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一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人.pdf

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一種 擬人化 下肢 助力 骨骼 機器人
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摘要
申請專利號:

CN201310688125.3

申請日:

20131216

公開號:

CN103610568B

公開日:

20150527

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61H1/02,A61H3/00 主分類號: A61H1/02,A61H3/00
申請人: 哈爾濱工業大學
發明人: 朱延河,趙杰
地址: 150001 黑龍江省哈爾濱市南崗區西大直街92號
優先權: CN201310688125A
專利代理機構: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 代理人: 高媛
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310688125.3

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,它涉及一種外骨骼機器人,以解決現有的外骨骼式機器人存在運動空間耦合度低,穿戴舒適性差,可靠性、適應性差以及電機需求功率較大的問題,它包括上體后背部、左腿和右腿,左腿和右腿分別包括髖部驅動系統、膝部驅動系統和腳部穿戴系統;腰部后側連接板與負載安裝板轉動連接;帶有編碼器的第一電機和第一減速器均安裝在髖關節支板上,帶有編碼器的第一電機的輸出端與第一減速器的輸入端連接,髖關節連接板能在豎直平面內轉動;大腿伸縮板與髖關節連接板可拆卸連接,主驅動機構的輸出端與小腿連接板連接;彈性板的下表面與腳部橡膠鞋底的上表面粘接。本發明用于助力行走。

