CN111906752A

CN111906752A - 一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人

Info

Publication number: CN111906752A
Application number: CN202010663258.5A
Authority: CN
Inventors: 刘亚丽; 宋遒志; 周能兵; 刘悦; 祁卓
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2040-07-10
Also published as: CN111906752B

Abstract

本发明公开了一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；腰部托板组件固定在人体腰部，大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；大腿组件能够匹配髋关节的屈伸、内收外展及旋转自由度；小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈以及内外翻自由度；拉带位于人体正面，且拉带两端分别与腰部托板组件、大腿组件固连。本发明能够平衡外骨骼与人体之间的相互作用力，降低人体所需要提供的驱动力并为大腿摆动提供助力。

Description

一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人。

背景技术

人体增强技术是当前科学技术发展中非常热门的一块领域，外骨骼机器人技术就属于人体增强技术的分支之一。外骨骼机器人以有无使用能源可以划分为有源外骨骼机器人和无源外骨骼机器人，有源外骨骼机器人是依靠自身携带的能源，通过控制***、执行***等驱动外骨骼的各个关节。有源外骨骼自身的重量、体积大，并且能源储备有限，其续航里程受到限制，限制了有源外骨骼机器人的实际应用。相较于有源外骨骼机器人，无源外骨骼机器人以其无需能源供应，高效传力、轻质灵活的特点更能够适应目前的外骨骼机器人市场需求。

虽然无源外骨骼不像有源外骨骼那样笨重，但无源外骨骼的使用也会增大人体的能量消耗。这主要是由于天然存在的人机运动偏差，外骨骼和人体运动的一致性很难保证。例如在利用外骨骼负重行走时，负载在外骨骼上产生的旋转力矩，全部需要人体动力来克服，一定程度上会使得人体自身消耗的能量超过不穿戴外骨骼进行负重时所需要消耗的能量。

为此，在无源外骨骼机器人中设计弹性元件来辅助人体运动已经成为无源外骨骼机器人发展的新方向，而且储能元件在当前的科研中已经获得证明，结合人体的运动特征适时的储能和释放能量，可以降低人体自身整体的能量消耗。这种思路旨在将人体运动过程中产生的消极能量转化为弹性势能，最终再作用于人体，辅助其运动。从本质上来看，并没有改善人体驱动力输出本质。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，能够平衡外骨骼与人体之间的相互作用力，降低人体所需要提供的驱动力并为大腿摆动提供助力。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；

所述腰部托板组件为未封闭的环形结构，所述大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带均为两组，关于垂直轴方向对称设置；

所述腰部托板组件固定在人体腰部，未封闭一侧位于人体正面，人体背面一侧用于搁置负载；以一侧为例，所述大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；所述小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；所述大腿组件能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度；所述小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度；所述拉带位于人体正面，且拉带两端分别与腰部托板组件、大腿组件固定连接，用于平衡负载形成的后倾力矩并为大腿摆动提供助力。

进一步地，所述腰部托板组件包括腰部托板、托板直角支撑件、托板支撑件固定件、折叠合页、腰部背板、腰部侧板及拉带挂件；

所述腰部背板两侧均与腰部侧板固定连接，两个腰部侧板均与拉带挂件固定连接，形成未封闭的环状结构；所述腰部托板通过折叠合页与腰部背板转动连接；托板直角支撑件通过托板支撑件固定件固定在腰部托板底部，腰部背板在使用时由负载压至水平，此时托板直角支撑件直角边与腰部背板接触限位。

进一步地，所述大腿组件包括L型连接件、U型连接件、髋关节旋转件、大腿长度调节件、旋转限位块及大腿承载结构；

所述L型连接件一端与腰部托板组件固定连接，另一端与U型连接件封闭端转动连接，旋转轴线为矢状轴方向，匹配髋关节的内收外展自由度；所述U型连接件U型开口端与髋关节旋转件转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体髋关节的屈伸自由度；所述髋关节旋转件与大腿长度调节件转动连接，旋转轴线为垂直轴方向，匹配人体髋关节的内外旋自由度，同时，所述髋关节旋转件通过旋转限位块限位，限位角度为左、右各60度；

所述大腿承载结构为一体化结构，包括异形曲面板和两爪弧形件，异形曲面板一端与大腿长度调节件固定连接，另一端与两爪弧形件封闭端为一体；两爪弧形件开口端设有弧形板，所述弧形板与膝关节外形匹配。

进一步地，所述髋关节旋转件内安装铜套，铜套伸出端套装环形圈，所述髋关节旋转件***U型连接件的U型开口端内并通过T型销固定，髋关节旋转件两端面分别通过铜套环形飞边、环形圈与U型连接件接触。

