一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及特种服务机器人技术领域，公开了一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，包括腰部绑缚模块、两个腿部绑缚模块、两个执行端模块、两个电机端模块、两个鲍登线和主控模块；每个腿部绑缚模块包括自上至下依次连接的大腿绑缚模块、膝盖绑缚模块和小腿绑缚模块；执行端模块设置在膝盖绑缚模块上，电机端模块设置在腰部绑缚模块上；鲍登线分别连接在对应侧的电机端模块和执行端模块之间；主控模块设置在腰部绑缚模块上，用于控制电机端模块的工作状态，电机端模块通过鲍登线实现对执行端模块的控制，从而实现腿部绑缚模块的助力。本发明专利技术可对膝关节屈曲状态切换回伸展状态时的正向伸展助力输出力矩，增强膝关节正向伸展助力能力。伸展助力能力。伸展助力能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置


[0001]本专利技术属于特种服务机器人
，具体涉及一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置。

技术介绍

[0002]外骨骼装置是融合了传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术，是一种能在操作者的无意识控制下完成的助力行走等功能和任务的人机一体化系统。外骨骼装置通常有两种不同的应用场景：一是补偿人类失去的运动能力，主要应用对象是那些脊髓损伤、中风等其他原因导致运动功能丧失的患者。外骨骼装置以辅具和康复器具的方式代替或康复患者的运动能力。二是增强人类的运动能力，主要应用领域是在工业和军事上，其应用包括：能够增强人四肢力量以便提起更重的物体，加强人身体的承载力防止关节受损，或者是减小长距离行军时的体力消耗。
[0003]在众多外骨骼装置中，针对膝关节助力的外骨骼装置研究非常广泛，其主要原因有以下几点：首先是膝关节所需外骨骼机器人自由度较少，设置1个与膝关节对心的旋转自由度即可满足基本要求，其次膝关节所承受力矩较大，正常行走步态中能够达到50N m以上，膝关节助力外骨骼装置能够显著减少进行步行和下蹲等日常活动所需的最大肌肉力量，降低人体疲劳度；此外，临床上髌骨关节炎发病率很高,占整个骨性关节炎的73％，膝关节助力外骨骼装置能够显著减少对髌骨的冲击；
[0004]现有的膝关节助力外骨骼装置大部分将电机和部分结构件重量分布在腿部，离人体重心较远，增加了膝关节外骨骼装置对人体额外的阻力矩，舒适性受到影响，长时间使用续航能力有限。此外，大部分的膝关节助力外骨骼装置的人机相容结构亟待优化。表现在左右两侧的膝关节不对心，即外骨骼装置的膝关节与人体的膝关节不对心，仅使用单个旋转自由度匹配复杂的膝关节运动，忽略了膝关节屈伸运动的实质是股骨在胫骨上滚动和滑动运动的合成，导致外骨骼装置旋转中心错位，形成残余交互应力，降低助力效率，导致人机协调性和舒适性较差。其次，外骨骼装置绑缚操作点过多，穿脱不灵活，甚至需要脚部离地穿脱，易用性差。此外，外骨骼装置使用时，根据不同人身高及腿长的可调范围有限甚至不可调，外骨骼装置对不同个体的身高及腿长的匹配度不高。
[0005]相关技术中，申请号为202011622167.3的中国专利，提出了刚柔混合的舱外服下肢助力装置及助力方法，利用鲍登线、膝关节电机、膝关节转盘和膝关节电机转盘实施膝关节助力。
[0006]该专利中两台电机放置在背部，距离人体腰部重心有一定偏移，会对上肢产生额外的阻力矩，并提高肩部负重压力，不利于降低人体代谢损耗。
