CN215920448U - 有源外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开有源外骨骼机器人，涉及外骨骼技术领域，包括驱动盒、髋部组件、刚性腰带、髋关节组件、大腿组件、小腿组件和脚部组件；驱动盒设置于髋部组件上且位于人体后侧；刚性腰带设于髋部组件底部；髋关节组件设置于髋部组件与大腿组件之间；小腿组件设置于大腿组件和脚部组件之间；脚部组件与驱动盒传动连接；大腿组件和小腿组件上均设置有惯性测量元件，惯性测量元件与驱动盒电连接。外骨骼机器人可将负载重力传递至地面，减少人体受到的损伤。小腿与鞋底的锚点处产生主动拉力，减小下肢的人机作用力，缓解人体疲劳。大腿前侧设置拉带，能够平衡负载重力相对于髋关节产生向后的倾覆力矩，减少上肢肩部的人机作用力，减缓人体肩部的疲劳。

Description

有源外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及外骨骼技术领域，特别是涉及有源外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种用于辅助运动或加强运动能力的穿戴式机械集成系统，主要应用于军事、医疗、物流、工厂作业等领域。从动力源来分，外骨骼机器人可以分为有源外骨骼机器人与无源外骨骼机器人。

实用新型内容

为解决以上技术问题，本实用新型提供有源外骨骼机器人，提供动力协助人体进行运动。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供有源外骨骼机器人，包括驱动盒、髋部组件、刚性腰带、髋关节组件、大腿组件、小腿组件和脚部组件；所述驱动盒设置于所述髋部组件上且位于人体后侧；所述刚性腰带设置于所述髋部组件底部；所述髋关节组件设置于所述髋部组件与所述大腿组件之间；所述小腿组件设置于所述大腿组件和所述脚部组件之间；所述脚部组件与所述驱动盒传动连接；所述大腿组件和所述小腿组件上均设置有惯性测量元件，所述惯性测量元件与所述驱动盒电连接；所述脚部组件后端设置有拉力传感元件，所述拉力传感元件与所述驱动盒电连接。

可选的，所述驱动盒内设置有电机、驱动板、控制板和惯性测量元件；所述电机设置于所述驱动盒两侧，所述电机与所述助力装置传动连接；所述电机与所述驱动板电连接，所述驱动板和所述惯性测量元件与所述控制板电连接。

可选的，所述脚部组件后端通过鲍登线与所述电机传动连接。

可选的，所述电机的动力输出轴上设置有一转轴，所述鲍登线一端与所述脚部组件的后端相连接，所述鲍登线另一端与所述转轴相连接。

可选的，所述脚部组件后端设置有拉力传感器，所述鲍登线的一端与所述拉力传感器相连接。

可选的，所述小腿组件包括小腿束板，所述小腿束板用于设置于人体小腿后部，所述鲍登线的导管通过一段弹力带与所述小腿束板相连接。

可选的，所述刚性腰带与所述大腿组件之间设置有弹力带。

可选的，所述刚性腰带前部设置有连接机构，所述连接机构包括连接壳、连接盖、防倒转盖、卷簧、连接轴、棘齿、棘轮、弹性件和电磁锁销；所述连接盖设置于所述连接壳一侧，所述防倒转盖设置于所述连接壳另一侧，所述防倒转盖内设置有容纳槽，所述容纳槽周围设置有防倒转卡槽，所述卷簧设置于所述连接轴一端并位于所述容纳槽内，所述卷簧的自由端设置于所述防倒转卡槽内；所述弹力带的一端与所述连接轴相连接；所述棘轮设置于所述连接轴另一端；所述棘齿的中部与所述连接盖可转动连接，所述棘齿的一端用于防止所述棘轮倒转，所述棘齿另一端与所述电磁锁销的伸缩端可转动连接，所述弹性件设置于所述电磁锁销的伸缩端上并位于所述电磁锁销与所述棘齿之间。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型中的有源外骨骼机器人，外骨骼机器人可以通过自身结构将负载重力传递至地面，人体仅需通过绑缚向外骨骼提供横向作用力以维持外骨骼的平衡，可以有效避免负载重力通过人体骨骼向地面的传递，减少人体受到的损伤。

小腿与鞋底的锚点处产生主动拉力，可以为人体平衡负重，为外骨骼提供辅助力矩，减小下肢的人机作用力，缓解人体疲劳。

大腿前侧设置拉带，能够平衡负载重力相对于髋关节产生向后的倾覆力矩，减少上肢肩部的人机作用力，减缓人体肩部的疲劳；大腿前侧拉带上端设有棘轮机构，通过电磁锁销进行释放与锁紧。在人体步态的不同时期，通过算法设置不同长度从事提供大小可控的平衡力矩，来平衡人体后侧负重时产生的倾覆力矩，达到重量的有效传递，从而减小人体的受力。

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为本实用新型有源外骨骼机器人的结构示意图；

图2为本实用新型有源外骨骼机器人中髋部组件的结构示意图；

图3为本实用新型有源外骨骼机器人中髋部固定调节板的结构示意图；

图4为本实用新型有源外骨骼机器人中刚性腰带的结构示意图；

图5为本实用新型有源外骨骼机器人中腰带调节组件的结构示意图；

图6为本实用新型有源外骨骼机器人中腰带调节组件的另一视角的结构示意图；

图7为本实用新型有源外骨骼机器人中腰带调节活动板的结构示意图；

图8为本实用新型有源外骨骼机器人中腰带调节固定板的结构示意图；

图9为本实用新型有源外骨骼机器人中第六半圆柱形螺纹槽的结构示意图；

图10为本实用新型有源外骨骼机器人中调节座的结构示意图；

图11为本实用新型有源外骨骼机器人中髋关节组件的结构示意图；

图12为本实用新型有源外骨骼机器人中大腿组件的结构示意图；

图13为本实用新型有源外骨骼机器人中大腿调节构件的结构示意图；

图14为本实用新型有源外骨骼机器人中小腿组件和脚部组件的结构示意图。

附图标记说明：1、髋板；2、髋板调节机构；3、腰带调节组件；4、刚性腰带；5、髋关节组件；6、连接机构；7、大腿调节构件；8、大腿构件；9、小腿构件；10、小腿束板；11、拉力传感器；12、小腿调节构件；13、脚部组件；14、驱动盒；15、惯性测量元件；

61、弹力带；141、鲍登线；142、信号线；

01、第三限位槽；02、第三半圆柱形光槽；03、髋部调节孔；

21、背板；

211、第一半圆柱形螺纹槽；212、髋部束孔；

31、腰带调节固定板；32、腰带调节活动板；33、腰带连接座；34、第三调节螺栓；35、第五半圆柱形光槽；36、第六半圆柱螺纹槽；

41、绑缚块；42、固定块；43、连接块；

51、关节连接座；52、连接座；53、连接转轴；54、转动头；

541、限位块；542、转动轴；

71、竖直连接孔；72、转动限位部；73、插板；

81、手柄；82、齿板；83、连杆。

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。

如图1至14所示，本实施例提供有源外骨骼机器人，包括驱动盒14、髋部组件、刚性腰带4、髋关节组件5、大腿组件、小腿组件和脚部组件；驱动盒14设置于髋部组件上且位于人体后侧；刚性腰带4设置于髋部组件底部；髋关节组件5设置于髋部组件与大腿组件之间；小腿组件设置于大腿组件和脚部组件之间；脚部组件与驱动盒14传动连接；大腿组件和小腿组件上均设置有惯性测量元件15，惯性测量元件15与驱动盒14电连接。

于本具体实施例中，髋部组件包括髋板和髋板调节机构2，髋板1包括腰部连接部和腿部连接部，腰部连接部和腿部连接部之间依照人体后背至髋关节的曲线平滑过渡；腰部连接部用于与髋板调节机构2相连接，腿部连接部用于与髋关节组件5相连接。

髋板调节机构2包括背板21，背板21上部设置有髋部束孔212，用于安装胸带或者肩带。背板21两侧设置有第一限位槽211，腿部连接部包括第三限位槽01和第三半圆柱形光槽02，第三半圆柱形光槽02一端设置有第三限位半槽。

髋板1的腿部连接部的第三限位槽01内可滑动的设置有关节连接座51，关节连接座51朝向腿部连接部的一侧设置有第四半圆柱形螺纹槽，第四半圆柱形螺纹槽一端设置有第四限位半槽，第三半圆柱形光槽02和第四半圆柱形螺纹槽相匹配形成第二调节螺孔，第二调节螺孔内设置有第二调节螺栓，第二调节螺栓的端头设置于第三限位半槽和第四限位半槽组成的第二限位调节槽内；关节连接座51远离腿部连接部的一侧设置有关节连接部，关节连接部用于与髋关节组件5相连接。

通过转动第二调节螺栓，以调整关节连接座51与髋板1的相对位置，进而调整髋板1和髋关节组件5之间的相对位置，以弥补由于腰带调节组件3对刚性腰带4的长度调整引起的髋板1位置变化。

