋转过程中压缩弹簧，同时电机力矩输入也作用于该对齿轮上，使整体结构更加紧凑的同时也能合理地提供助力，减小了整体的体积。
附图说明
图1是本发明多模式混合驱动下肢外骨骼的结构图
图2是本发明多模式混合驱动下肢外骨骼的另一视角结构图
图3是本发明多模式混合驱动下肢外骨骼的另一视角结构图
图4是本发明电机驱动部分的机构图
图5是本发明被动驱动部分的结构图
图6是本发明主动切换部分的结构图
图7是本发明被动驱动部分的结构图
图8是本发明主动切换模式的示意图
图9是本发明主动切换模式的原理图
图10是本发明被动切换模式的示意图
图11是本发明被动切换模式的原理图
附图标记说明：
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1-3所示，一种多模式混合驱动下肢外骨骼，包括有支撑穿戴组件、被动驱动组件、电机驱动组件、主被动切换组件；
参见图1所示，支撑穿戴组件主要由绑带11、绑带22、腰部支撑件3、腰部连接件4、后连接片15、前连接片16、前绑带7、前连接片28、后连接片212、大腿支撑件10、大腿连接件15、大腿直板14、托架11、外壳9、外壳连接件37组成，其中绑带11、绑带22结构相同，后连接件15、后连接件212结构相同，前连接片16、前连接片28结构相同；
腰部连接件4的两侧分别设有后连接片15和后连接片212，后连接片15、后连接片212另一端分别与前连接片16、前连接片28固定；绑带11一段穿过前连接片16上端孔位，另一端穿过腰部连接件4一侧上端孔位；绑带22与绑带11交叉，一段穿过前连接片28上端孔位，另一端穿过腰部连接件4另一侧上端孔位；前连接片16上的孔位与前连接片28的孔位之间连接有前绑带7；后连接片212一端设有托架11，托架11上通过支撑轴41连接大腿直板14；大腿直板14背面一侧设有外壳连接件37，外壳连接件37与外壳9连接，外壳9通过外壳连接件37固定在大腿直板41上；大腿直板14上连接有大腿连接件15，大腿连接件15另一面与大腿支撑件10连接；
参见图5所示，被动驱动组件主要由摇杆端盖29、摇杆柄16、弹簧端盖118、弹簧119、滑轨120、丝杆前端支架21、弹簧后端支架22、弹簧滑动端盖23、滑块224、滑轨225、丝杆26、丝杆后端支架27、预紧力调节扳手28、摇杆30、连接杆31、弹簧前端支架33、弹簧端盖234、弹簧236、滑块143、弹簧前端支架端盖66、直线轴承167、滑块垫块68、轴承169、轴承270、弹簧端盖372、轴承357、轴承458组成，其中弹簧119与弹簧236结构相同，弹簧端盖118、弹簧端盖234与弹簧端盖372结构相同，滑块143与滑块224结构相同，轴承357与轴承458结构相同；
摇杆30固定在电机轴17的一端与托架11相连，轴承458、摇杆柄16与轴承357依次套在摇杆30另一端通过轴承端盖29固定，摇杆柄16可绕摇杆顶端突出部分旋转。连接杆31一端与摇杆柄16连接，另一端穿过直线轴承167、弹簧前端支架端盖66与弹簧前端支架33，直线轴承167通过弹簧前端支架端盖66固定于弹簧前端支架33上端，连接杆31可相对于弹簧前端支架33进行轴向运动。滑块垫块68固定于弹簧前端支架33下端，弹簧前端支架33固定于滑块143表面，滑块143与滑轨120配合，滑块143可沿滑轨120运动，滑轨120固定于大腿直板14中部对应孔位。弹簧119一端穿过弹簧前端支架33一侧通过弹簧端盖118固定，另一端穿过弹簧后端支架22一侧通过弹簧滑动端盖23固定。弹簧236一端穿过弹簧前端支架33一侧通过弹簧端盖234固定，另一端穿过弹簧后端支架22一侧通过弹簧端盖372固定。弹簧后端支架22旋在丝杆26上，弹簧后端支架22螺纹与丝杆26配合。弹簧滑动端盖23固定于滑块224表面，滑块224与滑轨225配合，滑轨225固定于大腿直板14一侧对应孔位。丝杆26一端穿过轴承169与丝杆前端支架21相连，另一端穿过轴承270与丝杆后端支架27相连。丝杆前端支架21与丝杆后端支架27固定于大腿直板14对应孔位。预紧力调节扳手28固定于丝杆26末端，可旋转调节丝杆后端支架27位置，调节弹簧119与弹簧236的预紧力。
参见图5所示，电机驱动部分由支撑轴端盖42、轴承562、轴承663、支撑轴41、电机轴17、轴承759、内齿条38、齿轮139、内齿轮140、齿轮253、中间轮50、卡簧64、直线轴承260、齿轮361、内齿轮252、垫圈51、轴承865、电机轴连接板49、电机支架46、电机13组成；
支撑轴41穿过轴承663放置在托架11下方孔位，支撑轴端盖42穿过轴承562与支撑轴41配合，支撑轴41可绕轴旋转。大腿直板14固定在支撑轴41另一侧，大腿直板14可绕支撑轴旋转。内齿条38与大腿直板14上方对应孔位配合。齿轮139固定在电机轴17一侧，同时电机轴(17)另一侧穿过大腿直板14中间空隙、轴承759以及托架11中间孔位与摇杆30下方孔位配合。内齿轮140与齿轮139通过对应孔位固定。卡簧64固定在直线轴承260对应槽位，齿轮253套在直线轴承60上与卡簧64一侧贴合，中间轮50套在直线轴承60上与卡簧64另一侧贴合，齿轮361套在直线轴承60上与中间轮50贴合，齿轮253、中间轮50与齿轮361三者通过对应孔位配合配合，三者可沿电机轴作轴向运动。电机支架46通过上方孔位与托架11固定，电机13通过对应孔位固定在电机支架46上。电机轴连接板49与电机13输出轴配合。轴承865放置于电机轴连接板49中间孔位。垫圈51与内齿轮252依次按照对应孔位固定在电机轴连接板49上。
主被动切换组件分为两部分：主动切换组件与被动切换组件。参见图6所示，主动切换组件由按钮支架44、小弹簧174、小弹簧275、拨片载件76、按钮177、按钮柄148、按钮外壳178、按钮外壳245、拨片47组成，其中小弹簧174和小弹簧275结构相同。
按钮支架44通过对应孔位配合固定在电机支架46。按钮外壳178与按钮外壳245配合，通过底部孔位配合固定在按钮支架44上。拨片47置于齿轮139与中间轮50之间，上端穿过电机支架46中间孔位与拨片载件76配合，拨片47可推动中间轮50运动。小弹簧174与小弹簧275套在拨片载件76对应凸起，安置于按钮外壳178与按钮外壳245配合的腔中，帮助拨片载体76进行复位。按钮177置于按钮外壳178与按钮外壳245配合的圆柱体中，下方贴合拨片载件76背面，按钮177可按外壳槽位进行运动。按钮柄148安装于按钮177上端。
被动切换组件由小弹簧332、小弹簧479、直线轴承370、直线轴承471、按钮外壳373、按钮外壳454、挡块35、按钮柄256、按钮255组成；
直线轴承370与直线轴承471置于大腿直板14对应孔位中。按钮外壳373与按钮外壳454配合，通过底部孔位配合固定在大腿直板14上。挡块35下端穿过直线轴承370与直线轴承471，上端贴合按钮255，按钮255可推动挡块35进行直线运动穿过大腿直板14。小弹簧332与小弹簧454套在挡块35对应凸起，安置于按钮外壳373与按钮外壳454配合的腔中，帮助挡块35进行复位.按钮255置于按钮外壳373与按钮外壳454配合的圆柱体中，按钮255可按外壳槽位进行运动。按钮柄256安装于按钮255上端。
具体的工作原理为：
本发明的主动切换模式参见图8所示，图8a为电机不提供辅助力矩的状态，此时在小弹簧174与小弹簧75的作用下，拨片载件76与拨片47处于最右端。拨片47推动下方整体处于最右端，齿轮361完全与内齿轮255啮合，而齿轮253与内齿轮140脱开，电机13力矩仅传达到齿轮253，不作用于齿轮139。此时的轮系示意图可参见图9a所示。
图8b为电机提供辅助力矩的状态，按下按钮柄148并旋入槽中，此时拨片载体76与拨片47处于最左端。拨片47推动下方整体向左边运动，齿轮361仍与内齿轮255啮合，而齿轮253也与内齿轮140啮合，电机13力矩传达到齿轮253通过与其啮合的内齿条38作用于大腿直板14上。此时的轮系示意图可参见图9b所示。
本发明的被动切换模式参见图10所示。图10a为弹簧提供驱动力的状态，此时在小弹簧332与小弹簧479的作用下，挡块35处于最右端且不穿过大腿直板14，滑块143可以沿滑轨120滑动。参见图11a与图11c，图11a为初始状态，图11c为大腿转动时，带动大腿直板14与固定于其上面的内齿条38随之转动，内齿条38啮合的齿轮139也随之转动，带动摇杆30与固定于其上的连接杆31运动，随连接杆31运动的弹簧前端支架43运动，其上的弹簧119、弹簧236形变提供辅助力矩给齿轮139，提供大腿转动辅助力矩。
图10b为弹簧不提供驱动力的状态，下按钮柄256并旋入槽中，此时挡块35向左运动穿过大腿直板14，抵住滑块垫块68下端，滑块143不可沿滑轨120的相对滑动。参见图11b，大腿转动时，由于固定在滑块143上的弹簧前端支架43受挡块35阻碍不可移动，此时连接杆31脱出弹簧前端支架43运动，挂在弹簧前端支架43上的弹簧119、弹簧236无法形变，不传递弹簧力至摇杆30，弹簧不为大腿转动提供辅助力矩。
