CN106808465A - 一种穿戴辅助外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿戴辅助外骨骼机器人，它包括与骶部环形架连接的臀部支撑架，其下端通过驱动器连接大腿支撑架；大腿支撑架通过驱动器连接小腿外骨骼架，其通过驱动器连接脚部外骨骼架；骶部环形架通过腰椎关节驱动器连接脊椎外骨骼架，其上设有肩甲外骨骼架板；肩甲外骨骼架板上设有肩部背带架；肩甲外骨骼架板通过肩甲驱动器连接肩部活动架，其通过肩顶驱动器连接上臂托架，其通过驱动器连接小臂托架，其通过驱动器连接手掌托架；脊椎外骨骼架背部设有腰椎支撑件；腰椎支撑件下设有蓄电池和电子控制系统。它能帮助穿戴者完成较大负重和较长时间的行走，减轻穿戴者的疲劳，保护人体肢体，结构轻巧，与人体贴合度高，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及人体辅助机械技术领域，尤其涉及到一种穿戴辅助外骨骼机器人。
背景技术
虽然现在的人们出门可以依靠行驶交通工具来代替步行，但很多情况下徒步运动却是现有的行驶交通工具无法替代的，比如：在一些现有的交通工具无法行驶的路面，或者需要依靠人体搬运的短距离动作，或者徒步旅游、负重爬山等等，这些都需要依靠人体步行完成，当人体徒步运动过久或者人体负重偏大时，很容易出现疲劳；但是现有的交通工具中专门针对人体负重、徒步行走的辅助工具基本没有，而现有的一些助力外骨骼机器人大部分只是具有下肢或上肢简单的支撑功能，功能单一，局限性过大，不能满足人体负重和徒步运动的需求，不能对人体肢体保护，不能满足人类生活的需求。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题提供一种穿戴辅助外骨骼机器人，它能辅助穿戴者完成较大负重和较长时间的行走，减轻穿戴者的疲劳，其结构轻巧，与人体贴合度高，使用方便可靠，可以保护人体，防止受伤，可以适用于各种普通人群或者军人作战的需求，适用范围广泛。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种穿戴辅助外骨骼机器人，它包括一体式对称设置在骶部环形架（25）下端两侧的臀部支撑架（24）；所述臀部支撑架（24）下端通过胯关节驱动器（6）连接大腿支撑架（23）；所述大腿支撑架（23）通过膝关节驱动器（7）连接小腿外骨骼架（22）；所述小腿外骨骼架（22）下端通过踝关节驱动器（8）连接脚部外骨骼架（21）；所述骶部环形架（25）中心设置有腰椎关节驱动器（5）；所述腰椎关节驱动器（5）与位于骶部环形架（25）正上方的脊椎外骨骼架（26）连接；所述脊椎外骨骼架（26）上端两侧对称设置有肩甲外骨骼架板（27）；所述肩甲外骨骼架板（27）上端一体设置有肩部背带架（28）；所述肩甲外骨骼架板（27）外侧设置有肩甲驱动器（3）；所述肩甲驱动器（3）连接肩部活动架（29）；所述肩部活动架（29）另一端设置有肩顶驱动器（10）；所述肩顶驱动器（10）连接上臂托架（30）；所述上臂托架（30）通过肘关节驱动器（2）连接小臂托架（31）；所述小臂托架（31）通过腕关节驱动器（1）连接手掌托架（32）；所述肘关节驱动器（2）后侧设置有肘关节罩（11）；所述脊椎外骨骼架（26）背部设置有长条形的腰椎支撑件（4）；所述腰椎支撑件（4）与脊椎外骨骼架（26）之间设置有蓄电池和电子控制系统。
进一步的，所述小腿外骨骼架（22）包括与膝关节驱动器（7）相连的相对设置的外侧支撑弧形板（222）和内侧支撑弧形板（221）；所述外侧支撑弧形板（222）和内侧支撑弧形板（221）之间的顶端设置有膝关节罩（9），底端设置有脚背支撑板（225）；所述膝关节罩（9）和脚背支撑板（225）前端中心均设置有支撑块（12）；所述支撑块（12）之间设置有前端支撑板（223）；所述外侧支撑弧形板（222）和内侧支撑弧形板（221）后侧中间设置有后侧支撑板（226）。
进一步的，所述后侧支撑板（226）成了字形结构，且上端设置有膝内支撑叉板（2261）。
进一步的，所述大腿支撑架（23）为长条形弧形板，且其内侧一体式设置有向外呈弧形凸起的大腿弧形托板（231）。
进一步的，所述上臂托架（30）和小臂托架（31）均为长条形弧形板，且其内侧均一体式设置有向外呈弧形凸起的弧形托板（301）。
