CN106264989A - 一种下肢外骨骼助力机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种下肢外骨骼助力机器人，包括机器人本体、后背和脚踏板，所述机器人本体上设有后背，后背底端连接有四杆髋关节，所述四杆髋关节下方连接有大腿连杆，大腿连杆下方连接有四杆膝关节，所述大腿连杆的一侧通过销轴连接有髋关节电动缸，且髋关节电动缸另一端通过销轴安装在四杆髋关节上，所述大腿连杆的另一侧通过销轴连接有膝关节电动缸，且膝关节电动缸另一端通过销轴安装在四杆膝关节上，所述四杆膝关节下方连接有小腿连杆，小腿连杆下方连接有四杆踝关节，所述小腿连杆靠近四杆膝关节一端通过销轴连接有踝关节电动缸，所述四杆踝关节底端安装有脚踏板，本发明控制精度较高，实时控制性能较好。

Description

一种下肢外骨骼助力机器人
技术领域
本发明涉及机器人设备技术领域，具体为一种下肢外骨骼助力机器人。
背景技术
人口老龄化问题目益严重已经逐渐成为世界上许多国家不可避免的社会现象，伴随着老年人各种生理功能的衰退和交通事故的不断增加，偏瘫、中风、截瘫等患者也不断增多，导致这类人群下肢出现运动功能障碍的现象，使其生存质量急剧下降，使家庭和社会的负担越来越重，根据当代医学理论和临床医学实践证明，对肢体运动功能的恢复和提高，除了必要的医疗手段外，科学和正确的康复训练是十分有效的基于机械学、生物医学、传感器技术、计算机技术和智能控制技术等的迅速发展，用于生物医学工程领域的康复和助力机器人也有了很好的发展平台，促进了医用领域机器人的人机一体化，这种研究通过机器人产品对于提高康复质量和减轻家庭社会的负担具有一定实际意义和市场前景，下肢外骨骼助力机器人是一种与使用者有机结合在一起的可穿戴式助力装置，根据人机工程学和生物医学的拟人化思想设计，模拟正常人体下肢步态运动形式，帮助下肢有运动功能障碍的人群恢复行走能力，通过对机器人响应的运动运动轨迹规划，从而达到人机协作的目的。随着仿生学机构学、信息处理、机器人学、控制理论和通讯等技术的不断发展和成熟，外骨骼助力机器人能够和操作者组成人机一体化***，提高环境适应能力，在生物医学、军事、康复治疗、康复护理和假肢等领域将会有很有研究价值和广阔的发展前景。
现如今绝大多数的下肢外骨骼助力机器人穿戴不舒适、操作不灵活、不能最大限度地拓展人的活动范围，而且安全性还得不到有效的保障，无法真正达到简单有效的助力目的，由于不同的人的生理结特征不同，行走也存在着个体化差异，而且路况信息也实时改变的，如果仅仅使用一个固定的模式来描述下肢行走运动过程，很难满足不同使用者的要求，这就需要在必要的时候下肢外骨骼助力机器人能够做出一定的调整，来提高下肢外骨骼助力机器人***的适应能力，另外下肢外骨骼助力机器人既要有较轻的重量和较小的体积，又必须具有足够的驱动力或驱动扭矩，针对以上不足，现进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种下肢外骨骼助力机器人，以解决上述背景技术中提出的问题，所具有的有益效果是：通过人机工程和拟人化思想本文对外骨骼下肢助力机器人进行了自由度分析，外骨骼下肢助力机器人本体具有重量轻，结构安全，强度高的优点，根据人体步态运动特性以及外骨骼下肢助力机器人运动的方式确定了机器人的髋关节、膝关节和踝关节，对机器人的髋关节、膝关节和踝关节进行了针对性的优化设计，增加了舒适性，另外在骨骼下肢助力机器人本体上设有人机相连的机器人后背和脚踏板，尤其在后背还考虑了硬件空间设计及布线，加强了***的安全性和强度，利用四杆髋关节、四杆膝关节和四杆踝关节连接，进而优化了机器人杆件的结构，建立了外骨骼下肢助力机器人机构基础，本发明设计合理、结构简单、操作方便、实用性强。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种下肢外骨骼助力机器人，包括机器人本体、后背和脚踏板，所述机器人本体上设有后背，后背底端连接有四杆髋关节，所述四杆髋关节下方连接有大腿连杆，大腿连杆下方连接有四杆膝关节，所述大腿连杆的一侧通过销轴连接有髋关节电动缸，且髋关节电动缸另一端通过销轴安装在四杆髋关节上，所述大腿连杆的另一侧通过销轴连接有膝关节电动缸，且膝关节电动缸另一端通过销轴安装在四杆膝关节上，所述四杆膝关节下方连接有小腿连杆，小腿连杆下方连接有四杆踝关节，所述小腿连杆靠近四杆膝关节一端通过销轴连接有踝关节电动缸，且踝关节电动缸的底端通过销轴与四杆踝关节连接，所述四杆踝关节底端安装有脚踏板。
优选的，所述后背上安装有靠背，靠背中间处设有背部固定条，所述靠背底端两侧均安装有背部骨架，且背部骨架靠近靠背的一端设有走线槽，所述背部骨架底边均安装有拉伸弹簧耳，背部骨架外侧安装有驱动器。
优选的，所述四杆髋关节的顶端安装有后背连杆，所述四杆髋关节远离后背连杆的一端安装有大腿连杆，所述四杆髋关节一侧通过销轴连接有髋关节前连杆，所述四杆髋关节另一侧通过销轴连接有髋关节后连杆。
优选的，所述四杆膝关节一侧顶端安装有大腿连杆，所述四杆膝关节远离大腿连杆的另一端安装有小腿连杆，所述四杆膝关节一侧通过销轴连接有膝关节前连杆，所述四杆膝关节另一侧通过销轴连接有膝关节后连杆。
优选的，所述四杆踝关节一侧顶端安装有小腿连杆，所述四杆踝关节远离小腿连杆的另一端安装有脚踏板连杆，所述四杆踝关节一侧通过销轴连接有踝关节前连杆，所述四杆踝关节另一侧通过销轴连接有踝关节后连杆。
优选的，所述髋关节电动缸、膝关节电动缸和踝关节电动缸上均设有丝杠螺母，丝杠螺母一侧设有电机，且电机的一端通过同步带与丝杠螺母连接，所述电机远离同步带的一端设有接近开关，且接近开关固定在丝杠螺母上，所述丝杠螺母的两端均安装有销轴。
优选的，所述髋关节电动缸与四杆髋关节连接的一端安装有第一压力传感器。
优选的，所述膝关节电动缸与四杆膝关节连接的一端安装有第二压力传感器。
优选的，所述踝关节电动缸与四杆踝关节连接的一端安装有第三压力传感器。
优选的，所述脚踏板设有前鞋底和后鞋底，且前鞋底和后鞋底通过片弹簧连接，所述前鞋底和后鞋底两边侧外表面上均设有保护层，所述前鞋底和后鞋底底部均设有金属装配层，金属装配层的上方设有橡胶鞋底层。
优选的，所述前鞋底上安装有前脚掌压力传感器，所述前鞋底两侧均安装有前脚掌固定板。
优选的，所述后鞋底靠近前鞋底一端的两侧均安装后脚掌固定板，后鞋底的另一端安装有脚跟固定板，所述后鞋底靠近脚跟固定板的一端安装有足跟压力传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过人机工程和拟人化思想本文对外骨骼下肢助力机器人进行了自由度分析，外骨骼下肢助力机器人本体具有重量轻，结构安全，强度高的优点，根据人体步态运动特性以及外骨骼下肢助力机器人运动的方式确定了机器人的髋关节、膝关节和踝关节，对机器人的髋关节、膝关节和踝关节进行了针对性的优化设计，增加了舒适性，另外在骨骼下肢助力机器人本体上设有人机相连的机器人后背和脚踏板，尤其在后背还考虑了硬件空间设计及布线，加强了***的安全性和强度，利用四杆髋关节、四杆膝关节和四杆踝关节连接，进而优化了机器人杆件的结构，建立了外骨骼下肢助力机器人机构基础，本发明设计合理、结构简单、操作方便、实用性强。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的后背结构示意图；
图3为本发明的四杆髋关节结构示意图；
图4为本发明的四杆膝关节结构示意图；
图5为本发明的四杆踝关节结构示意图；
图6为本发明的髋关节电动缸、膝关节电动缸和踝关节电动缸结构示意图；
图7为本发明的脚踏板结构示意图。
图中：1.机器人本体；2.后背；2-1.后背连杆；3.四杆髋关节；3-1.髋关节前连杆3-2.髋关节后连杆；4.髋关节电动缸；5.大腿连杆；6.销轴；7.膝关节电动缸；8.四杆膝关节；8-1.膝关节前连杆；8-2.膝关节后连杆；9.小腿连杆；10.四杆踝关节；10-1.脚踏板前连杆；10-2.脚踏板后连杆；11.踝关节电动缸；12.脚踏板；12-1.脚踏板连杆；13.第一压力传感器；14.第二压力传感器；15.第三压力传感器；16.靠背；17.背部固定条；18.背部骨架；19.拉伸弹簧耳；20.驱动器；21.走线槽；22.丝杠螺母；23.电机；24.接近开关；25.同步带；26.前鞋底；27.后鞋底；28.片弹簧；29.保护层；30.金属装配层；31.橡胶鞋底层；32.前脚掌压力传感器；33.前脚掌固定板；34.后脚掌固定板；35.足跟压力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供的一种实施例：一种下肢外骨骼助力机器人，包括机器人本体1、后背2和脚踏板12，机器人本体1上设有后背2，后背2底端连接有四杆髋关节3，四杆髋关节3下方连接有大腿连杆5，大腿连杆5下方连接有四杆膝关节8，大腿连杆5的一侧通过销轴6连接有髋关节电动缸4，且髋关节电动缸4另一端通过销轴6安装在四杆髋关节3上，大腿连杆5的另一侧通过销轴6连接有膝关节电动缸7，且膝关节电动缸7另一端通过销轴6安装在四杆膝关节8上，四杆膝关节8下方连接有小腿连杆9，小腿连杆9下方连接有四杆踝关节10，小腿连杆9靠近四杆膝关节8一端通过销轴6连接有踝关节电动缸11，且踝关节电动缸11的底端通过销轴6与四杆踝关节10连接，四杆踝关节10底端安装有脚踏板12。
另外的，后背2上安装有靠背16，靠背16中间处设有背部固定条17，靠背16底端两侧均安装有背部骨架18，且背部骨架18靠近靠背16的一端设有走线槽21，背部骨架18底边均安装有拉伸弹簧耳19，背部骨架18外侧安装有驱动器20。
另外的，四杆髋关节3的顶端安装有后背连杆2-1，四杆髋关节3远离后背连杆2-1的一端安装有大腿连杆5，四杆髋关节3一侧通过销轴6连接有髋关节前连杆3-1，四杆髋关节3另一侧通过销轴6连接有髋关节后连杆3-2。
另外的，四杆膝关节8一侧顶端安装有大腿连杆5，四杆膝关节8远离大腿连杆5的另一端安装有小腿连杆9，四杆膝关节8一侧通过销轴6连接有膝关节前连杆8-1，四杆膝关节8另一侧通过销轴6连接有膝关节后连杆8-2。
另外的，四杆踝关节10一侧顶端安装有小腿连杆9，四杆踝关节10远离小腿连杆9的另一端安装有脚踏板连杆12-1，四杆踝关节10一侧通过销轴6连接有踝关节前连杆10-1，四杆踝关节10另一侧通过销轴6连接有踝关节后连杆10-2。
另外的，髋关节电动缸4、膝关节电动缸7和踝关节电动缸11上均设有丝杠螺母22，丝杠螺母22一侧设有电机23，且电机23的一端通过同步带25与丝杠螺母连接，电机23远离同步带的一端设有接近开关24，且接近开关24固定在丝杠螺母上22，丝杠螺母22的两端均安装有销轴6。
另外的，髋关节电动缸4与四杆髋关节3连接的一端安装有第一压力传感器13。
另外的，膝关节电动缸7与四杆膝关节8连接的一端安装有第二压力传感器14。
另外的，踝关节电动缸11与四杆踝关节10连接的一端安装有第三压力传感器15。
另外的，脚踏板12设有前鞋底26和后鞋底27，且前鞋底26和后鞋底27通过片弹簧28连接，前鞋底26和后鞋底27两边侧外表面上均设有保护层29，前鞋底26和后鞋底27底部均设有金属装配层30，金属装配层30的上方设有橡胶鞋底层31。
另外的，前鞋底26上安装有前脚掌压力传感器32，前鞋底26两侧均安装有前脚掌固定板33。
另外的，后鞋底27靠近前鞋底26一端的两侧均安装后脚掌固定板34，后鞋底27的另一端安装有脚跟固定板34，后鞋底27靠近脚跟固定板34的一端安装有足跟压力传感器35。
工作原理：机器人本体1包括主动关节、辅助关节、后背2和脚踏板12连接，主动关节包括四杆髋关节3的伸和屈、四杆髋关节3的外展和内收、四杆髋关节3的旋内和旋外以及四杆膝关节8的伸和屈，同时通过主动关节保证机器人本体1具有充足的动力、强度和刚度，并且减小了轴向尺寸，辅助关节包括四杆踝关节10的伸屈和脚踏板12弯曲，连杆包括后背连杆2-1、大腿连杆5、小腿连杆9和脚踏板连杆12-1，连杆不仅保证了杆件的的刚度和强度，还减小了杆件的重量，通过对杆件的调节，可以适应不同的穿戴着，后背2是与人体上肢刚性连接的部分，主要背负工控机、电池等硬件***和负载装置，后背上安装有陀螺仪用以辨别人体上身的倾斜状态，本发明在使用时，将使用者上半身固定在后背2上，后背2内部电池供电并通过导线连接从而带动动机器人下肢进行活动，通过第一压力传感器13反馈回的信号来控制髋关节电动缸4的输出，驱动髋关节的同步运动，通过第二压力传感器14反馈回的信号来控制膝关节电动缸7的输出，驱动膝关节的同步运动，通过第三压力传感器15反馈回的信号来控制踝关节电动缸11的输出，驱动踝关节的同步运动，通过前脚掌压力传感器32反馈回的信号来控制前鞋底26的同步运动，通过足跟压力传感器35反馈回的信号来控制后鞋底27的同步运动，根据使用者的身体情况，还可以进一步调整后背连杆2-1、大腿连杆5、小腿连杆9和脚踏板连杆12-1的伸缩量，调整两个髋关节之间的间距，调整两个膝关节之间的间距，调整两个踝关节之间的间距，调整脚踏板12的大小，最后满足使用的要求，真正达到简单有效的助力目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明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发明。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，本发明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发明内。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。

