本發(fā)明涉及一種下肢助力外骨骼機(jī)器人，具體涉及一種用于攀登過程膝關(guān)節(jié)助力的柔性外骨骼機(jī)器人。

背景技術(shù)：

目前，助力外骨骼機(jī)器人基本都是采用剛性的連接構(gòu)件，并采用驅(qū)動系統(tǒng)直接對這些剛性的連接構(gòu)件進(jìn)行驅(qū)動，從而帶動人體與外骨骼一起運(yùn)動。此種剛性的外骨骼構(gòu)型設(shè)計(jì)，增大了外骨骼系統(tǒng)的體積與整體質(zhì)量，極大地影響了外骨骼構(gòu)型與人體的融合性，限制了外骨骼機(jī)器人的擬人化程度，影響了外骨骼機(jī)器人與人體的協(xié)同運(yùn)動，同時限制了整個外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)動靈活性，增加了系統(tǒng)的能量消耗。對于采用鋼絲繩作為外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動，根據(jù)人體的運(yùn)動步態(tài)不同階段所需力矩進(jìn)行變力矩適應(yīng)性驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)起來需要比較復(fù)雜的控制算法。此外，目前的助力外骨骼機(jī)器人主要針對輔助人體平地行走，在輔助人體進(jìn)行攀登運(yùn)動的外骨骼機(jī)器人較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決現(xiàn)有下肢助力外骨骼機(jī)器人由于構(gòu)型的剛性化所帶來的體積大、重量大、與人體融合性低、靈活性差、能耗較大，且無法針對人體攀登過程膝關(guān)節(jié)進(jìn)行柔順化適應(yīng)性輔助運(yùn)動的問題，進(jìn)而提供一種用于攀登過程膝關(guān)節(jié)助力的柔性外骨骼機(jī)器人。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：

用于攀登過程膝關(guān)節(jié)助力的柔性外骨骼機(jī)器人，它包括變力矩驅(qū)動裝置、左腿、右腿和傳動組件；左腿和右腿分別包括大腿和小腿；

所述變力矩驅(qū)動裝置包括電機(jī)、支撐架和驅(qū)動轉(zhuǎn)盤；所述傳動組件包括兩條繩索、兩根鮑登線管和兩個鮑登線管固定接頭；

所述驅(qū)動轉(zhuǎn)盤主要由連接為一體的凸輪絞盤分界盤和兩個凸輪絞盤組成；凸輪絞盤分界盤和兩個凸輪絞盤加工有驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸，兩個所述凸輪絞盤對稱設(shè)置；所述凸輪絞盤分界盤與兩個所述凸輪絞盤之間分別加工有用于纏繞繩索的繩索槽，兩個繩索槽內(nèi)的繩索的纏繞方向相反；

所述驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸轉(zhuǎn)動安裝在所述支撐架上，所述電機(jī)的輸出軸固裝在驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸的軸孔內(nèi)，所述電機(jī)通過電機(jī)連接法蘭盤固裝在所述支撐架上；所述大腿和所述小腿轉(zhuǎn)動連接，所述大腿的背側(cè)設(shè)有鮑登線管導(dǎo)向孔道；

所述支撐架上固裝有兩個所述鮑登線管固定接頭；鮑登線管的一端通過鮑登線管固定接頭固定，鮑登線管穿設(shè)在鮑登線管導(dǎo)向孔道內(nèi)，鮑登線管的另一端固定在所述鮑登線管導(dǎo)向孔道的下端口處，繩索槽內(nèi)繩索的一端纏繞固定在所述繩索槽上，繩索7穿設(shè)在鮑登線管內(nèi)，繩索的另一端固接在所述小腿的背側(cè)。

本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明采用輕型材料柔順化設(shè)計(jì)，方便攜帶；二、采用一個電機(jī)和驅(qū)動轉(zhuǎn)盤對左腿和右腿進(jìn)行交替驅(qū)動，整體結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕；三、整體構(gòu)型設(shè)計(jì)高度擬人化，與人體生理參數(shù)高度適應(yīng)；四、腿部采用3D打印輕型化彈性材料，極大的減輕整體重量，更加柔順；五、膝關(guān)節(jié)采用繩索主動變力矩驅(qū)動，具有柔順化適應(yīng)性驅(qū)動效果；六、驅(qū)動輸出結(jié)合人體攀登運(yùn)動步態(tài)周期對應(yīng)所需力矩，實(shí)現(xiàn)功能上的擬人化，節(jié)省了能源，提升了續(xù)航時間；七、攀登時輔助人體膝關(guān)節(jié)出力，提高人體運(yùn)動能力，減少人體新陳代謝。本發(fā)明整體重量包括電控系統(tǒng)不超過3kg。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為變力矩驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2去端蓋的主視圖；

