本發(fā)明涉及一種中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人，尤其是一種使用單電機(jī)通過(guò)電磁推桿確定給兩側(cè)髖關(guān)節(jié)提供助力的下肢外骨骼機(jī)器人,屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

下肢外骨骼機(jī)器人是穿戴在人體下肢上的仿生機(jī)器人，它融合了機(jī)器人學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、仿生學(xué)、控制理論、通訊技術(shù)、信息處理技術(shù)等多學(xué)科的交叉知識(shí)，同時(shí)又涉及到傳感、控制、信息耦合、移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)，還可以在使用者的操縱下完成特定的任務(wù)。目前外骨骼助力裝置的研究逐漸興起，具有廣泛的應(yīng)用前景，比如康復(fù)醫(yī)療、單兵作戰(zhàn)等領(lǐng)域。對(duì)于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，外骨骼的主要目的是輔助人體自身肌肉的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到幫助截癱患者進(jìn)行肌肉康復(fù)訓(xùn)練的效果。

申請(qǐng)?zhí)?01410735565.4提出了一種用于輔助行走的下肢外骨骼機(jī)器人，其特征在于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)都加有驅(qū)動(dòng)器，四個(gè)驅(qū)動(dòng)器增加了外骨骼機(jī)器人的重量且使電池的使用時(shí)間大大減少。

申請(qǐng)?zhí)?01410353073.9提出了一種單驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式下肢助力外骨骼，雖然也采用單電機(jī)控制，但是其腰部模塊的大腿驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)笨重，體積過(guò)大，且不能給使用者提供坐下、站立的助力。

申請(qǐng)?zhí)?01310262919.3提出了一種穿戴式下肢助力外骨骼，每條腿只用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用連桿機(jī)構(gòu)配合一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)同時(shí)擬合出恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)角度曲線。但對(duì)不同的使用者需要針對(duì)性的設(shè)計(jì)連桿的長(zhǎng)度，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，不具備通用性，且兩個(gè)電機(jī)也加大了外骨骼的重量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前下肢外骨骼所存在的驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)多、單一電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重、外骨骼尺寸難以進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)、無(wú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行助力的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種中央驅(qū)動(dòng)式單電機(jī)驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼結(jié)構(gòu)，采用電磁推桿控制助力力矩是否傳到髖關(guān)節(jié)，利用重心變化通過(guò)纜繩協(xié)助助力髖關(guān)節(jié)擺動(dòng)，且大腿小腿長(zhǎng)度均可調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人，包括背部組件、大腿組件、小腿組件、腳組件，所述背部組件中安裝有電機(jī)、減速器、齒輪組和輸出軸，電機(jī)通過(guò)減速器和齒輪組傳動(dòng)連接輸出軸，輸出軸兩端分別通過(guò)同步帶組件連接位于左、右腿上的花鍵組件，花鍵組件連接大腿組件，所述電機(jī)通過(guò)減速器、齒輪、輸出軸、同步帶組件和花鍵組件將力矩傳遞到髖關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)分別為左右兩腿在擺動(dòng)期時(shí)提供助力力矩。

所述花鍵組件包括同步輪連接軸、花鍵軸、花鍵套軸、電磁推桿，所述花鍵套軸內(nèi)裝有電磁推桿，電磁推桿連接花鍵軸，花鍵軸與花鍵套軸滑動(dòng)配合連接；當(dāng)電磁推桿得電推動(dòng)花鍵軸沿花鍵套軸運(yùn)動(dòng)，使花鍵軸前端與同步輪連接軸的端面齒合，使電機(jī)提供的力矩傳遞到髖關(guān)節(jié)。

兩個(gè)所述大腿組件通過(guò)纜繩連接在一起，利用人體重心的變化帶動(dòng)纜繩運(yùn)動(dòng)，起到助力效果。

所述大腿組件、小腿組件分別裝有長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由螺母絲杠組成，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母來(lái)移動(dòng)絲杠，從而實(shí)現(xiàn)大腿和小腿長(zhǎng)度的精確調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同身高的患者。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下有益效果：

1、利用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼進(jìn)行助力，相對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)式下肢助力外骨骼重量更輕，更節(jié)能。

2、利用電磁推桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩是否傳遞到髖關(guān)節(jié)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，控制更為方便。

3、利用纜繩將左右兩個(gè)大腿組件連接到一起，通過(guò)重心變化進(jìn)行協(xié)助助力，有效減少電機(jī)負(fù)荷。

4、利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)外骨骼大腿和小腿長(zhǎng)度，使長(zhǎng)度調(diào)節(jié)更加精確方便，適應(yīng)不同人群的使用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)主視圖；

圖2是本發(fā)明的中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3是本發(fā)明的中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人站立視圖；

圖4是本發(fā)明的中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人大腿擺動(dòng)最大角度示意圖；

圖5是本發(fā)明的中央驅(qū)動(dòng)式下肢外骨骼機(jī)器人坐下示意圖；

圖6是本發(fā)明的花鍵組件中電磁推桿通電示意圖；

圖7是本發(fā)明的花鍵組件中電磁推桿斷電示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1到圖7所示，本發(fā)明提供的一種中央驅(qū)動(dòng)式下肢助力外骨骼結(jié)構(gòu)，包括背部組件14、大腿組件10、小腿組件3、腳組件1。背部組件14中安裝有電機(jī)18、減速器17、齒輪組16和輸出軸15，電機(jī)18通過(guò)減速器17和齒輪組16傳動(dòng)連接輸出軸15，輸出軸15兩端分別通過(guò)同步帶組件13連接位于左、右腿上的花鍵組件11，花鍵組件11連接大腿組件10，所述電機(jī)18通過(guò)減速器17、齒輪16、輸出軸15、同步帶組件13和花鍵組件11將力矩傳遞到髖關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)18分別為左右兩腿在擺動(dòng)期時(shí)提供助力力矩。

如圖6，7所示，花鍵組件11包括同步輪連接軸111、軸承a112、與同步輪連接軸111端面齒齒合的花鍵軸113、軸承b114、和花鍵軸113配合的花鍵套軸115、軸承c116和放在花鍵套軸115中與花鍵軸113連接的電磁推桿117?；ㄦI套軸115內(nèi)裝有電磁推桿117，電磁推桿117連接花鍵軸113，花鍵軸113與花鍵套軸115滑動(dòng)配合連接；當(dāng)電磁推桿117得電推動(dòng)花鍵軸113沿花鍵套軸115運(yùn)動(dòng)，使花鍵軸115前端與同步輪連接軸111的端面齒合，使電機(jī)18提供的力矩傳遞到髖關(guān)節(jié)。

當(dāng)使用者邁動(dòng)左腿時(shí)，左腿上的花鍵組件11中的電磁推桿117通電，電磁推桿117推動(dòng)花鍵軸113沿花鍵套軸115移動(dòng)，使花鍵軸113端面的齒與同步輪連接軸111端面的齒嚙合，此時(shí)右腿上的花鍵組件11中的電磁推桿117不通電，之后電機(jī)18通電旋轉(zhuǎn)，通過(guò)減速器17、齒輪16、輸出軸15、同步帶組件13、花鍵組合11將扭矩傳遞到左大腿組件，右大腿組件由于花鍵軸與同步輪連接軸沒(méi)有嚙合，所以沒(méi)有傳遞扭矩。大腿組件10與小腿組件3通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)7連接，由于左大腿組件10往前擺動(dòng)，左小腿組件3由于慣性會(huì)向后彎曲，如圖4所示，左小腿組件3在彎曲時(shí)會(huì)擠壓卷簧8進(jìn)行儲(chǔ)能，之后由于重力和卷簧8的釋能使小腿組件3伸直。兩個(gè)所述大腿組件10通過(guò)纜繩12連接在一起，利用人體重心的變化帶動(dòng)纜繩運(yùn)動(dòng)，起到助力效果。在左大腿組件10向前擺動(dòng)到最大角度的同時(shí)，重心也向前移動(dòng)，右大腿組件10相對(duì)于重心向后移動(dòng)，此時(shí)纜繩12相當(dāng)于從右側(cè)進(jìn)行拉伸，進(jìn)而帶動(dòng)左大腿組件10向前擺動(dòng)，從而進(jìn)行協(xié)助助力，當(dāng)左大腿組件10擺動(dòng)到最大角度時(shí)，電機(jī)18斷電，電磁推桿117斷電，電磁推桿117在彈簧的作用下復(fù)位從而帶動(dòng)花鍵軸113與同步帶組件13分離，左大腿組件10在重力的作用下往后擺，并使左腳組件1著地。此時(shí)使用者的重心繼續(xù)向前移動(dòng)，當(dāng)左腳組件1完全和地面接觸時(shí)，開(kāi)始邁動(dòng)右腿，過(guò)程與上述類(lèi)似，在此不再敘述。

當(dāng)使用者想坐下時(shí)，左右兩腿上的電磁推桿117通電，推動(dòng)左右花鍵軸113分別與左右同步輪連接軸111端面的齒嚙合，此時(shí)電機(jī)18通電，帶動(dòng)使用者緩慢坐下去。當(dāng)使用者想站起來(lái)時(shí)，電機(jī)18通電，從而帶動(dòng)使用者緩慢站立起來(lái)。

當(dāng)使用者的大腿、小腿長(zhǎng)度與大腿組件10、小腿組件3的長(zhǎng)度不符合時(shí)，可以調(diào)節(jié)大腿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)9和小腿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)由螺母絲杠組成，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母來(lái)移動(dòng)絲杠，從而實(shí)現(xiàn)大腿和小腿精確調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)使用者大腿、小腿的長(zhǎng)度。