一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节制造技术

本发明专利技术属于机器人技术领域，涉及一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，包括膝关节驱动和传动组件、大腿杆自适应腿部绑缚组件和小腿杆自适应腿部绑缚组件；膝关节驱动和传动组件包括大腿杆、小腿杆、屈伸传动杆、膝关节固定座，大腿杆、小腿杆之间通过大小腿固定铰链连接，膝关节驱动单元设置在大腿杆上靠近髋关节位置，膝关节驱动单元的动力输出端为屈伸运动输出端盖，屈伸运动输出端盖的输出端与屈伸传动杆的一端铰接，屈伸传动杆的另一端与膝关节固定座的一端铰接，膝关节固定座的另一端固定在小腿杆上。本发明专利技术具有较大的力传递能力和较小的腿部惯量，提高外骨骼与穿戴者的运动相容性及其穿戴舒适性、便捷性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节
本专利技术属于机器人
，涉及一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节。
技术介绍
下肢外骨骼是一种与人体下肢结构相似的可穿戴仿生机器人，能够辅助穿戴者实现下肢康复、助力行走以及增强负重等功能，在康复、民用和军事等领域有着广泛的应用前景。根据人体关节运动机理研究，膝关节是由股骨内外侧的髁关节面、髌面、胫骨内外侧的髁关节面和髌骨的后面构成，能够围绕额状轴作屈/伸运动，并且在屈/伸过程中能够绕垂直轴作微小的旋转运动。因此，人体膝关节结构十分复杂，在膝关节屈伸运动时，关节接触表面既有滚动又有滑动，但在外骨骼设计中，一般将其简化为单轴铰链式关节，通过绑缚装置与人体腿部固定。这就导致外骨骼膝关节轴线难以与人体膝关节轴线对齐，出现不期望的负载力和运动约束，使绑带与人腿之间产生相对滑移，进而影响人体关节和软组织内力，穿戴者在长时间使用后轻则皮肤擦伤、重则肌肉损伤。对现有下肢外骨骼进行分析后可以发现，在膝关节的设计中，部分采用了欠驱动结构，不具备主动运动辅助能力；部分采用了驱动与膝关节直接连接的方式，虽然结构简单，但会导致腿部重心位置较低，腿部惯量较大，难以采用输出力矩较大的关节驱动；部分外骨骼将膝关节驱动安装于大腿杆上，通过齿轮或丝杠等进行传动，提高了腿部重心，但存在效率和润滑等问题。在腿部绑缚装置设计中，腿部支撑板与外骨骼之间通常采用刚性固定方式，或者仅有少量旋转自由度，不能适应不同穿戴者腿部生理参数，也无法补偿穿戴运动过程中产生的人机轴线偏差，导致穿戴舒适性较差。>
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，采用可减小腿部惯量的远程驱动式外骨骼膝关节设计，具有较大的力传递能力；可补偿膝关节轴线运动偏差的自适应腿部绑缚装置设计，提高外骨骼与穿戴者的运动相容性及其穿戴舒适性、便捷性和安全性。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特殊之处在于，包括膝关节驱动和传动组件、大腿杆自适应腿部绑缚组件和小腿杆自适应腿部绑缚组件；所述膝关节驱动和传动组件包括大腿杆、小腿杆、屈伸传动杆、膝关节固定座，大腿杆、小腿杆之间通过大小腿固定铰链连接，膝关节驱动单元设置在大腿杆上靠近髋关节位置，膝关节驱动单元的动力输出端为屈伸运动输出端盖，屈伸运动输出端盖的输出端与屈伸传动杆的一端铰接，屈伸传动杆的另一端与膝关节固定座的一端铰接，膝关节固定座的另一端固定在小腿杆上。由于膝关节驱动安装在外骨骼大腿杆上，提高了重心位置，通过屈伸传动杆传递膝关节屈伸运动，因此可选用较大的驱动输出力矩而不会大幅增加腿部惯量。进一步地，上述屈伸运动输出端盖的输出端通过主动端铰链与屈伸传动杆的一端铰接。进一步地，上述屈伸传动杆的另一端通过从动端铰链与膝关节固定座的一端铰接。进一步地，上述大腿杆自适应腿部绑缚组件包括上下移动补偿机构、前后移动补偿机构、左右移动补偿机构以及转动补偿功能机构；转动补偿功能机构包括大腿支撑板，上下移动补偿机构固定在外骨骼大腿杆上，上下移动补偿机构用于对大腿支撑板实现在垂直方向的上下移动补偿，前后移动补偿机构用于对大腿支撑板实现径向方向的前后移动补偿，左右移动补偿机构用于对大腿支撑板实现水平方向的左右移动补偿，转动补偿功能机构用于对大腿支撑板实现绕径向移动轴的转动补偿。进一步地，上述上下移动补偿机构包括垂直向导杆、垂直向移动滑块以及用于固定垂直向导杆的两个固定端，所述垂直向移动滑块可沿垂直向导杆移动，所述垂直向移动滑块两侧均设有阻尼弹簧；前后移动补偿机构包括前后径向导杆，前后径向导杆的一端固定在垂直向移动滑块上，前后径向导杆上设有前后径向移动滑块，前后径向移动滑块两侧均设有阻尼弹簧；左右移动补偿机构包括水平向导杆、径向移动滑块端盖，径向移动滑块端盖固定在前后径向移动滑块上，前后径向移动滑块内设有滑动腔；水平向导杆的部分位于滑动腔内，水平向导杆一端并穿过前后径向移动滑块，水平向圆柱导杆中间设有轴肩，水平向圆柱导杆的轴肩两侧分别设有阻尼弹簧。水平向圆柱导杆可在前后径向移动滑块形成的滑动腔内移动。转动补偿功能机构包括大腿支撑板固定座铰链销、大腿支撑板固定座；大腿支撑板固定座通过大腿支撑板固定座铰链销铰接在水平向圆柱导杆上，大腿支撑板固定在大腿支撑板固定座上。进一步地，上述小腿杆自适应腿部绑缚组件包括小腿支撑板、左右移动补偿机构、转动补偿机构和上下移动补偿机构；左右移动补偿机构用于对小腿支撑板实现水平方向的左右移动补偿，转动补偿机构用于对小腿支撑板实现绕水平移动轴的转动补偿，上下移动补偿机构用于对小腿支撑板实现垂直方向的上下移动补偿功能。进一步地，上述左右移动补偿机构包括小腿支撑板固定座、小腿支撑板支架，小腿支撑板固定座可沿小腿支撑板支架进行移动，小腿支撑板固定座的两侧设有阻尼弹簧；所述小腿支撑板固定座还可绕小腿支撑板支架转动，构成转动补偿机构；上下移动补偿机构包括设置在小腿支撑板上的滑槽，所述小腿支撑板固定座可沿滑槽上下移动。进一步地，上述小腿支撑板上的滑槽上设有限位螺钉。进一步地，上述小腿支撑板支架的一端通过支架铰链销与小腿支架固定座铰接，小腿支撑板支架与小腿支架固定座还通过拉环弹簧销进行固定；小腿支架固定座固定在小腿杆上。本专利技术的优点：1)膝关节驱动安装于大腿杆上，提高了重心，减小了腿部惯量；2)通过传动比为1的平行四边形机构传递屈伸运动，等价于直接驱动，相较于齿轮、丝杠等传动方式效率高；3)相较于驱动和关节直接连接的方式，在不增加髋关节驱动负载的情况下，可选用扭矩较大的膝关节驱动器，提高膝关节主动运动辅助能力；4)腿部绑缚采用更多的被动自由度，包括上下移动、前后移动、水平移动和径向旋转，提高了自适应轴线偏差补偿能力；5)相较于采用初始位置偏差补偿的手动调整方式，自适应腿部绑缚装置能够在运动过程中进行动态轴线偏差补偿；6)采用开合式小腿绑缚设计，穿戴过程中可快速打开和锁止，相较于固定式悬臂梁结构，穿戴更加便捷。附图说明图1是外骨骼机器人膝关节人体穿戴示意图；图2是带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节整体结构示意图；图3是外骨骼机器人膝关节驱动与传动结构组成示意图；图4是大腿绑缚装置整体结构示意图；图5是大腿绑缚装置结构分解示意图；图6是小腿绑缚装置在锁止状态的整体结构示意图；图7是小腿绑缚装置在打开状态的整体结构示意图；图8是小腿绑缚装置结构分解示意图；图9是外骨骼机器人膝关节在站立运动状态的示意图；图10是外骨骼机器人膝关节在屈膝运动状态的示意图。其中：1、膝关节驱动和传动组件；11、大腿杆；12、膝关节驱动单元；13、屈伸运动输出端盖；14、主动端铰链；15、屈伸传动杆；16、从动端铰链；17、膝关节固定座；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：/n包括膝关节驱动和传动组件(1)、大腿杆自适应腿部绑缚组件(2)和小腿杆自适应腿部绑缚组件(3)；/n所述膝关节驱动和传动组件(1)包括大腿杆(11)、小腿杆(19)、屈伸传动杆(15)、膝关节固定座(17)，/n大腿杆(11)、小腿杆(19)之间通过大小腿固定铰链(18)连接，膝关节驱动单元(12)设置在大腿杆(11)上靠近髋关节位置，/n膝关节驱动单元(12)的动力输出端为屈伸运动输出端盖(13)，屈伸运动输出端盖(13)的输出端与屈伸传动杆(15)的一端铰接，屈伸传动杆(15)的另一端与膝关节固定座(17)的一端铰接，膝关节固定座(17)的另一端固定在小腿杆(19)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
包括膝关节驱动和传动组件(1)、大腿杆自适应腿部绑缚组件(2)和小腿杆自适应腿部绑缚组件(3)；
所述膝关节驱动和传动组件(1)包括大腿杆(11)、小腿杆(19)、屈伸传动杆(15)、膝关节固定座(17)，
大腿杆(11)、小腿杆(19)之间通过大小腿固定铰链(18)连接，膝关节驱动单元(12)设置在大腿杆(11)上靠近髋关节位置，
膝关节驱动单元(12)的动力输出端为屈伸运动输出端盖(13)，屈伸运动输出端盖(13)的输出端与屈伸传动杆(15)的一端铰接，屈伸传动杆(15)的另一端与膝关节固定座(17)的一端铰接，膝关节固定座(17)的另一端固定在小腿杆(19)上。


2.根据权利要求1所述的一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述屈伸运动输出端盖(13)的输出端通过主动端铰链(14)与屈伸传动杆(15)的一端铰接。


3.根据权利要求2所述的一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述屈伸传动杆(15)的另一端通过从动端铰链(16)与膝关节固定座(17)的一端铰接。


4.根据权利要求3所述的一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述大腿杆自适应腿部绑缚组件(2)包括上下移动补偿机构、前后移动补偿机构、左右移动补偿机构以及转动补偿功能机构；转动补偿功能机构包括大腿支撑板(220)，
上下移动补偿机构固定在外骨骼大腿杆(11)上，上下移动补偿机构用于对大腿支撑板(220)实现在垂直方向的上下移动补偿，前后移动补偿机构用于对大腿支撑板(220)实现径向方向的前后移动补偿，左右移动补偿机构用于对大腿支撑板(220)实现水平方向的左右移动补偿，转动补偿功能机构用于对大腿支撑板(220)实现绕径向移动轴的转动补偿。


5.根据权利要求4所述的一种带有自适应绑缚的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述上下移动补偿机构包括垂直向导杆、垂直向移动滑块(28)以及用于固定垂直向导杆的两个固定端，所述垂直向移动滑块(28)可沿垂直向导杆移动，所述垂直向移动滑块(28)两侧均设有阻尼弹簧；
前后移动补偿机构包括前后径向导杆，前后径向导杆的一端固定在垂直向移动滑块(28)上，前后径向导杆上设有前后径向移动滑块(214)，前后径向移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴新宇，刘静帅，何勇，李金科，马跃，李锋，孙健铨，曹武警，王大帅，董遥，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44