一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，用以穿戴在人体下肢上，包括腰部机构、髋部机构、膝部机构；通过腰部机构上的驱动电机和驱动盘作为驱动源，而将驱动套索索正转或者反转，带动下方膝部机构的输入盘正转或者反转，而使输入盘相对输出盘转动达到带动膝部关节的转动。膝部机构的输入盘与输出盘之间采用滑轮及钢丝绳形成变刚度调节作用。而调整滑轮组数就可以增加或减少关节的刚度范围，改变关节的刚度特性。使用该变刚度机构驱动，刚度可以在行走过程中主动变化，使外骨骼具有柔顺性更好，安全性更高、适应性更好、机构紧凑简单的优点。

A variable stiffness exoskeleton assisted robot

【技术实现步骤摘要】
一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人
本专利技术属于机器人领域，尤其是一种旨在增强穿戴者膝关节运动能力，提供下肢行走助力或是辅助下肢运动障碍患者进行康复训练治疗的外骨骼机器人。
技术介绍
随着现代化社会的发展，我国的人口老龄化问题日渐严重，由于老年人普遍有体力不支，行走力量不够的现象，甚至有一部分人因为中风、交通事故而行走不便，这些给家庭带来了巨大的压力和负担。因此，需要研究一种可穿戴的、舒适的、轻便的下肢外骨骼机器人，为老年人提供行走助力，以及对中风患者辅助康复治疗，具有巨大的价值和潜力。现有的下肢助力外骨骼机器人仍有诸多的不足，如驱动器于直接连在关节上，安全性较低，容易对使用者造成二次伤害，而且这种驱动方式会造成腿部质量过大，增大腿部的惯量，增加运动过程的能量消耗。并且现有的助力外骨骼采用的是刚性关节或者是刚度不可变的串联弹性关节，难以保证柔顺性，使用的安全性也不够高，难以适应复杂的运动环境。在申请号为201610511532.0的中国专利申请中，公开了一种下肢助力外骨骼机器人，其包括上身结构、腿部结构、膝关节和髋关节。采用双电机直接驱动髋关节和膝关节，电机安装在关节处，是的关节的质量和惯量大，关节柔顺性差，安全性差。在申请号为201610099877.X的中国专利申请中，公开了一种基于套索驱动的节能半被动下肢下肢外骨骼，其包括髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构。该机构使用套索驱动，有效地改善了关节出的质量和惯量大的问题，但关节刚度不能改变，难以适应不同的步行环境，交互性差。在申请号为201711065264.5的中国专利申请中，公开了一种变刚度下肢外骨骼机器人，其包括背板、腰部柔性调整机构、髋关节机构、大腿、膝关节机构、小腿和踝关节机构。该专利技术采用变刚度驱动器直接驱动关节，驱动器安装在关节处，使得关节处质量和惯性大。变刚度则是利用改变支点压缩弹簧来改变关节刚度，刚度易发生突变，不易实现控制。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的缺陷，提供一种可变刚度下肢助力外骨骼机器人，能够对膝关节的运动进行主动的角刚度调节，提高外骨骼膝关节处的柔顺性和安全性能。技术方案：为达到上述目的，本专利技术可采用如下技术方案：一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，包括腰部机构、髋部机构、膝部机构；所述腰部机构连接有腰部穿戴件，腰部机构包括腰部架、安装在腰部架上的驱动电机、与驱动电机配合的减速器、安装在减速器输出上的驱动盘，所述驱动盘上绕有驱动套索；所述髋部机构连接有大腿穿戴件，髋部机构包括与腰部架连接的髋关节转向板，该髋关节转向板的后端通过髋关节外展内收轴与腰部架铰接而前端弯折延伸；所述髋关节转向板前端连接有髋关节下板，该髋关节下板的上端与髋关节通过髋关节屈伸轴与转向板铰接而髋关节下板的下端向下延伸；所述髋关节下板的下方具有向外延伸的髋关节平衡滑轮；髋部机构连还设有上下延伸的髋关节平衡弹簧及髋关节套索，所述髋关节套索的一端向上延伸并与髋关节转向板固定连接，髋关节套索的另一端向下延伸并绕在髋关节平衡滑轮后再向上与髋关节平衡弹簧的下端固定连接，所述髋关节平衡弹簧的上端与髋关节下板的上端固定连接；所述膝部机构连接有小腿穿戴件，膝部机构包括膝关节上板、绳索末端受力架、自膝关节上板向外延伸的膝关节轴、安装在膝关节轴上的输入盘、同样安装在膝关节轴上的输出盘、安装在输出盘下端并向下延伸的膝关节下板；输入盘绕膝关节轴转动；输出盘与膝关节轴相对固定；所述输入盘外侧设有供驱动套索绕过的台阶盘，该台阶盘、驱动盘与驱动套索形成带传动，驱动盘转动而通过驱动套索带动输入盘转动；所述输入盘面对输出盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的变刚度输入滑轮；该变刚度输入滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；所述输出盘面对输入盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的膝关节输出滑轮，该膝关节输出滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；且每个变刚度输入滑轮与每个膝关节输出滑轮一一对应，并且变刚度输入滑轮位于膝关节输出滑轮外侧；膝部机构还设有一条钢丝绳，该钢丝绳在每个膝关节输出滑轮内侧处交叉形成一个绳套并套在变刚度输入滑轮上；所述膝关节下板上设有辅助弹簧以及张紧装置，该辅助弹簧沿着膝关节下板延伸方向同向延伸设置，且辅助弹簧的上端与钢丝绳的一端连接，辅助弹簧的下端与膝关节下板外侧延伸出的弹簧固定装置连接；钢丝绳的另一端与张紧装置连接。有益效果：本专利技术提供的可变刚度下肢外骨骼助力机器人用以穿戴在人体下肢上，通过腰部机构上的驱动电机和驱动盘作为驱动源，而将驱动套索正转或者反转，带动下方膝部机构的输入盘正转或者反转，而使输入盘相对输出盘转动达到带动膝部关节的转动。而为了使膝部关节的转动能够克服现有技术中机构复杂、膝部结构无变刚度能力或者变刚度效果差造成关节运动柔顺性差的缺陷，本方案中采用在膝部机构的输入盘与输出盘之间采用滑轮及钢丝绳形成变刚度调节作用。其中输入盘相对输出盘转动时，变刚度输入滑轮与膝关节输出滑轮之间产生偏角，而使两者之间的钢丝绳的长度会增加，从而使与钢丝绳相连接的弹簧被拉长，进而使输入盘和输出盘之间产生偏转扭矩带动而输出盘转动形成串联弹性机构。其中，弹簧在初始状态时具有一定的拉伸量，从而使与变刚度输入滑轮连接的钢丝绳部分都有一个对膝关节输出滑轮预张紧的预张紧力而形成该组滑轮(每组滑轮即一个变刚度输入滑轮及对应的膝关节输出滑轮)之间的阻尼缓冲效果。而通过改变弹簧的初始拉伸量，即改变变刚度输入滑轮和膝关节输出滑轮之间钢丝绳的预张紧力就可以实现关节角刚度的变化。其中，在相同的初始预张紧力下，输入盘与输出盘偏转相同的角度时，滑轮组的数目越多，弹簧的拉伸总长度就会越长，产生的偏转扭矩就会越大，从而使关节角刚度增加(关节角刚度＝偏转扭矩/偏转角度)。因此，在弹簧尺寸受限的情况下，可以通过调整滑轮组的数目来确定关节角刚度的可调范围(滑轮组数越多角刚度调整的范围约大)，从而使角刚度调节机构具有更好的适应性。。使用该变刚度机构驱动，角刚度可以在行走过程中主动变化，使外骨骼具有柔顺性更好，安全性更高、适应性更好的优点。同时，绳子和滑轮组合实现，使机构更加紧凑简单，适应性更好。同时，髋关节处使用了由髋关节套索、滑轮和弹簧组合成的平衡机构，平衡站立时背部结构的倾覆力矩，同时在行走时也能提供一部分的助力。进一步的，所述腰部机构、髋部机构、膝部机构均为对称的两个，包括左腰部机构及右腰部机构、左髋部机构及右髋部机构、左膝部机构及右膝部机构；左腰部机构及右腰部机构之间通过腰部调节板。进一步的，所述张紧装置包括安装在膝关节下板外侧的伺服电机、安装在伺服电机上方的涡轮，所述伺服电机的输出轴设有与涡轮配合的蜗杆，膝关节下板外侧还设有向外延伸的涡轮连接轴，该涡轮设置在涡轮连接轴上，且涡轮内侧设有与钢丝绳配合的圆台，钢丝绳缠绕在圆台上。进一步的，还设有膝关节旋转编码器、变刚度差角旋转编码器；左膝关节旋转编码器的轴连接左编码器处带轮；膝关节轴的外端连接轴端带轮，编码器处带轮通过同步带与轴端带轮连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：包括腰部机构、髋部机构、膝部机构；/n所述腰部机构连接有腰部穿戴件，腰部机构包括腰部架、安装在腰部架上的驱动电机、与驱动电机配合的减速器、安装在减速器输出上的驱动盘，所述驱动盘上绕有驱动套索；/n所述髋部机构连接有大腿穿戴件，髋部机构包括与腰部架连接的髋关节转向板，该髋关节转向板的后端通过髋关节外展内收轴与腰部架铰接而前端弯折延伸；所述髋关节转向板前端连接有髋关节下板，该髋关节下板的上端与髋关节通过髋关节屈伸轴与转向板铰接而髋关节下板的下端向下延伸；所述髋关节下板的下方具有向外延伸的髋关节平衡滑轮；髋部机构连还设有上下延伸的髋关节平衡弹簧及髋关节套索，所述髋关节套索的一端向上延伸并与髋关节转向板固定连接，髋关节套索的另一端向下延伸并绕在髋关节平衡滑轮后再向上与髋关节平衡弹簧的下端固定连接，所述髋关节平衡弹簧的上端与髋关节下板的上端固定连接；/n所述膝部机构连接有小腿穿戴件，膝部机构包