下肢助力外骨骼機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種下肢助力外骨骼機器人，其包括上身結(jié)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)，所述腿部結(jié)構(gòu)包括大腿結(jié)構(gòu)及小腿結(jié)構(gòu)，所述髖關(guān)節(jié)連接所述上身結(jié)構(gòu)及所述大腿結(jié)構(gòu)。所述膝關(guān)節(jié)連接所述大腿結(jié)構(gòu)及所述小腿結(jié)構(gòu)。所述上身結(jié)構(gòu)包括尺寸可調(diào)節(jié)的腰部組件，所述腰部組件包括與所述髖關(guān)節(jié)相連接的髖連接塊。所述膝關(guān)節(jié)包括連接于所述大腿結(jié)構(gòu)的第一大腿連接座、轉(zhuǎn)動連接于所述大腿連接座的第二小腿連接座及兩個連接于第一大腿連接座的第一電機，兩個所述第一電機驅(qū)動所述第二小腿連接座相對于所述大腿連接座轉(zhuǎn)動。
【專利說明】
下肢助力外骨骼機器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于服務機器人領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于單兵裝備的下肢助力外骨骼機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]人類的雙腿提供了負重和運輸平臺，尤其在不適合輪式運輸?shù)沫h(huán)境下，雙足顯示出了很強的機動性。負重是人類生活所要面對的最普遍的問題之一。對于士兵來說，有效載荷占其總體重的一大部分，而承擔這些載荷既無法避免又是他們的職責所在。攜帶過重的負擔不僅讓人感到疲勞，同時也存在潛在的精神上的和肉體上的傷害。
[0003]為了減輕這種負擔，下肢輔助支撐外骨骼機械設(shè)備應運而生。通過穿戴外骨骼設(shè)備，士兵的裝備重量可以通過外骨骼結(jié)構(gòu)直接傳遞到地面上，這就相當于代替士兵承擔裝備重量，既保存了士兵的體能，又減小了士兵負重。如申請?zhí)枮?01010119161.4的專利公開了一種助行外骨骼康復機器人，所述助行外骨骼康復機器人代替人承擔了重量。然而，所述助行外骨骼康復機器人的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)處都沒有設(shè)置限位結(jié)構(gòu)，容易造成外骨骼的轉(zhuǎn)動角度超過人體極限而對人體造成傷害，且其腰部結(jié)構(gòu)處尺寸不可調(diào)節(jié)，不能適應不同體型的人。又如申請?zhí)枮?01410063123.X的專利公開了一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置，所述大小腿裝置采用液壓缸驅(qū)動，減小了膝關(guān)節(jié)驅(qū)動元件尺寸，但是采用液壓缸驅(qū)動需要有液壓源，并且機構(gòu)控制精度不高，剛性與穩(wěn)定性也不足，同時液壓機構(gòu)容易出現(xiàn)油液滲漏問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種下肢助力外骨骼機器人，基于人機工程學、人體下肢骨骼機構(gòu)與人體下肢關(guān)節(jié)運動機理之間的關(guān)系，針對所述下肢助力外骨骼機器人的特定部件(如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腰部)的結(jié)構(gòu)及各個部件之間的連接關(guān)系進行了設(shè)計。所述髖關(guān)節(jié)與所述膝關(guān)節(jié)均設(shè)置有限位開關(guān)，所述限位開關(guān)與光電編碼器配合，防止了所述下肢助力外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度超過人體極限，以減小對人體的傷害。此外，所述下肢助力外骨骼機器人的腰部結(jié)構(gòu)的尺寸可以調(diào)節(jié)，以適應不同體型人的使用;所述下肢助力外骨骼機器人的膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)采用雙電機的驅(qū)動形式，不僅輸出力矩大，效率高，控制精度高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，使得相應關(guān)節(jié)體積小，質(zhì)量輕，極大的減輕了士兵在單兵作戰(zhàn)過程中產(chǎn)生的裝備負擔。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面提供了一種下肢助力外骨骼機器人，其包括上身結(jié)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)，所述腿部結(jié)構(gòu)包括大腿結(jié)構(gòu)及小腿結(jié)構(gòu)，所述髖關(guān)節(jié)連接所述上身結(jié)構(gòu)及所述大腿結(jié)構(gòu);所述膝關(guān)節(jié)連接所述大腿結(jié)構(gòu)及所述小腿結(jié)構(gòu)。
[0006]所述上身結(jié)構(gòu)包括尺寸可調(diào)節(jié)的腰部組件，所述腰部組件包括與所述髖關(guān)節(jié)相連接的髖連接塊；
[0007]所述膝關(guān)節(jié)包括連接于所述大腿結(jié)構(gòu)的第一大腿連接座、分別固定在所述第一大腿連接座相背的兩側(cè)的第一固定法蘭及及第二輔助板、連接于所述小腿結(jié)構(gòu)的第二小腿連接座、分別固定在所述第二小腿連接座相背的兩側(cè)的第一輔助板及第一輔助法蘭、兩個間隔固定在所述第一固定法蘭上的第一電機、分別與兩個所述第一電機相連接的兩個第一小齒輪、與兩個所述第一小齒輪相嚙合的第一大齒輪及與所述第一大齒輪相連接的第一諧波減速器，所述第一諧波減速器連接所述第一輔助法蘭及所述第一輔助板，其能夠通過所述第一輔助法蘭帶動所述第二小腿連接座相對于所述第一大腿連接座轉(zhuǎn)動，進而帶動所述小腿結(jié)構(gòu)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動；
[0008]所述膝關(guān)節(jié)還包括第一限位開關(guān)及第一光電編碼器，所述第一限位開關(guān)與所述第一光電編碼器相配合以實現(xiàn)對所述膝關(guān)節(jié)的雙重限位;所述第一限位開關(guān)的一端固定在所述第二輔助板上，另一端與所述第一輔助法蘭的第一凹槽滑動連接，所述第一限位開關(guān)與所述第一凹槽相配合以限制所述第一大腿連接座與所述第二小腿連接座之間的轉(zhuǎn)動。
[0009]進一步的，所述髖關(guān)節(jié)還包括連接于所述髖連接塊的腰部連接座、兩個連接于所述腰部連接座的第二電機、兩個分別連接于兩個所述第二電機的第二小齒輪、與兩個所述第二小齒輪相嚙合的第二大齒輪、與所述第二大齒輪相連接的第二諧波減速器及連接于所述第二諧波減速器的第二大腿連接座，所述第二大腿連接座連接于所述大腿結(jié)構(gòu)，兩個所述第二電機通過轉(zhuǎn)動以帶動所述第二大腿連接座相對于所述髖連接座轉(zhuǎn)動，進而帶動所述大腿結(jié)構(gòu)相對于所述髖連接座轉(zhuǎn)動。
[0010]進一步的，所述髖關(guān)節(jié)還包括分別固定在所述腰部連接座相背的兩側(cè)的第二固定法蘭及第四輔助板、以及分別固定在所述第二大腿連接座相背的兩側(cè)的第三輔助板及第二輔助法蘭;所述第二固定法蘭連接兩個所述第二電機;所述第二輔助法蘭連接所述第二諧波減速器。
[0011]進一步的，所述髖關(guān)節(jié)還包括第二限位開關(guān)及第二光電編碼器，所述第二限位開關(guān)及所述第二光電編碼器相配合以實現(xiàn)對所述髖關(guān)節(jié)的雙重限位;所述第二限位開關(guān)的一端固定在所述第四輔助板上，另一端與所述第二輔助法蘭的第二凹槽滑動連接，所述第二限位開關(guān)與所述第二凹槽相配合以限制所述腰部連接座與所述第二大腿連接座之間的轉(zhuǎn)動。
[0012]進一步的，所述下肢助力外骨骼機器人還包括踝關(guān)節(jié)、傳感鞋及捆綁組件，所述踝關(guān)節(jié)連接所述小腿結(jié)構(gòu)及所述傳感鞋;所述捆綁組件包括大腿捆綁組件及小腿捆綁組件，所述大腿捆綁組件用于將所述人體大腿與所述大腿結(jié)構(gòu)捆綁在一起;所述小腿捆綁組件用于將人體小腿與所述小腿結(jié)構(gòu)捆綁在一起。
[0013]進一步的，所述踝關(guān)節(jié)包括鞋連接座、設(shè)置在所述鞋連接座上的第一小腿連接座及氣彈簧，所述第一小腿連接座連接于所述小腿結(jié)構(gòu);所述氣彈簧的一端連接于所述第一小腿連接座，另一端連接于所述傳感鞋的硬質(zhì)鞋跟。
[0014]進一步的，所述氣彈簧的數(shù)量為兩個，兩個所述氣彈簧分別設(shè)置在所述鞋連接座相背的兩側(cè)。
[0015]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明提供的下肢助力外骨骼機器人，所述髖關(guān)節(jié)與所述膝關(guān)節(jié)均設(shè)置有限位開關(guān)，所述限位開關(guān)與光電編碼器配合，防止了所述下肢助力外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度超過人體極限，以減小對人體的傷害。此外，所述下肢助力外骨骼機器人的腰部結(jié)構(gòu)的尺寸可以調(diào)節(jié)，以適應不同體型人的使用;所述下肢助力外骨骼機器人的膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)采用雙電機的驅(qū)動形式，不僅輸出力矩大，效率高，控制精度高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，使得相應關(guān)節(jié)體積小，質(zhì)量輕，極大的減輕了士兵在單兵作戰(zhàn)過程中產(chǎn)生的裝備負擔。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明較佳實施方式提供的下肢助力外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是圖1中的下肢助力外骨骼機器人的另一個角度的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是圖1中的下肢助理機器人的腰部組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是圖3中的腰部組件的局部剖視圖。
[0020]圖5是圖1中的下肢助力外骨骼機器人的踝關(guān)節(jié)的剖視圖。
[0021]圖6是圖1中的下肢助力外骨骼機器人的膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖7是圖6中的膝關(guān)節(jié)沿另一個角度的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖8是圖6中的膝關(guān)節(jié)的剖視圖。
[0024]圖9是圖1中的下肢助力外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)的剖視圖圖。
[0025]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_上身結(jié)構(gòu)，
11-背部防護套，12-肩腰帶，13-背部箱體，14-背部支撐板，15-背部箱體內(nèi)置組件，16-腰部組件，161-髖關(guān)節(jié)連接座，1611-護腰板上連接板，1612-護腰板中連接板，1613-護腰板下連接板，1614-限位組件，1615-髖連接塊，1616-推力軸承，162-護腰板，163-端蓋，164-第一連接板，165-鉸鏈關(guān)節(jié)，166-第二連接板，2-腿部結(jié)構(gòu)，21-大腿桿上部，22-碰珠銷，23-大腿桿下部，3-踝關(guān)節(jié)，31-氣彈簧，32-第一小腿連接座，33-電機固定座，34-第一鍵，35-第三電機，36-鞋連接座，37-螺釘鎖緊擋圈，38-第一軸承，39-第二鍵，310-踝關(guān)節(jié)軸，311-彈性擋圈，4-傳感鞋，41-硬質(zhì)鞋跟，42-傳感鞋墊，43-防滑鞋底，44-鞋部捆綁件，45-緩沖墊，5-捆綁組件，51-大腿捆綁組件，52-小腿捆綁組件，6-膝關(guān)節(jié)，61-第一固定法蘭，62-第一大齒輪，63-第一小齒輪，64-第一輔助板，65-第二小腿連接座，66-第一電機，67-第一大腿連接座，68-第二輔助板，69-第一減重彈簧，610-第一輔助法蘭，611-第一諧波減速器，7-髖關(guān)節(jié)，71-第二固定法蘭，73-第二大齒輪，74-第三輔助板，75-第二大腿連接座，76-第二輔助法蘭，77-第二諧波減速器，78-第二減重彈簧，710-第四輔助板，711-腰部連接座。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0027]請參閱圖1至圖4，本發(fā)明較佳實施方式提供的下肢助力外骨骼機器人，其是基于人體下肢骨骼機構(gòu)和人體下肢關(guān)節(jié)運動機理之間的關(guān)系，而建立的一種可穿戴外骨骼機器人的仿生結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了外骨骼穿戴方便、尺寸可調(diào)整、運動靈活可靠，且與人體具有高度的可協(xié)調(diào)性，能夠快速的順應人體的運動而運動。
