CN109571434A - 一种无动力下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种无动力下肢外骨骼机器人，包括从上至下依次连接的腰部、大腿、膝关节、小腿及足部，腰部提供了给滑轮转动的滑轨，提高运动的灵活性，其腰部具有3个自由度，分别是外骨骼的腰部在水平面内的旋转、大腿的屈/伸以及大腿的外摆/内收，可以保证用户穿戴无动力下肢外骨骼机器人的运动灵活性，进而提高人体穿戴的舒适性，膝关节采用的偏心块结构设计可以在人体穿戴外骨骼站立时形成自锁，保护人体的膝关节，具有结构简单、运动灵活、穿戴舒适、易于穿戴的特点。

Description

一种无动力下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种无动力下肢外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种仿人体的生理构造且协同穿戴者运动的同时辅助穿戴者的机械装置。外骨骼按是否使用能源划分为无动力外骨骼和动力外骨骼。

动力外骨骼需要能源提供动力，如内燃机、电池等装置，除此之外还需要电机、传感器、控制器等元器件。这就导致动力外骨骼续航能力弱、价格昂贵、维修费用高且不利于广泛推广。

无动力外骨骼不需要额外的动力来源，相对于动力外骨骼，其结构简单、续航能力强、价格便宜、方便维修且应用会更加广泛。而现有的无动力外骨骼灵活性和穿戴舒适性较差，且膝关节无法自锁。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种无动力下肢外骨骼机器人，能够保证人体穿戴外骨骼后的舒适性和运动的灵活性，实现膝关节自锁，具有结构简单、灵活性高、穿戴舒适的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无动力下肢外骨骼机器人，包括从上至下依次连接的腰部1、大腿2、膝关节3、小腿4及足部5；

所述腰部1包括与两个弧形腰板7形状相匹配的两个上滑道6和两个下滑道9，上滑道6和下滑道9分别固结在弧形腰板7上部和下部，上滑道6的下部凹槽和下滑道9的上部凹槽形成滑轨，滑轮13卡在滑轨内与其滑动连接，滑轮13与滑轮连接块16铰接，滑轮连接块16与调节销14铰接，调节销14与滑轮支撑块15铰接，腰部侧板8的一端与滑轮支撑块15固定连接，腰部侧板8的另一端与大腿2连接；两个弧形腰板7相对的一侧均与一个腰板连接块12铰接，腰板连接块12与腰宽调节板10固定连接，两个腰宽调节板10均与腰部中心块11固定连接；

所述大腿2包括与腰部1的腰部侧板8固定连接的大腿连接块17，大腿连接块17与大腿短直板18铰接，大腿短直板18与大腿弯曲板19的一端与垂直固定连接，大腿弯曲板19的另一端与大腿长直板20垂直固定连接，大腿长直板20与膝关节连接板21的一端与固定连接，膝关节连接板21的另一端与膝关节3连接；

所述膝关节3包括与大腿2的膝关节连接板21固定连接的膝关节弯曲板上23，膝关节弯曲板上23与大腿绑带22呈弧形，二者固定连接形成圆，膝关节弯曲板上23与膝关节侧板上24的上端部垂直固定连接，膝关节侧板上24的下端部与偏心块25铰接，偏心块25与膝关节侧板下26的上端部铰接，膝关节侧板下26的下端部与膝关节弯曲板下28固定连接，膝关节弯曲板下28与小腿绑带27呈弧形，二者固定连接形成圆；

所述小腿4包括与膝关节3的膝关节弯曲板下28固定连接的小腿短直板29，小腿短直板29与小腿长直板30的一端固定连接，小腿长直板30的另一端与小腿弯曲板31固定连接；

所述足部4包括上端部与小腿4的小腿弯曲板31固定连接的足部直板32，足部直板32的下端部与脚底板34铰接，脚底板34的两端与弧形的足部绑带33固结。

所述腰宽调节板10上开有一排用于调节长度的螺纹孔，腰板连接块12上开有一排与腰宽调节板10相对应的螺纹孔，腰宽调节板10与腰板连接块12之间通过螺栓固结来调节长度，从而在穿戴时调节腰围尺寸，以适应不同腰部宽度的用户穿戴使用。

所述大腿长直板20上开有一排用于调节长度的螺纹孔，膝关节连接板21上开有一排与大腿长直板20相对应的螺纹孔，大腿长直板20与膝关节连接板21之间通过螺栓固结来调节整体长度，以适应不同大腿长度的用户穿戴使用。

所述小腿长直板30上开有一排用于调节长度的螺纹孔，小腿短直板29上开有一排与小腿长直板30相对应的螺纹孔，小腿长直板30与小腿短直板29之间通过螺栓固结来调节长度，以适应不同小腿长度的用户穿戴使用。

本发明所提供的一种无动力下肢外骨骼机器人，具有依次连接的腰部、大腿、膝关节、小腿及足部，腰部提供了给滑轮转动的滑轨，提高运动的灵活性，其腰部具有3个自由度，分别是外骨骼的腰部在水平面内的旋转、大腿的屈/伸以及大腿的外摆/内收，这样设计可以保证用户穿戴无动力下肢外骨骼机器人的运动灵活性，进而提高人体穿戴的舒适性，当用户穿戴外骨骼后，人体的上半身可以围绕人体身高方向的通过人体骨盆中心的中心轴在水平面内左右旋转的最大角度为30°，人体髋关节的屈/伸运动范围为(0°-130°,0°-15°)，人体髋关节的内收/外展运动范围为(0°-25°,0°-30°)，人体膝关节的向后屈伸运动范围为0°-135°，人体踝关节的跖屈/背屈的运动范围为(0°-20°,0°-25°)。与现有的外骨骼机器人相比，本发明结构简单、运动灵活、舒适性高、易于穿戴。另外，本发明提供的一种无动力下肢外骨骼机器人，其膝关节采用偏心式设计，能够保证用户穿戴外骨骼站立时，膝关节能够形成自锁，一方面，可以保护人体的膝关节，另一方面，可以将人体负重经过无动力外骨骼机器人的腰部及大腿后，有效的经过膝关节传递至小腿和足部，最终导向地面。

进一步地，本发明腰部、大腿和小腿的尺寸均可以调节，以适应不同体形的用户穿戴，适用范围广。

附图说明

图1是一种无动力下肢外骨骼机器人的整体结构示意图。

图2是一种无动力下肢外骨骼机器人的正视图。

图3是一种无动力下肢外骨骼机器人的腰部结构示意图。

图4是一种无动力下肢外骨骼机器人的腰部的分解结构示意图。

图5是一种无动力下肢外骨骼机器人的大腿结构示意图。

图6是一种无动力下肢外骨骼机器人的膝关节结构示意图。

图7是一种无动力下肢外骨骼机器人的膝关节侧视图。

图8是一种无动力下肢外骨骼机器人的小腿结构示意图。

图9是一种无动力下肢外骨骼机器人的足部结构示意图。

附图标记如下：

1腰部；2大腿；3膝关节；4小腿；5足部；6上滑道；7弧形腰板；8腰部侧板；9下滑道；10腰宽调节板；11腰部中心块；12腰板连接块；13滑轮；14调节销；15滑轮支撑块；16滑轮连接块；17大腿连接块；18大腿短直板；19大腿弯曲板；20大腿长直板；21膝关节连接板；22大腿绑带；23膝关节弯曲板上；24膝关节侧板上；25偏心块；26膝关节侧板下；27小腿绑带；28膝关节弯曲板下；29小腿短直板；30小腿长直板；31小腿弯曲板；32足部直板；33脚底板；34足部绑带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种无动力下肢外骨骼机器人的结构如图1、图2所示，包括从上至下依次连接的腰部1、大腿2、膝关节3、小腿4及足部5。

参见图3、图4，所述腰部1包括上滑6道、弧形腰板7、腰部侧板8、下滑道9、腰宽调节板10、腰部中心块11、腰板连接块12、滑轮13、调节销14、滑轮支撑块15及滑轮连接块16，其中，两个上滑道6和两个下滑道9与弧形腰板7形状相匹配，上滑道6和下滑道9分别固结在弧形腰板7上部和下部，上滑道6的下部凹槽和下滑道9的上部凹槽形成滑轨，滑轮13卡在滑轨内与其滑动连接，滑轮13与滑轮连接块16铰接，滑轮连接块16与调节销14铰接，调节销14与滑轮支撑块15铰接，腰部侧板8的一端与滑轮支撑块15通过螺纹固定连接，腰部侧板8的另一端与大腿2连接；两个弧形腰板7相对的一侧均与一个腰板连接块12铰接，腰板连接块12与腰宽调节板10通过螺纹固定连接，两个腰宽调节板10均与腰部中心块11通过螺纹固定连接。所述腰宽调节板10上开有一排用于调节长度的螺纹孔，腰板连接块12上开有一排与腰宽调节板10相对应的螺纹孔，腰宽调节板10与腰板连接块12之间通过螺栓固结来调节长度，从而在穿戴时调节腰围尺寸，以适应不同腰部宽度的用户穿戴使用。

当用户穿戴无动力下肢外骨骼机器人后，人体的上半身可以围绕人体身高方向的通过人体骨盆中心的中心轴在水平面内左右旋转的最大角度为30°。人体髋关节的屈/伸运动范围为(0°-130°，0°-15°)，人体髋关节的内收/外展运动范围为(0°-25°，0°-30°)。

参见图5，所述大腿2包括大腿连接块17、大腿短直板18、大腿弯曲板19、大腿长直板20及膝关节连接板21，其中，大腿连接块17与腰部1的腰部侧板8固定连接，大腿连接块17与大腿短直板18铰接，大腿短直板18与大腿弯曲板19的一端与通过螺纹垂直固定连接，大腿弯曲板19的另一端与大腿长直板20通过螺纹垂直固定连接，大腿长直板20与膝关节连接板21的一端与通过螺纹固定连接，膝关节连接板21的另一端与膝关节3连接，所述大腿长直板20上开有一排用于调节长度的螺纹孔，膝关节连接板21上开有一排与大腿长直板20相对应的螺纹孔，大腿长直板20与膝关节连接板21之间通过螺栓固结来调节整体长度，以适应不同大腿长度的用户穿戴使用。

参见图6，所述膝关节3包括包括大腿绑带22、膝关节弯曲板上23、膝关节侧板上24、偏心块25、膝关节侧板下26、小腿绑带27及膝关节弯曲板下28，其中，膝关节弯曲板上23与大腿2的膝关节连接板21固定连接，膝关节弯曲板上23与大腿绑带22呈弧形，二者通过螺纹固定连接形成圆，膝关节弯曲板上23与膝关节侧板上24的上端部通过螺纹垂直固定连接，膝关节侧板上24的下端部与偏心块25铰接，偏心块25与膝关节侧板下26的上端部铰接，膝关节侧板下26的下端部与膝关节弯曲板下28通过螺纹固定连接，膝关节弯曲板下28与小腿绑带27呈弧形，二者通过螺纹固定连接形成圆。

参见图7，膝关节3的偏心块25采用了偏心结构以模拟人体的膝关节运动，当人体穿戴外骨骼行走时，在站立状态时，偏心的膝关节3结构可以形成自锁，以保护人体的膝关节，当用户穿戴无动力下肢外骨骼机器人后，人体膝关节的向后屈伸运动范围为0°-135°。

参见图8，所述小腿4包括与膝关节3的膝关节弯曲板下28固定连接的小腿短直板29，小腿短直板29与小腿长直板30的一端通过螺纹固定连接，小腿长直板30的另一端与小腿弯曲板31通过螺纹固定连接；所述小腿长直板30上开有一排用于调节长度的螺纹孔，小腿短直板29上开有一排与小腿长直板30相对应的螺纹孔，小腿长直板30与小腿短直板29之间通过螺栓固结来调节长度，以适应不同小腿长度的用户穿戴使用。

