CN208641205U - 下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种下肢外骨骼机器人，包括背包组件、腰部包覆组件、髋关节组件、大腿杆、膝关节组件、小腿杆和脚部组件，腰部包覆组件与两组髋关节组件相连，髋关节组件分别连接两个大腿杆，大腿杆和小腿杆之间通过膝关节组件相连，两个脚部组件分别连接在两个小腿杆下端。本实用新型采用的下肢助力服，其中大腿杆与小腿杆均采用被动旋转自由度的伸缩调节杆，既可以满足不同身高人群需要，提高了机器人的续航能力；脚踝处设计有板簧弹性板，以及整体的行走过程利用势能转化充分节省能量，降低了控制复杂性，大幅压缩成本，使助力服设备民用的可能性大大提高；采用背包组件和腰部包覆组件作为主要固定绑腿结构，使用者更加舒适。

Description

下肢外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，具体涉及一种下肢外骨骼机器人，属于机械助力服设备技术领域。

背景技术

机械助力服类似的设备是从1963年美国外弹道实验室的Zaroodny发表的报告开始萌芽的。早期阶段的代表性机械外骨骼是美国通用电气公司的Hardiman，但是由于技术原因，该设备只实现了一只手臂的力量提升。21世纪以来，以美国、日本为首的外骨骼研发机构是该类设备的主要推动力；美国的成果产品大多立足于军队装备，着眼于大幅度提升人体机能，所以存在巨大耗能的问题，能源供应问题一直没办法解决；日本的骨骼服项目有HAL系列“混合辅助腿”、本田公司的助力机械腿、东京大学的能量辅助服。其中HAL系列是较为成功的先例，但是其下肢辅助的能力并未得到有效的提升，市场前景还尚不明朗，可改进的方面还有很多；以色列的“ReWalk”装置是以色列的埃尔格医学技术公司的阿密特·戈夫尔主持研究的一套康复医疗下肢助力外骨骼，下身麻痹患者可借助它站立、行走、爬楼梯。装置由电动腿和电池包组成，使用者还需要一副拐杖来帮助维持平衡，亦可用遥控器选定某种设置，如站、坐、走、爬等动作来激活装备。

但是现有这些外骨骼机器人的缺陷在于：1)成本昂贵，一般家庭难以负担；2)续航时间短，供能设备笨重或者不具有户外使用的能力；3)功能冗余，结构复杂不便于制造维护；4) 穿戴舒适性差，与人体贴合程度不高。

发明内容

针对现有技术的不足，现提供一种下肢外骨骼机器人，在满足基本行走、助力、医疗康复功能的前提下，对整个下肢助力服设备进行简化与整合，省去不必要的功能和结构，更加实用廉价，同时保持更优良的续航能力，更加符合人体工学，提高使用者穿戴舒适性。

为实现上述目的，一种下肢外骨骼机器人，包括背包组件、腰部包覆组件、髋关节组件、大腿杆、膝关节组件、小腿杆和脚部组件，腰部包覆组件与两组髋关节组件相连，髋关节组件分别连接两个大腿杆，大腿杆和小腿杆之间通过膝关节组件相连，两个脚部组件分别连接在两个小腿杆下端；背包组件包括背包和支撑板，背包内安装有锂电池与控制器，支撑板固定在背包的下端；腰部包覆组件包括腰部束缚带、中心固定板和L型杆，中心固定板连接在腰部束缚带的背部连接处，中心固定板上开有与支撑板相配合的卡槽，中心固定板下端的两侧与L型杆相连；髋关节组件包括髋关节电机、髋关节减速器以及一对锥齿轮，髋关节电机、髋关节减速器和锥齿轮一均竖直安装在大腿杆的外侧面，髋关节电机与髋关节减速器相连，髋关节减速器的输出轴与锥齿轮一相连，锥齿轮一和锥齿轮二直角啮合，锥齿轮二带动转轴一动作，转轴一铰接在L型杆端部铰接孔内，大腿杆的上端接头套装在转轴一上；膝关节组件包括膝关节电机、膝关节减速器和一对锥齿轮，膝关节电机、膝关节减速器和锥齿轮三均竖直安装在大腿杆的外侧面并设置在髋关节组件下方，膝关节电机与膝关节减速器相连，膝关节减速器的输出轴与锥齿轮三相连，锥齿轮三与锥齿轮四直角啮合，锥齿轮四带动转轴二动作，转轴二铰接在大腿杆下端的铰接孔内，小腿杆的上端接头套装在转轴二上；脚部组件包括脚踝弹性板和脚底板,脚踝弹性板为弯曲状，脚踝弹性板上端铰接在小腿杆的下端，脚踝弹性板另一端与脚底部相连；所述髋关节电机、髋关节减速器、膝关节电机和膝关节减速器均和背包内的控制器信号相连。

