一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，包括四自由度关节自由度配置模块、尺寸调节模块、人机交互模块、传感系统模块和腰带板，所述尺寸调节模块包括腰部调节机构和腿部调节机构，所述腰带板对称设置于腰部调节机构的两端，所述四自由度关节自由度配置模块活动连接于腰带板的侧面底部，所述人机交互模块包括腰部连接机构和腿部连接机构，所述腰部连接机构活动连接于腰带板的侧面顶部，所述腿部调节机构连接于四自由度关节自由度配置模块的底部，所述腿部连接机构设置于腿部调节机构的底部。本发明专利技术具备良好的人机交互穿戴性能，并且能够减轻人体行走负担，具备较好的安全性能和平稳性能。

A 4-DOF exoskeleton walking robot based on flexible driving

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人
本专利技术涉及机器人
，特别是涉及一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人。
技术介绍
随着现代机器人技术的快速发展，机器人已经不再局限于工业生产了，在服务、医疗、娱乐等许多领域涌现出了许多新型服务机器人，特别是在康复医疗领域。据推测，中国的老龄人口在二三十年后将会达到总人口的1/3。高龄人士行动不便，四肢的承重能力明显下降。尤其是下肢的行走能力变弱，通常情况下需要行走辅助的设备，目前辅助设备通常以四轮手扶椅，拐杖等为主。此外，在医院中，由于车祸和自身疾病引起的行动障碍人也有巨大的数量，从而也会造成医院工作人员资源紧张。因此，我国目前及未来一段时间内对行走辅助设备和康复医疗设备有着较强的需求。可穿戴式外骨骼机器人目的在于能够根据使用者的运动意图，为使用者提供一定的助力支持,以此来减轻使用者自身负担。还会在康复领域用来取代康复治疗师对患者进行康复训练，提高康复训练的效率以及治疗效果。在下肢康复机器人与穿戴者组成的人机一体化系统，其中髋关节起到了至关重要的作用，目前国内外对于髋关节外骨骼的研究已经取得了一些不错的进展，但是这存在一些问题，比如结构过于复杂，重量过重，以及外骨骼驱动部分体积过于庞大，并不适用于助行这一用途。对于助行机器人，需要的是助力过程中对人干扰小，人机交互舒适感强，安全性高等。因此，针对助行需要专门研究一款轻量、通用性强、人机交互安全性高的外骨骼机器人。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种新型的基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，具备良好的人机交互穿戴性能，并且能够减轻人体行走负担，具备较好的安全性能和平稳性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，包括四自由度关节自由度配置模块、尺寸调节模块、人机交互模块、传感系统模块和腰带板；所述尺寸调节模块包括腰部调节机构和腿部调节机构，用于适应人体的形体差异性；所述腰带板对称设置于腰部调节机构的两端；所述四自由度关节自由度配置模块活动连接于腰带板的侧面底部，用于适应人体的运动形式；所述四自由度关节自由度配置模块内置有柔性传动模块，用于保障人机交互的安全性；所述人机交互模块包括腰部连接机构和腿部连接机构，用于人体与外骨骼助行机器人的连接；所述腰部连接机构活动连接于腰带板的侧面顶部；所述腿部调节机构连接于四自由度关节自由度配置模块的底部，所述腿部连接机构设置于腿部调节机构的底部；所述传感系统模块主要用于外骨骼助行机器人各组成模块的数据信息采集与运行控制。进一步的，所述四自由度关节自由度配置模块包括主动自由度机构和被动自由度机构，所述被动自由度机构固定连接于腰带板上，所述主动自由度机构转动连接于被动自由度机构的底部。进一步的，所述主动自由度机构包括安装法兰、盘式电机、固定架、谐波减速器、第一曲柄、连杆、第二曲柄、第一转轴、第二转轴、绝对式编码器和柔性传动模块；所述盘式电机固定于固定架的一侧，其输出轴端通过谐波减速器与第一曲柄的轴端传动连接；所述第一转轴和第二转轴分别传动连接于柔性传动模块的两端，第一转轴的另一端与第二曲柄的轴端固定连接，第二转轴的另一端贯穿绝对式编码器并与腿部调节机构的顶部传动连接；所述第一曲柄和第二曲柄通过连杆传动连接。进一步的，所述柔性传动模块包括柔性扭簧外驱和柔性扭簧；所述柔性扭簧外驱固定于第一转轴的输出端；所述柔性扭簧为阿基米德螺旋线结构，其外侧端与柔性扭簧外驱固定连接、内侧端与第二转轴的输入端固定连接。进一步的，所述被动自由度机构包括被动自由度连接件、被动自由度伸缩弹簧、关节移位限位柱；所述被动自由度连接件的侧壁开设有弧形的关节移位限位槽，所述关节移位限位柱的端部滑动插入关节移位限位槽内；所述被动自由度伸缩弹簧的外部设置有固定于主动自由度机构顶部的弹簧外壳，所述关节移位限位柱活动嵌入弹簧外壳内并与被动自由度伸缩弹簧的底部接触。进一步的，所述腰部调节机构包括背板、滑动嵌装于背板内的卡槽板、固定于背板侧面上的支撑外壳；所述支撑外壳的内壁上固定有导向块，导向块内活动插接有自锁压片，自锁压片与导向块之间设置有若干个预紧弹簧；所述卡槽板的侧面设置有若干均匀阵列分布的卡槽，自锁压片的端部活动嵌入卡槽内。进一步的，所述支撑外壳内转动连接有调节杠杆，支撑外壳的外壁活动连接有压缩纽扣；所述调节杠杆的一端位于自锁压片靠近卡槽板的一侧、另一端与压缩纽扣位于支撑外壳内的一端活动接触。进一步的，所述腿部调节机构包括上腿板、下腿板和腿部中间连接件；所述上腿板的顶部转动连接于四自由度关节自由度配置模块输出端，所述腿部中间连接件的顶部与上腿板的底部固定连接，腿部中间连接件的底部与下腿板的顶部滑动连接。进一步的，所述腰部连接机构包括滑动连接于腰带板顶部的腰部连接件、活动插接于腰部连接件顶部的腰部固定板；所述腰部连接件可在腰带板上的滑槽所限范围内滑动，并可通过锁紧螺钉与腰带板紧固连接。进一步的，所述腿部连接机构包括腿部固定盒、腿部连接件、绑带固定件；所述腿部连接件的一端插接于腿部固定盒内、另一端与绑带固定件固定连接；所述腿部连接件与腿部固定盒的连接处设置有橡胶垫。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术通过双曲柄机构将主动驱动自由度采用并联形式配置，这种配置形式可以有效减小外骨骼助行机器人在电机驱动下的横向宽度，使得外骨骼助行机器人在助力过程中对人体行走时手臂正常摆动的干扰大大降低；2.本专利技术通过采用改变被动自由度机构中关节移位限位柱围绕被动关节转动中心的滑动的曲率半径，实现被动关节弹簧的压缩，使得助力过程中被动自由度的转动角度不易被外界不确定因素改变，提高了外骨骼助力机器人助力过程的稳定性；同时被动自由度转角转动角度被限制在固定范围内，防止可能发生的过大的外展/内收角位移对人体的损害，以提高外骨骼助行机器人与人交互时的安全性；3.本专利技术通过腰部调节机构、腿部调节机构可实现外骨骼助行机器人整体尺寸的调整，以适应不同人体的形体差异性，使外骨骼助力机器人的通用性更强，扩大了外骨骼助力机器人的应用范围；4.本专利技术通过设置基于阿基米德螺旋线的柔性传动装置，将此装置内置于四自由度关节自由度配置模块的动力传动系统中，以实现驱动力的柔性输出功能，避免结构之间的刚性碰撞，提升了外骨骼助行机器人在使用过程中的安全性能。附图说明图1为本专利技术的立体结构示意图；图2为所述腰部调节机构的立体结构示意图；图3为图2中A部的放大结构示意图；图4为所述被动自由度机构的立体结构示意图；图5为所述被动自由度伸缩弹簧受力示意图；图6为所述主动自由度机构的立体爆炸结构示意图；图7为所述腰部连接机构的立体结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，其特征在于：包括四自由度关节自由度配置模块(1)、尺寸调节模块(2)、人机交互模块(3)、传感系统模块(4)和腰带板(6)；/n所述尺寸调节模块(2)包括腰部调节机构(21)和腿部调节机构(22)，用于适应人体的形体差异性；/n所述腰带板(6)对称设置于腰部调节机构(21)的两端；/n所述四自由度关节自由度配置模块(1)活动连接于腰带板(6)的侧面底部，用于适应人体的运动形式；/n所述四自由度关节自由度配置模块(1)内置有柔性传动模块(5)，用于保障人机交互的安全性；/n所述人机交互模块(3)包括腰部连接机构(31)和腿部连接机构(32)，用于人体与外骨骼助行机器人的连接；/n所述腰部连接机构(31)活动连接于腰带板(6)的侧面顶部；/n所述腿部调节机构(22)连接于四自由度关节自由度配置模块(1)的底部，所述腿部连接机构(32)设置于腿部调节机构(22)的底部；/n所述传感系统模块(4)用于外骨骼助行机器人各组成模块的数据信息采集与运行控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，其特征在于：包括四自由度关节自由度配置模块(1)、尺寸调节模块(2)、人机交互模块(3)、传感系统模块(4)和腰带板(6)；
所述尺寸调节模块(2)包括腰部调节机构(21)和腿部调节机构(22)，用于适应人体的形体差异性；
所述腰带板(6)对称设置于腰部调节机构(21)的两端；
所述四自由度关节自由度配置模块(1)活动连接于腰带板(6)的侧面底部，用于适应人体的运动形式；
所述四自由度关节自由度配置模块(1)内置有柔性传动模块(5)，用于保障人机交互的安全性；
所述人机交互模块(3)包括腰部连接机构(31)和腿部连接机构(32)，用于人体与外骨骼助行机器人的连接；
所述腰部连接机构(31)活动连接于腰带板(6)的侧面顶部；
所述腿部调节机构(22)连接于四自由度关节自由度配置模块(1)的底部，所述腿部连接机构(32)设置于腿部调节机构(22)的底部；
所述传感系统模块(4)用于外骨骼助行机器人各组成模块的数据信息采集与运行控制。