[0007]该专利中膝关节助力鲍登线传动系统缺乏张紧机构，无法对鲍登线管内钢丝束张紧度进行调节，易造成力传动滞后，影响助力效果，且易导致换向传动时鲍登线从转盘上脱落。
[0008]该专利中膝关节仅设置了一个与转盘圆心同轴的旋转自由度，由于膝关节运动实
际上是转动和平动的结合，该结构无法保证膝关节持续对心，存在残余交互应力，降低了人机运动协调和舒适性，影响穿戴体验，以至于对步态产生严重干扰。
[0009]该专利中鲍登线助力系统未经过角度设计，使鲍登线累积弯曲角度超过90度，鲍登线管内钢丝束与内管之间的摩擦力较大，对传动效率存在不利影响。
[0010]该专利无腿杆的长度调节机构，外骨骼能够适应的身高和腿长范围有限，且该绑缚结构和人机界面设计较为简单，未对人体的腿部轮廓进行针对性优化，缺乏人机相容结构的尺寸设计，不利于实际应用。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，该装置可对膝关节屈曲状态切换回伸展状态时的正向伸展助力输出力矩，增强了膝关节正向伸展助力能力；通过长度调整机构能够适应不同高度人群使用，适应范围广；动力输出端的鲍登线本体出线角度可调，减少鲍登线鞘与鲍登线本体摩擦，提高传动效率；下腿杆沿执行端槽轮切线方向引出，保证了该装置的髋关节轴与人体髋关节的持续对心，降低了残余交换应力，提高了步态的稳定性；通过将电机端模块和主控模块设置在腰带上，其重量靠近人体重心，降低了膝关节外骨骼对人体额外的阻力矩。
[0012]专利技术的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0013]一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，包括腰部绑缚模块、腿部绑缚模块、执行端模块、电机端模块、鲍登线和主控模块；
[0014]所述腰部绑缚模块包括腰带；
[0015]所述腿部绑缚模块包括两个，两个所述腿部绑缚模块分别设置在腰带下方的左右两侧；每个所述腿部绑缚模块包括自上至下依次连接的大腿绑缚模块、膝盖绑缚模块和小腿绑缚模块；所述大腿绑缚模块包括大腿架、大腿绑缚圈和长度调整机构，所述大腿架通过长度调整机构与腰带转动连接，所述大腿绑缚圈设置在大腿架内侧；所述膝盖绑缚模块包括膝关节护板和约束带，所述约束带设置在膝关节护板后侧；所述小腿绑缚模块包括小腿护板和小腿绑缚圈，所述小腿绑缚圈设置在小腿护板后侧；
[0016]所述执行端模块包括两个，两个所述执行端模块分别设置在对应侧膝盖绑缚模块的外侧；每个执行端模块包括大腿杆、小腿杆、小腿护板连接件、执行端槽轮和执行端导向件，所述大腿杆上端与大腿架下端铰接，所述大腿杆相对于大腿架可左右转动，所述大腿杆下端与膝关节护板外侧固定连接，所述大腿杆下端设有向外延伸的膝关节轴，所述执行端槽轮与小腿杆上端固定连接，所述小腿杆的长度方向沿执行端槽轮的切线方向设置，所述执行端槽轮同轴转动连接在膝关节轴上，所述小腿护板连接件与小腿护板上端固定连接，所述小腿杆下端与小腿护板连接件铰接，所述小腿护板连接件相对于小腿杆可左右转动，所述执行端导向件固定连接在大腿杆上；
[0017]所述电机端模块包括两个，两个所述电机端模块分别设置在腰带上；每个所述电机端模块包括电机、电机端槽轮、电机固定件和电机端导向件，所述电机通过电机固定件与腰带连接，所述电机的输出轴上固定连接电机端槽轮，所述电机壳体上固定连接电机端导向件；
[0018]所述鲍登线包括两个，两个所述鲍登线分别连接在对应侧的电机端模块和执行端
模块之间；每个鲍登线包括鲍登线本体和鲍登线鞘，所述鲍登线鞘锚固在对应侧的电机端导向件和执行端导向件之间，所述鲍登线本体穿过鲍登线鞘内腔，其一端穿过电机端导向件缠绕在电机端槽轮上，另一端穿过执行端导向件缠绕在执行端槽轮上；
[0019]所述主控模块包括电源和控制器，所述电源和控制器设置在腰带上，所述电源分别与控制器和电机电连接，所述控制器电连接电机。
[0020]上述的基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，其中，所述控制器电连接检测模块，所述检测模块包括惯性传感器和力矩传感器，所述惯性传感器设置在大腿杆上，所述力矩传感器设置在执行端槽轮上。
[0021]上述的基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，其中，所述长度调整机构包括插扣、插杆、调节杆和弹性锁紧销，所述插扣固定连接在腰带上，所述插杆的上端与插扣卡接，所述插杆的下端与调节杆通过髋关节轴铰接，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，包括腰部绑缚模块、腿部绑缚模块、执行端模块、电机端模块、鲍登线和主控模块；所述腰部绑缚模块包括腰带；所述腿部绑缚模块包括两个，两个所述腿部绑缚模块分别设置在腰带下方的左右两侧；每个所述腿部绑缚模块包括自上至下依次连接的大腿绑缚模块、膝盖绑缚模块和小腿绑缚模块；所述大腿绑缚模块包括大腿架、大腿绑缚圈和长度调整机构，所述大腿架通过长度调整机构与腰带转动连接，所述大腿绑缚圈设置在大腿架内侧；所述膝盖绑缚模块包括膝关节护板和约束带，所述约束带设置在膝关节护板后侧；所述小腿绑缚模块包括小腿护板和小腿绑缚圈，所述小腿绑缚圈设置在小腿护板后侧；所述执行端模块包括两个，两个所述执行端模块分别设置在对应侧膝盖绑缚模块的外侧部；每个执行端模块包括大腿杆、小腿杆、小腿护板连接件、执行端槽轮和执行端导向件，所述大腿杆上端与大腿架下端铰接，所述大腿杆相对于大腿架可左右转动，所述大腿杆下端与膝关节护板外侧固定连接，所述大腿杆下端设有向外延伸的膝关节轴，所述执行端槽轮与小腿杆上端固定连接，所述小腿杆的长度方向沿执行端槽轮的切线方向设置，所述执行端槽轮同轴转动连接在膝关节轴上，所述小腿护板连接件与小腿护板上端固定连接，所述小腿杆下端与小腿护板连接件铰接，所述小腿护板连接件相对于小腿杆可左右转动，所述执行端导向件固定连接在大腿杆上；所述电机端模块包括两个，两个所述电机端模块分别设置在腰带上；每个所述电机端模块包括电机、电机端槽轮、电机固定件和电机端导向件，所述电机通过电机固定件与腰带连接，所述电机的输出轴上固定连接电机端槽轮，所述电机壳体上固定连接电机端导向件；所述鲍登线包括两个，两个所述鲍登线分别连接在对应侧的电机端模块和执行端模块之间；每个鲍登线包括鲍登线本体和鲍登线鞘，所述鲍登线鞘锚固在对应侧的电机端导向件和执行端导向件之间，所述鲍登线本体穿过鲍登线鞘内腔，其一端穿过电机端导向件缠绕在电机端槽轮上，另一端穿过执行端导向件缠绕在执行端槽轮上；所述主控模块包括电源和控制器，所述电源和控制器设置在腰带上，所述电源分别与控制器和电机电连接，所述控制器电连接电机。2.根据权利要求1所述的基于鲍登线传动的模块化膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述控制器电连接检测模块，所述检测模块包括惯性传感器和力矩传感器，所述惯性传感器设置在大腿杆上，所述力矩传感器设置在执行端槽轮上。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛政中，芮岳峰，黄显道，黄浩，曹文洁，张嘉梁，张楠，李瑞珍，王春雷，
申请(专利权)人：上海微电机研究所中国电子科技集团公司第二十一研究所，
类型：发明
国别省市：