圖4為變力矩驅(qū)動裝置的爆炸圖；

圖5為圖4中驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圖4中驅(qū)動轉(zhuǎn)盤從電機(jī)側(cè)看的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的側(cè)視圖；

圖8為大腿、小腿和鮑登線管導(dǎo)向孔道連接結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖9為大腿、小腿、鮑登線管導(dǎo)向孔道和鮑登線管相互連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為小腿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為大腿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為本發(fā)明工作原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

結(jié)合圖1-圖11說明，用于攀登過程膝關(guān)節(jié)助力的柔性外骨骼機(jī)器人，它包括變力矩驅(qū)動裝置、左腿、右腿和傳動組件；左腿和右腿分別包括大腿9和小腿10；

所述變力矩驅(qū)動裝置包括電機(jī)1、支撐架13和驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4；所述傳動組件包括兩條繩索7、兩根鮑登線管12和兩個鮑登線管固定接頭8；

所述驅(qū)動轉(zhuǎn)盤主要由連接為一體的凸輪絞盤分界盤4-2和兩個凸輪絞盤4-1組成；凸輪絞盤分界盤4-2和兩個凸輪絞盤4-1加工有驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4-3，兩個所述凸輪絞盤4-1對稱設(shè)置；所述凸輪絞盤分界盤4-2與兩個所述凸輪絞盤4-1之間分別加工有用于纏繞繩索7的繩索槽4-1-1，兩個繩索槽4-1-1內(nèi)的繩索7的纏繞方向相反；

所述驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4-3轉(zhuǎn)動安裝在所述支撐架13上，所述電機(jī)1的輸出軸固裝在驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4-3的軸孔內(nèi)，所述電機(jī)1通過電機(jī)連接法蘭盤2固裝在所述支撐架13上；所述大腿9和所述小腿10轉(zhuǎn)動連接，所述大腿9的背側(cè)設(shè)有鮑登線管導(dǎo)向孔道9-1；

所述支撐架13上固裝有兩個所述鮑登線管固定接頭8；鮑登線管12的一端通過鮑登線管固定接頭8固定，鮑登線管12穿設(shè)在鮑登線管導(dǎo)向孔道9-1內(nèi)，鮑登線管12的另一端固定在所述鮑登線管導(dǎo)向孔道9-1的下端口處，繩索槽4-1-1內(nèi)繩索7的一端纏繞固定在所述繩索槽4-1-1上，繩索7穿設(shè)在鮑登線管12內(nèi)，繩索7的另一端固接在所述小腿10的背側(cè)。

本實(shí)施方式的兩個凸輪絞盤4-1的外形尺寸完全一致，在凸輪絞盤分界盤4-2兩邊成對稱分布，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4朝一個方向定向轉(zhuǎn)動時，兩個凸輪絞盤4-1分別處于收繩和放繩的工作狀態(tài)，并且隨著驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4的轉(zhuǎn)動方向改變，兩個凸輪絞盤4-1交替改變工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)一組繩索處于驅(qū)動關(guān)節(jié)狀態(tài)，而另一組繩索處于放松狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變力矩驅(qū)動輸出。兩個凸輪絞盤4-1的外緣上出繩點(diǎn)有效力臂變化范圍為R₁～R₂mm(R₁<R₂)。大腿9和小腿10由輕質(zhì)彈性材料3D打印制成，本身具有較強(qiáng)的彈性。大腿9和小腿10之間通過大腿轉(zhuǎn)動孔9-2和小腿轉(zhuǎn)動軸10-1之間的配合連接，實(shí)現(xiàn)大腿9和小腿10之間相對轉(zhuǎn)動，鮑登線管12內(nèi)部有鋼絲繩或凱夫拉繩或碳纖維繩等繩索7，鮑登線管12穿過鮑登線管導(dǎo)向孔道9-1，在孔的端口處截止，鮑登線管12內(nèi)部有繩索7直接跨過大腿9和小腿10，通過鋼絲繩卡頭固定在小腿鋼絲繩固定端10-2上。大腿9和小腿10上分別還設(shè)有兩條腿部綁帶11，大腿9和小腿10通過腿部綁帶11分別固定在人體的腿部上，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)柔性外骨骼對帶動人體下肢運(yùn)動。電機(jī)1旋轉(zhuǎn)拉動對應(yīng)的大腿9和小腿10上的繩索7時，大腿9和小腿10與人體之間通過腿部綁帶11固定，攀登時蹬踏腿的小腿10保持不動，繩索7長度變短，使大腿9繞轉(zhuǎn)動軸相對小腿10進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)人體整體重心的提升，從而達(dá)到攀登過程的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行助力，實(shí)現(xiàn)輔助人體攀登。

