CN117124298A - 一种单电机柔性助行外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明申请属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种单电机柔性助行外骨骼，包括绑缚组件、驱动装置，以及联动装置。本申请中，通过控制单元根据人体关节运动状态控制单个电机的正反转以及左膝夹具、右膝夹具之间的配合，分别带动正向绕线轮组和反向绕线轮组转动，对分别对应左腿和右腿的左腿驱动线和右腿驱动线进行旋转回收，进而分别牵引左膝夹具和右膝夹具，实现驱动外骨骼的双腿完成整个步态行走周期。通过这种方式，可以实现仅使用单个电机同时控制两条腿，并且简化了外骨骼的机械结构，降低制造和维护成本。

Description

一种单电机柔性助行外骨骼

【技术领域】

本申请属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种单电机柔性助行外骨骼。

【背景技术】

在现代社会中，随着科技的不断发展，外骨骼机器人技术在日常生活、工业生产、医疗护理等领域得到了广泛的应用，外骨骼根据使用材料可分为刚性和柔性外骨骼，其中刚性外骨骼具有设计方便、易于控制、辅助效果强等特点，但其同时也存在机体笨重、舒适感低的问题，且容易对人体造成二次伤害，而柔性外骨骼具有整体质量轻、穿戴体验好、制造成本相对较低的特点，且没有刚性材料的约束，为穿戴者提供了极大的灵活性，柔性外骨骼在步态控制方面通常采用一个电机控制一条腿的方法。这种方法会增加外骨骼的制造成本和维护成本，且该外骨骼机器人使用了多个电机，结构复杂，整机质量较大。

【发明内容】

为了解决现有技术中柔性外骨骼采用一个电机控制一条腿的方法，会导致机器人的制造成本和维护成本增加的问题，本申请提供了一种单电机柔性助行外骨骼。

本申请是通过以下技术方案实现的：

一种单电机柔性助行外骨骼，包括：

绑缚组件，所述绑缚组件包括用于绑缚在人体腰部的腰部绑缚件、用于绑缚在人体左大腿的左大腿绑缚件，以及用于绑缚在人体右大腿的右大腿绑缚件；

驱动装置，所述驱动装置设于所述腰部绑缚件上，所述驱动装置包括能够正反方向转动的电机、叠设于所述电机输出端上的正向绕线轮组和反向绕线轮组、首端绕设于所述正向绕线轮组上的右腿驱动线，以及首端绕设于所述反向绕线轮组上的左腿驱动线；

联动装置，所述联动装置包括设于所述左大腿绑缚件上的左膝夹具、设于所述右大腿绑缚件上的右膝夹具，以及分别与所述左腿驱动线的末端和所述右腿驱动线的末端连接的两个收线装置，所述左膝夹具供所述左腿驱动线穿过，所述右膝夹具供所述右腿驱动线穿过。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述绑缚组件还包括用于绑缚在人体左小腿的左小腿绑缚件，以及用于绑缚在人体右小腿的右小腿绑缚件，所述联动装置还包括设于所述左小腿绑缚件上的左踝夹具，以及设于所述右小腿绑缚件上的右踝夹具，所述左踝夹具供所述左腿驱动线穿过，所述右踝夹具供所述右腿驱动线穿过。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，当所述电机正转，且所述右膝夹具放开以及所述右踝夹具夹紧时，所述右腿驱动线对所述右踝夹具施加牵引力；当所述电机正转，且所述右膝夹具夹紧以及所述右踝夹具放开时，所述右腿驱动线对所述右膝夹具施加牵引力；当所述电机反转，且所述左膝夹具放开以及所述左踝夹具夹紧时，所述左腿驱动线对所述左踝夹具施加牵引力；当所述电机反转，且所述左膝夹具夹紧以及所述左踝夹具放开时，所述左腿驱动线对所述左膝夹具施加牵引力。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述左膝夹具、所述右膝夹具、所述左踝夹具以及所述右踝夹具均包括舵机、固定件、与所述固定件滑动连接的夹紧件、与所述舵机输出端连接的齿轮，以及设于所述夹紧件上并与所述齿轮啮合的齿条，所述左腿驱动线或所述右腿驱动线位于所述固定件与所述夹紧件之间，所述齿轮正向转动从而带动所述夹紧件往靠近所述固定件方向移动以夹紧所述左腿驱动线或所述右腿驱动线，所述齿轮反向转动从而带动所述夹紧件往远离所述固定件方向移动以放开所述左腿驱动线或所述右腿驱动线。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述夹紧件上设有凸块，所述固定件上设有对应所述凸块设置的凹槽，所述左腿驱动线或所述右腿驱动线位于所述凸块和所述凹槽之间。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述收线装置包括收线轴承、设于所述收线轴承上的绕线轮，以及设于所述收线轴承与所述绕线轮之间的弹性件，所述绕线轮供所述左腿驱动线或所述右腿驱动线绕设。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述驱动装置带动所述左腿驱动线或所述右腿驱动线拉动所述绕线轮反向转动时，所述弹性件受力压缩并储能，所述驱动装置停止工作后，所述绕线轮在所述弹性件的弹性作用下正向转动并回位，以收紧所述左腿驱动线或所述右腿驱动线。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述电机输出端与所述正向绕线轮组和所述反向绕线轮组连接处分别设有两个互为反向的单向轴承。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，还包括控制单元，所述控制单元包括与所述驱动装置和所述联动装置电连接的控制板、与所述控制板电连接的传感器组件，以及与所述控制板电连接的供电单元，所述控制板使所述电机正反方向转动、使所述左膝夹具夹紧或放开所述左腿驱动线、使所述右膝夹具夹紧或放开所述右腿驱动线、使所述左踝夹具夹紧或放开所述左腿驱动线，以及使所述右踝夹具夹紧或放开所述右腿驱动线，所述供电单元用于为所述驱动装置、所述联动装置、所述控制板以及所述传感器组件提供电能。

如上所述的一种单电机柔性助行外骨骼，所述传感器组件包括一个或多个扭矩传感器和/或角度传感器。

与现有技术相比，本申请有如下优点：

本申请的一种单电机柔性助行外骨骼，通过绑缚组件将驱动装置固定在人体腰部，左膝夹具、右膝夹具分别固定在人体的左右腿部，再通过控制单元根据人体关节运动状态控制单个电机的正反转以及左膝夹具、右膝夹具之间的配合，分别带动正向绕线轮组和反向绕线轮组转动，对分别对应左腿和右腿的左腿驱动线和右腿驱动线进行旋转回收，进而分别牵引左膝夹具和右膝夹具，实现驱动外骨骼的双腿完成整个步态行走周期。通过这种方式，可以实现仅使用单个电机同时控制两条腿，并且简化了外骨骼的机械结构，降低制造和维护成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的三维立体图一；

图2是本申请的三维立体图二；

图3是驱动装置的三维立体图；

图4是图3的分解视图；

图5是左大腿绑缚件和左膝夹具的三维立体图；

图6是图5的分解视图；

图7是收线装置的三维立体图；

图8是图7的分解视图。

【具体实施方式】

为了使本申请所解决的技术问题技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请参阅图1至图8，一种单电机柔性助行外骨骼，包括：

绑缚组件1，所述绑缚组件1包括用于绑缚在人体腰部的腰部绑缚件11、用于绑缚在人体左大腿的左大腿绑缚件12，以及用于绑缚在人体右大腿的右大腿绑缚件13；

驱动装置2，所述驱动装置2设于所述腰部绑缚件11上，所述驱动装置2包括能够正反方向转动的电机21、叠设于所述电机21输出端上的正向绕线轮组22和反向绕线轮组23、首端绕设于所述正向绕线轮组22上的右腿驱动线24，以及首端绕设于所述反向绕线轮组23上的左腿驱动线25；

联动装置3，所述联动装置3包括设于所述左大腿绑缚件12上的左膝夹具31、设于所述右大腿绑缚件13上的右膝夹具32，以及分别与所述左腿驱动线25的末端和所述右腿驱动线24的末端连接的两个收线装置33，所述左膝夹具31供所述左腿驱动线25穿过，所述右膝夹具32供所述右腿驱动线24穿过；

本申请的一种单电机柔性助行外骨骼，通过绑缚组件将驱动装置固定在人体腰部，左膝夹具、右膝夹具分别固定在人体的左右腿部，再通过单个电机的正反转以及左膝夹具、右膝夹具之间的配合，分别带动正向绕线轮组和反向绕线轮组转动，对分别对应左腿和右腿的左腿驱动线和右腿驱动线进行旋转回收，进而分别牵引左膝夹具和右膝夹具，实现驱动外骨骼的双腿完成整个步态行走周期。通过这种方式，可以实现仅使用单个电机同时控制两条腿，并且简化了外骨骼的机械结构，降低制造和维护成本。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述绑缚组件1还包括用于绑缚在人体左小腿的左小腿绑缚件14，以及用于绑缚在人体右小腿的右小腿绑缚件15，所述联动装置3还包括设于所述左小腿绑缚件14上的左踝夹具34，以及设于所述右小腿绑缚件15上的右踝夹具35，所述左踝夹具34供所述左腿驱动线25穿过，所述右踝夹具35供所述右腿驱动线24穿过。

本实施例中，由于人体腿部在前进时分为抬步和迈步两个步态，腿部从后方抬至与另一支撑腿平行的阶段为抬步段，从与另一支撑腿平行的阶段迈至落地时为迈步段，大腿和小腿在抬步段和迈步段分为两个步态，在抬步段大腿和小腿同步抬起，在迈步段大腿继续抬起，但小腿需要向前踢出，因此，通过在两条腿的驱动线上增加左踝夹具以及右踝夹具，实现了针对大腿和小腿在不同步态下的分别控制，更精准的步态控制，提高了行走的稳定性和协调性，更符合人腿部运动的幅度，从而增强了行走效率和平衡性。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，当所述电机21正转，且所述右膝夹具32放开以及所述右踝夹具35夹紧时，所述右腿驱动线24对所述右踝夹具35施加牵引力；当所述电机21正转，且所述右膝夹具32夹紧以及所述右踝夹具35放开时，所述右腿驱动线24对所述右膝夹具32施加牵引力；当所述电机21反转，且所述左膝夹具31放开以及所述左踝夹具34夹紧时，所述左腿驱动线25对所述左踝夹具34施加牵引力；当所述电机21反转，且所述左膝夹具31夹紧以及所述左踝夹具34放开时，所述左腿驱动线25对所述左膝夹具31施加牵引力。

本实施例中，通过在不同步态下对夹具的控制，实现了对膝关节和踝关节的协调运动，提高了机器人行走的自然性和稳定性；其次，通过对不同夹具的夹紧和放开，实现了对驱动线张力的调控，使机器人在行走过程中保持良好的平衡和动作流畅性；最后，这种精细的步态控制机制增强了机器人在不同地形和环境中的适应性，提高了机器人的操作灵活性和实用性。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述左膝夹具31、所述右膝夹具32、所述左踝夹具34以及所述右踝夹具35均包括舵机5、固定件6、与所述固定件6滑动连接的夹紧件7、与所述舵机5输出端连接的齿轮51，以及设于所述夹紧件7上并与所述齿轮51啮合的齿条71，所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24位于所述固定件6与所述夹紧件7之间，所述齿轮51正向转动从而带动所述夹紧件7往靠近所述固定件6方向移动以夹紧所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24，所述齿轮51反向转动从而带动所述夹紧件7往远离所述固定件6方向移动以放开所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24。

本实施例中，通过舵机驱动齿轮和齿条的协同运动，夹紧件可以精确地在靠近和远离固定件的方向上移动，从而实现对右腿驱动线的夹紧和放开，使外骨骼能够在不同步态和动作中保持平衡和稳定；其次，这种机构设计的一致性使得整个系统更易于维护和升级，同时降低了制造成本。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述夹紧件7上设有凸块72，所述固定件6上设有对应所述凸块72设置的凹槽61，所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24位于所述凸块72和所述凹槽61之间。

本实施例中，凸块和凹槽的配合使得驱动线在夹紧件和固定件之间保持稳定的位置，有效防止了驱动线在运动过程中的脱离和松弛，从而提高了步态控制的精确性和稳定性；其次，凸块和凹槽的结构简单且紧凑，不仅降低了系统的复杂度，还增强了系统的可靠性和耐用性；还为驱动线的更换和维护提供了便利，从而减少了维护成本和时间。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述收线装置33包括收线轴承331、设于所述收线轴承331上的绕线轮332，以及设于所述收线轴承331与所述绕线轮332之间的弹性件333，所述绕线轮332供所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24绕设。

本实施例中，收线轴承和绕线轮的配合使得驱动线能够平稳地绕在绕线轮上，有效避免了驱动线的交织和混乱，从而提高了步态控制的稳定性和可靠性；其次，弹性件的存在确保了驱动线在绕线轮上保持适度的紧密，避免了松弛和脱离，提高了步态控制时的稳定性。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述驱动装置2带动所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24拉动所述绕线轮332反向转动时，所述弹性件333受力压缩并储能，所述驱动装置2停止工作后，所述绕线轮332在所述弹性件333的弹性作用下正向转动并回位，以收紧所述左腿驱动线25或所述右腿驱动线24。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述电机21输出端与所述正向绕线轮组22和所述反向绕线轮组23连接处分别设有两个互为反向的单向轴承。