本发明的运动过程如下：
当穿戴者调节至弹簧被动驱动，即松开按钮177与按钮255时，穿戴者摆动大腿，带动大腿直板14转动，齿轮139由于与固定于大腿直板上的内齿条38啮合，也转过一定角度，带动摇杆30上的连接杆31移动，带动其上的弹簧形变，提供弹簧力作用于齿轮139，辅助大腿进行摆动。当穿戴者按下按钮177卡入槽位时，拨片47向左移动，带动齿轮253向右运动与内齿轮140啮合，齿轮361与内齿轮252仍保持啮合，此时电机13输出力矩可通过啮合的齿轮传递力矩至齿轮139作用于大腿直板14的转动，此时电机14为大腿转动提供电机辅助力矩，进入电机+弹簧主被动结合驱动。穿戴者旋出按钮177时，小弹簧推动拨片载件76向右运动，拨片47带动齿轮253向右运动，与内齿轮140脱开，此时电机力矩无法提供辅助力矩，进入弹簧被动驱动。当穿戴者处于直立状态按下按钮255卡入槽位时，挡块35穿过大腿直板14抵住滑块143。穿戴者转动大腿，带动大腿直板14转动，齿轮139由于与固定于大腿直板上的内齿条38啮合，也转过一定角度，带动摇杆30上的连接杆31移动，由于滑块143无法运动，连接杆31脱开弹簧前端支架33运动，弹簧不发生形变，此时弹簧不提供辅助力矩，进入电机主动驱动。当穿戴者旋出按钮255时，小弹簧推动挡块35向右运动，挡块35收回至大腿直板14内，滑块143恢复自由度，弹簧可形变提供辅助力矩，此时又进入弹簧被动驱动。穿戴者可根据需求调节按钮的状态进入不同的工作模式。
本发明是一种应用于下肢助力的多模式混合驱动下肢外骨骼，所要解决的问题是如何高效的为穿戴者提供行走助力的技术问题，本发明采用多模式切换的方式，穿戴者可根据使用场景需要，调节外骨骼至“弹簧被动驱动”、“电机主动驱动”或“电机+弹簧主被动结合驱动”。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括支撑穿戴组件、被动驱动组件、电机驱动组件、主被动切换组件；
支撑穿戴组件包括腰部支撑件(3)、绑带1(1)和绑带2(2)，腰部支撑件(3)下端设有腰部连接件(4)；腰部连接件(4)的两侧分别设有后连接片1(5)和后连接片2(12)，后连接片1(5)、后连接片2(12)另一端分别与前连接片1(6)、前连接片2(8)固定；绑带1(1)一段穿过前连接片1(6)上端孔位，另一端穿过腰部连接件(4)一侧上端孔位；绑带2(2)与绑带1(1)交叉，一段穿过前连接片2(8)上端孔位，另一端穿过腰部连接件(4)另一侧上端孔位；前连接片1(6)上的孔位与前连接片2(8)的孔位之间连接有前绑带(7)；后连接片2(12)一端设有托架(11)，托架(11)上通过支撑轴(41)连接大腿直板(14)；大腿直板(14)背面一侧设有外壳连接件(37)，外壳连接件(37)与外壳(9)连接，外壳(9)通过外壳连接件(37)固定在大腿直板(41)上；大腿直板(14)上连接有大腿连接件(15)，大腿连接件(15)另一面与大腿支撑件(10)连接；
所述被动驱动组件包括摇杆(30)、轴承4(58)、摇杆柄(16)、轴承3(57)、直线轴承1(67)，摇杆(30)固定在电机轴(17)的一端与托架(11)相连；轴承4(58)、摇杆柄(16)与轴承3(57)依次套在摇杆(30)另一端通过轴承端盖(29)固定；摇杆柄(16)与连接杆(31)一端连接，摇杆柄(16)另一端穿过直线轴承1(67)、弹簧前端支架端盖(66)与弹簧前端支架(33)；直线轴承1(67)通过弹簧前端支架端盖(66)固定于弹簧前端支架(33)上端；滑块垫块(68)固定于弹簧前端支架(33)下端；弹簧前端支架(33)固定于滑块1(43)表面；滑块1(43)与滑轨1(20)配合；滑轨1(20)固定于大腿直板(14)中部对应孔位；弹簧1(19)一端穿过弹簧前端支架(33)一侧通过弹簧端盖1(18)固定，另一端穿过弹簧后端支架(22)一侧通过弹簧滑动端盖(23)固定；弹簧2(36)一端穿过弹簧前端支架(33)一侧通过弹簧端盖2(34)固定，另一端穿过弹簧后端支架(22)一侧通过弹簧端盖3(72)固定；弹簧后端支架(22)旋在丝杆(26)上；弹簧滑动端盖(23)固定于滑块2(24)表面；滑块2(24)与滑轨2(25)配合；滑轨2(25)固定于大腿直板(14)一侧对应孔位；丝杆(26)一端穿过轴承1(69)与丝杆前端支架(21)相连，另一端穿过轴承2(70)与丝杆后端支架(27)相连；丝杆前端支架(21)与丝杆后端支架(27)固定于大腿直板(14)对应孔位；预紧力调节扳手(28)固定于丝杆(26)末端；
所述电机驱动组件包括支撑轴端盖(42)、轴承5(62)、轴承6(63)、支撑轴(41)；支撑轴(41)穿过轴承6(63)放置在托架(11)下方孔位；支撑轴端盖穿过轴承5(62)与支撑轴(41)配合；大腿直板(14)固定在支撑轴(41)另一侧；内齿条(38)与大腿直板(14)上方对应孔位配合；齿轮1(39)固定在电机轴(17)一侧，同时电机轴(17)另一侧穿过大腿直板(14)中间空隙、轴承7(59)以及托架(11)中间孔位与摇杆(30)下方孔位配合；内齿轮1(40)与齿轮1(39)通过对应孔位固定；卡簧(64)固定在直线轴承2(60)对应槽位；齿轮2(53)套在直线轴承(60)上与卡簧(64)一侧贴合；中间轮(50)套在直线轴承(60)上与卡簧(64)另一侧贴合；齿轮3(61)套在直线轴承(60)上与中间轮(50)贴合；齿轮2(53)、中间轮(50)与齿轮3(61)三者通过对应孔位配合配合；电机支架(46)通过上方孔位与托架(11)固定；电机(13)通过对应孔位固定在电机支架(46)上；电机轴连接板(49)与电机(13)输出轴配合；轴承8(65)放置于电机轴连接板(49)中间孔位；垫圈(51)与内齿轮2(52)依次按照对应孔位固定在电机轴连接板(49)上；
所述主被动切换组件包括主动切换组件与被动切换组件，所述主备切换组件由按钮支架(44)、小弹簧1(74)、小弹簧2(75)、拨片载件(76)、按钮1(77)、按钮柄1(48)、按钮外壳1(78)、按钮外壳2(45)、拨片(47)组成，其中小弹簧1(74)和小弹簧2(75)结构相同；按钮支架(44)通过对应孔位配合固定在电机支架(46)；按钮外壳1(78)与按钮外壳2(45)配合，通过底部孔位配合固定在按钮支架(44)上；拨片(47)置于齿轮1(39)与中间轮(50)之间，上端穿过电机支架(46)中间孔位与拨片载件(76)配合；小弹簧1(74)与小弹簧2(75)套在拨片载件(76)对应凸起，安置于按钮外壳1(78)与按钮外壳2(45)配合的腔中；按钮1(77)置于按钮外壳1(78)与按钮外壳2(45)配合的圆柱体中，下方贴合拨片载件(76)背面；按钮柄1(48)安装于按钮1(77)上端；
所述被动切换组件包括小弹簧3(32)、小弹簧4(79)、直线轴承3(70)、直线轴承4(71)、按钮外壳3(73)、按钮外壳4(54)、挡块(35)、按钮柄2(56)、按钮2(55)；直线轴承3(70)与直线轴承4(71)置于大腿直板(14)对应孔位中；按钮外壳3(73)与按钮外壳4(54)配合，通过底部孔位配合固定在大腿直板(14)上；挡块(35)下端穿过直线轴承3(70)与直线轴承4(71)，上端贴合按钮2(55)；小弹簧3(32)与小弹簧4(54)套在挡块(35)对应凸起，安置于按钮外壳3(73)与按钮外壳4(54)配合的腔中；按钮2(55)置于按钮外壳3(73)与按钮外壳4(54)配合的圆柱体中；按钮柄2(56)安装于按钮2(55)上端；外骨骼机器人包括纯被动模式和纯主动模式。
2.根据权利要求1所述的多模式混合驱动下肢外骨骼机器人，其特征在于：外骨骼机器人在纯被动模式下，即松开按钮1(77)与按钮2(55)时，按下按钮1(77)卡入槽位时，拨片(47)向左移动，带动齿轮2(53)向右运动与内齿轮1(40)啮合，齿轮3(61)与内齿轮2(52)仍保持啮合，此时电机(13)输出力矩可通过啮合的齿轮传递力矩至齿轮1(39)作用于大腿直板(14)的转动，此时电机(14)为大腿转动提供电机辅助力矩，进入主被动混合驱动模式；旋出按钮1(77)时，小弹簧推动拨片载件(76)向右运动，拨片(47)带动齿轮2(53)向右运动，与内齿轮1(40)脱开，此时电机力矩无法提供辅助力矩，进入纯被动驱动模式。
3.根据权利要求1所述的多模式驱动下肢外骨骼机器人，其特征在于：外骨骼机器人在纯主动模式下，即旋入按钮1(77)与按钮2(55)时，将大腿直板(14)处于竖直状态旋出按钮2(S5)，小弹簧推动挡块(35)向右运动，挡块(35)收回至大腿直板(14)内，滑块1(43)恢复自由度，弹簧可形变提供辅助力矩，此时进入主被动模式。将大腿直板(14)处于竖直状态按下按钮2(SS)卡入槽位时，挡块(35)穿过大腿直板(14)抵住滑块1(43)；大腿直板(14)转动，齿轮1(39)由于与固定于大腿直板上的内齿条(38)啮合，也转过一定角度，带动摇杆(30)上的连接杆(31)移动，由于滑块1(43)无法运动，连接杆(31)脱开弹簧前端支架(33)运动，弹簧不发生形变，此时弹簧不提供辅助力矩，进入纯电机驱动模式。