權利要求書

1.一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:它包括上體后背部(A)、左腿和右腿,左腿和右腿分別均包括髖部驅動系統(B)、膝部驅動系統(C)和腳部穿戴系統(D);上體后背部(A)包括布背帶(1)、橡膠后背板(2)、連接板(5)、負載安裝板(7)、腰部后側連接板(9)、轉動限位板(10)、腰部后側轉動軸(12)、罩殼(17)、第一傾角傳感器(4)、兩個腿連接轉動板(14)和兩個彈性部件(11);負載安裝板(7)水平設置,罩殼(17)蓋合在負載安裝板(7)上,腰部后側連接板(9)、轉動限位板(10)、腰部后側轉動軸(12)、兩個腿部連接轉動板(14)和兩個彈性部件(11)位于罩殼(17)內,橡膠后背板(2)傾斜設置,橡膠后背板(2)安裝在負載安裝板(7)上,連接板(5)插裝在負載安裝板(7)上,腰部后側連接板(9)與負載安裝板(7)轉動連接,腰部后側連接板(9)和轉動限位板(10)連接為一體,腰部后側轉動軸(12)豎直設置,兩個腿連接轉動板(14)對接后分別與腰部后側轉動軸(12)轉動連接,腰部后側轉動軸(12)的上端與腰部后側連接板(9)固定連接,負載安裝板(7)與腰部后側連接板(9)之間并列設置有兩個彈性部件(11),兩個彈性部件(11)均與負載安裝板(7)與腰部后側連接板(9)連接,轉動限位板(10)能限制腰部后側連接板(9)上連接的兩個腿連接轉動板(14)的轉向,布背帶(1)的上部(1-1)與橡膠后背板(2)連接,布背帶(1)的下部兩側(1-4)分別與連接板(5)的兩端連接,第一傾角傳感器(4)安裝在橡膠后背板(2)上;每個所述髖部驅動系統(B)包括外殼(22)、彎折腰帶(20)、髖關節連接板(24)、髖關節支板(23)、帶有編碼器的第一電機(21)、第一減速器(26)和伸縮機構(63),外殼(22)將帶有編碼器的第一電機(21)和第一減速器(26)包覆,帶有編碼器的第一電機(21)和第一減速器(26)均安裝在髖關節支板(23)上,帶有編碼器的第一電機(21)的輸出端與第一減速器(26)的輸入端連接,第一減速器(26)的輸出端與髖關節連接板(24)轉動連接,髖關節連接板(24)能在豎直平面內轉動,髖關節連接板(24)上設置有能限制髖關節連接板(24)轉動角度的呈水平布置的第一限位面(24-1)和呈傾斜布置的第二限位面(24-2),所述彎折腰帶(20)的彎折角度為90度,彎折腰帶(20)的其中一端插裝在髖關節支板(23)上,彎折腰帶(20)能水平往復移動,彎折腰帶(20)的另一端安裝有伸縮機構(63),伸縮機構(63)與相應的腿連接轉動板(14)連接;每個所述膝部驅動系統(C)包括大腿伸縮板(36)、大腿連接板(37)、小腿連接板(44)和主驅動機構,大腿伸縮板(36)與髖關節連接板(24)可拆卸連接,大腿伸縮板(36)插裝在大腿連接板(37)上,且大腿伸縮板(36)能上下移動,主驅動機構與大腿連接板(37)連接,主驅動機構的輸出端與小腿連接板(44)連接,主驅動機構能帶動小腿連接板(44)在豎直平面內轉動,且小腿連接板(44)能上下移動;每個所述腳部穿戴系統(D)包括U形連接板(51)、腳部捆綁布帶(54)、腳部支撐架(55)、彈性板(57)、腳部橡膠鞋底(58)和三個第一薄膜壓力傳感器(59),所述腳部支撐架(55)包括底板(55-1)和與底板(55-1)一體制成的兩個立式支耳(55-2),兩個立式支耳(55-2)豎直設置在底板(55-1)的兩側邊上,U形連接板(51)的中部與小腿連接板(44)的下端轉動連接,U形連接板(51)的兩端分別與兩個立式支耳(55-2)轉動連接,腳部捆綁布帶(54)捆綁在兩個立式支耳(55-2)的外側面上,底板(55-1)的另一端的下表面與彈性板(57)的一端(57-1)的上表面固接,彈性板(57)的下表面與腳部橡膠鞋底(58)的上表面粘接,底板(55-1)的上表面上安裝有三個第一薄膜壓力傳感器(59)。2.根據權利要求1所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述兩個彈性部件(11)均為螺旋彈簧。3.根據權利要求1或2所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述上體后背部(A)還包括兩條后背加強筋(3),兩條后背加強筋(3)為弧形后背加強筋,兩條后背加強筋(3)安裝在后背橡膠板(2)的背面上,兩條后背加強筋(3)的內弧面與后背橡膠板(2)相鄰設置,兩條后背加強筋(3)的下端分別與負載安裝板(7)連接;所述上體腰背部(A)還包括負載過渡板(8)和過渡轉動軸(8-1),負載過渡板(8)的上端與負載安裝板(7)連接,負載過渡板(8)的下端通過過渡轉動軸(8-1)與腰部后側連接板(9)轉動連接。4.根據權利要求3所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:每個所述伸縮機構(63)包括第一伸縮板(31)、第二伸縮板(33)、第一扭簧(32)、轉動軸(30)和兩個軸承(29),折彎腰帶(20)的另一端的上部和下部分別設置有擋塊(20-2),折彎腰帶(20)的另一端的板面上安裝有水平設置的轉動軸(30),轉動軸(30)上套設有貼靠連接的第一伸縮板(31)和第二伸縮板(33),第一伸縮板(31)的板面的上端和下端分別設置有長條孔(31-1),長條孔(31-1)的長度方向與轉動軸(20)的軸向垂直,第二伸縮板(33)的上端和下端分別設置有長條凹槽(33-1),長條孔(31-1)和長條凹槽(33-1)正對設置,第一伸縮板(31)和第二伸縮板(33)之間的轉動軸(30)上套設有第一扭簧(32),轉動軸(30)的兩端通過兩個軸承(29)支撐,第一扭簧(32)的兩個彈性臂分別卡在兩個擋塊(20-2)上,貼靠連接的第一伸縮板(31)和第二伸縮板(33)與相應的腿連接轉動板(14)通過設置在長條孔(31-1)和長條凹槽(33-1)內的螺栓活動連接,貼靠連接的第一伸縮板(31)和第二伸縮板(33)能在折彎腰帶(20)內伸縮移動。5.根據權利要求1、2或4所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述主驅動機構包括護殼(40)、關節齒輪箱(301)、膝關節連接板(42)、下肢支架(501)、第二減速器(39)、旋轉變壓器(130)、帶有編碼器的第二電機(38)、串聯彈性體(160)和第二扭簧(240);所述齒輪箱(300)包括殼體(41)、第三錐齒輪(90)、第四錐齒輪(230)、第一錐齒輪(250)、第二錐齒輪(170)和關節軸(140);殼體(41)與大腿連接板(37)連接,護殼(40)安裝在大腿連接板(37)上,大腿連接板(37)和護殼(40)將帶有編碼器的第二電機(38)和第二減速器(39)包覆,帶有編碼器的第二電機(38)與第二減速器(39)連接,第二減速器(39)的輸出端安裝有第三錐齒輪(90);關節軸(140)通過軸承水平安裝在殼體(41)上,第一錐齒輪(250)與第二錐齒輪(170)分別安裝在關節軸(140)的兩端,第二扭簧(240)位于第一錐齒輪(250)與第二錐齒輪(170)之間,第三錐齒輪(90)分別與第一錐齒輪(250)和第二錐齒輪(170)嚙合,第一錐齒輪(250)與第四錐齒輪(230)嚙合,第四錐齒輪(230)與第二錐齒輪(170)嚙合;所述串聯彈性體(160)包括同心的內外雙環本體(160-1)和至少四組波浪形彈片(160-2),同心的內外雙環本體(160-1)的內外環之間沿其周向連接有制成一體的至少四組波浪形彈片(160-2);串聯彈性體(160)穿設在關節軸(140)上,第二錐齒輪(170)安裝在同心的內外雙環本體(160-1)的內環上,膝關節連接板(42)蓋合在殼體(41)的側面上,膝關節連接板(42)與內外雙環本體(160-1)的外環活動連接,關節軸(140)與膝關節連接板(42)相鄰的一端內安裝有旋轉變壓器(130),下肢支架(501)蓋合在殼體(41)的與膝關節連接板(42)相對側面上,下肢支架(501)分別與關節軸(140)和膝關節連接板(42)活動連接,小腿連接板(44)與膝關節連接板(42)活動連接,且小腿連接板(44)能上下移動,膝關節連接板(42)上設置有能限制膝關節連接板(42)轉動角度的第一限位塊(42-1)和第二限位塊(42-2),殼體(41)上設置有與第一限位塊(42-1)和第二限位塊(42-2)相對應的限位面。6.根據權利要求5所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述外骨骼機器人還包括四個第一捆綁裝置(E),兩個膝關節連接板(42)和兩個大腿連接板(37)上分別連接有一個第一捆綁裝置(E),每個所述第一捆綁裝置(E)包括捆綁機構、位置偏差檢測機構和滑動機構;所述捆綁機構包括捆綁帶(2-1)、固定環(1-5)和兩個捆綁板(11-1);所述位置偏差檢測機構包括滑動板(3-1)、第二薄膜壓力傳感器(5-1)、兩個橡膠柱(6-1)和兩個第一支撐軸(4-1);所述滑動機構包括捆綁基座、固定座(10-1)、兩個第二支撐軸(9-1)和四個螺旋彈簧(8-10);捆綁基座上設置有基板(7-2),捆綁基座的兩端設置有連接板(7-3),兩個連接板(7-3)豎直并列設置,且兩個連接板(7-3)的板面與基板(7-2)垂直,兩個第二支撐軸(9-1)豎直并列設置在固定座(10-1)的兩端,兩個第二支撐軸(9-1)分別設在相應的連接板(7-3)上,每個連接板(7-3)通過設置在第二支撐軸(9-1)上的兩個螺旋彈簧(8-10)支撐在固定座(10-1)上,滑動板(3-1)的兩端分別連接有一個捆綁板(11-1),其中一個捆綁板(11-1)上設置有固定環(1-5),捆綁帶(2-1)的一端與另一個捆綁板(11-1)連接,捆綁帶(2-1)的另一端穿過固定環(1-5),滑動板(3-1)的上端和下端分別穿設有水平設置的第一支撐軸(4-1),滑動板(3-1)能在第一支撐軸(4-1)上滑動,滑動板(3-1)的兩端分別設置有擋板(3-10),兩個擋板(3-10)的板面正對設置;每個第一支撐軸(4-1)的兩端分別連接在兩個連接板(7-3)上,基板(7-2)的板面與滑動板(3-1)的遠離肢體的板面相貼靠設置,兩個擋板(3-10)與連接板(7-3)貼靠設置,兩個連接板(7-3)的板面上分別穿設有一個橡膠柱(6-1),橡膠柱(6-1)頂靠在擋板(3-10)上,其中一個連接板(7-3)的與擋板(3-10)相貼靠的板面上安裝有第二薄膜壓力傳感器(5-1),固定座(10-1)固定在兩個膝關節連接板(42)和兩個大腿連接板(37)上。7.根據權利要求5所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述外骨骼機器人還包括四個捆綁裝置(F),兩個膝關節連接板(42)和兩個大腿連接板(37)上分別連接有一個捆綁裝置(F),每個捆綁裝置(F)包括連接基座(48)、二維力傳感器(49)和硬質捆綁帶(50),連接基座(48)與腿部捆綁帶(50)之間連接有與二者連接的二維力傳感器(49),連接基座(48)固定在兩個膝關節連接板(42)和兩個大腿連接板(37)上。8.根據權利要求5所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述外骨骼機器人還包括四個捆綁裝置(G),每個捆綁裝置(G)包括捆扎帶(44)和連接在捆扎帶(44)上的第二傾角傳感器(45)。9.根據權利要求1、2、4、6、7或8所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:彎折腰帶(20)與髖關節支板(23)相連接的表面上布置有相互咬合的多對第一牙紋(23-1),彎折腰帶(20)通過咬合的第一牙紋(23-1)能水平伸縮;大腿伸縮板(36)與大腿連接板(37)相連接的表面上布置有相互咬合的多對第二牙紋(37-1),大腿伸縮板(36)通過多對咬合的第二牙紋(37-1)能上下伸縮;小腿連接板(44)與膝關節連接板(42)相連接的表面上布置有相互咬合的多對第三牙紋(44-1),小腿連接板(44)通過咬合的多對第三牙紋(44-1)能上下伸縮。10.根據權利要求9所述的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人,其特征在于:所述外骨骼機器人還包括控制模塊,所述控制模塊包括上位機模塊(18)、電源模塊(19)和髖關節驅動器(28),上位機模塊(18)和電源模塊(19)安裝在罩殼(17)的外壁上,髖關節驅動器(28)安裝在彎折腰帶(20)的另一端,上位機模塊(18)用于控制髖關節驅動器(28)、帶有編碼器的第二電機(21)、第一傾角傳感器(4)、第二傾角傳感器(45)、旋轉變壓器(130)、第一薄膜壓力傳感器(59)、第二薄膜壓力傳感器(5-1)和二維力傳感器(49),髖關節驅動器(28)對帶有編碼器的第一電機(38)進行控制,電源模塊(19)給上位機模塊(18)、髖關節驅動器(28)、帶有編碼器的第二電機(21)、帶有編碼器的第一電機(38)、第一傾角傳感器(4)、第二傾角傳感器(45)、旋轉變壓器(130)、第二薄膜壓力傳感器(5-1)、第一薄膜壓力傳感器(59)和二維力傳感器(49)供電。

說明書

技術領域

本發明涉及一種外骨骼機器人,具體涉及一種用于助力行走的擬人化的下肢外骨骼機器人,屬于機器人技術領域。

背景技術

目前,外骨骼助力裝置的研究逐漸興起,具有廣泛的應用前景,如助老助殘,醫療康復,工業生產,地震救援,單兵作戰等領域。一般的助力外骨骼具有以下特點:可以檢測人體的運動意圖;和人體類似的關節自由度和關節轉動空間;具有必要的關節主動驅動以輔助出力;自帶控制系統和能源系統;具有一定的安全防護機制。

助力外骨骼按照動力傳遞的目的,可分為兩種情況:外骨骼帶動人體運動,和人體帶動外骨骼運動。其主要區別體現在“人-機”連接信息交互裝置的設計和系統控制策略的制定上。

對于助老助殘或醫療康復領域,外骨骼的目的是輔助人體自身肌肉的運動,以達到幫助老人抬腿,或幫助病人做肌肉功能恢復訓練等目的。需要外骨骼設定好各關節的運動規劃,或檢測人體的肌電信號、肢體運動方向等判斷人體的運動意圖,帶動穿戴者運動,此時人體和外骨骼之間需要動力的傳遞,因此“人-機”之間是緊密的固連關系;

對于工業生產,地震救援或單兵作戰等應用領域,面對的是正常的健康工人或消防戰士,外骨骼的目的不是輔助人體自身肌肉的運動,而是增強放大人體的出力效果,此時,人機連接機制的設計中,“人-機”之間需要傳遞的不是動力,而僅僅是檢測到的人體運動信息。此時,“人-機”之間的捆綁連接是一種彈性連接,傳遞的是微小的交互力信息。

在關節的自由度設計方面,人體下肢中的髖關節,踝關節可近似看做球關節,具有3個自由度;膝關節是近似繞一點轉動,可以近似為銷關節,具有1個自由度;腳掌在蹬地的時候,腳掌前段具有一定的彎曲,也應視為1個自由度;人體的腰部,在行走的過程中,可以左右側向彎曲,向前彎腰,或上體轉動,因此,腰部也可以視為具有3個自由度。因此,針對下肢助力外骨骼機器人,若完全按照人體的運動特點來進行仿生學設計,共需19個自由度,對于結構設計,驅動設計較為復雜,信息監測系統及控制系統也較為困難。因此,必須要簡化處理,設計的自由度可分為主動驅動自由度,被動自由度,輔助自由度。以往的相關發明專利中,大多數是對髖關節,膝關節,踝關節進行高副低代式的設計簡化,對腰部的自由度考慮的較少,對人體關節運動副自由度的近似及高副低代造成的運動偏差也沒有進行設計上的考慮。一般的下肢助力機器人,都是重點考慮人體的主要處理環節,只在髖關節的伸展/彎曲、膝關節的伸展/彎曲、踝關節的伸展/彎曲3個自由度上施加驅動。常用的驅動方式有電機驅動,液壓驅動,人工肌肉氣動驅動等方式。

經文獻檢索,專利號為201110292009.0的中國發明專利提出一種外骨骼式下肢康復機器人,不包括上體背部設計,以及“人-機”連接捆綁裝置,腳部連接捆綁裝置等部件,采用盤式電機加諧波減速器驅動,由于盤式電機受功率和安裝體積限制,很難超出100W,達到較大的出力效果;同時自由度設計較為簡化,難以達到行走過程中的舒適度要求;申請號為201210319331.2的中國發明專利申請提出了一種外骨骼穿戴式仿生搬運機器人,用來輔助工人搬運大重量物體,下肢采用液壓驅動,上肢采用電機驅動,該發明專利是一種對人體運動自由度和運動空間的功能性仿生設計,在結構的細節性設計,安全性設計,“人-機”連接捆綁設計,腰部的輔助自由度設計、腳踝自由度實現方式設計等方面沒有進行全面的描述;申請號為201310034245.1的中國發明專利申請提出了一種穿戴式外骨骼助行機器人,對髖關節和膝關節采用直線式串聯彈性器驅動,但自由度設置非常簡化,后腰部沒有相應的輔助自由度設計,腳踝關節由球副簡化為一個旋轉副,對于外展/內收運動構成限制,同時,沒有設計大腿、小腿、腰部等的伸縮調整機構,不具有針對不同身高體重的穿戴者的適應能力。