进一步地，所述髋关节旋转件与大腿长度调节件通过深沟轴承转动连接。

进一步地，所述小腿组件包括小腿承载结构、绑带、小腿侧转接结构、小腿侧支板、小腿长度调节板、Y型连接件、踝关节高度调节块及踝关节底座；

所述小腿承载结构一端为弧形板结构，与大腿承载结构转动连接，直立时形成机械限位，且与膝关节外形匹配，小腿承载结构另一端与小腿侧转接结构固定连接；所述绑带固定在小腿承载结构上；所述小腿侧转接结构与小腿侧支板固定连接，小腿侧支板与小腿长度调节板固定连接；小腿长度调节板与Y型连接件开口端转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体踝关节的跖屈和背屈自由度；所述Y型连接件通过踝关节高度调节块与踝关节底座转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配踝关节的内外翻自由度。

进一步地，所述小腿长度调节板内安装铜套，铜套伸出端套装环形圈，所述小腿长度调节板***Y型连接件的开口端内并通过T型销固定，小腿长度调节板两端面分别通过铜套环形飞边、环形圈与Y型连接件接触。

进一步地，所述鞋底组件包括鞋型刚性结构底板和安装座，所述安装座固定在鞋型刚性结构底板侧边，用于与小腿组件固定连接。

有益效果：

1、本发明腰部托板结构将负载重力向两侧的大腿组件传递，由大腿组件将负载重力传递至小腿组件，并最终由鞋底组件将负载的重力传递至地面，以此减轻人体自身需要承载的负载，保护人体骨骼不受负载压力的损伤。

其中，本发明利用拉带的弹性拉力平衡外骨骼与人体之间的相互作用力，降低人体所需要提供的驱动力，即减轻人体上身所需要克服的负载后倾力矩，并为大腿摆动提供助力，由此调整人机之间的相互作用力，从根本上实现省力和助力的目的；

而且，无源外骨骼机器人的下肢形式，充分考虑了人体自身出力方式的特征，即人体大部分的运动存在于矢状面内，在此运动面内的人体驱动力为人体惯用出力方式，鉴于此，本外骨骼下肢形式由髋关节外侧转移至人体冠状面内，即人体前侧面，此时，当外骨骼穿戴于人体时，人机之间的相互作用力就处于矢状面内，即外骨骼与人体前后运动方向一致，能够提高穿戴者在使用外骨骼过程中的舒适性。

其次，当外骨骼穿戴于人体之后，其运动形式与人体保持基本一致，能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度、膝关节的屈伸自由度、踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度，与人体下肢运动相互兼容，保证外骨骼下肢的运动和人体下肢运动的一致性。通过结构上的运动相容性设计，改善外骨骼与人体运动的干涉，有效降低穿戴者的疲劳程度。

2、本发明大腿长度调节件和大腿承载结构之间、小腿长度调节板和小腿侧支板之间、踝关节高度调节件和Y型连接件之间均可以调节外骨骼下肢的大腿组件长度和小腿组件长度、以及外骨骼踝关节高度，以此针对穿戴者的体型差异和穿戴差异，将外骨骼下肢的旋转自由度与人体髋关节、膝关节、踝关节的旋转位置相匹配，适应不同身高范围的穿戴者。

3、本发明大腿承载结构和小腿承载结构之间在人体下肢直立时合并面接触形成机械限位，防止两者之间的过度反向运动而压迫人体膝盖，保护膝关节不受结构压迫，还使得外骨骼下肢结构形成一体结构，提高负载重力在向下传递过程中的稳定性。

4、本发明利用铜套、环形圈的连接形式，能够避免两个平面之间的接触摩擦，降低其摩擦阻力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明腰部托板组件的***图；

图3为髋关节结构的***图；

图4为小腿踝关节结构的***图；

图5为鞋底组件的结构示意图；

图6为大腿承载结构与小腿承载结构连接局部示意图；

其中，1-拉带，2-大腿承载结构，3-小腿承载结构，4-腰部背板，5-拉带挂件，6-腰部侧板，7-腰部托板，8-托板直角支撑件，9-折叠合页，10-托板支撑件固定件，11-L型连接件，12-U型连接件，13-环形圈Ⅰ，14-铜套Ⅰ，15-T型销Ⅰ，16-销钉挡Ⅰ，17-髋关节旋转件，18-旋转限位块，19-深沟轴承，20-大腿长度调节件，21-小腿侧转接结构，22-小腿侧，23-小腿长度调节板，24-销钉挡Ⅱ，25-T型销Ⅱ，26-铜套Ⅱ，27-环形圈Ⅱ，28-Y型连接件，29-踝关节高度调节块，30-铜套Ⅲ，31-轴位销，32-踝关节底座，33-安装座，34-鞋型刚性结构底板，35-小腿绑带。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，如图1所示，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带1。