結(jié)合圖1說明，優(yōu)選地，繩索7為鋼絲繩或凱夫拉繩或碳纖維繩。如此設(shè)置，鋼絲繩柔性好，強(qiáng)度大。凱夫拉繩具有耐高溫，防火阻燃，重量輕，強(qiáng)度高，模量高，尺寸穩(wěn)定，收縮率低，耐刺破，耐磨耗，耐熱性，耐化學(xué)腐蝕，機(jī)械性能好，介電性好等優(yōu)點(diǎn)；碳纖維繩具有強(qiáng)度大，便于保證重復(fù)展開精度。

結(jié)合圖1以及圖8-圖11說明，大腿9和小腿10均由輕質(zhì)彈性材料制成。如此設(shè)置，極大地減輕了整個裝置的重量。

結(jié)合圖2-圖4說明，支撐架13包括支撐外殼3和支撐外殼端蓋5；所述支撐外殼端蓋5安裝在所述支撐外殼3上，所述驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4布置在所述支撐外殼3內(nèi)并轉(zhuǎn)動安裝在所述支撐外殼3和所述支撐外殼端蓋5上，所述電機(jī)1通過電機(jī)連接法蘭盤2固裝在所述支撐外殼3上，兩個所述鮑登線管固定接頭8固裝在所述支撐外殼3上。本實(shí)施例的電機(jī)連接法蘭盤2通過螺栓固定在支撐外殼3上，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4-3通過鍵連接電機(jī)1的輸出軸上，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸4-3通過軸承固定在支撐外殼3和支撐外殼端蓋5的支撐孔上，保證電機(jī)1的軸心、驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4的轉(zhuǎn)動中心與支撐外殼3以及支撐外殼端蓋5的支撐孔的中心軸重合，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4可以與電機(jī)1同步轉(zhuǎn)動。繩索7纏繞在驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4的繩索槽4-1中，鮑登線管固定接頭8固定在支撐外殼3上，用以傳導(dǎo)鋼絲繩或凱夫拉繩或碳纖維繩。

結(jié)合圖3和圖4說明，變力矩驅(qū)動裝置還包括兩個繩索導(dǎo)輪6，兩個所述繩索導(dǎo)輪6安裝在所述支撐外殼3上，且兩個所述繩索導(dǎo)輪6與兩個所述鮑登線管固定接頭8一一對應(yīng)布置，繩索7支撐在所述繩索導(dǎo)輪6上。如此設(shè)置，繩索導(dǎo)輪6通過螺栓固定在支撐外殼3上，在驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4隨著電機(jī)1同步轉(zhuǎn)動驅(qū)動繩索7時，對鋼絲繩或凱夫拉繩或碳纖維繩進(jìn)行導(dǎo)向。

結(jié)合圖2和圖4說明，優(yōu)選地，電機(jī)1為伺服電機(jī)。如此設(shè)置，線性度高，起步轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。

工作原理：

本發(fā)明的膝關(guān)節(jié)設(shè)置為主動助力關(guān)節(jié)，采用一種鋼絲繩變力矩驅(qū)動的柔性驅(qū)動方式，利用電機(jī)1、凸輪絞盤4-1、鋼絲繩或繩索7、大腿9和小腿10相互配合組成一類新型的變力矩柔性驅(qū)動系統(tǒng)。鋼絲繩纏繞在變有效力臂的凸輪絞盤4-1上，隨著電機(jī)1的轉(zhuǎn)動可以實(shí)現(xiàn)變力矩動力輸出，鋼絲繩沿外骨骼腿部上側(cè)，跨過大腿和小腿的膝關(guān)節(jié)，固定在小腿膝關(guān)節(jié)的下部，通過電機(jī)1帶動凸輪絞盤4-1纏繞鋼絲繩，減少鋼絲繩長度，以小腿鋼絲繩固定端10-2為固定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩提供拉力，帶動整個身體提升，對膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)助力，完成輔助人體攀登運(yùn)動。

這種驅(qū)動方式，在人體攀登過程，利用一個電機(jī)交替對雙腿進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)變力矩輸出，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕型化，對電機(jī)要求低，腿部外骨骼具有彈性，結(jié)構(gòu)上具有高度的擬人化，與人體下肢構(gòu)型完全貼合，具有較強(qiáng)的柔順性與協(xié)同性。

變力矩驅(qū)動裝置中，電機(jī)1帶動驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4對鋼絲繩進(jìn)行驅(qū)動，通過驅(qū)動轉(zhuǎn)盤4上的兩個對稱分布的凸輪絞盤4-1對鋼絲繩進(jìn)行纏繞與放松，分別對人體的兩條不同的腿進(jìn)行施力驅(qū)動與自由放松，當(dāng)人體攀登時，凸輪絞盤4-1纏繞蹬踏腿側(cè)的鋼絲繩，同時另一端的凸輪絞盤4-1放松擺動腿的驅(qū)動鋼絲繩，讓擺動腿自由運(yùn)動。如圖12所示，一個凸輪絞盤4-1纏繞鋼絲繩，驅(qū)動人體攀登支撐腿，為人體提供攀登輔助的原理圖。圖12中：

R_i—某i點(diǎn)處的有效力臂；

S_i—凸輪絞盤轉(zhuǎn)過的繩長；

T₀—電機(jī)的輸出力矩；

T_i—某i點(diǎn)作用在膝關(guān)節(jié)上的力矩；

R₀—膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動半徑；

R₁—起始轉(zhuǎn)動后纏繞鋼絲繩時的有效力臂；

R₂—結(jié)束轉(zhuǎn)動后纏繞鋼絲繩時的有效力臂；

θ—支撐腿開始蹬踏后，膝關(guān)節(jié)角度。

通過凸輪絞盤4-1的有效力臂與膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動半徑R₀的關(guān)系，可以得到系統(tǒng)運(yùn)動到i點(diǎn)時，作用在膝關(guān)節(jié)上的力矩為：

由于上樓時支撐腿不動，鋼絲繩固定點(diǎn)10-2與小腿10的固定連接也保持不動，鋼絲繩或繩索7通過鮑登線管12固定在人體的大腿9上，鋼絲繩或繩索7可以在鮑登線管12內(nèi)自由滑動，鮑登線管12與人體大腿通過腿部綁帶11固定連接，隨著凸輪絞盤4-1纏繞鋼絲繩或繩索7，使鋼絲繩或繩索7長度變小，膝關(guān)節(jié)的角度變化隨著鋼絲繩或繩索7長度的變化的關(guān)系為：

由于鋼絲繩固定點(diǎn)繩端不動，所以鋼絲繩會帶動整個大腿順時針轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動助力，使人體的整個身體提升，完成攀登的動作，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩即為其作用在膝關(guān)節(jié)上的力矩T_i。

凸輪絞盤4-1的有效轉(zhuǎn)動半徑范圍為R₁～R₂mm(R₁<R₂)，由于人體攀登過程中，蹬踏腿初始發(fā)力時，需要較大的關(guān)節(jié)力矩，此時起始轉(zhuǎn)動纏繞鋼絲繩時的有效力臂設(shè)置為R₁mm，蹬踏腿結(jié)束發(fā)力時，需要較小的關(guān)節(jié)力矩，此時結(jié)束轉(zhuǎn)動纏繞鋼絲繩時的有效力臂設(shè)置為R₂mm，下肢助力外骨骼的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動半徑為R₀mm(R₁<R₂<R₀)，則可以實(shí)現(xiàn)對輸出端力矩變力矩輸出和二次放大，放大倍數(shù)為R₀/R₂～R₀/R₁。

在不增加電機(jī)功率的情況下，實(shí)現(xiàn)更大的力矩輸出，并且適應(yīng)人體攀登過程中蹬踏腿膝關(guān)節(jié)所需力矩的變化，實(shí)現(xiàn)功能上的擬人化，提升輔助人體上樓的輔助效果，節(jié)省了能源，在不增加系統(tǒng)重量的前提下，提升了系統(tǒng)的續(xù)航時間。

本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實(shí)施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施案例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍。