本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種下肢外骨骼機(jī)器人。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，可穿戴式外骨骼機(jī)器人在人體助力領(lǐng)域逐漸得到了廣泛的認(rèn)識(shí)，外骨骼機(jī)器人主要應(yīng)用在行動(dòng)不便的病人、殘疾人康復(fù)或醫(yī)療輔助等領(lǐng)域，多用來(lái)幫助殘疾人的輔助行走及為正常人提供人體助力。由于外骨骼穿戴于人體外側(cè)，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要擬人化，外骨骼的終極目標(biāo)是使得外骨骼機(jī)械腿能夠像人腿一樣靈活實(shí)用，為此依據(jù)人體仿生學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種較好的外骨骼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

研究表明，行走時(shí)人腿在行走過(guò)程中帶有彈性，可以避免因接觸路面造成的振動(dòng)沖擊，而且其彈性及剛度可以實(shí)時(shí)調(diào)整，其原理如下：人體在行走時(shí)，針對(duì)不同的行走狀態(tài)，可以通過(guò)老練的骨骼肌肉系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整腿部關(guān)節(jié)的剛度，使人體能夠適應(yīng)不同的步行速度、步行幅度和路況等，大大增加了適應(yīng)環(huán)境的能力。而目前外骨骼多采用剛性關(guān)節(jié)，導(dǎo)致使用過(guò)程中存在以下缺陷：1）外骨骼工作時(shí)，剛性關(guān)節(jié)導(dǎo)致振動(dòng)沖擊大，造成設(shè)備損壞；2）由于外骨骼穿戴于人體外側(cè)，屬于人機(jī)耦合設(shè)備，剛性關(guān)節(jié)會(huì)牽絆人體，造成人體穿戴不舒適；3）適應(yīng)不同路面和工況能力差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種下肢外骨骼機(jī)器人，旨在解決關(guān)節(jié)剛性導(dǎo)致振動(dòng)沖擊大，造成設(shè)備損壞、人體穿戴不適的技術(shù)問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種下肢外骨骼機(jī)器人，包括控制盒、背架、髖關(guān)節(jié)組件、大腿桿、膝關(guān)節(jié)組件、小腿桿、支撐足組件，所述大腿桿、膝關(guān)節(jié)組件、小腿桿、支撐足組件均為兩個(gè)，所述控制盒內(nèi)設(shè)控制器和電源；所述控制盒設(shè)置在背架上，所述背架與髖關(guān)節(jié)組件相連接，兩個(gè)大腿桿上端與髖關(guān)節(jié)組件鉸接、下端分別與膝關(guān)節(jié)組件相連，所述小腿桿兩端分別與膝關(guān)節(jié)組件及支撐足組件相連，所述髖關(guān)節(jié)組件及膝關(guān)節(jié)組件均與控制盒相連。

優(yōu)選的，所述背架包括背板和兩個(gè)橫桿，所述橫桿為L(zhǎng)型，背板為工字型框架，背板下部?jī)啥朔謩e與兩個(gè)橫桿活動(dòng)連接，橫桿另一端通過(guò)髖關(guān)節(jié)組件與大腿桿上端活動(dòng)連接。

優(yōu)選的，所述背板與橫桿之間還設(shè)有支撐阻尼器，所述支撐阻尼器為兩個(gè)，兩個(gè)支撐阻尼器分別設(shè)置在背板上部?jī)啥伺c橫桿之間。

優(yōu)選的，所述髖關(guān)節(jié)組件包括雙耳套環(huán)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)和樞軸，所述雙耳套環(huán)與橫桿外側(cè)端部固定連接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)外殼與雙耳套環(huán)的外側(cè)固定連接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)輸出軸與樞軸連接，樞軸與大腿桿上端固定連接，樞軸設(shè)置雙耳套環(huán)之間、且兩端與雙耳套環(huán)的內(nèi)孔配合。

優(yōu)選的，所述膝關(guān)節(jié)組件包括膝關(guān)節(jié)上桿、膝關(guān)節(jié)軸、膝關(guān)節(jié)下桿和板簧，所述膝關(guān)節(jié)上桿上端設(shè)置在大腿桿下端孔內(nèi)、下端套裝在膝關(guān)節(jié)軸上，所述膝關(guān)節(jié)下桿下端設(shè)置在小腿桿上端孔內(nèi)，由關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的膝關(guān)節(jié)軸與膝關(guān)節(jié)下桿固定連接，所述板簧上端套裝在大腿桿上、下端固定連接在關(guān)節(jié)電機(jī)外殼上，關(guān)節(jié)電機(jī)外殼活動(dòng)套裝在膝關(guān)節(jié)軸上。

優(yōu)選的，所述板簧上端與板簧固定板相連，所述板簧固定板套裝在大腿桿上，板簧下端通過(guò)固定外殼與關(guān)節(jié)電機(jī)外殼相連，所述固定外殼為框架式結(jié)構(gòu)，固定外殼內(nèi)設(shè)能夠帶動(dòng)板簧支點(diǎn)套上下滑動(dòng)的垂直移位機(jī)構(gòu)，所述板簧支點(diǎn)套另一端套裝在板簧上。

優(yōu)選的，所述垂直移位機(jī)構(gòu)包括調(diào)節(jié)電機(jī)和滾珠絲桿，所述調(diào)節(jié)電機(jī)設(shè)置在固定外殼下方，所述滾珠絲桿設(shè)置在固定外殼內(nèi)部，所述板簧支點(diǎn)套與滾珠絲桿配合。

優(yōu)選的，所述支撐足組件包括足連接桿、足支撐座及設(shè)置在足支撐座內(nèi)側(cè)的鞋底，所述足連接桿上端設(shè)置在小腿桿下端孔內(nèi)，足連接桿下端通過(guò)足支撐座與鞋底相連。

優(yōu)選的，所述足支撐座上端與足連接桿固定連接，足支撐座下端與鞋底為活動(dòng)連接，使足支撐座能夠相對(duì)鞋底上下滑動(dòng)，足支撐座與鞋底之間設(shè)有足彎曲板簧，所述足彎曲板簧為弧形，所述足彎曲板簧上端與足支撐座上端固定連接，足彎曲板簧下端自由插入足支撐座下端卡槽。

優(yōu)選的，所述鞋底上設(shè)有兩個(gè)與控制盒相連的壓力傳感器，兩個(gè)壓力傳感器分別設(shè)置在鞋底的前部和后部。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

（1）膝關(guān)節(jié)剛度通過(guò)剛度調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)時(shí)改變，增加了外骨骼柔順性，減少了地面振動(dòng)沖擊，板簧可以進(jìn)行儲(chǔ)能，減少了能源消耗。

（2）支撐足通過(guò)人機(jī)工程設(shè)計(jì)，具有剛度被動(dòng)調(diào)整功能，增加了外骨骼與地面接觸時(shí)的柔順性；通過(guò)被動(dòng)板簧蓄能，減輕了行走過(guò)程人體的能耗。

（3）本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠提升關(guān)節(jié)的柔順性的，適應(yīng)不同工況和不同路面的使用需求。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中背架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1中膝關(guān)節(jié)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1中支撐足組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是膝關(guān)節(jié)組件的工作原理圖；

圖6是下肢外骨骼機(jī)器人在支撐相初期的工作原理圖；

圖7是下肢外骨骼機(jī)器人在支撐相中期的工作原理圖；

圖8是下肢外骨骼機(jī)器人在擺動(dòng)相階段的工作原理圖；

圖中：1-控制盒，2-背架，3-髖關(guān)節(jié)組件，4-大腿桿，5-膝關(guān)節(jié)組件，6-小腿桿，7-支撐足組件，21-橫桿，22-支撐阻尼器，23-背板，31-雙耳套環(huán)，32-髖關(guān)節(jié)電機(jī)，33-樞軸，41-上連接桿，42-大腿桿主體，51-板簧固定板，52-板簧，53-滾珠絲桿，54-板簧支點(diǎn)套，55-固定外殼，56-調(diào)節(jié)電機(jī)，57A-膝關(guān)節(jié)上桿，57B-膝關(guān)節(jié)上桿，58-膝關(guān)節(jié)軸，59-關(guān)節(jié)電機(jī)，71-足連接桿，72-足支撐座，73-足彎曲板簧，74-鞋底，75-壓力傳感器，76-鞋固定板。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的下肢外骨骼機(jī)器人，包括控制盒1、背架2、髖關(guān)節(jié)組件3、大腿桿4、膝關(guān)節(jié)組件5、小腿桿6、支撐足組件7，所述大腿桿4、膝關(guān)節(jié)組件5、小腿桿6、支撐足組件7均為兩個(gè)，所述控制盒1內(nèi)設(shè)控制器和電源；所述控制盒1設(shè)置在背架2上，所述背架2與髖關(guān)節(jié)組件3相連接，兩個(gè)大腿桿4上端分別與髖關(guān)節(jié)組件3活動(dòng)連接、下端分別與膝關(guān)節(jié)組件5相連，所述小腿桿6兩端分別與膝關(guān)節(jié)組件5及支撐足組件7相連，所述髖關(guān)節(jié)組件3及膝關(guān)節(jié)組件5與控制盒1相連。利用控制器控制膝關(guān)節(jié)組件5發(fā)生彎曲，使膝關(guān)節(jié)的彎曲工況與人體生理彎曲相接近，改善原來(lái)膝關(guān)節(jié)剛性大導(dǎo)致振動(dòng)沖擊大的狀況。

為了方便安裝拆卸，大腿桿4和小腿桿6可設(shè)計(jì)為分體式，以大腿桿4為例，包括上連接桿41及與之固定連接的大腿桿主體42，大腿桿主體42下部設(shè)有連接孔，用來(lái)與膝關(guān)節(jié)組件5配合。

在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖2所示，所述背架2包括背板23和兩個(gè)橫桿21，所述橫桿21為L(zhǎng)型，背板23為工字型框架，背板23下部?jī)啥朔謩e與兩個(gè)橫桿21活動(dòng)連接，橫桿21另一端與大腿桿4活動(dòng)連接。背板23下部?jī)啥嗽O(shè)有連接孔，左右兩根橫桿21與之相連部位設(shè)有雙耳，二者可通過(guò)銷(xiāo)軸活動(dòng)連接，可使兩個(gè)橫桿21相對(duì)背板23上下旋轉(zhuǎn)，使用更方便靈活。

在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述髖關(guān)節(jié)組件3包括雙耳套環(huán)31、髖關(guān)節(jié)電機(jī)32和樞軸33，雙耳套環(huán)31與橫桿21外側(cè)端部固定連接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)32外殼與雙耳套環(huán)31的外側(cè)固定連接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)32輸出軸與樞軸33固定連接，樞軸33與大腿桿4的上連接桿41固定連接，樞軸33設(shè)置雙耳套環(huán)31之間、且兩端與雙耳套環(huán)31的內(nèi)孔配合。

為了提升背部運(yùn)動(dòng)靈活性，所述背板23與橫桿21之間還設(shè)有支撐阻尼器22，所述支撐阻尼器22為兩個(gè)，兩個(gè)支撐阻尼器22分別設(shè)置在背板23上部?jī)啥伺c橫桿21之間。通過(guò)支撐阻尼器22支撐背板23和電源及控制器模塊1重量，同時(shí)起到減少背板23和電源及控制器模塊1振動(dòng)的雙重作用。

如圖3所示，所述膝關(guān)節(jié)組件5包括膝關(guān)節(jié)上桿57B、膝關(guān)節(jié)軸58、膝關(guān)節(jié)下桿57A和板簧52，所述膝關(guān)節(jié)上桿57B上端設(shè)置在大腿桿4下端孔內(nèi)、下端套裝在膝關(guān)節(jié)軸58上，所述膝關(guān)節(jié)下桿57A下端設(shè)置在小腿桿6上端孔內(nèi)，由關(guān)節(jié)電機(jī)59驅(qū)動(dòng)的膝關(guān)節(jié)軸58與膝關(guān)節(jié)下桿57A固定連接，所述板簧52上端套裝在大腿桿4上、下端固定連接在關(guān)節(jié)電機(jī)59外殼上，關(guān)節(jié)電機(jī)59外殼活動(dòng)套裝在膝關(guān)節(jié)軸58上。啟動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)59，驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)軸58旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)下桿57A相對(duì)膝關(guān)節(jié)上桿57B轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的彎曲，借助板簧52彈性作用，改變膝關(guān)節(jié)彎曲的剛度，增加其彎曲柔韌性。

作為一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，所述板簧52上端與板簧固定板51相連，所述板簧固定板51套裝在大腿桿4上，板簧52下端通過(guò)固定外殼55與關(guān)節(jié)電機(jī)59外殼相連，所述固定外殼55為框架式結(jié)構(gòu)，固定外殼55內(nèi)設(shè)能夠帶動(dòng)板簧支點(diǎn)套54上下滑動(dòng)的垂直移位機(jī)構(gòu)，所述板簧支點(diǎn)套54另一端套裝在板簧52上。

在本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，所述垂直移位機(jī)構(gòu)包括調(diào)節(jié)電機(jī)56和滾珠絲桿53，所述調(diào)節(jié)電機(jī)56設(shè)置在固定外殼55下方，所述滾珠絲桿53設(shè)置在固定外殼55內(nèi)部，所述板簧支點(diǎn)套54與滾珠絲桿53配合。當(dāng)剛度調(diào)節(jié)電機(jī)56旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲桿53轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)板簧支點(diǎn)套54，其套裝在板簧52上的一端也上下移動(dòng)，從而改變了板簧52的受力支點(diǎn)位置，從而改變膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)剛度。

在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖4所示，所述支撐足組件7包括足連接桿71、足支撐座72及設(shè)置在足支撐座72內(nèi)側(cè)的鞋底74，所述足連接桿71上端設(shè)置在小腿桿6下端孔內(nèi)，足連接桿71下端通過(guò)足支撐座72與鞋底74相連。

作為一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，所述足支撐座72上端與足連接桿71固定連接，足支撐座72下端與鞋底74為活動(dòng)連接，使足支撐座72能夠相對(duì)鞋底74上下滑動(dòng)，足支撐座72與鞋底74之間設(shè)有足彎曲板簧73，所述足彎曲板簧73為弧形，所述足彎曲板簧73上端與足支撐座72上端固定連接，足彎曲板簧73下端自由插入足支撐座72下端卡槽。足彎曲板簧73通過(guò)人機(jī)工程設(shè)計(jì)，使其具有一定的曲率，保證在外骨骼行走過(guò)程中，足彎曲板簧73上各段板簧都能夠地面充分接觸，并且由于每段的曲率不同，能夠剛度被動(dòng)改變，以適應(yīng)不同的工況，保持外骨骼整體穩(wěn)定性。

足部不采用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，減少了控制的復(fù)雜性，取而代之的是，安裝一根具有一定曲率的足彎曲板簧，隨著足彎曲板簧與地面接觸部分的改變，足部與地面的接觸剛度也發(fā)生，提升行走的舒適度。

在本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例中，所述足支撐座72通過(guò)鞋固定板76與鞋底74相連，所述鞋固定板76為U型槽狀，鞋底74后部固定在鞋固定板76的U型槽內(nèi)；鞋固定板76外側(cè)設(shè)有與足支撐座72下端配合的滑槽。

為了增強(qiáng)下肢外骨骼機(jī)器人的靈敏度，所述鞋底74上設(shè)有兩個(gè)與控制盒1相連的壓力傳感器75，兩個(gè)壓力傳感器75分別設(shè)置在鞋底74的前部和后部，可以感應(yīng)不同的行走步態(tài)，將相關(guān)信號(hào)傳輸至控制器，從而更好地校正行走速度。

另外，鞋底74由柔性材料制成，增加了穿戴的舒適性。

人體行走原理如下：

1.人體行走分為支撐相和擺動(dòng)相，支撐相就是腿部著地支撐身體的時(shí)間段；擺動(dòng)相就是腿部在空中擺動(dòng)的時(shí)間段。

2.外骨骼穿在人體外面，所以外骨骼行走也遵循支撐相和擺動(dòng)相。其中支撐相又可以分為支撐相初期（腿部剛接觸地面階段），支撐相中期（腿部彎曲接觸地面階段），支撐相末期（腿部馬上進(jìn)入擺動(dòng)相階段）。

3.外骨骼在支撐相初期時(shí)，外骨骼腿部與地面開(kāi)始接觸，為了避免突然觸地振動(dòng)過(guò)大，需要關(guān)節(jié)剛度最小；

外骨骼在支撐相中期時(shí)，外骨骼腿部正式與地面接觸，需要起到支撐重量的作用，需要關(guān)節(jié)剛度較大；

外骨骼在支撐相末期時(shí)外骨骼腿部開(kāi)始于與地面分離，需要運(yùn)動(dòng)靈活，需要關(guān)節(jié)剛度中較小。

本發(fā)明的工作原理如下：

如圖6所示，在支撐相階段，當(dāng)膝關(guān)節(jié)下桿57A觸地時(shí)（也就說(shuō)足部支撐在地面），關(guān)節(jié)電機(jī)59斷電不工作，這時(shí)候膝關(guān)節(jié)下桿57A、及膝關(guān)節(jié)軸58、關(guān)節(jié)電機(jī)59外殼、固定外殼55都可以作為一個(gè)整體。使得上身負(fù)重及大腿桿4的重量依靠板簧52的彎曲變形產(chǎn)生的彈性支撐其與大腿桿繞膝關(guān)節(jié)軸58轉(zhuǎn)動(dòng)。

在支撐相的初期、中期、末期，不同時(shí)期對(duì)膝關(guān)節(jié)的剛度需求不同，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)56調(diào)節(jié)改變板簧52的支點(diǎn)位置。在初期，如圖6，調(diào)節(jié)電機(jī)56轉(zhuǎn)動(dòng)使板簧支點(diǎn)套54位置較低，此時(shí)板簧52的支點(diǎn)位于最低，相同的負(fù)重可變形范圍大，剛性小彈性大；在中期，如圖7，需要支撐起人體負(fù)重，支點(diǎn)位置較高，可變形范圍??；在末期，支點(diǎn)位置在較低位置。

在擺動(dòng)相階段，如圖8，調(diào)節(jié)電機(jī)56將板簧支點(diǎn)套54上移到最頂端，此時(shí)板簧52幾乎不能彎曲，可以視作剛體，此時(shí)的連接方式等效于：板簧固定板51、板簧52、滾珠絲桿53、板簧支點(diǎn)套54、固定外殼55可以視為一個(gè)剛性整體。此時(shí)，大腿桿4與關(guān)節(jié)電機(jī)59外殼固定，關(guān)節(jié)電機(jī)59軸與膝關(guān)節(jié)軸58固定，膝關(guān)節(jié)軸58與小腿桿6固定。這樣就是最普通的兩連桿，擺動(dòng)時(shí)，大腿桿4可視作固定不同，關(guān)節(jié)電機(jī)59轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)小腿桿7前后擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)邁步。

以上是兩種變剛度的主要情形，如果用在下蹲或者其他方式，也具有相同的功能。歸納起來(lái)說(shuō)，就是關(guān)節(jié)電機(jī)59用來(lái)調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)角度，到了特定角度后，由于膝關(guān)節(jié)可變剛度結(jié)構(gòu)的存在，在該角度下，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)56進(jìn)行角度微調(diào)。

膝關(guān)節(jié)組件的工作原理如圖5所示，采用板簧52作為彈性元件，通過(guò)板簧支點(diǎn)套54在板簧52上的位置不同，來(lái)改變板簧52的受力支點(diǎn)位置，從而改變板簧52的剛度，當(dāng)支點(diǎn)位置為A時(shí)，板簧52不能做任何彎曲動(dòng)作，可以以看成剛體；當(dāng)支點(diǎn)位置改變至B時(shí)，板簧52右端可以自由彎曲（如虛線所示）；當(dāng)支點(diǎn)位置移動(dòng)到不同的位置，右端的剛度也隨之改變。

綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提供的可變剛度外骨骼是依據(jù)仿生學(xué)原理，利用板簧來(lái)改變?nèi)梭w下肢剛度的行走原理，能夠提升關(guān)節(jié)的柔順性的，來(lái)提升外骨骼與人體穿戴時(shí)的工作性能，以適應(yīng)不同工況和不同路面的使用需求。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。