CN220481714U - 一种无源负重的外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种无源负重的外骨骼机器人，包括通过塞打螺钉依次连接的腰背模块、腰管、髋关节模块、大腿杆件、膝关节模块、小腿杆件和踝关节模块；所述髋关节模块设有用于负重时手动控制重心平衡的重力平衡把手；当穿戴所述外骨骼机器人站立时，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件和所述小腿杆件形成四连杆机构。通过外骨骼膝关节旋转中心与人体膝关节旋转中心的错位设计，人体膝关节轻微抖动或弯曲时，会带动外骨骼小幅度弯曲，但是外骨骼会在负载的重力下自动复位，实现站立自平衡，同时通过设置重力平衡把手实现手动调整重心的功能。

Description

一种无源负重的外骨骼机器人

技术领域

本实用新型涉及外骨骼机器人领域，特别是涉及一种无源负重的外骨骼机器人。

背景技术

可穿戴外骨骼机器人作为一种为人体提供力量的辅助设备，在民用和军用领域都获得了重视。工业助力方面，外骨骼被用于汽车制造和造船工业等领域，辅助工人进行重物搬运和零部件安装。而在军用领域方面，助力型外骨骼能够在训练和作战中提升士兵在恶劣环境下背负重物、长时间长距离行军等任务的能力。面对复杂的战场情况，许多大型作战装备受到作战条件的制约，很难充分发挥其作用，于是单兵作战的重要性得以凸显，而灵活的机动能力是单兵战斗效率的关键。

无源外骨骼采用轻量化设计，不借助外部能源，依靠外骨骼机械结构和人体负重原理实现对人体的运动辅助，具有轻便、易穿戴、使用时间长等优点。

目前的无源负重外骨骼机器人不具备站立自平衡功能，穿戴者背负重物接近站立时若膝关节未完全回到零位会导致膝关节被再次压弯的风险，也没有重心平衡装置，当穿戴者背负重物过多，在行走过程中会出现重心靠后不稳的情况，需要穿戴者主动向前俯身压低平衡重心，使用体验感差。

实用新型内容

鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种无源负重的外骨骼机器人。

为了解决上述问题，本实用新型公开了一种无源负重的外骨骼机器人，包括通过塞打螺钉依次连接的腰背模块、腰管、髋关节模块、大腿杆件、膝关节模块、小腿杆件和踝关节模块；

所述髋关节模块设有用于负重时手动控制重心平衡的重力平衡把手；

当穿戴所述外骨骼机器人站立时，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件和所述小腿杆件形成四连杆机构。

进一步地，所述腰背模块包括背板、腰板和负重板；

所述背板与所述腰板连接，所述腰板通过支撑角件与所述负重板固定连接；所述腰管与所述腰板连接，所述腰管与所述背板之间的角度大于90°。

进一步地，所述背板包括上背板、下背板、上背板垫片和下背板垫片；

所述上背板与所述下背板对应位置设有若干螺孔，所述上背板与所述下背板通过螺钉连接，所述上背板垫片与所述下背板垫片设置在所述上背板与所述下背板之间。

进一步地，所述髋关节模块设有髋关节内旋限位块和髋关节外旋限位块，所述髋关节内旋限位块与所述髋关节外旋限位块限制所述髋关节模块的内旋外旋角度为-40°-40°。

进一步地，所述髋关节模块包括上髋关节部、下髋关节部和大腿连接件；

所述上髋关节部与所述下髋关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接；所述下髋关节部与所述大腿连接件通过塞打螺钉、带轴肩的塑料轴套活动连接；所述大腿连接件与所述大腿杆件连接；

所述下髋关节部相对于所述上髋关节部的转动范围为-60°-135°；所述大腿连接件相对于所述下髋关节部的转动范围为-90°-90°。

进一步地，所述踝关节模块包括上踝关节部、下踝关节部、脚底缓冲垫和脚部绑带；

所述上踝关节部和下踝关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接，所述下踝关节部与所述脚底缓冲垫通过脚底连接件固定连接，所述脚部绑带设置在所述脚底连接件。

进一步地，所述上踝关节部与所述下踝关节部的连接处设有踝关节内翻限位块和踝关节外翻限位块。

进一步地，所述踝关节模块还包括小腿连接件，所述小腿连接件与所述上踝关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接，所述小腿连接件与所述小腿杆件通过塞打螺钉固定连接。