[0028]所述下肢助力外骨骼機器人包括上身結(jié)構(gòu)1、腿部結(jié)構(gòu)2、踝關(guān)節(jié)3、傳感鞋4、捆綁組件5、膝關(guān)節(jié)6及髖關(guān)節(jié)7，所述髖關(guān)節(jié)7的一端連接所述上身結(jié)構(gòu)I，另一端與所述腿部結(jié)構(gòu)2的大腿結(jié)構(gòu)相連接。所述膝關(guān)節(jié)6分別連接所述大腿結(jié)構(gòu)及所述腿部結(jié)構(gòu)2的小腿結(jié)構(gòu)，所述小腿結(jié)構(gòu)能夠相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。所述踝關(guān)節(jié)3的一端與所述小腿結(jié)構(gòu)相連接，另一端與所述傳感鞋4固定連接。所述捆綁組件5可移動的連接在所述腿部結(jié)構(gòu)2上，其用于捆綁人體腿部以防止運動過程中人體腿部與所述下肢助力外骨骼機器人發(fā)生相對運動。
[0029]所述上身結(jié)構(gòu)I包括背部防護套11、肩腰帶12、背部箱體13、背部支撐板14、背部箱體內(nèi)置組件15及腰部組件16，所述背部箱體13與所述背部支撐板14固定連接。所述背部箱體內(nèi)置組件15設(shè)置在所述背部箱體13內(nèi)。本實施方式中，所述背部箱體內(nèi)置組件15包括驅(qū)動控制板及鋰聚合物可充電電池，所述驅(qū)動控制板包括八個驅(qū)動模塊及一個控制模塊，其用于控制所述下肢助力外骨骼機器人。所述可充電電池用于為所述下肢助力外骨骼機器人提供電能。
[0030]所述背部防護套11設(shè)置在所述背部箱體13朝向所述肩腰帶12的一側(cè)，其是由彈性材料制成的。所述背部防護套11用于更好的貼合人體背部曲線，并吸收部分沖擊。所述肩腰帶12的兩端分別連接所述背部箱體13及所述腰部組件16，其將腰帶與肩帶集成為一體，所述肩帶分為左右對稱的兩部分，且這兩部分于胸前通過搭扣相連接。所述肩腰帶12的長度可以調(diào)節(jié)，且其通過所述搭扣可以緊緊地捆到人體上，使穿戴者保持身體平衡。
[0031]所述腰部組件16連接于所述髖關(guān)節(jié)7，其包括髖關(guān)節(jié)連接座161、護腰板162、端蓋163、第一連接板164、鉸鏈關(guān)節(jié)165及第二連接板166。本實施方式中，所述護腰板162的數(shù)量為兩個，所述髖關(guān)節(jié)連接座161的數(shù)量為兩個，所述端蓋163的數(shù)量為兩個;每個所述護腰板162的兩端分別連接所述第一連接板164或者所述第二連接板166及所述髖關(guān)節(jié)連接座161，且所述護腰板162與所述第一連接板164或者所述第二連接板166之間采用圓孔結(jié)構(gòu)進行連接，通過改變軸承在所述圓孔結(jié)構(gòu)中的位置來調(diào)節(jié)所述腰部組件16的尺寸;所述第一連接板164及所述第二連接板166是由聚乙醇酸SR-PGA材料制成的。所述鉸鏈關(guān)節(jié)165連接所述第一連接板164及所述第二連接板166，所述第一連接板164及所述第二連接板166均與對應的所述護腰板162轉(zhuǎn)動連接。兩個所述端蓋163分別設(shè)置在所述第一連接板164與對應的所述護腰板162的連接處及所述第二連接板166與對應的所述護腰板162的連接處，以用于保護所述第一連接板164及所述第二連接板166的圓孔結(jié)構(gòu)。
[0032]所述髖關(guān)節(jié)連接座161連接于所述髖關(guān)節(jié)7，其包括護腰板上連接板1611、護腰板中連接板1612、護腰板下連接板1613、限位組件1614、髖連接塊1615及推力軸承1616，所述護腰板中連接板1612開設(shè)有第一收容槽，所述推力軸承1616部分地收容在所述第一收容槽內(nèi)。所述髖連接塊1615設(shè)置在所述推力軸承1616上，所述護腰板上連接板1611及所述護腰板下連接板1613分別設(shè)置在所述護腰板中連接板1612的相背的兩個表面。所述護腰板下連接板1613開設(shè)有位置與所述第一收容槽相對應的通孔，所述髖連接塊1615部分的穿過所述通孔而凸出于所述護腰板下連接板1613。本實施方式中，所述限位組件1614用于限制所述髖連接塊1615的移動，其包括多個限位塊，所述多個限位塊固定在所述護腰板下連接板1613上且沿所述通孔的邊沿均勻排布。