括膝关节上板、绳索末端受力架、自膝关节上板向外延伸的膝关节轴、安装在膝关节轴上的输入盘、同样安装在膝关节轴上的输出盘、安装在输出盘下端并向下延伸的膝关节下板；输入盘绕膝关节轴转动；输出盘与膝关节轴相对固定；所述输入盘外侧设有供驱动套索绕过的台阶盘，该台阶盘、驱动盘与驱动套索形成带传动，驱动盘转动而通过驱动套索带动输入盘转动；所述输入盘面对输出盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的变刚度输入滑轮；该变刚度输入滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；所述输出盘面对输入盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的膝关节输出滑轮，该膝关节输出滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；且每个变刚度输入滑轮与每个膝关节输出滑轮一一对应，并且变刚度输入滑轮位于膝关节输出滑轮外侧；膝部机构还设有一条钢丝绳，该钢丝绳在每个膝关节输出滑轮内侧处交叉形成一个绳套并套在变刚度输入滑轮上；所述膝关节下板上设有辅助弹簧以及张紧装置，该辅助弹簧沿着膝关节下板延伸方向同向延伸设置，且辅助弹簧的上端与钢丝绳的一端连接，辅助弹簧的下端与膝关节下板外侧延伸出的弹簧固定装置连接；钢丝绳的另一端与张紧装置连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：包括腰部机构、髋部机构、膝部机构；
所述腰部机构连接有腰部穿戴件，腰部机构包括腰部架、安装在腰部架上的驱动电机、与驱动电机配合的减速器、安装在减速器输出上的驱动盘，所述驱动盘上绕有驱动套索；
所述髋部机构连接有大腿穿戴件，髋部机构包括与腰部架连接的髋关节转向板，该髋关节转向板的后端通过髋关节外展内收轴与腰部架铰接而前端弯折延伸；所述髋关节转向板前端连接有髋关节下板，该髋关节下板的上端与髋关节通过髋关节屈伸轴与转向板铰接而髋关节下板的下端向下延伸；所述髋关节下板的下方具有向外延伸的髋关节平衡滑轮；髋部机构连还设有上下延伸的髋关节平衡弹簧及髋关节套索，所述髋关节套索的一端向上延伸并与髋关节转向板固定连接，髋关节套索的另一端向下延伸并绕在髋关节平衡滑轮后再向上与髋关节平衡弹簧的下端固定连接，所述髋关节平衡弹簧的上端与髋关节下板的上端固定连接；
所述膝部机构连接有小腿穿戴件，膝部机构包括膝关节上板、绳索末端受力架、自膝关节上板向外延伸的膝关节轴、安装在膝关节轴上的输入盘、同样安装在膝关节轴上的输出盘、安装在输出盘下端并向下延伸的膝关节下板；输入盘绕膝关节轴转动；输出盘与膝关节轴相对固定；所述输入盘外侧设有供驱动套索绕过的台阶盘，该台阶盘、驱动盘与驱动套索形成带传动，驱动盘转动而通过驱动套索带动输入盘转动；所述输入盘面对输出盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的变刚度输入滑轮；该变刚度输入滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；所述输出盘面对输入盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的膝关节输出滑轮，该膝关节输出滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；且每个变刚度输入滑轮与每个膝关节输出滑轮一一对应，并且变刚度输入滑轮位于膝关节输出滑轮外侧；膝部机构还设有一条钢丝绳，该钢丝绳在每个膝关节输出滑轮内侧处交叉形成一个绳套并套在变刚度输入滑轮上；所述膝关节下板上设有辅助弹簧以及张紧装置，该辅助弹簧沿着膝关节下板延伸方向同向延伸设置，且辅助弹簧的上端与钢丝绳的一端连接，辅助弹簧的下端与膝关节下板外侧延伸出的弹簧固定装置连接；钢丝绳的另一端与张紧装置连接。


2.根据权利要求1所述的可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述腰部机构、髋部机构、膝部机构均为对称的两个，包括左腰部机构及右腰部机构、左髋部机构及右髋部机构、左膝部机构及右膝部机构；左腰部机构及右腰部机构之间通过腰部调节板。


3.根据权利要求1或2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴青聪，朱杨辉，陈柏，陈喜，徐大文，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32