一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；腰部托板组件固定在人体腰部，大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；大腿组件能够匹配髋关节的屈伸、内收外展及旋转自由度；小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈以及内外翻自由度；拉带位于人体正面，且拉带两端分别与腰部托板组件、大腿组件固连。本发明专利技术能够平衡外骨骼与人体之间的相互作用力，降低人体所需要提供的驱动力并为大腿摆动提供助力。

【技术实现步骤摘要】
一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人
本专利技术涉及外骨骼机器人
，具体涉及一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人。
技术介绍
人体增强技术是当前科学技术发展中非常热门的一块领域，外骨骼机器人技术就属于人体增强技术的分支之一。外骨骼机器人以有无使用能源可以划分为有源外骨骼机器人和无源外骨骼机器人，有源外骨骼机器人是依靠自身携带的能源，通过控制系统、执行系统等驱动外骨骼的各个关节。有源外骨骼自身的重量、体积大，并且能源储备有限，其续航里程受到限制，限制了有源外骨骼机器人的实际应用。相较于有源外骨骼机器人，无源外骨骼机器人以其无需能源供应，高效传力、轻质灵活的特点更能够适应目前的外骨骼机器人市场需求。虽然无源外骨骼不像有源外骨骼那样笨重，但无源外骨骼的使用也会增大人体的能量消耗。这主要是由于天然存在的人机运动偏差，外骨骼和人体运动的一致性很难保证。例如在利用外骨骼负重行走时，负载在外骨骼上产生的旋转力矩，全部需要人体动力来克服，一定程度上会使得人体自身消耗的能量超过不穿戴外骨骼进行负重时所需要消耗的能量。为此，在无源外骨骼机器人中设计弹性元件来辅助人体运动已经成为无源外骨骼机器人发展的新方向，而且储能元件在当前的科研中已经获得证明，结合人体的运动特征适时的储能和释放能量，可以降低人体自身整体的能量消耗。这种思路旨在将人体运动过程中产生的消极能量转化为弹性势能，最终再作用于人体，辅助其运动。从本质上来看，并没有改善人体驱动力输出本质。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，能够平衡外骨骼与人体之间的相互作用力，降低人体所需要提供的驱动力并为大腿摆动提供助力。本专利技术采用的技术方案如下：一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；所述腰部托板组件为未封闭的环形结构，所述大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带均为两组，关于垂直轴方向对称设置；所述腰部托板组件固定在人体腰部，未封闭一侧位于人体正面，人体背面一侧用于搁置负载；以一侧为例，所述大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；所述小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；所述大腿组件能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度；所述小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度；所述拉带位于人体正面，且拉带两端分别与腰部托板组件、大腿组件固定连接，用于平衡负载形成的后倾力矩并为大腿摆动提供助力。进一步地，所述腰部托板组件包括腰部托板、托板直角支撑件、托板支撑件固定件、折叠合页、腰部背板、腰部侧板及拉带挂件；所述腰部背板两侧均与腰部侧板固定连接，两个腰部侧板均与拉带挂件固定连接，形成未封闭的环状结构；所述腰部托板通过折叠合页与腰部背板转动连接；托板直角支撑件通过托板支撑件固定件固定在腰部托板底部，腰部背板在使用时由负载压至水平，此时托板直角支撑件直角边与腰部背板接触限位。进一步地，所述大腿组件包括L型连接件、U型连接件、髋关节旋转件、大腿长度调节件、旋转限位块及大腿承载结构；所述L型连接件一端与腰部托板组件固定连接，另一端与U型连接件封闭端转动连接，旋转轴线为矢状轴方向，匹配髋关节的内收外展自由度；所述U型连接件U型开口端与髋关节旋转件转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体髋关节的屈伸自由度；所述髋关节旋转件与大腿长度调节件转动连接，旋转轴线为垂直轴方向，匹配人体髋关节的内外旋自由度，同时，所述髋关节旋转件通过旋转限位块限位，限位角度为左、右各60度；所述大腿承载结构为一体化结构，包括异形曲面板和两爪弧形件，异形曲面板一端与大腿长度调节件固定连接，另一端与两爪弧形件封闭端为一体；两爪弧形件开口端设有弧形板，所述弧形板与膝关节外形匹配。进一步地，所述髋关节旋转件内安装铜套，铜套伸出端套装环形圈，所述髋关节旋转件插入U型连接件的U型开口端内并通过T型销固定，髋关节旋转件两端面分别通过铜套环形飞边、环形圈与U型连接件接触。进一步地，所述髋关节旋转件与大腿长度调节件通过深沟轴承转动连接。进一步地，所述小腿组件包括小腿承载结构、绑带、小腿侧转接结构、小腿侧支板、小腿长度调节板、Y型连接件、踝关节高度调节块及踝关节底座；所述小腿承载结构一端为弧形板结构，与大腿承载结构转动连接，直立时形成机械限位，且与膝关节外形匹配，小腿承载结构另一端与小腿侧转接结构固定连接；所述绑带固定在小腿承载结构上；所述小腿侧转接结构与小腿侧支板固定连接，小腿侧支板与小腿长度调节板固定连接；小腿长度调节板与Y型连接件开口端转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体踝关节的跖屈和背屈自由度；所述Y型连接件通过踝关节高度调节块与踝关节底座转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配踝关节的内外翻自由度。进一步地，所述小腿长度调节板内安装铜套，铜套伸出端套装环形圈，所述小腿长度调节板插入Y型连接件的开口端内并通过T型销固定，小腿长度调节板两端面分别通过铜套环形飞边、环形圈与Y型连接件接触。进一步地，所述鞋底组件包括鞋型刚性结构底板和安装座，所述安装座固定在鞋型刚性结构底板侧边，用于与小腿组件固定连接。有益效果：1、本专利技术腰部托板结构将负载重力向两侧的大腿组件传递，由大腿组件将负载重力传递至小腿组件，并最终由鞋底组件将负载的重力传递至地面，以此减轻人体自身需要承载的负载，保护人体骨骼不受负载压力的损伤。其中，本专利技术利用拉带的弹性拉力平衡外骨骼与人体之间的相互作用力，降低人体所需要提供的驱动力，即减轻人体上身所需要克服的负载后倾力矩，并为大腿摆动提供助力，由此调整人机之间的相互作用力，从根本上实现省力和助力的目的；而且，无源外骨骼机器人的下肢形式，充分考虑了人体自身出力方式的特征，即人体大部分的运动存在于矢状面内，在此运动面内的人体驱动力为人体惯用出力方式，鉴于此，本外骨骼下肢形式由髋关节外侧转移至人体冠状面内，即人体前侧面，此时，当外骨骼穿戴于人体时，人机之间的相互作用力就处于矢状面内，即外骨骼与人体前后运动方向一致，能够提高穿戴者在使用外骨骼过程中的舒适性。其次，当外骨骼穿戴于人体之后，其运动形式与人体保持基本一致，能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度、膝关节的屈伸自由度、踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度，与人体下肢运动相互兼容，保证外骨骼下肢的运动和人体下肢运动的一致性。通过结构上的运动相容性设计，改善外骨骼与人体运动的干涉，有效降低穿戴者的疲劳程度。2、本专利技术大腿长度调节件和大腿承载结构之间、小腿长度调节板和小腿侧支板之间、踝关节高度调节件和Y型连接件之间均可以调节外骨骼下肢的大腿组件长度和小腿组件长度、以及外骨骼踝关节高度，以此针对穿戴者的体型差异和穿戴差异，将外骨骼下肢的旋转自由度与人体髋关节、膝关节、踝关节的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；/n所述腰部托板组件为未封闭的环形结构，所述大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带均为两组，关于垂直轴方向对称设置；/n所述腰部托板组件固定在人体腰部，未封闭一侧位于人体正面，人体背面一侧用于搁置负载；以一侧为例，所述大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；所述小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；所述大腿组件能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度；所述小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度；所述拉带位于人体正面，且拉带两端分别与腰部托板组件、大腿组件固定连接，用于平衡负载形成的后倾力矩并为大腿摆动提供助力。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部托板组件、大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带；
所述腰部托板组件为未封闭的环形结构，所述大腿组件、小腿组件、鞋底组件及拉带均为两组，关于垂直轴方向对称设置；
所述腰部托板组件固定在人体腰部，未封闭一侧位于人体正面，人体背面一侧用于搁置负载；以一侧为例，所述大腿组件由髋关节外侧向上固定连接腰部托板组件，同时大腿组件向下转向大腿前侧，并与小腿组件转动连接在膝关节；所述小腿组件由小腿前侧转向小腿外侧，向下延伸与鞋底组件转动连接；所述大腿组件能够匹配髋关节的屈伸自由度、内收外展自由度、旋转自由度；所述小腿组件能够匹配踝关节的跖屈和背屈自由度以及内外翻自由度；所述拉带位于人体正面，且拉带两端分别与腰部托板组件、大腿组件固定连接，用于平衡负载形成的后倾力矩并为大腿摆动提供助力。