本实施例中，单向轴承的使用可以实现机械部件在一个方向上的自由旋转，而在另一个方向上无法旋转，从而确保了正向和反向绕线轮的运动分离，避免了由于机械部件的回转带来的混乱和不稳定性；其次，这种设计增加了系统的稳定性和控制性，使得电机能够更精准地控制正向绕线轮和反向绕线轮的运动，单向轴承的应用能够减少系统的摩擦和磨损，延长了机械部件的使用寿命，同时也降低了维护成本。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，还包括控制单元4，所述控制单元4包括与所述驱动装置2和所述联动装置3电连接的控制板41、与所述控制板41电连接的传感器组件42，以及与所述控制板41电连接的供电单元43，所述控制板41使所述电机21正反方向转动、使所述左膝夹具31夹紧或放开所述左腿驱动线25、使所述右膝夹具32夹紧或放开所述右腿驱动线24、使所述左踝夹具34夹紧或放开所述左腿驱动线25，以及使所述右踝夹具35夹紧或放开所述右腿驱动线24，所述供电单元43用于为所述驱动装置2、所述联动装置3、所述控制板41以及所述传感器组件42提供电能。

本实施例中，传感器组件能够实时检测人体的运动状态信息，从而为控制提供了实时的反馈数据，使得外骨骼能够更准确地调整步态和动作，增加了行走的稳定性和平衡性，更适用于穿戴者；其次，控制板通过分析传感器数据，实现了对电机、左膝夹具和右膝夹具的精细控制，以适应不同的步态需求和运动方向，提高了机器人的行走效率和流畅性；供电单元为系统的各个部件提供稳定的电能，确保了系统的持续运行和稳定性，同时也提高了机器人的工作时间和可靠性。

进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，所述传感器组件42包括一个或多个扭矩传感器和/或角度传感器。

本实施例中，扭矩传感器和/或角度传感器分别设置于靠近穿戴者膝关节和踝关节位置，扭矩传感器能够实时检测关节驱动的力矩变化，提供了精确的力量反馈，从而使外骨骼能够更准确地调整腿部动作和步态，增强了步态控制的稳定性和平衡性；其次，角度传感器能够监测腿部关节的姿态变化，为控制板提供实时的关节角度信息，使机器人能够更精细地调整步态和动作，提高了行走的流畅性和效率；扭矩传感器和角度传感器的结合能够全面地捕捉人体运动状态，为控制单元提供多维度的反馈数据，从而实现更精准的步态控制和更自然的行走体验。

本实施例的工作原理如下：

当人体穿戴好外骨骼站立时，右膝夹具夹紧，右踝夹具夹紧，电机正转回收右腿驱动线，右腿预紧完毕；随后左膝夹具夹紧，左踝夹具夹紧，电机反转回收左腿驱动线，左腿预紧完毕；

当人体右腿开始迈步时，右膝夹具夹紧，其余夹具放开，电机正转带动右大腿抬升，此时右小腿不受牵引力；

当人体左腿开始抬步时，左踝夹具夹紧，其余夹具放开，电机反转带动左大腿抬升、左小腿抬起；当人体左腿开始迈步时，左膝夹具夹紧，其余夹具放开，电机反转继续带动左大腿抬升，此时左小腿不受牵引力；

当人体右腿开始抬步时，右踝夹具夹紧，其余夹具放开，电机正转带动右大腿抬升、右小腿抬起；当人体右腿开始迈步时，右膝夹具夹紧，其余夹具放开，电机正转继续带动右大腿抬升，此时右小腿不受牵引力；

如上是结合具体内容提供的实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法结构等近似雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，包括：

绑缚组件(1)，所述绑缚组件(1)包括用于绑缚在人体腰部的腰部绑缚件(11)、用于绑缚在人体左大腿的左大腿绑缚件(12)，以及用于绑缚在人体右大腿的右大腿绑缚件(13)；

驱动装置(2)，所述驱动装置(2)设于所述腰部绑缚件(11)上，所述驱动装置(2)包括能够正反方向转动的电机(21)、叠设于所述电机(21)输出端上的正向绕线轮组(22)和反向绕线轮组(23)、首端绕设于所述正向绕线轮组(22)上的右腿驱动线(24)，以及首端绕设于所述反向绕线轮组(23)上的左腿驱动线(25)；

