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CN104398368B - 一种电机横置的助行外骨骼机器人 - Google Patents

一种电机横置的助行外骨骼机器人 Download PDF

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CN104398368B CN201410750101.0A CN201410750101A CN104398368B CN 104398368 B CN104398368 B CN 104398368B CN 201410750101 A CN201410750101 A CN 201410750101A CN 104398368 B CN104398368 B CN 104398368B
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程洪
殷紫光
潘有缘
林西川
邱静
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Buffalo Robot Technology Chengdu Co ltd
Cheng Hong
Chengdu Electronics Great Assets Management Co ltd
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University of Electronic Science and Technology of China
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Abstract

本发明涉及一种电机横置的助行外骨骼机器人，它包括腰部固定装置（1）、大腿固定装置（3）、大腿驱动机构（4）、膝盖固定装置（9）、小腿固定装置（5）、小腿驱动机构（6）、弹性踝关节（7）和鞋底（8），腰部固定装置（1）的两端设置有人体厚度调节机构（12），人体厚度调节机构（12）的端部铰接有大腿连杆转动固定座（10），大腿固定装置（3）的上端装于大腿连杆转动固定座（10）的外侧，大腿驱动机构（4）与大腿连杆转动固定座（10）连接，小腿驱动机构（6）与大腿固定装置（3）的下端连接，弹性踝关节（7）上端装于小腿固定装置（5）上，下端与鞋底（8）连接。本发明的优点在于：体积小且输出转矩高、操作方便和可靠性高。

Description

一种电机横置的助行外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及医疗康复器械技术领域，特别是一种电机横置的助行外骨骼机器人。
背景技术
目前外骨骼普遍采用电机轴与人体关节转动轴线同轴的布置方式，此方式必然使得关节处有一个巨大的减速器和电机，使外骨骼不便于人穿戴。此外，如果需要更大的力量，关节处会更大 。
中国专利申请号为201310572075.2，公开了穿戴式下肢外骨骼康复机器人所述髋膝驱动关节部件，主要包括关节支撑件、减速器、电机、轴承、输出轴、编码盘，并结合其附图1可以看出，电机主轴与关节转动轴线同轴，为了提供更大的输出扭矩，则必然会加大电机功率，其体积也随之加大，导致电机在水平方向占用空间太大，从而使得机器人的整体占用空间增大，若要缩减占用空间，则输出扭矩必然受到限制。
目前虽有少数外骨骼机器人采用锥齿轮，但几乎都是开式的锥齿轮传动。此方案完全没有实用意义，原因如下：（1）、外骨骼为人所穿戴，齿轮暴露在外面，完全不能够满足安全需要求，一旦人体某个部位接触齿轮，后果严重；（2）、开式锥齿轮传动效率低下；（3）开式锥齿轮传动不适合外骨骼的应用环境，很容易搅入异物。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种体积小且输出转矩高、操作方便和可靠性高的电机横置的助行外骨骼机器人。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种电机横置的助行外骨骼机器人，它包括腰部固定装置、大腿固定装置、大腿驱动机构、膝盖固定装置、小腿固定装置、小腿驱动机构、弹性踝关节和鞋底，所述的腰部固定装置的中部设置有人体宽度调节机构，腰部固定装置的两端设置有人体厚度调节机构，人体厚度调节机构的端部通过铰销铰接有大腿连杆转动固定座，人体厚度调节机构与大腿连杆转动固定座铰接处的外侧通过弹性钢片连接，所述的大腿固定装置的上端转动安装在大腿连杆转动固定座的外侧，大腿驱动机构固定安装于大腿固定装置的外侧，并与大腿连杆转动固定座传动连接，大腿驱动机构顺沿大腿固定装置的长度方向设置，大腿固定装置的下端内侧设置有膝盖固定装置，所述的小腿固定装置设置于膝盖固定装置的下方，小腿驱动机构固定安装在小腿固定装置的外侧，并与大腿固定装置的下端传动连接，小腿驱动机构顺沿小腿固定装置的长度方向设置，所述的弹性踝关节上端固定安装在小腿固定装置上，下端与鞋底连接。
所述的腰部固定装置的两侧分别还设置有腰部绑缚装置。
所述的大腿驱动机构和小腿驱动机构的上端分别设置有有关节限位台阶。
所述的大腿驱动机构和小腿驱动机构均包括外壳和设置于外壳内部的驱动电机、减速器、主动锥齿轮以及从动锥齿轮，驱动电机的输出轴与减速器的输入轴传动连接，减速器的输出轴与主动锥齿轮传动连接，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合。
所述的弹性踝关节包括调节连杆、转轴、踝连杆、限位壳和弹簧，调节连杆的上端固定在小腿固定装置上，下端通过转轴与踝连杆连接，踝连杆的一侧设置有限位壳，限位壳内安装有可使踝连杆自动复位的弹簧。
所述的从动锥齿轮的尾部还设置有编码器。
本发明具有以下优点：
1、驱动机构分别采用锥齿轮结构，将大腿驱动机构和小腿驱动机构分别顺沿大腿固定装置和小腿固定装置的长度方向设置，并将驱动机构与大腿固定装置或小腿固定装置作成一体，不仅可以减小机器人的体积，还使得外骨骼可以选择功率更大的电机来达到更大的力量，在大小腿连杆厚度不大于65mm的情况下，能够提供高达120N·m的额定输出扭矩，并且能够降低成本。
2、本发明分别设置有人体宽度调节机构和人体厚度调节机构，可适用于不同体型的用户，且其都是通过螺栓插入不同的螺纹孔来实现调节的功能，操作简单，使得用户的适应速度加快。
3、将驱动电机、减速器、主动锥齿轮以及从动锥齿轮设置与外壳内部，确保使用者安全，而且比开式锥齿轮传动效率更高，更能够增加传动可靠性。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为本发明的侧面结构示意图；
图3 为图2中B-B剖视结构示意图；
图4 为腰部固定装置的结构示意图；
图5 为驱动机构的剖视结构示意图；
图6 为驱动机构的结构示意图；
图7 为弹性踝关节的结构示意图
图中：1-腰部固定装置，2-腰部绑缚装置，3-大腿固定装置，4-大腿驱动机构，5-小腿固定装置，6-小腿驱动机构，7-弹性踝关节，8-鞋底，9-膝盖固定装置，10-大腿连杆转动固定座，11-人体宽度调节机构，12-人体厚度调节机构，13-弹性钢片，14-驱动电机，15-减速器，16-主动锥齿轮，17-从动锥齿轮，18-外壳，19-调节连杆，20-转轴，21-踝连杆，22-限位壳，23-弹簧，24-编码器，25-关节限位台阶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1、图2和图3所示，一种电机横置的助行外骨骼机器人，它包括腰部固定装置1、大腿固定装置3、大腿驱动机构4、膝盖固定装置9、小腿固定装置5、小腿驱动机构6、弹性踝关节7和鞋底8，所述的腰部固定装置1的中部设置有人体宽度调节机构11，腰部固定装置1的两端设置有人体厚度调节机构12，人体宽度调节装置11和人体厚度调节装置12都是通过螺栓插入不同的螺纹孔来实现调节的功能，人体厚度调节机构12的端部通过铰销铰接有大腿连杆转动固定座10，大腿连杆转动固定座10上设置缺口铰链，完成转动和限位，人体厚度调节机构12与大腿连杆转动固定座10铰接处的外侧通过弹性钢片13连接，弹性钢片13实现自动归位功能，所述的大腿固定装置3的上端转动安装在大腿连杆转动固定座10的外侧，大腿驱动机构4固定安装于大腿固定装置3的外侧，并与大腿连杆转动固定座10传动连接，大腿驱动机构4顺沿大腿固定装置3的长度方向设置，大腿固定装置3的下端内侧设置有膝盖固定装置9，所述的小腿固定装置5设置于膝盖固定装置9的下方，小腿驱动机构6固定安装在小腿固定装置5的外侧，并与大腿固定装置3的下端传动连接，小腿驱动机构6顺沿小腿固定装置5的长度方向设置，所述的弹性踝关节7上端固定安装在小腿固定装置5上，下端与鞋底8连接。
进一步地，如图1和图4所示，所述的腰部固定装置1的两侧分别还设置有腰部绑缚装置2，与腰部固定装置1一起固定人体，同时为大腿驱动提供支撑力。
进一步地，如图5和图6所示，所述的大腿驱动机构4和小腿驱动机构6均包括外壳18和设置于外壳18内部的驱动电机14、减速器15、主动锥齿轮16以及从动锥齿轮17，驱动电机14为直流电机，驱动电机14的输出轴与减速器15的输入轴传动连接，减速器15的输出轴与主动锥齿轮16传动连接，主动锥齿轮16与从动锥齿轮17啮合，通过锥齿轮改变转动角度和增大传动比后由从动锥齿轮17输出，从动锥齿轮17的尾部还设置有编码器24。大腿驱动机构4和小腿驱动机构6的上端分别设置有有关节限位台阶25，大腿驱动机构4上的关节限位台阶25与大腿连杆转动固定座10共同作用限制大腿超角度转动，小腿驱动机构6上的关节限位台阶25与大腿固定装置3共同作用限制小腿超角度转动，进一步提高机器人的工作可靠性。
进一步地，如图7所示，所述的弹性踝关节7包括调节连杆19、转轴20、踝连杆21、限位壳22和弹簧23，调节连杆19的上端固定在小腿固定装置5上，下端通过转轴20与踝连杆21连接，踝连杆21的一侧设置有限位壳22，限位壳22内安装有可使踝连杆21自动复位的弹簧23。

