本发明专利技术涉及一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，属于膝关节外骨骼技术领域；包括腰封、2个腿部机构、可拆卸驱动单元、绑缚和内衬；腰封套装在穿戴者的腰部；2个腿部机构对称竖直安装在腰封的下方，且安装在佩戴者的2个腿部；可拆卸驱动单元安装在腰封和其中1个腿部机构的侧壁；绑缚分别套装在穿戴者的大腿部分、膝盖部分和小腿部分；且绑缚与腿部机构连接，实现将腿部机构紧固在穿戴者的腿上；内衬分别设置在穿戴者大腿部分的绑缚内壁和穿戴者小腿部分的绑缚内壁，与穿戴者大腿和小腿接触；本发明专利技术解决了外骨骼功能单一，传统膝关节动力源拆结构安装复杂，控制感知元器拆装不便，实现满足动力源和控制传感器系统快速拆装的功能。装的功能。装的功能。
【技术实现步骤摘要】
一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人
[0001]本专利技术属于膝关节外骨骼
，涉及一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人。
技术介绍
[0002]外骨骼机器人是一种可穿戴式设备，穿戴在人的肢体上，在人体静止或运动时可以提供助力或者辅助支撑等，增强人运动能力的机器人系统；可以运用机械机构和传感器等信息采集系统为人体提供辅助和实时助力，帮助穿戴者完成超负荷状态下的动作和任务。外骨骼机器人应用分为军用和民用两类。军用主要用来提高士兵的体能，提高士兵边境巡逻和特殊环境下作业能力；民用主要用来医疗康复、助老助残和消防等场景中，辅助行走和提升活动能力。
[0003]目前在外骨骼机器人
，普及率非常低。传统的机械外骨骼机器人包括有源助力型和无源辅助型。有源助力外骨骼驱动系统包括液压驱动、电机驱动、气动驱动以及柔性人工肌肉驱动等，这类外骨骼机械本体一般负载笨重、便携性差、对人体负载感大，人机耦合性差，穿戴有偏离，重心不匹配，很难满足人机交互的准确性和同步。
[0004]在已公布多个专利和现实样机中，下肢外骨骼机器人由髋关节组件、膝关节组件和踝关节组件组成及连接件组成，关节处使用伺服电机、谐波减速器和编码器及制动器集成设计，通过连接件及绑带为穿戴者提供助力，满足穿戴者出力时助力，站立时支撑锁定的功能。但整套外骨骼系统结构负载，关节较重，机构穿戴不方便，运动过程与人体发生偏离。
[0005]无源辅助外骨骼的应用在康复辅助，助老助残，较多。由于其结构的简洁性，虽然能够满足下肢康复患者和老年人初级需求；但由于缺少源动力支持，所以应用受限，对于有更高助力需求的穿戴者，无法提供帮助。
[0006]膝关节外骨骼作为下肢外骨骼机器人的主要组成，其系统一般包括有源动力系统、机械系统、控制系统、人机交互系统等。其中机械机构和控制系统及动力系统搭建是核心点也是难点。传统的膝关节外骨骼在关节处需求有独立的动力源提供动力，由于动力源和控制感知系统复杂布置，导致整体结构负载笨重，穿戴不方便，功能单一。
技术实现思路
[0007]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，解决了外骨骼功能单一，传统膝关节动力源拆结构安装复杂，控制感知元器拆装不便，实现满足动力源和控制传感器系统快速拆装的功能。
[0008]本专利技术解决技术的方案是：
[0009]一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，包括腰封、2个腿部机构、可拆卸驱动单元、绑缚和内衬；其中，腰封套装在穿戴者的腰部；2个腿部机构对称竖直安装在腰封的下方，且安装在佩戴者的2个腿部；可拆卸驱动单元安装在腰封和其中1个腿部机构的侧壁；绑缚分别套装在穿戴者的大腿部分、膝盖部分和小腿部分；且绑缚与腿部机构连
接，实现将腿部机构紧固在穿戴者的腿上；内衬分别设置在穿戴者大腿部分的绑缚内壁和穿戴者小腿部分的绑缚内壁，与穿戴者大腿和小腿接触。
[0010]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述腿部机构包括大腿连杆组件、关节组件和小腿连杆组件；其中，大腿连杆组件竖直安装在腰封的底部；关节组件安装在大腿连杆组件的底部；小腿连杆组件安装在关节组件的底部；大腿连杆组件设置在穿戴者的大腿部位；关节组件设置在穿戴者的膝部；小腿连杆组件设置在穿戴者小腿部位。
[0011]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述可拆卸驱动单元包括电源、快插组件、控制盒和驱动关节；其中，快插组件设置在腰封的一侧；控制盒设置在腰封的另一侧；快插组件用于安装电源；驱动关节设置在关节组件的外侧；电源通过线缆分别与控制盒和驱动关节连接实现供电；控制盒通过线缆与驱动关节连接，实现对驱动关节的控制，为穿戴者提供助力。
[0012]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述大腿连杆组件包括第一大腿外侧连杆、第二大腿外侧连杆、锁紧组件、第一大腿内侧连杆、第二大腿内侧连杆、传感器接口和传感器单元；其中，第一大腿外侧连杆竖直与腰封固连；第一大腿外侧连杆通过锁紧组件与第二大腿外侧连杆连接；第二大腿外侧连杆实现沿第一大腿外侧连杆轴向进行竖直伸缩调整，伸缩到位后通过锁紧组件进行锁紧；传感器接口设置在第二大腿外侧连杆的外侧壁上，通过传感器接口安装传感器单元；第一大腿外侧连杆和第二大腿外侧连杆位于穿戴者大腿外侧；套装在穿戴者的大腿部分绑缚的外侧壁与第一大腿外侧连杆固连；第一大腿内侧连杆竖直与该绑缚的内侧壁固连；第二大腿内侧连杆位于第一大腿内侧连杆的侧壁，且第二大腿内侧连杆实现沿第一大腿内侧连杆轴向进行竖直伸缩调整。
[0013]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述关节组件包括基座件、输出法兰件、轴承、第一挡圈、第二挡圈和连接件；其中，轴承安装基座件的槽内；第一挡圈固连在基座件的一侧，实现限位轴承的轴向移动；第二挡圈固定安装在输出法兰件上，第二挡圈和法兰件共同固定轴承的内圈；实现基座件与输出法兰件为旋转副连接；基座件通过连接件与第二大腿外侧连杆对接；驱动关节与输出法兰件同轴对接。
[0014]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，连接件包括蜗杆和涡轮；其中，涡轮设置在第二大腿外侧连杆的侧壁；蜗杆设置在基座件的顶部；蜗杆与涡轮啮合传动。
[0015]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述小腿连杆组件通过关节组件与大腿连杆组件旋转连接，且小腿连杆组件的组成结构与大腿连杆组件相同。
[0016]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述绑缚包括大腿柔性绑带、护膝组件和小腿柔性绑带；其中，大腿柔性绑带套装在穿戴者的大腿部分；护膝组件套装在穿戴者的膝盖部分；小腿柔性绑带套装在穿戴者的小腿部分。
[0017]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述内衬包括大腿防滑内衬和小腿防滑内衬；其中，大腿防滑内衬贴附设置在大腿柔性绑带的内壁；小腿防滑内衬贴附设置在小腿柔性绑带的内壁；内衬作为防护面料与穿戴者皮肤直接接触。
[0018]在上述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，所述护膝组件包括
膝上绑带、膝后绑带和膝下绑带；其中，膝上绑带固定在第二大腿外侧连杆上，膝下绑带固定在小腿连杆组件上；通过所述膝上绑带和膝下绑带固定在人膝关节上下，通过膝后绑带调节护膝组件的松紧程度。
