CN210061119U - 动力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力外骨骼机器人，包括：胸背穿戴单元，穿戴支撑于用户的胸背部；腿部穿戴单元，穿戴于用户腿部，具有用于感测人机接触力的力传感器；髋部穿戴单元，穿戴于用户髋部；动力输出单元，设置于所述髋部穿戴单元上，所述动力输出单元的固定端通过第一传动杆件连接于所述胸背穿戴单元，所述动力输出单元的输出端通过第二传动杆件连接于所述腿部穿戴单元，所述动力输出单元根据所述力传感器的检测值输出助动力/助动力矩。本实用新型提供的动力外骨骼机器人可对髋部肌肉群与腰部肌肉群提供主动助力，降低人体行走和弯腰过程中的体能消耗与过劳损伤。

Description

动力外骨骼机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体地来说，是一种动力外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体技能、辅助运动方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。

近年来，随着研究的不断深入，外骨骼机器人在应用领域取得了重大进展。然而，目前的外骨骼机器人由于设计不合理，仍然存在自重大、能耗高、穿戴舒适性差、运动灵活性低等问题，严重制约了其产业化应用与发展。外骨骼机器人助力效果不佳，甚至对使用者造成额外负担而带来意外损伤。以上种种不足，现有技术尚难有效解决。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种动力外骨骼机器人，对髋部肌肉群与腰部肌肉群提供主动助力，降低人体行走和弯腰过程中的体能消耗与过劳损伤。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种动力外骨骼机器人，包括：

胸背穿戴单元，穿戴支撑于用户的胸背部；

腿部穿戴单元，穿戴于用户腿部，具有用于感测人机接触力的力传感器；

髋部穿戴单元，穿戴于用户髋部；

动力输出单元，设置于所述髋部穿戴单元上，所述动力输出单元的固定端通过第一传动杆件连接于所述胸背穿戴单元，所述动力输出单元的输出端通过第二传动杆件连接于所述腿部穿戴单元，所述动力输出单元根据所述力传感器的检测值输出助动力/助动力矩。

作为上述技术方案的改进，所述动力输出单元包括定子壳体及设置于所述定子壳体内的转子轴，所述第一传动杆件连接于所述定子壳体，所述第二传动杆件连接于所述转子轴。

作为上述技术方案的进一步改进，所述动力输出单元还包括背杆连接件，所述背杆连接件固定于所述定子壳体上，用于固定连接所述第一传动杆件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述动力输出单元还包括可旋转地保持于所述定子壳体表面的腿杆连接件，所述腿杆连接件一端固定连接所述转子轴，另一端固定连接所述第二传动杆件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述转子轴轴向水平，所述腿杆连接件位于所述动力输出单元接近用户髋部的一端，所述腿杆连接件与所述第二传动杆件的连接端位于所述动力输出单元的下端。

作为上述技术方案的进一步改进，所述髋部穿戴单元包括髋部座体及缠绕于所述髋部座体上的腰带，所述髋部座体穿戴于用户髋部，所述腰带用于实现松紧固定，所述动力输出单元设置于所述髋部座体上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述髋部座体面向用户髋部的一侧设有髋部软衬。

作为上述技术方案的进一步改进，所述胸背穿戴单元包括支撑于用户背部的背部支撑件，所述第一传动杆件滑动连接于所述背部支撑件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腿部穿戴单元包括贴合包裹于用户腿部的腿部支撑件，所述力传感器的安装部安装于所述腿部支撑件上而应变梁与所述腿部支撑件保持相距设置，所述第二传动杆件与所述力传感器的应变梁保持连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述动力外骨骼机器人还包括背负装置，所述背负装置设置于所述胸背穿戴单元的背部，用于装载重物。

本实用新型的有益效果是：

设置胸背穿戴单元、腿部穿戴单元、髋部穿戴单元与动力输出单元，以设置于腿部穿戴单元的力传感器感测人机接触力而实现主动测量，动力输出单元根据力传感器的检测值对应输出助动力/助动力矩，该助动力/助动力矩通过第一传动杆件传递于胸背穿戴单元及通过第二传动杆件传递于腿部穿戴单元，对髋部肌肉群与腰部肌肉群提供主动助力，降低人体行走和弯腰过程中的体能消耗与过劳损伤。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型实施例1提供的动力外骨骼机器人的前视轴测示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的动力外骨骼机器人的后视轴测示意图；

图3是图2中动力外骨骼机器人的M处放大示意图；

图4是图2中动力外骨骼机器人的N处放大示意图；

图5是本实用新型实施例1提供的动力外骨骼机器人的腿部穿戴单元的第一分解示意图；

图6是本实用新型实施例1提供的动力外骨骼机器人的腿部穿戴单元的第二分解示意图；

图7是本实用新型实施例1提供的动力外骨骼机器人的腿部穿戴单元的剖视示意图；

图8是本实用新型实施例1提供的动力外骨骼机器人的动力输出单元的轴测示意图。

主要元件符号说明：

P-动力外骨骼机器人，P(a)-胸背穿戴单元，110-背部支撑件，120-保持座，121-支持座体，122-导向件，130-弹性元件，140-肩带，P(b)-腿部穿戴单元，210-腿部支撑件，220-球接组件，221-球接前壳，221a-贯接孔，222-球接端盖，223-球面螺母，230-力传感器，231-安装部，232-应变梁，P(c)-髋部穿戴单元，310-髋部座体，320-腰带，330-髋部软衬，P(d)-动力输出单元，410-定子壳体，420-转子轴，430-背杆连接件，440-腿杆连接件，P(e)-背负装置，P(f)-第一传动杆件，P(g)-第二传动杆件。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对动力外骨骼机器人进行更全面的描述。附图中给出了动力外骨骼机器人的优选实施例。但是，动力外骨骼机器人可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对动力外骨骼机器人的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在动力外骨骼机器人的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～3，本实施例公开一种动力外骨骼机器人P，该动力外骨骼机器人P包括胸背穿戴单元P(a)、腿部穿戴单元P(b)、髋部穿戴单元P(c)与动力输出单元P(d)，对髋部肌肉群与腰部肌肉群提供主动助力，降低人体行走和弯腰过程中的体能消耗与过劳损伤。

胸背穿戴单元P(a)穿戴支撑于用户的胸背部，并通过第一传动杆件P(f)连接于动力输出单元P(d)，于动力输出单元P(d)的助动力/助动力矩支持下克服用户上半身(包括上部躯干及头部)之重力，替代或至少辅助髋部肌肉群而对用户的上半身实现支撑，降低人体行走和弯腰时髋部肌肉群的负重，进而降低体能消耗与过劳损伤。

可以理解，胸背穿戴单元P(a)于胸背部的穿戴，可仅穿戴于胸部或背部，亦可同时穿戴于胸部与背部。示范性地，胸背穿戴单元P(a)包括支撑于用户背部的背部支撑件110，第一传动杆件P(f)滑动连接于背部支撑件110。

换言之，一方面，第一传动杆件P(f)与背部支撑件110之间具有机械传动作用，以将动力输出单元P(d)输出的助动力/助动力矩传递于背部支撑件110；另一方面，第一传动杆件P(f)接近背部支撑件110的一端形成滑动端，该滑动端与背部支撑件110之间具有相对滑动，从而实现位置调节。

当用户上半身的姿态发生变化(例如弯腰或扭转)时，第一传动杆件P(f)与背部支撑件110发生相对滑动而自适应地调节位置，背部支撑件110不发生上下窜动而始终贴合于用户背部，使第一传动杆件P(f)输入的助动力/助动力矩得以可靠地作用于用户背部，穿戴舒适性佳、助力作用可靠。

前述的滑动连接可通过多种直线导向机构实现，例如滑块-导轨、导杆-导套等类型。示范性地，在本实施例中，背部支撑件110通过保持座120而实现与第一传动杆件P(f)的滑动连接。

其中，保持座120包括支持座体121与导向件122。支持座体121安装于背部支撑件110上，导向件122设置于支持座体121上并与第一传动杆件P(f)连接。该导向件122的类型众多，包括滑轨、导杆等类型。示范性地，导向件122为导杆，第一传动杆件P(f)的滑动端具有套环构造而套设于导向件122上，形成轴孔间隙配合。

示范性地，支持座体121上下两端分别具有限位部，实现对第一传动杆件P(f)的相对滑动的行程限位。例如，支持座体121具有匚型结构。其中，导向件122保持于支持座体121两端的限位部之间。

示范性地，第一传动杆件P(f)通过弹性元件130连接于背部支撑件110，弹性元件130的弹性力方向沿第一传动杆件P(f)的滑动方向，以弹性连接吸收人体行走及弯曲过程的冲击动能，保护背部支撑件110及用户背部免受冲击伤害。当第一传动杆件P(f)自适应地调节位置时，弹性元件130发挥吸能缓冲作用，使背部支撑件110免受第一传动杆件P(f)的滑动冲击而可靠地保持于当前位置。

示范性地，弹性元件130为复数个，并分居第一传动杆件P(f)的滑动端的两侧。示范性地，该复数个弹性元件130沿滑动端的滑动方向成对地共轴分布。其中，弹性元件130的种类众多，包括拉伸弹簧、压缩弹簧等弹簧类型。

示范性地，胸背穿戴单元P(a)包括肩带140，用于拴束于用户肩部，实现更佳的舒适穿戴。

腿部穿戴单元P(b)穿戴于用户腿部，并通过第二传动杆件P(g)连接于动力输出单元P(d)，于动力输出单元P(d)的助动力/助动力矩支持下克服用户腰部的重力，替代或至少辅助腰部肌肉群而对用户腰部实现支撑，降低人体行走和弯腰时腰部肌肉群的负重，进而降低体能消耗与过劳损伤。

请结合参阅图5～7，其中，腿部穿戴单元P(b)具有力传感器230。力传感器230用于感测人机接触力，为主动助力的计算与控制提供可靠的参数基础。力传感器230可采用不同的感应方式，示范性地，其为应变式感应方式。

力传感器230的结构形式多种多样，示范性地，力传感器230包括一体连接的安装部231及应变梁232。安装部231用于对外连接，应变梁232于外力作用下发生应变变形而感测外力。进一步地，安装部231具有环形构造，应变梁232位于环形内部。

示范性地，应变梁232具有平面锚型结构，包括锚杆及分居锚杆底端两侧的锚爪，锚杆与锚爪位于同一平面内。同时，安装部231与平面锚型结构的锚杆的顶端连接，使安装部231与应变梁232具有一体连接构造。于平面锚型结构下，锚爪的应变变形较为灵敏，并将应变转换为力而实现力学测量。

示范性地，腿部穿戴单元P(b)包括腿部支撑件210，腿部支撑件210贴合包裹于用户腿部。腿部连接件可采用不同的穿戴方式实现，包括全包围方式、半包围方式等类型。

其中，力传感器230的安装部231安装于腿部支撑件210上。应变梁232与腿部支撑件210保持相距设置，二者互不接触而避免发生应变干扰；第二传动杆件P(g)与应变梁232保持连接，二者之间直接发生力学传递而保证人机接触力的感测精度。可见，腿部支撑件210通过力传感器230与第二传动杆件P(g)实现连接。进一步地，第二传动杆件P(g)与应变梁232之间设置垫片，避免直接接触而进一步减少扰动。

示范性地，腿部支撑件210通过球接组件220与力传感器230连接。可以理解，球接组件220通过力传感器230与第二传动杆件P(g)连接。其中，腿部支撑件210与球接组件220之间形成球面副连接，具有三个转动自由度，使腿部支撑件210可自由地转动而贴合于不同用户的腿部，具有理想的适应性。

其中，腿部支撑件210远离用户腿部的一侧具有第一球型连接面，球接组件220接近用户腿部的一侧表面具有第二球型连接面。第一球型连接面与第二球型连接面相适应，形成球面副连接。同时，球接组件220远离用户腿部的一侧与力传感器230的安装部231安装固定，并与力传感器230的应变梁232保持相距设置而互不接触。

示范性地，球接组件220包括相互连接的球接前壳221与球接端盖222。其中，第二球型连接面位于球接前壳221远离球接端盖222的一侧表面。力传感器230的安装部231安装于球接前壳221接近球接端盖222的一侧表面。进一步地，球接前壳221与球接端盖222连接形成具有开口部的容纳腔，力传感器230位于容纳腔内，第二传动杆件P(g)自开口部贯入容纳腔而连接于力传感器230的应变梁232。

示范性地，球接组件220还包括球面螺母223。球接前壳221远离腿部支撑件210的一侧表面与球面螺母223之间形成球面副，球面螺母223与腿部支撑件210径向固定且周向转动连接。由此，球面螺母223与腿部支撑件210之间亦具有转动自由度而增强腿部支撑件210的自适应调节能力，更佳地贴合于用户腿部。其中，球面螺母223具有内螺纹，通过螺纹连接件而与腿部支撑件210实现连接紧固。

示范性地，球接前壳221接近腿部支撑件210的一侧中央处具有贯接孔221a，螺纹紧固件贯穿贯接孔221a后螺纹连接于球面螺母223。可以理解，螺纹紧固件与贯接孔221a之间具有间隙配合。贯接孔221a的作用还在于，限制球接前壳221的转动角度范围。其中，贯接孔221a的外径小于球面螺母223的外径，尤其是小于球面螺母223的球型表面的外径，保证球型表面与球接前壳221确切地实现球面副连接。

请结合参阅图1～4，髋部穿戴单元P(c)穿戴于用户髋部，将力学作用自髋骨传入人体骨架，降低肌肉群的负荷。示范性地，髋部穿戴单元P(c)包括髋部座体310及缠绕于髋部座体310上的腰带320。其中，髋部座体310穿戴于用户髋部，腰带320用于实现松紧固定，而动力输出单元P(d)设置于髋部座体310上。示范性地，髋部座体310面向用户髋部的一侧设有髋部软衬330。髋部软衬330由软性材料制成，例如硅胶、橡胶、软性塑料等类型，具有柔软的触感而提高穿戴适应性。

请结合参阅图1～4及图8，动力输出单元P(d)设置于髋部穿戴单元P(c)上，用于根据力传感器230的检测值输出助动力/助动力矩。其中，动力输出单元P(d)的固定端通过第一传动杆件P(f)连接于胸背穿戴单元P(a)，动力输出单元P(d)的输出端通过第二传动杆件P(g)连接于腿部穿戴单元P(b)。

动力输出单元P(d)可采用多种方式实现，包括旋转电机、液压马达等类型。示范性地，动力输出单元P(d)为旋转电机，其包括定子壳体410及设置于定子壳体410内的转子轴420。其中，第一传动杆件P(f)连接于定子壳体410，向胸背穿戴单元P(a)输出主动助力；第二传动杆件P(g)连接于转子轴420，向腿部穿戴单元P(b)输出主动助力。

示范性地，动力输出单元P(d)还包括背杆连接件430。背杆连接件430固定于定子壳体410上，用于固定连接第一传动杆件P(f)。示范性地，背杆连接件430具有可调节松紧的连接孔，第一传动杆件P(f)插入连接孔后由调节螺栓而实现松紧调节，使背杆连接件430可连接不同规格的第一传动杆件P(f)。进一步地，该连接孔为贯穿孔，使第一传动杆件P(f)的上下跨度得以调节而适应不同用户的体形。

示范性地，动力输出单元P(d)还包括可旋转地保持于定子壳体410表面的腿杆连接件440。腿杆连接件440一端固定连接转子轴420，另一端固定连接第二传动杆件P(g)，从而传递转子轴420输出的主动助力。

示范性地，腿杆连接件440具有可调节松紧的连接孔，二传动杆件插入连接孔后由调节螺栓而实现松紧调节，使腿杆连接件440可连接不同规格的二传动杆件。进一步地，该连接孔为贯穿孔，使二传动杆件的上下跨度得以调节而适应不同用户的体形。

示范性地，转子轴420轴向水平，腿杆连接件440位于动力输出单元P(d)接近用户髋部的一端，腿杆连接件440与第二传动杆件P(g)的连接端位于动力输出单元P(d)的下端，压缩传递路径而提高力学传递效率，同时压缩尺寸而减少空间占用。

示范性地，动力外骨骼机器人P还包括背负装置P(e)，背负装置P(e)设置于胸背穿戴单元P(a)的背部，用于装载重物。该背负装置P(e)可通过不同的形式实现，如背架、背箱、背筐等类型。示范性地，该背负装置P(e)具有箱体结构，内部设置主控单元而形成主控箱。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种动力外骨骼机器人，其特征在于，包括：

胸背穿戴单元，穿戴支撑于用户的胸背部；

腿部穿戴单元，穿戴于用户腿部，具有用于感测人机接触力的力传感器；

髋部穿戴单元，穿戴于用户髋部；

动力输出单元，设置于所述髋部穿戴单元上，所述动力输出单元的固定端通过第一传动杆件连接于所述胸背穿戴单元，所述动力输出单元的输出端通过第二传动杆件连接于所述腿部穿戴单元，所述动力输出单元根据所述力传感器的检测值输出助动力/助动力矩。

2.根据权利要求1所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述动力输出单元包括定子壳体及设置于所述定子壳体内的转子轴，所述第一传动杆件连接于所述定子壳体，所述第二传动杆件连接于所述转子轴。

3.根据权利要求2所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述动力输出单元还包括背杆连接件，所述背杆连接件固定于所述定子壳体上，用于固定连接所述第一传动杆件。

4.根据权利要求2所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述动力输出单元还包括可旋转地保持于所述定子壳体表面的腿杆连接件，所述腿杆连接件一端固定连接所述转子轴，另一端固定连接所述第二传动杆件。

5.根据权利要求4所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述转子轴轴向水平，所述腿杆连接件位于所述动力输出单元接近用户髋部的一端，所述腿杆连接件与所述第二传动杆件的连接端位于所述动力输出单元的下端。

6.根据权利要求1所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋部穿戴单元包括髋部座体及缠绕于所述髋部座体上的腰带，所述髋部座体穿戴于用户髋部，所述腰带用于实现松紧固定，所述动力输出单元设置于所述髋部座体上。

7.根据权利要求6所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋部座体面向用户髋部的一侧设有髋部软衬。

8.根据权利要求1所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述胸背穿戴单元包括支撑于用户背部的背部支撑件，所述第一传动杆件滑动连接于所述背部支撑件。

9.根据权利要求1所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部穿戴单元包括贴合包裹于用户腿部的腿部支撑件，所述力传感器的安装部安装于所述腿部支撑件上而应变梁与所述腿部支撑件保持相距设置，所述第二传动杆件与所述力传感器的应变梁保持连接。

10.根据权利要求1所述的动力外骨骼机器人，其特征在于，还包括背负装置，所述背负装置设置于所述胸背穿戴单元的背部，用于装载重物。

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