腰部托板组件为未封闭的环形结构，大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带1均为两组，关于垂直轴方向对称设置。

腰部托板组件固定在人体腰部，未封闭一侧位于人体正面，人体背面一侧用于搁置负载；以一侧为例，大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；所述小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；所述大腿组件能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度；所述小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度；拉带1位于人体正面，且拉带1两端分别与腰部托板组件、大腿组件固定连接，用于平衡负载形成的后倾力矩并为大腿摆动提供助力。

如图2所示，腰部托板组件包括腰部托板7、托板直角支撑件8、托板支撑件固定件10、折叠合页9、腰部背板4、腰部侧板6及拉带挂件5；

腰部背板4两侧均与腰部侧板6固定连接，两个腰部侧板6均与拉带挂件5固定连接，形成未封闭的环状结构；腰部托板7通过折叠合页9与腰部背板4转动连接；托板直角支撑件8通过托板支撑件固定件10固定在腰部托板7底部，托板支撑件固定件10为Z型结构，两个水平部分通过螺栓分别与腰部托板7底面和托板直角支撑件8底部固定连接，竖直部分与托板直角支撑件8面接触；腰部背板4在使用时由负载压至水平，此时托板直角支撑件8直角边与腰部背板4接触限位。

腰部背板4在使用时由负载压至水平位置，不使用时在折叠合页9作用下弹回竖直位置，整个结构固定在腰部盆骨水平高度上，拉带1在人体下肢支撑后期(腿由竖直到脚尖离地换腿时)达到拉伸状态，其拉力作用于拉带挂件5和大腿组件上，作用在拉带挂件5上的拉力以外骨骼髋关节为支点形成顺时针方向的力矩，以此用来抵消部分由负载在该支点形成的逆时针方向的力矩；作用在大腿组件上的拉力，在人体大腿由支撑态转为摆动态的时候，释放其储存的弹性势能，转为大腿摆动的动力势能。

如图3所示，大腿组件包括髋关节结构及大腿承载结构2。其中，髋关节结构包括L型连接件11、U型连接件12、髋关节旋转件17、大腿长度调节件20、旋转限位块18及大腿承载结构2；

L型连接件11一端通过螺栓固定在腰部托板组件的腰部侧板6上，另一端与U型连接件12封闭端转动连接，旋转轴线为矢状轴方向，匹配髋关节的内收外展自由度；髋关节旋转件17内安装铜套Ⅰ14，铜套Ⅰ14伸出端套装环形圈Ⅰ13，髋关节旋转件17***U型连接件12的U型开口端内并通过T型销Ⅰ15固定，T型销Ⅰ15外侧再通过销钉挡Ⅰ16限制其轴向移动，髋关节旋转件17两端面分别通过铜套Ⅰ14环形飞边、环形圈Ⅰ13与U型连接件12接触，U型连接件12U型开口端与髋关节旋转件17转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体髋关节的屈伸自由度；髋关节旋转件17下端安装两个深沟轴承19并穿过旋转限位块18与大腿长度调节件20上端圆柱槽转动连接，安装深沟轴承19可以减少结构件之间的摩擦阻力，旋转轴线为垂直轴方向，匹配人体髋关节的内外旋自由度，同时，髋关节旋转件17上设有凸起，与旋转限位块18配合限位，限位角度为左、右各60度；旋转限位块18通过螺栓固定在大腿长度调节件20上端。大腿长度调节件20下端通过螺栓连接大腿承载结构2。大腿长度调节件20的调节范围为120mm，可以适应不同身高范围的穿戴者。

大腿承载结构2为一体化结构，包括异形曲面板和两爪弧形件，异形曲面板一端与大腿长度调节件20固定连接，另一端与两爪弧形件封闭端为一体。两爪弧形件开口端设有弧形板，弧形板与膝关节外形匹配。

如图4所示，小腿组件包括小腿承载结构3、小腿绑带35、小腿侧转接结构21、小腿侧支板22、小腿长度调节板23、Y型连接件28、踝关节高度调节块29及踝关节底座32；小腿长度调节板23的长度调节范围为80mm，可以适应不同身高穿戴者。踝关节高度调节块29的调节范围是20mm，主要是匹配不同人体踝关节高度和不同鞋型的高度差。