该设备的工作过程和人体行走的过程相似，首先一只腿进入摆动相，主要发力组件为髋关节组件，控制器发出信号给髋关节电机和髋关节减速器，髋关节电机通过中间传动部件带动大腿杆抬升，此时的膝关节组件基本处于自由摆动阶段，前腿脚踝弹性板势能为零，以达到最大程度地节省能量，于此同时另一只支撑腿为支撑相中期，需要最大的关节刚度，后腿脚踝弹性板势能储蓄达到整个行走过程的最大值；然后前腿进入支撑相初期，脚部组件开始与地面接触，前脚脚踝弹性板进行蓄能，起到减振作用；控制器给发出信号至前腿膝关节电机和膝关节减速器，膝关节电机开始运作，抵抗接触地面带来的反作用力；前腿髋关节电机反向转动，将整个身体拖向前进方向，同时另一只支撑腿进入支撑相末期，脚底板开始与地面分离，脚踝弹性,开始释放能量，后腿的膝关节电机,运作，将后腿的脚部组件带离地面，后腿的髋关节电机正向转动将后腿往前拖动；然后是前腿进入支撑相中期，需要最大的关节刚度，此时的前腿脚踝弹性板势能储蓄达到整个行走过程的最大值，后腿则相反的进入摆动相，主要发力部分为髋关节组件，膝关节组件几乎不发力，减少能耗和提高行走的连贯稳定性，脚踝弹性板势能变为零，至此前腿和后腿位置互换；后续动作交叉重复即可完成助力行走的任务。

进一步的，所述大腿杆为伸缩杆，大腿杆的截面为圆形。大腿杆采用伸缩杆可以适应不同身高的人体，从而使人体穿戴助力服更加舒适和贴合。

进一步的，所述小腿杆包括L型小腿上部杆和小腿下部杆，所述L型小腿上部杆具有向内侧的90°拐角，L型小腿上部杆的横截面为矩形，且其上端与膝关节组件中转轴二相连，其下端与小腿下部杆固定，小腿下部杆的横截面为圆形，小腿下部杆为伸缩杆，且其底部与脚踝弹性板的上端铰接。

L型小腿上部杆下端设计了向内侧的90°拐角，从而包覆住小腿后部，小腿下部杆采用伸缩杆以适应不同身高的人体，小腿下部杆与脚部组件的后端相连接，提供轴向转动的被动自由度的功能，使脚底板左右两侧均匀受力，进一步提高了人体的穿戴舒适度和贴合度。

优选的，所述腰部包覆组件中的中心固定板为贴合人体腰部外形的不规则型硬质塑料，所述腰部束缚带是柔软弹性材料。更加符合人体工学，大大提高使用者的舒适性能。

作为弹性蓄能组件，所述脚踝弹性板由C型板簧和固定板组成，固定板上端与小腿下部杆铰接，固定板下端与C型板簧固定相连，C型板簧的另一端与脚底板固定相连。

进一步的，所述脚底板内装有压力传感器，压力传感器与背包内控制器信号相连。从而更加精确控制整体协调稳定性。

本实用新型采用的下肢助力服，其中大腿杆与小腿杆均采用被动旋转自由度的伸缩调节杆，既可以满足不同身高人群需要，还降低了能耗，提高了机器人的续航能力；脚踝处设计有板簧弹性板，以及整体的行走过程利用势能转化充分节省能量，降低了控制复杂性，大幅压缩成本，使助力服设备民用的可能性大大提高；采用背包组件和腰部包覆组件作为主要固定绑腿结构，令使用者更加舒适。