Claims (3)

1.一种电机横置的助行外骨骼机器人，其特征在于：它包括腰部固定装置（1）、大腿固定装置（3）、大腿驱动机构（4）、膝盖固定装置（9）、小腿固定装置（5）、小腿驱动机构（6）、弹性踝关节（7）和鞋底（8），所述的腰部固定装置（1）的中部设置有人体宽度调节机构（11），腰部固定装置（1）的两端设置有人体厚度调节机构（12），人体厚度调节机构（12）的端部通过铰销铰接有大腿连杆转动固定座（10），人体厚度调节机构（12）与大腿连杆转动固定座（10）铰接处的外侧通过弹性钢片（13）连接，所述的大腿固定装置（3）的上端转动安装在大腿连杆转动固定座（10）的外侧，大腿驱动机构（4）固定安装于大腿固定装置（3）的外侧，并与大腿连杆转动固定座（10）传动连接，大腿驱动机构（4）顺沿大腿固定装置（3）的长度方向设置，大腿固定装置（3）的下端内侧设置有膝盖固定装置（9），所述的小腿固定装置（5）设置于膝盖固定装置（9）的下方，小腿驱动机构（6）固定安装在小腿固定装置（5）的外侧，并与大腿固定装置（3）的下端传动连接，小腿驱动机构（6）顺沿小腿固定装置（5）的长度方向设置，所述的弹性踝关节（7）上端固定安装在小腿固定装置（5）上，下端与鞋底（8）连接；
所述的大腿驱动机构（4）和小腿驱动机构（6）均包括外壳（18）和设置于外壳（18）内部的驱动电机（14）、减速器（15）、主动锥齿轮（16）以及从动锥齿轮（17），驱动电机（14）的输出轴与减速器（15）的输入轴传动连接，减速器（15）的输出轴与主动锥齿轮（16）传动连接，主动锥齿轮（16）与从动锥齿轮（17）啮合；
所述的弹性踝关节（7）包括调节连杆（19）、转轴（20）、踝连杆（21）、限位壳（22）和弹簧（23），调节连杆（19）的上端固定在小腿固定装置（5）上，下端通过转轴（20）与踝连杆（21）连接，踝连杆（21）的一侧设置有限位壳（22），限位壳（22）内安装有可使踝连杆（21）自动复位的弹簧（23）；
大腿驱动机构（4）和小腿驱动机构（6）的上端分别设置有有关节限位台阶（25），大腿驱动机构（4）上的关节限位台阶（25）与大腿连杆转动固定座（10）共同作用限制大腿超角度转动，小腿驱动机构（6）上的关节限位台阶（25）与大腿固定装置（3）共同作用限制小腿超角度转动。
2.根据权利要求1所述的一种电机横置的助行外骨骼机器人，其特征在于：所述的腰部固定装置（1）的两侧分别还设置有腰部绑缚装置（2）。
3.根据权利要求1所述的一种电机横置的助行外骨骼机器人，其特征在于：所述的从动锥齿轮（17）的尾部还设置有编码器（24）。
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