本發(fā)明涉及機器人領域，尤其是一種助力康復機器人的彎曲關節(jié)。

背景技術：

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機器人的應用不單單只局限于工業(yè)領域，而是逐步應用于農業(yè)、醫(yī)療以及服務等領域。機器人的應用對象逐漸變得更加多樣化和復雜化。本發(fā)明是一款可穿戴的六足仿生機械腿，它的主要功能是擴展人體下肢運動功能，應用對象是老年人和下肢殘疾者，最終目標是實現(xiàn)應用對象恢復正常行走能力。這就要求六足機器人要像人腿一樣靈活和安全。而傳統(tǒng)的二足外骨骼機器人存在平衡性難度高、步態(tài)規(guī)劃難以完美契合人腿運動以至于容易發(fā)生干涉造成損傷等等結構上的固有缺點，這些缺點使得二足的外骨骼機器人暫時不能較好地滿足當今社會需求。

目前，國內外科研機構已經研制出多種助力機器人，其中以二足外骨骼助力機器人為主，而多足助力康復機器人方面是個空白。

外骨骼助力機器人的研究始于20世紀60年代的美國，最早的研究成果是美國通用公司研發(fā)的hardiman外骨骼系統(tǒng)，其主要采用電機驅動控制，可以輕易舉起重物。關于下肢外骨骼機器人，2004年，美國加州大學伯克利分校研制出的下肢外骨骼機器人(berkeleylowerextremityexoskeleton，bleex)，是美國國防部高級研究項目局(darpa)ehpa項目研制的第一臺能夠負重且?guī)б苿与娫吹耐夤趋罊C器人。bleex外骨骼機器人由動力設備、背包式支架、2條仿生機械動力腿組成，采用液壓驅動，其液壓泵能源來源于其背包式支架中的液壓傳動系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀。但這款外骨骼機器人存在續(xù)航時間短，發(fā)電裝置影響到行走步態(tài)，平衡性弱等問題。

外骨骼技術在我國尚處于基礎研究階段，我國國家自然科學基金和科技支撐計劃也逐漸關注、開展外骨骼機器人的研究。2016年10月15日由荷福人工智能集團聯(lián)合上海交通大學共同研發(fā)的六足并聯(lián)步行機器人在上海浦東正式亮相，并進行了載人繞樁行走演示。該機器人六足協(xié)同行走可實現(xiàn)搬運、避障、上下爬梯等高難度動作，但其采用液壓驅動，受壓液體容易泄露，工作噪聲較大，能源使用效率低，傳動速度低，不適用于針對老年人和下肢殘疾者的助力康復。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有外骨骼機器人的平衡性較差、能源使用效率較低、無法適用于老年人和下肢殘疾者的助力康復的不足，本發(fā)明提供一種平衡性較好、能源使用效率較高、有效適用于老年人和下肢殘疾者的助力康復的多足助力康復機器人的彎曲關節(jié)。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種多足助力康復機器人的彎曲關節(jié)，所述彎曲關節(jié)包括電動推桿驅動器、一個連接電動推桿驅動器與上部腿骨的轉動副、一個連接電動推桿驅動器與下部腿骨的轉動副和一個連接上部腿骨的下端與下部腿骨之間的轉動副；所述電動推桿驅動器包括滑塊、導軌、步進電機、絲杠、絲杠套筒和桿端關節(jié)軸承，所述步進電機安裝電機固定夾片上，所述電機固定夾片上開有固定圓孔，固定銷軸穿過所述固定圓孔構成鉸鏈連接在下部腿骨上，所述步進電機的輸出軸與絲杠的一端連接，所述絲杠與絲杠套筒連接，所述桿端關節(jié)軸承的一端通過端口螺母與絲杠套筒間隙配合，所述桿端關節(jié)軸承的另一端設有端部圓孔，所述端部圓孔與端部銷軸構成鉸鏈連接在上部腿骨上；所述絲杠套筒與滑塊的圓孔過盈配合，所述滑塊可滑動地套裝在導軌上，所述導軌與所述電機固定夾片固定連接。

本發(fā)明的技術構思為：多足助力康復機器人以多足昆蟲(例如蜘蛛)為原型，從結構和功能上進行模仿，具有6條仿生機械腿以及多個自由度，通過驅動器幫助人體連續(xù)進行類似走路、爬坡、上樓梯等動作。運用本發(fā)明設備，可以幫助年老體弱者和下肢殘疾者像健康的年輕人一樣快速地行動。作為一款可穿戴式新型輕量機器人。它不僅能幫助殘疾人恢復行走能力，還有望避免患者因長時間坐在輪椅上而生壓瘡，同時還可以改善心臟健康狀況、鍛煉肌肉強度、緩解抑郁癥等。穿上它的人可以實現(xiàn)輕松自如地行走，完全避免搖搖晃晃、邊走邊停的情況。同時，它的實現(xiàn)將會減輕老齡化和部分傷殘造成的家庭和社會壓力。

本發(fā)明是腰帶式可穿戴設計，六條獨立仿生機械腿環(huán)繞連接因采用六足結構設計，能較好地解決二足機器人無法避免的平衡性問題，在穩(wěn)定性和安全性上具有良好保障。六足機器人的一個最大的優(yōu)點是對行走路面的要求很低,它可以跨越障礙物、走過沙地、沼澤等特殊路面,因此用于康復助力機器人的設計是十分合適的，可以較好地實現(xiàn)上樓梯等越障功能。并且機器人的足所具有的大量自由度可以使機器人的運動更加靈活,對凹凸不平的地形的適應能力更強。六足式移動機器人的立足點是離散的,跟地面的接觸面積較小，可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點,即使在表面極度不規(guī)則的情況下,通過嚴格選擇足的支撐點,也能夠行走自如。同時，本設備采用步進電機驅動，相比于液壓驅動，具有體積小，技術成熟，結構簡單，無污染，能耗低，信號傳遞迅速且易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、本發(fā)明所涉及的多足助力康復機器人具有六條機械仿生腿以及18個自由度，每條腿都包括了兩個屈曲關節(jié)，從而可以實現(xiàn)屈曲運動，因此本發(fā)明可以實現(xiàn)人體下肢主要承擔的站立、保持平衡、行走等功能；2、采用電動推桿驅動器驅動，能夠產生足夠大推力，轉動關節(jié)實現(xiàn)運動，且步進電機能耗低、信號傳遞迅速并易于實現(xiàn)自動化；3、本發(fā)明采用模塊化設計，六條機械仿生腿互相獨立，通過主芯片協(xié)調控制，結構簡單緊湊，加工方便、裝配以及修理維護簡便、成本較低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明多足助力康復機器人整體結構三維效果圖。

圖2是本發(fā)明多足助力康復機器人腰帶結構-仿生機械腿模塊三維效果圖。

圖3是本發(fā)明多足助力康復機器人腰帶結構-仿生機械腿模塊側向結構示意圖。

圖4是本發(fā)明多足助力康復機器人機腿部的彎曲關節(jié)三維效果圖。

圖5腿部的彎曲關節(jié)結構原理示意圖。

圖6是圖5的俯視圖。

圖7是本發(fā)明多足助力康復機器人中的電動推桿驅動器的結構示意圖。

圖8是本發(fā)明多足助力康復機器人中的側擺關節(jié)結構三維效果圖。

圖9是本發(fā)明多足助力康復機器人中的側擺關節(jié)結構示意圖。

圖10是本發(fā)明多足助力康復機器人中腰帶結構連接的三圍效果圖。

圖11是本發(fā)明多足助力康復機器人中腰帶結構連接的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖11，一種多足助力康復機器人的彎曲關節(jié)，所述彎曲關節(jié)包括電動推桿驅動器、一個連接電動推桿驅動器與上部腿骨的轉動副、一個連接電動推桿驅動器與下部腿骨的轉動副和一個連接上部腿骨的下端與下部腿骨之間的轉動副；所述電動推桿驅動器包括滑塊、導軌、步進電機、絲杠、絲杠套筒和桿端關節(jié)軸承，所述步進電機安裝電機固定夾片上，所述電機固定夾片上開有固定圓孔，固定銷軸穿過所述固定圓孔構成鉸鏈連接在下部腿骨上，所述步進電機的輸出軸與絲杠的一端連接，所述絲杠與絲杠套筒連接，所述桿端關節(jié)軸承的一端通過端口螺母與絲杠套筒間隙配合，所述桿端關節(jié)軸承的另一端設有端部圓孔，所述端部圓孔與端部銷軸構成鉸鏈連接在上部腿骨上；所述絲杠套筒與滑塊的圓孔過盈配合，所述滑塊可滑動地套裝在導軌上，所述導軌與所述電機固定夾片固定連接。

本實施例的彎曲關節(jié)實現(xiàn)的多足助力康復機器人，所述機器人包括腰帶結構5和仿生機械腿，所述腰帶結構5兩兩串聯(lián)形成環(huán)狀腰帶，所述腰帶結構5與仿生機械腿連接，所述仿生機械腿包括近腿骨3、中腿骨1和遠腿骨10，所述腰帶結構5與近腿骨3的上端通過側擺關節(jié)連接，所述近腿骨3與所述中腿1骨端的后端之間通過第一彎曲關節(jié)連接，所述中腿骨1與所述遠腿骨10的上端通過第二彎曲關節(jié)連接。

進一步，所述第一彎曲關節(jié)包括第一電動推桿驅動器4、一個連接第一電動推桿驅動器與近腿骨的轉動副、一個連接第一電動推桿驅動器與中腿骨的轉動副和一個連接近腿骨的下端與中腿骨之間的轉動副。

所述第一電動推桿驅動器4包括第一滑塊、第一導軌、第一步進電機、第一絲杠、第一絲杠套筒和第一桿端關節(jié)軸承，所述第一步進電機安裝第一電機固定夾片上，所述第一電機固定夾片上開有第一圓孔，第一銷軸穿過所述第一圓孔構成第一鉸鏈連接在近腿骨上，所述第一步進電機的輸出軸與第一絲杠的一端連接，所述第一絲杠與第一絲杠套筒連接，所述第一桿端關節(jié)軸承的一端通過端口螺母與第一絲杠套筒間隙配合，所述第一桿端關節(jié)軸承的另一端設有第二圓孔，所述第二圓孔與第二銷軸構成第二鉸鏈連接在中腿骨的后端；所述第一絲杠套筒與第一滑塊的圓孔過盈配合，所述第一滑塊可滑動地套裝在第一導軌上，所述第一導軌與所述第一電機固定夾片固定連接。

所述第二彎曲關節(jié)包括第二電動推桿驅動器8、一個連接第二電動推桿驅動器與中腿骨的轉動副、一個連接第二電動推桿驅動器與中腿骨或遠腿骨的轉動副和一個連接中腿骨的前端與遠腿骨之間的轉動副。

所述第二電動推桿驅動器8包括第二滑塊、第二導軌、第二步進電機、第二絲杠、第二絲杠套筒和第二桿端關節(jié)軸承，所述第二步進電機安裝第二電機固定夾片上，所述第二電機固定夾片上開有第三圓孔，第三銷軸穿過所述第三圓孔構成第三鉸鏈連接在中腿骨上，所述第二步進電機的輸出軸與第二絲杠的一端連接，所述第二絲杠與第二絲杠套筒連接，所述第二桿端關節(jié)軸承的一端通過端口螺母與第二絲杠套筒間隙配合，所述第二桿端關節(jié)軸承的另一端設有第四圓孔，所述第四圓孔與第四銷軸構成第四鉸鏈連接在遠中腿骨的上端；所述第二絲杠套筒與第二滑塊的圓孔過盈配合，所述第二滑塊可滑動地套裝在第二導軌上，所述第二導軌與所述第二電機固定夾片固定連接。

所述側擺關節(jié)包括第三電動推桿驅動器7、一個連接腰帶結構和第三電動推桿驅動器的轉動副，一個連接近腿骨和第三電動推桿驅動器的轉動副和一個連接腰帶結構和近腿骨的轉動副。

所述第三電動推桿驅動器7包括第三滑塊、第三導軌、第三步進電機、第三絲杠、第三絲杠套筒和第三桿端關節(jié)軸承，所述第三步進電機安裝第三電機固定夾片上，所述第三電機固定夾片上開有第五圓孔，第五銷軸穿過所述第五圓孔構成第五鉸鏈連接在腰帶結構上，所述第三步進電機的輸出軸與第三絲杠的一端連接，所述第三絲杠與第三絲杠套筒連接，所述第三桿端關節(jié)軸承的一端通過端口螺母與第三絲杠套筒間隙配合，所述第三桿端關節(jié)軸承的另一端設有第六圓孔，所述第六圓孔與第六銷軸構成第四鉸鏈連接在近腿骨的上部，所述第三絲杠套筒與第三滑塊的圓孔過盈配合，所述第三滑塊可滑動地套裝在第三導軌上，所述第三導軌與所述第三電機固定夾片固定連接。

所述腰帶結構和仿生機械腿均為六個，每個腰帶結構呈120°夾角，所述環(huán)形腰帶呈正六邊形，所述腰帶結構的夾角處與仿生機械腿連接。當然，也可以是其他結構形式。所述腰帶結構通過螺栓組件32兩兩串聯(lián)形成環(huán)狀腰帶。

本實施例的機器人各結構的布局以多足昆蟲為參照，如圖1，整體上成正六邊形，由六個單獨模塊連接而成，每個模塊包括一個腰帶結構5和一條仿生機械腿，參照圖2。最上端腰帶結構是一個120度的角，角兩邊長125mm。遠腿骨長850mm，中腿骨長560mm，近腿骨長440mm。每條機械腿第一彎曲關節(jié)與第二彎曲關節(jié)和側擺關節(jié)轉動角度范圍都在0～60度。

本發(fā)明涉及的多足助力康復機器人的六個腰帶-腿模塊中總共使用了18個基于電動推桿驅動器的轉動關節(jié)(12個彎曲關節(jié)，6個側擺關節(jié))。彎曲關節(jié)可以實現(xiàn)機械腿在其所在平面內的屈曲運動，是本發(fā)明的重要組成部件，故對彎曲關節(jié)進行詳細的介紹，第一彎曲關節(jié)與第二彎曲關節(jié)的結構相同。參照圖4～6，以第二彎曲關節(jié)為例，所述的第二彎曲關節(jié)包括一個連接第二電動推桿驅動器8與中腿骨1的轉動副11，一個連接第二電動推桿驅動器8與遠腿骨10的轉動副12，一個連接中腿骨1和遠腿骨10的轉動副13。參照圖7，所述的第二電動推桿驅動器包括第二滑塊14、第二導軌15、兩個第二電機固定夾片18和20，第二步進電機19，第二聯(lián)軸器22，第二絲杠23，第二絲杠套筒24和第二桿端關節(jié)軸承26。其中兩個第二電機固定夾片18、20通過4個內六角螺釘21與第二步進電機19固定連接，又通過第三圓孔17與銷軸構成鉸鏈接，連接在中腿骨1上。所述第二絲杠23通過第二聯(lián)軸器22與第二電機軸16連接，所述第二絲杠套筒24與其內部的第二絲杠23螺紋連接，第二電機軸16轉動時帶動第二絲杠23轉動，使得第二絲杠套筒24軸向移動。所述第二桿端關節(jié)軸承27，一端通過第二端口螺母26與第二絲杠套筒間隙配合，另一端第四圓孔28通過銷軸構成鉸鏈轉動副與遠腿骨10連接。所述第二滑塊14一端與第二導軌15配合，該配合為間隙配合，另一端通過圓孔與第二絲杠套筒24過盈配合，第二導軌15固定連接在第二電機固定夾片18、20上，起到給第二絲杠23提供支撐作用。工作時，第二電動推桿驅動器伸長，中腿骨1與遠腿骨10內側角度變小，第二電動推桿驅動器縮短，中腿骨1與遠腿骨10內側角度變大。基于第二電動推桿驅動器的第二彎曲關節(jié)的轉角范圍為0°～60°，其結構簡單，剛性好，動作靈活，具有較大的實施價值。

本發(fā)明多足助力康復機器人的每條機械腿不僅可以實現(xiàn)屈曲(彎曲)運動，而且可以實現(xiàn)側擺運動?；陔妱油茥U驅動器發(fā)明了側擺關節(jié)。參照圖8和圖9，所述的側擺關節(jié)包括一個連接腰帶結構5和第三電動推桿驅動器7的轉動副30，一個連接近腿骨3和第三電動推桿驅動器7的轉動副29，一個連接腰帶結構5和近腿骨3的轉動副31。所述的第三電動推桿驅動器7結構和工作原理與第二電動推桿驅動器相同，其后端通過第五圓孔和銷軸構成鉸鏈轉動副30，前端通過第六圓孔和銷軸構成鉸鏈轉動副29。工作時，第三電動推桿驅動器伸長或縮短，帶動轉動副31轉動，實現(xiàn)機器的側擺功能?；诘谌妱油茥U驅動器的側擺關節(jié)的轉角范圍為0°～60°，其結構簡單，剛性好，動作靈活，具有較大的實施價值。

本發(fā)明涉及的多足助力康復機器人的腰帶結構之間的連接參照圖10。六個腰帶結構通過螺栓組順次連接可形成正六邊形機身。其結構簡單，剛性好，易于拆卸維修。

本發(fā)明的驅動系統(tǒng)與控制測量系統(tǒng)包括電源、步進電機、控制卡、工控機、超聲波傳感器以及計算機軟件。