2.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，其特征在于：所述四自由度关节自由度配置模块(1)包括主动自由度机构(11)和被动自由度机构(12)，所述被动自由度机构(12)固定连接于腰带板(6)上，所述主动自由度机构(11)转动连接于被动自由度机构(12)的底部。


3.根据权利要求2所述的一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，其特征在于：所述主动自由度机构(11)包括安装法兰(110)、盘式电机(111)、固定架(112)、谐波减速器(113)、第一曲柄(114)、连杆(115)、第二曲柄(116)、第一转轴(117)、第二转轴(118)、绝对式编码器(119)和柔性传动模块(5)；
所述盘式电机(111)通过安装法兰(110)固定于固定架(112)的一侧，其输出轴端通过谐波减速器(113)与第一曲柄(114)的轴端传动连接；
所述第一转轴(117)和第二转轴(118)分别传动连接于柔性传动模块(5)的两端，第一转轴(117)的另一端与第二曲柄(116)的轴端固定连接，第二转轴(118)的另一端贯穿绝对式编码器(119)并与腿部调节机构(22)的顶部传动连接；
所述第一曲柄(114)和第二曲柄(116)通过连杆(115)传动连接。


4.根据权利要求3所述的一种基于柔性驱动的四自由度髋关节外骨骼助行机器人，其特征在于：所述柔性传动模块(5)包括柔性扭簧外驱(51)和柔性扭簧(52)；
所述柔性扭簧外驱(51)固定于第一转轴(117)的输出端；
所述柔性扭簧(52)为阿基米德螺旋线结构，其外侧端与柔性扭簧外驱(51)固定连接、内侧端与第二转轴(118)的输入端固定连接。


5.根据权利要求2所述的一种基于柔性驱动的四自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾亿山，娄文浩，陈兵，张强，郝云锋，赵煜阳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34