CN114750132A - 一种下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种下肢助力外骨骼机器人，它涉及一种外骨骼机器人，包括腰部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括两个大腿和两个小腿；所述腰部包括扣环和铰链机构；扣环与人体腰部配合，扣环两侧各安装有铰链机构，铰链机构通过轴与大腿连接，大腿由安装在所述轴上的第一电驱动机构驱动能前后摆动，大腿通过铰链机构相对扣环能作左右摆动；小腿与大腿通过连杆机构连接，连杆机构由安装在大腿上的第二电驱动机构驱动运动，小腿由连杆机构带动作前后摆动运动。本发明结构紧凑，运动范围大，对人体穿戴的舒适性和贴合性好。

Description

一种下肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人，特别涉及一种下肢助力外骨骼机器人。

背景技术

目前对于下肢助力外骨骼机器人来说，已有的下肢助力外骨骼机器人大多以钢或者铝合金作为结构主体材料，虽然强度好但十分笨重，人体穿戴起来不方便，容易造成较大的体能消耗。并且由于人体下肢运动较为复杂，外骨骼机器人对人体的贴合度也不够完善，对于人体穿戴的舒适度较低，效果不理想，在人体完成一些外摆下蹲等动作时比较困难，限制人体运动范围。

发明内容

本发明是为克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、运动范围大的下肢助力外骨骼机器人。

本发明的技术方案是：

一种下肢助力外骨骼机器人，包括腰部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括两个大腿和两个小腿；所述腰部包括扣环和铰链机构；扣环与人体腰部配合，扣环两侧各安装有铰链机构，铰链机构通过轴与大腿连接，大腿由安装在所述轴上的第一电驱动机构驱动能前后摆动，大腿通过铰链机构相对扣环能作左右摆动；小腿与大腿通过连杆机构连接，连杆机构由安装在大腿上的第二电驱动机构驱动运动，小腿由连杆机构带动作前后摆动运动。

进一步地，所述第一电驱动机构包括大腿电机、锥齿轮连接座、大腿电机座和锥齿轮副；锥齿轮副包括相互啮合的小锥齿轮和大锥齿轮，大锥齿轮固装在锥齿轮连接座上，锥齿轮连接座固装在所述轴上，大腿电机座转动安装在锥齿轮连接座上，大腿电机安装在大腿电机座上，大腿内壳安装在大腿电机的机架上，铰链机构安装在所述轴上。

进一步地，所述第二电驱动机构包括小腿电机和螺旋齿轮副；螺旋齿轮副包括相互啮合的第一斜齿轮和第二斜齿轮；第二斜齿轮转动安装在大腿内壳的下部，第一斜齿轮与小腿电机的输出端连接，连杆机构分别与第二斜齿轮和小腿铰接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、下肢外骨骼采用铰链机构与腰部相连，构成髋关节，膝关节传动采用连杆机构，这样不仅增加了装置的灵活性、快速性，对人体穿戴的舒适性和贴合性有了很大的提高，提高了使用效率。

2、膝关节采用连杆机构，具有变传动比的特点，在膝关节处于伸直状态附近时具有较小的传动比，满足了在该状态下的高机动性要求，在膝关节处于较大弯曲状态时具有较大的传动比，能够保证***具有较大的输出力。并且该机构紧凑，稳定可靠，整体体积较小，重量轻，对电机要求不高。

3、大腿电机转动带动锥齿轮副做旋转运动进而带动大腿及小腿(髋关节和膝关节)运动的传动机构稳定可靠，通过螺旋齿轮带动连杆机构及小腿做旋转运动，增加了运动的精确性和稳定性，并且结构紧凑，实用性大大提高。

4、整个下肢外骨骼机器人没有踝关节部分，减少了重量的同时方便了人体的穿戴过程，使人体舒适度大大提高，并且在膝关节和髋关节起到很好的助力效果。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为从前面看的，本发明下肢助力外骨骼机器人整体结构图；

图2为从后面看的，本发明下肢助力外骨骼机器人整体结构图；

图3为大腿和小腿连接关系示意图；

图4为右腿和腰部连接关系示意图；

图5为左腿和腰部连接关系示意图；

图6为四连杆机构原理图；

图7为为曲柄运动角度变化与人体下蹲运动过程中的角度变化的曲线图。

具体实施方式

参见图1和图2所示，一种下肢助力外骨骼机器人，包括腰部1、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括两个大腿2和两个小腿3；

所述腰部1包括扣环11和铰链机构12；

扣环11与人体腰部配合，扣环11两侧各安装有铰链机构12，铰链机构12通过轴5与大腿2连接，大腿2由安装在所述轴5上的第一电驱动机构A驱动能前后摆动，大腿2通过铰链机构12相对扣环11能作左右摆动；

小腿3与大腿2通过连杆机构C连接，连杆机构C由安装在大腿2上的第二电驱动机构B驱动运动，小腿3由连杆机构C带动作前后摆动运动。

用上述方案中，可串联多个铰链机构12将外骨骼腰部和大腿相连接构成髋关节，满足人体在快速运动时的外摆和内收等动作，将单个铰链机构12进行串联，组成多个铰链，使人体在运动过程中外骨骼不仅可以很好地贴近人体还可以起到支撑的作用，结构紧凑，小巧可靠，质量轻，效果好。整个下肢外骨骼机器人没有踝关节部分，减少了重量的同时，方便了人体的穿戴过程，使人体舒适度大大提高，并且在膝关节和髋关节起到很好的助力效果。扣环11与人体腰部接触连接，保证在人体摆腿过程中髋关节以下部件由于腿部到腰部距离的变化时仍可固连在腿上。铰链机构12通过螺钉固定于腰部和轴7上。

如图1和图3所示，在一个实施方式中，所述第一电驱动机构A包括大腿电机A1、锥齿轮连接座A2、大腿电机座A4和锥齿轮副；锥齿轮副包括相互啮合的小锥齿轮A3和大锥齿轮A5，大锥齿轮A5固装在锥齿轮连接座A2上，锥齿轮连接座A2固装在所述轴5上，大腿电机座A4转动安装在锥齿轮连接座A2上，大腿电机A1安装在大腿电机座A4上，大腿内壳21安装在大腿电机A1的机架上，铰链机构12安装在所述轴5上。大腿电机A1通过大腿电机座A4固定于锥齿轮连接座A2上，大腿内壳21固定于大腿电机A1上，大腿电机A1动力带动小锥齿轮A3转动，大锥齿轮A5由于固定于轴5上，锥齿轮连接座A2固定在所述轴5上，大腿电机座A4转动安装在锥齿轮连接座A2上，小锥齿轮A3绕着大锥齿轮A5转动，进而大腿电机A1和大腿内壳21及小腿3一起转动，实现大腿绕髋关节作前后摆动。

如图1和图3所示，在另一个实施方式中，所述第二电驱动机构B包括小腿电机B1和螺旋齿轮副；螺旋齿轮副包括相互啮合的第一斜齿轮B2和第二斜齿轮B3；第二斜齿轮B3转动安装在大腿内壳21的下部，第一斜齿轮B2与小腿电机B1的输出端连接，连杆机构C分别与第二斜齿轮B3和小腿3铰接。进一步地，所述小腿电机B1的输出端通过万向节4与转动安装在大腿内壳21下部的轮轴B4连接，第一斜齿轮B2安装在轮轴B4上。小腿电机B1通过万向节4将动力传递给螺旋齿轮副，螺旋齿轮副带动连杆机构C做旋转运动，将动力或扭矩传递给膝关节及小腿3。万向节4可单个使用或多个串接组装使用。

如图3所示，较佳地，所述下肢助力外骨骼机器人还包括膝关节齿轮一51和膝关节齿轮二52，膝关节齿轮二52转动安装在大腿内壳21的下部，膝关节齿轮一51转动安装在小腿3的上部，膝关节齿轮一51和膝关节齿轮二52啮合；所述连杆机构C包括曲柄C1、连杆一C2和连杆二C3；曲柄C1一端与第二斜齿轮B3转动连接，曲柄C1的另一端与连杆一C2的一端转动连接，连杆一C2的另一端与连杆二C3转动连接，连杆二C3的另一端与小腿3固接。上述中将曲柄C1、连杆一C2、连杆二C3或小腿3及相互啮合的膝关节齿轮一51和膝关节齿轮二52共同构成一个四连杆机构，图6中打斜线部分为相互啮合的膝关节齿轮一51和膝关节齿轮二52的组合体。小腿电机B1通过万向节4将动力传递给螺旋齿轮副，螺旋齿轮副带动曲柄C1做旋转运动，曲柄C1与连杆一C2进行铰链连接，将动力传递给连杆二C3和小腿3。

在四连杆机构中，其原理简图如图6所示，小腿电机通过螺旋齿轮组将动力传递给曲柄1，曲柄1通过上述四连杆机构将动力传递给小腿部分，根据四连杆机构的特性，四连杆机构可以放大小腿部分的运动角度，使人体在穿戴下肢外骨骼时，直立行走的过程中传动比小，在下蹲或者弯腿的过程中小腿电机传动比较大，可以提供更大的力矩支撑人体下蹲或者弯腿运动。通过测试、计算得到曲线如图7，ω₃为小腿部分的角速度，ω₁为曲柄1的角速度，纵坐标为两角速度比ω₃/ω₁的变化，横坐标为曲柄1的运动角度变化，通过曲线可以看出，曲柄1运动角度的增大即为人体下蹲运动过程中的角度变化，随着曲柄1运动的角度不断增大，小腿部分和曲柄1的角速度比不断减小，传动不断增大，提供更大力矩给小腿部分，验证了设计的正确性和可行性。精巧的传动比放大缩小机构可以减少电机运转时间和功率，使下肢外骨骼机器人工作时间更长，达到节能的目的。

如图3所示，所述下肢助力外骨骼机器人还包括压力传感器6，压力传感器6安装在曲柄C1与连杆一C2铰接处的连杆一C2上。设置压力传感器6目的是人体的运动趋势和人机之间的交互力测量，人体运动通过压力传感器6反馈与电机，实现控制大腿电机和小腿电机的动作。压力传感器6优先选用合肥力智传感器***有限公司生产的LZ-WS1型传感器。

如图1、图3和图5所示，所述下肢助力外骨骼机器人还包括小腿护具7和膝关节护具8；小腿护具7安装在小腿3的上部，膝关节护具8安装在大腿内壳21的下部。膝关节护具8与人体膝盖贴合一起，小腿部分同样装有小腿护具7，起到保护与支撑的作用。优选地，人体处的小腿护具7和膝关节护具8均为柔性护板。较佳地，如图4及图5所示，大腿外壳22安装在锥齿轮连接座A2上将大腿电机A1和小腿电机B1罩住，大腿内壳21、大腿外壳22、小腿护具7、膝关节护具8及扣环11均为碳纤维材料。下肢外骨骼机器人大部分构件由碳纤维材料制作，材料轻、不易变形，达到了单人即可穿戴的效果。

工作原理

本机器人通过腰部的锂电池作为动力源，将大腿电机A1和小腿电机B1转动作为驱动动力，大腿2通过大腿电机2与锥齿轮连接座A2连接，带动小锥齿轮A3旋转运动进而带动髋关节做旋转运动，小腿2通过小腿电机B1带动万向节4与螺旋齿轮副固连带动四连杆机构运动，进而带动膝关节及小腿3做旋转运动，将螺旋齿轮副与四连杆传动机构相结合，使的外骨骼机器人更贴合于人体，人体下肢运动也会更加舒适。采用碳纤维制作的本发明机器人，整体重量包括电气***可不超过8kg，人体穿戴外骨骼后可以进行深蹲，跨越等高难度动作，实现轻型化、机动性好的要求。

在膝关节设置为主动关节(膝关节齿轮)，采用一种新型的四连杆机构的传动方式，传送比变化范围在1-4之间，且在膝关节处于伸直状态附近时具有较小的传动比，满足了在该状态下的高机动性要求，同时在膝关节处于较大弯曲状态时具有较大的传动比，能够保证***具有较大的输出力，人体在穿戴下肢外骨骼时，直立行走的过程中传动比小，具有较好的机动性能，在下蹲或者弯腿的过程中小腿电机传动比较大，可以提供更大的力矩支撑人体下蹲或者弯腿运动，能够保证小腿运动范围较广，且机构紧凑，稳定可靠，整体体积较小，重量轻，对电机要求不高。

