外肢体负重行走辅助机器人制造技术

本发明专利技术提供一种外肢体负重行走辅助机器人，其包括穿戴式背负框架、对称布置在穿戴式背负框架两侧的两条动力机械腿及控制系统；每条动力机械腿均包括双自由度动力球形髋关节、主承重杆、主驱动系统、大腿承重杆、膝关节、小腿承重杆和支撑末端；控制系统与双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节通信连接。通过控制系统控制双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节相互配合，每条动力机械腿可以配合穿戴者的步态进行机械腿前摆、快速触地和负重支撑，实现负重行走辅助，在将负载的压力直接传递到地面的同时还能避免对人体自然步态的干扰。

Walking assistant robot with load on outer limb

【技术实现步骤摘要】
外肢体负重行走辅助机器人
本专利技术涉及穿戴机器人领域，尤其涉及一种外肢体负重行走辅助机器人。
技术介绍
在生产生活、军事救援等场景下，相关人员经常需要背负较重的负载长时间行走，负载会给人体带来较大压力，增加劳损、受伤风险。负重行走同时也会增加人体的新陈代谢消耗，增加作业的体力、精力消耗。传统的负重外骨骼尽管能够通过刚性结构部分的分担人体所承受的压力，但是其刚性结构与人体下肢相并联，严重干扰了人体肢体的自主运动，破坏了人体正常的步态，带来行走新陈代谢消耗的显著增加。其他一些外骨骼机器人例如柔性外骨骼或单关节外骨骼尽管可以减小对人体正常步态的干扰，但是由于缺乏能够将重物压力传递到地面的刚性结构，其本身无法减少负载给人带来的压力。目前针对大负载长时间的负重行走，缺乏有效的辅助方案。
技术实现思路
鉴于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种外肢体负重行走辅助机器人，其能将负载的压力直接传递到地面且能避免对人体自然步态的干扰。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种外肢体负重行走辅助机器人，其包括穿戴式背负框架、对称布置在穿戴式背负框架两侧的两条动力机械腿及控制系统；每条动力机械腿均包括双自由度动力球形髋关节、主承重杆、主驱动系统、大腿承重杆、膝关节、小腿承重杆和支撑末端；双自由度动力球形髋关节的上端连接穿戴式背负框架，双自由度动力球形髋关节的下端连接主承重杆，双自由度动力球形髋关节用于将穿戴式背负框架的压力传递给动力机械腿；主驱动系统设置于主承重杆；大腿承重杆与主承重杆沿上下方向滑动配合，大腿承重杆连接于主驱动系统以在主驱动系统的驱动下沿主承重杆上下滑动，从而实现动力机械腿的伸长和回缩；膝关节的上端连接大腿承重杆，膝关节的下端连接小腿承重杆，膝关节用于控制动力机械腿的弯曲；支撑末端沿上下方向连接于小腿承重杆的末端。控制系统与双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节通信连接。在一实施例中，双自由度动力球形髋关节包括髋关节屈伸舵机，带动动力机械腿完成屈伸运动，髋关节屈伸舵机与控制系统通信连接。在一实施例中，双自由度动力球形髋关节还包括髋关节侧摆舵机，驱动双自由度动力球形髋关节侧摆运动，髋关节侧摆舵机与控制系统通信连接。在一实施例中，髋关节屈伸舵机和髋关节侧摆舵机的输出轴正交以避免动力机械腿的载荷受力对双自由度动力球形髋关节产生扭矩。在一实施例中，主驱动系统包括驱动电机、第一同步带减速机构、第二同步带减速机构以及同步带移动机构；驱动电机与控制系统通信连接，驱动电机固定设置主承重杆的左右方向的一侧，驱动电机的输出轴沿左右方向贯穿主承重杆并在主承重杆的左右方向的另一侧露出；第一同步带减速机构包括第一小带轮、第一大带轮及第一减速带，其中第一小带轮、第一大带轮及第一减速带位于主承重杆的左右方向的另一侧，第一小带轮连接于驱动电机的输出轴，第一减速带套在第一小带轮和第一大带轮上；第二同步带减速机构包括第二小带轮、第二大带轮及第二减速带，第二小带轮、第二大带轮及第二减速带与驱动电机位于主承重杆的同一侧，第二小带轮与第一大带轮同轴连接，第二减速带套在第二小带轮和第二大带轮上；同步带移动机构包括第一移动带轮、第二移动带轮及移动带，第一移动带轮、第二移动带轮及移动带位于主承重杆的前后方向的一侧，第一移动带轮和第二移动带轮沿上下方向布置，第一移动带轮与第二大带轮同轴连接，移动带套在第一移动带轮和第二移动带轮上，大腿承重杆固定连接于移动带。在一实施例中，主驱动系统还包括直线导轨和连接块；直线导轨固定设置于主承重杆的左右方向的一侧，直线导轨沿上下方向延伸；连接块连接于移动带且固定于大腿承重杆；移动带轮动连接块、大腿承重杆沿直线导轨上下移动。在一实施例中，膝关节包括膝关节舵机、曲柄、连杆、膝关节基座和基座摇杆；膝关节舵机与控制系统通信连接，膝关节舵机固定于大腿承重杆的左右方向的一侧上；曲柄上端孔套在且固定于膝关节舵机的输出轴上；连杆上端孔套在曲柄下端轴上，连杆下端孔与基座摇杆的下端枢转连接；基座摇杆的上端与膝关节基座枢转连接；曲柄、连杆、膝关节基座254及基座摇杆构成一个四连杆机构。在一实施例中，动力机械腿还包括调整杆，调整杆为筒状，调整杆套在小腿承重杆上，调整杆的上下方向的末端与支撑末端连接；调整杆设置有多个通孔，多个通孔沿上下方向排列，各通孔贯穿调整杆的筒壁，各通孔供固定件穿过并抵接调整杆内的小腿承重杆的表面。在一实施例中，支撑末端为能够在上下方向上伸缩的弹性支撑末端。在一实施例中，支撑末端包括末端支座、直线轴承、弹簧、滑动钢轴、末端压力传感器和末端圆足，末端压力传感器与控制系统通信连接；末端支座与调整杆的末端连接；直线轴承位于末端支座的下端；弹簧的上下两端沿上下方向分别抵靠直线轴承和末端压力传感器；滑动钢轴的上端沿上下方向穿过直线轴承、末端支座并伸入到调整杆的内部，滑动钢轴能够伸入或伸出调整杆的末端；末端压力传感器位于滑动钢轴的下端，用于对动力机械腿承载力进行反馈控制；末端圆足用于直接接触地面。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的外肢体负重行走辅助机器人包括穿戴式背负框架、对称布置在穿戴式背负框架两侧的两条动力机械腿及控制系统；每条动力机械腿均包括双自由度动力球形髋关节、主承重杆、主驱动系统、大腿承重杆、膝关节、小腿承重杆和支撑末端；控制系统与双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节通信连接。通过控制系统控制双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节相互配合，每条动力机械腿可以配合穿戴者的步态进行机械腿前摆、快速触地和负重支撑，实现负重行走辅助，在将负载的压力直接传递到地面的同时还能避免对人体自然步态的干扰。附图说明图1是根据本专利技术的外肢体负重行走辅助机器人的结构示意图；图2是根据本专利技术的外肢体负重行走辅助机器人髋关节和主驱动系统的结构示意图；图3是根据本专利技术的外肢体负重行走辅助机器人膝关节和支撑末端的结构示意图；图4是根据本专利技术的外肢体负重行走辅助机器人外肢体工作流程图。其中，附图标记说明如下：1穿戴式背负框架236连接块2动力机械腿24大腿承重杆21双自由度动力球形髋关节25膝关节211髋关节屈伸舵机251膝关节舵机212髋关节侧摆舵机252曲柄22主承重杆252a曲柄上端孔23主驱动系统252b曲柄下端轴231驱动电机253连杆231a驱动电机输出轴253a连杆上端孔232第一同步带减速机构253b连杆下端孔232a第一小带轮254膝关节基座232b第一大带轮255基座摇杆232c第一减速带26小腿承重杆233第二同步带减速机构27调整杆233a第二小带轮28支撑末端233b第二大带轮281末端支座233c第二减速带282直线轴承234同步带移动机构283弹簧234a第一移动带轮284滑动钢轴234b第二移动带轮285末端压力传感器234本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外肢体负重行走辅助机器人，其特征在于，包括穿戴式背负框架(1)、对称布置在穿戴式背负框架(1)两侧的两条动力机械腿(2)及控制系统；/n每条动力机械腿(2)均包括双自由度动力球形髋关节(21)、主承重杆(22)、主驱动系统(23)、大腿承重杆(24)、膝关节(25)、小腿承重杆(26)和支撑末端(28)；/n双自由度动力球形髋关节(21)的上端连接穿戴式背负框架(1)，双自由度动力球形髋关节(21)的下端连接主承重杆(22)，双自由度动力球形髋关节(21)用于将穿戴式背负框架(1)的压力传递给动力机械腿(2)；/n主驱动系统(23)设置于主承重杆(22)；/n大腿承重杆(24)与主承重杆(22)沿上下方向(Ud)滑动配合，大腿承重杆(24)连接于主驱动系统(23)以在主驱动系统(23)的驱动下沿主承重杆(22)上下滑动，从而实现动力机械腿(2)的伸长和回缩；/n膝关节(25)的上端连接大腿承重杆(24)，膝关节(25)的下端连接小腿承重杆(26)，膝关节(25)用于控制动力机械腿(2)的弯曲；/n支撑末端(28)沿上下方向(Ud)连接于小腿承重杆(26)的末端；/n控制系统与双自由度动力球形髋关节(21)、主驱动系统(23)及膝关节(25)通信连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种外肢体负重行走辅助机器人，其特征在于，包括穿戴式背负框架(1)、对称布置在穿戴式背负框架(1)两侧的两条动力机械腿(2)及控制系统；
每条动力机械腿(2)均包括双自由度动力球形髋关节(21)、主承重杆(22)、主驱动系统(23)、大腿承重杆(24)、膝关节(25)、小腿承重杆(26)和支撑末端(28)；
双自由度动力球形髋关节(21)的上端连接穿戴式背负框架(1)，双自由度动力球形髋关节(21)的下端连接主承重杆(22)，双自由度动力球形髋关节(21)用于将穿戴式背负框架(1)的压力传递给动力机械腿(2)；
主驱动系统(23)设置于主承重杆(22)；
大腿承重杆(24)与主承重杆(22)沿上下方向(Ud)滑动配合，大腿承重杆(24)连接于主驱动系统(23)以在主驱动系统(23)的驱动下沿主承重杆(22)上下滑动，从而实现动力机械腿(2)的伸长和回缩；
膝关节(25)的上端连接大腿承重杆(24)，膝关节(25)的下端连接小腿承重杆(26)，膝关节(25)用于控制动力机械腿(2)的弯曲；
支撑末端(28)沿上下方向(Ud)连接于小腿承重杆(26)的末端；
控制系统与双自由度动力球形髋关节(21)、主驱动系统(23)及膝关节(25)通信连接。


2.根据权利要求1所述的外肢体负重行走辅助机器人，其特征在于，双自由度动力球形髋关节(21)包括髋关节屈伸舵机(211)，驱动双自由度动力球形髋关节(21)完成屈伸运动，髋关节屈伸舵机(211)与控制系统通信连接。


3.根据权利要求2所述的外肢体负重行走辅助机器人，其特征在于，双自由度动力球形髋关节(21)还包括髋关节侧摆舵机(212)，驱动双自由度动力球形髋关节(21)侧摆运动，髋关节侧摆舵机(212)与控制系统通信连接。


4.根据权利要求3所述的外肢体负重行走辅助机器人，其特征在于，髋关节屈伸舵机(211)和髋关节侧摆舵机(212)的输出轴正交以避免动力机械腿(2)的载荷受力对双自由度动力球形髋关节(21)产生扭矩。


5.根据权利要求1所述的外肢体负重行走辅助机器人，其特征在于，
主驱动系统(23)包括驱动电机(231)、第一同步带减速机构(232)、第二同步带减速机构(233)以及同步带移动机构(234)；
驱动电机(231)与控制系统通信连接，驱动电机(231)固定设置主承重杆(22)的左右方向(Lr)的一侧，驱动电机(231)的输出轴(231a)沿左右方向(Lr)贯穿主承重杆(22)并在主承重杆(22)的左右方向(Lr)的另一侧露出；
第一同步带减速机构(232)包括第一小带轮(232a)、第一大带轮(232b)及第一减速带(232c)，其中第一小带轮(232a)、第一大带轮(232b)及第一减速带(232c)位于主承重杆(22)的左右方向(Lr)的另一侧，第一小带轮(232a)连接于驱动电机(231)的输出轴(231a)，第一减速带(232c)套在第一小带轮(232a)和第一大带轮(232b)上；
第二同步带减速机构(233)包括第二小带轮(233a)、第二大带轮(233b)及第二减速带(233c)，第二小带轮(233a)、第二大带轮(233b)及第二减速带(233c)与驱动电机(231)位于主承重杆(22)的同一侧，第二小带轮(233a)与第一大带轮(232b)同轴连接，第二减速带(233c)套在第二小带轮(233a)和第二大带轮(233b)上；
同步带移...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈恳，郝鸣，付成龙，张继文，吴丹，
申请(专利权)人：清华大学，南方科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11