發明內容

本發明是為解決現有的外骨骼式機器人存在運動空間耦合度低,穿戴舒適性差,可靠性、適應性差以及電機需求功率較大的問題,進而提供一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人。

本發明為解決上述問題采取的技術方案是:本發明的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人包括上體后背部、左腿和右腿,左腿和右腿分別包括髖部驅動系統、膝部驅動系統和腳部穿戴系統;

上體后背部包括布背帶、橡膠后背板、連接板、負載安裝板、腰部后側連接板、轉動限位板、腰部后側轉動軸、罩殼、第一傾角傳感器、兩個腿連接轉動板和兩個彈性部件;負載安裝板水平設置,罩殼蓋合在負載安裝板上,腰部后側連接板、轉動限位板、腰部后側轉動軸、兩個腿部連接轉動板和兩個彈性部件位于罩殼內,橡膠后背板傾斜設置,橡膠后背板安裝在負載安裝板上,連接板插裝在負載安裝板上,腰部后側連接板與負載安裝板轉動連接,腰部后側連接板和轉動限位板連接為一體,腰部后側轉動軸豎直設置,兩個腿連接轉動板對接后分別與腰部后側轉動軸轉動連接,腰部后側轉動軸的上端與腰部后側連接板固定連接,負載安裝板與腰部后側連接板之間并列設置有兩個彈性部件,兩個彈性部件均與負載安裝板與腰部后側連接板連接,轉動限位板能限制腰部后側連接板上連接的兩個腿連接轉動板的轉向,布背帶的上部與橡膠后背板連接,布背帶的下部兩側分別與連接板的兩端連接,第一傾角傳感器安裝在橡膠后背板上;

每個所述髖部驅動系統包括外殼、彎折腰帶、髖關節連接板、髖關節支板、帶有編碼器的第一電機、第一減速器和伸縮機構,外殼將帶有編碼器的第一電機和第一減速器包覆,帶有編碼器的第一電機和第一減速器均安裝在髖關節支板上,帶有編碼器的第一電機的輸出端與第一減速器的輸入端連接,第一減速器的輸出端與髖關節連接板轉動連接,髖關節連接板能在豎直平面內轉動,髖關節連接板上設置有能限制髖關節連接板轉動角度的呈水平布置的第一限位面和呈傾斜布置的第二限位面,所述彎折腰帶的彎折角度為90度,彎折腰帶的其中一端插裝在髖關節支板上,彎折腰帶能水平往復移動,彎折腰帶的另一端安裝有伸縮機構,伸縮機構與相應的腿連接轉動板連接;

每個所述膝部驅動系統包括大腿伸縮板、大腿連接板、小腿連接板和主驅動機構,大腿伸縮板與髖關節連接板可拆卸連接,大腿伸縮板插裝在大腿連接板上,且大腿伸縮板能上下移動,主驅動機構與大腿連接板連接,主驅動機構的輸出端與小腿連接板連接,主驅動機構能帶動小腿連接板在豎直平面內轉動,且小腿連接板能上下移動;

每個所述腳部穿戴系統包括U形連接板、腳部捆綁布帶、腳部支撐架、彈性板、腳部橡膠鞋底和三個第一薄膜壓力傳感器,所述腳部支撐架包括底板和與底板一體制成的兩個立式支耳,兩個立式支耳豎直設置在底板的兩側邊上,U形連接板的中部與小腿連接板的下端轉動連接,U形連接板的兩端分別與兩個立式支耳轉動連接,腳部捆綁布帶捆綁在兩個立式支耳的外側面上,底板的另一端的下表面與彈性板的一端的上表面固接,彈性板的下表面與腳部橡膠鞋底的上表面粘接,底板的上表面上安裝有三個第一薄膜壓力傳感器。

本發明的有益效果是:

一、本發明基于人機工程學和人體行走特征的分析,進行了高度擬人化設計,在功能上實現輔助人體行走,蹲下站起,上下臺階,爬坡等動作,在自由度設計方面,設計了分布合理的主動自由度,被動自由度,和必要的輔助運動自由度,各自由度的運動范圍進行了合理的限制和分配,實現機械限位的安全性要求;人體后背部、髖部驅動系統、膝部驅動系統和腳部穿戴系統的設計,彎折腰帶、大腿伸縮板、小腿連接板的伸縮移動性能方便準確的調整伸縮長度,提高了運動空間耦合度;腳部穿戴系統設計為彈性板加橡膠鞋底的形式,腳部與人體腳面貼合處設計有薄膜壓力傳感器,從而判斷腳處于擺動階段還是支撐階段,輔助做出準確的判斷,提供更好的助力效果;髖關節采用高副低代方式,設計了外展/內收、伸展/彎曲、旋內/旋外3個自由度;膝關節設計了伸展/彎曲1個自由度,踝關節設計了外展/內收、伸展/彎曲2個自由度;腳部在腳底板的設計上,采用了剛性連接與柔性連接相結合的方式,剛性連接腳部支撐架、緩沖減震彈性板用于把重力傳到地面,同時具有一定的緩沖儲能作用,柔性連接的腳部橡膠鞋底用于適應腳掌前端在腳尖點地動作時的彎曲,起到1個自由度的作用;腰部后側設計了轉動的兩個腿連接轉動板,相當于為每條腿的髖關節增加了1個輔助的旋內/旋外自由度,從而彌補了髖關節設計中高副低代造成的運動空間限制和運動偏差;同時,轉動軸為上體后背模塊提供了一個上體左右轉動的自由度;上體后背模塊設計了1個左右兩側彎曲的自由度,以適應人體上身左右側的彎曲,利于保持行走過程中的平衡;在擬人化和舒適度的設計中,首先考慮上體的連接方式,背包帶與后背彈性橡膠板和腰帶連接板縫合鏈接。在對不同身高體型的穿戴者的適應性上,在信息檢測方面,上體后背部安裝第一傾角傳感器,用來檢測人體上身的傾斜角度,行走速度及加速度。

二、外骨骼上體后背部與人體背部曲線具有較高的擬合性,保證了與人體后背部貼合后的受力均勻。腰部后側設計了腰部后側轉動軸,配合兩個腿連接轉動板,相當于為每條腿的髖關節增加了一個輔助的旋內/旋外自由度,從而彌補了髖關節設計中高副低代造成的運動空間限制和運動偏差;同時,腰部后側轉動軸為上體后背模塊提供了一個上體左右轉動的自由度,更加符合人體自然行走過程中骨盆的左右旋轉,使穿戴外骨骼后行走步態更加自然。

三、小腿連接板設計為環繞小腿的包圍型結構,將動力從小腿外側傳到小腿后側,消除了人體髖關節和踝關節外展/內收自由度造成的“人-機”之間的位置偏差影響,提高了穿戴的舒適度,及傳感檢測系統的檢測精度。

四、髖部關節和膝部關節采用電機驅動,比傳統的電機加齒輪減速或諧波減速具有更大的峰值功率,有利于降低本發明中助力外骨骼的能耗同時,提高助力外骨骼的負重能力。

五、針對不同的應用場景,選擇不同的大小腿捆綁方式,第一捆綁裝置和第三捆綁裝置適用于正常人的穿戴;第二捆綁裝置是一種沒有彈性的剛性連接方式,若外骨骼的滯后性較大,第二捆綁裝置對于正常的穿戴者將會舒適度較差,因此更適用于具有運動障礙者穿戴。

六、腳部穿戴系統中,在腳底板的設計上,采用了剛性連接與柔性連接相結合的方式,剛性連接中腳部支撐架、彈性板用于把重力傳到地面,同時具有一定的緩沖儲能作用,柔性連接的腳部橡膠鞋底用于適應腳掌前端在腳尖點地動作時的彎曲。

七、本發明應用于下肢助力外骨骼,可以在助老助殘,醫療康復,工業生產,單兵作戰等場合得到廣泛的應用,幫助運動障礙者行走或醫療恢復,或使人工穿戴提高工作效率,工作效率提高了40%以上,提高士兵遠途行軍的負重能力等。

八、膝關節連接板上設置的限位塊和髖關節連接板上設置有限位面便于人站立和蹲下時起到安全限位的作用,人行走時安全可靠性好。

附圖說明

圖1為本發明前側看的整體結構立體圖,圖2為本發明后側看的整體結構立體圖,圖3為上體后背部整體結構立體圖,圖4為上體后背部中布背帶、橡膠后背板和控制模塊的分解示意圖,圖5為上體后背部中罩殼和橡膠后背部的分解示意圖,圖6為上體后背部中橡膠后背板、負載安裝板和兩個腿連接轉動板的分解示意圖,圖7為左腿和右腿分別與腿連接轉動板連接的結構示意圖,圖8為左腿的拆分結構以及與第一捆綁裝置連接結構示意圖,圖9為髖部驅動系統的分解示意圖,圖10為髖部驅動系統中伸縮機構的分解示意圖,圖11為膝部驅動系統的分解示意圖,圖12為膝部驅動系統中主驅動機構的分解示意圖,圖13為主驅動機構中的串聯彈性體的立體結構示意圖,圖14為主驅動機構中的限位結構示意圖,圖15為第一捆綁裝置的結構示意圖,圖16為第三捆綁裝置安裝于人體下肢的使用狀態示意圖,圖17為第二捆綁裝置的結構示意圖,圖18腳部穿戴系統整體結構示意圖,圖19為腳部穿戴系統的分解示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一:結合圖1~圖19說明,本實施方式的一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人包括上體后背部A、左腿和右腿,左腿和右腿分別包括髖部驅動系統B、膝部驅動系統C和腳部穿戴系統D;

上體后背部A包括布背帶1、橡膠后背板2、連接板5、負載安裝板7、腰部后側連接板9、轉動限位板10、腰部后側轉動軸12、罩殼17、第一傾角傳感器4、兩個腿連接轉動板14和兩個彈性部件11;負載安裝板7水平設置,罩殼17蓋合在負載安裝板7上,腰部后側連接板9、轉動限位板10、腰部后側轉動軸12、兩個腿部連接轉動板14和兩個彈性部件11位于罩殼17內,橡膠后背板2傾斜設置,橡膠后背板2安裝在負載安裝板7上,連接板5插裝在負載安裝板7上,腰部后側連接板9與負載安裝板7轉動連接,腰部后側連接板9和轉動限位板10連接為一體,腰部后側轉動軸12豎直設置,兩個腿連接轉動板14對接后分別與腰部后側轉動軸12轉動連接,腰部后側轉動軸12的上端與腰部后側連接板9固定連接,負載安裝板7與腰部后側連接板9之間并列設置有兩個彈性部件11,兩個彈性部件11均與負載安裝板7與腰部后側連接板9連接,轉動限位板10能限制腰部后側連接板9上連接的兩個腿連接轉動板14的轉向,布背帶1的上部1-1與橡膠后背板2連接,布背帶1的下部兩側1-4分別與連接板5的兩端連接,第一傾角傳感器4安裝在橡膠后背板2上;

每個所述髖部驅動系統B包括外殼22、彎折腰帶20、髖關節連接板24、髖關節支板23、帶有編碼器的第一電機21、第一減速器26和伸縮機構63,外殼22將帶有編碼器的第一電機21和第一減速器26包覆,帶有編碼器的第一電機21和第一減速器26均安裝在髖關節支板23上,帶有編碼器的第一電機21的輸出端與第一減速器26的輸入端連接,第一減速器26的輸出端與髖關節連接板24轉動連接,髖關節連接板24能在豎直平面內轉動,髖關節連接板24上設置有能限制髖關節連接板24轉動角度的呈水平布置的第一限位面24-1和呈傾斜布置的第二限位面24-2,所述彎折腰帶20的彎折角度為90度,彎折腰帶20的其中一端插裝在髖關節支板23上,彎折腰帶20能水平往復移動,彎折腰帶20的另一端安裝有伸縮機構63,伸縮機構63與相應的腿連接轉動板14連接;

每個所述膝部驅動系統C包括大腿伸縮板36、大腿連接板37、小腿連接板44和主驅動機構,大腿伸縮板36與髖關節連接板24可拆卸連接,大腿伸縮板36插裝在大腿連接板37上,且大腿伸縮板36能上下移動,主驅動機構與大腿連接板37連接,主驅動機構的輸出端與小腿連接板44連接,主驅動機構能帶動小腿連接板44在豎直平面內轉動,且小腿連接板44能上下移動;

每個所述腳部穿戴系統D包括U形連接板51、腳部捆綁布帶54、腳部支撐架55、彈性板57、腳部橡膠鞋底58和三個第一薄膜壓力傳感器59,所述腳部支撐架55包括底板55-1和與底板55-1一體制成的兩個立式支耳55-2,兩個立式支耳55-2豎直設置在底板55-1的兩側邊上,U形連接板51的中部與小腿連接板44的下端轉動連接,U形連接板51的兩端分別與兩個立式支耳55-2轉動連接,腳部捆綁布帶54捆綁在兩個立式支耳55-2的外側面上,底板55-1的另一端的下表面與彈性板57的一端57-1的上表面固接,彈性板57的下表面與腳部橡膠鞋底58的上表面粘接,底板55-1的上表面上安裝有三個第一薄膜壓力傳感器59。

本實施方式布背帶在人體穿上后可通過上粘扣1-2和下粘扣1-3扣緊,通過布背帶兩側的連接端1-4與連接板5縫合連接。

本實施方式的髖關節連接板24上設置有能限制髖關節連接板24轉動角度的呈水平布置的第一限位面24-1和呈傾斜布置的第二限位面24-2,第一限位面24-1旋轉到與髖關節支板23頂靠后,限制髖關節連接板24旋轉120°,第二限位面24-2旋轉到與髖關節支板23頂靠后,限制髖關節連接板24旋轉30°。

本實施方式兩個腿連接轉動板14分別安裝于腰部后側轉動軸12上,并通過腰部后側連接板9上的第一限位擋塊9-1和腰部轉動限位板10上的第二限位擋塊10-1限制兩個腿連接轉動板14的轉動范圍,起到安全限位的作用。

本實施方式轉動軸端蓋13通過第二螺釘固定于腰部后側轉動軸12上,防止兩個腿連接轉動板14脫落。

本實施方式罩殼17和負載安裝板7在連接端17-1通過第三螺釘連接,同時和臀部擋板16在17-2連接端固定連接,增強支撐的強度。

本實施方式髖關節支架23和彎折腰帶20連接,髖關節支架23伸縮調整后通過四個第一螺釘20-1固定緊。腳部支撐架55和U形連接板51通過一對銷軸52轉動連接,用彈簧卡圈53卡緊。

腳部捆綁布帶54和腳部支撐架55通過多個第一縫合連接處54-1、多個第二縫合連接處54-2和多個第三縫合連接處54-3縫合連接;腳部捆綁帶54在穿戴上后,通過第一粘接扣54-4和第二粘接扣54-5扣緊。

髖關節連接板24能在豎直平面內轉動,可通過第一減速器26與換向機構(如齒輪箱或錐齒輪組)的連接及換向機構與髖關節連接板的連接來實現。

具體實施方式二:結合圖5和圖6說明,本實施方式所述兩個彈性部件11均為螺旋彈簧。如此設置,可以保持上體后背部的平衡,利于保持行走過程中的平衡。其它與具體實施方式一相同。

具體實施方式三:結合圖5和圖6說明,本實施方式所述上體后背部A還包括兩條后背加強筋3,兩條后背加強筋3為弧形后背加強筋,兩條后背加強筋3安裝在后背橡膠板2的背面上,兩條后背加強筋3的內弧面與后背橡膠板2相鄰設置,兩條后背加強筋3的下端分別與負載安裝板7連接;所述上體腰背部A還包括負載過渡板8和過渡轉動軸8-1,負載過渡板8的上端與負載安裝板7連接,負載過渡板8的下端通過過渡轉動軸8-1與腰部后側連接板9轉動連接。如此設置,后背加強筋3具有一定的彎曲度,參考人體的后背曲線設計,保證了后背彈性橡膠板2與人體后背的良好貼合的同時,還具有一定的彈性變形能力,在背負重物時,起到一定的緩沖減震效果,提高了行走過程中保持平衡的能力。轉動軸為上體后背模塊提供了一個上體左右轉動的自由度;上體后背部設計了1個左右兩側彎曲的自由度,以適應人體上身左右側的彎曲,更加有利于保持行走過程中的平衡,該自由度通過背部負載過渡板、腰部后側連接板以及轉動軸實現。其它與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四:結合圖10說明,本實施方式的每個所述伸縮機構63包括第一伸縮板31、第二伸縮板33、第一扭簧32、轉動軸30和兩個軸承29,折彎腰帶20的另一端的上部和下部分別設置有擋塊20-2,折彎腰帶20的另一端的板面上安裝有水平設置的轉動軸30,轉動軸30上套設有貼靠連接的第一伸縮板31和第二伸縮板33,第一伸縮板31的板面的上端和下端分別設置有長條孔31-1,長條孔31-1的長度方向與轉動軸20的軸向垂直,第二伸縮板33的上端和下端分別設置有長條凹槽33-1,長條孔31-1和長條凹槽33-1正對設置,第一伸縮板31和第二伸縮板33之間的轉動軸30上套設有第一扭簧32,轉動軸30的兩端通過兩個軸承29支撐,第一扭簧32的兩個彈性臂分別卡在兩個擋塊20-2上,貼靠連接的第一伸縮板31和第二伸縮板33與相應的腿連接轉動板14通過設置在長條孔31-1和長條凹槽33-1內的螺栓活動連接,貼靠連接的第一伸縮板31和第二伸縮板33能在折彎腰帶20內伸縮移動。如此設置,能適應不同人群的臀部寬度,以實現高度擬人化設計,使用時,髖關節支架23和彎折腰帶20連接,髖關節支架23伸縮調整后通過四個第一螺釘20-1固定緊;端蓋34安裝于彎折腰帶20上,起到支撐轉動軸30的作用,第一伸縮板31和第二伸縮板33在腿連接轉動板14的拉伸和縮短是通過長條孔內的螺栓的連接實現的。其它與具體實施方式三相同。

具體實施方式五:結合圖11-圖13說明,本實施方式所述主驅動機構包括護殼40、關節齒輪箱301、膝關節連接板42、下肢支架501、第二減速器39、旋轉變壓器130、帶有編碼器的第二電機38、串聯彈性體160和第二扭簧240;所述齒輪箱300包括殼體41、第三錐齒輪90、第四錐齒輪230、第一錐齒輪250、第二錐齒輪170和關節軸140;殼體41與大腿連接板37連接,護殼40安裝在大腿連接板37上,大腿連接板37和護殼40將帶有編碼器的第二電機38和第二減速器39包覆,帶有編碼器的第二電機38與第二減速器39連接,第二減速器39的輸出端安裝有第三錐齒輪90;關節軸140通過軸承水平安裝在殼體41上,第一錐齒輪250與第二錐齒輪170分別安裝在關節軸140的兩端,第二扭簧240位于第一錐齒輪250與第二錐齒輪170之間,第三錐齒輪90分別與第一錐齒輪250和第二錐齒輪170嚙合,第一錐齒輪250與第四錐齒輪230嚙合,第四錐齒輪230與第二錐齒輪170嚙合;所述串聯彈性體160包括同心的內外雙環本體160-1和至少四組波浪形彈片160-2,同心的內外雙環本體160-1的內外環之間沿其周向連接有制成一體的至少四組波浪形彈片160-2;串聯彈性體160穿設在關節軸140上,第二錐齒輪170安裝在同心的內外雙環本體160-1的內環上,膝關節連接板42蓋合在殼體41的側面上,膝關節連接板42與內外雙環本體160-1的外環活動連接,關節軸140與膝關節連接板42相鄰的一端內安裝有旋轉變壓器130,下肢支架501蓋合在殼體41的與膝關節連接板42相對側面上,下肢支架501分別與關節軸140和膝關節連接板42活動連接,小腿連接板44與膝關節連接板42活動連接,且小腿連接板44能上下移動,膝關節連接板42上設置有能限制膝關節連接板42轉動角度的第一限位塊42-1和第二限位塊42-2,殼體41上設置有與第一限位塊42-1和第二限位塊42-2相對應的限位面。如此設置,相比傳統的電機加齒輪減速或諧波減速具有更大的峰值功率,有利于降低本發明中助力外骨骼的能耗同時,提高助力外骨骼的負重能力,降低了電機所需功率,提高了關節系統的響應速度,控制精度以及系統的穩定性;在小腿連接板上設計有第一限位塊和第二限位塊,可以和殼體的對應接觸面接觸,起到安全保護作用,人站立時,第一限位塊限制小腿連接板旋轉120度,人體蹲下時,第二限位塊限制小腿連接板旋轉30度。髖關節連接板24上的端蓋27,和大腿伸縮桿36上的端蓋35起到軸向定位的作用,防止大腿伸縮桿36脫落。基于生物肌肉宏觀力學特性研究的仿生學設計,以及關節轉動中重力勢能的變化,加入扭簧和串聯彈性體,模擬肌肉的并聯彈性元和串聯彈性元,從而實現關節轉動時,機器人重力勢能的存儲和大扭矩的釋放以及關節的柔性驅動。本實施方式利用扭簧和串聯彈性體實現了一種可以彈性儲能以及釋放大扭矩的柔性關節,具有較高的結構緊湊性和峰值功率。在傳統的串聯彈性驅動器(SEA)基礎上,通過改進串聯彈性單元的設計,同時引入并聯彈性環節,從而設計出一種可以減小能耗的,具有較高功率密度的大出力柔性關節;本發明的一種用于行走機器人的柔性儲能關節,關節內部設計安裝有旋轉變壓器,配合電機自帶的編碼器,可以準確的檢測柔性部件串聯彈性體的變形量、電機的輸出位置以及關節角度位移,從而計算出關節輸出扭矩和扭簧(相當于并聯彈簧)提供的扭矩,為關節轉動提供準確的力控制和位置控制。扭簧施加在第一錐齒輪和第二錐齒輪之間,第一錐齒輪和第二錐齒輪的相對轉動角度與關節的轉角成正比關系,比例為2倍。當機器人肢體落地時,關節受重力影響轉動彎曲,此時扭簧壓縮儲能,當肢體抬腿離地時,扭簧可以釋能,輔助抬腿蹬地等動作。另外,關節彎曲的角度越大,扭簧扭轉儲能越大,例如本發明應用在類人機器人的蹲下站起動作時,髖關節及膝關節蹲下過程中,重力勢能自動壓縮扭簧,而站起過程中,即釋能輔助站起,其中站起時關節需要的扭矩,扭簧提供不足部分由電機共同提供,從而使關節輸出的峰值扭矩遠大于電機的最大輸出扭矩,實現了關節的大出力效果。其它與具體實施方式一、二或四相同。

具體實施方式六:結合圖15說明,本實施方式所述外骨骼機器人還包括四個第一捆綁裝置E,兩個膝關節連接板42和兩個大腿連接板37上分別連接有一個第一捆綁裝置E,每個所述第一捆綁裝置E包括捆綁機構、位置偏差檢測機構和滑動機構;所述捆綁機構包括捆綁帶2-1、固定環1-5和兩個捆綁板11-1;所述位置偏差檢測機構包括滑動板3-1、第二薄膜壓力傳感器5-1、兩個橡膠柱6-1和兩個第一支撐軸4-1;所述滑動機構包括捆綁基座、固定座10-1、兩個第二支撐軸9-1和四個螺旋彈簧8-10;捆綁基座上設置有基板7-2,捆綁基座的兩端設置有連接板7-3,兩個連接板7-3豎直并列設置,且兩個連接板7-3的板面與基板7-2垂直,兩個第二支撐軸9-1豎直并列設置在固定座10-1的兩端,兩個第二支撐軸9-1分別設在相應的連接板7-3上,每個連接板7-3通過設置在第二支撐軸9-1上的兩個螺旋彈簧8-10支撐在固定座10-1上,滑動板3-1的兩端分別連接有一個捆綁板11-1,其中一個捆綁板11-1上設置有固定環1-5,捆綁帶2-1的一端與另一個捆綁板11-1連接,捆綁帶2-1的另一端穿過固定環1-5,滑動板3-1的上端和下端分別穿設有水平設置的第一支撐軸4-1,滑動板3-1能在第一支撐軸4-1上滑動,滑動板3-1的兩端分別設置有擋板3-10,兩個擋板3-10的板面正對設置;每個第一支撐軸4-1的兩端分別連接在兩個連接板7-3上,基板7-2的板面與滑動板3-1的遠離肢體的板面相貼靠設置,兩個擋板3-10與連接板7-3貼靠設置,兩個連接板7-3的板面上分別穿設有一個橡膠柱6-1,橡膠柱6-1頂靠在擋板3-10上,其中一個連接板7-3的與擋板3-10相貼靠的板面上安裝有第二薄膜壓力傳感器5-1,固定座10-1固定在兩個膝關節連接板42和兩個大腿連接板37上。如此設置,適用于正常人穿戴,“人-機”之間是一種彈性連接,允許一定的偏差范圍,從而使外骨骼運動滯后時人體有較好的舒適度,驅動電機的運動方向為使偏差減小的方向。捆綁帶與滑動板、捆綁板形成捆綁環,將捆綁帶套設在人的肢體上,通過拉動穿過固定環的捆綁帶使本發明的裝置固定在人的肢體上,位置偏差檢測機構和滑動機構形成一個運動平面,人的肢體可在此平面運動。當肢體與本發明裝置的捆綁基座發生相對運動時,通過讀出接觸力檢測方向的壓力變化可以讀出肢體與捆綁基座的位置偏差,通過在垂直于檢測方向引入滑動機構,可以消除肢體與基座在該方向的運動偏差對檢測結果的影響,提高檢測精度,也實現了檢測人體運動意圖的目的,輔助或增大肢體運動效果,具有較高的“人-機”耦合度,穿戴舒適度,可靠性及安全性,保證了穿戴裝置具有較好的舒適性與方便性。本實施方式可以作為檢測人體運動意圖的“人-機”連接檢測裝置用。其它與具體實施方式五相同。

具體實施方式七:結合圖17說明,本實施方式所述外骨骼機器人還包括四個捆綁裝置F,兩個膝關節連接板42和兩個大腿連接板37上分別連接有一個捆綁裝置F,每個捆綁裝置F包括連接基座48、二維力傳感器49和硬質捆綁帶50,連接基座48與腿部捆綁帶50之間連接有與二者連接的二維力傳感器49,連接基座48固定在兩個膝關節連接板42和兩個大腿連接板37上。如此設置,捆扎帶與人體大腿、小腿的固連,適用于外骨骼帶動運動障礙者(如助老助殘或醫療康復者)進行運動,當應用于正常人的穿戴時,必須保證外骨骼對人體的跟隨性能良好,滯后性較小,才會有較好的穿戴舒適度,使用時,二維力傳感器用于檢測“人-機”之間傳遞的動力,硬質捆綁帶用于人體大腿、小腿的固連。其它與具體實施方式五相同。

具體實施方式八:結合圖16說明,本實施方式所述外骨骼機器人還包括四個捆綁裝置G,每個捆綁裝置G包括捆扎帶44和連接在捆扎帶44上的第二傾角傳感器45。如此設置,適用于正常人穿戴,用于檢測人體大腿和小腿的傾斜角度,角速度,角加速度,從而使外骨骼進行跟隨運動,輔助或增大肢體運動效果,具有較高的“人-機”耦合度,穿戴舒適度,可靠性及安全性,使用時,將帶有傾角傳感器的捆扎帶捆綁于大腿和小腿上。其它與具體實施方式五相同。

具體實施方式九:結合圖16說明,本實施方式的彎折腰帶20與髖關節支板23相連接的表面上布置有相互咬合的多對第一牙紋23-1;大腿伸縮板36與大腿連接板37相連接的表面上布置有相互咬合的多對第二牙紋37-1;小腿連接板44與膝關節連接板42相連接的表面上布置有相互咬合的多對第三牙紋44-1。

如此設置,彎折腰帶20通過咬合的第一牙紋23-1能水平伸縮;大腿伸縮板36通過多對咬合的第二牙紋37-1能上下伸縮;小腿連接板44通過咬合的多對第三牙紋44-1能上下伸縮,牙紋采用防滑牙紋連接,每個牙紋寬度均為2mm,便于準確的調整伸縮長度。其它與具體實施方式一、二、四、六、七或八相同。

具體實施方式十:結合圖2和圖10說明,本實施方式所述外骨骼機器人還包括控制模塊,所述控制模塊包括上位機模塊18、電源模塊19和髖關節驅動器28,上位機模塊18和電源模塊19安裝在罩殼17的外壁上,髖關節驅動器28安裝在彎折腰帶20的另一端,上位機模塊18用于控制髖關節驅動器28、帶有編碼器的第二電機21、第一傾角傳感器4、第二傾角傳感器45、旋轉變壓器130、第一薄膜壓力傳感器59、第二薄膜壓力傳感器5-1和二維力傳感器49,髖關節驅動器28對帶有編碼器的第一電機38進行控制,電源模塊19給上位機模塊18、髖關節驅動器28、帶有編碼器的第二電機21、帶有編碼器的第一電機38、第一傾角傳感器4、第二傾角傳感器45、旋轉變壓器130、第二薄膜壓力傳感器5-1、第一薄膜壓力傳感器59和二維力傳感器49供電。本實施方式的上位機模塊由上位機及其擴展電路,散熱結構,電壓轉換模塊等組成;電源模塊優選用鋰離子電池單元組成的48V蓄電池組,電池容量為20Ah,為下肢助力外骨骼系統提供足夠的動力。

工作過程

結合圖1-圖19說明,人體后背部中的布背帶在人體穿上后可通過上粘扣1-2和下粘扣1-3扣緊,通過布背帶兩側的連接端1-4與連接板5縫合連接,橡膠后背板2貼合人體后背,穿戴者的腳置入U形連接板51、腳部捆綁布帶54和腳部支撐架55形成鞋體內,髖部驅動系統的伸縮機構帶動兩個腿連接轉動板輔助人的上臂擴展和收縮運動;帶有編碼器的第一電機21的轉動帶動第一減速器26轉動,第一減速器26帶動髖關節連接板24能在豎直平面內轉動,進而帶動大腿伸縮板36的轉動,進而帶動小腿連接板44、主驅動機構和腳部穿戴系統的整體轉動,髖部驅動系統實現膝部驅動系統輔助人抬腿、站立、搖擺和攀爬的行走運動,主驅動機構帶動小腿輔助人站立、蹲下、抬腿、上下臺階和攀爬運動,在髖關節和膝關節設置電機驅動,主驅動機構的帶有編碼器的第二電機38的的轉動,帶動第二減速器39的轉動,第二減速器39的轉動帶動第三錐齒輪90的轉動,通過齒輪箱300內的四個錐齒輪的嚙合運動,進而帶動膝關節連接板42的轉動,最后帶動與膝關節連接板42連接的腳部穿戴系統的運動。采用不同的“人-機”捆綁檢測方案,一種帶有傾角傳感器的帶子捆綁于人體大腿和小腿上,檢測人體大腿和小腿的傾斜角度,角速度,角加速度,從而使下肢助力外骨骼進行跟隨運動(如圖16所示);一種強制性的捆綁裝置,連接基座固連于外骨骼的兩個膝關節連接板和兩個大腿連接板上,二維力傳感器用于檢測“人-機”之間傳遞的動力,捆扎帶用于與人體大腿、小腿的固連(如圖17所示);一種柔性捆綁裝置適用于外骨骼帶動具有運動障礙的穿戴者(如助老助殘或醫療康復者)進行運動,當應用于正常人的穿戴時,必須保證外骨骼對人體的跟隨性能良好,滯后性較小,才會有較好的穿戴舒適度(如圖15所示)。

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本文標題:一種擬人化的下肢助力外骨骼機器人.pdf
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