在髋关节设计为主动关节(铰链机构)，采用电机驱动锥齿轮带动大腿关节进行运动的方式，利用锥齿轮可以改变运动方向的性质，将布置在大腿2上的大腿电机A1传动到了髋关节处，结构紧凑可靠，并且用通过串联多个铰链机构12将外骨骼腰部和髋关节相连接，满足人体在快速运动时的外摆和内收等动作，将单个铰链进行串联，组成多个铰链，使人体在运动过程中外骨骼不仅可以很好地贴近人体还可以起到支撑的作用，结构紧凑，小巧可靠，质量轻，效果好。整个下肢外骨骼机器人没有踝关节部分，减少了重量的同时，方便了人体的穿戴过程，使人体舒适度大大提高，并且在膝关节和髋关节起到很好的助力效果。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种下肢助力外骨骼机器人，包括腰部(1)、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括两个大腿(2)和两个小腿(3)；其特征在于：

所述腰部(1)包括扣环(11)和铰链机构(12)；

扣环(11)与人体腰部配合，扣环(11)两侧各安装有铰链机构(12)，铰链机构(12)通过轴(5)与大腿(2)连接，大腿(2)由安装在所述轴(7)上的第一电驱动机构(A)驱动能前后摆动，大腿(2)通过铰链机构(12)相对扣环(11)能作左右摆动；

小腿(2)与大腿(3)通过连杆机构(C)连接，连杆机构(C)由安装在大腿(2)上的第二电驱动机构(B)驱动运动，小腿(3)由连杆机构(C)带动作前后摆动运动。

2.根据权利要求1所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述第一电驱动机构(A)包括大腿电机(A1)、锥齿轮连接座(A2)、大腿电机座(A4)和锥齿轮副；锥齿轮副包括相互啮合的小锥齿轮(A3)和大锥齿轮(A5)，大锥齿轮(A5)固装在锥齿轮连接座(A2)上，锥齿轮连接座(A2)固装在所述轴(7)上，大腿电机座(A4)转动安装在锥齿轮连接座(A2)上，大腿电机(A1)安装在大腿电机座(A4)上，大腿内壳(21)安装在大腿电机(A1)的机架上，铰链机构(12)安装在所述轴(7)上。

3.根据权利要求2所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述第二电驱动机构(B)包括小腿电机(B1)和螺旋齿轮副；

螺旋齿轮副包括相互啮合的第一斜齿轮(B2)和第二斜齿轮(B3)；第二斜齿轮(B3)转动安装在大腿内壳(21)的下部，第一斜齿轮(B2)与小腿电机(B1)的输出端连接，连杆机构(C)分别与第二斜齿轮(B3)和小腿(3)铰接。

4.根据权利要求2所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述下肢助力外骨骼机器人还包括膝关节齿轮一(51)和膝关节齿轮二(52)，膝关节齿轮二(52)转动安装在大腿内壳(21)的下部，膝关节齿轮一(51)转动安装在小腿(3)的上部，膝关节齿轮一(51)和膝关节齿轮二(52)啮合；所述连杆机构(C)包括曲柄(C1)、连杆一(C2)和连杆二(C3)；曲柄(C1)一端与第二斜齿轮(B3)转动连接，曲柄(C1)的另一端与连杆一(C2)的一端转动连接，连杆一(C2)的另一端与连杆二(C3)转动连接，连杆二(C3)的另一端与小腿(3)固接。

5.根据权利要求4所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述下肢助力外骨骼机器人还包括压力传感器(6)，压力传感器(6)安装在曲柄(C1)与连杆一(C2)铰接处的连杆一(C2)上。

6.根据权利要求4所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述小腿电机(B1)的输出端通过万向节(4)与转动安装在大腿内壳(21)下部的轮轴(B4)连接，第二斜齿轮(B3)安装在轮轴(B4)上。

7.根据权利要求6所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述下肢助力外骨骼机器人还包括小腿护具(7)和膝关节护具(8)；小腿护具(7)安装在小腿(3)的上部，膝关节护具(8)安装在大腿内壳(21)的下部。

8.根据权利要求7所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：大腿外壳(22)安装在锥齿轮连接座(A2)上将大腿电机(A1)和小腿电机(B1)罩住。

9.根据权利要求8所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：大腿内壳(21)、大腿外壳(22)、小腿护具(7)、膝关节护具(8)及扣环(11)均为碳纤维材料。

10.根据权利要求7所述一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：小腿护具(7)和膝关节护具(8)均为柔性护板。

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