CN202310470910.5A 2023-04-25 2023-04-25 一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体 Pending CN116473811A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310470910.5A CN116473811A (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310470910.5A CN116473811A (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116473811A true CN116473811A (zh) 2023-07-25

Family

ID=87211620

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310470910.5A Pending CN116473811A (zh) 2023-04-25 2023-04-25 一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116473811A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109172289B (zh) 基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法
CN109223456B (zh) 一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统
CN103892943B (zh) 主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼
CN111481402A (zh) 基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法
CN106943278A (zh) 中央驱动式下肢外骨骼机器人
CN111168648B (zh) 一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人
CN110480621B (zh) 一种步速可调步距自适应的穿戴式助力行走装置
CN111467193A (zh) 一种可作机械限位的床旁下肢康复训练机器人
CN110292507A (zh) 一种踝关节助力外骨骼
CN109044742B (zh) 一种康复型下肢外骨骼
CN109498373B (zh) 可穿戴式手部康复机器人
CN109262594B (zh) 一种助力外骨骼髋关节结构
CN112773661B (zh) 一种外骨骼食指功能康复机器人
CN114474021A (zh) 一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼机器人
CN111759682B (zh) 一种无动力人体下肢助力外骨骼装置
CN116473811A (zh) 一种多模式混合驱动下肢外骨骼机器人结构体
CN112451318B (zh) 一种基于滑块传动的助力行走装置
CN212756393U (zh) 一种被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼
CN113545958A (zh) 一种肩关节康复机器人
CN210589274U (zh) 一种步速可调步距自适应的穿戴式助力行走装置
CN202122682U (zh) 按摩头盔
CN215789841U (zh) 一种外骨骼腰宽调整机构及外骨骼系统
CN113520786B (zh) 一种穿戴式下肢外骨骼辅助行走机器人
CN212997329U (zh) 一种可作机械限位的床旁下肢康复训练机器人
CN213218751U (zh) 一种康复外骨骼机器人

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination