一种下肢助力外骨骼机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种下肢助力外骨骼机器人，涉及助力机器人技术领域,包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接。本实用新型专利技术具有结构简单、操作方便的优点，降低了机构的复杂程度，通过操控系统来灵活控制髋关节部件、下肢部件和踝关节部件的动作，方便提升控制性能，提高外骨骼的灵活性，降低外骨骼机器人的功率消耗。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及助力机器人
,尤其涉及一种下肢助力外骨骼机器人。
技术介绍
外骨骼机器人是一种穿戴于人体外侧、帮助人体负重并且能够跟随人体运动的人机一体化智能系统。按照用途可分为康复外骨骼和助力外骨骼。康复外骨骼主要供失去行走能力的病残患者使用，用以代替或带动病人腿进行行走，使患者重新获得行走能力。助力外骨骼主要用于增强人体力量，使人能够轻松背负数倍于人体承受能力的重量而不觉得疲惫。可见，康复外骨骼结构需要充分模拟人腿，才能达到较好的康复效果。对于助力外骨骼，研究人员都过分强调外骨骼的结构需要拟人化设计，即外骨骼机械仿照人腿，采用三个转动关节分别对应人腿的髋关节、膝关节和踝关节。然而，事与愿违，在追求完美人机体验过程中，拟人化的设计也带来了几大技术难题，导致了外骨骼技术裹足不前：1）目前外骨骼都采用拟人化设计，导致外骨骼机械结构较为复杂，过多的自由度导致控制难度呈几何倍数增加，而目前的控制水平并不能很好地控制外骨骼跟随人体运动。2）由于目前外骨骼的髋关节、膝关节、踝关节都采用转动关节，转动关节的驱动力通过布置在关节上的电机或者液压缸提供，由于驱动器布置在关节附件或者关节上，所以驱动力力臂远小于重力产生的阻力矩力臂，所以需要提高驱动力来平衡阻力矩，最终导致外骨骼整体耗能功率增加。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便的下肢助力外骨骼机器人，能够提高外骨骼的灵活性。为解决上述技术问题，本技术所采取的技术方案是：一种下肢助力外骨骼机器人，包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和带有足底的踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接。优选的，所述背架下端与髋关节部件之间设有缓冲连接部件。优选的，所述髋关节部件包括L型横杆、髋关节A杆、髋关节B杆、髋液压缸、髋下连接杆和髋绑缚带，所述L型横杆的短边部与髋关节A杆一端相连，L型横杆的长边部与缓冲连接部件活动连接，所述髋关节A杆另一端与髋关节B杆铰接，所述髋关节B杆下端通过髋下连接杆与下肢部件相连，所述髋液压缸设置在髋关节A杆与髋下连接杆之间。优选的，所述缓冲连接部件包括L型连接板、支撑架和弹簧阻尼器，所述支撑架为工字型，所述L型连接板设置在支撑架上，所述背架设置在L型连接板上，所述L型横杆与工字型支撑架的中部竖梁铰接，所述弹簧阻尼器为四个、且分别相对设置在工字型支撑架的上下横梁端部，所述L型横杆的长边部设置在上下两个弹簧阻尼器的间隙内。优选的，所述下肢部件包括上连接杆、平动液压缸、下连接杆和二级弹簧，所述上连接杆上端与髋关节部件为可拆卸连接、下端与平动液压缸缸体相连，所述平动液压缸活塞自由端与下连接杆相连，所述二级弹簧设置在下连接杆下端，所述下连接杆下端与踝关节部件相连。优选的，所述踝关节部件包括支撑杆组件和足底，所述支撑杆组件上端与下肢部件连接、下端与足底转动连接。优选的，所述踝关节部件还包括初级弹簧组件，所述初级弹簧组件包括弹簧导杆、初级弹簧、底座和滚轮，所述弹簧导杆上端设置在挡圈内、下端固定在底座上，所述挡圈设置在下肢部件下端，所述初级弹簧套装在弹簧导杆上、且设置在支撑杆组件侧面，挡圈对初级弹簧进行限位；所述滚轮设置在底座下端、且在支撑杆组件正下方，所述支撑杆组件下端侧面设有竖向卡槽，所述底座及滚轮能够在竖向卡槽内上下滑动。优选的，所述支撑杆组件包括支撑杆、环形弹簧挡块、圆弧形弹簧导杆、足底转动轴孔、支撑杆转动轴、下挡块和环形弹簧，所述支撑杆下端侧面设有竖向卡槽，所述环形弹簧套装在弹簧导杆上，弹簧导杆下端套装在支撑杆转动轴上，支撑杆转动轴固定设置在支撑杆上，所述足底通过转动轴与足底转动轴孔配合，所述环形弹簧挡块设置在弹簧导杆圆弧顶部、且固定在支撑杆外壁，下挡块设置在弹簧导杆前部、且对应足底的前端。优选的，所述足底包括踝关节连接部、前足底板、后足底板和足绑缚带，所述踝关节连接部包括固定在一侧的转轴孔和转动轴，前足底板和后足底板均为三层，自上而下依次为柔性材料、刚性板材和柔性材料，前足底板和后足底板的刚性板材通过板簧连接，所述前足底板和后足底板的刚性板材上下分别设置与操控系统相连的薄膜压力传感器。优选的，所述背架包括控制箱、背架底座和缓冲垫，所述操控系统设置在控制箱内，所述操控系统包括液压系统、信息采集与处理系统、中央控制单元和电源模块，所述控制箱侧壁设有安装操控系统油管或导线的孔洞；所述背架底座为上开口的中空壳体，控制箱设置在背架底座内，背架底座后方铰接安装有负重板，负重板末端与背架底座铰接、中部通过背架弹簧与背架底座侧壁铰接。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）本技术中下肢部件采用平动液压缸形成平动关节代替传统的转动膝关节，从结构原理而言，并不过分追求拟人化结构，降低了机构的复杂程度，方便提升控制性能。（2）外骨骼下端的下肢部件及踝关节部件通过初级弹簧和二级弹簧的单独作用或两个弹簧并联作用，这两种不同的工况下，外骨骼的刚度也表现为不同，使外骨骼的灵活性和负重能力都得到了兼顾。（3）通过在前足底板和后足底板上设置薄膜压力传感器，形成两套对应的压力传感系统，与目前只布置一套压力传感系统相比，其作用不仅仅提升了对外骨骼接触地面时的工作状态识别能力，还能在用于外骨骼悬空时对人机接触力进行采集。附图说明图1是本技术实施例背负在人体后方的结构示意图；图2是图1中缓冲连接部件的结构示意图；图3是图1中髋关节部件的结构示意图；图4是图1中下肢部件的结构示意图；图5是图1中踝关节部件的结构示意图；图6是图5中支撑杆组件的结构示意图；图7是图6中支撑杆的结构示意图；图8是图5中初级弹簧组件的结构示意图；图9是图5中足底的结构示意图；图10是图5中足底的俯视图；图11是图1中背架的结构示意图；图12是本技术在足底脱离底面时的状态图；图13是本技术在足底接触底面时的状态图；图14、15是本技术在支撑相阶段膝关节弯曲度变化时的状态图；图16、17是本技术在摆动相阶段膝关节弯曲度变化时的状态图；图中：1-背架,2-负重板,3-缓冲连接部件,4-髋关节部件,5-下肢部件,6-踝关节部件,9-操控系统,11-控制箱,12-背架底座,13-缓冲垫,14-背架弹簧,31-L型连接板,32-支撑架,33-弹簧阻尼器,41-L型横杆,42-髋关节A杆,43-髋关节B杆,44-髋液压缸,45-髋下连接杆,46-髋绑缚带,51-上连接杆,52-平动液压缸,53-下连接A杆,54-下连接B杆,55-挡圈,56-二级弹簧,61-支撑杆组件,62-初级弹簧组件,63-足底,610-支撑杆,611-环形弹簧挡块,612-圆弧形弹簧导杆,613-足底转动轴孔,614-支撑杆转动轴,615-下挡块,616-环形弹簧,6101-上圆管,6102-下圆管,6103-竖向卡槽,620-弹簧导杆,621-初级弹簧,622-底座,623-滚轮,630-柔性材料,631-薄膜压力传感器,632-板簧,633-刚性板材,634-足绑缚带,635-转轴孔,636-转动轴,6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和带有足底的踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接。

【技术特征摘要】
1.一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：包括操控系统、背架、髋关节部件、下肢部件和带有足底的踝关节部件，所述操控系统设置在背架上，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件均为两组、且对称设置在背架两侧，所述髋关节部件、下肢部件和踝关节部件自上而下依次相连、且均与操控系统相连，所述髋关节部件上端与背架活动连接。2.根据权利要求１所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述背架下端与髋关节部件之间设有缓冲连接部件。3.根据权利要求2所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节部件包括L型横杆、髋关节A杆、髋关节B杆、髋液压缸、髋下连接杆和髋绑缚带，所述L型横杆的短边部与髋关节A杆一端相连，L型横杆的长边部与缓冲连接部件活动连接，所述髋关节A杆另一端与髋关节B杆铰接，所述髋关节B杆下端通过髋下连接杆与下肢部件相连，所述髋液压缸设置在髋关节A杆与髋下连接杆之间。4.根据权利要求3所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述缓冲连接部件包括L型连接板、支撑架和弹簧阻尼器，所述支撑架为工字型，所述L型连接板设置在支撑架上，所述背架设置在L型连接板上，所述L型横杆与工字型支撑架的中部竖梁铰接，所述弹簧阻尼器为四个、且分别相对设置在工字型支撑架的上下横梁端部，所述L型横杆的长边部设置在上下两个弹簧阻尼器的间隙内。5.根据权利要求1所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述下肢部件包括上连接杆、平动液压缸、下连接杆和二级弹簧，所述上连接杆上端与髋关节部件为可拆卸连接、下端与平动液压缸缸体相连，所述平动液压缸活塞自由端与下连接杆相连，所述二级弹簧设置在下连接杆下端，所述下连接杆下端与踝关节部件相连。6.根据权利要求1-5任一所述的一种下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节部件包括支撑杆组件和足底，所述支撑杆组件上端与下肢部件连接、下端与足底转动连接。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜峰坡，陈建华，穆希辉，姜志保，赵子涵，赵晓东，马振书，姜忠宝，王正军，谢大兵，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九零八部队，
类型：新型
国别省市：河北;13