[0019]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0020](1)本专利技术设计了关节驱动单元和左右腿机构机械接口，采用驱动单元与关节本体结构并联方式，连接驱动单元后上电可提供助力，外骨骼机器人拆下驱动单元后可以提供无源辅助支撑的功能，有源和无源功能集成一体，又能快速分离；
[0021](2)本专利技术的腿部机构采用可伸缩形式设计，大腿连接组件和小腿连接组件模块化设计，可是设备适应不同身高的穿戴者，提高设备适应性；腿部组件伸缩设计采用的锁紧组件结构形式简单，安全可靠，操作方便，可快捷完本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，其特征在于：包括腰封(1)、2个腿部机构(2)、可拆卸驱动单元(3)、绑缚(4)和内衬(5)；其中，腰封(1)套装在穿戴者的腰部；2个腿部机构(2)对称竖直安装在腰封(1)的下方，且安装在佩戴者的2个腿部；可拆卸驱动单元(3)安装在腰封(1)和其中1个腿部机构(2)的侧壁；绑缚(4)分别套装在穿戴者的大腿部分、膝盖部分和小腿部分；且绑缚(4)与腿部机构(2)连接，实现将腿部机构(2)紧固在穿戴者的腿上；内衬(5)分别设置在穿戴者大腿部分的绑缚(4)内壁和穿戴者小腿部分的绑缚(4)内壁，与穿戴者大腿和小腿接触。2.根据权利要求1所述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，其特征在于：所述腿部机构(2)包括大腿连杆组件(21)、关节组件(22)和小腿连杆组件(23)；其中，大腿连杆组件(21)竖直安装在腰封(1)的底部；关节组件(22)安装在大腿连杆组件(21)的底部；小腿连杆组件(23)安装在关节组件(22)的底部；大腿连杆组件(21)设置在穿戴者的大腿部位；关节组件(22)设置在穿戴者的膝部；小腿连杆组件(23)设置在穿戴者小腿部位。3.根据权利要求2所述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，其特征在于：所述可拆卸驱动单元(3)包括电源(301)、快插组件(302)、控制盒(303)和驱动关节(306)；其中，快插组件(302)设置在腰封(1)的一侧；控制盒(303)设置在腰封(1)的另一侧；快插组件(302)用于安装电源(301)；驱动关节(306)设置在关节组件(22)的外侧；电源(301)通过线缆分别与控制盒(303)和驱动关节(306)连接实现供电；控制盒(303)通过线缆与驱动关节(306)连接，实现对驱动关节(306)的控制，为穿戴者提供助力。4.根据权利要求2所述的一种基于模块化的有源与无源膝关节外骨骼机器人，其特征在于：所述大腿连杆组件(21)包括第一大腿外侧连杆(211)、第二大腿外侧连杆(212)、锁紧组件(219)、第一大腿内侧连杆(213)、第二大腿内侧连杆(214)、传感器接口(217)和传感器单元(218)；其中，第一大腿外侧连杆(211)竖直与腰封(1)固连；第一大腿外侧连杆(211)通过锁紧组件(219)与第二大腿外侧连杆(212)连接；第二大腿外侧连杆(212)实现沿第一大腿外侧连杆(211)轴向进行竖直伸缩调整，伸缩到位后通过锁紧组件(219)进行锁紧；传感器接口(217)设置在第二大腿外侧连杆(212)的外侧壁上，通过传感器接口(217)安装传感器单元(218)；第一大腿外侧连杆(211)和第二大腿外侧连杆(212)位于穿戴者大腿外侧；套装在穿戴者的大腿部分绑缚(4)的外侧壁与第一大腿外侧连杆(211)固连；第一大腿内...
【专利技术属性】
技术研发人员：远桂方，刘旭亮，刘宏伟，闫国栋，朱晓荣，尹业成，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：
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