驱动盒14设置于背板上。背板的中部，位于驱动盒14上方设置有承托板，承托板与背板之间通过销轴连接，从而使承托板能够折叠收纳。承托板底部设置有加强板，以进一步增强承托板的承载能力。

刚性腰带4包括位于髋板1前端的绑缚块41、与髋板1连接的固定块42、位于髋板1后端的多个连接块43和多个连接块43中部设置的腰带调节组件3。

腰带调节组件3包括腰带调节固定板31和腰带调节活动板32；腰带调节固定板31和腰带调节活动板32之间限位连接；腰带调节固定板31一端与连接块43相连接，腰带调节固定板31朝向腰带调节活动板32的一侧中部设置有第五半圆柱形光槽35，第五半圆柱形光槽35一端设置有第五限位半槽，腰带调节活动板32一端与连接块43相连接，腰带调节活动板32朝向腰带调节固定板31的一侧中部设置有第六半圆柱形螺纹槽36，第六半圆柱形螺纹槽36一端设置有第六限位半槽，第五限位半槽和第六限位半槽形成第三限位调节槽93，第五半圆柱形光槽35和第六半圆柱形螺纹槽36相匹配形成第三调节螺孔，第三调节螺孔内设置有第三调节螺栓34，第三调节螺栓34的端头位于第三限位调节槽93内。通过转动第三调节螺栓34，以调整腰带调节固定板31和腰带调节活动板32之间的相对位置，进而改变刚性腰带4的总体长度。

腿部组件包括由上到下依次连接的大腿调节构件7、大腿组件、小腿组件和小腿调节构件12；大腿调节构件7顶部与髋关节组件5相连接，小腿调节构件12底部与脚部组件13相连接。

大腿调节构件7顶部设置有转动限位座，转动限位座中部设置有竖直连接孔71，转动限位座顶部设置有向上延伸的转动限位部72；大腿调节构件7中下部设置有多个第一调节孔731，多个第一调节孔731用于与大腿组件可调节连接。

髋关节组件5包括连接座52和转动头54；连接座52的上部与髋板1可转动连接；连接座52下部与转动头54的上部可转动连接，转动头54的下部与腿部组件可转动连接。

转动头54与连接座52之间转动限位部72通过转轴连接，转动头54下部设置有转动轴542，转动头54中部设置有限位块541。转动轴542插入竖直连接孔71和竖直通孔732中的轴承内，限位块541位于转动限位部72之间，从而使转动头54能够在一定范围内转动。

大腿组件包括大腿构件8；大腿构件8顶部与大腿调节构件7相连接，大腿构件8底部与小腿组件可转动连接；小腿组件包括小腿构件9和小腿束板10；小腿构件9顶部与大腿组件可转动连接，小腿构件9底部与小腿调节构件相连接；小腿束板10通过绑扎带与小腿构件9相连接；小腿调节构件12底部与脚部组件13可转动连接。

脚部组件13包括竖向连接座和脚板，竖向连接座顶部与腿部组件的底部相连接，竖向连接座的底部与脚板的一侧可转动连接。

驱动盒14内设置有电机、驱动板、控制板和惯性测量元件15；电机设置于驱动盒14两侧，电机与助力装置传动连接；电机与驱动板电连接，驱动板和惯性测量元件15与控制板电连接。驱动盒14的盒体与背板相连接，驱动盒14的左右两侧分别设置有一电机，电机的输出轴上设置有一转轴，转轴与鲍登线141的端部连接，通过控制板和驱动板使电机转动，从而使转轴正转或反转，以实现对鲍登线141的收放，鲍登线141的另一端连接到脚部组件后端的拉力传感器11上，小腿组件包括小腿束板，小腿束板用于设置于人体小腿后部，鲍登线141的导管通过一段弹力带与小腿束板相连接，通过弹力带拉力缓冲和储能，以减小拉力对人体的造成的不适感，小腿束板与脚部组件之间的鲍登线141不设置导管，从而避免鲍登线141收线时脚部组件与鲍登线141的导管接触影响鲍登线141的收线过程。

当单侧下肢位于支撑态前期与中期阶段时，为了维持负重与外骨骼的平衡，人体通过绑缚向外骨骼施加作用力，此时大小腿绑缚位置处的作用力较大，若电机驱动收缩鲍登线141，使小腿与鞋底的锚点处产生主动拉力，可以为人体平衡负重(使得外骨骼成为四杆结构，从而竖直方向重量可以传递到地面)和外骨骼提供辅助力矩，减小下肢的人机作用力，缓解人体疲劳；当单侧下肢位于支撑态后期阶段时，人机踝关节趾屈角度逐渐增大，此时电机驱动使外骨骼小腿与鞋底之间的鲍登线141产生拉力，可以为人机的踝关节活动提供趾屈力矩，减小人体踝关节趾屈肌肉群的肌肉疲劳。

刚性腰带与大腿组件之间设置有弹力带61。刚性腰带前部设置有连接机构6，连接机构6包括连接壳、连接盖、防倒转盖、卷簧、连接轴、棘齿、棘轮、弹性件和电磁锁销；连接盖设置于连接壳一侧，防倒转盖设置于连接壳另一侧，防倒转盖内设置有容纳槽，容纳槽周围设置有防倒转卡槽，卷簧设置于连接轴一端并位于容纳槽内，卷簧的自由端设置于防倒转卡槽内；弹力带61的一端与连接轴相连接；棘轮设置于连接轴另一端；棘齿的中部与连接盖可转动连接，棘齿的一端用于防止棘轮倒转，棘齿另一端与电磁锁销的伸缩端可转动连接，弹性件设置于电磁锁销的伸缩端上并位于电磁锁销与棘齿之间。

在穿戴外骨骼负重行走的过程中，负载重力相对于髋关节产生向后的倾覆力矩，此时为了克服该倾覆力矩，人体肩部需要向外骨骼的肩带施加向前的作用力，维持人机上肢的平衡，大腿前侧的弹力带61可以为上肢结构提供部分辅助力矩，减少上肢肩部的人机作用力，减缓人体肩部的疲劳；此外，前侧弹力带61被拉长储能，并在支撑态后期与摆动态初期释放能量，可以同时为人机髋关节的屈曲运动提供助力力矩。同时，大腿前侧弹力带61上端的棘轮机构，通过电磁锁销进行释放与锁紧。在人体步态的不同时期，通过算法设置不同长度从而提供大小可控的平衡力矩，来平衡人体后侧负重时产生的倾覆力矩，达到重量的有效传递，从而减小人体的受力。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书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 (8)

1.有源外骨骼机器人，其特征在于，包括驱动盒、髋部组件、刚性腰带、髋关节组件、大腿组件、小腿组件和脚部组件；所述驱动盒设置于所述髋部组件上且位于人体后侧；所述刚性腰带设置于所述髋部组件底部；所述髋关节组件设置于所述髋部组件与所述大腿组件之间；所述小腿组件设置于所述大腿组件和所述脚部组件之间；所述脚部组件与所述驱动盒传动连接；所述大腿组件和所述小腿组件上均设置有惯性测量元件，所述惯性测量元件与所述驱动盒电连接；所述脚部组件后端设置有拉力传感元件，所述拉力传感元件与所述驱动盒电连接。

2.根据权利要求1所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动盒内设置有电机、驱动板、控制板和惯性测量元件；所述电机设置于所述驱动盒两侧，所述电机与所述助力装置传动连接；所述电机与所述驱动板电连接，所述驱动板和所述惯性测量元件与所述控制板电连接。

3.根据权利要求2所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述脚部组件后端通过鲍登线与所述电机传动连接。

4.根据权利要求3所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述电机的动力输出轴上设置有一转轴，所述鲍登线一端与所述脚部组件的后端相连接，所述鲍登线另一端与所述转轴相连接。

5.根据权利要求3所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述脚部组件后端设置有拉力传感器，所述鲍登线的一端与所述拉力传感器相连接。

6.根据权利要求3所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿组件包括小腿束板，所述小腿束板设置于人体小腿后部，所述鲍登线的导管通过一段弹力带与所述小腿束板相连接。

7.根据权利要求1所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述刚性腰带与所述大腿组件之间设置有弹力带。

8.根据权利要求7所述的有源外骨骼机器人，其特征在于，所述刚性腰带前部设置有连接机构，所述连接机构包括连接壳、连接盖、防倒转盖、卷簧、连接轴、棘齿、棘轮、弹性件和电磁锁销；所述连接盖设置于所述连接壳一侧，所述防倒转盖设置于所述连接壳另一侧，所述防倒转盖内设置有容纳槽，所述容纳槽周围设置有防倒转卡槽，所述卷簧设置于所述连接轴一端并位于所述容纳槽内，所述卷簧的自由端设置于所述防倒转卡槽内；所述弹力带的一端与所述连接轴相连接；所述棘轮设置于所述连接轴另一端；所述棘齿的中部与所述连接盖可转动连接，所述棘齿的一端用于防止所述棘轮倒转，所述棘齿另一端与所述电磁锁销的伸缩端可转动连接，所述弹性件设置于所述电磁锁销的伸缩端上并位于所述电磁锁销与所述棘齿之间。

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