一种柔性外骨骼助力机器人的制作方法

本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种柔性外骨骼助力机器人。

背景技术：

外骨骼助力技术经过多年的发展，已经取得了巨大的进展，美国、法国、土耳其、韩国等相继推出了hulc、hercules、asya、lexo等多款性能优越的动力外骨骼，这些外骨骼以刚性机架为支撑，自重较大，主要针对负重作业而设计，对穿戴者的运动灵活性与穿戴舒适性会产生一定的影响。

柔性外骨骼是一种机电系统与纺织面料外衣一体化设计的轻质外骨骼系统，通过电动技术手段产生主动助力代替人体肌肉做功，并且借助柔性力传递机构传递助动力，从能量守恒角度具备了降低人体代谢消耗的基础条件，具有质量轻、人机相容性好、人机约束强度、个体体征差异适应性强、结构柔顺、人机穿戴舒适性好等关键优势。

专利文献cn108014001a公开了一种柔性助行外骨骼，通过控制电磁阀组件进行气路的切换，基于用户下肢实时的运动状态对左、右腿上的可穿戴柔性执行器的相应气囊进行压力控制，在行走过程中为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

专利文献cn105266939a公布了柔性外骨骼机器人，包括穿戴于人体下肢上的下肢柔性绑缚装置，驱动下肢柔性绑缚装置运动的仿生驱动装置，连接于驱动装置与下肢柔性绑缚装置之间的传动装置，使用仿生驱动方式驱动下肢柔性绑缚装置辅助人体行走。

但是现有技术的柔性外骨骼，对膝关节和腿部的支撑保护功能研究不足，并且仿生性较差，影响穿戴者的舒适性和运动灵活性，安全性不足。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种柔性外骨骼助力机器人，以解决如何提高外骨骼对膝关节和腿部的支撑保护的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种柔性外骨骼助力机器人该机器人包括从上至下依次连接的绑缚固定系统、动力传动装置、腰部机构和下肢机构；其中，

绑缚固定系统包括左右肩部绑带，肩部绑带设计有快速长度调节与拆装卡扣，肩部绑带下端通过接口与腰部机构的腰带连接，将动力传动装置与下肢机构在垂直方向固定；

动力传动装置包括动力单元、柔索、力传感器和力传感器安装座；其中，通过柔索进行动力单元的传力，柔索通过柔索固定件与力传感器相连，力传感器通过连接销轴与力传感器安装座相连，力传感器安装座固定在下肢机构的小腿构件上；

腰部机构包括腰带、快速拆装机构和连杆；其中，腰带通过其上设计的接口将动力单元连接，固定在穿戴者的腰部；快速拆装机构包括绑带挂接片、机构本体、滑动件、限位销轴、挂钩和弹簧；快速拆装机构由绑带挂接片、挂钩通过绑缚带与腰带实现固定，通过绑带挂接片相对于机构本体沿连接销轴的转动，实现髋关节前伸后屈的运动；连杆插入机构本体的安装孔内时，连杆带沟槽的锥形结构会将滑动件顶开产生位移将弹簧压缩，随着连杆继续向上运动，滑动件底部嵌入到连杆的沟槽内，并在弹簧的作用下配合避免脱离；按下滑动件压缩弹簧，滑动件底部会从连杆的沟槽内脱离；

下肢机构包括齿形调整件、调整旋钮、齿形板、大腿构件、大腿绑带、膝关节上盖板、膝关节链板、膝关节下盖板、小腿构件和小腿绑带；其中，齿形调整件通过调整旋钮与齿形板相连，通过调整旋钮实现齿形调整件相对大腿构件的位置调整；大腿构件通过柔索固定件对柔索进行固定与导向，通过大腿绑带将大腿构件与穿戴者的大腿固连；小腿构件上的力传感器安装座26将力传感器进行固定，通过小腿绑带将小腿构件与穿戴者的小腿固连；膝关节上盖板和膝关节下盖板分别固定在大腿构件的下端和小腿构件的上端；膝关节下盖板通过膝关节链板与小腿构件的中段连接；膝关节上盖板和膝关节下盖板均设计有柔索的导向通道。

进一步地，快速拆装机构还包括对滑动件进行限位的限位销轴。

进一步地，大腿构件和小腿构件均采用碳纤维材料的包裹式仿生设计。

(三)技术效果

本发明提出一种柔性外骨骼助力机器人，由上到下依次由肩部绑带、动力传动装置、腰部机构以及下肢机构等组成。绑缚固定系统将动力传动装置进行固定，同时可根据不同体型的穿戴者进行快速调整；动力传动装置包括驱动单元和传动单元，可实现对膝关节的柔性驱动；腰部机构通过腰带将驱动单元固定，并通过快速拆装机构与下肢机构连接在一起；下肢机构采用了包裹式设计，膝关节采用四边形铰链式结构设计，能使机械腿与穿戴者的腿能够更好地贴合增加穿戴者的舒适，并在膝关节处设计有护板一方面可以对膝关节进行保护，另一方面可为柔索传动提供导向，大腿设计有免工具快速身高调整结构。本发明是一种典型的军民两用产品，采用了柔性仿生设计，关节柔性驱动，可降低士兵负重时体能消耗、保护骨骼肌肉免授损伤，为膝关节病变患者提供有效防护与助力，人机功效好，适应性强。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明采用模块化设计，具有多处尺寸适应性调节机构，免工具拆卸与维护，可根据穿戴者的身高定量化调整背架、腿部的长度。

2、本发明设计有柔性无极调节绑缚系统，肩带设有绑缚调节机构，方便调节人机绑带接触位置，包裹性好，提高肌肉刚度，避免长期压迫固定位置导致的肢体酸麻和疲劳感。

3、本发明可实现快速拆装折叠，借用系统自带的绑带捆扎牢固，便于运输携带。

4、本发明采用柔性仿生设计，关节柔性驱动，为士兵巡逻以及膝关节病变患者提供有效防护与助力。

附图说明

图1为本发明实施例柔性外骨骼助力机器人整体结构示意图；

图2为本发明实施例机器人的去除膝关节上下盖板的结构示意图；

图3为本发明实施例机器人的肩部绑带与动力单元结构示意图；

图4为本发明实施例机器人的柔索末端固定示意图；

图5为本发明实施例机器人的腰部结构示意图；

图6为本发明实施例机器人的快速拆装机构示意图；

图7为本发明实施例机器人的快速拆装机构剖视图；

图8为本发明实施例机器人的下肢机构示意图。

图中，11-左右肩部绑带；21-动力单元；22-柔索；23-柔索固定件；24-力传感器；25-连接销轴；26-力传感器安装座；31-腰带；32-快速拆装机构；33-连杆；321-绑带挂接片；322-机构本体；323-滑动件；324-限位销轴；325-挂钩；326-连接销轴；327-弹簧；41-齿形调整件；42-调整旋钮；43-齿形板；44-柔索固定件；45-大腿构件；46-大腿绑带；47-膝关节上盖板；48-膝关节链板；49-膝关节下盖板；410-小腿构件；411-小腿绑带。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种柔性外骨骼助力机器人，其整体结构如图1和2所示，该机器人包括从上至下依次连接的绑缚固定系统1、动力传动装置2、腰部机构3和下肢机构4。其中，下肢部分在穿戴者左右侧各一套，平行布置。图3～8为该机器人各关键部位的结构示意图，能够将其结构形态进行全方位的表述。

绑缚固定系统1包括左右肩部绑带11，如图3所示，肩部绑带11设计有快速长度调节与拆装卡扣，可实现快速调节与穿脱，下端设计有接口与腰部机构3的腰带31连接，将动力传动装置2与下肢机构4在垂直方向固定。

动力传动装置2包括动力单元21、柔索22、柔索固定件23、力传感器24、连接销轴25和力传感器安装座26，如图3和4所示。其中，动力单元21由电机、减速机和绳轮机构组成；电机是直流无刷电机，为减轻重量电机做成了无壳结构，主要由定子、转子、前后端盖和编码器组成；减速机采用轻量化设计，除齿轮、轴承是钢件外，减速机安装法兰、壳体等均采用了密度更小的铝合金材料以减轻重量；滑轮机构是由滑轮壳、滑轮盖、滑轮、柔索、轴承等组成，为减轻随身携带的质量，滑轮壳、滑轮盖以及滑轮等均采用高强度铝合金7075。

柔性外骨骼助力机器人通过柔索22进行动力单元21的传力，柔索22出滑轮的出口设计了可调张力柔索夹持机构，即在柔索拉紧或松弛时，都对柔索22保持一定的夹持力，从而避免柔索22在滑轮槽与壳体的摩擦。

如图4所示，柔索22通过柔索固定件23与力传感器24相连，力传感器24通过连接销轴25与力传感器安装座26相连，最终力传感器安装座26固定在下肢机构4的小腿构件410上。

如图5所示，腰部机构3包括腰带31、快速拆装机构32和连杆33。腰带31通过其上设计的接口将动力单元21连接，固定在穿戴者的腰部，从而实现动力单元21的固定，防止向下掉落。

如图6和7所示，快速拆装机构32包括绑带挂接片321、机构本体322、滑动件323、限位销轴324、挂钩325、连接销轴326和弹簧327。快速拆装机构32由绑带挂接片321、挂钩325通过绑缚带与腰带31实现固定，通过绑带挂接片321相对于机构本体322沿连接销轴326的转动，可实现髋关节前伸后屈的运动。

