下肢助力外骨骼机器人的制作方法
【专利摘要】本发明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、膝关节及髋关节，所述腿部结构包括大腿结构及小腿结构，所述髋关节连接所述上身结构及所述大腿结构。所述膝关节连接所述大腿结构及所述小腿结构。所述上身结构包括尺寸可调节的腰部组件，所述腰部组件包括与所述髋关节相连接的髋连接块。所述膝关节包括连接于所述大腿结构的第一大腿连接座、转动连接于所述大腿连接座的第二小腿连接座及两个连接于第一大腿连接座的第一电机，两个所述第一电机驱动所述第二小腿连接座相对于所述大腿连接座转动。
【专利说明】
下肢助力外骨骼机器人
技术领域
[0001]本发明属于服务机器人领域，更具体地，涉及一种适用于单兵装备的下肢助力外骨骼机器人。
【背景技术】
[0002]人类的双腿提供了负重和运输平台，尤其在不适合轮式运输的环境下，双足显示出了很强的机动性。负重是人类生活所要面对的最普遍的问题之一。对于士兵来说，有效载荷占其总体重的一大部分，而承担这些载荷既无法避免又是他们的职责所在。携带过重的负担不仅让人感到疲劳，同时也存在潜在的精神上的和肉体上的伤害。
[0003]为了减轻这种负担，下肢辅助支撑外骨骼机械设备应运而生。通过穿戴外骨骼设备，士兵的装备重量可以通过外骨骼结构直接传递到地面上，这就相当于代替士兵承担装备重量，既保存了士兵的体能，又减小了士兵负重。如申请号为201010119161.4的专利公开了一种助行外骨骼康复机器人，所述助行外骨骼康复机器人代替人承担了重量。然而，所述助行外骨骼康复机器人的髋关节及膝关节处都没有设置限位结构，容易造成外骨骼的转动角度超过人体极限而对人体造成伤害，且其腰部结构处尺寸不可调节，不能适应不同体型的人。又如申请号为201410063123.X的专利公开了一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有膝关节参数测量的大小腿装置，所述大小腿装置采用液压缸驱动，减小了膝关节驱动元件尺寸，但是采用液压缸驱动需要有液压源，并且机构控制精度不高，刚性与稳定性也不足，同时液压机构容易出现油液渗漏问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种下肢助力外骨骼机器人，基于人机工程学、人体下肢骨骼机构与人体下肢关节运动机理之间的关系，针对所述下肢助力外骨骼机器人的特定部件(如髋关节、膝关节、腰部)的结构及各个部件之间的连接关系进行了设计。所述髋关节与所述膝关节均设置有限位开关，所述限位开关与光电编码器配合，防止了所述下肢助力外骨骼机器人的髋关节及膝关节的转动角度超过人体极限，以减小对人体的伤害。此外，所述下肢助力外骨骼机器人的腰部结构的尺寸可以调节，以适应不同体型人的使用;所述下肢助力外骨骼机器人的膝关节及髋关节采用双电机的驱动形式，不仅输出力矩大，效率高，控制精度高，而且结构紧凑，使得相应关节体积小，质量轻，极大的减轻了士兵在单兵作战过程中产生的装备负担。
[0005]为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种下肢助力外骨骼机器人，其包括上身结构、腿部结构、膝关节及髋关节，所述腿部结构包括大腿结构及小腿结构，所述髋关节连接所述上身结构及所述大腿结构;所述膝关节连接所述大腿结构及所述小腿结构。
[0006]所述上身结构包括尺寸可调节的腰部组件，所述腰部组件包括与所述髋关节相连接的髋连接块；
