CN215821601U - 一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，包括髋关节、膝关节、踝关节、驱动装置、大腿组件和小腿组件；所述髋关节通过所述大腿组件与所述膝关节活动连接，所述膝关节通过所述小腿组件与所述踝关节连接，两个所述髋关节之间通过腰部组件活动连接，所述驱动装置用于驱动所述大腿组件和小腿组件运动；所述小腿组件底部活动连接有支撑脚板，所述支撑脚板与所述小腿组件之间连接有弹性装置。本实用新型提供的仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，增强了足部与地面的柔性接触，更便于帮助穿戴者行走。
Description
技术领域
本实用新型涉及助力与医疗康复训练机器人技术领域，特别是涉及一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人。
背景技术
下肢外骨骼是一种穿戴在使用者身体外部的一种助力装置，能够帮助穿戴者完成保护支撑、行走助力等功能。它综合了控制、机械和传感等关键技术，是高度融合的人机一体化产品。
现有的下肢外骨骼机器人的膝关节大多采用两杆铰接的方式，它的旋转中心是固定的，而通过对人体膝关节的研究：膝关节转动时，其瞬时旋转中心(ICR)的轨迹有呈“J”形变化的特点。因此，这种设计与人体关节差别较大，仿生特性与运动性能都比较差。其次，现有的下肢外骨骼足部与地面接触的刚度较大，容易造成不稳定。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，以解决上述现有技术存在的问题，增强了足部与地面的柔性接触，更便于帮助穿戴者行走。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
本实用新型提供一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，包括髋关节、膝关节、踝关节、驱动装置、大腿组件和小腿组件；所述髋关节通过所述大腿组件与所述膝关节活动连接，所述膝关节通过所述小腿组件与所述踝关节连接，两个所述髋关节之间通过腰部组件活动连接，能够实现屈伸自由度的主动驱动，其他两个自由度为被动转动，所述驱动装置用于驱动所述大腿组件和小腿组件运动；所述小腿组件底部活动连接有支撑脚板，支撑脚板上设有足部压力传感器，它与实时计算机控制系统连接，反馈足底压力变化信号，对下肢外骨骼进行控制，所述支撑脚板与所述小腿组件之间连接有弹性装置，通过弹性装置降低了刚性接触。
可选的，所述髋关节包括外展内收模块、内旋外旋摆动块和屈伸摆动块；所述外展内收模块上部设置有连接块，所述连接块上开设有连接孔，所述连接块活动卡接于所述腰部组件一端的卡槽内，且所述腰部组件的卡槽内开设有与所述连接孔对应的通孔，所述通孔和连接孔内插设有连接轴；所述外展内收模块底部通过转轴与所述内旋外旋摆动块铰接，且所述转轴的竖直投影与所述连接轴的竖直投影垂直；所述内旋外旋摆动块底部开设有阶梯孔，所述阶梯孔远离所述屈伸摆动块的一端内部活动设置圆形限位块，所述阶梯孔靠近所述屈伸摆动块一端的内径尺寸小于所述圆形限位块的直径尺寸，所述屈伸摆动块顶部固定设置有转动柱，所述转动柱穿设于所述阶梯孔内，且所述转动柱末端与所述圆形限位块固定连接；所述屈伸摆动块底部与所述大腿组件顶部铰接。
可选的，所述大腿组件包括大腿下滑槽，所述大腿下滑槽内滑动设置有大腿上滑槽，所述大腿上滑槽侧壁上均匀开设有多个螺纹孔，所述大腿下滑槽侧壁上开设有第一定位孔，所述第一定位孔与所述螺纹孔能够通过螺栓固定连接；所述小腿组件包括小腿下滑槽，所述小腿下滑槽内滑动设置有小腿上滑槽，所述小腿上滑槽侧壁上均匀开设有多个螺钉孔，所述小腿下滑槽侧壁上开设有第二定位孔，所述第二定位孔与所述螺钉孔能够通过螺钉固定连接；所述小腿上滑槽和大腿下滑槽之间连接有所述膝关节；所述大腿下滑槽和小腿下滑槽内侧均设置有腿部连接装置。
可选的，所述膝关节包括膝关节上支撑块、膝关节长摆动板、膝关节短摆动板和膝关节下支撑块；所述膝关节上支撑块顶部与所述大腿下滑槽底部固定连接，所述膝关节下支撑块底部与所述小腿上滑槽顶部固定连接，所述膝关节上支撑块底部两端分别通过膝关节长摆动板和膝关节短摆动板与膝关节下支撑块顶部两端铰接；所述膝关节上支撑块、膝关节长摆动板、膝关节短摆动板和膝关节下支撑块构成一四连杆机构，膝关节上设有铰接头，用于铰接驱动装置来驱动膝关节下支撑块运动，从而带动小腿组件实现屈伸运动，膝关节长摆动板与膝关节短摆动板的长度(铰接孔的直线距离)之和小于等于膝关节上支撑块与膝关节下支撑块的长度(铰接孔的直线距离)之和，膝关节短摆动板是最短杆。
可选的，所述踝关节包括与所述小腿下滑槽底部铰接的踝关节铰接板，所述踝关节铰接板底部铰接有连接底板，所述支撑脚板外侧与所述连接底板固定连接；所述踝关节铰接板能够绕所述小腿下滑槽底部前后转动，所述弹性装置包括对称设置于所述踝关节铰接板前后两端的两个弹簧，所述弹簧一端与所述小腿下滑槽侧壁固定连接，另一端与所述连接底板固定连接。
可选的，所述驱动装置包括结构相同的第一伸缩驱动装置和第二伸缩驱动装置，所述第一伸缩驱动装置上部固定端与固定设置于所述屈伸摆动块前端侧壁上的铰接支架铰接，所述第一伸缩驱动装置下部伸缩端与固定设置于所述大腿下滑槽前端侧壁上的铰接支架铰接；所述第二伸缩驱动装置上部固定端与固定设置于所述大腿下滑槽后端侧壁上的铰接支架铰接，所述第二伸缩驱动装置下部伸缩端与固定设置于所述小腿上滑槽后端侧壁上的铰接支架铰接。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
现有的外骨骼机器人一般把膝关节设计为两个连杆铰接，旋转中心是固定的，但人体运动时膝关节的瞬时旋转中心是呈“J”型曲线移动的。根据外骨骼拟人化的设计要求，本实用新型设计的膝关节采用四连杆结构来模拟上述特点，这种结构对人体膝关节的仿生性能更高，更贴合人体下肢结构。
本实用新型设计了滑槽轨道机构来调节大腿和小腿的长度，使能满足不同人群的需求，同时直线驱动装置的安装位置也能适当调节，提高了下肢外骨骼的可穿戴性。
现有的下肢外骨骼足部与地面接触的刚度较大，容易造成不稳定，本实用新型通过为下肢外骨骼的踝关节添加弹性装置，增强足部与地面的柔性接触，更便于帮助穿戴者行走。
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获得其他的附图。
图1为仿生膝关节的下肢外骨骼机器人结构示意图；
图2为髋关节的结构示意图；
图3为膝关节的结构示意图；
图4为踝关节的结构示意图；
图5为图1侧视结构示意图；
图6(a)为膝关节转动时四连杆机构和旋转中心的变化的模型示意图；
图6(b)为膝关节不同弯曲角度时四连杆机构叠加的模型图；
其中，1为髋关节，2为膝关节，3为踝关节，4为驱动装置，5为大腿组件，6为小腿组件，101为外展内收模块，102为内旋外旋摆动块，103为屈伸摆动块，201为膝关节上支撑块、202为膝关节长摆动板，203为膝关节短摆动板，204为膝关节下支撑块，301为连接底板，302为弹性装置，303为踝关节铰接板，304为支撑脚板，401为大腿上滑槽，402为大腿下滑槽，403为铰接支架，404为小腿上滑槽，405为小腿下滑槽。
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。
本实用新型的目的是提供一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，以解决上述现有技术存在的问题，增强了足部与地面的柔性接触，更便于帮助穿戴者行走。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，本实用新型提供一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，包括髋关节1、膝关节2、踝关节3、驱动装置4、大腿组件5和小腿组件6；其中，髋关节1通过大腿组件5与膝关节2连接，膝关节2通过小腿组件6与踝关节3连接，左右两侧髋关节1通过腰部连接件连接，驱动装置4的位置可以根据实际需要进行调节。
如图2所示，髋关节1包括外展内收模块101、内旋外旋摆动块102和屈伸摆动块103，它设计了3个自由度，并且都设置了机械限位，髋关节上端与腰部组件连接，下端与大腿组件5连接，具体的，外展内收模块101底部通过转轴与内旋外旋摆动块102铰接，且转轴的竖直投影与连接轴的竖直投影垂直；内旋外旋摆动块102底部开设有阶梯孔，阶梯孔远离屈伸摆动块103的一端内部活动设置圆形限位块，阶梯孔靠近屈伸摆动块103一端的内径尺寸小于圆形限位块的直径尺寸，屈伸摆动块103顶部固定设置有转动柱，转动柱穿设于阶梯孔内，且转动柱末端与圆形限位块固定连接；屈伸摆动块103底部与大腿组件5顶部铰接，髋关节1从上到下依次是外展内收、内旋外旋和屈伸自由度，其中屈伸自由度为主动驱动，可控制大腿组件5进行屈伸运动，其它自由度为被动设计。
如图3所示，膝关节2包括膝关节上支撑块201、膝关节长摆动板202、膝关节短摆动板203和膝关节下支撑块204。其中，膝关节上支撑块201通过膝关节长摆动板202和膝关节短摆动板203，与膝关节下支撑块204铰接。膝关节上支撑块201、膝关节长摆动板202、膝关节短摆动板203和膝关节下支撑块204构成一种四连杆机构，能够充分模仿膝关节“J”型曲线的移动方式，对膝关节的仿生度更高；膝关节长摆动板202和膝关节短摆动板203延长线的交点P是膝关节的瞬时旋转中心，随着膝关节转动点P也随之移动。
如图4所示，踝关节3包括与小腿下滑槽405连接的踝关节铰接板303，弹性装置302，支撑脚板304，其中，小腿下滑槽405通过踝关节铰接板303与连接底板301铰接，连接底板301与支撑脚板304外侧固定连接，实现足部的屈伸运动，另外，在连接底板301与小腿下滑槽405设有弹性装置302，增强足部与地面的柔性接触，更便于帮助穿戴者行走。
如图5所示，大腿组件包括大腿上滑槽401，大腿下滑槽402和驱动装置4。大腿上滑槽401侧壁上设有若干螺纹孔，大腿下滑槽402侧壁上设有第一定位孔，调节螺纹孔与第一定位孔的对齐方式可调节大腿的长度。大腿下滑槽402前后两侧面分别设有铰接支架403，其与驱动装置4铰接，用于连接控制踝关节和膝关节屈伸方向的转动。小腿支撑组件包括小腿上滑槽404和小腿下滑槽405，小腿上滑槽404上有螺钉孔，小腿下滑槽405设有第二定位孔，可用于调节小腿长度。小腿上滑槽404后侧面有铰接支架403，与驱动装置4配合，用于连接控制膝关节的驱动装置4。驱动装置4可以采用液压缸或油缸等结构，包括结构相同的第一伸缩驱动装置和第二伸缩驱动装置，第一伸缩驱动装置上部固定端与固定设置于屈伸摆动块103前端侧壁上的铰接支架403铰接，第一伸缩驱动装置下部伸缩端与固定设置于大腿下滑槽402前端侧壁上的铰接支架403铰接；第二伸缩驱动装置上部固定端与固定设置于大腿下滑槽402后端侧壁上的铰接支架403铰接，第二伸缩驱动装置下部伸缩端与固定设置于小腿上滑槽404后端侧壁上的铰接支架403铰接。
图6(a)为运动时四连杆膝关节的运动模型，膝关节上支撑块201、膝关节长摆动板202、膝关节短摆动板203和膝关节下支撑块204构成一种四连杆机构，各铰接点分别为A、B、C和D，膝关节长摆动板202和膝关节短摆动板203延长线的交点为膝关节的旋转中心，四连杆膝关节通过驱动装置带动旋转，同时控制膝关节的旋转角度，避免出现膝关节外翻等危险动作，因此要保证膝关节的旋转中心和下端踝关节的轨迹与人腿相应轨迹相同，这是一个刚体综合引导问题，求得参数范围后进行优化，从而得到下肢外骨骼机器人的设计参数。图6(b)所示为膝关节不同弯曲角度时四连杆机构叠加的模型图，可以看出其旋转中心确实呈“J”型曲线移动，符合人体膝关节的旋转中心的运动轨迹。本实用新型设计了曲柄摇杆结构的膝关节，对人体膝关节的仿生性能更高，更贴合人体下肢结构，提高了仿生性能。通过为下肢外骨骼的踝关节添加弹性装置，增强足部与地面的柔性接触，更便于帮助穿戴者行走。通过滑槽轨道机构来调节大腿和小腿的长度，能满足不同人群的需求，并且结构简单。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (6)
1.一种仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括髋关节、膝关节、踝关节、驱动装置、大腿组件和小腿组件；所述髋关节通过所述大腿组件与所述膝关节活动连接，所述膝关节通过所述小腿组件与所述踝关节连接，两个所述髋关节之间通过腰部组件活动连接，所述驱动装置用于驱动所述大腿组件和小腿组件运动；所述小腿组件底部活动连接有支撑脚板，所述支撑脚板与所述小腿组件之间连接有弹性装置。
2.根据权利要求1所述的仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节包括外展内收模块、内旋外旋摆动块和屈伸摆动块；所述外展内收模块上部设置有连接块，所述连接块上开设有连接孔，所述连接块活动卡接于所述腰部组件一端的卡槽内，且所述腰部组件的卡槽内开设有与所述连接孔对应的通孔，所述通孔和连接孔内插设有连接轴；所述外展内收模块底部通过转轴与所述内旋外旋摆动块铰接，且所述转轴的竖直投影与所述连接轴的竖直投影垂直；所述内旋外旋摆动块底部开设有阶梯孔，所述阶梯孔远离所述屈伸摆动块的一端内部活动设置圆形限位块，所述阶梯孔靠近所述屈伸摆动块一端的内径尺寸小于所述圆形限位块的直径尺寸，所述屈伸摆动块顶部固定设置有转动柱，所述转动柱穿设于所述阶梯孔内，且所述转动柱末端与所述圆形限位块固定连接；所述屈伸摆动块底部与所述大腿组件顶部铰接。
3.根据权利要求2所述的仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述大腿组件包括大腿下滑槽，所述大腿下滑槽内滑动设置有大腿上滑槽，所述大腿上滑槽侧壁上均匀开设有多个螺纹孔，所述大腿下滑槽侧壁上开设有第一定位孔，所述第一定位孔与所述螺纹孔能够通过螺栓固定连接；所述小腿组件包括小腿下滑槽，所述小腿下滑槽内滑动设置有小腿上滑槽，所述小腿上滑槽侧壁上均匀开设有多个螺钉孔，所述小腿下滑槽侧壁上开设有第二定位孔，所述第二定位孔与所述螺钉孔能够通过螺钉固定连接；所述小腿上滑槽和大腿下滑槽之间连接有所述膝关节；所述大腿下滑槽和小腿下滑槽内侧均设置有腿部连接装置。
4.根据权利要求3所述的仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述膝关节包括膝关节上支撑块、膝关节长摆动板、膝关节短摆动板和膝关节下支撑块；所述膝关节上支撑块顶部与所述大腿下滑槽底部固定连接，所述膝关节下支撑块底部与所述小腿上滑槽顶部固定连接，所述膝关节上支撑块底部两端分别通过膝关节长摆动板和膝关节短摆动板与膝关节下支撑块顶部两端铰接；所述膝关节上支撑块、膝关节长摆动板、膝关节短摆动板和膝关节下支撑块构成一四连杆机构。
5.根据权利要求3所述的仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节包括与所述小腿下滑槽底部铰接的踝关节铰接板，所述踝关节铰接板底部铰接有连接底板，所述支撑脚板外侧与所述连接底板固定连接；所述踝关节铰接板能够绕所述小腿下滑槽底部前后转动，所述弹性装置包括对称设置于所述踝关节铰接板前后两端的两个弹簧，所述弹簧一端与所述小腿下滑槽侧壁固定连接，另一端与所述连接底板固定连接。
6.根据权利要求3所述的仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述驱动装置包括结构相同的第一伸缩驱动装置和第二伸缩驱动装置，所述第一伸缩驱动装置上部固定端与固定设置于所述屈伸摆动块前端侧壁上的铰接支架铰接，所述第一伸缩驱动装置下部伸缩端与固定设置于所述大腿下滑槽前端侧壁上的铰接支架铰接；所述第二伸缩驱动装置上部固定端与固定设置于所述大腿下滑槽后端侧壁上的铰接支架铰接，所述第二伸缩驱动装置下部伸缩端与固定设置于所述小腿上滑槽后端侧壁上的铰接支架铰接。
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Address after: Room 306, building 4, future venture Plaza, hi tech Zone, Jinan City, Shandong Province Patentee after: Shandong Zhongke advanced technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 306, building 4, future venture Plaza, hi tech Zone, Jinan City, Shandong Province Patentee before: Shandong Zhongke Advanced Technology Research Institute Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |