CN107363811B - 外骨骼下肢与穿戴式机器人 - Google Patents

Abstract

一种外骨骼下肢，具有上连接端、腿部运动装置与足部连接装置：所述上连接端用于接受用户上部躯体承受的载荷；所述腿部运动装置具有第一本体与第二本体，所述第一本体与所述上连接端通过第一铰接部铰接，所述第一本体与所述第二本体具有相对直线运动；所述足部连接装置穿戴于所述用户的足部，并与所述第二本体通过第二铰接部铰接，所述相对直线运动沿所述第一铰接部与所述第二铰接部之间的连接线方向。一种穿戴式机器人，具有背负装置及分设于用户双腿的所述外骨骼下肢，所述背负装置穿戴于用户的上部躯干并与所述上连接端连接。本发明提供了一种自适应能力强、运动灵活性佳的外骨骼下肢与穿戴式机器人。

Description

外骨骼下肢与穿戴式机器人

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体地来说，是一种外骨骼下肢与穿戴式机器人。

背景技术

下肢外骨骼机器人是一种用于为人体下肢提供助力的机械装置，具有辅助负载搬运、增强人体机能等功能，发展前景良好，日益成为机器人领域的研究重点。

目前的下肢外骨骼机器人采用多关节的构型，即具有完整的髋关节、膝关节与踝关节，以贴合人体下肢的结构形态。同时人机连接部位有用户的大腿、小腿及足部，其机构繁复、连接配合部件众多，容易与人体发生运动干涉，且自重大，严重影响穿戴者的运动灵活性与舒适性。

更为严重的问题在于，人体的膝关节为滑膜关节，当小腿相对大腿转动时，小腿的旋转中心随膝关节而具有位置变化。而下肢外骨骼机器人的膝关节为机械关节，其回转中心固定。显然地，在用户行走过程中，人机膝关节之间运动不同步。同时，下肢外骨骼机器人的结构件与人体的尺寸存在偏差，引起人机运动干涉，干扰穿戴者的运动。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种外骨骼下肢与穿戴式机器人，具有良好的自适应能力与运动灵活性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种外骨骼下肢，具有上连接端、腿部运动装置与足部连接装置：

所述上连接端用于接受用户上部躯体承受的载荷；

所述腿部运动装置具有第一本体与第二本体，所述第一本体与所述上连接端通过第一铰接部铰接，所述第一本体与所述第二本体具有相对直线运动；

所述足部连接装置穿戴于所述用户的足部，并与所述第二本体通过第二铰接部铰接，所述相对直线运动沿所述第一铰接部与所述第二铰接部之间的连接线方向。

作为上述技术方案的改进，所述第一铰接部为至少具有两个转动自由度的运动副。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二铰接部为至少具有两个转动自由度的运动副。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一本体与所述第二本体还具有以所述相对直线运动的运动方向为轴的转动自由度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一铰接部设于所述用户的大腿内侧，和/或所述第二铰接部设于所述用户的足部内侧。

作为上述技术方案的进一步改进，所述外骨骼下肢还具有用于测量所述腿部运动装置与所述上连接端之间角位移的角位移传感器。

一种穿戴式机器人，具有背负装置及分设于用户双腿的所述外骨骼下肢，所述背负装置穿戴于用户的上部躯干并与所述上连接端连接。

作为上述技术方案的改进，所述背负装置具有穿戴部与用于装载重物的载物部，所述载物部一端与所述穿戴部连接，另一端与所述上连接端远离所述第一铰接部的一端连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述穿戴部具有肩背穿戴部和/或腰髋穿戴部，所述肩背穿戴部穿戴于所述用户的肩背部，所述腰髋穿戴部穿戴于所述用户的髋部，所述肩背穿戴部和/或所述腰髋穿戴部远离所述用户的一侧与所述载物部连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述背负装置上设有控制单元与动力单元，所述控制单元用于控制所述腿部运动装置的运动状态，所述动力单元用于对所述穿戴式机器人提供动力与能量。

本发明的有益效果是：

具有可伸缩的腿部运动装置，腿部运动装置两端分别铰接上连接端与足部连接装置，去除传统设计中具有的膝关节，避免发生旋转中心不重合而发生运动干涉，同时大幅度降低外骨骼下肢的自重与空间占用，并具有运动过程的自适应能力，避免因腿长偏差发生运动干涉，自适应能力强、运动灵活性佳。

为使本发明的上述目的、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发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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是本发明实施例1提供的外骨骼下肢的第一示意图；

图2是本发明实施例1提供的外骨骼下肢的第二示意图；

图3是本发明实施例1提供的外骨骼下肢的力学分析图；

图4是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的第一示意图；

图5是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的第二示意图。

主要元件符号说明：

1000-穿戴式机器人，0100-外骨骼下肢，0110-上连接端，0120-腿部运动装置，0121-第一本体，0122-第二本体，0130-足部连接装置，0140-第一铰接部，0150-第二铰接部，0200-背负装置，0210-穿戴部，0211-肩背穿戴部，0212-腰髋穿戴部，0220-载物部。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对外骨骼下肢与穿戴式机器人进行更全面的描述。附图中给出了外骨骼下肢与穿戴式机器人的优选实施例。但是，外骨骼下肢与穿戴式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外骨骼下肢与穿戴式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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在外骨骼下肢与穿戴式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，不是旨在限制本发明。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，外骨骼下肢0100具有上连接端0110、腿部运动装置0120与足部连接装置0130，用于改善外骨骼机器人的运动灵活性，避免于人体行走过程发生人机间的运动干涉，提供理想助力并保证人体安全。外骨骼下肢0100的主要构造举其要者详述如下。

外骨骼下肢0100所具有的上连接端0110用于接受用户上部躯体承受的载荷。上连接端0110属于承载部件，应具有足够的刚强度。其可采用多种构造方式，如杆件、板件等。在一个示范性的实施例中，上连接端0110以刚性杆制成，无折弯变形而具有较佳的力传递灵敏度。在另一个实施例中，上连接端0110尚可以弹性件制成，可沿力的传递方向弹性变形，具有较佳的缓冲性能。

外骨骼下肢0100所具有的腿部运动装置0120是主要的助力部，用于承受自上连接端0110输入的载荷，并具有与用户下肢运动对应的运动自由度，减轻用户下肢于行走中的运动阻碍。

腿部运动装置0120具有第一本体0121与第二本体0122，第一本体0121与上连接端0110通过第一铰接部0140铰接，第二本体0122与足部连接装置0130连接。第一本体0121与第二本体0122具有相对直线运动，使腿部运动装置0120具有伸缩能力，可与行走过程中的用户下肢同步伸缩，避免发生机构阻碍。

其中，第一本体0121与第二本体0122的相对直线运动可以多种形式实施，包括伸缩缸、电动推杆、电缸、丝杠传动机构等可实现直线运动的结构。显然地，第一本体0121与第二本体0122一方面提供传动能力，另一方面提供伸缩调节能力。

实际应用中，自上连接端0110输入的载荷，经第一本体0121与第二本体0122而传入足部连接装置0130，以足部连接装置0130于地面获取的支撑力而提供对用户上部躯体的结构支撑，减轻用户身体的负载。

由于第一本体0121与上连接端0110具有铰接关系，第一本体0121与上连接端0110具有相对转动自由度，使腿部运动装置0120并具有转动调节能力，如随用户下肢前摆、侧摆等。在此，第一本体0121与上连接端0110的转动自由度取决于第一铰接部0140的运动副构造。

优选地，第一铰接部0140为至少具有两个转动自由度的运动副。具体地，第一铰接部0140至少具有前摆自由度、侧摆自由度及自旋自由度中的二者，使第一本体0121与上连接端0110的转动灵活。

在一个示范性的实施例中，第一铰接部0140至少具有前摆自由度，以实现用户下肢行走的基本功能。其中，前摆自由度、侧摆自由度及自旋自由度均为转动自由度，并分别对应于用户大腿的前摆运动、侧摆运动及自旋运动。实际应用中，第一铰接部0140可采用球铰链、万向节等形式实现。

优选地，第一本体0121与第二本体0122还具有以相对直线运动的运动方向为轴的转动自由度。具体地，第一本体0121与第二本体0122可相对旋转，以适应用户膝关节的自旋运动，避免大腿与小腿分别自旋时引起外骨骼下肢0100的运动干涉。

外骨骼下肢0100所具有的足部连接装置0130用于将源自腿部运动装置0120的负载传递于地面。足部连接装置0130穿戴于用户的足部，并与第二本体0122通过第二铰接部0150铰接。在此进一步具体定义，第一本体0121与第二本体0122之间的相对直线运动沿第一铰接部0140与第二铰接部0150之间的连接线方向。

具体地，足部连接装置0130可采用多种结构形式，如鞋体、魔术贴、绑带等形式，紧密地穿戴于用户足部。在一个示范性的实施例中，足部连接装置0130具有一设置于脚掌下方的支撑面，用于保护脚掌并直接与地面接触而传递载荷。

足部连接装置0130与第二本体0122具有铰接关系，使二者之间转动自由度而可转动调节，以适应用户踝关节的运动。例如，当用户足部与用户小腿发生旋转时，足部连接装置0130与第二本体0122可自适应地随之旋转，避免发生运动干涉而对用户行走造成阻碍。

在此，足部连接装置0130与第二本体0122的转动自由度取决于第二铰接部0150的运动副构造。优选地，第二铰接部0150为至少具有两个转动自由度的运动副。具体地，第二铰接部0150至少具有上摆自由度、侧摆自由度与自旋自由度中的二者，以适应用户足部与用户小腿之间所可发生的相对运动形态，避免发生机构干涉卡死。

在一个示范性的实施例中，第二铰接部0150至少具有侧摆自由度，以适应用户足部相对于用户小腿的侧向摆动转向。其中，上摆自由度、侧摆自由度与自旋自由度均为转动自由度，并分别对应于用户足部的上摆运动、侧摆运动及用户小腿的自旋运动。实际应用中，第二铰接部0150可采用球铰链、万向节等形式实现。

优选地，第一铰接部0140设于用户的大腿内侧。具体地，第一铰接部0140位于用户的***，双腿穿戴时两腿上的第一铰接部0140相对布置，腿部运动装置0120的行程相应匹配。

进一步优选，第二铰接部0150设于用户的足部内侧。具体地，第二铰接部0150设于足部连接装置0130接近用户足部内侧的一端，结合前述的第一铰接部0140亦位于用户大腿的内侧，使腿部运动装置0120整***于用户的下肢内侧，有效地缩减重力及地面支撑力相对于髋关节的力臂，减小侧摆力矩，避免用户于行走过程发生剧烈的左右摆动，从而保证用户的身体安全。

优选地，外骨骼下肢0100还具有用于测量腿部运动装置0120与上连接端0110之间角位移的角位移传感器。具体地，角位移传感器可设于第一铰接部0140，用于直接测量相对角位移，以准确判断第一本体0121与上连接端0110之间的相对转动状态。

优选地，外骨骼下肢0100还具有用于测量腿部运动装置0120的输出力的压力传感器。具体地，压力传感器可设于第一本体0121或第二本体0122上，用于直接测量腿部运动装置0120的输出力，以准确判断外骨骼下肢0100的承载状态并及时调节。

请结合参阅图4～5，在此一并介绍一种穿戴式机器人1000，其具有背负装置0200及分设于用户双腿的外骨骼下肢0100，背负装置0200穿戴于用户的上部躯干并与上连接端0110连接，用于提供一种运动灵活性佳的穿戴式助力设备，保证用户的使用安全。

具体地，背负装置0200具有贴合人体的穿戴式结构，提供舒适的穿戴体验。同时，背负装置0200具有装载功能，用于装载重物，为用户提供背负搬运功能。其中，重物可包括穿戴式机器人1000的控制单元、动力单元、待搬运的物品等。

如前所述，由于腿部运动装置0120位于用户的***，用户两腿上分别具有的第一铰接部0140之间的间距小于用户的双腿间距，用户两足上分别具有的第二铰接部0150之间的间距小于用户的双足间距，从而保证内侧穿戴的形态，取得较小的侧摆力矩。

优选地，背负装置0200具有穿戴部0210与用于装载重物的载物部0220，载物部0220一端与穿戴部0210连接，另一端与上连接端0110远离第一铰接部0140的一端连接。

具体地，穿戴部0210用于提供穿戴功能，贴合地穿戴于人体上。穿戴部0210可采用多种结构形式，与人体的上部躯体连接。进一步优选，穿戴部0210具有肩背穿戴部0211和/或腰髋穿戴部0212，肩背穿戴部0211穿戴于用户的肩背部，腰髋穿戴部0212穿戴于用户的髋部，肩背穿戴部0211和/或腰髋穿戴部0212远离用户的一侧与载物部0220连接。

其中，肩背穿戴部0211与腰髋穿戴部0212可采用多种构造，如刚性支架、弹性支架、柔性连接带等。在一个示范性的实施例中，肩背穿戴部0211可以是背带，腰髋穿戴部0212可以是腰带，提供较为舒适的穿戴体验，且可妥帖地贴合不同用户的形体结构。进一步优选，肩背穿戴部0211与腰髋穿戴部0212分别具有调节功能，以调节至适应当前用户的体态特征的连接状态。

载物部0220可采用多种构造形式，包括载物架、载物蓝、载物箱，使重物可牢固地保持于载物部0220上，避免发生掉落。

优选地，背负装置0200上设有控制单元与动力单元，控制单元用于控制腿部运动装置0120的运动状态，动力单元用于对穿戴式机器人1000提供动力与能量。

进一步优选，控制单元分别与角位移传感器、压力传感器电性连接，用于接收源自后二者的测量数据，并根据测量数据相应调节腿部运动装置0120的运动形态，尤其是输出力。

应当注意的是，由于外骨骼下肢0100去除了传统形式的外骨骼机器人所具有的膝关节、髋关节与踝关节，可有效降低外骨骼下肢0100的自重及能耗，提高外骨骼下肢0100的运动性能。

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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种外骨骼下肢，其特征在于，具有上连接端、腿部运动装置与足部连接装置：

所述上连接端用于接受用户上部躯体承受的载荷；

所述腿部运动装置具有第一本体与第二本体，所述第一本体与所述上连接端通过第一铰接部铰接，所述第一本体与所述第二本体具有相对直线运动，所述第一铰接部设于所述用户的大腿内侧，所述第一铰接部为至少具有两个转动自由度的运动副；

所述足部连接装置穿戴于所述用户的足部，并与所述第二本体通过第二铰接部铰接，所述相对直线运动沿所述第一铰接部与所述第二铰接部之间的连接线方向，所述第二铰接部设于所述用户的足部内侧。

2.根据权利要求1所述的外骨骼下肢，其特征在于，所述第二铰接部为至少具有两个转动自由度的运动副。

3.根据权利要求1所述的外骨骼下肢，其特征在于，所述第一本体与所述第二本体还具有以所述相对直线运动的运动方向为轴的转动自由度。

4.根据权利要求1所述的外骨骼下肢，其特征在于，所述外骨骼下肢还具有用于测量所述腿部运动装置与所述上连接端之间角位移的角位移传感器。

5.一种穿戴式机器人，其特征在于，具有背负装置及分设于用户双腿的权利要求1-4任一项所述的外骨骼下肢，所述背负装置穿戴于所述用户的上部躯干并与所述上连接端连接。

6.根据权利要求5所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述背负装置具有穿戴部与用于装载重物的载物部，所述载物部一端与所述穿戴部连接，另一端与所述上连接端远离所述第一铰接部的一端连接。

7.根据权利要求6所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述穿戴部具有肩背穿戴部和/或腰髋穿戴部，所述肩背穿戴部穿戴于所述用户的肩背部，所述腰髋穿戴部穿戴于所述用户的髋部，所述肩背穿戴部和/或所述腰髋穿戴部远离所述用户的一侧与所述载物部连接。

8.根据权利要求5所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述背负装置上设有控制单元与动力单元，所述控制单元用于控制所述腿部运动装置的运动状态，所述动力单元用于对所述穿戴式机器人提供动力与能量。

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