一種下肢助力外骨骼機器人的制作方法

本實用新型涉及助力機器人技術領域,尤其涉及一種下肢助力外骨骼機器人。

背景技術：

外骨骼機器人是一種穿戴于人體外側、幫助人體負重并且能夠跟隨人體運動的人機一體化智能系統。按照用途可分為康復外骨骼和助力外骨骼。康復外骨骼主要供失去行走能力的病殘患者使用，用以代替或帶動病人腿進行行走，使患者重新獲得行走能力。助力外骨骼主要用于增強人體力量，使人能夠輕松背負數倍于人體承受能力的重量而不覺得疲憊。

可見，康復外骨骼結構需要充分模擬人腿，才能達到較好的康復效果。對于助力外骨骼，研究人員都過分強調外骨骼的結構需要擬人化設計，即外骨骼機械仿照人腿，采用三個轉動關節分別對應人腿的髖關節、膝關節和踝關節。然而，事與愿違，在追求完美人機體驗過程中，擬人化的設計也帶來了幾大技術難題，導致了外骨骼技術裹足不前：1）目前外骨骼都采用擬人化設計，導致外骨骼機械結構較為復雜，過多的自由度導致控制難度呈幾何倍數增加，而目前的控制水平并不能很好地控制外骨骼跟隨人體運動。2）由于目前外骨骼的髖關節、膝關節、踝關節都采用轉動關節，轉動關節的驅動力通過布置在關節上的電機或者液壓缸提供，由于驅動器布置在關節附件或者關節上，所以驅動力力臂遠小于重力產生的阻力矩力臂，所以需要提高驅動力來平衡阻力矩，最終導致外骨骼整體耗能功率增加。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、操作方便的下肢助力外骨骼機器人，能夠提高外骨骼的靈活性。

為解決上述技術問題，本實用新型所采取的技術方案是：

一種下肢助力外骨骼機器人，包括操控系統、背架、髖關節部件、下肢部件和帶有足底的踝關節部件，所述操控系統設置在背架上，所述髖關節部件、下肢部件和踝關節部件均為兩組、且對稱設置在背架兩側，所述髖關節部件、下肢部件和踝關節部件自上而下依次相連、且均與操控系統相連，所述髖關節部件上端與背架活動連接。

優選的，所述背架下端與髖關節部件之間設有緩沖連接部件。

優選的，所述髖關節部件包括L型橫桿、髖關節A桿、髖關節B桿、髖液壓缸、髖下連接桿和髖綁縛帶，所述L型橫桿的短邊部與髖關節A桿一端相連，L型橫桿的長邊部與緩沖連接部件活動連接，所述髖關節A桿另一端與髖關節B桿鉸接，所述髖關節B桿下端通過髖下連接桿與下肢部件相連，所述髖液壓缸設置在髖關節A桿與髖下連接桿之間。

優選的，所述緩沖連接部件包括L型連接板、支撐架和彈簧阻尼器，所述支撐架為工字型，所述L型連接板設置在支撐架上，所述背架設置在L型連接板上，所述L型橫桿與工字型支撐架的中部豎梁鉸接，所述彈簧阻尼器為四個、且分別相對設置在工字型支撐架的上下橫梁端部，所述L型橫桿的長邊部設置在上下兩個彈簧阻尼器的間隙內。

優選的，所述下肢部件包括上連接桿、平動液壓缸、下連接桿和二級彈簧，所述上連接桿上端與髖關節部件為可拆卸連接、下端與平動液壓缸缸體相連，所述平動液壓缸活塞自由端與下連接桿相連，所述二級彈簧設置在下連接桿下端，所述下連接桿下端與踝關節部件相連。

優選的，所述踝關節部件包括支撐桿組件和足底，所述支撐桿組件上端與下肢部件連接、下端與足底轉動連接。

優選的，所述踝關節部件還包括初級彈簧組件，所述初級彈簧組件包括彈簧導桿、初級彈簧、底座和滾輪，所述彈簧導桿上端設置在擋圈內、下端固定在底座上，所述擋圈設置在下肢部件下端，所述初級彈簧套裝在彈簧導桿上、且設置在支撐桿組件側面，擋圈對初級彈簧進行限位；所述滾輪設置在底座下端、且在支撐桿組件正下方，所述支撐桿組件下端側面設有豎向卡槽，所述底座及滾輪能夠在豎向卡槽內上下滑動。

優選的，所述支撐桿組件包括支撐桿、環形彈簧擋塊、圓弧形彈簧導桿、足底轉動軸孔、支撐桿轉動軸、下擋塊和環形彈簧，所述支撐桿下端側面設有豎向卡槽，所述環形彈簧套裝在彈簧導桿上，彈簧導桿下端套裝在支撐桿轉動軸上，支撐桿轉動軸固定設置在支撐桿上，所述足底通過轉動軸與足底轉動軸孔配合，所述環形彈簧擋塊設置在彈簧導桿圓弧頂部、且固定在支撐桿外壁，下擋塊設置在彈簧導桿前部、且對應足底的前端。

優選的，所述足底包括踝關節連接部、前足底板、后足底板和足綁縛帶，所述踝關節連接部包括固定在一側的轉軸孔和轉動軸，前足底板和后足底板均為三層，自上而下依次為柔性材料、剛性板材和柔性材料，前足底板和后足底板的剛性板材通過板簧連接，所述前足底板和后足底板的剛性板材上下分別設置與操控系統相連的薄膜壓力傳感器。

優選的，所述背架包括控制箱、背架底座和緩沖墊，所述操控系統設置在控制箱內，所述操控系統包括液壓系統、信息采集與處理系統、中央控制單元和電源模塊，所述控制箱側壁設有安裝操控系統油管或導線的孔洞；所述背架底座為上開口的中空殼體，控制箱設置在背架底座內，背架底座后方鉸接安裝有負重板，負重板末端與背架底座鉸接、中部通過背架彈簧與背架底座側壁鉸接。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：

（1）本實用新型中下肢部件采用平動液壓缸形成平動關節代替傳統的轉動膝關節，從結構原理而言，并不過分追求擬人化結構，降低了機構的復雜程度，方便提升控制性能。

（2）外骨骼下端的下肢部件及踝關節部件通過初級彈簧和二級彈簧的單獨作用或兩個彈簧并聯作用，這兩種不同的工況下，外骨骼的剛度也表現為不同，使外骨骼的靈活性和負重能力都得到了兼顧。

（3）通過在前足底板和后足底板上設置薄膜壓力傳感器，形成兩套對應的壓力傳感系統，與目前只布置一套壓力傳感系統相比，其作用不僅僅提升了對外骨骼接觸地面時的工作狀態識別能力，還能在用于外骨骼懸空時對人機接觸力進行采集。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例背負在人體后方的結構示意圖；

圖2是圖1中緩沖連接部件的結構示意圖；

圖3是圖1中髖關節部件的結構示意圖；

圖4是圖1中下肢部件的結構示意圖；

圖5是圖1中踝關節部件的結構示意圖；

圖6是圖5中支撐桿組件的結構示意圖；

圖7是圖6中支撐桿的結構示意圖；

圖8是圖5中初級彈簧組件的結構示意圖；

圖9是圖5中足底的結構示意圖；

圖10是圖5中足底的俯視圖；

圖11是圖1中背架的結構示意圖；

圖12是本實用新型在足底脫離底面時的狀態圖；

圖13是本實用新型在足底接觸底面時的狀態圖；

圖14、15是本實用新型在支撐相階段膝關節彎曲度變化時的狀態圖；

圖16、17是本實用新型在擺動相階段膝關節彎曲度變化時的狀態圖；

圖中：1-背架,2-負重板,3-緩沖連接部件,4-髖關節部件,5-下肢部件,6-踝關節部件,9-操控系統,11-控制箱,12-背架底座,13-緩沖墊,14-背架彈簧,31-L型連接板,32-支撐架,33-彈簧阻尼器,41-L型橫桿,42-髖關節A桿,43-髖關節B桿,44-髖液壓缸,45-髖下連接桿,46-髖綁縛帶,51-上連接桿,52-平動液壓缸,53-下連接A桿,54-下連接B桿,55-擋圈,56-二級彈簧,61-支撐桿組件,62-初級彈簧組件,63-足底,610-支撐桿,611-環形彈簧擋塊,612-圓弧形彈簧導桿,613-足底轉動軸孔,614-支撐桿轉動軸,615-下擋塊,616-環形彈簧,6101-上圓管,6102-下圓管,6103-豎向卡槽,620-彈簧導桿,621-初級彈簧,622-底座,623-滾輪,630-柔性材料,631-薄膜壓力傳感器,632-板簧,633-剛性板材,634-足綁縛帶,635-轉軸孔,636-轉動軸,637-前足底板,638-后足底板,91-液壓系統,92-信息采集與處理系統,93-中央控制單元,94-電源模塊。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步詳細的說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1所述的一種下肢助力外骨骼機器人，包括操控系統9、背架1、髖關節部件4、下肢部件5和帶有足底的踝關節部件6，所述操控系統9設置在背架1上，所述髖關節部件4、下肢部件5和踝關節部件6均為兩組、且對稱設置在背架1兩側，所述髖關節部件4、下肢部件5和踝關節部件6自上而下依次相連、且均與操控系統9相連，所述髖關節部件4上端與背架1活動連接。將背架1固定在人體背部，利用髖關節部件4、下肢部件5和踝關節部件6實現助力行走，通過操控系統9來控制各部件動作，實現簡化結構、靈活運動、低消耗的目的。

為了降低工作過程中背架1對髖關節部件4及以下部件造成振動，所述背架1下端與髖關節部件4之間設有緩沖連接部件3。

作為一種優選結構，如圖3所示，所述髖關節部件4包括L型橫桿41、髖關節A桿42、髖關節B桿43、髖液壓缸44、髖下連接桿45和髖綁縛帶46，所述L型橫桿41的短邊部與髖關節A桿42一端相連，L型橫桿41的長邊部與緩沖連接部件3活動連接，所述髖關節A桿42另一端與髖關節B桿43鉸接，所述髖關節B桿43下端通過髖下連接桿45與下肢部件5相連，所述髖液壓缸44設置在髖關節A桿42與髖下連接桿45之間。在髖關節A桿42與髖下連接桿45上分別焊有轉動端子，各自與髖液壓缸44的缸體、活塞桿端部鉸接，髖關節的角度調節；利用安裝在髖關節A桿42與髖關節B桿43鉸接處的髖綁縛帶46與人體綁縛固定，當人體大腿前后擺動時，操控系統9控制髖液壓缸44動作，通過髖液壓缸44推動髖下連接桿45使髖關節A桿42與髖關節B桿43的夾角發生變化，實現髖關節的角度調整。為了減輕整體重量、方便裝卸，L型橫桿41可選用圓管，與緩沖連接部件3為轉動鉸接，與髖關節A桿42通過螺釘連接。

如圖2所示，所述緩沖連接部件3包括L型連接板31、支撐架32和彈簧阻尼器33，所述支撐架32為工字型，所述L型連接板31設置在支撐架32上，所述背架1設置在L型連接板31上，所述L型橫桿41與工字型支撐架32的中部豎梁鉸接，所述彈簧阻尼器33為四個、且分別相對設置在工字型支撐架32的上下橫梁端部，所述L型橫桿41的長邊部設置在上下兩個彈簧阻尼器33的間隙內。L型橫桿41的長邊部與上下彈簧阻尼器33間均留有一定的小間隙，可使L型橫桿41在微小轉動時不需要克服彈簧阻尼器33的彈簧力及阻尼力，增加轉動靈活性。

在本實用新型一種優選實施例中，如圖4，所述下肢部件5包括上連接桿51、平動液壓缸52、下連接桿和二級彈簧56，所述上連接桿51上端與髖關節部件4為可拆卸連接、下端與平動液壓缸52缸體相連，所述平動液壓缸52活塞自由端與下連接桿相連，所述二級彈簧56設置在下連接桿下端，所述下連接桿下端與踝關節部件6相連。上連接桿51為圓管狀，方便髖下連接桿45下端插入其中并通過螺釘固定連接，上連接桿51下端與平動液壓缸52的缸體焊接固定。當人體膝關節在彎曲與伸直兩種狀態交替變換時，可通過平動液壓缸52調節髖關節與踝關節之間的距離。其中，所述下連接桿包括下連接A桿53和下連接B桿54，下連接A桿53為套筒狀，下連接B桿54通過螺釘固定設置在下連接A桿53內。這種結構方便裝卸、維修，同時通過改變下連接B桿54在下連接A桿53內的安裝位置，也可以調整下肢部件的長度。

在本實用新型一種優選實施例中，如圖5，所述踝關節部件6包括支撐桿組件61和足底63，所述支撐桿組件61上端與下肢部件5連接、下端與足底63轉動連接。

所述踝關節部件6還包括初級彈簧組件62，如圖8所示，所述初級彈簧組件62包括彈簧導桿620、初級彈簧621、底座622和滾輪623，所述彈簧導桿620上端設置在擋圈55內、下端固定在底座622上，所述擋圈55設置在下肢部件5下端，所述初級彈簧621套裝在彈簧導桿620上、且設置在支撐桿組件61側面，擋圈55對初級彈簧621進行限位；所述滾輪623設置在底座622下端、且在支撐桿組件61正下方，所述支撐桿組件61下端側面設有豎向卡槽6103，所述底座622及滾輪623能夠在豎向卡槽內上下滑動。滾輪623能夠保證使外骨骼接觸不同地面時，底座622都能夠順利沿著豎向卡槽縮進支撐組件61內。

作為一種優選結構，如圖6，所述支撐桿組件61包括支撐桿610、環形彈簧擋塊611、圓弧形彈簧導桿612、足底轉動軸孔613、支撐桿轉動軸614、下擋塊615和環形彈簧616，所述支撐桿610下端側面設有豎向卡槽6103，所述環形彈簧616套裝在彈簧導桿612上，彈簧導桿612下端套裝在支撐桿轉動軸614上，支撐桿轉動軸614固定設置在支撐桿610上，所述足底63通過轉動軸636與足底轉動軸孔613配合，所述環形彈簧擋塊611設置在彈簧導桿612圓弧頂部、且固定在支撐桿610外壁，下擋塊615設置在彈簧導桿612前部、且對應足底63的前端。環形彈簧616只在前側放置，當外骨骼下肢往前傾斜時，通過環形彈簧616提供支撐力，使之能夠保持平衡。

在本實用新型一種具體實施例中，如圖7，支撐桿610由一端開口的兩段圓管焊接固定而成，上圓管6101與下肢部件5的下連接B桿54固定相連,其中下圓管6102管壁開有豎向卡槽，環形彈簧擋塊611和支撐桿轉動軸614焊接在圓管6102外管壁上；底座622下邊主體部分為實心圓柱，套裝在下圓桿6102內管中，上邊穿出下圓管6102的豎向卡槽與彈簧導桿620相連，底座622整體可以沿著下圓桿6102的豎向卡槽實現上下移動，實現支撐桿組件61與初級彈簧組件62的底座622產生相對運動。

為了提高足底63的靈活性及靈敏度，如圖9、10所示，所述足底63包括踝關節連接部、前足底板637、后足底板638和足綁縛帶634，所述踝關節連接部包括固定在一側的轉軸孔635和轉動軸636，前足底板637和后足底板638均為三層，自上而下依次為柔性材料630、剛性板材633和柔性材料630，前足底板637和后足底板638的剛性板材633通過板簧632連接，所述前足底板637和后足底板638的剛性板材633上下分別設置與操控系統9相連的薄膜壓力傳感器631。

如圖11所示，所述背架1包括控制箱11、背架底座12和緩沖墊13，所述操控系統9設置在控制箱11內，所述操控系統9包括液壓系統91、信息采集與處理系統92、中央控制單元93和電源模塊94，所述控制箱11側壁設有孔洞，用于安裝操控系統的油管或導線；所述背架底座12為上開口的中空殼體，控制箱11設置在背架底座12內，背架底座12下邊形狀與緩沖連接部件3的L型連接板31相配合，方便背架底座12在L型連接板31上穩定放置和固定；利用緩沖墊13來減少控制箱11箱體及內部元件的振動。

另外，如圖11，背架底座12后方鉸接安裝有負重板2，負重板2末端與背架底座12鉸接、中部通過背架彈簧14與背架底座12側壁鉸接，這樣的有益效果是在負重板2不放置重物時，負重板2自動收縮；當負重板2上放置重物時，彈簧能夠減少負重板2處的振動，增加負重的安全性。

人體行走原理如下：

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

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（腿部馬上進入擺動相階段）。

3.外骨骼在支撐相初期時，外骨骼腿部與地面開始接觸，為了避免突然觸地振動過大，需要關節剛度最小；

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

外骨骼在支撐相末期時外骨骼腿部開始于與地面分離，需要運動靈活，需要關節剛度中較小。

本實用新型的工作原理如下：

如圖12、13所示，當外骨骼懸在空中、未與地面接觸時，初級彈簧組件62由于重力作用處于最低位，此時初級彈簧組件62可以自由運動，不對外骨骼提供任何作用力。在支撐相初期階段時，當外骨骼從空中著地時，初級彈簧組件62的滾輪623首先接觸到地面，此時外骨骼上部仍舊懸在空中；當外骨骼繼續往地面運動時，初級彈簧組件62的滾輪623支撐在地面上，外骨骼上部的重量通過擋圈55全部由初級彈簧621支撐，此時外骨骼平動關節部件5、支撐桿610和足底63也隨之往下運動。在支撐相中期階段，當負重繼續增加時，滾輪623完全縮進支撐桿610內，此時滾輪623和下圓桿6102下端同時著地，外骨骼上部負重由初級彈簧621和二級彈簧56并聯承受（即外骨骼彈簧等效剛度大大增加，提高外骨骼負重能力）。

如圖14、15所示，由于初級彈簧621和二級彈簧56的存在，在支撐相時，人腿隨著膝關節彎曲造成的髖部和踝部距離的輕微變化時，可以通過彈簧被壓伸縮調整，不需要平動液壓缸52作用，節省能源。當調整范圍超出被動可調范圍時，再通過控制平動液壓缸52控制長度，實現外骨骼下肢的靈活調節。

如圖16、17所示，當人體進入擺動相階段時，通過髖液壓缸44調節髖關節的角度，同時通過平動液壓缸52控制外骨骼腿部的長度以適應人腿的長度變化。

綜上所述，本實用新型具有結構簡單、操作方便、耗能小的優點，降低了機構的復雜程度，根據人體運動的實際情況，通過操控系統來靈活控制髖關節部件、下肢部件和踝關節部件的動作，簡化了操作過程，方便提升控制性能，提高外骨骼的靈活性，降低外骨骼機器人的功率消耗。

本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求的保護范圍內。