进一步地，所述大腿杆件设有大腿挡板，所述小腿杆件设有小腿挡板。

进一步地，所述膝关节模块设有回弹组件，所述回弹组件串联若干刚性不同的回弹元件。

本实用新型包括以下优点：

在本申请的实施例中，相对于现有技术中无源负重的外骨骼机器人没有重力平衡装置，无法实现站立自平衡，起身容易被再次压弯的问题，本申请提供了一种无源负重的外骨骼机器人，包括通过塞打螺钉依次连接的腰背模块、腰管、髋关节模块、大腿杆件、膝关节模块、小腿杆件和踝关节模块；所述髋关节模块设有用于负重时手动控制重心平衡的重力平衡把手；当穿戴所述外骨骼机器人站立时，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件和所述小腿杆件形成四连杆机构。通过外骨骼膝关节旋转中心与人体膝关节旋转中心的错位设计，人体膝关节轻微抖动或弯曲时，会带动外骨骼小幅度弯曲，但是外骨骼会在负载的重力下自动复位，实现站立自平衡，同时通过设置重力平衡把手实现手动调整重心的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人的结构示意图；

图2是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人的主视图；

图3是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人穿戴时的人体与膝关节结构示意图；

图4是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人的腰背模块的结构示意图；

图5是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人的髋关节模块的结构示意图；

图6是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人的踝关节模块的结构示意图；

图7是本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人的侧视图。

附图标记说明：

1、腰背模块；11、上背板；12、下背板；13、上背板垫片；14、下背板垫片；15、负重板；16、腰板；17、支撑角件；2、髋关节模块；21、髋关节腰管连接件；22、髋关节内旋限位块；23、髋关节外旋限位块；24、上髋关节部；25、下髋关节部；26、大腿连接件；27、重心平衡把手；3、膝关节模块；4、踝关节模块；41、管夹；42、小腿连接件；43、上踝关节部；44、下踝关节部；45、脚底连接件；46、脚底缓冲垫；47、踝关节外翻限位块；48、踝关节内翻限位块；49、脚部绑带；5、大腿挡板；6、小腿挡板；7、大腿杆件；8、小腿杆件；9、腰管。

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

发明人通过分析现有技术发现：将外骨骼膝关节旋转中心与人体膝关节旋转中心不对称布置，会通过机器人本身的重力与负重实现站立自平衡，减少出现站立未归正而导致再次被压弯造成损伤的情况出现。

在本申请的实施例中，相对于现有技术中无源负重的外骨骼机器人没有重力平衡装置，无法实现站立自平衡，起身容易被再次压弯的问题，本申请提供了一种无源负重的外骨骼机器人，包括通过塞打螺钉依次连接的腰背模块、腰管、髋关节模块、大腿杆件、膝关节模块、小腿杆件和踝关节模块；所述髋关节模块设有用于负重时手动控制重心平衡的重力平衡把手；当穿戴所述外骨骼机器人站立时，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件和所述小腿杆件形成四连杆机构。通过外骨骼膝关节旋转中心与人体膝关节旋转中心的错位设计，人体膝关节轻微抖动或弯曲时，会带动外骨骼小幅度弯曲，但是外骨骼会在负载的重力下自动复位，实现站立自平衡，同时通过设置重力平衡把手实现手动调整重心的功能。

参照图1-7，示出了本实用新型的一种无源负重的外骨骼机器人，具体可以包括：

通过塞打螺钉依次连接的腰背模块1、腰管9、髋关节模块2、大腿杆件7、膝关节模块3、小腿杆件8和踝关节模块4；所述髋关节模块2设有用于负重时手动控制重心平衡的重力平衡把手27；当穿戴所述外骨骼机器人站立时，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件7和所述小腿杆件8形成四连杆机构。

需要说明的是，如图3所示，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件7和所述小腿杆件8形成四连杆机构，使外骨骼膝关节旋转中心与人体膝关节旋转中心形成错位设计，在负载和人体重力的作用下实现站立自平衡，即实现穿戴者背负重物接近站立时，外骨骼会在重力的作用下自动过渡到零位限位处，使外骨骼完全进入站立姿态，避免了因人体未站直导膝关节再次被压弯的事故发生，提高蹲起站立的助力，而当载重过重时，快速步行会出现重心不稳的情况，可通过操纵所述重力平衡把手27来平衡重心，从而提升负重时的行进速度，同时确保行进安全。