参见图9，所述足部4包括上端部与小腿4的小腿弯曲板31固定连接的足部直板32，足部直板32的下端部与脚底板34铰接，脚底板34的两端与弧形的足部绑带33固结，当用户穿戴无动力下肢外骨骼机器人后，人体踝关节的跖屈/背屈的运动范围为(0°-20°，0°-25°)。

Claims (4)

1.一种无动力下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括从上至下依次连接的腰部(1)、大腿(2)、膝关节(3)、小腿(4)及足部(5)；

所述腰部(1)包括与两个弧形腰板(7)形状相匹配的两个上滑道(6)和两个下滑道(9)，上滑道(6)和下滑道(9)分别固结在弧形腰板(7)上部和下部，上滑道(6)的下部凹槽和下滑道(9)的上部凹槽形成滑轨，滑轮(13)卡在滑轨内与其滑动连接，滑轮(13)与滑轮连接块(16)铰接，滑轮连接块(16)与调节销(14)铰接，调节销(14)与滑轮支撑块(15)铰接，腰部侧板(8)的一端与滑轮支撑块(15)固定连接，腰部侧板(8)的另一端与大腿(2)连接；两个弧形腰板(7)相对的一侧均与一个腰板连接块(12)铰接，腰板连接块(12)与腰宽调节板(10)固定连接，两个腰宽调节板(10)均与腰部中心块(11)固定连接；

所述大腿(2)包括与腰部(1)的腰部侧板(8)固定连接的大腿连接块(17)，大腿连接块(17)与大腿短直板(18)铰接，大腿短直板(18)与大腿弯曲板(19)的一端与垂直固定连接，大腿弯曲板(19)的另一端与大腿长直板(20)垂直固定连接，大腿长直板(20)与膝关节连接板(21)的一端与固定连接，膝关节连接板(21)的另一端与膝关节(3)连接；

所述膝关节(3)包括与大腿(2)的膝关节连接板(21)固定连接的膝关节弯曲板上(23)，膝关节弯曲板上(23)与大腿绑带(22)呈弧形，二者固定连接形成圆，膝关节弯曲板上(23)与膝关节侧板上(24)的上端部垂直固定连接，膝关节侧板上(24)的下端部与偏心块(25)铰接，偏心块(25)与膝关节侧板下(26)的上端部铰接，膝关节侧板下(26)的下端部与膝关节弯曲板下(28)固定连接，膝关节弯曲板下(28)与小腿绑带(27)呈弧形，二者固定连接形成圆；

所述小腿(4)包括与膝关节(3)的膝关节弯曲板下(28)固定连接的小腿短直板(29)，小腿短直板(29)与小腿长直板(30)的一端固定连接，小腿长直板(30)的另一端与小腿弯曲板(31)固定连接；

所述足部(4)包括上端部与小腿(4)的小腿弯曲板(31)固定连接的足部直板(32)，足部直板(32)的下端部与脚底板(34)铰接，脚底板(34)的两端与弧形的足部绑带(33)固结。

2.根据权利要求1所述的一种无动力下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述腰宽调节板(10)上开有一排用于调节长度的螺纹孔，腰板连接块(12)上开有一排与腰宽调节板(10)相对应的螺纹孔，腰宽调节板(10)与腰板连接块(12)之间通过螺栓固结来调节长度。

3.根据权利要求1所述的一种无动力下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿长直板(20)上开有一排用于调节长度的螺纹孔，膝关节连接板(21)上开有一排与大腿长直板(20)相对应的螺纹孔，大腿长直板(20)与膝关节连接板(21)之间通过螺栓固结来调节整体长度。

4.根据权利要求1所述的一种无动力下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿长直板(30)上开有一排用于调节长度的螺纹孔，小腿短直板(29)上开有一排与小腿长直板(30)相对应的螺纹孔，小腿长直板(30)与小腿短直板(29)之间通过螺栓固结来调节长度。