CN211491526U

CN211491526U - 一种下肢助力的外骨骼机器人

Info

Publication number: CN211491526U
Application number: CN201922402671.1U
Authority: CN
Inventors: 魏巍; 林西川; 岳春峰; 刘晶晶
Original assignee: Jiangsu Jicui Micro Nano Automation System And Equipment Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Maybe Intelligent Technology (Suzhou) Co.,Ltd.
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2029-12-27

Abstract

本实用新型公开了一种下肢助力的外骨骼机器人，包括大腿板、小腿板、离合装置、第一弹性元件和第二弹性元件，大腿板和小腿板通过离合装置转动连接；第一弹性元件的一端和大腿板的游离端铰接，另一端和离合装置的上连接件铰接；第二弹性元件的一端和小腿板的游离端铰接，另一端和离合装置的下连接件铰接；离合装置工作时，上连接件和下连接件之间的夹角小于大腿板和小腿板之间的夹角；离合装置未工作时，上连接件和下连接件之间的夹角等于大腿板和小腿板之间的夹角。本实用新型其既可以在站立阶段提供助力又不阻碍摆动阶段的摆动的助力外骨骼机器人，以解决现有的跑步助力外骨骼机器人大都阻碍人体大腿摆动，增加代谢消耗的问题。

Description

一种下肢助力的外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种下肢助力的外骨骼机器人。

背景技术

人体在跑步过程中可分为站立阶段和摆动阶段，已有研究表明，可以用弹簧质量模型区近似估计人体跑步过程中站立阶段的腿的力学特性。根据这一原理，已有几款外骨骼应用于人体跑步过程中的助力，然而大多数应用于跑步助力的外骨骼机器人，虽然能在人体站立阶段提供助力，减轻关节和肌肉负荷，然而在人体下肢摆动阶段却起到了阻碍作用，这无疑增大了人体跑步过程中的能量消耗。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种下肢助力的外骨骼机器人，其既可以在站立阶段提供助力又不阻碍摆动阶段的摆动的助力外骨骼机器人，以解决现有的跑步助力外骨骼机器人大都阻碍人体大腿摆动，增加代谢消耗的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种下肢助力的外骨骼机器人，包括大腿板、小腿板、离合装置、第一弹性元件和第二弹性元件，所述大腿板和所述小腿板通过所述离合装置转动连接；所述第一弹性元件的一端和所述大腿板的游离端铰接，另一端和所述离合装置的上连接件铰接；所述第二弹性元件的一端和所述小腿板的游离端铰接，另一端和所述离合装置的下连接件铰接；所述离合装置工作时，所述上连接件和所述下连接件之间的夹角小于所述大腿板和所述小腿板之间的夹角；所述离合装置未工作时，所述上连接件和所述下连接件之间的夹角等于所述大腿板和所述小腿板之间的夹角。

进一步的，所述离合装置包括第一轮齿、第二轮齿和电磁离合器，所述电磁离合器能够控制所述第一轮齿和所述第二轮齿啮合或分离。

进一步的，所述离合装置还包括齿轮圈、中心齿轮和若干行星齿轮，所述行星齿轮环绕所述中心齿轮设置，并与所述中心齿轮外啮合；所述齿轮圈套设在所述行星齿轮的外部，并与所述行星齿轮内啮合；所述齿轮圈和所述下连接件连接，所述行星齿轮连接有输出端，所述输出端和所述上连接件连接。

进一步的，所述电磁离合器能够由位于膝关节处的光电编码器控制。

进一步的，膝关节处设置有加速度传感器，所述加速度传感器和所述光电编码器电性连接。

进一步的，所述大腿板和所述小腿板的材料均包括纤维材料。

进一步的，所述第一弹性元件通过第一旋转轴和所述大腿板铰接，所述第一旋转轴和插设在所述中心齿轮上的固定轴平行。

进一步的，所述第二弹性元件通过第二旋转轴和所述小腿板铰接，所述第二旋转轴和插设在所述中心齿轮上的固定轴平行。

进一步的，所述大腿板和所述小腿板上均设置有绑带。

本实用新型的有益效果：

利用离合装置控制设置在大腿板上的第一弹性元件，以及设置在小腿板上的第二弹性元件能够在站立阶段锁定离合装置，使得第一弹性元件和第二弹性元件被压缩从而储备弹性势能；在摆动阶段离合装置解锁，第一弹性元件和第二弹性元件未被压缩，大腿板和小腿板可以自由转动，从而不影响人体腿部的运动，上述设计符合人体在跑步和跳跃过程中能量存储主要在站立阶段，使得本设计符合人体工程学原理，增加了人机耦合的程度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中离合装置的结构示意图；

图3是本实用新型中离合装置的示意图；

图4是本实用新型中离合装置工作时的示意图；

图5是本实用新型的工作原理示意图。

图中标号说明：1、大腿板；2、第一弹性元件；3、小腿板；4、第二弹性元件；5、绑带；6、离合装置；61、齿轮圈；62、中心齿轮；621、固定轴；63、行星齿轮；64、上连接件；65、下连接件；66、第一轮齿；67、第二轮齿；68、电磁离合器；69、输出端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1-图5所示，本实用新型的一种下肢助力的外骨骼机器人的一实施例，包括大腿板1、小腿板3、离合装置6、第一弹性元件2和第二弹性元件4，大腿板1和小腿板3通过离合装置6铰接。第一弹性元件2的一端和大腿板1的游离端铰接，另一端和离合装置6的上连接件64铰接。第二弹性元件4的一端和小腿板3的游离端铰接，另一端和离合装置6的下连接件65铰接。

离合装置6包括第一轮齿66、第二轮齿67和电磁离合器68，第一轮齿66和第二轮齿67能够外啮合，同时电磁离合器68用于控制第一轮齿66和第二轮齿67的啮合和分离。离合装置6还包括齿轮圈61、中心齿轮62和若干行星齿轮63，全部的行星齿轮63环绕中心齿轮62设置，并且全部的行星齿轮63均与中心齿轮62啮合。同时齿轮圈61套设在中心齿轮62和行星齿轮63的外部，全部的行星齿轮63均与齿轮圈61内啮合。本实施例中中心齿轮62通过固定轴621与外壳固定连接，任一行星齿轮63上穿设有输出端69，输出端69和上连接件64连接；同时齿轮圈61和下连接件65连接。

当离合装置6工作时，电磁离合器68能够推动第一轮齿66向输出端69运动，从而电磁推动第一轮齿66和第二轮齿67外啮合，此时，输出端69和行星齿轮63刚性连接，输出端69带动行星齿轮63围绕中心齿轮62旋转，并且能通过行星齿轮63和齿轮圈61的内啮合带动齿轮圈61旋转，此时齿轮圈61的旋转方向和小腿板3的运动方向相同，但是旋转速度低于小腿板的旋转速度，因而使得离合装置6的下连接件65和上连接件64之间的夹角小于大腿板1和小腿板3之间的夹角。因而此时第一弹性元件2和第二弹性元件4均处于被压缩的状态，当大腿板1和小腿板3之间的夹角变小时，第一弹性元件2和第二弹性元件4会释放弹性势能。因而在跳跃和跑步的过程中，通过第一弹性元件2和第二弹性元件4存储由人体腿部肌肉等伸缩产生的能量，减少人体代谢消耗。

当离合装置6未工作时，通过电磁离合器68内部的弹簧能够驱动第一轮齿66运动，从而使得第一轮齿66和第二轮齿67分离，此时输出端69和行星齿轮63的连接解除，使得输出端69可以自由转动。因而下连接件65和上连接件64之间的角度等于大腿板1和小腿板3之间的角度，此时，第一弹性元件2和第二弹性元件4均未被压缩，处于未蓄能的状态。利用离合装置6控制设置在大腿板1上的第一弹性元件2，以及设置在小腿板3上的第二弹性元件4能够在站立阶段锁定离合装置6，使得第一弹性元件2和第二弹性元件4被压缩从而储备弹性势能；在摆动阶段离合装置6解锁，第一弹性元件2和第二弹性元件4未被压缩，大腿板1和小腿板3可以自由转动，从而不影响人体腿部的运动，上述设计符合人体在跑步和跳跃过程中能量存储主要在站立阶段，使得本设计符合人体工程学原理，增加了人机耦合的程度。

电磁离合器68内部设置有光电编码器，从而能够通过光电编码器控制电磁离合器68的开通和断开，使得电磁离合器68的工作更加准确。同时，膝关节处设置有加速度传感器，并且加速度传感器和光电编码器电性连接。人体在跑步和跳跃阶段，站立阶段和摆动阶段时膝关节的加速度不同，因而通过加速度传感器可以监测膝关节处的加速度，以将信号传输给电磁离合器68，从而利用电磁离合器68控制第一轮齿66和第二轮齿67之间的啮合和分离。

中心齿轮62的中部插设有固定轴621，以将中心齿轮62和壳体连接。第一弹性元件2和大腿板1通过第一旋转轴铰接，并且第一旋转轴和上述固定轴621平行设置，从而能够减小大腿板1旋转时的干涉，以符合人体工程学。第二弹性元件4和小腿板3通过第二旋转轴铰接，并且第二旋转轴和上述固定轴621平行设置，从而能够减小小腿板3旋转时的干涉，以符合人体工程学。

大腿板1和小腿板3的材料均包括纤维材料，本实施例中纤维材料选用玻璃纤维，以保证大腿板1和小腿板3具有较好的强度和性能，同时能够减小大腿板1和小腿板3的质量，以增大穿戴时的舒适性。此外，第一弹性元件2优选板簧等长条形弹性件，第二弹性元件4也优选板簧等长条形弹性件，以利用第一弹性元件2和第二弹性元件4储存和释放能量。

大腿板1和小腿板3上均设置有绑带5，以便于大腿板1和小腿板3的固定。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，包括大腿板、小腿板、离合装置、第一弹性元件和第二弹性元件，所述大腿板和所述小腿板通过所述离合装置转动连接；所述第一弹性元件的一端和所述大腿板的游离端铰接，另一端和所述离合装置的上连接件铰接；所述第二弹性元件的一端和所述小腿板的游离端铰接，另一端和所述离合装置的下连接件铰接；所述离合装置工作时，所述上连接件和所述下连接件之间的夹角小于所述大腿板和所述小腿板之间的夹角；所述离合装置未工作时，所述上连接件和所述下连接件之间的夹角等于所述大腿板和所述小腿板之间的夹角。

2.如权利要求1所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述离合装置包括第一轮齿、第二轮齿和电磁离合器，所述电磁离合器能够控制所述第一轮齿和所述第二轮齿啮合或分离。

3.如权利要求2所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述离合装置还包括齿轮圈、中心齿轮和若干行星齿轮，所述行星齿轮环绕所述中心齿轮设置，并与所述中心齿轮外啮合；所述齿轮圈套设在所述行星齿轮的外部，并与所述行星齿轮内啮合；所述齿轮圈和所述下连接件连接，所述行星齿轮连接有输出端，所述输出端和所述上连接件连接。

4.如权利要求3所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述电磁离合器能够由位于膝关节处的光电编码器控制。

5.如权利要求4所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，膝关节处设置有加速度传感器，所述加速度传感器和所述光电编码器电性连接。

6.如权利要求1所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿板和所述小腿板的材料均包括纤维材料。

7.如权利要求3所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述第一弹性元件通过第一旋转轴和所述大腿板铰接，所述第一旋转轴和插设在所述中心齿轮上的固定轴平行。

8.如权利要求3所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述第二弹性元件通过第二旋转轴和所述小腿板铰接，所述第二旋转轴和插设在所述中心齿轮上的固定轴平行。

9.如权利要求1所述的下肢助力的外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿板和所述小腿板上均设置有绑带。