联动装置(3)，所述联动装置(3)包括设于所述左大腿绑缚件(12)上的左膝夹具(31)、设于所述右大腿绑缚件(13)上的右膝夹具(32)，以及分别与所述左腿驱动线(25)的末端和所述右腿驱动线(24)的末端连接的两个收线装置(33)，所述左膝夹具(31)供所述左腿驱动线(25)穿过，所述右膝夹具(32)供所述右腿驱动线(24)穿过。

2.根据权利要求1所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述绑缚组件(1)还包括用于绑缚在人体左小腿的左小腿绑缚件(14)，以及用于绑缚在人体右小腿的右小腿绑缚件(15)，所述联动装置(3)还包括设于所述左小腿绑缚件(14)上的左踝夹具(34)，以及设于所述右小腿绑缚件(15)上的右踝夹具(35)，所述左踝夹具(34)供所述左腿驱动线(25)穿过，所述右踝夹具(35)供所述右腿驱动线(24)穿过。

3.根据权利要求2所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，当所述电机(21)正转，且所述右膝夹具(32)放开以及所述右踝夹具(35)夹紧时，所述右腿驱动线(24)对所述右踝夹具(35)施加牵引力；当所述电机(21)正转，且所述右膝夹具(32)夹紧以及所述右踝夹具(35)放开时，所述右腿驱动线(24)对所述右膝夹具(32)施加牵引力；当所述电机(21)反转，且所述左膝夹具(31)放开以及所述左踝夹具(34)夹紧时，所述左腿驱动线(25)对所述左踝夹具(34)施加牵引力；当所述电机(21)反转，且所述左膝夹具(31)夹紧以及所述左踝夹具(34)放开时，所述左腿驱动线(25)对所述左膝夹具(31)施加牵引力。

4.根据权利要求2所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述左膝夹具(31)、所述右膝夹具(32)、所述左踝夹具(34)以及所述右踝夹具(35)均包括舵机(5)、固定件(6)、与所述固定件(6)滑动连接的夹紧件(7)、与所述舵机(5)输出端连接的齿轮(51)，以及设于所述夹紧件(7)上并与所述齿轮(51)啮合的齿条(71)，所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)位于所述固定件(6)与所述夹紧件(7)之间，所述齿轮(51)正向转动从而带动所述夹紧件(7)往靠近所述固定件(6)方向移动以夹紧所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)，所述齿轮(51)反向转动从而带动所述夹紧件(7)往远离所述固定件(6)方向移动以放开所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)。

5.根据权利要求4所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述夹紧件(7)上设有凸块(72)，所述固定件(6)上设有对应所述凸块(72)设置的凹槽(61)，所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)位于所述凸块(72)和所述凹槽(61)之间。

6.根据权利要求1所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述收线装置(33)包括收线轴承(331)、设于所述收线轴承(331)上的绕线轮(332)，以及设于所述收线轴承(331)与所述绕线轮(332)之间的弹性件(333)，所述绕线轮(332)供所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)绕设。

7.根据权利要求6所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述驱动装置(2)带动所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)拉动所述绕线轮(332)反向转动时，所述弹性件(333)受力压缩并储能，所述驱动装置(2)停止工作后，所述绕线轮(332)在所述弹性件(333)的弹性作用下正向转动并回位，以收紧所述左腿驱动线(25)或所述右腿驱动线(24)。

8.根据权利要求1所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述电机(21)输出端与所述正向绕线轮组(22)和所述反向绕线轮组(23)连接处分别设有两个互为反向的单向轴承。

9.根据权利要求2所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，还包括控制单元(4)，所述控制单元(4)包括与所述驱动装置(2)和所述联动装置(3)电连接的控制板(41)、与所述控制板(41)电连接的传感器组件(42)，以及与所述控制板(41)电连接的供电单元(43)，所述控制板(41)使所述电机(21)正反方向转动、使所述左膝夹具(31)夹紧或放开所述左腿驱动线(25)、使所述右膝夹具(32)夹紧或放开所述右腿驱动线(24)、使所述左踝夹具(34)夹紧或放开所述左腿驱动线(25)，以及使所述右踝夹具(35)夹紧或放开所述右腿驱动线(24)，所述供电单元(43)用于为所述驱动装置(2)、所述联动装置(3)、所述控制板(41)以及所述传感器组件(42)提供电能。

10.根据权利要求9所述的一种单电机柔性助行外骨骼，其特征在于，所述传感器组件(42)包括一个或多个扭矩传感器和/或角度传感器。