CN208388959U - 一种越障型外骨骼辅助训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种越障型外骨骼辅助训练机器人，包括鞋体组件，其特征在于：所述鞋体组件的两侧设置有踝关节组件，所述踝关节组件的上端转动连接有小腿，所述小腿通过膝关节转动连接有大腿组件，所述大腿组件上设置有第一油缸和第二油缸，且大腿组件的前、后侧分别固定安装有第一安装座、第二安装座，所述大腿组件的内侧设置有大腿绑带，大腿组件的顶端设置有髋关节组件，所述安装盒内设置有控制系统，且外部设置有控制器，所述背部支架底部设置有越障轮。本实用新型涉及外骨骼机器人技术领域，该越障型外骨骼辅助训练机器人，达到了平稳轻松跨越障碍物、减负的目的，提高了跃障时机身的稳定性、灵活性，简化了结构，减少了能量的损失。
Description
技术领域
本实用新型涉及外骨骼机器人技术领域，具体为一种越障型外骨骼辅助训练机器人。
背景技术
外骨骼机器人是一种穿戴于人体外侧、帮助人体负重并且能够跟随人体运动的人机一体化智能系统。按照用途可分为康复外骨骼和助力外骨骼。康复外骨骼主要供失去行走能力的病残患者使用，用以代替或带动病人腿进行行走，使患者重新获得行走能力。助力外骨骼主要用于增强人体力量，使人能够轻松背负数倍于人体承受能力的重量而不觉得疲惫。可见，康复外骨骼结构需要充分模拟人腿，才能达到较好的康复效果。对于助力外骨骼，研究人员都过分强调外骨骼的结构需要拟人化设计，即外骨骼机械仿照人腿，采用三个转动关节分别对应人腿的髋关节、膝关节和踝关节。然而，事与愿违，在追求完美人机体验过程中，拟人化的设计也带来了几大技术难题，导致了外骨骼技术裹足不前：目前外骨骼都采用拟人化设计，导致外骨骼机械结构较为复杂，过多的自由度导致控制难度呈几何倍数增加，而目前的控制水平并不能很好地控制外骨骼跟随人体运动；由于目前外骨骼的髋关节、膝关节、踝关节都采用转动关节，转动关节的驱动力通过布置在关节上的电机或者液压缸提供，由于驱动器布置在关节附件或者关节上，所以驱动力力臂远小于重力产生的阻力矩力臂，所以需要提高驱动力来平衡阻力矩，最终导致外骨骼整体耗能功率增加。
我国现在的外骨骼都基本处在研发阶段，大部分主要应用于病人康复或者帮助残疾人，帮助扩展人体能力的机器人相对来说较少。现行的助力外骨骼机器人存在造价昂贵，机械加工难度较强，加工精度难以满足和穿戴不舒适等缺点。而且行走装置采用的万向轮越障能力差，只能在平地行走。
实用新型内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种越障型外骨骼辅助训练机器人，解决了行走机构不能够适应多种复杂地形、结构笨重、能量损失大的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种越障型外骨骼辅助训练机器人，包括鞋体组件，所述鞋体组件的两侧设置有踝关节组件，所述踝关节组件的上端转动连接有小腿，所述小腿通过膝关节转动连接有大腿组件，所述大腿组件上设置有第一油缸和第二油缸，所述大腿组件的下端与膝关节的竖直段顶部铰接相连，且大腿组件的前侧固定安装有第一安装座，所述第一油缸的尾部铰接安装在第一安装座上，且第一油缸的输出端与大腿组件的上部铰接相连，所述大腿组件的后侧上部固定安装有第二安装座，所述第二油缸的尾部铰接安装于第二安装座上，所述第二油缸的输出端铰接安装在膝关节的水平段末端，所述大腿组件的内侧设置有大腿绑带，所述大腿组件的顶端设置有髋关节组件，所述髋关节组件设置有髋关节绑带，所述髋关节绑带的后侧还固定有背部支架安装块，所述大腿组件通过两个轴向螺钉传动连接有背部支架7，所述两个轴向螺钉外缘面套设有同步带轮，所述的背部支架7顶端的安装盒固定于背部支架安装块上，所述安装盒内设置有控制系统，且外部设置有控制器，所述背部支架7的顶端固定连接有扶手，所述背部支架7底部设置有越障轮；
所述越障轮包括外支撑轮体，所述外支撑轮体同轴转动连接有转动轴，沿所述转动轴半径方向呈辐射状设置的多个大径伸缩板，每个所述大径伸缩板上均设置有有滑动板和弧形板，且所有弧形板始终位于同一圆形轮廓上，所述滑动板一端与弧形板的凹面连接，另一端穿过外支撑轮体上的滑动通道后通过变径曲柄与套设在转动轴上的滑套连接。
优选的，所述鞋体组件包括橡胶鞋垫、脚底前板和脚底后板，所述的脚底前板设置于橡胶鞋垫的上表面前部，脚底后板设置于橡胶鞋垫的上表面后部，脚底前板和脚底后板连接。
优选的，所述踝关节组件包括连接块、铰接板、转动副和连接杆，所述连接块的下端垂直固定于脚底后板的外侧边缘处，且连接块的上端与铰接板的下端铰接相连，所述铰接板的上部穿设于转动副的内部，且铰接板的上部开有孔，所述连接杆的下端一侧设置有水平方向延伸的转柱，所述转柱贯穿铰接板与转动副相连，所述的连接杆的上端与小腿的下端相连。
优选的，所述橡胶鞋垫与脚底前板之间、橡胶鞋垫与脚底后板之间分别设置有传感器，所述鞋体组件还设置有脚底绑带，脚底绑带设置于脚底前板与脚底后板的连接处。
优选的，所述转柱上还套装有垫板，所述垫板位于铰接板与连接杆之间。
优选的，所述越障轮包括设置在外支撑轮体内部一侧的液压缸，该液压缸的活塞杆端头通过液压动力连接件与滑套连接。
优选的，越障轮还包括轮子支撑架，所述转动轴通过轴承转动连接在轮子支撑架上。
优选的，优选的在外支撑轮体内部与液压缸相对的一侧设置有连接轴套，所述滑套上套设有保护轴套，所述大径伸缩板的数量为10个。
(三)有益效果
本实用新型提供了一种越障型外骨骼辅助训练机器人。具备以下有益效果：
(1)、该越障型外骨骼辅助训练机器人，通过转动轴同轴转动连接的外支撑轮体和沿转动轴半径方向呈辐射状设置的多个大径伸缩板，其中，每个大径伸缩板包括滑动板和弧形板，且所有弧形板始终位于同一圆形轮廓上，滑动板一端与弧形板的凹面连接，另一端穿过外支撑轮体上的滑动通道后通过变径曲柄与套设在转动轴上的滑套连接，滑套由驱动机构驱动其沿转动轴往复滑动，从而使与滑套连接的变径曲柄带动滑动板在滑动通道内沿转动轴半径方向运动，以使滑动板带动弧形板伸出或缩回，达到了改变轮子直径以实现平稳轻松跨越障碍物的目的，提高了跃障时机身的稳定性，以及灵活性。
(2)、该越障型外骨骼辅助训练机器人，通过踝关节组件包括连接块、铰接板、转动副和连接杆，连接块的上端与铰接板的下端铰接相连，铰接板的上部穿设于转动副的内部，连接杆的下端一侧设置有水平方向延伸的转柱，转柱贯穿铰接板与转动副相连，连接杆的上端与小腿的下端相连，使踝关节组件具有三个自由度，达到了实现踝关节实现伸展、旋转、外翻、内翻这三个运动的目的，并运用一定的机械结构对运动各个方向的运动范围进行限制，以免运动过程中超过人体本身的运动范围对人体造成伤害。
(3)、该越障型外骨骼辅助训练机器人，通过髋关节本体由左右两个类人体骨骼的金属结构组成，这个设计能让主要承受力的髋关节结构既能承受住重物的重力而且又能和人体髋关节骨头贴合紧密，达到了避免行走过程中髋关节结构和人体的臀部产生干涉的目的，大大的增强了助力外骨骼机器人的舒适性，而且背部支架模块用于放置动力元件液压缸泵，是负重主要的承担者，为使用者减负。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型鞋体组件的结构示意图；
图3为本实用新型踝关节组件的结构示意图；
图4为本实用新型越障轮的结构示意图。
图中：1鞋体组件、101连接螺钉、102脚底后板、103橡胶鞋垫、104传感器、105脚底前板、2踝关节组件、201连接块、202铰接板、203转动副、204连接杆、205垫板、206转柱、3小腿、4膝关节、5大腿组件、6越障轮、 601外支撑轮体、602滑套、603大径伸缩板、604变径曲柄、605滑动板、606 弧形板、607连接轴套、608转动轴、609支撑架、7背部支架、8同步带轮、9轴向螺钉、10髋关节绑带、11控制器、12安装盒、13控制系统、14安装块、15扶手、16橡胶垫、17髋关节组件、18大腿绑带、19第一安装座、20 第一油缸、21第二油缸、22第二安装座。
