【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人领域，尤其是一种旨在增强穿戴者髋关节运动能力，提供髋关节行走助力或是辅助髋关节运动障碍患者进行康复训练治疗的节能便携式外骨骼机器人。
技术介绍
1、由于老年人普遍有体力不支，行走力量不够的现象，甚至有一部分人由于疾病的原因长期承受着行走功能障碍带来的生理与心理上的痛苦。因此，需要研究一种可穿戴的、舒适的、轻便的下肢外骨骼机器人，为老年人提供行走助力，以及对中风患者辅助康复治疗，具有巨大的价值和潜力。
2、现有的下肢助力外骨骼机器人仍有诸多的不足，如现有的下肢助力外骨骼机器人大都为助力全下肢的外骨骼机器人，即具有包括双侧髋关节、膝关节及踝足关节结构的完整下肢结构，此类外骨骼适用于由脑损伤、脊髓损伤导致整个下肢存在运动障碍的人群。但，对于仅存在髋关节运动障碍而膝关节、踝足关节及下肢神经功能良好的人群而言，全下肢外骨骼存在不必要的功能结构浪费、价格过于高昂等问题。此外，市场上的下肢外骨骼多为有源全驱动助行机器人，其存在着体积大，质量重，能耗高，续航时间短，便携性差的问题。
3、在申请号为201610511532.0的中国专利申请中，公开了一种下肢助力外骨骼机器人，其包括上身结构、腿部结构、膝关节和髋关节。采用双电机直接驱动髋关节和膝关节，电机安装在关节处，使得关节的质量和惯量大，关节柔顺性差，安全性差。
4、在专利号为zl201610060563.9的中国专利中，公开了一种轻便型模块化助行外骨骼机器人，其包括一个腰背模块、两个大腿模块以及两个小腿模块(含足)。在大腿模块内采用两组
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的缺陷，提供一种节能便携式助行外骨骼机器人，采用欠驱动的助行方式，即一个驱动电机助行两侧髋关节，减轻外骨骼的整体质量。能够对髋关节的屈伸运动进行主动地助行，并添加棘轮棘爪机构、储能弹簧将人体步态周期中的部分负功进行储能，再释放进行被动助行，用于完善补偿欠驱动助行方式的不足，进一步减少电池的能耗。
2、技术方案：为达到上述目的，本专利技术可采用如下技术方案：
3、一种节能便携式助行外骨骼机器人，包括背板、与背板两侧连接的腰部穿戴件、分别与两侧腰部穿戴件连接的髋关节结构、安装在背板中间位置的驱动换向结构；驱动换向结构包括传动轴盘、安装在传动轴盘轴端的中间驱动盘、与中间驱动盘相配合的两个驱动绕线轮、内缘安装在传动轴盘盘端上的驱动电机、安装在两个驱动绕线轮下方的两个小转轮，驱动电机通过传动轴盘将扭矩传递给中间驱动盘；单个驱动绕线轮上分为两组钢丝绳，一组钢丝绳的一端与所述驱动绕线轮上的大圆槽固定相连接，另一端与某一侧的所述髋关节结构的所述绕线轮轴固定连接；另一组钢丝绳的一端与所述驱动绕线轮上的小圆槽固定连接，另一端与所述小转轮轴通过特定的绕线方式固定连接。
4、所述髋关节结构连接有腰部环绕结构，髋关节结构包括与腰部穿戴件通过轴承座和十字轴万向节连接的腰部结构、绕线轮轴、大腿板、绕线轮；所述大腿板及绕线轮安装于固定绕线轮轴上，绕线轮上同轴固定有棘轮，该棘轮位于绕线轮与腰部结构之间，绕线轮上还设有大扭簧，棘轮与大扭簧一端连接，大扭簧一端另一端与腰部结构连接，大扭簧用以将绕线轮上的钢丝绳收紧；绕线轮轴穿过腰部结构使绕线轮、棘轮、大腿板相对于腰部结构转动；所述腰部结构上设有用以与棘轮配合的棘爪、小扭簧；绕线轮上还设有位于棘轮与棘爪之间的解锁销，且该解锁销抵靠于棘爪下方；棘爪与小扭簧一端连接，小扭簧一端另一端与腰部结构连接使得棘爪有一个转向棘轮的啮合趋势；大腿板与缠绕在绕线轮上的钢丝绳通过储能弹簧连接，储能弹簧上端与绕线轮上的钢丝绳固定连接，储能弹簧下端与大腿板的中间偏下的位置固定连接；当人体髋关节从直立角度转向一个后伸角度时作为储能阶段，在储能阶段中，棘轮棘爪啮合锁死，进而将绕线轮锁死使绕线轮上的钢丝绳有拉伸趋势，带动储能弹簧进行拉伸储能；当人体髋关节从储能阶段所在位置向前伸一个角度时，解锁销相对棘爪转动而将棘爪自与棘轮锁死状态顶开使棘轮棘爪解锁，此时储能弹簧释放所储存的能量。
5、进一步的，所述髋关节结构为对称的两个，包括左髋关节结构及右髋关节结构。
6、进一步的，驱动换向结构包括相互对接形成中空腔体的外壳a与外壳b；所述张紧装置在所述外壳a与所述外壳b上各有一个，与外壳通过螺纹连接，通过调节与之相连的所述套管的松紧程度间接调节所述套管内钢丝绳的松紧。
7、进一步的，所述髋关节结构处设有绝对式旋转编码器，所述绝对式旋转编码器由芯片和磁钢组成，芯片放置于髋关节盖外，磁钢粘贴于绕线轮轴的轴端中心位置，芯片中心、磁钢中心与绕线轮轴的轴线位于同一水平直线上；髋关节结构处旋转编码器用以测量髋关节屈伸的真实角度，规定大腿直立时髋关节角度为0度，前屈为正角度，后伸为负角度。
8、进一步的，所述驱动换向结构处设有绝对式旋转编码器，所述绝对式旋转编码器由芯片和磁钢组成，芯片放置于外壳外，磁钢粘贴于小转轮轴的轴端中心位置，芯片中心、磁钢中心与小转轮轴的轴线位于同一水平直线上，磁钢与芯片相距0.5毫米左右的距离。驱动换向结构处旋转编码器用以测量驱动绕线轮转动的角度。
9、进一步的，所述髋关节结构处设有拉压力传感器，所述拉压力传感器通过拉压力传感器板将大腿板与大腿穿戴件固定连接，拉压力传感器安装在大腿板内侧。髋关节结构处拉压力传感器用于与足底力传感器共同检测髋关节所处的步态时期。
10、进一步的，所述外骨骼设有足底力传感器，所述足底力传感器可直接穿戴于与测试者的鞋垫中，用于与髋关节结构处拉压力传感器共同检测髋关节所处的步态时期。
11、进一步的，驱动绕线轮上设计有两条中心对称的长槽孔结构，而中间驱动盘两侧面上皆设计有中心对称小凸柱结构，中间驱动盘位于两驱动绕线轮中间，小凸柱伸入长槽孔内，通过设计长槽孔的长度以及其位于两驱动绕线轮上的相对角度，从而实现中间驱动盘上的小凸柱与其中一个驱动绕线轮的长槽孔相接触带动此驱动绕线轮转动，而与另一个驱动绕线轮的长槽孔不接触，进而实现驱动换向。
12、进一步的，所述电池箱结构与碳纤维大背板的外侧上端连接，电池箱结构包括电池箱外壳与箱内结构，其中箱内结构有传感器变频器、单片机以及电池。
13、进一步的，在中间驱动盘的侧面上设计出小凸柱，再在驱动绕线轮的侧面上开凿出与小凸柱配合的长槽孔；当髋关节不处于驱动电机助力阶段时，小凸柱在长槽孔内自由滑动，即中间驱动盘与驱动绕线轮分离，髋关节转动不会受到驱动电机的干扰；当髋关节处于驱动电机助力阶段时，小凸柱的侧面与长槽孔内的侧面挤压配合，从而将驱动电机的助行力通过驱动绕线轮与套索传递到髋关节处进行助力。
14、有益效果：与现有的技术相比，本专利技术具有以下优点：
<本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：包括背板、与背板两侧连接的腰部穿戴件、分别与两侧腰部穿戴件连接的髋关节结构、安装在背板中间位置的驱动换向结构；
2.根据权利要求1所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节结构为对称的两个，包括左髋关节结构及右髋关节结构。
3.根据权利要求1或2所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：驱动换向结构包括相互对接形成中空腔体的外壳A与外壳B；所述张紧装置在所述外壳A与所述外壳B上各有一个，与外壳通过螺纹连接，通过调节与之相连的所述套管的松紧程度间接调节所述套管内钢丝绳的松紧。
4.根据权利要求3所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节结构处设有绝对式旋转编码器，所述绝对式旋转编码器由芯片和磁钢组成，芯片放置于髋关节盖外，磁钢粘贴于绕线轮轴的轴端中心位置，芯片中心、磁钢中心与绕线轮轴的轴线位于同一水平直线上；髋关节结构处旋转编码器用以测量髋关节屈伸的真实角度，规定大腿直立时髋关节角度为0度，前屈为正角度，后伸为负角度。
5.根据权利要求3所述的节能便携式助
6.根据权利要求4所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节结构处设有拉压力传感器，所述拉压力传感器通过拉压力传感器板将大腿板与大腿穿戴件固定连接，拉压力传感器安装在大腿板内侧。髋关节结构处拉压力传感器用于与足底力传感器共同检测髋关节所处的步态时期。
7.根据权利要求6所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述外骨骼设有足底力传感器，所述足底力传感器可直接穿戴于与测试者的鞋垫中，用于与髋关节结构处拉压力传感器共同检测髋关节所处的步态时期。
8.根据权利要求1所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：驱动绕线轮上设计有两条中心对称的长槽孔结构，而中间驱动盘两侧面上皆设计有中心对称小凸柱结构，中间驱动盘位于两驱动绕线轮中间，小凸柱伸入长槽孔内，通过设计长槽孔的长度以及其位于两驱动绕线轮上的相对角度，从而实现中间驱动盘上的小凸柱与其中一个驱动绕线轮的长槽孔相接触带动此驱动绕线轮转动，而与另一个驱动绕线轮的长槽孔不接触，进而实现驱动换向。
9.根据权利要求1所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述电池箱结构与碳纤维大背板的外侧上端连接，电池箱结构包括电池箱外壳与箱内结构，其中箱内结构有传感器变频器、单片机以及电池。
10.根据权利要求1所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：在中间驱动盘的侧面上设计出小凸柱，再在驱动绕线轮的侧面上开凿出与小凸柱配合的长槽孔；当髋关节不处于驱动电机助力阶段时，小凸柱在长槽孔内自由滑动，即中间驱动盘与驱动绕线轮分离，髋关节转动不会受到驱动电机的干扰；当髋关节处于驱动电机助力阶段时，小凸柱的侧面与长槽孔内的侧面挤压配合，从而将驱动电机的助行力通过驱动绕线轮与套索传递到髋关节处进行助力。
...【技术特征摘要】
1.一种节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：包括背板、与背板两侧连接的腰部穿戴件、分别与两侧腰部穿戴件连接的髋关节结构、安装在背板中间位置的驱动换向结构；
2.根据权利要求1所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节结构为对称的两个，包括左髋关节结构及右髋关节结构。
3.根据权利要求1或2所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：驱动换向结构包括相互对接形成中空腔体的外壳a与外壳b；所述张紧装置在所述外壳a与所述外壳b上各有一个，与外壳通过螺纹连接，通过调节与之相连的所述套管的松紧程度间接调节所述套管内钢丝绳的松紧。
4.根据权利要求3所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节结构处设有绝对式旋转编码器，所述绝对式旋转编码器由芯片和磁钢组成，芯片放置于髋关节盖外，磁钢粘贴于绕线轮轴的轴端中心位置，芯片中心、磁钢中心与绕线轮轴的轴线位于同一水平直线上；髋关节结构处旋转编码器用以测量髋关节屈伸的真实角度，规定大腿直立时髋关节角度为0度，前屈为正角度，后伸为负角度。
5.根据权利要求3所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述驱动换向结构处设有绝对式旋转编码器，所述绝对式旋转编码器由芯片和磁钢组成，芯片放置于外壳外，磁钢粘贴于小转轮轴的轴端中心位置，芯片中心、磁钢中心与小转轮轴的轴线位于同一水平直线上，磁钢与芯片相距0.5毫米左右的距离。驱动换向结构处旋转编码器用以测量驱动绕线轮转动的角度。
6.根据权利要求4所述的节能便携式助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节结构处设有拉压力传感器，所述拉...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴青聪，王智杰，晁俊杰，许子涵，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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