关于重心平衡，当穿戴者背负重物达到30kg以上时，可以安装所述重心平衡把手27，当穿戴者在使用本发明外骨骼且手部无需工作时，可以用控制所述重心平衡把手27，通过手动轻松调节因负重过大步行时出现的重心不稳的问题。

下面，将对本示例性实施例中一种无源负重的外骨骼机器人作进一步地说明。

在本申请一实施例中，如图4所示，所述腰背模块1包括背板、腰板16和负重板15；所述背板与所述腰板16连接，所述腰板16通过支撑角件17与所述负重板15固定连接；所述腰管9与所述腰板16连接，所述腰管9与所述背板之间的角度大于90°。

需要说明的是，所述腰管9斜向设置，可以弥补髋关节中心到腰背的距离，同时还通过斜向布置拉高了所述腰背模块1整体的高度，减少额外连接件的体积和重量，使外骨骼更轻量化。

在一具体实现中，所述腰板16使用碳纤维板制成，保证在与绑带固定后有足够的抗拉强度和韧性，同时减少整体重量。所述腰板16与所述负重板15由铝合金材质制成，通过所述支撑角件17进行连接，防止所述负重板15由于负载过重而被压弯。

在本申请一实施例中，所述背板包括上背板11、下背板12、上背板垫片13和下背板垫片14；所述上背板11与所述下背板12对应位置设有若干螺孔，所述上背板11与所述下背板12通过螺钉连接，所述上背板垫片13与所述下背板垫片14设置在所述上背板11与所述下背板12之间。

需要说明的是，如图4所示，通过拆卸所述上背板11和所述下背板12之间连接的螺钉可以调整所述背板高度，可调范围0-128mm，满足大部分成年男女性身高要求；同时，通过拆卸所述腰板16和所述腰管9之间连接的螺钉可以调整腰宽和背板高度，其中，腰宽单边可调50mm，外骨骼实际腰宽范围为306-386mm，同样满足大部分成年男女性体型要求。

在本申请一实施例中，如图5所示，所述髋关节模块2设有髋关节内旋限位块22和髋关节外旋限位块23，所述髋关节内旋限位块22与所述髋关节外旋限位块23限制所述髋关节模块2的内旋外旋角度为-40°-40°。添加限位块可以防止所述髋关节模块2在负载或重力作用下外翻角度过大而对使用者造成损伤，减少使用者控制外骨骼所使用的力。

在本申请一实施例中，所述髋关节模块2包括上髋关节部24、下髋关节部25和大腿连接件26；所述上髋关节部24与所述下髋关节部25通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接；所述下髋关节部25与所述大腿连接件26通过塞打螺钉、带轴肩的塑料轴套活动连接；所述大腿连接件26与所述大腿杆件7连接；所述下髋关节部25相对于所述上髋关节部24的转动范围为-60°-135°；所述大腿连接件26相对于所述下髋关节部25的转动范围为-90°-90°。

需要说明的是，所述上髋关节部24与所述下髋关节部25的连接槽内设有机械限位，规定了髋关节后伸、前屈的自由度范围为-60°-135°，该自由度范围允许人体穿戴外骨骼后能够双腿蹲下；所述下髋关节部25与所述大腿连接件26的连接槽内设有机械限位，规定了髋关节外展、内收的自由度范围为-90°-90°，常规情况下，内收很难达到-90°。所述髋关节模块2的自由度设置允许穿戴者髋关节自由活动，且设计有过限保护，阻止了外骨骼对人体髋关节造成意外伤害。所述髋关节模块2的三个自由度轴线并不完美重合，其中外骨骼外展内收自由度轴线距离后伸前屈自由度轴线39mm，内旋外旋自由度轴线距离后伸前屈自由度轴线54mm，实际测试所述髋关节模块2的自由度设计良好，穿戴后对人体髋关节的跟随性很高。

在本申请一实施例中，所述踝关节模块4包括上踝关节部43、下踝关节部44、脚底缓冲垫46和脚部绑带49；所述上踝关节部43和下踝关节部44通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接，所述下踝关节部44与所述脚底缓冲垫46通过脚底连接件45固定连接，所述脚部绑带49设置在所述脚底连接件45。

在本申请一实施例中，所述上踝关节部43与所述下踝关节部44的连接处设有踝关节内翻限位块48和踝关节外翻限位块47。

需要说明的是，外骨骼踝关节会因为外骨骼自重以及负重导致一直处于内翻状态，为了穿戴者更好的负重步行体验添加可以添加所述踝关节内翻限位块48，而当负重超过30kg时，人体控制外骨骼踝关节外翻后会使得人体很难再次将外骨骼踝关节内翻回正，因此当负重过大时，为了确保穿戴者的安全行进，可以设置所述踝关节外翻限位块47。所述踝关节内翻限位块48和所述踝关节外翻限位块47将外骨骼踝关节内外翻自由度范围被限制在-5°-5°。

在本申请一实施例中，所述踝关节模块2还包括小腿连接件42，所述小腿连接件42与所述上踝关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接，所述小腿连接件42与所述小腿杆件8通过塞打螺钉固定连接。

需要说明的是，所述上踝关节部43与所述小腿杆件8通过小腿杆件连接件42和管夹41连接，所述小腿连接件42与所述上踝关节部43之间设计为外骨骼踝关节跖屈背屈自由度，其范围被机械限位在-30°-45°内，符合人体自由活动时对踝关节自由度的要求。

在本申请一实施例中，参照图1-2和图7，所述大腿杆件7设有大腿挡板5，所述小腿杆件8设有小腿挡板6。所述大腿挡板5与所述小腿挡板6位置均设有尼龙材质布料绑带，用于有效连接固定使用者与机器人，使机器人与使用者下肢同步运动，起到防止使用者摔倒的作用，保证穿戴者的安全。

在本申请一实施例中，所述膝关节模块3设有回弹组件，所述回弹组件串联若干刚性不同的回弹元件。

需要说明的是，通过刚性不同的回弹元件，可以在蹲起等活动提供不一样的助力效果，步行时助力机构的为刚度较小回弹元件，不对膝关节活动造成较大影响；蹲起时助力机构的为刚度较大回弹元件，为膝关节提供较大助力。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的一种无源负重的外骨骼机器人，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种无源负重的外骨骼机器人，其特征在于，包括通过塞打螺钉依次连接的腰背模块、腰管、髋关节模块、大腿杆件、膝关节模块、小腿杆件和踝关节模块；

所述髋关节模块设有用于负重时手动控制重心平衡的重力平衡把手；

当穿戴所述外骨骼机器人站立时，人体大腿、人体小腿、所述大腿杆件和所述小腿杆件形成四连杆机构。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述腰背模块包括背板、腰板和负重板；

所述背板与所述腰板连接，所述腰板通过支撑角件与所述负重板固定连接；所述腰管与所述腰板连接，所述腰管与所述背板之间的角度大于90°。

3.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述背板包括上背板、下背板、上背板垫片和下背板垫片；

所述上背板与所述下背板对应位置设有若干螺孔，所述上背板与所述下背板通过螺钉连接，所述上背板垫片与所述下背板垫片设置在所述上背板与所述下背板之间。

4.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节模块设有髋关节内旋限位块和髋关节外旋限位块，所述髋关节内旋限位块与所述髋关节外旋限位块限制所述髋关节模块的内旋外旋角度为-40°-40°。

5.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节模块包括上髋关节部、下髋关节部和大腿连接件；

所述上髋关节部与所述下髋关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接；所述下髋关节部与所述大腿连接件通过塞打螺钉、带轴肩的塑料轴套活动连接；所述大腿连接件与所述大腿杆件连接；

所述下髋关节部相对于所述上髋关节部的转动范围为-60°-135°；所述大腿连接件相对于所述下髋关节部的转动范围为-90°-90°。

6.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述踝关节模块包括上踝关节部、下踝关节部、脚底缓冲垫和脚部绑带；

所述上踝关节部和下踝关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接，所述下踝关节部与所述脚底缓冲垫通过脚底连接件固定连接，所述脚部绑带设置在所述脚底连接件。

7.根据权利要求6所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述上踝关节部与所述下踝关节部的连接处设有踝关节内翻限位块和踝关节外翻限位块。

8.根据权利要求6所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述踝关节模块还包括小腿连接件，所述小腿连接件与所述上踝关节部通过带肩铰链销、挡圈和带轴肩的塑料轴套转动连接，所述小腿连接件与所述小腿杆件通过塞打螺钉固定连接。

9.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿杆件设有大腿挡板，所述小腿杆件设有小腿挡板。

10.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节模块设有回弹组件，所述回弹组件串联若干刚性不同的回弹元件。