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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种越障型外骨骼辅助训练机器人，包括鞋体组件1，鞋体组件1的两侧设置有踝关节组件2，踝关节组件2的上端转动连接有小腿3，小腿3通过膝关节4转动连接有大腿组件5，大腿组件5上设置有第一油缸20和第二油缸21，大腿组件5的下端与膝关节 4的竖直段顶部铰接相连，且大腿组件5的前侧固定安装有第一安装座19，第一油缸20的尾部铰接安装在第一安装座19上，且第一油缸20的输出端与大腿组件5的上部铰接相连，大腿组件5的后侧上部固定安装有第二安装座 22，第二油缸21的尾部铰接安装于第二安装座22上，第二油缸21的输出端铰接安装在膝关节4的水平段末端，大腿组件5的内侧设置有大腿绑带18，大腿组件5的顶端设置有髋关节组件17，髋关节组件17设置有髋关节绑带 10，髋关节绑带10的后侧还固定有背部支架安装块14，大腿组件5通过两个轴向螺钉9传动连接有背部支架7，两个轴向螺钉9外缘面套设有同步带轮8，的背部支架7顶端的安装盒12固定于背部支架安装块14上，安装盒12内设置有控制系统13，且外部设置有控制器11，背部支架7的顶端固定连接有扶手15，背部支架7底部设置有越障轮6；
越障轮6包括外支撑轮体601，外支撑轮体601同轴转动连接有转动轴 608，沿转动轴608半径方向呈辐射状设置的多个大径伸缩板603，每个大径伸缩板603上均设置有有滑动板605和弧形板606，且所有弧形板606始终位于同一圆形轮廓上，滑动板605一端与弧形板606的凹面连接，另一端穿过外支撑轮体601上的滑动通道后通过变径曲柄604与套设在转动轴608上的滑套602连接。
使用时，打开控制系统13、控制器11及传感器104，通过驱动鞋体组件 1、踝关节组件2、小腿3、大腿组件5和髋关节组件17，完成行走动作，通过控制大腿组件5和小腿3的运动轨迹，可以实现腿部的康复运动训练。在进行康复训练的时候，患者通过把持后备箱左右两边扶手15，穿戴上外骨骼康复机器人，设置相关康复模式，在后面两个越障轮的支持下进行康复训练，当越障轮6在相对平坦的路面上运动时，弧形板606的凹面与外支撑轮体601 的外表面相抵贴，越障轮6可以平稳且快速得运动。当越障轮6遇到无法越过的障碍物或在复杂地形中运动时，越障轮6开始执行变径动作。变径时液压缸的活塞杆伸出并通过液压动力连接件推动滑套602在连接轴套607上滑动，从而使与滑套602连接的变径曲柄604带动滑动板605在滑动通道内沿转动轴608半径方向向外运动，以使滑动板605带动弧形板606伸出。当滑套602滑动到与限位轴套接触时，滑套602停止运动，此时8个弧形板606 之间形成大径轮，能够轻松越过障碍物。当越过障碍物后，活塞杆缩回并通过液压动力连接件带动滑套602在连接轴套607上滑动，从而使与滑套602 连接的变径曲柄604带动滑动板605在滑动通道内沿转动轴608半径方向向内运动，以使滑动板605带动弧形板606缩回，从而使得弧形板606的凹面与外支撑轮体601的外表面相抵贴，这时越障轮6的直径变小为初始状态，不会影响运行速度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种越障型外骨骼辅助训练机器人，包括鞋体组件(1)，其特征在于：所述鞋体组件(1)的两侧设置有踝关节组件(2)，所述踝关节组件(2)的上端转动连接有小腿(3)，所述小腿(3)通过膝关节(4)转动连接有大腿组件(5)，所述大腿组件(5)上设置有第一油缸(20)和第二油缸(21)，所述大腿组件(5)的下端与膝关节(4)的竖直段顶部铰接相连，且大腿组件(5)的前侧固定安装有第一安装座(19)，所述第一油缸(20)的尾部铰接安装在第一安装座(19)上，且第一油缸(20)的输出端与大腿组件(5)的上部铰接相连，所述大腿组件(5)的后侧上部固定安装有第二安装座(22)，所述第二油缸(21)的尾部铰接安装于第二安装座(22)上，所述第二油缸(21)的输出端铰接安装在膝关节(4)的水平段末端，所述大腿组件(5)的内侧设置有大腿绑带(18)，所述大腿组件(5)的顶端设置有髋关节组件(17)，所述髋关节组件(17)设置有髋关节绑带(10)，所述髋关节绑带(10)的后侧还固定有背部支架安装块(14)，所述大腿组件(5)通过两个轴向螺钉(9)传动连接有背部支架(7)，所述两个轴向螺钉(9)外缘面套设有同步带轮(8)，所述的背部支架(7)顶端的安装盒(12)固定于背部支架安装块(14)上，所述安装盒(12)内设置有控制系统(13)，且外部设置有控制器(11)，所述背部支架(7)的顶端固定连接有扶手(15)，所述背部支架(7)底部设置有越障轮(6)；
所述越障轮(6)包括外支撑轮体(601)，所述外支撑轮体(601)同轴转动连接有转动轴(608)，沿所述转动轴(608)半径方向呈辐射状设置的多个大径伸缩板(603)，每个所述大径伸缩板(603)上均设置有滑动板(605)和弧形板(606)，且所有弧形板(606)始终位于同一圆形轮廓上，所述滑动板(605)一端与弧形板(606)的凹面连接，另一端穿过外支撑轮体(601)上的滑动通道后通过变径曲柄(604)与套设在转动轴(608)上的滑套(602)连接。
2.根据权利要求1所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：所述鞋体组件(1)包括橡胶鞋垫(103)、脚底前板(105)和脚底后板(102)，所述的脚底前板(105)设置于橡胶鞋垫(103)的上表面前部，脚底后板(102)设置于橡胶鞋垫(103)的上表面后部，脚底前板(105)和脚底后板(102)连接。
3.根据权利要求1所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：所述踝关节组件(2)包括连接块(201)、铰接板(202)、转动副(203)和连接杆(204)，所述连接块(201)的下端垂直固定于脚底后板(102)的外侧边缘处，且连接块(201)的上端与铰接板(202)的下端铰接相连，所述铰接板(202)的上部穿设于转动副(203)的内部，且铰接板(202)的上部开有孔，所述连接杆(204)的下端一侧设置有水平方向延伸的转柱(206)，所述转柱(206)贯穿铰接板(202)与转动副(203)相连，所述的连接杆(204)的上端与小腿(3)的下端相连。
4.根据权利要求2所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：所述橡胶鞋垫(103)与脚底前板(105)之间、橡胶鞋垫(103)与脚底后板(102)之间分别设置有传感器(104)，所述鞋体组件(1)还设置有脚底绑带，脚底绑带设置于脚底前板(105)与脚底后板(102)的连接处。
5.根据权利要求3所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：所述转柱(206)上还套装有垫板(205)，所述垫板(205)位于铰接板(202)与连接杆(204)之间。
6.根据权利要求1所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：所越障轮(6)包括设置在外支撑轮体(601)内部一侧的液压缸，该液压缸的活塞杆端头通过液压动力连接件与滑套(602)连接。
7.根据权利要求1所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：越障轮(6)还包括轮子支撑架(609)，所述转动轴(608)通过轴承转动连接在轮子支撑架(609)上。
8.根据权利要求1所述的一种越障型外骨骼辅助训练机器人，其特征在于：在外支撑轮体(601)内部与液压缸相对的一侧设置有连接轴套(607)，所述滑套(602)上套设有保护轴套，所述大径伸缩板(603)的数量为10个。
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