2.如权利要求1所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部托板组件包括腰部托板、托板直角支撑件、托板支撑件固定件、折叠合页、腰部背板、腰部侧板及拉带挂件；
所述腰部背板两侧均与腰部侧板固定连接，两个腰部侧板均与拉带挂件固定连接，形成未封闭的环状结构；所述腰部托板通过折叠合页与腰部背板转动连接；托板直角支撑件通过托板支撑件固定件固定在腰部托板底部，腰部背板在使用时由负载压至水平，此时托板直角支撑件直角边与腰部背板接触限位。


3.如权利要求1所述的用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿组件包括L型连接件、U型连接件、髋关节旋转件、大腿长度调节件、旋转限位块及大腿承载结构；
所述L型连接件一端与腰部托板组件固定连接，另一端与U型连接件封闭端转动连接，旋转轴线为矢状轴方向，匹配髋关节的内收外展自由度；所述U型连接件U型开口端与髋关节旋转件转动连接，旋转轴线为冠状轴方向，匹配人体髋关节的屈伸自由度；所述髋关节旋转件与大腿长度调节件转动连接，旋转轴线为垂直轴方向，匹配人体髋关节的内外旋自由度，同时，所述髋关节旋转件通过旋转限位块限位，限位角度...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚丽，宋遒志，周能兵，刘悦，祁卓，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11