[0007]所述膝关节包括连接于所述大腿结构的第一大腿连接座、分别固定在所述第一大腿连接座相背的两侧的第一固定法兰及及第二辅助板、连接于所述小腿结构的第二小腿连接座、分别固定在所述第二小腿连接座相背的两侧的第一辅助板及第一辅助法兰、两个间隔固定在所述第一固定法兰上的第一电机、分别与两个所述第一电机相连接的两个第一小齿轮、与两个所述第一小齿轮相啮合的第一大齿轮及与所述第一大齿轮相连接的第一谐波减速器，所述第一谐波减速器连接所述第一辅助法兰及所述第一辅助板，其能够通过所述第一辅助法兰带动所述第二小腿连接座相对于所述第一大腿连接座转动，进而带动所述小腿结构相对于所述大腿结构转动；
[0008]所述膝关节还包括第一限位开关及第一光电编码器，所述第一限位开关与所述第一光电编码器相配合以实现对所述膝关节的双重限位;所述第一限位开关的一端固定在所述第二辅助板上，另一端与所述第一辅助法兰的第一凹槽滑动连接，所述第一限位开关与所述第一凹槽相配合以限制所述第一大腿连接座与所述第二小腿连接座之间的转动。
[0009]进一步的，所述髋关节还包括连接于所述髋连接块的腰部连接座、两个连接于所述腰部连接座的第二电机、两个分别连接于两个所述第二电机的第二小齿轮、与两个所述第二小齿轮相啮合的第二大齿轮、与所述第二大齿轮相连接的第二谐波减速器及连接于所述第二谐波减速器的第二大腿连接座，所述第二大腿连接座连接于所述大腿结构，两个所述第二电机通过转动以带动所述第二大腿连接座相对于所述髋连接座转动，进而带动所述大腿结构相对于所述髋连接座转动。
[0010]进一步的，所述髋关节还包括分别固定在所述腰部连接座相背的两侧的第二固定法兰及第四辅助板、以及分别固定在所述第二大腿连接座相背的两侧的第三辅助板及第二辅助法兰;所述第二固定法兰连接两个所述第二电机;所述第二辅助法兰连接所述第二谐波减速器。
[0011]进一步的，所述髋关节还包括第二限位开关及第二光电编码器，所述第二限位开关及所述第二光电编码器相配合以实现对所述髋关节的双重限位;所述第二限位开关的一端固定在所述第四辅助板上，另一端与所述第二辅助法兰的第二凹槽滑动连接，所述第二限位开关与所述第二凹槽相配合以限制所述腰部连接座与所述第二大腿连接座之间的转动。
[0012]进一步的，所述下肢助力外骨骼机器人还包括踝关节、传感鞋及捆绑组件，所述踝关节连接所述小腿结构及所述传感鞋;所述捆绑组件包括大腿捆绑组件及小腿捆绑组件，所述大腿捆绑组件用于将所述人体大腿与所述大腿结构捆绑在一起;所述小腿捆绑组件用于将人体小腿与所述小腿结构捆绑在一起。
[0013]进一步的，所述踝关节包括鞋连接座、设置在所述鞋连接座上的第一小腿连接座及气弹簧，所述第一小腿连接座连接于所述小腿结构;所述气弹簧的一端连接于所述第一小腿连接座，另一端连接于所述传感鞋的硬质鞋跟。
[0014]进一步的，所述气弹簧的数量为两个，两个所述气弹簧分别设置在所述鞋连接座相背的两侧。
[0015]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用本发明提供的下肢助力外骨骼机器人，所述髋关节与所述膝关节均设置有限位开关，所述限位开关与光电编码器配合，防止了所述下肢助力外骨骼机器人的髋关节及膝关节的转动角度超过人体极限，以减小对人体的伤害。此外，所述下肢助力外骨骼机器人的腰部结构的尺寸可以调节，以适应不同体型人的使用;所述下肢助力外骨骼机器人的膝关节及髋关节采用双电机的驱动形式，不仅输出力矩大，效率高，控制精度高，而且结构紧凑，使得相应关节体积小，质量轻，极大的减轻了士兵在单兵作战过程中产生的装备负担。
【附图说明】
[0016]图1是本发明较佳实施方式提供的下肢助力外骨骼机器人的结构示意图。
[0017]图2是图1中的下肢助力外骨骼机器人的另一个角度的结构示意图。
[0018]图3是图1中的下肢助理机器人的腰部组件的结构示意图。
[0019]图4是图3中的腰部组件的局部剖视图。
[0020]图5是图1中的下肢助力外骨骼机器人的踝关节的剖视图。
[0021]图6是图1中的下肢助力外骨骼机器人的膝关节的结构示意图。
[0022]图7是图6中的膝关节沿另一个角度的结构示意图。
[0023]图8是图6中的膝关节的剖视图。
[0024]图9是图1中的下肢助力外骨骼机器人的髋关节的剖视图图。
[0025]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_上身结构，
11-背部防护套，12-肩腰带，13-背部箱体，14-背部支撑板，15-背部箱体内置组件，16-腰部组件，161-髋关节连接座，1611-护腰板上连接板，1612-护腰板中连接板，1613-护腰板下连接板，1614-限位组件，1615-髋连接块，1616-推力轴承，162-护腰板，163-端盖，164-第一连接板，165-铰链关节，166-第二连接板，2-腿部结构，21-大腿杆上部，22-碰珠销，23-大腿杆下部，3-踝关节，31-气弹簧，32-第一小腿连接座，33-电机固定座，34-第一键，35-第三电机，36-鞋连接座，37-螺钉锁紧挡圈，38-第一轴承，39-第二键，310-踝关节轴，311-弹性挡圈，4-传感鞋，41-硬质鞋跟，42-传感鞋垫，43-防滑鞋底，44-鞋部捆绑件，45-缓冲垫，5-捆绑组件，51-大腿捆绑组件，52-小腿捆绑组件，6-膝关节，61-第一固定法兰，62-第一大齿轮，63-第一小齿轮，64-第一辅助板，65-第二小腿连接座，66-第一电机，67-第一大腿连接座，68-第二辅助板，69-第一减重弹簧，610-第一辅助法兰，611-第一谐波减速器，7-髋关节，71-第二固定法兰，73-第二大齿轮，74-第三辅助板，75-第二大腿连接座，76-第二辅助法兰，77-第二谐波减速器，78-第二减重弹簧，710-第四辅助板，711-腰部连接座。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]请参阅图1至图4，本发明较佳实施方式提供的下肢助力外骨骼机器人，其是基于人体下肢骨骼机构和人体下肢关节运动机理之间的关系，而建立的一种可穿戴外骨骼机器人的仿生结构，实现了外骨骼穿戴方便、尺寸可调整、运动灵活可靠，且与人体具有高度的可协调性，能够快速的顺应人体的运动而运动。
[0028]所述下肢助力外骨骼机器人包括上身结构1、腿部结构2、踝关节3、传感鞋4、捆绑组件5、膝关节6及髋关节7，所述髋关节7的一端连接所述上身结构I，另一端与所述腿部结构2的大腿结构相连接。所述膝关节6分别连接所述大腿结构及所述腿部结构2的小腿结构，所述小腿结构能够相对于所述大腿结构转动。所述踝关节3的一端与所述小腿结构相连接，另一端与所述传感鞋4固定连接。所述捆绑组件5可移动的连接在所述腿部结构2上，其用于捆绑人体腿部以防止运动过程中人体腿部与所述下肢助力外骨骼机器人发生相对运动。
[0029]所述上身结构I包括背部防护套11、肩腰带12、背部箱体13、背部支撑板14、背部箱体内置组件15及腰部组件16，所述背部箱体13与所述背部支撑板14固定连接。所述背部箱体内置组件15设置在所述背部箱体13内。本实施方式中，所述背部箱体内置组件15包括驱动控制板及锂聚合物可充电电池，所述驱动控制板包括八个驱动模块及一个控制模块，其用于控制所述下肢助力外骨骼机器人。所述可充电电池用于为所述下肢助力外骨骼机器人提供电能。
[0030]所述背部防护套11设置在所述背部箱体13朝向所述肩腰带12的一侧，其是由弹性材料制成的。所述背部防护套11用于更好的贴合人体背部曲线，并吸收部分冲击。所述肩腰带12的两端分别连接所述背部箱体13及所述腰部组件16，其将腰带与肩带集成为一体，所述肩带分为左右对称的两部分，且这两部分于胸前通过搭扣相连接。所述肩腰带12的长度可以调节，且其通过所述搭扣可以紧紧地捆到人体上，使穿戴者保持身体平衡。
[0031]所述腰部组件16连接于所述髋关节7，其包括髋关节连接座161、护腰板162、端盖163、第一连接板164、铰链关节165及第二连接板166。本实施方式中，所述护腰板162的数量为两个，所述髋关节连接座161的数量为两个，所述端盖163的数量为两个;每个所述护腰板162的两端分别连接所述第一连接板164或者所述第二连接板166及所述髋关节连接座161，且所述护腰板162与所述第一连接板164或者所述第二连接板166之间采用圆孔结构进行连接，通过改变轴承在所述圆孔结构中的位置来调节所述腰部组件16的尺寸;所述第一连接板164及所述第二连接板166是由聚乙醇酸SR-PGA材料制成的。所述铰链关节165连接所述第一连接板164及所述第二连接板166，所述第一连接板164及所述第二连接板166均与对应的所述护腰板162转动连接。两个所述端盖163分别设置在所述第一连接板164与对应的所述护腰板162的连接处及所述第二连接板166与对应的所述护腰板162的连接处，以用于保护所述第一连接板164及所述第二连接板166的圆孔结构。
[0032]所述髋关节连接座161连接于所述髋关节7，其包括护腰板上连接板1611、护腰板中连接板1612、护腰板下连接板1613、限位组件1614、髋连接块1615及推力轴承1616，所述护腰板中连接板1612开设有第一收容槽，所述推力轴承1616部分地收容在所述第一收容槽内。所述髋连接块1615设置在所述推力轴承1616上，所述护腰板上连接板1611及所述护腰板下连接板1613分别设置在所述护腰板中连接板1612的相背的两个表面。所述护腰板下连接板1613开设有位置与所述第一收容槽相对应的通孔，所述髋连接块1615部分的穿过所述通孔而凸出于所述护腰板下连接板1613。本实施方式中，所述限位组件1614用于限制所述髋连接块1615的移动，其包括多个限位块，所述多个限位块固定在所述护腰板下连接板1613上且沿所述通孔的边沿均匀排布。
[0033]所述腿部结构2为方管结构，其包括所述大腿结构及所述小腿结构，所述大腿结构与所述小腿结构通过所述膝关节6形成转动连接。所述大腿结构包括大腿杆上部21、碰珠销22及大腿杆下部23，所述大腿杆上部21通过所述碰珠销22活动的连接于所述大腿杆下部23，其通过相对于所述大腿杆下部23的移动以调节所述大腿结构的长度。
[0034]本实施方式中，所述大腿杆下部23开设有与自身管孔相连通的收容孔，所述收容孔沿垂直于所述大腿杆下部23长度方向贯穿所述大腿杆下部23，所述收容孔的数量为多个，多个所述收容孔间隔设置;可以理解，在其他实施方式中，所述收容孔的数量可以根据实际需要增加或者减少。所述碰珠销22的数量为三个，每个所述碰珠销22包括两个碰珠及一个弹簧，所述弹簧的两端分别连接两个所述碰珠;所述大腿杆上部21的一端套设在所述大腿杆下部23的管孔内，每个所述碰珠销22穿过所述大腿杆上部21后收容在所述收容孔内，且对应的两个碰珠凸出于所述大腿杆下部23。当调节所述大腿结构的长度时，按下所述碰珠使其进入所述大腿杆下部23的管孔内，同时压缩对应的所述弹簧，所述大腿杆上部21沿所述大腿杆下部23的长度方向移动以调节所述大腿结构的长度，当所述大腿杆上部21到达预定位置后，松开所述碰珠，所述碰珠在所述弹簧的弹性恢复力作用下自另一个所述收容孔凸出于所述大腿杆下部23，所述大腿杆上部21与所述大腿杆下部23再次稳定连接。本实施方式中，所述小腿结构也是通过碰珠销实现自身长度调节的。
[0035]请参阅图5，所述踝关节3的一端与所述小腿结构相连接，另一端与所述传感鞋4固定连接。所述踝关节3包括气弹簧31、第一小腿连接座32、电机固定座33、第一键34、第三电机35、鞋连接座36、螺钉锁紧挡圈37、第一轴承38、第二键39、踝关节轴310及弹性挡圈311，所述气弹簧31的一端连接所述第一小腿连接座32，另一端连接所述传感鞋4的硬质鞋跟41。本实施方式中，所述气弹簧31用于吸收所述踝关节3处的部分冲击及限制所述踝关节3的转动角度;所述气弹簧31的数量为两个，可以理解，在其他实施方式中，所述气弹簧31的数量可以根据实际需要增加或者减少。
[0036]所述电机固定座33固定在所述鞋连接座36上，其用于承载所述第三电机35。所述第三电机35与所述踝关节轴310固定连接，所述踝关节轴310通过所述第一键34及所述第二键39与所述鞋连接座36相连接，所述第一键34与所述第二键39分别位于所述踝关节轴310的相背的两侧。所述第三电机35固定在所述电机固定座33上，其用于驱动所述踝关节轴310转动，进而带动所述踝关节3部分地转动一定角度。所述踝关节轴310通过所述螺钉锁紧挡圈37与所述鞋连接座36定位。本实施方式中，所述螺钉锁紧挡圈37的数量为两个，两个所述螺钉锁紧挡圈37间隔设置;可以理解，在其他实施方式中，所述螺钉锁紧挡圈37的数量可以根据实际需要增加或者减少。
[0037]所述第一小腿连接座32连接于所述小腿结构且其基本呈“η”字型，其朝向所述鞋连接座36的一侧延伸有两个间隔设置的转动板。所述鞋连接座36基本呈“凹”字型，其朝向所述第一小腿连接座32的一侧延伸有两个间隔设置的承载板，所述踝关节轴310穿过两个所述承载板，两个所述第一轴承38分别套设在两个所述承载板朝同一方向延伸的凸起部上。所述第一小腿连接座32通过两个所述转动板及两个所述第一轴承38连接于所述鞋连接座36上，两个所述转动板分别与两个所述承载板间隔设置。本实施方式中，两个所述第一轴承38分别通过两个所述弹性挡圈311与两个所述凸起部定位。
[0038]所述传感鞋4包括硬质鞋跟41、传感鞋垫42、防滑鞋底43、鞋部捆绑件44及缓冲垫45，所述缓冲垫45、所述传感鞋垫42及所述防滑鞋底43依次叠加设置。所述缓冲垫45与所述鞋部捆绑件44相连接，其是由弹性材料制成的，以缓冲其受到的冲击。所述传感鞋垫42包括多个采用面阵形式设置的PVDF(聚偏氟乙烯)压电薄膜传感器，所述多个PVDF(聚偏氟乙烯)压电薄膜传感器形成的测力面覆盖整个脚底，适用于对不同行走运动模式的检测。所述硬质鞋跟41与所述防滑鞋底43固定连接，所述防滑鞋底43的底部为锯齿状，以增加其与地面之间的摩擦，进而起到防滑作用。所述鞋部捆绑件44用于捆绑穿戴者的脚部，使脚部与传感鞋4捆绑在一起。
[0039]所述捆绑组件5包括大腿捆绑组件51及小腿捆绑组件52，所述大腿捆绑组件51用于将穿戴者的大腿与所述大腿结构捆绑在一起;所述小腿捆绑组件52用于将穿戴者的小腿与所述小腿结构捆绑在一起。所述大腿捆绑组件51包括捆绑带及与所述捆绑带固定连接的捆绑环，所述捆绑带与所述大腿结构相连接，所述捆绑环用于捆绑穿戴者的大腿。所述捆绑环为半环结构，其设有多个间隔设置的带孔(图未示)。所述捆绑环通过多个所述带孔与腿部约束带相配合来捆紧穿戴者的大腿。本实施方式中，所述腿部约束带是由尼龙材料制成的，其在穿戴过程中可及时更换且可调整，以适合不同穿戴者的使用;所述小腿捆绑组件52与所述大腿捆绑组件51基本相同，两者的捆绑原理相同。
[0040]请参阅图6、图7及图8，所述膝关节6连接所述大腿结构及所述小腿结构。所述膝关节6包括第一固定法兰61、第一大齿轮62、第一小齿轮63、第一辅助板64、第二小腿连接座65、第一电机66、第一大腿连接座67、第二辅助板68、第一减重弹簧69、第一辅助法兰610及第一谐波减速器611。所述第一固定法兰61及所述第二辅助板68分别固定在所述第一大腿连接座67相背的两侧，所述第一大腿连接座67连接于所述大腿结构。所述第一辅助板64及所述第一辅助法兰610分别固定在所述第二小腿连接座65相背的两侧。所述第二辅助板68、所述第一辅助法兰610、所述第一固定法兰61及所述第一辅助板64依次间隔设置。本实施方式中，所述第一电机66的数量为两个，两个所述第一电机66间隔设置在所述第一固定法兰61上;所述第一小齿轮63的数量也为两个，两个所述第一小齿轮63间隔设置，两个所述第一电机66分别驱动两个所述第一小齿轮63转动。两个所述小齿轮63与所述第一大齿轮62同步嗤合，以带动所述第一大齿轮62转动。本实施方式中，两个所述第一小齿轮63与所述第一大齿轮62呈“V”字型设置，且三者位于所述第一固定法兰61的同一侧。所述第一减重弹簧69位于所述第一辅助法兰610及所述第一固定法兰61之间，其连接在所述第一谐波减速器611上。所述第一谐波减速器611连接所述第一辅助法兰610及所述第一大齿轮62，所述第一大齿轮62将转动传递给所述谐波减速器611的第一波发生器，所述第一波发生器使所述第一谐波减速器611的第一柔性齿轮发生可控弹性变形并与所述第一谐波减速器611的第一刚性齿轮相啮合以传递转动。所述第一刚性齿轮与所述第一辅助法兰610固定连接;所述第二小腿连接座65与所述小腿结构相连接;所述第一刚性齿轮通过转动以带动所述第一辅助法兰610转动，进而带动所述小腿结构转动。
[0041]本实施方式中，所述膝关节6还包括第一限位开关及第一光电编码器，所述第一限位开关的一端固定在所述第二辅助板68上，另一端与所述第一辅助法兰610的第一凹槽滑动连接。所述第一限位开关能够确定所述第二小腿连接座65与所述第一大腿连接座67之间的初始角。当所述第一限位开关进入所述第一凹槽的一端时，此位置对应的初始角为零点；当所述第一限位开关滑动到所述第一凹槽的另一端时，所述第二小腿连接座65与所述第一大腿连接座67之间的转动停止。所述第一限位开关与所述第一光电编码器配合，以实现所述膝关节6的双重限位(机械限位及电限位)，进而防止所述膝关节6的转动角度超过人体极限，以减小对人体的伤害。
[0042]请参阅图9，所述髋关节7连接所述髋关节连接座161及所述大腿结构。所述髋关节7包括第二固定法兰71、第二小齿轮、第二大齿轮73、第三辅助板74、第二大腿连接座75、第二辅助法兰76、第二谐波减速器77、第二减重弹簧78、第二电机、第四辅助板710及腰部连接座711。所述第二固定法兰71与所述第四辅助板710固定在所述腰部连接座711相背的两侧，所述腰部连接座711连接于所述髋关节连接座161的髋连接块1615上。所述第三辅助板74及所述第二辅助法兰76分别固定在所述第二大腿连接座75的相背的两侧，所述第二大腿连接座75连接所述大腿结构。
[0043]本实施方式中，所述第二电机的数量为两个，两个所述第二电机间隔固定在所述第一固定法兰71上，且两者分别位于所述腰部连接座711相背的两侧;所述第二小齿轮的数量为两个，两个所述第二小齿轮分别与两个所述第二电机相连接，两个所述第二电机分别用于驱动两个所述第二小齿轮转动。两个所述第二小齿轮与所述第二大齿轮73同步啮合，以带动所述第二大齿轮73转动。
[0044]本实施方式中，两个所述第二小齿轮与所述第二大齿轮73呈“V”字型设置，且三者位于所述第二固定法兰71的同一侧。所述第二减重弹簧78位于所述第二辅助法兰76及所述第二固定法兰71之间，其连接在所述第二谐波减速器77上。所述第二谐波减速器77连接所述第二辅助法兰76及所述第二大齿轮73，所述第二大齿轮73将转动传递给所述第二谐波减速器77的第二波发生器，所述第二波发生器使所述第二谐波减速器77的第二柔性齿轮发生可控弹性变形并与第二谐波减速器77的第二刚性齿轮相啮合以传递转动。所述第二刚性齿轮与所述第二辅助法兰76固定连接，所述第二刚性齿轮通过转动以带动所述第二辅助法兰76转动，进而带动所述大腿结构转动。
[0045]本实施方式中，所述髋关节7还包括第二限位开关及第二光电编码器，所述第二限位开关的一端固定在所述第四辅助板710上，另一端与所述第二辅助法兰76的第二凹槽滑动连接。所述第二限位开关能够确定所述腰部连接座711与所述第二大腿连接座75之间的初始角。当所述第二限位开关进入所述第二凹槽的一端时，此位置对应的初始角为零点；当所述第二限位开关滑动到所述第二凹槽的另一端时，所述腰部连接座711与所述第二大腿连接座75之间的转动停止。所述第二限位开关与所述第二光电编码器配合，以实现所述髋关节7的双重限位(机械限位及电限位)，进而防止所述髋关节7的转动角度超过人体极限，以减小对人体的伤害。
[0046]本实施方式中，所述腿部结构2的数量、所述踝关节3的数量、所述传感鞋4的数量、所述捆绑组件5的数量、所述膝关节6的数量及所述髋关节7的数量均为两个，这些组件组合成两个连接有传感鞋4的腿部外骨骼。
[0047]采用本发明提供的下肢助力外骨骼机器人，所述髋关节与所述膝关节均设置有限位开关，所述限位开关与光电编码器配合，防止了所述下肢助力外骨骼机器人的髋关节及膝关节的转动角度超过人体极限，以减小对人体的伤害。此外，所述下肢助力外骨骼机器人的腰部结构的尺寸可以调节，以适应不同体型人的使用；所述下肢助力外骨骼机器人的膝关节及髋关节采用双电机的驱动形式，不仅输出力矩大，效率高，控制精度高，而且结构紧凑，使得相应关节体积小，质量轻，极大的减轻了士兵在单兵作战过程中产生的装备负担。
[0048]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种下肢助力外骨骼机器人，其包括上身结构、腿部结构、膝关节及髋关节，所述腿部结构包括大腿结构及小腿结构，所述髋关节连接所述上身结构及所述大腿结构;所述膝关节连接所述大腿结构及所述小腿结构;特征在于: 所述上身结构包括尺寸可调节的腰部组件，所述腰部组件包括与所述髋关节相连接的髋连接块； 所述膝关节包括连接于所述大腿结构的第一大腿连接座、分别固定在所述第一大腿连接座相背的两侧的第一固定法兰及及第二辅助板、连接于所述小腿结构的第二小腿连接座、分别固定在所述第二小腿连接座相背的两侧的第一辅助板及第一辅助法兰、两个间隔固定在所述第一固定法兰上的第一电机、分别与两个所述第一电机相连接的两个第一小齿轮、与两个所述第一小齿轮相啮合的第一大齿轮及与所述第一大齿轮相连接的第一谐波减速器，所述第一谐波减速器连接所述第一辅助法兰及所述第一辅助板，其能够通过所述第一辅助法兰带动所述第二小腿连接座相对于所述第一大腿连接座转动，进而带动所述小腿结构相对于所述大腿结构转动； 所述膝关节还包括第一限位开关及第一光电编码器，所述第一限位开关与所述第一光电编码器相配合以实现对所述膝关节的双重限位;所述第一限位开关的一端固定在所述第二辅助板上，另一端与所述第一辅助法兰的第一凹槽滑动连接，所述第一限位开关与所述第一凹槽相配合以限制所述第一大腿连接座与所述第二小腿连接座之间的转动。2.如权利要求1所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于:所述髋关节还包括连接于所述髋连接块的腰部连接座、两个连接于所述腰部连接座的第二电机、两个分别连接于两个所述第二电机的第二小齿轮、与两个所述第二小齿轮相啮合的第二大齿轮、与所述第二大齿轮相连接的第二谐波减速器及连接于所述第二谐波减速器的第二大腿连接座，所述第二大腿连接座连接于所述大腿结构，两个所述第二电机通过转动以带动所述第二大腿连接座相对于所述髋连接座转动，进而带动所述大腿结构相对于所述髋连接座转动。3.如权利要求2所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于:所述髋关节还包括分别固定在所述腰部连接座相背的两侧的第二固定法兰及第四辅助板、以及分别固定在所述第二大腿连接座相背的两侧的第三辅助板及第二辅助法兰;所述第二固定法兰连接两个所述第二电机;所述第二辅助法兰连接所述第二谐波减速器。4.如权利要求3所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于:所述髋关节还包括第二限位开关及第二光电编码器，所述第二限位开关及所述第二光电编码器相配合以实现对所述髋关节的双重限位;所述第二限位开关的一端固定在所述第四辅助板上，另一端与所述第二辅助法兰的第二凹槽滑动连接，所述第二限位开关与所述第二凹槽相配合以限制所述腰部连接座与所述第二大腿连接座之间的转动。5.如权利要求1所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于:所述下肢助力外骨骼机器人还包括踝关节、传感鞋及捆绑组件，所述踝关节连接所述小腿结构及所述传感鞋;所述捆绑组件包括大腿捆绑组件及小腿捆绑组件，所述大腿捆绑组件用于将所述人体大腿与所述大腿结构捆绑在一起;所述小腿捆绑组件用于将人体小腿与所述小腿结构捆绑在一起。6.如权利要求5所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于:所述踝关节包括鞋连接座、设置在所述鞋连接座上的第一小腿连接座及气弹簧，所述第一小腿连接座连接于所述小腿结构;所述气弹簧的一端连接于所述第一小腿连接座，另一端连接于所述传感鞋的硬质鞋跟。7.如权利要求5所述的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于:所述气弹簧的数量为两个，两个所述气弹簧分别设置在所述鞋连接座相背的两侧。
【文档编号】B25J9/00GK105965483SQ201610511532
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】李敏, 谷敏, 周建容, 杜彬, 张力峰
【申请人】西南交通大学