一种轻量化、可调节高度的柔性绳驱下肢外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种轻量化、可调节高度的柔性绳驱下肢外骨骼机器人。本发明专利技术中将膝关节驱动器安装于外骨骼大腿处，将关节重量上移，驱动器和线盘间通过柔性鲍登线传递力和力矩，能够显著降低膝关节处质量和旋转惯量，有益于减少因关节对心不准问题而带来的额外能量损耗，提升了外骨骼膝关节处可穿戴性与人机协调性。同时为解决绳驱结构运行时，柔性绳的松弛问题，本发明专利技术在膝关节驱动器处安装了预紧结构，减小了机构运行时绳驱的非线性传力问题；且本发明专利技术的膝关节鲍登线平行放置，大幅降低绳驱摩擦模型建模的复杂度，提升模型准确度，使膝关节绳驱控制更加精确。驱控制更加精确。驱控制更加精确。

【技术实现步骤摘要】
一种轻量化、可调节高度的柔性绳驱下肢外骨骼机器人


[0001]本专利技术涉及一种柔性绳驱下肢外骨骼机器人，具体是一种轻量化、可调节高度的柔性绳驱下肢外骨骼机器人。

技术介绍

[0002]下肢康复外骨骼机器人是将机器人技术和医疗设备结合在一起，融合电机控制、传感器、信息交互等多项技术，保护并支撑病人完成对应的训练动作，为患者提供更科学的训练模式，更精准的训练动作，能有效提高治疗效率，且有助于实现集中康复治疗和远程康复医疗。但是，对比现有的国内外大多数研究发现其存在以下问题：质量整体偏重，刚性较大、缺少柔性；结构复杂、质量较大；机构和人体转动关节存在偏差，造成穿戴不适。而作为近年来新兴的机器人技术，柔性外骨骼结合了柔性驱动和可穿戴机构，有效解决了传统刚性外骨骼机器人重量大、顺应性差、效率低、穿戴舒适性差的问题，因此尤其适用于运动障碍患者的辅助行走及运动康复。
[0003]但是，目前外骨骼机器人的膝关节通常的设计一般是将驱动装置安装于膝关节进行直接驱动，或者设计一种结构较为复杂的柔性绳驱动例如滚动凸轮变瞬心结构。这两者都因外骨骼膝关节处较大的重量和转动惯量从而降低穿戴者的舒适度以及外骨骼的康复助力效果。
[0004]经对现有技术文献的检索发现，申请号为CN201711093654.3的中国专利技术专利公开了一种驱动器连接主体结构的绳驱外骨骼机器人，该机构包括机器人主体、驱动器、滑轮组、臂体和翻转体。该结构传动部分的配合能够减小功率消耗，因此驱动器较小，材料为碳纤维，整体重量控制较理想；驱动方式为绳驱，具备一定的柔性，可以保证穿戴安全。但该结构关节设计为简单的转动副，无法实现人机关节协调适应；绕线较长，控制要求较高，无法实现被动运动，缺乏灵活性。
[0005]申请号CN201911408571.8为中国专利技术专利公开了一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人及控制方法，包括柔性变瞬心机构仿生关节。该机构结构仿生性强，可以适应人体运动，实现站立支撑和正常行走，较贴合人体关节转动。但是，该结构较为复杂，且外骨骼普适性较差，不能满足不同身高人群穿戴。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在针对上述现有技术不足，开发了一种基于变刚度驱动器的柔性绳驱下肢外骨骼机器人，核心是开发一种轻量化、能实现高度调节、膝关节为柔性绳驱动且转动惯量较小更贴合人体运动的外骨骼机器人。
[0007]上述方案的有益效果是：
[0008]本专利技术中将膝关节驱动器安装于外骨骼大腿处，将关节重量上移，驱动器和线盘间通过柔性鲍登线传递力和力矩，能够显著降低膝关节处质量和旋转惯量，有益于减少因关节对心不准问题而带来的额外能量损耗，提升了外骨骼膝关节处可穿戴性与人机协调
性。同时为解决绳驱结构运行时，柔性绳的松弛问题，本专利技术在膝关节驱动器处安装了预紧结构，减小了机构运行时绳驱的非线性传力问题；且本专利技术的膝关节鲍登线平行放置，大幅降低绳驱摩擦模型建模的复杂度，提升模型准确度，使膝关节绳驱控制更加精确。
附图说明
[0009]图1为本专利技术的实施例中提供的机器人的结构示意图；
[0010]图2为本专利技术的实施例中提供的腰部外骨骼10的结构示意图；
[0011]图3为本专利技术的实施例中腰部外骨骼10的部分分解结构示意图；
[0012]图4为本专利技术的实施例中提供的大腿外骨骼的结构示意图；
[0013]图5为本专利技术的实施例中髋关节驱动器的安装示意图；
[0014]图6为本专利技术的实施例中大腿外骨骼的部分分解结构示意图；
[0015]图7为本专利技术的实施例中提供的小腿外骨骼的结构示意图；
[0016]图8为本专利技术的实施例中踝关节外骨骼及脚部外骨骼的安装示意图。
[0017]附图中：10、腰部外骨骼；11、背枕部11；12、腰背部滑块；13、髋关节固定件；14、腰背部连接件；15、髋关节滑块；16、腰髋转动副；17、髋关节连接件；18、腰背部外侧壳体；19、腰背部内侧壳体；110、腰背部凸轮把手；111、髋关节凸轮把手；20、大腿外骨骼；21、髋关节驱动器安装架；22、髋关节驱动器；23、髋关节输出杆；24、大腿杆；25、髋关节外展内收转动副；26、大腿伸缩杆；27、膝关节驱动器；28、鲍登线预紧机构；29、动力输出线盘；210、上侧大腿外侧壳；211、上侧大腿嵌套壳；212、上侧大腿内侧壳；213、下侧大腿外侧壳；214、下侧大腿内侧壳；30、小腿外骨骼；31、小腿伸缩杆；32、小腿杆；33、轴承外挡板；34、轴承内挡板；35、走线支架；36、线盘；37、阶梯轴；38、小腿内侧壳；39、小腿外侧壳；310、伸缩杆凸轮把手；40、踝关节外骨骼；50、脚部外骨骼；51、关节连杆；52、足部踏板；60、控制箱。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0020]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0021]如图1至图6所示，本专利技术的实施例中提供的机器人包括：
[0022]腰部外骨骼10，腰部外骨骼10包括背枕部11以及用于调节外骨骼机器人腰围的腰围调节组件；
[0023]大腿外骨骼20，大腿外骨骼20包括髋关节驱动器安装架21，髋关节驱动器安装架21上安装有髋关节驱动器22，髋关节驱动器安装架21安装于腰围调节组件上；髋关节输出杆23，髋关节输出杆23安装于髋关节驱动器22的输出端上；大腿杆24，大腿杆24通过髋关节外展内收转动副25安装于髋关节输出杆23上；以及大腿伸缩杆26，大腿伸缩杆26上、下可调式的安装于大腿杆24上，大腿伸缩杆26上安装有膝关节驱动器27及鲍登线预紧机构28，膝
关节驱动器27的输出端安装有动力输出线盘29，鲍登线预紧机构28螺旋安装于大腿伸缩杆26上；
[0024]小腿外骨骼30，小腿外骨骼30包括小腿伸缩杆31；小腿连杆32，小腿连杆32上安装有轴承外挡板33、轴承内挡板34及线盘36，小腿连杆32通过轴承内挡板34安装于大腿连杆21上，轴承外挡板33上安装有走线支架35，小腿伸缩杆31上、下可调式的嵌设于小腿连杆32上；以及线盘36，线盘36通过阶梯轴37安装于小腿连杆32上；踝关节外骨骼40，踝关节外骨骼40安装于小腿伸缩杆31上；脚部外骨骼50，脚部外骨骼50安装于踝关节外骨骼40上；以及
[0025]踝关节外骨骼40，踝关节外骨骼40安装于小腿伸缩杆31上；以及
[0026]脚部外骨骼50，脚部外骨骼50安装于踝关节外骨骼40上。
[0027]本专利技术中动力输出线盘29上的其中一条鲍登线的一端从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轻量化、可调节高度的柔性绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括：腰部外骨骼，所述腰部外骨骼包括背枕部以及用于调节外骨骼机器人腰围的腰围调节组件；大腿外骨骼，所述大腿外骨骼包括髋关节驱动器安装架，所述髋关节驱动器安装架上安装有髋关节驱动器，所述髋关节驱动器安装架安装于所述腰围调节组件上；髋关节输出杆，所述髋关节输出杆安装于所述髋关节驱动器的输出端上；大腿杆，所述大腿杆通过髋关节外展内收转动副安装于所述髋关节输出杆上；以及大腿伸缩杆，所述大腿伸缩杆上、下可调式的安装于所述大腿杆上，所述大腿伸缩杆上安装有膝关节驱动器及鲍登线预紧机构，所述膝关节驱动器的输出端安装有动力输出线盘，所述鲍登线预紧机构螺旋安装于所述大腿伸缩杆上；小腿外骨骼，所述小腿外骨骼包括小腿伸缩杆；小腿杆，所述小腿杆上安装有轴承外挡板、轴承内挡板及动力输入线盘，所述小腿杆通过所述轴承内挡板安装于所述大腿连杆上，所述轴承外挡板上安装有走线支架，所述小腿伸缩杆上、下可调式的安装于所述小腿杆上；以及动力输入线盘，所述线盘通过阶梯轴安装于所述小腿杆上；踝关节外骨骼，所述踝关节外骨骼安装于所述小腿伸缩杆上；以及脚部外骨骼，所述脚部外骨骼安装于所述踝关节外骨骼上；其中，所述动力输出线盘上的其中一条鲍登线的一端从所述动力输出线盘的内道预留孔穿出并逆时针绕所述动力输出线盘半周后再从所述动力输出线盘左侧穿出，随后再依次穿过所述鲍登线预紧机构、所述走线支架后连接于所述动力输入线盘的左侧，以控制所述小腿外骨骼绕所述轴承内挡板作伸展运动；所述动力输出线盘上的另一条鲍登线的一端从所述动力输出线盘的外道预留孔穿出并顺时针绕所述线盘半周再从所述动力输出线盘右侧出发，再依次穿过所述鲍登线预紧机构、所述走线支架后连接于所述动力输入线盘的右侧，以控制膝关节屈曲运动。2.根据权利要求1所述的柔性绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述腰围调节组件包括：两个腰背部滑块，所述腰背部滑块左、右可调式的嵌设于所述背枕部上；两个髋关节固定件，所述髋关节固定件通过腰背部连接件对应安装于所述腰背部滑块上；以及两个髋关节滑块，所述髋关节滑块前、后可调式的嵌设于所述髋关节固定件上，所述髋关节滑块上通过腰髋转动副安装有髋关节连接件，所述髋关节驱动器安装架安装于所述髋关节连接件上。3.根据权利要求2所述的柔性绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭朝，伊烁闻，漆白文，付志军，杨潇，廖峻北，蒋骞，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：