[0033]所述腿部結(jié)構(gòu)2為方管結(jié)構(gòu)，其包括所述大腿結(jié)構(gòu)及所述小腿結(jié)構(gòu)，所述大腿結(jié)構(gòu)與所述小腿結(jié)構(gòu)通過所述膝關(guān)節(jié)6形成轉(zhuǎn)動連接。所述大腿結(jié)構(gòu)包括大腿桿上部21、碰珠銷22及大腿桿下部23，所述大腿桿上部21通過所述碰珠銷22活動的連接于所述大腿桿下部23，其通過相對于所述大腿桿下部23的移動以調(diào)節(jié)所述大腿結(jié)構(gòu)的長度。
[0034]本實施方式中，所述大腿桿下部23開設(shè)有與自身管孔相連通的收容孔，所述收容孔沿垂直于所述大腿桿下部23長度方向貫穿所述大腿桿下部23，所述收容孔的數(shù)量為多個，多個所述收容孔間隔設(shè)置;可以理解，在其他實施方式中，所述收容孔的數(shù)量可以根據(jù)實際需要增加或者減少。所述碰珠銷22的數(shù)量為三個，每個所述碰珠銷22包括兩個碰珠及一個彈簧，所述彈簧的兩端分別連接兩個所述碰珠;所述大腿桿上部21的一端套設(shè)在所述大腿桿下部23的管孔內(nèi)，每個所述碰珠銷22穿過所述大腿桿上部21后收容在所述收容孔內(nèi)，且對應的兩個碰珠凸出于所述大腿桿下部23。當調(diào)節(jié)所述大腿結(jié)構(gòu)的長度時，按下所述碰珠使其進入所述大腿桿下部23的管孔內(nèi)，同時壓縮對應的所述彈簧，所述大腿桿上部21沿所述大腿桿下部23的長度方向移動以調(diào)節(jié)所述大腿結(jié)構(gòu)的長度，當所述大腿桿上部21到達預定位置后，松開所述碰珠，所述碰珠在所述彈簧的彈性恢復力作用下自另一個所述收容孔凸出于所述大腿桿下部23，所述大腿桿上部21與所述大腿桿下部23再次穩(wěn)定連接。本實施方式中，所述小腿結(jié)構(gòu)也是通過碰珠銷實現(xiàn)自身長度調(diào)節(jié)的。
[0035]請參閱圖5，所述踝關(guān)節(jié)3的一端與所述小腿結(jié)構(gòu)相連接，另一端與所述傳感鞋4固定連接。所述踝關(guān)節(jié)3包括氣彈簧31、第一小腿連接座32、電機固定座33、第一鍵34、第三電機35、鞋連接座36、螺釘鎖緊擋圈37、第一軸承38、第二鍵39、踝關(guān)節(jié)軸310及彈性擋圈311，所述氣彈簧31的一端連接所述第一小腿連接座32，另一端連接所述傳感鞋4的硬質(zhì)鞋跟41。本實施方式中，所述氣彈簧31用于吸收所述踝關(guān)節(jié)3處的部分沖擊及限制所述踝關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)動角度;所述氣彈簧31的數(shù)量為兩個，可以理解，在其他實施方式中，所述氣彈簧31的數(shù)量可以根據(jù)實際需要增加或者減少。
[0036]所述電機固定座33固定在所述鞋連接座36上，其用于承載所述第三電機35。所述第三電機35與所述踝關(guān)節(jié)軸310固定連接，所述踝關(guān)節(jié)軸310通過所述第一鍵34及所述第二鍵39與所述鞋連接座36相連接，所述第一鍵34與所述第二鍵39分別位于所述踝關(guān)節(jié)軸310的相背的兩側(cè)。所述第三電機35固定在所述電機固定座33上，其用于驅(qū)動所述踝關(guān)節(jié)軸310轉(zhuǎn)動，進而帶動所述踝關(guān)節(jié)3部分地轉(zhuǎn)動一定角度。所述踝關(guān)節(jié)軸310通過所述螺釘鎖緊擋圈37與所述鞋連接座36定位。本實施方式中，所述螺釘鎖緊擋圈37的數(shù)量為兩個，兩個所述螺釘鎖緊擋圈37間隔設(shè)置;可以理解，在其他實施方式中，所述螺釘鎖緊擋圈37的數(shù)量可以根據(jù)實際需要增加或者減少。
[0037]所述第一小腿連接座32連接于所述小腿結(jié)構(gòu)且其基本呈“η”字型，其朝向所述鞋連接座36的一側(cè)延伸有兩個間隔設(shè)置的轉(zhuǎn)動板。所述鞋連接座36基本呈“凹”字型，其朝向所述第一小腿連接座32的一側(cè)延伸有兩個間隔設(shè)置的承載板，所述踝關(guān)節(jié)軸310穿過兩個所述承載板，兩個所述第一軸承38分別套設(shè)在兩個所述承載板朝同一方向延伸的凸起部上。所述第一小腿連接座32通過兩個所述轉(zhuǎn)動板及兩個所述第一軸承38連接于所述鞋連接座36上，兩個所述轉(zhuǎn)動板分別與兩個所述承載板間隔設(shè)置。本實施方式中，兩個所述第一軸承38分別通過兩個所述彈性擋圈311與兩個所述凸起部定位。
[0038]所述傳感鞋4包括硬質(zhì)鞋跟41、傳感鞋墊42、防滑鞋底43、鞋部捆綁件44及緩沖墊45，所述緩沖墊45、所述傳感鞋墊42及所述防滑鞋底43依次疊加設(shè)置。所述緩沖墊45與所述鞋部捆綁件44相連接，其是由彈性材料制成的，以緩沖其受到的沖擊。所述傳感鞋墊42包括多個采用面陣形式設(shè)置的PVDF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜傳感器，所述多個PVDF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜傳感器形成的測力面覆蓋整個腳底，適用于對不同行走運動模式的檢測。所述硬質(zhì)鞋跟41與所述防滑鞋底43固定連接，所述防滑鞋底43的底部為鋸齒狀，以增加其與地面之間的摩擦，進而起到防滑作用。所述鞋部捆綁件44用于捆綁穿戴者的腳部，使腳部與傳感鞋4捆綁在一起。
[0039]所述捆綁組件5包括大腿捆綁組件51及小腿捆綁組件52，所述大腿捆綁組件51用于將穿戴者的大腿與所述大腿結(jié)構(gòu)捆綁在一起;所述小腿捆綁組件52用于將穿戴者的小腿與所述小腿結(jié)構(gòu)捆綁在一起。所述大腿捆綁組件51包括捆綁帶及與所述捆綁帶固定連接的捆綁環(huán)，所述捆綁帶與所述大腿結(jié)構(gòu)相連接，所述捆綁環(huán)用于捆綁穿戴者的大腿。所述捆綁環(huán)為半環(huán)結(jié)構(gòu)，其設(shè)有多個間隔設(shè)置的帶孔(圖未示)。所述捆綁環(huán)通過多個所述帶孔與腿部約束帶相配合來捆緊穿戴者的大腿。本實施方式中，所述腿部約束帶是由尼龍材料制成的，其在穿戴過程中可及時更換且可調(diào)整，以適合不同穿戴者的使用;所述小腿捆綁組件52與所述大腿捆綁組件51基本相同，兩者的捆綁原理相同。
[0040]請參閱圖6、圖7及圖8，所述膝關(guān)節(jié)6連接所述大腿結(jié)構(gòu)及所述小腿結(jié)構(gòu)。所述膝關(guān)節(jié)6包括第一固定法蘭61、第一大齒輪62、第一小齒輪63、第一輔助板64、第二小腿連接座65、第一電機66、第一大腿連接座67、第二輔助板68、第一減重彈簧69、第一輔助法蘭610及第一諧波減速器611。所述第一固定法蘭61及所述第二輔助板68分別固定在所述第一大腿連接座67相背的兩側(cè)，所述第一大腿連接座67連接于所述大腿結(jié)構(gòu)。所述第一輔助板64及所述第一輔助法蘭610分別固定在所述第二小腿連接座65相背的兩側(cè)。所述第二輔助板68、所述第一輔助法蘭610、所述第一固定法蘭61及所述第一輔助板64依次間隔設(shè)置。本實施方式中，所述第一電機66的數(shù)量為兩個，兩個所述第一電機66間隔設(shè)置在所述第一固定法蘭61上;所述第一小齒輪63的數(shù)量也為兩個，兩個所述第一小齒輪63間隔設(shè)置，兩個所述第一電機66分別驅(qū)動兩個所述第一小齒輪63轉(zhuǎn)動。兩個所述小齒輪63與所述第一大齒輪62同步嗤合，以帶動所述第一大齒輪62轉(zhuǎn)動。本實施方式中，兩個所述第一小齒輪63與所述第一大齒輪62呈“V”字型設(shè)置，且三者位于所述第一固定法蘭61的同一側(cè)。所述第一減重彈簧69位于所述第一輔助法蘭610及所述第一固定法蘭61之間，其連接在所述第一諧波減速器611上。所述第一諧波減速器611連接所述第一輔助法蘭610及所述第一大齒輪62，所述第一大齒輪62將轉(zhuǎn)動傳遞給所述諧波減速器611的第一波發(fā)生器，所述第一波發(fā)生器使所述第一諧波減速器611的第一柔性齒輪發(fā)生可控彈性變形并與所述第一諧波減速器611的第一剛性齒輪相嚙合以傳遞轉(zhuǎn)動。所述第一剛性齒輪與所述第一輔助法蘭610固定連接;所述第二小腿連接座65與所述小腿結(jié)構(gòu)相連接;所述第一剛性齒輪通過轉(zhuǎn)動以帶動所述第一輔助法蘭610轉(zhuǎn)動，進而帶動所述小腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。
[0041]本實施方式中，所述膝關(guān)節(jié)6還包括第一限位開關(guān)及第一光電編碼器，所述第一限位開關(guān)的一端固定在所述第二輔助板68上，另一端與所述第一輔助法蘭610的第一凹槽滑動連接。所述第一限位開關(guān)能夠確定所述第二小腿連接座65與所述第一大腿連接座67之間的初始角。當所述第一限位開關(guān)進入所述第一凹槽的一端時，此位置對應的初始角為零點；當所述第一限位開關(guān)滑動到所述第一凹槽的另一端時，所述第二小腿連接座65與所述第一大腿連接座67之間的轉(zhuǎn)動停止。所述第一限位開關(guān)與所述第一光電編碼器配合，以實現(xiàn)所述膝關(guān)節(jié)6的雙重限位(機械限位及電限位)，進而防止所述膝關(guān)節(jié)6的轉(zhuǎn)動角度超過人體極限，以減小對人體的傷害。
[0042]請參閱圖9，所述髖關(guān)節(jié)7連接所述髖關(guān)節(jié)連接座161及所述大腿結(jié)構(gòu)。所述髖關(guān)節(jié)7包括第二固定法蘭71、第二小齒輪、第二大齒輪73、第三輔助板74、第二大腿連接座75、第二輔助法蘭76、第二諧波減速器77、第二減重彈簧78、第二電機、第四輔助板710及腰部連接座711。所述第二固定法蘭71與所述第四輔助板710固定在所述腰部連接座711相背的兩側(cè)，所述腰部連接座711連接于所述髖關(guān)節(jié)連接座161的髖連接塊1615上。所述第三輔助板74及所述第二輔助法蘭76分別固定在所述第二大腿連接座75的相背的兩側(cè)，所述第二大腿連接座75連接所述大腿結(jié)構(gòu)。
[0043]本實施方式中，所述第二電機的數(shù)量為兩個，兩個所述第二電機間隔固定在所述第一固定法蘭71上，且兩者分別位于所述腰部連接座711相背的兩側(cè);所述第二小齒輪的數(shù)量為兩個，兩個所述第二小齒輪分別與兩個所述第二電機相連接，兩個所述第二電機分別用于驅(qū)動兩個所述第二小齒輪轉(zhuǎn)動。兩個所述第二小齒輪與所述第二大齒輪73同步嚙合，以帶動所述第二大齒輪73轉(zhuǎn)動。
[0044]本實施方式中，兩個所述第二小齒輪與所述第二大齒輪73呈“V”字型設(shè)置，且三者位于所述第二固定法蘭71的同一側(cè)。所述第二減重彈簧78位于所述第二輔助法蘭76及所述第二固定法蘭71之間，其連接在所述第二諧波減速器77上。所述第二諧波減速器77連接所述第二輔助法蘭76及所述第二大齒輪73，所述第二大齒輪73將轉(zhuǎn)動傳遞給所述第二諧波減速器77的第二波發(fā)生器，所述第二波發(fā)生器使所述第二諧波減速器77的第二柔性齒輪發(fā)生可控彈性變形并與第二諧波減速器77的第二剛性齒輪相嚙合以傳遞轉(zhuǎn)動。所述第二剛性齒輪與所述第二輔助法蘭76固定連接，所述第二剛性齒輪通過轉(zhuǎn)動以帶動所述第二輔助法蘭76轉(zhuǎn)動，進而帶動所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。
[0045]本實施方式中，所述髖關(guān)節(jié)7還包括第二限位開關(guān)及第二光電編碼器，所述第二限位開關(guān)的一端固定在所述第四輔助板710上，另一端與所述第二輔助法蘭76的第二凹槽滑動連接。所述第二限位開關(guān)能夠確定所述腰部連接座711與所述第二大腿連接座75之間的初始角。當所述第二限位開關(guān)進入所述第二凹槽的一端時，此位置對應的初始角為零點；當所述第二限位開關(guān)滑動到所述第二凹槽的另一端時，所述腰部連接座711與所述第二大腿連接座75之間的轉(zhuǎn)動停止。所述第二限位開關(guān)與所述第二光電編碼器配合，以實現(xiàn)所述髖關(guān)節(jié)7的雙重限位(機械限位及電限位)，進而防止所述髖關(guān)節(jié)7的轉(zhuǎn)動角度超過人體極限，以減小對人體的傷害。
[0046]本實施方式中，所述腿部結(jié)構(gòu)2的數(shù)量、所述踝關(guān)節(jié)3的數(shù)量、所述傳感鞋4的數(shù)量、所述捆綁組件5的數(shù)量、所述膝關(guān)節(jié)6的數(shù)量及所述髖關(guān)節(jié)7的數(shù)量均為兩個，這些組件組合成兩個連接有傳感鞋4的腿部外骨骼。
[0047]采用本發(fā)明提供的下肢助力外骨骼機器人，所述髖關(guān)節(jié)與所述膝關(guān)節(jié)均設(shè)置有限位開關(guān)，所述限位開關(guān)與光電編碼器配合，防止了所述下肢助力外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度超過人體極限，以減小對人體的傷害。此外，所述下肢助力外骨骼機器人的腰部結(jié)構(gòu)的尺寸可以調(diào)節(jié)，以適應不同體型人的使用；所述下肢助力外骨骼機器人的膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)采用雙電機的驅(qū)動形式，不僅輸出力矩大，效率高，控制精度高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，使得相應關(guān)節(jié)體積小，質(zhì)量輕，極大的減輕了士兵在單兵作戰(zhàn)過程中產(chǎn)生的裝備負擔。
[0048]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種下肢助力外骨骼機器人，其包括上身結(jié)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)，所述腿部結(jié)構(gòu)包括大腿結(jié)構(gòu)及小腿結(jié)構(gòu)，所述髖關(guān)節(jié)連接所述上身結(jié)構(gòu)及所述大腿結(jié)構(gòu);所述膝關(guān)節(jié)連接所述大腿結(jié)構(gòu)及所述小腿結(jié)構(gòu);特征在于: 所述上身結(jié)構(gòu)包括尺寸可調(diào)節(jié)的腰部組件，所述腰部組件包括與所述髖關(guān)節(jié)相連接的髖連接塊； 所述膝關(guān)節(jié)包括連接于所述大腿結(jié)構(gòu)的第一大腿連接座、分別固定在所述第一大腿連接座相背的兩側(cè)的第一固定法蘭及及第二輔助板、連接于所述小腿結(jié)構(gòu)的第二小腿連接座、分別固定在所述第二小腿連接座相背的兩側(cè)的第一輔助板及第一輔助法蘭、兩個間隔固定在所述第一固定法蘭上的第一電機、分別與兩個所述第一電機相連接的兩個第一小齒輪、與兩個所述第一小齒輪相嚙合的第一大齒輪及與所述第一大齒輪相連接的第一諧波減速器，所述第一諧波減速器連接所述第一輔助法蘭及所述第一輔助板，其能夠通過所述第一輔助法蘭帶動所述第二小腿連接座相對于所述第一大腿連接座轉(zhuǎn)動，進而帶動所述小腿結(jié)構(gòu)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動； 所述膝關(guān)節(jié)還包括第一限位開關(guān)及第一光電編碼器，所述第一限位開關(guān)與所述第一光電編碼器相配合以實現(xiàn)對所述膝關(guān)節(jié)的雙重限位;所述第一限位開關(guān)的一端固定在所述第二輔助板上，另一端與所述第一輔助法蘭的第一凹槽滑動連接，所述第一限位開關(guān)與所述第一凹槽相配合以限制所述第一大腿連接座與所述第二小腿連接座之間的轉(zhuǎn)動。2.如權(quán)利要求1所述的下肢助力外骨骼機器人，其特征在于:所述髖關(guān)節(jié)還包括連接于所述髖連接塊的腰部連接座、兩個連接于所述腰部連接座的第二電機、兩個分別連接于兩個所述第二電機的第二小齒輪、與兩個所述第二小齒輪相嚙合的第二大齒輪、與所述第二大齒輪相連接的第二諧波減速器及連接于所述第二諧波減速器的第二大腿連接座，所述第二大腿連接座連接于所述大腿結(jié)構(gòu)，兩個所述第二電機通過轉(zhuǎn)動以帶動所述第二大腿連接座相對于所述髖連接座轉(zhuǎn)動，進而帶動所述大腿結(jié)構(gòu)相對于所述髖連接座轉(zhuǎn)動。3.如權(quán)利要求2所述的下肢助力外骨骼機器人，其特征在于:所述髖關(guān)節(jié)還包括分別固定在所述腰部連接座相背的兩側(cè)的第二固定法蘭及第四輔助板、以及分別固定在所述第二大腿連接座相背的兩側(cè)的第三輔助板及第二輔助法蘭;所述第二固定法蘭連接兩個所述第二電機;所述第二輔助法蘭連接所述第二諧波減速器。4.如權(quán)利要求3所述的下肢助力外骨骼機器人，其特征在于:所述髖關(guān)節(jié)還包括第二限位開關(guān)及第二光電編碼器，所述第二限位開關(guān)及所述第二光電編碼器相配合以實現(xiàn)對所述髖關(guān)節(jié)的雙重限位;所述第二限位開關(guān)的一端固定在所述第四輔助板上，另一端與所述第二輔助法蘭的第二凹槽滑動連接，所述第二限位開關(guān)與所述第二凹槽相配合以限制所述腰部連接座與所述第二大腿連接座之間的轉(zhuǎn)動。5.如權(quán)利要求1所述的下肢助力外骨骼機器人，其特征在于:所述下肢助力外骨骼機器人還包括踝關(guān)節(jié)、傳感鞋及捆綁組件，所述踝關(guān)節(jié)連接所述小腿結(jié)構(gòu)及所述傳感鞋;所述捆綁組件包括大腿捆綁組件及小腿捆綁組件，所述大腿捆綁組件用于將所述人體大腿與所述大腿結(jié)構(gòu)捆綁在一起;所述小腿捆綁組件用于將人體小腿與所述小腿結(jié)構(gòu)捆綁在一起。6.如權(quán)利要求5所述的下肢助力外骨骼機器人，其特征在于:所述踝關(guān)節(jié)包括鞋連接座、設(shè)置在所述鞋連接座上的第一小腿連接座及氣彈簧，所述第一小腿連接座連接于所述小腿結(jié)構(gòu);所述氣彈簧的一端連接于所述第一小腿連接座，另一端連接于所述傳感鞋的硬質(zhì)鞋跟。7.如權(quán)利要求5所述的下肢助力外骨骼機器人，其特征在于:所述氣彈簧的數(shù)量為兩個，兩個所述氣彈簧分別設(shè)置在所述鞋連接座相背的兩側(cè)。
【文檔編號】B25J9/00GK105965483SQ201610511532
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】李敏, 谷敏, 周建容, 杜彬, 張力峰
【申請人】西南交通大學