CN208276900U - 储能式外骨骼和机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种储能式外骨骼和机器人，其中，储能式外骨骼，包括仿生关节组件，包括相对设置的第一关节与第二关节，第一关节与第二关节相邻近的一端转动连接；储能组件，包括凸轮和弹性储能件；凸轮设于第一关节与第二关节其中之一，并设于第一关节与第二关节的转动连接处；弹性储能件一端设于第一关节，并沿其长度方向绕设于凸轮的外缘，另一端设于第二关节，第一关节与第二关节相对转动时，弹性储能件跟随凸轮的转动调节长度，以储存能量或者释放能量。本实用新型技术方案旨在便于人体使用。

Description

储能式外骨骼和机器人

技术领域

本实用新型涉及外骨骼和机器人技术领域，特别涉及一种储能式外骨骼和机器人。

背景技术

现有的外骨骼一般采用设有动力源的机构形式，而动力源需要结合控制系统才能对人体起到辅助的作用，一旦动力源或者控制系统出现问题，需要人体克服外骨骼重力做功，反而成为了人体的负担。而且现有的外骨骼也不能很好的适应使用人体的运动规律，一方面不能够对人体起到较好的辅助作用，另一方面也造成了能源的浪费。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种储能式外骨骼，旨在便于人体使用。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种储能式外骨骼，包括

仿生关节组件，包括相对设置的第一关节与第二关节，第一关节与第二关节相邻近的一端转动连接；

储能组件，包括凸轮和弹性储能件；

凸轮设于第一关节与第二关节其中之一，并设于第一关节与第二关节的转动连接处；

弹性储能件一端设于第一关节，并沿其长度方向绕设于凸轮的外缘，另一端设于第二关节，第一关节与第二关节相对转动时，弹性储能件跟随凸轮的转动调节长度，以储存能量或者释放能量。

可选地，凸轮的轮廓曲线中至少两段的曲率不同。

可选地，凸轮的轮廓曲线中至少四段的曲率不同。

可选地，以第一关节与第二关节之间的夹角是180°为初始状态，定义第一关节相对第二关节的转动角度为α，弹性储能件的长度变化值为Δd；

α为0°至30°时，Δd＝0.17απ/180°；

α为30°至65°时，Δd＝0.57απ/180°－6.43；

α为65°至95°时，Δd＝25sin3(α－65°)+25；

α为90°至120°时，Δd＝50。

可选地，弹性储能件包括传动绳及与传动绳至少一端连接的弹性储能结构，弹性储能结构设于第一关节和/或第二关节，传动绳绕设于凸轮的外缘。

可选地，传动绳的一端连接弹性储能结构，另一端连接预紧结构，弹性储能结构设于第一关节与第二关节其中之一，预紧结构设于其中之另一。

可选地，弹性储能结构包括设于第一关节或第二关节其中之一的储能弹簧，储能弹簧一端与第一关节或第二关节连接，另一端与传动绳的一端连接；

预紧结构设于第一关节或第二关节其中之另一，预紧结构与传动绳的另一端连接，并可带动传动绳相对第一关节或第二关节运动。

可选地，凸轮设于第二关节，凸轮和/或第二关节设有限位柱，第一关节设有限位槽，限位柱伸入限位槽，限位第二关节相对第一关节的转动。

可选地，第一关节和第二关节均设有导向组件，传动绳穿过导向组件绕设于凸轮的外缘；

且/或，第一关节和第二关节均设有捆绑件。

本实用新型还提出一种机器人，包括储能式外骨骼。其中，储能式外骨骼，包括

仿生关节组件，包括相对设置的第一关节与第二关节，第一关节与第二关节相邻近的一端转动连接；

储能组件，包括凸轮和弹性储能件；

凸轮设于第一关节与第二关节其中之一，并设于第一关节与第二关节的转动连接处；

弹性储能件一端设于第一关节，并沿其长度方向绕设于凸轮的外缘，另一端设于第二关节，第一关节与第二关节相对转动时，弹性储能件跟随凸轮的转动调节长度，以储存能量或者释放能量。

本实用新型技术方案通过采用储能式外骨骼，以便于人体使用。该储能式外骨骼包括仿生关节组件、储能组件两部分，人体使用时，仿生关节组件的第一关节和第二关节捆绑于人体可相对转动的两部分，比如，大腿和小腿，大腿和小腿带动第一关节和第二关节相对转动时，储能组件的凸轮跟随第一关节或第二关节转动，由于储能组件的弹性储能件绕设于凸轮的外侧，且弹性储能件的两端分别设于第一关节和第二关节，所以凸轮在转动时，可带动弹性储能件跟随拉伸伸长或弹性缩短，以储存能量或释放能量，利用人体自身的能量辅助人体运动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型储能式外骨骼一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型储能式外骨骼一实施例的立体结构示意图；

图3为本实用新型储能式外骨骼另一实施例的结构示意图；

图4为本实用新型储能式外骨骼一的分解示意图；

图5为本实用新型储能式外骨骼第一关节的分解示意图；

图6为本实用新型储能式外骨骼第二关节的分解示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种储能式外骨骼100，如图1至图6所示，其包括仿生关节组件10，包括相对设置的第一关节11与第二关节12，第一关节11与第二关节12相邻近的一端转动连接；储能组件20，包括凸轮21和弹性储能件22；凸轮21设于第一关节11与第二关节12其中之一，并设于第一关节11与第二关节12的转动连接处；弹性储能件22一端设于第一关节11，并沿其长度方向绕设于凸轮21的外缘，另一端设于第二关节12，第一关节11与第二关节12相对转动时，弹性储能件22跟随凸轮21的转动调节长度，以储存能量或者释放能量。

本实用新型技术方案通过采用储能式外骨骼100，以便于人体使用。该储能式外骨骼100包括仿生关节组件10、储能组件20两部分，人体使用时，仿生关节组件10的第一关节11和第二关节12捆绑于人体可相对转动的两部分，比如，大腿和小腿，大腿和小腿带动第一关节11和第二关节12相对转动时，储能组件20的凸轮21跟随第一关节11或第二关节12转动，由于储能组件20的弹性储能件22绕设于凸轮21的外侧，且弹性储能件22的两端分别设于第一关节11和第二关节12，所以凸轮21在转动时，可带动弹性储能件22跟随拉伸伸长或弹性缩短，以储存能量或释放能量，利用人体自身的能量辅助人体运动。

本实施例中，如图4所示，第一关节11与第二关节12通过转轴14连接，在第一关节11和第二关节12上均设有转轴14孔，转轴14孔内设有轴承13，转轴14设于轴承13的内圈，使得第一关节11相对第二关节12转动更轻便。凸轮21设于第二关节12，凸轮21与第二关节12为一体结构或者为可拆卸的固定连接结构，在第二关节12转动时，凸轮21跟随第二关节12转动。当第一关节11和第二关节12之间的夹角角度不同时，弹性储能件22绕设于凸轮21外缘的长度也不同，弹性储能件22可以选用钢丝绳，并在钢丝绳的至少一端设有弹簧2221或者弹性带等弹性件。在其他实施例中，可以将凸轮21设于第一关节11，弹性储能件22可以选用弹性带等弹性件。

进一步地，凸轮21的轮廓曲线中至少两段的曲率不同。由于穿戴在行走或者运动时，人体处于不同的状态时，对外骨骼的助力需求也不一致，因此将凸轮21的轮廓曲线中设置为至少两段的曲率不同，以更好的辅助人体运动。

更进一步地，凸轮21的轮廓曲线中至少四段的曲率不同。更细致的划分凸轮21的轮廓曲线，以更好的辅助人体运动。

具体地，以第一关节11与第二关节12之间的夹角是180°为初始状态，定义第一关节11相对第二关节12的转动角度为α，弹性储能件22的长度变化值为Δd；α为0°至30°时，Δd＝0.17απ/180°；α为30°至65°时，Δd＝0.57απ/180°－6.43；α为65°至95°时，Δd＝25sin3(α－65°)+25；α为0°至30°时，Δd＝50。

以人体站立的状态为初始状态，在α为0°至30°时，人体在正常行走时需要快速甩腿，且关节出力很小。所以将此转动角度范围内的弹性储能件22在凸轮21上的缠绕长度设定为变化很小，即弹性储能件22拉伸量较小，不会对此运动范围的抬腿动作产生束缚，此时弹性储能件22的伸长量与转动角度α之间的关系近似为：Δd＝0.17απ/180°。

在α为30°至65°时，人体基本处于坐站、蹲起的过程中，关节输出较大的扭矩。所以将此范围的弹性储能件22在凸轮21上的缠绕长度设定为变化较大，基本呈等比例线性增长，即弹性储能件22的伸长量线性增长，在关节产生的扭矩也线性增长，以适应膝关节在此范围的较大力矩输出。此时弹性储能件22长度变化量与关节转角关系近似为：Δd＝0.57απ/180°－6.43。

在α为65°至95°时，人体也处于坐站和蹲起的过程中，由于经过大小腿的90度，此范围的膝关节输出基本达到最大。所以将此范围的弹性储能件22在凸轮21上的缠绕长度，及弹性储能件22的弹力(关节输出扭矩)设定为较30—65度变化更大，基本呈正弦曲线增长，且在90度附近开始平稳，达到正弦的峰值，以适应人体在90度附近的大峰值输出扭矩需求。此时弹性储能件22长度变化量与关节转角关系近似为：Δd＝25sin3(α－65°)+25。

在α为90°至120°时，人体膝关节扭矩输出开始逐渐下降，同时考虑结构设计等因素。所以弹性储能件22在凸轮21上的缠绕长度基本不变，以满足蹲起及坐站的基本力矩输出要求。此时弹性储能件22长度变化量与关节转角关系近似为：Δd＝50。

上述4个角度的划分，使第一关节11或第二关节12的力矩输出基本符合人体的运动力学曲线，达到凸轮21转动角度与人体体态的基本匹配，达到人体更加省力且舒适的效果。同时为下肢病患者穿戴此矫形关节，可以按照正常人体的生物力学曲线进行矫正与补偿。在其他实施例中也可将第一关节11和第二关节12分别捆绑至大腿和髋关节。

进一步地，弹性储能件22包括传动绳221及与传动绳221至少一端连接的弹性储能结构222，弹性储能结构222设于第一关节11和/或第二关节12，传动绳221绕设于凸轮21的外缘。凸轮21在带动传动绳221运动时，传动绳221带动端部的弹性储能结构222运动，以储存能量或释放能量。弹性储能结构222可以设于传动绳221的一端，传动绳221的另一端设于远离弹性储能结构222的关节。也可以将弹性储能结构222设于传动绳221的两端，传动绳221在运动时，同时带动两弹性储能结构222运动。

具体地，传动绳221的一端连接弹性储能结构222，另一端连接预紧结构223，弹性储能结构222设于第一关节11与第二关节12其中之一，预紧结构223设于其中之另一。弹性储能结构222用于储存能量或者释放能量，预紧结构223用于调整传动绳221的预紧程度。

进一步，弹性储能结构222包括设于第一关节11或第二关节12其中之一的储能弹簧2221，储能弹簧2221一端与第一关节11或第二关节12连接，另一端与传动绳221的一端连接；预紧结构223设于第一关节11或第二关节12其中之另一，预紧结构223与传动绳221的另一端连接，并可带动传动绳221相对第一关节11或第二关节12运动。以弹性储能结构222设于第一关节11，预紧结构223设于第二关节12为实施例，预紧结构223包括设于第二关节12的固定架2231，在固定架2231内设有调节槽2231a，在调节槽2231a内设有调节块2232，传动绳221的一端与调节块2232连接，调节块2232调节在调节槽2231a内的位置，以调整传动绳221的预紧度，为了便于调节块2232的调节和定位，在固定架2231上设有螺钉2233，螺钉2233设于调节块2232远离传动绳221的一端，并与固定架2231螺纹连接且与调节块2232转动连接，螺钉2233相对固定架2231转动，以带动调节块2232运动，张紧传动绳221。在其他实施例中，也可将弹性储能结构222设于第二关节12，预紧结构223设于第一关节11。为了便于储能弹簧2221的连接与固定，在储能弹簧2221的两端分别设置两连接件2222，其中一连接件2222与第一关节11或第二关节12固定连接，另一连接件2222与传动绳221的端部连接。本实施例中，选用钢丝绳为传动绳221，在其他实施例中也可以选用弹性带，弹性带的材质可以为橡胶或者乳胶。

进一步地，如图2至图4所示，凸轮21设于第二关节12，凸轮21和/或第二关节12设有限位柱121，第一关节11设有限位槽111，限位柱121伸入限位槽111，限位第二关节12相对第一关节11的转动。由于人体在运动时，关节都有相应的转动范围，本实用新型方案中设置限位柱121和限位槽111，以辅助限定人体关节的转动角度，避免人体损伤。当第二关节12设于凸轮21背离第一关节11的一侧，将限位柱121设于凸轮21；当第二关节12设于第一关节11背离凸轮21的一侧时，限位柱121设于第一关节11；也可以在第一关节11与第二关节12转动连接的一端增设一辅助连接件122，辅助连接件122从第一关节11的一表面伸出并向第二关节12与第一关节11连接端部折弯，第二关节12与第一关节11转动连接时，第一关节11和凸轮21均设于第二关节12与辅助连接件122之间，凸轮21和第二关节12均设有限位柱121，第二关节12与辅助连接件122均设有限位槽111，增强第二关节12与第一关节11的限位支撑强度，延长使用寿命。

进一步地，如图4至图6所示，第一关节11和第二关节12均设有导向组件16，传动绳221穿过导向组件16绕设于凸轮21的外缘；且/或，第一关节11和第二关节12均设有捆绑件15。由于凸轮21转动时可带动传动绳221运动，且弹簧2221只有一端固定，因此，传动绳221带动弹簧2221的拉伸方向并不固定，会导致弹簧2221的性能下降，因此在第一关节11和第二关节12均设置导向组件16，以限定传动绳221对弹簧2221的拉伸方向，以及预紧结构223的预紧调节方向。导向组件16包括至少两滑轮161，传动绳221穿过相邻滑轮161之间的间隙。本实施例使得第一关节11和第二关节12之间的夹角角度变化时，弹簧2221只在直线方向上发生形变变化，符合弹簧2221的使用要求和场合，提高储能弹簧2221的使用寿命。不会因为弹簧2221弯曲等使用不当的情况，导致储能元件失效。

为了便于人体固定储能式外骨骼100，如图5和图6所示，在第一关节11和第二关节12均设有捆绑件15。捆绑件15与第一关节11或第二关节12为一体结构或者分体结构，捆绑件15与第一关节11或第二关节12为分体结构时，捆绑件15与第一关节11或第二关节12采用卡接连接结构。同时在捆绑件15上设有连接孔151，以便于穿过绷带并固定。

本实用新型通过凸轮21的作用，将关节转角与储能弹簧2221的形变量呈特定的规律联系到一起，使得关节运动时，此被动辅助关节可以提供一定关系的助力，来帮助穿戴者完成关节伸展的动作。在医疗康复领域中，人体穿戴此矫形关节时，就会缓解由于人体自身重力存在而导致的关节病痛，并且可以减轻人出力，进一步提高治疗和康复的效果。且本实用新型技术方案只采用储能弹簧2221、传动绳221和凸轮21结构，不存在复杂的动力源、传动机构、硬件控制系统，从而就不存在因其中某一环节发生故障而无法正常工作的问题。

本实用新型中的储能弹簧2221会跟随第一关节11和第二关节12的转动角度的变化而发生形变，弹簧2221需要在关节弯曲时进行储能，而在关节伸展时进行能量的释放。这种能量储备和释放的过程与人体运动形式恰好符合。关节弯曲时，由于自身重力的存在，可以通过重力来使弹簧2221变形，将重力势能转化为弹簧2221的弹性势能；同时，由于弹簧2221储能过程的存在，不会使穿戴者因屈伸关节过快，导致摔倒、关节快速磨损等问题。在关节伸展时，人体需要克服自身重力做功，此时弹簧2221需要恢复原始形态，进而释放弹性势能，来辅助人体克服重力做功，从而达到助力的目的。使得整体能力利用率更高，助力效果明显。

本实用新型采用基于弹簧2221储能式的自适应外骨骼被动辅助矫形关节。系统中通过凸轮21在不同转角时半径不同的结构特点，使弹簧2221跟随凸轮21轮廓的变化发生相应的形变。通过凸轮21轮廓的优化设计，达到弹簧2221变形量与关节运动需要助力的大小呈一致性变化，即通过凸轮21轮廓的设计来使矫形关节适应于人体的运动变化。从而提高能量利用率，同时不会因弹簧2221的存在对人体运动产生阻碍。因此，本实用新型不仅应用于康复治疗领域，也可应用于运动员、工人、士兵等负重关节运动的领域。

本实用新型还提出一种机器人，该机器人包括储能式外骨骼100，该储能式外骨骼100的具体结构参照上述实施例，由于本机器人采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，一种储能式外骨骼100，包括仿生关节组件10，包括相对设置的第一关节11与第二关节12，第一关节11与第二关节12相邻近的一端转动连接；储能组件20，包括凸轮21和弹性储能件22；凸轮21设于第一关节11与第二关节12其中之一，并设于第一关节11与第二关节12的转动连接处；弹性储能件22一端设于第一关节11，并沿其长度方向绕设于凸轮21的外缘，另一端设于第二关节12，第一关节11与第二关节12相对转动时，弹性储能件22跟随凸轮21的转动调节长度，以储存能量或者释放能量。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种储能式外骨骼，其特征在于，包括

仿生关节组件，包括相对设置的第一关节与第二关节，所述第一关节与所述第二关节相邻近的一端转动连接；

储能组件，包括凸轮和弹性储能件；

所述凸轮设于所述第一关节与所述第二关节其中之一，并设于所述第一关节与第二关节的转动连接处；

所述弹性储能件一端设于第一关节，并沿其长度方向绕设于凸轮的外缘，另一端设于第二关节，所述第一关节与第二关节相对转动时，所述弹性储能件跟随凸轮的转动调节长度，以储存能量或者释放能量。

2.如权利要求1所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述凸轮的轮廓曲线中至少两段的曲率不同。

3.如权利要求2所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述凸轮的轮廓曲线中至少四段的曲率不同。

4.如权利要求3所述的储能式外骨骼，其特征在于，以所述第一关节与第二关节之间的夹角是180°为初始状态，定义所述第一关节相对第二关节的转动角度为α，弹性储能件的长度变化值为Δd；

α为0°至30°时，Δd＝0.17απ/180°；

α为30°至65°时，Δd＝0.57απ/180°－6.43；

α为65°至95°时，Δd＝25sin3(α－65°)+25；

α为90°至120°时，Δd＝50。

5.如权利要求1至4中任一所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述弹性储能件包括传动绳及与传动绳至少一端连接的弹性储能结构，所述弹性储能结构设于所述第一关节和/或所述第二关节，所述传动绳绕设于所述凸轮的外缘。

6.如权利要求5所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述传动绳的一端连接弹性储能结构，另一端连接预紧结构，所述弹性储能结构设于所述第一关节与所述第二关节其中之一，所述预紧结构设于其中之另一。

7.如权利要求6所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述弹性储能结构包括设于所述第一关节或第二关节其中之一的储能弹簧，所述储能弹簧一端与所述第一关节或第二关节连接，另一端与所述传动绳的一端连接；

所述预紧结构设于所述第一关节或第二关节其中之另一，所述预紧结构与传动绳的另一端连接，并可带动所述传动绳相对所述第一关节或第二关节运动。

8.如权利要求1至4中任一所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述凸轮设于所述第二关节，所述凸轮和/或所述第二关节设有限位柱，所述第一关节设有限位槽，所述限位柱伸入所述限位槽，限位所述第二关节相对所述第一关节的转动。

9.如权利要求1至4中任一所述的储能式外骨骼，其特征在于，所述第一关节和第二关节均设有导向组件，所述传动绳穿过所述导向组件绕设于所述凸轮的外缘；

且/或，所述第一关节和第二关节均设有捆绑件。

10.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1至9中任一所述的储能式外骨骼。