本發(fā)明涉及一種仿生可穿戴外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域；特別是一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼。

背景技術(shù)：

在科技高度發(fā)達(dá)的今天，機(jī)器人已經(jīng)滲入到各行各業(yè)，執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，仿生外骨骼機(jī)器人就是機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的模塊，機(jī)器人多自由度關(guān)節(jié)可以有效的完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，但是傳統(tǒng)的多自由度關(guān)節(jié)主要來(lái)自分散的自由度組成，或者由一個(gè)兩個(gè)自由度組成，活動(dòng)范圍較小，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總體重量難以實(shí)現(xiàn)更輕，更柔順。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是在進(jìn)入21世紀(jì)之后，外骨骼助力機(jī)器人作為一種人體的輔助設(shè)備，在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都得到了空前的發(fā)展。

目前外骨骼助力機(jī)器人種類繁多，將外骨骼助力機(jī)器人按照驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù)進(jìn)行分類，包括:單關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人和多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人(兩個(gè)及以上驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié))。單關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人很容易區(qū)分，即髖、膝、踝外骨骼助力機(jī)器人系統(tǒng)。多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人與其相比具有更好的助力效果和能力，在軍用、航天、工業(yè)、建筑、消防以及康復(fù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，而且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式、步態(tài)感知、控制策略及能源配置等問(wèn)題上也更加復(fù)雜，多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。能夠更能接近人體活動(dòng)自由度，仿生外骨骼結(jié)構(gòu)自由度設(shè)計(jì)直接影響整體穿戴舒適度。目前國(guó)內(nèi)外多自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)種類繁多，由于結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)缺陷，多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人助力效果不太理想，人機(jī)耦合性差，穿戴不舒適，即使擁有了多關(guān)節(jié)，主被動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制約了多關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，也不能起到很好的助力輔助的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)形式，對(duì)各關(guān)節(jié)自由度集成化，增加主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，在滿足負(fù)載需求情況下輕量化結(jié)構(gòu)形式，增強(qiáng)了人機(jī)安全性和穿戴舒適度，提高了外骨骼輔助功效。

本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，包括背部連接件、背部安裝板、腰部連接件、髖部仿生結(jié)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、髖關(guān)節(jié)、大腿仿生結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、大腿連接件、膝關(guān)節(jié)、小腿仿生結(jié)構(gòu)、踝關(guān)節(jié)和足部仿生結(jié)構(gòu)；其中足部仿生結(jié)構(gòu)水平固定放置在下肢外骨骼的底端；足部仿生結(jié)構(gòu)上表面的邊緣處設(shè)置有踝關(guān)節(jié)；小腿仿生結(jié)構(gòu)豎直放置，且小腿仿生結(jié)構(gòu)的底端通過(guò)踝關(guān)節(jié)與足部仿生結(jié)構(gòu)固定連接；小腿仿生結(jié)構(gòu)的頂端設(shè)置有膝關(guān)節(jié)；大腿仿生結(jié)構(gòu)豎直固定安裝在膝關(guān)節(jié)的上方；大腿仿生結(jié)構(gòu)的外側(cè)沿豎直方向設(shè)置有膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器；大腿仿生結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)水平固定安裝大腿連接件，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體大腿的固定；髖關(guān)節(jié)固定安裝在大腿仿生結(jié)構(gòu)的上端；髖部仿生結(jié)構(gòu)固定安裝在髖關(guān)節(jié)的上端，且髖部仿生結(jié)構(gòu)的外側(cè)固定安裝有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器；腰部連接件與髖部仿生結(jié)構(gòu)固定連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腰部的固定；背部安裝板豎直與腰部連接件固定連接；背部連接件豎直固定安裝在背部安裝板的頂端，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體肩部的固定。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述的小腿仿生結(jié)構(gòu)包括小腿仿生桿和伸縮調(diào)節(jié)件；小腿仿生桿固定安裝在膝關(guān)節(jié)的下端，小腿仿生桿為中空桿狀結(jié)構(gòu)，伸縮調(diào)節(jié)件沿軸向豎直固定安裝在小腿仿生桿的中空孔內(nèi)，且伸縮調(diào)節(jié)件沿孔方向?qū)崿F(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述下肢外骨骼還包括背部連接板、髖部伸縮板、轉(zhuǎn)軸和拉伸彈簧；其中背部連接板為匕首型板狀結(jié)構(gòu)；2個(gè)背部連接板交叉固定在背部安裝板的側(cè)面中心處，且轉(zhuǎn)軸垂直固定安裝在2個(gè)背部連接板的交點(diǎn)處；拉伸彈簧的一端固定安裝在背部安裝板的側(cè)面，拉伸彈簧的另一端與背部連接板的端部固定連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)背部連接板的收緊限位；髖部伸縮板的一端水平固定安裝在背部連接板的兩側(cè)，髖部伸縮板的另一端與髖部仿生結(jié)構(gòu)固定連接，實(shí)現(xiàn)髖部仿生結(jié)構(gòu)沿兩側(cè)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述的大腿仿生結(jié)構(gòu)包括大腿調(diào)節(jié)件、大腿仿生桿件、大腿旋轉(zhuǎn)彈簧、大腿彈簧卡頭和卡簧；其中,大腿調(diào)節(jié)件為中空原筒結(jié)構(gòu),大腿調(diào)節(jié)件豎直放置；大腿仿生桿件豎直放置，且大腿仿生桿件的上部設(shè)置有盲孔；大腿調(diào)節(jié)件的下端伸入大腿仿生桿件的盲孔中；大腿調(diào)節(jié)件包覆在卡簧的外壁，且卡簧的底端伸出大腿調(diào)節(jié)件的下斷面；大腿調(diào)節(jié)件盲孔的底部固定安裝有大腿彈簧卡頭；大腿彈簧卡頭和卡簧之間固定安裝有大腿旋轉(zhuǎn)彈簧。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述足部仿生結(jié)構(gòu)包括足部腳底板和踝關(guān)節(jié)座；其中，足部腳底板水平設(shè)置在足部仿生結(jié)構(gòu)的底部，實(shí)現(xiàn)將足部仿生結(jié)構(gòu)固定于人體的足底固定連接；踝關(guān)節(jié)座固定安裝在足部腳底板的外側(cè)，實(shí)現(xiàn)與踝關(guān)節(jié)的連接。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述踝關(guān)節(jié)座為錐形結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)座的頂端設(shè)置有帶有凹槽的凸臺(tái)。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述踝關(guān)節(jié)包括球軸承、踝關(guān)節(jié)上桿和蝶型彈簧；其中，蝶型彈簧的一端伸入踝關(guān)節(jié)座凸臺(tái)的凹槽內(nèi)；球軸承固定安裝在蝶型彈簧的另一端；踝關(guān)節(jié)上桿的一端與球軸承固定連接，踝關(guān)節(jié)上桿的另一端與小腿仿生結(jié)構(gòu)固定連接。

在上述的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述背部連接件實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)-10°-10°；髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)繞x軸旋轉(zhuǎn)70°-180°；髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)-10°-90°；髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)繞y軸旋轉(zhuǎn)-90°-90°；膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)繞x軸旋轉(zhuǎn)0°-65°；踝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)分別繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)-10°-10°。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提供的髖部仿生結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱設(shè)計(jì)，左右背部連接板連接在固定在在背部安裝板上旋轉(zhuǎn)軸，在拉伸彈簧的作用下，左右髖部仿生結(jié)構(gòu)具有繞固定軸上下移動(dòng)自由度和回力功能，同時(shí)增加了仿生背部繞仿生髖部結(jié)構(gòu)自由度；同時(shí)背部安裝板和肩部人機(jī)連接件之間通過(guò)軸鏈接，增加了人體上肢前后傾斜自由度，下蹲時(shí)人機(jī)匹配性更好；

(2)本發(fā)明提供的髖關(guān)節(jié)集成了3個(gè)自由度：屈伸、內(nèi)外展和內(nèi)外旋轉(zhuǎn)；在內(nèi)髖關(guān)節(jié)連接件和連接件之間軸鏈接，增加了折疊功能；同時(shí)在和大腿仿生結(jié)構(gòu)有線性彈簧提供內(nèi)外旋轉(zhuǎn)回力功能；髖關(guān)節(jié)自由度相比傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)自由度結(jié)構(gòu)在髖部和腿部分散式的設(shè)計(jì)，更加集成化，接近人體髖關(guān)節(jié)肱骨頭球副式活動(dòng)自由度，有效減小下肢活動(dòng)對(duì)髖部以上的影響，功能集中，增強(qiáng)了人機(jī)協(xié)同；

(3)本發(fā)明提供的踝關(guān)節(jié)為3自由度，增加了足部仿生結(jié)構(gòu)活動(dòng)自由度，提高了下肢外骨骼對(duì)路況的適應(yīng)性；在踝關(guān)節(jié)上桿和調(diào)節(jié)桿中間有蝶型彈簧，增加仿生結(jié)構(gòu)回力功能，人機(jī)安全性和耦合性更好；

(4)本發(fā)明提供的驅(qū)動(dòng)器為左右膝關(guān)節(jié)和左右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，相比單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)仿生結(jié)構(gòu)，對(duì)穿戴者輔助性更好；在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處，利用驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)連接滾珠絲杠，鑒于滾珠絲杠較高的傳動(dòng)效率，可以最大程度將功率輸出，進(jìn)而起到節(jié)能的效果，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際輔助力需求設(shè)計(jì)減速比，增加了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器通用性。髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)器直接通過(guò)減速箱輸出軸帶動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；

(5)本發(fā)明提供的一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不用輔助需求可以快捷拆卸和調(diào)整某些模塊應(yīng)用于不同的輔助平臺(tái)；整機(jī)結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)，功能多樣化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，穿戴便捷，多自由度仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高了穿戴舒適性；本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于“輕型助力、重型助力、助殘康復(fù)”等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明助力下肢外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明小腿仿生結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明髖部仿生結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明大腿仿生結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明助力下肢外骨骼足部仿生結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題：助力機(jī)械外骨骼要實(shí)現(xiàn)良好人機(jī)耦合性，要求其外觀和關(guān)節(jié)比例符合人體特征，同時(shí)仿生外骨骼各主被動(dòng)關(guān)節(jié)自由度設(shè)計(jì)需要符合人體生理活動(dòng)特性，減少機(jī)對(duì)人體負(fù)載感，才能起到輔助助力效果。傳統(tǒng)的髖關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)不具備完全符合人體的活動(dòng)自由性能，即使由分散的自由度接近人體活動(dòng)范圍，也無(wú)法保證人機(jī)穿戴的舒適性和安全性，因此需要一種新的集成多自由度輕型化助力下肢外骨骼機(jī)器人。機(jī)械外骨骼外觀和關(guān)節(jié)比例符合人體特征，下肢外骨骼需要保證人機(jī)協(xié)調(diào)性和穿戴活動(dòng)舒適度，需要仿生外骨骼各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)接近人體身體結(jié)構(gòu)；穿戴者在使用下肢外骨骼承受負(fù)載時(shí)，保證外骨骼的助力輔助功效，需要外骨骼和髖膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輔助穿戴者支撐負(fù)載，減輕負(fù)載感；輔助型多自由度外骨骼幫助穿戴者降低負(fù)載感同時(shí)，需要保證穿戴外骨骼在負(fù)載狀況下的人機(jī)安全性，需要機(jī)械結(jié)構(gòu)不能過(guò)于冗雜，需要驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)盡量輕量化和集成化。

如圖1所示為助力下肢外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖，有圖可知，一種輔助輕型化的集成多自由度下肢外骨骼，包括背部連接件14、背部安裝板10、腰部連接件13、髖部仿生結(jié)構(gòu)3、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器1、髖關(guān)節(jié)9、大腿仿生結(jié)構(gòu)6、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器2、大腿連接件12、膝關(guān)節(jié)8、小腿仿生結(jié)構(gòu)5、踝關(guān)節(jié)7和足部仿生結(jié)構(gòu)4；其中足部仿生結(jié)構(gòu)4水平固定放置在下肢外骨骼的底端；足部仿生結(jié)構(gòu)4上表面的邊緣處設(shè)置有踝關(guān)節(jié)7；小腿仿生結(jié)構(gòu)5豎直放置，且小腿仿生結(jié)構(gòu)5的底端通過(guò)踝關(guān)節(jié)7與足部仿生結(jié)構(gòu)4固定連接；小腿仿生結(jié)構(gòu)5的頂端設(shè)置有膝關(guān)節(jié)8；大腿仿生結(jié)構(gòu)6豎直固定安裝在膝關(guān)節(jié)8的上方；大腿仿生結(jié)構(gòu)6的外側(cè)沿豎直方向設(shè)置有膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器2；大腿仿生結(jié)構(gòu)6的內(nèi)側(cè)水平固定安裝大腿連接件12，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體大腿的固定；髖關(guān)節(jié)9固定安裝在大腿仿生結(jié)構(gòu)6的上端；髖部仿生結(jié)構(gòu)3固定安裝在髖關(guān)節(jié)9的上端，構(gòu)成左右腿屈伸左右度；且髖部仿生結(jié)構(gòu)3的外側(cè)固定安裝有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器1；腰部連接件13與髖部仿生結(jié)構(gòu)3固定連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腰部的固定；背部安裝板10豎直與腰部連接件13固定連接；背部連接件14豎直固定安裝在背部安裝板10的頂端，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體肩部的固定。

如圖2所示為小腿仿生結(jié)構(gòu)示意圖，有圖可知，小腿仿生結(jié)構(gòu)5包括小腿仿生桿15和伸縮調(diào)節(jié)件16；小腿仿生桿15固定安裝在膝關(guān)節(jié)8的下端，小腿仿生桿15為中空桿狀結(jié)構(gòu)，伸縮調(diào)節(jié)件16沿軸向豎直固定安裝在小腿仿生桿15的中空孔內(nèi)，且伸縮調(diào)節(jié)件16沿孔方向?qū)崿F(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖3為本發(fā)明髖部仿生結(jié)構(gòu)示意圖，有圖可知，下肢外骨骼還包括背部連接板17、髖部伸縮板18、轉(zhuǎn)軸19和拉伸彈簧20；其中背部連接板17為匕首型板狀結(jié)構(gòu)；2個(gè)背部連接板17交叉固定在背部安裝板10的側(cè)面中心處，且轉(zhuǎn)軸19垂直固定安裝在2個(gè)背部連接板17的交點(diǎn)處；拉伸彈簧20的一端固定安裝在背部安裝板10的側(cè)面，拉伸彈簧20的另一端與背部連接板17的端部固定連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)背部連接板17的收緊限位；背部連接板17之間沿固定軸可有相應(yīng)的自由度和回力功能；其中髖部伸縮板18根據(jù)人體腰部寬度分別與左右側(cè)背部連接板17進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)；左右側(cè)髖部伸縮板另一端分別和左右側(cè)大腿仿生結(jié)構(gòu)通過(guò)左右髖關(guān)節(jié)9鏈接

髖部伸縮板18的一端水平固定安裝在背部連接板17的兩側(cè)，髖部伸縮板18的另一端與髖部仿生結(jié)構(gòu)3固定連接，實(shí)現(xiàn)髖部仿生結(jié)構(gòu)3沿兩側(cè)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。

如圖4所示為大腿仿生結(jié)構(gòu)示意圖，有圖可知，大腿仿生結(jié)構(gòu)6包括大腿調(diào)節(jié)件21、大腿仿生桿件22、大腿旋轉(zhuǎn)彈簧23、大腿彈簧卡頭24和卡簧25；其中,大腿調(diào)節(jié)件21為中空原筒結(jié)構(gòu),大腿調(diào)節(jié)件21豎直放置；大腿仿生桿件22豎直放置，且大腿仿生桿件22的上部設(shè)置有盲孔；大腿調(diào)節(jié)件21的下端伸入大腿仿生桿件22的盲孔中；大腿調(diào)節(jié)件21包覆在卡簧25的外壁，且卡簧25的底端伸出大腿調(diào)節(jié)件21的下斷面；大腿調(diào)節(jié)件21盲孔的底部固定安裝有大腿彈簧卡頭24；大腿彈簧卡頭24和卡簧25之間固定安裝有大腿旋轉(zhuǎn)彈簧23。

如圖5所示為助力下肢外骨骼足部仿生結(jié)構(gòu)示意圖，有圖可知，足部仿生結(jié)構(gòu)4包括足部腳底板11和踝關(guān)節(jié)座26；其中，足部腳底板11水平設(shè)置在足部仿生結(jié)構(gòu)4的底部，實(shí)現(xiàn)將足部仿生結(jié)構(gòu)4固定于人體的足底固定連接；踝關(guān)節(jié)座26固定安裝在足部腳底板11的外側(cè)，實(shí)現(xiàn)與踝關(guān)節(jié)7的連接。

其中，踝關(guān)節(jié)座26為錐形結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)座26的頂端設(shè)置有帶有凹槽的凸臺(tái)。另外，踝關(guān)節(jié)7包括球軸承27、踝關(guān)節(jié)上桿28和蝶型彈簧29；其中，蝶型彈簧29的一端伸入踝關(guān)節(jié)座26凸臺(tái)的凹槽內(nèi)；球軸承27固定安裝在蝶型彈簧29的另一端；踝關(guān)節(jié)上桿28的一端與球軸承27固定連接，踝關(guān)節(jié)上桿28的另一端與小腿仿生結(jié)構(gòu)5固定連接。

如圖6所示為各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)示意圖，有圖可知，背部連接件14實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)-10°-10°；髖關(guān)節(jié)9實(shí)現(xiàn)繞x軸旋轉(zhuǎn)70°-180°；髖關(guān)節(jié)9實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)-10°-90°；髖關(guān)節(jié)9實(shí)現(xiàn)繞y軸旋轉(zhuǎn)-90°-90°；膝關(guān)節(jié)8實(shí)現(xiàn)繞x軸旋轉(zhuǎn)0°-65°；踝關(guān)節(jié)7實(shí)現(xiàn)分別繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)-10°-10°。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。