一种具有仿人膝关节的膝关节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具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构，大腿组件与小腿组件分别与仿人膝关节机构相连接，驱动机构驱动小腿组件带动仿人膝关节机构转动；随着小腿组件的摆动，仿人膝关节机构的旋转中心上下移动，并且旋转半径发生变化，从而模仿人体膝关节运动。其中，仿人膝关节机构是完全符合人体膝关节转动规律的旋转关节，关节旋转导轨按照人体膝关节转动轨迹设计，关节旋转中心是一可按直线槽位移的移动块，能够适应关节转动过程中旋转中心及旋转半径的变化，克服了传统膝关节外骨骼采用单轴旋转关节导致其与穿戴人员配合度低的缺点，提升了人机兼容性。

A knee assisted exoskeleton robot with humanoid knee joint

【技术实现步骤摘要】
一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人
本技术涉及一种膝关节助力外骨骼机器人，尤其涉及具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人。
技术介绍
外骨骼机器人是一种穿戴在操作者身体外部的人机一体化系统，综合运用传感、控制、信息融合等机器人技术，在保证穿戴者的舒适性和运动特性的前提下，为穿戴者提供额外的动力，增强人体机能，从而完成更加复杂困难的任务，实现力量的增强和感官的延伸。外骨骼机器人以上述特点，吸引了越来越多国内外科研机构的积极研究，在军事、警用、医疗等方面具有广阔应用前景。膝关节外骨骼机器人作为其中的一种，旨在助力人体行走。针对一线警员在执行特殊巡逻、搜查与排爆任务时背负重量大、工作时间长，极易产生疲劳现象，甚至造成膝盖、腰椎等关节的生理损伤的问题，膝关节外骨骼机器人可增长警员徒步距离，提升负重能力，降低肌肉损伤风险，从而提升单兵作战能力。由于膝关节外骨骼机器人是人机交互系统，如何与人体完美协调统一、控制柔顺是膝关节外骨骼机器人发展需要克服的难题。人体膝关节通过肌肉组织的收缩和舒张实现关节运动，肌肉组织所具有的柔性有助于缓冲运动时外界对膝关节和人体的冲击，保护人体免受伤害。膝关节是变旋转中心、变旋转半径的旋转关节，旋转时其瞬时转动中心随之移动。然而，目前传统的膝关节外骨骼机器人将膝关节单纯地设计为单轴关节，转动中心固定，未参照人体膝关节的实际运动规律，工作过程中无法适应人体膝关节转轴的动态变化，造成人-机膝关节转轴错位，实际运动过程中与人体膝关节的配合度较低，长时间使用将导致穿戴不舒适、软组织挫伤等问题。此外，目前膝关节外骨骼机器人大多使用刚性驱动方式，以电机直接驱动或液压缸驱动。驱动装置缺乏柔性，不具有缓冲功能，容易受到外界冲击的损害，人员穿戴安全性与舒适性较差，使用安全性方面存在隐患。因此，有必要研发符合人体膝关节结构与运动机理的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，确保外骨骼机器人运动与人体运动一致。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题在于提供一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人。为了实现上述技术目的，本技术采用下述技术方案：一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构，大腿组件与小腿组件分别与仿人膝关节机构相连接，驱动机构驱动小腿组件带动仿人膝关节机构转动；其中，随着小腿组件的摆动，所述仿人膝关节机构的旋转中心上下移动，并且旋转半径发生变化，从而模仿人体膝关节运动。其中较优地，所述仿人膝关节机构包括大腿内侧连接件、大腿外侧连接件、小腿内侧连接件、小腿外侧连接件、移动块、压缩弹簧I和压缩弹簧II；在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件上分别设置有安装孔，并在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件上分别设置有根据人体膝关节运动轨迹设置的旋转导轨；大腿内侧连接件与大腿外侧连接件连接；在大腿内侧连接件和大腿外侧连接件相对的一侧分别开有直线槽，并在直线槽的中部设置有长条形的通孔；压缩弹簧I、移动块与压缩弹簧II依次按压在两个闭合的直线槽内；在移动块的左右两侧面分别固定有圆柱形的连接柱，两个连接柱分别从通孔内伸出并通过轴承设置在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的安装孔内；在大腿内侧连接件和大腿外侧连接件的下端的外部分别设置有一个圆柱块，两个圆柱块分别通过轴承设置在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的旋转导轨中；随着小腿组件的摆动，两个圆柱块分别在旋转导轨中滑动，并且，移动块在直线槽中上下移动，移动块是大腿组件和小腿组件的旋转中心，并且，移动块和圆柱块之间的距离构成变化的旋转半径。其中较优地，所述旋转导轨的形状符合人体膝关节水平转动轴曲率中心的移动轨迹——J型曲线。其中较优地，所述驱动机构采用串联柔性驱动器，通过弹簧连接机构驱动输入与输出实现柔性驱动。其中较优地，所述驱动机构包括驱动电机组件、丝杠轴、直线导轨、输出轴、丝杠螺帽、上层连接板、中层连接板、下层连接板、支撑板、固定板、压缩弹簧、小腿连杆连接块、小腿连杆与电机支撑座；所述驱动电机组件设置在整个驱动机构的上端，驱动电机组件通过电机支撑座与大腿组件固定；小腿连杆连接块设置在整个驱动机构的下端，小腿连杆连接块通过小腿连杆与小腿组件连接，使得小腿连杆可带动小腿组件摆动；支撑板设置在驱动电机组件和小腿连杆连接块之间，丝杠轴的上端和下端分别与驱动电机组件和支撑板连接，丝杠轴在驱动电机组件的驱动下旋转；上层连接板、中层连接板和下层连接板设置在驱动电机组件和支撑板之间；固定板将上层连接板与下层连接板连接在一起；丝杠轴依次穿过上层连接板、中层连接板和下层连接板；在丝杠轴上设置有丝杠螺帽，丝杠螺帽与中层连接板固定，随着丝杠轴的旋转，丝杠螺帽带动中层连接板沿着丝杠轴上下移动；直线导轨的两端分别与驱动电机组件和支撑板固定连接，两根直线导轨通过固定直线轴承穿过上层连接板、中层连接板与下层连接板的对角线位置；输出轴的两端分别与上层连接板和小腿连杆连接块固定连接，两根输出轴通过固定直线轴承穿过中层连接板、下层连接板与支撑板的另一对角线位置；在每根输出轴上分别套设有两个压缩弹簧，其中一个压缩弹簧设置在上层连接板和中层连接杆之间，另一个压缩弹簧设置在中层连接板和下层连接板之间；在所述驱动机构中，驱动电机组件驱动丝杠轴旋转，丝杠螺帽沿丝杠轴直线运动，从而带动与丝杠螺帽连接的中层连接板沿直线导轨移动；然后，中层连接板通过压缩弹簧作用于上层连接板与下层连接板，带动与上层连接板连接的输出轴沿直线运动。本技术所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构。其中，仿人膝关节机构是完全符合人体膝关节转动规律的旋转关节，关节旋转导轨按照人体膝关节转动轨迹设计，关节旋转中心是一可按直线槽位移的移动块，能够适应关节转动过程中旋转中心及旋转半径的变化，克服了传统膝关节外骨骼采用单轴旋转关节导致其与穿戴人员配合度低的缺点，提升了人机兼容性。另外，驱动机构采用一种串联柔性驱动器，使驱动过程中具有一定的旋转位移容错率，遇到冲击时能够适当收缩进而缓冲碰撞产生的能量，同时还能够将能量吸收、存储、再利用，不仅提高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械振荡，减轻零部件的机械损伤，保障穿戴人员的使用安全性。附图说明图1是本技术所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人的结构示意图；图2是图1中执行机构的结构分解图；图3是图1中仿人膝关节机构的结构分解图；图4是图3中仿人膝关节机构的组装状态图一；图5是图3中仿人膝关节机构的组装状态图二；图6是图1中驱动机构的结构示意图；图7是本技术所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人的工作流程图。具体实施方式下面结合附图和具体的实施例对本技术的技术方案进行进一步地详细描述。为解决传统的膝关节外骨骼机器人将膝关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构，大腿组件与小腿组件分别与仿人膝关节机构相连接，驱动机构驱动小腿组件带动仿人膝关节机构转动；/n其中，随着小腿组件的摆动，仿人膝关节机构的旋转中心上下移动，并且旋转半径发生变化，从而模仿人体膝关节运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构，大腿组件与小腿组件分别与仿人膝关节机构相连接，驱动机构驱动小腿组件带动仿人膝关节机构转动；
其中，随着小腿组件的摆动，仿人膝关节机构的旋转中心上下移动，并且旋转半径发生变化，从而模仿人体膝关节运动。


2.如权利要求1所述的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：
所述仿人膝关节机构包括大腿内侧连接件、大腿外侧连接件、小腿内侧连接件、小腿外侧连接件、移动块、压缩弹簧I和压缩弹簧II；
在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件上分别设置有安装孔，并在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件上分别设置有根据人体膝关节运动轨迹设置的旋转导轨；
大腿内侧连接件与大腿外侧连接件连接；在大腿内侧连接件和大腿外侧连接件相对的一侧分别开有直线槽，并在直线槽的中部设置有长条形的通孔；压缩弹簧I、移动块与压缩弹簧II依次按压在两个闭合的直线槽内；
在移动块的左右两侧面分别固定有圆柱形的连接柱，两个连接柱分别从通孔内伸出并通过轴承设置在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的安装孔内；
在大腿内侧连接件和大腿外侧连接件的下端的外部分别设置有一个圆柱块，两个圆柱块分别通过轴承设置在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的旋转导轨中；
随着小腿组件的摆动，两个圆柱块分别在旋转导轨中滑动，并且，移动块在直线槽中上下移动，移动块是大腿组件和小腿组件的旋转中心，并且，移动块和圆柱块之间的距离构成变化的旋转半径。


3.如权利要求2所述的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：
所述旋转导轨的形状符合人体膝关节水平转动轴曲率中心的移动轨迹——J型曲线。


4.如权利要求2所述的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：
所述大腿组件包括大腿内侧板、大腿外侧板、大腿支撑杆与大腿绑带板，其中，大腿内侧连接件的上端与大腿内侧板的下端连接，大腿外侧连接件的上端与大腿外侧板的下端连接，大腿内侧连接件和大腿外侧连接件的上端一起嵌入固定在大腿内侧板和大腿外侧板下端的两个方形连接部的内部。


5.如权利要求4所述的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：
所述小腿组件包括小腿内侧板、小腿外侧板、小腿支撑杆与小腿绑带板；
小腿内侧连接件和小腿外侧连接件是两个等大的圆盘，小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的大小与小腿内侧板和小腿外侧板上端的圆形端部的大小相同；
小腿内侧连接件的外侧与小腿内侧板的上端重合并连接，小腿外侧连接件的外侧与小腿外侧板的上端重合并连接。


6.如权利要求5所述的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，其特征在于：
大腿内侧板和大腿外侧板的下端的方形连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李婷婷，韩忠华，李剑，骆聪聪，杨杰超，李强，夏春雨，
申请(专利权)人：公安部第一研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11