Claims (12)

1.一种下肢外骨骼助力机器人，包括机器人本体1、后背2和脚踏板12，其特征在于：所述机器人本体1上设有后背2，后背2底端连接有四杆髋关节3，所述四杆髋关节3下方连接有大腿连杆5，大腿连杆5下方连接有四杆膝关节8，所述大腿连杆5的一侧通过销轴6连接有髋关节电动缸4，且髋关节电动缸4另一端通过销轴6安装在四杆髋关节3上，所述大腿连杆5的另一侧通过销轴6连接有膝关节电动缸7，且膝关节电动缸7另一端通过销轴6安装在四杆膝关节8上，所述四杆膝关节8下方连接有小腿连杆9，小腿连杆9下方连接有四杆踝关节10，所述小腿连杆9靠近四杆膝关节8一端通过销轴6连接有踝关节电动缸11，且踝关节电动缸11的底端通过销轴6与四杆踝关节10连接，所述四杆踝关节10底端安装有脚踏板12。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述后背2上安装有靠背16，靠背16中间处设有背部固定条17，所述靠背16底端两侧均安装有背部骨架18，且背部骨架18靠近靠背16的一端设有走线槽21，所述背部骨架18底边均安装有拉伸弹簧耳19，背部骨架18外侧安装有驱动器20。
3.据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述四杆髋关节3的顶端安装有后背连杆2-1，所述四杆髋关节3远离后背连杆2-1的一端安装有大腿连杆5，所述四杆髋关节3一侧通过销轴6连接有髋关节前连杆3-1，所述四杆髋关节3另一侧通过销轴6连接有髋关节后连杆3-2。
4.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述四杆膝关节8一侧顶端安装有大腿连杆5，所述四杆膝关节8远离大腿连杆5的另一端安装有小腿连杆9，所述四杆膝关节8一侧通过销轴6连接有膝关节前连杆8-1，所述四杆膝关节8另一侧通过销轴6连接有膝关节后连杆8-2。
5.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述四杆踝关节10一侧顶端安装有小腿连杆9，所述四杆踝关节10远离小腿连杆9的另一端安装有脚踏板连杆12-1，所述四杆踝关节10一侧通过销轴6连接有踝关节前连杆10-1，所述四杆踝关节10另一侧通过销轴6连接有踝关节后连杆10-2。
6.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述髋关节电动缸4、膝关节电动缸7和踝关节电动缸11上均设有丝杠螺母22，丝杠螺母22一侧设有电机23，且电机23的一端通过同步带25与丝杠螺母连接，所述电机23远离同步带的一端设有接近开关24，且接近开关24固定在丝杠螺母上22，所述丝杠螺母22的两端均安装有销轴6。
7.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述髋关节电动缸4与四杆髋关节3连接的一端安装有第一压力传感器13。
8.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述膝关节电动缸7与四杆膝关节8连接的一端安装有第二压力传感器14。
9.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述踝关节电动缸11与四杆踝关节10连接的一端安装有第三压力传感器15。
10.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述脚踏板12设有前鞋底26和后鞋底27，且前鞋底26和后鞋底27通过片弹簧28连接，所述前鞋底26和后鞋底27两边侧外表面上均设有保护层29，所述前鞋底26和后鞋底27底部均设有金属装配层30，金属装配层30的上方设有橡胶鞋底层31。
11.根据权利要求10所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述前鞋底26上安装有前脚掌压力传感器32，所述前鞋底26两侧均安装有前脚掌固定板33。
12.根据权利要求10所述的一种下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述后鞋底27靠近前鞋底26一端的两侧均安装后脚掌固定板34，后鞋底27的另一端安装有脚跟固定板34，所述后鞋底27靠近脚跟固定板34的一端安装有足跟压力传感器35。
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