附图说明

图1为本实用新型立体结构示意图；

图2为图1中背包组件的结构示意图；

图3为图1中腰部包覆组件的结构示意图；

图4为图1中髋关节组件的结构示意图；

图5为图1中大腿杆的结构示意图；

图6为图1中膝关节组件的结构示意图；

图7为图1中小腿杆的结构示意图；

图8为图1中脚部组件的结构示意图；

图中：1、背包组件；1.1、背包；1.2、支撑板；2、腰部包覆组件；2.1、腰部束缚带；2.2、中心固定板；2.3、L型杆；3、髋关节组件；3.1、髋关节电机；3.2、髋关节减速器；3.3、锥齿轮一；3.4、锥齿轮二；3.5、转轴一；4、大腿杆；4.1、上端接头；5、膝关节组件；5.1、膝关节电机；5.2、膝关节减速器；5.3、锥齿轮三；5.4、锥齿轮四；5.5、转轴二； 6、小腿杆；6.1、L型小腿上部杆；6.2、小腿下部杆；7、脚部组件；7.1、脚踝弹性板；7.11、 C型板簧；7.12、固定板；7.2、脚底板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1和图8所示，一种下肢外骨骼机器人，包括背包组件1、腰部包覆组件2、髋关节组件3、大腿杆4、膝关节组件5、小腿杆6和脚部组件7，腰部包覆组件2与两组髋关节组件3相连，髋关节组件3分别连接两个大腿杆4，大腿杆4和小腿杆6之间通过膝关节组件5 相连，两个脚部组件7分别连接在两个小腿杆6下端；背包组件1包括背包1.1和支撑板1.2，背包1.1内安装有锂电池与控制器，支撑板1.2固定在背包1.1的下端；腰部包覆组件2包括腰部束缚带2.1、中心固定板2.2和L型杆2.3，中心固定板2.2连接在腰部束缚带2.1的背部连接处，中心固定板2.2上开有与支撑板1.2相配合的卡槽，中心固定板2.2下端的两侧与L 型杆2.3相连；髋关节组件3包括髋关节电机3.1、髋关节减速器3.2以及一对锥齿轮，髋关节电机3.1、髋关节减速器3.2和锥齿轮一3.3均竖直安装在大腿杆4的外侧面，髋关节电机 3.1与髋关节减速器3.2相连，髋关节减速器3.2的输出轴与锥齿轮一3.3相连，锥齿轮一3.3 和锥齿轮二3.4直角啮合，锥齿轮二3.4带动转轴一3.5动作，转轴一3.5铰接在L型杆2.3 端部铰接孔内，大腿杆4的上端接头4.1套装在转轴一3.5上；膝关节组件5包括膝关节电机5.1、膝关节减速器5.2和一对锥齿轮，膝关节电机5.1、膝关节减速器5.2和锥齿轮三5.3均竖直安装在大腿杆4的外侧面并设置在髋关节组件3下方，膝关节电机5.1与膝关节减速器 5.2相连，膝关节减速器5.2的输出轴与锥齿轮三5.3相连，锥齿轮三5.3与锥齿轮四5.4直角啮合，锥齿轮5.4四带动转轴二5.5动作，转轴二5.5铰接在大腿杆4下端的铰接孔内，小腿杆6的上端接头6.1套装在转轴二5.5上；脚部组件7包括脚踝弹性板7.1和脚底板7.2,脚踝弹性板7.1为弯曲状，脚踝弹性板7.1上端铰接在小腿杆6的下端，脚踝弹性板7.1另一端与脚底部7.2相连；所述髋关节电机3.1、髋关节减速器3.2、膝关节电机5.1和膝关节减速器 5.2均和背包1.1内的控制器信号相连。

该设备的工作过程和人体行走的过程相似，首先一只腿进入摆动相，主要发力组件为髋关节组件，控制器发出信号给髋关节电机3.1和髋关节减速器3.2，髋关节电机3.1通过中间传动部件带动大腿杆4抬升，此时的膝关节组件5基本处于自由摆动阶段，前腿脚踝弹性板 7.1势能为零，以达到最大程度地节省能量，于此同时另一只支撑腿为支撑相中期，需要最大的关节刚度，后腿脚踝弹性板7.1势能储蓄达到整个行走过程的最大值；然后前腿进入支撑相初期，脚部组件7开始与地面接触，前脚脚踝弹性板7.1进行蓄能，起到减振作用；控制器给发出信号至前腿膝关节电机5.1和膝关节减速器5.2，膝关节电机开始运作，抵抗接触地面带来的反作用力；前腿髋关节电机3.1反向转动，将整个身体拖向前进方向，同时另一只支撑腿进入支撑相末期，脚底板7.2开始与地面分离，脚踝弹性,7.1开始释放能量，后腿的膝关节电机,5.1运作，将后腿的脚部组件7带离地面，后腿的髋关节电机3.1正向转动将后腿往前拖动；然后是前腿进入支撑相中期，需要最大的关节刚度，此时的前腿脚踝弹性板势能储蓄达到整个行走过程的最大值，后腿则相反的进入摆动相，主要发力部分为髋关节组件3，膝关节组件5几乎不发力，减少能耗和提高行走的连贯稳定性，脚踝弹性板势能变为零，至此前腿和后腿位置互换；后续动作交叉重复即可完成助力行走的任务。

进一步的，所述大腿杆4为伸缩杆，大腿杆的截面为圆形。大腿杆4采用伸缩杆可以适应不同身高的人体，从而使人体穿戴助力服更加舒适和贴合。

进一步的，所述小腿杆6包括L型小腿上部杆6.1和小腿下部杆6.2，所述L型小腿上部杆6.1具有向内侧的90°拐角，L型小腿上部杆的横截面为矩形，且其上端与膝关节组件中转轴二5.5相连，其下端与小腿下部杆6.2固定，小腿下部杆6.2的横截面为圆形，小腿下部杆6.2为伸缩杆，且其底部与脚踝弹性板7.1的上端铰接。

L型小腿上部杆6.1下端设计了向内侧的90度拐角，从而包覆住小腿后部，小腿下部杆6.2采用伸缩杆以适应不同身高的人体，小腿下部杆与脚部组件的后端相连接，提供轴向转动的被动自由度的功能，使脚底板左右两侧均匀受力，进一步提高了人体的穿戴舒适度和贴合度。

优选的，所述腰部包覆组件中的中心固定板2.2为贴合人体腰部外形的不规则型硬质塑料，所述腰部束缚带2.1是柔软弹性材料。更加符合人体工学，大大提高使用者的舒适性能。

作为弹性蓄能组件，所述脚踝弹性板7.1由C型板簧7.11和固定板7.12组成，固定板上端7.12与小腿下部杆6.2铰接，固定板下端7.12与C型板簧7.11固定相连，C型板簧7.11的另一端与脚底板7.2固定相连。

进一步的，所述脚底板7.2内装有压力传感器，压力传感器与背包1.1内控制器信号相连。从而更加精确控制整体协调稳定性。

Claims (6)

1.一种下肢外骨骼机器人，包括背包组件(1)、腰部包覆组件(2)、髋关节组件(3)、大腿杆(4)、膝关节组件(5)、小腿杆(6)和脚部组件(7)，腰部包覆组件(2)与两组髋关节组件(3)相连，髋关节组件(3)分别连接两个大腿杆(4)，大腿杆(4)和小腿杆(6)之间通过膝关节组件(5)相连，两个脚部组件(7)分别连接在两个小腿杆(6)下端；其特征在于，背包组件(1)包括背包(1.1)和支撑板(1.2)，背包(1.1)内安装有锂电池与控制器，支撑板(1.2)固定在背包(1.1)的下端；腰部包覆组件(2)包括腰部束缚带(2.1)、中心固定板(2.2)和L型杆(2.3)，中心固定板(2.2)连接在腰部束缚带(2.1)的背部连接处，中心固定板(2.2)上开有与支撑板(1.2)相配合的卡槽，中心固定板(2.2)下端的两侧与L型杆(2.3)相连；髋关节组件(3)包括髋关节电机(3.1)、髋关节减速器(3.2)以及一对锥齿轮，髋关节电机(3.1)、髋关节减速器(3.2)和锥齿轮一(3.3)均竖直安装在大腿杆(4)的外侧面，髋关节电机(3.1)与髋关节减速器(3.2)相连，髋关节减速器(3.2)的输出轴与锥齿轮一(3.3)相连，锥齿轮一(3.3)和锥齿轮二(3.4)直角啮合，锥齿轮二(3.4)带动转轴一(3.5)动作，转轴一(3.5)铰接在L型杆(2.3)端部铰接孔内，大腿杆(4)的上端接头(4.1)套装在转轴一(3.5)上；膝关节组件(5)包括膝关节电机(5.1)、膝关节减速器(5.2)和一对锥齿轮，膝关节电机(5.1)、膝关节减速器(5.2)和锥齿轮三(5.3)均竖直安装在大腿杆(4)的外侧面并设置在髋关节组件(3)下方，膝关节电机(5.1)与膝关节减速器(5.2)相连，膝关节减速器(5.2)的输出轴与锥齿轮三(5.3)相连，锥齿轮三(5.3)与锥齿轮四(5.4)直角啮合，锥齿轮(5.4)四带动转轴二(5.5)动作，转轴二(5.5)铰接在大腿杆(4)下端的铰接孔内，小腿杆(6)的上端接头(6.1)套装在转轴二(5.5)上；脚部组件(7)包括脚踝弹性板(7.1)和脚底板(7.2),脚踝弹性板(7.1)为弯曲状，脚踝弹性板(7.1)上端铰接在小腿杆(6)的下端，脚踝弹性板(7.1)另一端与脚底部(7.2)相连；所述髋关节电机(3.1)、髋关节减速器(3.2)、膝关节电机(5.1)和膝关节减速器(5.2)均和背包(1.1)内的控制器信号相连。

2.如权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿杆(4)为伸缩杆，大腿杆的截面为圆形。

3.如权利要求2所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿杆(6)包括L型小腿上部杆(6.1)和小腿下部杆(6.2)，所述L型小腿上部杆(6.1)具有向内侧的90°拐角，L型小腿上部杆的横截面为矩形，且其上端与膝关节组件中转轴二(5.5)相连，其下端与小腿下部杆(6.2)固定，小腿下部杆(6.2)的横截面为圆形，小腿下部杆(6.2)为伸缩杆，且其底部与脚踝弹性板(7.1)的上端铰接。

4.如权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部包覆组件中的中心固定板(2.2)为贴合人体腰部外形的不规则型硬质塑料，所述腰部束缚带(2.1)是柔软弹性材料。

5.如权利要求4所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述脚踝弹性板(7.1)由C型板簧(7.11)和固定板(7.12)组成，固定板上端(7.12)与小腿下部杆(6.2)铰接，固定板下端(7.12)与C型板簧(7.11)固定相连，C型板簧(7.11)的另一端与脚底板(7.2)固定相连。

6.如权利要求1至5任一权利要求所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述脚底板(7.2)内装有压力传感器，压力传感器与背包(1.1)内控制器信号相连。