一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人制造技术

一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人，包括胸部后背硬护板（2），腹部后背硬护板（4），腹部硬护板合页（5）、膝关节电机（20）和胯关节电机齿轮（11

【技术实现步骤摘要】
一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人


[0001]本专利技术涉及一种外骨骼机器人，特别是一种用于下肢残障人行走及负重人行走的外骨骼机器人。

技术介绍

[0002]外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。
[0003]以下是近些年有代表性的研究成果。
[0004]1 日本外骨骼机器人HAL3 它由筑波大学研发，功能为:帮助人行走、起立、坐下等下肢动作的动力辅助机器"机器人套装Robot suit"HALHabrid Assist Legs，该机器人主要由无线LAN局域网系统、电池组、电机及减速器、传感器地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器、执行机构等组成，总重约17千克，设备较重，动力传动采用电机
‑
减速器
‑
外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。市场规划:将主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途，并且加强运动娱乐用途市场的开发力度，将针对各种用途进行HAL的设计生产。
[0005]2 以色列"外骨骼"助力装置ReWalk 埃尔格医学技术公司研发的"ReWalk"用一副拐杖帮助维持身体平衡，由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向前倾，激活身体感应器，使机械腿处于运动之中。主要用来助瘫痪者恢复行走能力。动力传动采用电机
>‑
减速器
‑
外骨骼机构的方法，运动模式主要是装置带动人体动作，装置的助力大小由控制系统设定，不能跟随人的动作意愿而随时改变。市场规划主要是针对下肢瘫痪的顾客进行产品开发。
[0006]3 美国伯克利大学军方合作项目
‑‑
外骨骼助力机器人士兵服：该装置名为伯克利低位肢体外骨骼Berkeley Lower Extremity Exoskeleton或称作布利克斯BLEEX，是高级防御研究工程机构设计出来的，尝试将自动机械支柱与人的双腿相连，以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构，使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包，背包中同时还留有承载有效载荷的空间。动力传动过程为:发动机
‑
液压系统
‑
外骨骼机构。该装置能平衡掉设备的自重有50千克，使人穿着时无负载感觉，且控制系统将保证它的重心始终是在使用者的双脚上。该装置的背包中还可负载32千克重量。而对使用者而言，他则只感觉像是背了2千克一样。这种装置除了帮助士兵外，还可以协助医疗人员将伤员撤离开危险地区或使消防员能够携带很重的设备攀登上更多的楼层。
[0007]4 美国另一个军事合作项目，代表助力外骨骼机器人最新水平的Raytheon Sarcos XOS是Steve Jacobsen博士的得意之作机动外骨骼 "XOS"，外骨骼"XOS"是为了创造出超人的士兵，而由美国国防部高等研究计划局DARPA提供了1000万美元的军事研究预
算，经过7年秘密研发出来的，代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。它的控制思想同BLEEX一样，控制系统通过检测系统和微机系统判断人的下个动作，从而决定加给人体多大的助力及速度，并且也是通过液压系统将力传给外骨骼机构，但它是全身武装的外骨骼，而BLEEX是下肢外骨骼机器人。"XOS"动作较从前的外骨骼设备动作要敏捷的多并且强有力。利用附在身体上的传感器，可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量。当穿上"XOS"时，能举起90.7kg的重物而人体感觉只有9千克，能连续举50
‑
500次。但目前"XOS"有一个重大缺陷，就是自带的电池消耗大，使用时间短。
[0008]上述外骨骼机器人大多集成了多种传感器，如足底力传感器、姿态传感器以及绝对值编码器等，通过多传感器信息融合，虽然使得外骨骼机器人在运行过程中更加稳定和安全，但是，结构都非常复杂，造价高，重量重，操作复杂。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种可以帮助下肢残障人士自由行动，改善其生活状态，使他们基本和正常人一样行动、或者是帮助负重人员减轻下肢负重，达到长时间、长距离行走的一种辅助下肢残障人行走及负重人行走，并且结构简单、成本低廉，重量轻，操作简单，适合普通家庭病患使用的一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人。
[0010]本专利技术的目的是通过以下方法实现的：一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人，包括胸部硬护板合页1，胸部后背硬护板2，腹部后背硬护板4，腹部硬护板合页5，胯关节电磁铁6，胯关节限位锥孔6
‑
1，胯关节销轴7，胯关节销轴轴承8，第一开关10
‑
1，胯关节电机11，胯关节电机齿轮11
‑
1，大腿外骨骼支撑板绑带12，第二开关15
‑
1，膝关节销轴轴承16，膝关节销轴17，胸部后背硬护板球头轴承18，膝关节电磁铁 19，膝关节限位锥孔19
‑
1，膝关节电机20，膝关节电机齿轮20
‑
1，小腿外骨骼支撑板绑带22，外骨骼鞋上的球头轴承24，外骨骼鞋25，胸部前面软绑带26，腹部前面软绑带27，胯关节圆弧内齿轮把手28，外骨骼鞋上的扭簧29，胯关节坐下触碰开关30，膝关节坐下触碰开关31；大腿外骨骼支撑板调节板32，小腿外骨骼支撑板调节板33，外骨骼鞋底压力触碰开关34，触碰开关35
‑
1，胯关节退步触碰开关36，腹部后背硬护板球头轴承37，控制板，其特征是：胸部后背硬护板2和腹部后背硬护板4的两端安装有对称的胸腹支撑板3；胸部后背硬护板2和腹部后背硬护板4的前端分别设有胸部前面软绑带26、腹部前面软绑带27；胸部后背硬护板2通过胸部硬护板合页1与胸腹支撑板3连接在一起；腹部后背硬护板4通过腹部硬护板合页5与胸腹支撑板3连接在一起；胸部后背硬护板2的中间断开，由胸部后背硬护板球头轴承18将两端连接起来；腹部后背硬护板4的中间断开，由腹部后背硬护板球头轴承37将两端连接起来；胸腹支撑板3的下端固定有胯关节圆弧内齿轮9，胯关节圆弧内齿轮9上有与之啮合的胯关节电机齿轮11
‑
1，胯关节电机11固定在大腿外骨骼支撑板13的前面；胯关节圆弧内齿轮9的外侧面固定有胯关节电磁铁行走限位块10和第一开关10
‑
1，所述胯关节电磁铁行走限位块10和第一开关10
‑
1在以胯关节销轴7孔中心为中心，使用人行走时向上向前抬起大腿外骨骼支撑板13时的中心线与胸腹支撑板3中心线的延长线夹
角a不低于20
°
到40
°
的位置上，并可调节；胯关节圆弧内齿轮9的齿面上端设有胯关节坐下触碰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人，包括胸部硬护板合页（1），胸部后背硬护板（2），腹部后背硬护板（4），腹部硬护板合页（5），胯关节电磁铁（6），胯关节限位锥孔（6
‑
1），胯关节销轴（7），胯关节销轴轴承（8），第一开关（10
‑
1），胯关节电机（11），胯关节电机齿轮（11
‑
1），大腿外骨骼支撑板绑带（12），第二开关（15
‑
1），膝关节销轴轴承（16），膝关节销轴（17），胸部后背硬护板球头轴承（18），膝关节电磁铁 （19），膝关节限位锥孔（19
‑
1），膝关节电机（20），膝关节电机齿轮（20
‑
1），小腿外骨骼支撑板绑带（22），外骨骼鞋上的球头轴承（24），外骨骼鞋（25），胸部前面软绑带（26），腹部前面软绑带（27），胯关节圆弧内齿轮把手（28），外骨骼鞋上的扭簧（29），胯关节坐下触碰开关（30），膝关节坐下触碰开关（31）；大腿外骨骼支撑板调节板（32），小腿外骨骼支撑板调节板（33），外骨骼鞋底压力触碰开关（34），触碰开关（35
‑
1），胯关节退步触碰开关（36），腹部后背硬护板球头轴承（37），控制板，其特征是：胸部后背硬护板（2）和腹部后背硬护板（4）的两端安装有对称的胸腹支撑板（3）；胸部后背硬护板（2）和腹部后背硬护板（4）的前端分别设有胸部前面软绑带（26）、腹部前面软绑带（27）；胸部后背硬护板（2）通过胸部硬护板合页（1）与胸腹支撑板（3）连接在一起；腹部后背硬护板（4）通过腹部硬护板合页（5）与胸腹支撑板（3）连接在一起；胸部后背硬护板（2）的中间断开，由胸部后背硬护板球头轴承（18）将两端连接起来；腹部后背硬护板（4）的中间断开，由腹部后背硬护板球头轴承（37）将两端连接起来；胸腹支撑板（3）的下端固定有胯关节圆弧内齿轮（9），胯关节圆弧内齿轮（9）上有与之啮合的胯关节电机齿轮（11
‑
1），胯关节电机（11）固定在大腿外骨骼支撑板（13）的前面；胯关节圆弧内齿轮（9）的外侧面固定有胯关节电磁铁行走限位块（10）和第一开关（10
‑
1），所述胯关节电磁铁行走限位块（10）和第一开关（10
‑
1）在以胯关节销轴（7）孔中心为中心，使用人行走时向上向前抬起大腿外骨骼支撑板（13）时的中心线与胸腹支撑板（3）中心线的延长线夹角a不低于20
°
到40
°
的位置上，并可调节；胯关节圆弧内齿轮（9）的齿面上端设有胯关节坐下触碰开关（30），胯关节坐下触碰开关（30）在以胯关节销轴（7）孔的中心为中心，使用人坐下时，向上向前抬起大腿外骨骼支撑板（13）时的中心线与胸腹支撑板（3）中心线的延长线夹角c为，不低于90
°
的位置上；胯关节圆弧内齿轮（9）下端外侧面设有胯关节电磁铁站立限位块（35）和触碰开关（35
‑
1），所述该胯关节电磁铁站立限位块（35）和触碰开关（35
‑
1）在以胯关节销轴（7）孔的中心为中心，且使用人在站立时，即胸腹支撑板（3）和大腿外骨骼支撑板（13）垂直中心线重合并成直线站立状态的位置上；胯关节电磁铁（6）安装在胯关节U型弯头（13
‑
1）外侧；胸腹支撑板（3）的下端即胯关节圆弧内齿轮（9）插入胯关节U型弯头（13
‑
1）内，通过胯关节销轴（7）和胯关节销轴轴承（8）连接在一起；胯关节U型弯头（13
‑
1）外侧胯关节销轴（7）下端设有胯关节电磁铁（6），胸腹支撑板（3）下端即胯关节圆弧内齿轮（9）上的靠外侧，对应胯关节电磁铁（6）的位置，有胯关节限位锥孔（6
‑
1）；所述胯关节退步触碰开关（36）在胯关节圆弧内齿轮齿面上，以胯关节销轴（7）孔中心为中心，使用人退步时，向后向上抬起大腿外骨骼支撑板（13）的中心线与胸腹支撑板（3）中心线的延长线夹角e不低于20
°
~40
°
的位置上；
大腿外骨骼支撑板（13）的上端为胯关节U型弯头（13
‑
1），胯关节U型弯头（13
‑
1）靠内侧竖直边的延长部分为大腿外骨骼支撑板（13）下端，大腿外骨骼支撑板（13）下端底部固定有膝关节圆弧内齿轮（14）；膝关节圆弧内齿轮（14）下端齿面上固定有膝关节站立触碰开关（21），所述膝关节站立触碰开关（21）的位置在以膝关节销轴（17）孔中心为中心，使用人在站立时，大腿外骨骼支撑板（13）和小腿外骨骼支撑板（23）中心线重合并成直线站立状态的位置上；膝关节圆弧内齿轮（14）上有与之啮合的膝关节电机齿轮（20
‑
1），膝关节电机（20）固定在小腿外骨骼支撑板（23）的后面；膝关节圆弧内齿轮（14）的外侧面固定有膝关节电磁铁行走限位块（15）和第二开关（15
‑
1），所述膝关节电磁铁行走限位块（15）和第二开关（15
‑
1）的位置，在以膝关节销轴（17）孔中心为中心，使用人行走时，向后抬起小腿外骨骼支撑板（23）的中心线和大腿外骨骼支撑板（13）中心线的延长线夹角b不低于20
°
~40
°
的位置上；膝关节圆弧内齿轮（14）的齿面上端设有膝关节坐下触碰开关（31），所述膝关节坐下触碰开关（31）在以膝关节销轴（17）孔中心为中心，使用人坐下时，向后抬起小腿外骨骼支撑板（23）的中心线和大腿外骨骼支撑板（13）中心线的延长线的夹角d大于90
°
的位置上；大腿外骨骼支撑板（13）的下端为膝关节圆弧内齿轮（14），上端为胯关节U型弯头（13
‑
1），大腿外骨骼支撑板（13）的中部为断开状态，通过大腿外骨骼支撑板调节板（32）将大腿外骨骼支撑板（13）上下两部分通过螺栓连接在一起；大腿外骨骼支撑板（13）的下端即膝关节圆弧内齿轮（14）插入膝关节U型弯头（23
‑
1）内，通过膝关节销轴（17）和膝关节销轴轴承（16）连接在一起，膝关节U型弯头（23
‑
1）外侧膝关节销轴（17）下端设有膝关节电磁铁19；大腿外骨骼支撑板（13）下端即膝关节圆弧内齿轮（14）上的靠外侧对应膝关节电磁铁19的位置，有膝关节限位锥孔（19
‑
1）；在大腿外骨骼支撑板（13）和小腿外骨骼支撑板（23）上的中部设有大腿外骨骼支撑板绑带（12）和小腿外骨骼支撑板绑带（22）；小腿外骨骼支撑板（23）的上端为膝关节U型弯头（23
‑
1），膝关节U型弯头（23
‑
1）靠内侧竖直边的延长部分为小腿外骨骼支撑板（23）下端；小腿外骨骼支撑板（23）的中部为断开状态，通过小腿外骨骼支撑板调节板（33）将小腿外骨骼支撑板（23）上下两部分通过螺栓连接在一起；小腿外骨骼支撑板（23）下端为球头轴承（24），球头轴承（24）的一端固定在小腿外骨骼支撑板（23）的下方，另一端固定在外骨骼鞋（25）上；在外骨骼鞋（25）的底部，设有外骨骼鞋底压力触碰开关（34）；扭簧29为90度形状，其两端分别固定在小腿外骨骼支撑板（23）的下端前面和外骨骼鞋（25）上；大腿外骨骼支撑板（13）是由上部胯关节U型弯头（13
‑
1）和下部的膝关节圆弧内齿轮（14）通过大腿外骨骼支撑板调节板（32）连接在一起；小腿外骨骼支撑板（23）是由上部膝关节U型弯头（23
‑
1）和下部的长方体支撑板通过小腿外骨骼支撑板调节板（33）连接在一起；胸腹支撑板（3）是由胯关节上部的长方体支撑板和下部的胯关节圆弧内齿轮（9）固定在一起的；所述控制板上设有站立状态的电路控制模块、行走状态的电路控制模块、坐下状态的
电路控制模块、站起状态的电路控制模块、后退状态的电路控制模块、转弯状态的电路控制模块、上楼梯或上坡状态的电路控制模块、下楼梯或下坡状态的电路控制模块。2.根据权利要求1所述的一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人，其特征是：站立状态的电路控制模块的控制方式如下：总电源开关接通，打开控制板上站立状态的电路控制模块开关，开启“站立模式”，电路集成块联动模式开启，左右胯关节电磁铁站立限位块断电，控制左胯关节电机反向通电，左胯关节电磁铁通电，左膝关节电机反向通电，左膝关节电磁铁通电；同时右胯关节电机反向通电，右胯关节电磁铁通电，右膝关节电机反向通电，右膝关节电磁铁通电；因为左右胯关节电机齿轮触碰到左右胯关节电磁铁站立限位块上的触碰开关，左右膝关节电机齿轮触碰到左右膝关节站立触碰开关，以上开关控制左右胯关节和左右膝关节的电机、电磁铁断电；上述的联动效果，左、右胯关节电磁铁、左右膝关节电磁铁均为断电状态；电磁铁内的芯铁弹出，嵌入相对应的胯关节限位锥孔6
‑
1和膝关节限位孔19
‑
1，形成左右大腿外骨骼支撑板与其各自相对应的胸腹支撑板成锁闭直线站立状态，左右大腿外骨骼支撑板与相对应的小腿外骨骼支撑板成锁闭直线站立状态。3.根据权利要求1所述的一种辅助下肢残障人及负重人员行走的外骨骼机器人，其特征是：行走状态的电路控制模块的控制方式如下：总电源开关接通，打开控制板上行走状态的电路控制模块开关，开启“行走模式”，电路集成块联动模式开启，左右胯关节电磁铁行走限位块断电，左右膝关节电磁铁行走限位块断电，左右胯关节电磁铁站立限位块通电；比如先迈左腿起步，使用人这时身体重心偏移到右外骨骼脚上，因左脚对地面的压力减小至零，此时左脚底的压力触碰开关接通，控制左胯关节电机通电，左胯关节电磁铁通电；左膝关节电机通电，左膝关节电磁铁通电；右胯关节的电机反向通电，右胯关节电磁铁通电；右膝关节电机反向通电，右膝关节的电磁铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坚，
申请(专利权)人：王坚，
类型：发明
国别省市：