一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人制造技术

本发明专利技术属于可穿戴设备技术领域，具体涉及一种电动绳轮驱动外骨骼机器人，用于解决代替人体肌肉做功，降低人体的代谢消耗技术问题，其包括：背架机构、动力电池、传动机构、主控单元、鲍登线、腿部机构和脚部机构等，本发明专利技术电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，具有结构灵活、传动柔顺和助力适时的特点，可降低人体负重行走时的体能消耗，保护骨骼肌肉免受损伤，人机工效好，适应性强。

【技术实现步骤摘要】
一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人
本专利技术属于可穿戴设备
，具体涉及一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人。
技术介绍
本科技革命和产业革命的蓬勃进步，催生了外骨骼助力机器人行业的迅速崛起和发展，外骨骼助力机器人的应用可以极大地缓解人体作业的高强度和高消耗。目前，国内外研究人员针对不同的应用场合提出了多种多样的技术解决方案，形成了各种形式的外骨骼助力机器人产品。近年来，电动柔性外骨骼助力机器人因其能较好的弥补刚性外骨骼助力机器人的不足而广受研究人员青睐。日本松下电器公司研制的交叉线柔性助力外骨骼，不仅可以实现髋关节的前屈/后伸助力，还可实现内收/外展、旋内/旋外的助力，在行走中实现转向功能。系统的4根鲍登线相互交叉沿大腿前后两侧分布，背部的4个电机通过控制软件可选择性地控制鲍登线的拉伸，实现髋关节三个自由度的助力功能，辅助力可达100N。该系统虽然可以通过对人体髋关节施加适宜的助力，帮助人体在行走中更省力地抬腿，但是该系统体积较笨重，快速行走时会造成行动不便，还缺少负载挂接设计。专利文献CN110328657A公开了一种柔性外骨骼助力机器人，该助力机器人采用髋关节前屈拉伸和伸展拉伸的助力方案，通过两种拉伸助力的协同控制，使外骨骼系统能够在摆腿相和支撑相都能提供助力。采用基于代理的滑模控制策略，结合PID控制和滑模控制的优点，设计柔性外骨骼的人机协调控制系统，确保跟踪精度和快速平滑响应，实现多场景下的助力需求。该专利的不足之处在于当人体快速运动时，电机可能出现短时不响应的供能不足，驱动单元体积大，缺少负载挂接设计。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是：提供一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，以柔性驱动机构作为被控对象，以人体运动过程中的刚度和力需求变化作为设计输入，通过电机实时快速地产生辅助力矩，并且借助柔性机构传递动力，保证外骨骼助力的柔顺性、舒适性，并且在随机出现人机干扰力的情况下稳定工作，最终实现适时、适度、安全的助力，代替人体肌肉做功，降低人体的代谢消耗。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其包括从上至下依次连接的背架机构1、传动机构3、主控单元4、鲍登线5、腿部机构6和脚部机构7；所述腿部机构6和脚部机构7设置有若干传感器，所述传感器用于采集人体姿态信息；所述主控单元4设置在背架机构1上，用于根据采集到的人体姿态信息计算助力信息，并将该助力信息传递至传动机构3；所述传动机构3用于接收助力信息，带动鲍登线5产生拉力进行助力。其中，所述背架机构1包括：背带11、支架12、托板13、下托架14、安装板15、腰带16；所述背带11和腰带16固定在支架12上，所述腰带16设置在支架12底端，所述托板13相对腰带16对称设置在支架12另一侧底端，且托板13上设有固定装置用于放置背负物品，所述下托架14设置在托板13下方，所述安装板15对称固定在支架12底端两侧；所述传动机构3对称设置在安装板15上，所述传动机构3包括电机保护罩31、伺服电机32、电机法兰33、编码器34、减速机35和绳轮机构37；所述电机保护罩31与伺服电机32同轴且设置在伺服电机32外部，所述伺服电机32通过电机法兰33与减速机35连接，所述编码器34固定安装在减速机34上端，减速机35输出轴连接绳轮机构37；所述鲍登线5包括鲍登线外套51和鲍登线内芯52；所述鲍登线外套51一端固定在绳轮外壳371上，另一端固定在第一拉力传感器63底座上，所述鲍登线内芯52可以在鲍登线外套51内自由滑动；腿部机构6包括腿部人机绑缚带61、第一惯性传感器62和第一拉力传感器63以及锁紧销；所述腿部人机绑缚带61在使用状态时，固定在穿戴者小腿三头肌的中上部，所述第一惯性传感器62设置在腿部人机绑缚带61正前方，所述第一拉力传感器63通过锁紧销安装在人机绑缚带61的正后方；脚部机构7包括锁紧螺母71、鸡心环72、鲍登线固定件73、第二拉力传感器74、套筒75、第二惯性传感器76、鞋托77；所述鸡心环72、鲍登线固定件73、第二拉力传感器74和套筒75由上至下依次连接，所述套筒75近地端通过销轴固定在鞋托77底座上，套筒75可以在鞋托77上进行转动；第二拉力传感器74用于测量鲍登线对穿戴者踝关节的拉力；第二惯性传感器76固定在鞋托77的外侧面，用于测量步速、踝关节角度以及角速度信息。其中，所述主控单元4设置在下托架14上，所述主控单元4包括计算模块、驱动模块；所述计算模块通过第一拉力传感器63和第二拉力传感器74收集的拉力信息以及第一惯性传感器62和第二惯性传感器76收集姿态信息，计算穿戴者踝关节助力时机信息和助力扭矩大小信息，将所述助力时机信息和助力扭矩大小信息传递至驱动模块，所述驱动模块驱动伺服电机32转动，拉动鲍登线内芯52产生拉力进行助力。其中，所述下托板13设有电池安装部用于安装动力电池2，所述动力电池2为锂电池组，用于为传动机构3供电。其中，如权利要求2所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于，所述绳轮机构37包括绳轮外壳371、阻尼轮372、绳轮373、助力轴374；所述助力轴374设有内外环，内环中心开设孔，与所述减速机35输出轴键连接；所述绳轮373安装在助力轴374外环上，通过助力轴374带动绳轮373正反向转动，鲍登线内芯52缠绕在绳轮373上；所述阻尼轮372用于绷紧鲍登线内芯52。其中，如权利要求3所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特在于，所述绳轮373设有压块用于固定鲍登线内芯52；所述鲍登线内芯52一端穿过阻尼轮372缠绕在绳轮373的线槽内，端部固定在绳轮373压块中，另一端末端压入鸡心环72的凹槽内，通过锁紧螺母71固定在鲍登线固定件73处。其中，如权利要求2所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于，所述传动机构3还包括支撑板36，所述支撑板设有多个延伸部，所述延伸部上面设有螺孔可拆卸安装在减速机35外侧。其中，如权利要求2所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于，所述背带11设计有长度调节机构，用于调节人机绑带接触位置。其中，如权利要求2所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于，第一惯性传感器62用于实时采集人体走动时的加速度、角速度以及角度信息，第一拉力传感器63用于测量鲍登线外套51和鲍登线内芯52之间的摩擦力。其中，如权利要求9所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于，通过腿部的第一拉力传感器63、第二拉力传感器74和第一惯性传感器62、第二惯性传感器76得到的力和位置信息的实时力位闭环反馈与穿戴者步态匹配达到助力效果。(三)有益效果与现有技术相比较，本专利技术具备如下有益效果：1)传动柔顺、助力适时的特点，主控单元对实时采集的传感器数据进行在线智能步态识别，传动系统根据穿戴者运动交替拉动鲍登线传递力矩至脚踝实时助力。2)柔性灵活，符合人机工程学的背本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于：其包括从上至下依次连接的背架机构(1)、传动机构(3)、主控单元(4)、鲍登线(5)、腿部机构(6)和脚部机构(7)；/n所述腿部机构(6)和脚部机构(7)设置有若干传感器，所述传感器用于采集人体姿态信息；所述主控单元(4)设置在背架机构(1)上，用于根据采集到的人体姿态信息计算助力信息，并将该助力信息传递至传动机构(3)；所述传动机构(3)用于接收助力信息，带动鲍登线(5)产生拉力进行助力。/n

【技术特征摘要】
1.一种电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于：其包括从上至下依次连接的背架机构(1)、传动机构(3)、主控单元(4)、鲍登线(5)、腿部机构(6)和脚部机构(7)；
所述腿部机构(6)和脚部机构(7)设置有若干传感器，所述传感器用于采集人体姿态信息；所述主控单元(4)设置在背架机构(1)上，用于根据采集到的人体姿态信息计算助力信息，并将该助力信息传递至传动机构(3)；所述传动机构(3)用于接收助力信息，带动鲍登线(5)产生拉力进行助力。


2.如权利要求1所述的电动绳轮驱动外骨骼助力机器人，其特征在于，所述背架机构(1)包括：背带(11)、支架(12)、托板(13)、下托架(14)、安装板(15)、腰带(16)；所述背带(11)和腰带(16)固定在支架(12)上，所述腰带(16)设置在支架(12)底端，所述托板(13)相对腰带(16)对称设置在支架(12)另一侧底端，且托板(13)上设有固定装置用于放置背负物品，所述下托架(14)设置在托板(13)下方，所述安装板(15)对称固定在支架(12)底端两侧；
所述传动机构(3)对称设置在安装板(15)上，所述传动机构(3)包括电机保护罩(31)、伺服电机(32)、电机法兰(33)、编码器(34)、减速机(35)和绳轮机构(37)；所述电机保护罩(31)与伺服电机(32)同轴且设置在伺服电机(32)外部，所述伺服电机(32)通过电机法兰(33)与减速机(35)连接，所述编码器(34)固定安装在减速机(34)上端，减速机(35)输出轴连接绳轮机构(37)；
所述鲍登线(5)包括鲍登线外套(51)和鲍登线内芯(52)；所述鲍登线外套(51)一端固定在绳轮外壳(371)上，另一端固定在第一拉力传感器(63)底座上，所述鲍登线内芯(52)可以在鲍登线外套(51)内自由滑动；
腿部机构(6)包括腿部人机绑缚带(61)、第一惯性传感器(62)和第一拉力传感器(63)以及锁紧销；所述腿部人机绑缚带(61)在使用状态时，固定在穿戴者小腿三头肌的中上部，所述第一惯性传感器(62)设置在腿部人机绑缚带(61)正前方，所述第一拉力传感器(63)通过锁紧销安装在人机绑缚带(61)的正后方；
脚部机构(7)包括锁紧螺母(71)、鸡心环(72)、鲍登线固定件(73)、第二拉力传感器(74)、套筒(75)、第二惯性传感器(76)、鞋托(77)；
所述鸡心环(72)、鲍登线固定件(73)、第二拉力传感器(74)和套筒(75)由上至下依次连接，所述套筒(75)近地端通过销轴固定在鞋托(77)底座上，套筒(75)可以在鞋托(77)上进行转动；
第二拉力传感器(74)用于测量鲍登线对穿戴者踝关节的拉力；第二惯性传感器(76)固定在鞋托(77)的外侧面，用于测量步速...

【专利技术属性】
技术研发人员：李睿远，莫新民，李强，纪平鑫，宋鹏，赵浩，王永利，张昂，赵文彬，周加永，
申请(专利权)人：西北机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61