如图6所示，小腿承载结构3一端为弧形板结构，与大腿承载结构2两爪弧形件开口端转动连接，直立时两个弧形板面接触形成机械限位，且与膝关节外形匹配，小腿承载结构3另一端与小腿侧转接结构21固定连接；小腿绑带35固定在小腿承载结构3上，用于将外骨骼机器人绑缚在小腿上；小腿侧转接结构21与小腿侧支板22固定连接，小腿侧支板22与小腿长度调节板固定连接；小腿长度调节板23内安装铜套Ⅱ26，铜套Ⅱ26伸出端套装环形圈Ⅱ27，小腿长度调节板23***Y型连接件28的开口端内并通过T型销Ⅱ25固定，T型销Ⅱ25外侧再通过销钉挡Ⅱ24限制其轴向移动；小腿长度调节板23两端面分别通过铜套Ⅱ26环形飞边、环形圈Ⅱ27与Y型连接件28接触。小腿长度调节板23与Y型连接件28开口端转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体踝关节的跖屈和背屈自由度；Y型连接件28通过踝关节高度调节块29与踝关节底座32转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配踝关节的内外翻自由度。踝关节高度调节块29下端冠状轴方向圆柱槽内安装铜套Ⅲ30，并通过轴位销31固定在踝关节底座32上。

大腿长度调节件20和大腿承载结构2之间、小腿长度调节板23和小腿侧支板22之间、踝关节高度调节件和Y型连接件28之间均通过螺栓来调节外骨骼下肢的大腿组件长度和小腿组件长度、以及外骨骼踝关节高度。

如图5所示，鞋底组件包括鞋型刚性结构底板34和安装座33，安装座33固定在鞋型刚性结构底板34侧边，用于与小腿组件固定连接。安装座33为正方形，可以使外骨骼与地面之间的接触更加稳定。

以一个步态周期为例进行说明，无源外骨骼机器人在跟随人体运动的过程中，通过大腿前侧拉带1的设计克服负载在人体上身形成的后倾力矩。以人体脚后跟触底为一个步态周期的起始点，例如左侧腿脚后跟先着地，右侧腿处于支撑后期，此时，右侧的拉带1由于髋关节运动产生的行程差导致拉带1处于拉伸状态，因此拉带1上存在收缩拉力，对于拉带挂件5而言，其拉力方向沿拉带1向下，对于大腿承载结构2而言，其拉力方向沿拉带1向上。作用于拉带挂件5上的拉力以外骨骼髋关节为支点形成一个顺时针方向的力矩，与负载以髋关节为支点形成的逆时针方向的力矩相互平衡，以此来减少人体上身所需要克服的负载在髋关节中心形成的后倾力矩；作用于大腿承载结构2上的拉力以髋关节中心为支点形成一个逆时针方向的力矩，辅助外骨骼下肢结构跟随人体向前摆动。当左侧腿向前运动时，近似为支撑态下的倒立摆模式，右侧腿则向前摆动，当右侧腿运动过髋关节角度为0时，拉带1恢复至自然状态，而此时左侧腿运动至直立状态，进而当左侧腿继续向前运动时，左侧腿拉带1处于拉伸状态，此时，由之前右侧腿的拉带1克服的负载形成的后倾力矩，转换为左侧腿拉带1产生的顺时针方向的拉力力矩来克服，当左侧腿处于支撑后期时，则重复前述右侧腿的动力模式。即在左、右腿前后交换的过程中，始终有一侧拉带1处于拉伸状态，一方面克服负载形成的后倾力矩，另一方面为该侧腿由支撑态转为摆动态的运动过程提供运动助力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；

2.如权利要求1所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部托板组件包括腰部托板、托板直角支撑件、托板支撑件固定件、折叠合页、腰部背板、腰部侧板及拉带挂件；

3.如权利要求1所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿组件包括L型连接件、U型连接件、髋关节旋转件、大腿长度调节件、旋转限位块及大腿承载结构；

4.如权利要求3所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节旋转件内安装铜套，铜套伸出端套装环形圈，所述髋关节旋转件***U型连接件的U型开口端内并通过T型销固定，髋关节旋转件两端面分别通过铜套环形飞边、环形圈与U型连接件接触。

5.如权利要求3所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节旋转件与大腿长度调节件通过深沟轴承转动连接。

6.如权利要求1所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿组件包括小腿承载结构、绑带、小腿侧转接结构、小腿侧支板、小腿长度调节板、Y型连接件、踝关节高度调节块及踝关节底座；

7.如权利要求6所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿长度调节板内安装铜套，铜套伸出端套装环形圈，所述小腿长度调节板***Y型连接件的开口端内并通过T型销固定，小腿长度调节板两端面分别通过铜套环形飞边、环形圈与Y型连接件接触。

8.如权利要求1所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述鞋底组件包括鞋型刚性结构底板和安装座，所述安装座固定在鞋型刚性结构底板侧边，用于与小腿组件固定连接。