连杆33设计有带沟槽的锥形结构，连杆33插入机构本体322的安装孔内时，其锥形结构会将滑动件323顶开产生位移将弹簧327压缩，随着连杆33继续向上运动，滑动件323底部会嵌入到连杆33的沟槽内，并在弹簧327的作用下配合避免脱离，这样就实现了快速拆装机构32与连杆33的快速免工具安装。为防止滑动件323脱落，设计了限位销轴324对其进行限位；按下滑动件323压缩弹簧327，其底部会从连杆33的沟槽内脱离，即可实现快速拆装机构32与连杆33的快速免工具拆卸。

如图8所示，下肢机构4包括齿形调整件41、调整旋钮42、齿形板43、柔索固定件44、大腿构件45、大腿绑带46、膝关节上盖板47、膝关节链板48、膝关节下盖板49、小腿构件410和小腿绑带411。其中，齿形调整件41通过调整旋钮42与齿形板43相连，通过整节旋钮42可方便快捷的实现齿形调整件41相对大腿构件45的位置调整，进而可实现针对不同身高的人进行快速免工具调整。

大腿构件45采用了碳纤维材料的包裹式仿生设计，一方面减小了大腿部的重量增加穿戴的舒适度，另一方面可实现对大腿的保护；大腿构件45上设计有柔索固定件44对柔索22进行固定与导向，通过大腿绑带46将大腿构件45与穿戴者的大腿固连，大腿绑带46具有一定的弹性以此来适应不同的穿戴者，并能消除穿戴者在下蹲时肌肉膨胀量的影响，增加传穿戴者的舒适度。

小腿构件410采用了碳纤维材料的包裹式仿生设计，一方面减小了小腿部的重量增加穿戴的舒适度，另一方面可实现对小腿的保护；小腿构件410上设计有力传感器安装座26，将力传感器24进行固定，通过小腿绑带411将小腿构件410与穿戴者的小腿固连，小腿绑带411具有一定的弹性以此来适应不同的穿戴者，并能消除穿戴者在下蹲时肌肉膨胀量的影响，增加传穿戴者的舒适度。

柔性外骨骼助力机器人的膝关节是由膝关节链板48构成的四边形铰链式结构，该四边形铰链式膝关节结构与穿戴者膝关节运动功能相近，能提高外骨骼助力机器人与穿戴者的贴合性，增加舒适度，通过对膝关节内外侧进行支撑可增加穿戴者膝关节的稳定性，并对膝关节的过度扭转进行限制起到一定的保护作用。柔性外骨骼助力机器人膝关节处设置有膝关节上盖板47、膝关节下盖板49，分别固定在大腿构件45的下端、小腿构件410的上端，膝关节下盖板49通过膝关节链板48与小腿构件410的中段连接。膝关节上盖板47、膝关节下盖板49设计有柔索22的导向通道，一方面可实现可实现对柔索22的导向，另一方面对穿戴者的膝关节进行保护防止柔索22压迫膝关节；膝关节上盖板47、膝关节下盖板49在穿戴者处于站立状态式二者可以交错重叠，在屈膝下蹲时二者可分离。

本实施例的柔性外骨骼助力机器人的使用过程分为以下几步：

第一步，通过左右肩部绑带11、腰带31、大腿绑带46、小腿绑带411将外骨骼助力机器人与穿戴者融合在一起，根据穿戴者的具体体型通过调节旋钮42调节齿形调整件41相对于大腿构件45的位置。

第二步，穿戴者通过启动外骨骼外骨骼助力机器人，并进行初始化，随后即可以正常使用。

第三步，通过安装穿戴者足底的压力传感器，腿部的位姿传感器等判断穿戴者当前的姿态，当某一条腿处于支撑相初期时，相关传感器就会为控制系统发送指令，控制动力单元21驱动柔索22运动实现为穿戴者膝关节助力，助力为单向助力。

第四步，当运动完成，解脱各绑缚带可实现穿戴者与外骨骼助力机器人的快速脱离。

本装置采用电机驱动柔索，通过调节电机的转速可实现行走于奔跑状态的快速切换；穿戴者对本装置的使用自己可以独立完成，不需要他人的协助。

本发明主要具有以下技术特点：

1、模块化设计，穿脱快捷，隐形布局有多处尺寸适应性调节机构，免工具拆卸与维护，可根据穿戴者的身高定量化调整背架、腿部的长度。

2、设计了柔性无极调节绑缚系统，肩带设有绑缚调节机构，方便调节人机绑带接触位置，包裹性好提高肌肉刚度，避免长期压迫固定位置导致的肢体酸麻和疲劳感。

3、可实现快速的拆装折叠，借用系统自带的绑带捆扎牢固，便于运输携带。

4、采用了柔性仿生设计，关节柔性驱动，士兵巡逻以及膝关节病变患者提供有效防护与助力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。