进一步的，所述肩部背带架（28）为U形结构。
进一步的，所述手掌托架（32）为U形薄板结构。
进一步的，所述臀部支撑架（24）外侧设置有用于固定胯关节驱动器（6）的臀部辅助弯板（241）。
进一步的，所述的腕关节驱动器（1）、肘关节驱动器（2）、肩甲驱动器（3）、腰椎关节驱动器（5）、胯关节驱动器（6）；膝关节驱动器（7）、踝关节驱动器（8）、肩顶驱动器（10）内均设置有连接谐波减速器的微型电机。
进一步的，所述脚部外骨骼架（21）前端呈倒U字形结构。
本发明的有益效果：
1、本发明的外骨骼机器人可穿戴于人体，并与人体同步运动，可实现在动态步行移动中实时检测人体运动信息，并主动提供驱动力，帮助穿戴者完成较大负重和较长时间的行走，减轻穿戴者的疲劳，不但适用于普通人群的徒步运动和负重登山等，还可以适用于军人的徒步作战，提高军人行军速度和负重重量，提高军人作战能力。
2、本发明中各部件之间采用的驱动器是使用谐波减速器和电机作为驱动，通过固定于患者背后的蓄电池和电子控制系统控制驱动，运动误差低，与人体关节运动贴合度高，采用了多种关节驱动器辅助实现人体各种肢体动作，使得本装置辅助人体关节活动范围不受结构限制，适用范围广泛。
3、本发明中还可通过采集拐杖与地面的接触信息来控制关节的屈伸运动，踝关节驱动可以帮助减少来自地面的冲击，用于助力和训练，与人体的贴合度高。
4、本发明中将踝关节驱动、肘关节驱动、肩关节驱动、腰椎关节驱动、胯关节驱动、膝关节驱动和腕关节驱动结合为一体结构，功能更加全面，可减轻人体徒步运动时各肢体的受力，同时减轻人体步行负重时身体所受压力，使用方便灵活，实用性强。
5、本发明中各部件均可采用轻型材质制作，比如钛合金，并均为薄板结构，其质量轻，硬度高，结构牢固，对人体保护功能强，持久耐用。
附图说明
图1为本发明中驱动器分布结构示意图。
图2为本发明正面结构示意图。
图3为本发明背面结构示意图。
图4为本发明轴侧示意图。
图中：1、腕关节驱动器；2、肘关节驱动器；3、肩甲驱动器；4、腰椎支撑件；5、腰椎关节驱动器；6、胯关节驱动器；7、膝关节驱动器；8、踝关节驱动器；9、膝关节罩；10、肩顶驱动器；11、肘关节罩；12、支撑块；21、脚部外骨骼架；22、小腿外骨骼架；23、大腿支撑架；24、臀部支撑架；25、骶部环形架；26、脊椎外骨骼架；27、肩甲外骨骼架板；28、肩部背带架；29、肩部活动架；30、上臂托架；31、小臂托架；32、手掌托架；221、内侧支撑弧形板；222、外侧支撑弧形板；223、前端支撑板；224、脚部活动板；225、脚背支撑板；226、后侧支撑板；2261、膝内支撑叉板；231、大腿弧形托板；241、臀部辅助弯板；301、上臂弧形托板。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1-图4所示，本发明的结构连接关系为：一种穿戴辅助外骨骼机器人，它包括一体式对称设置在骶部环形架25下端两侧的臀部支撑架24；所述臀部支撑架24下端通过胯关节驱动器6连接大腿支撑架23；所述大腿支撑架23通过膝关节驱动器7连接小腿外骨骼架22；所述小腿外骨骼架22下端通过踝关节驱动器8连接脚部外骨骼架21；所述骶部环形架25中心设置有腰椎关节驱动器5；所述腰椎关节驱动器5与位于骶部环形架25正上方的脊椎外骨骼架26连接；所述脊椎外骨骼架26上端两侧对称设置有肩甲外骨骼架板27；所述肩甲外骨骼架板27上端一体设置有肩部背带架28；所述肩甲外骨骼架板27外侧设置有肩甲驱动器3；所述肩甲驱动器3连接肩部活动架29；所述肩部活动架29另一端设置有肩顶驱动器10；所述肩顶驱动器10连接上臂托架30；所述上臂托架30通过肘关节驱动器2连接小臂托架31；所述小臂托架31通过腕关节驱动器1连接手掌托架32；所述肘关节驱动器2后侧设置有肘关节罩11；所述脊椎外骨骼架26背部设置有长条形的腰椎支撑件4；所述腰椎支撑件4与脊椎外骨骼架26之间设置有蓄电池和电子控制系统。
优选的，所述小腿外骨骼架22包括与膝关节驱动器7相连的相对设置的外侧支撑弧形板222和内侧支撑弧形板221；所述外侧支撑弧形板222和内侧支撑弧形板221之间的顶端设置有膝关节罩9，底端设置有脚背支撑板225；所述膝关节罩9和脚背支撑板225前端中心均设置有支撑块12；所述支撑块12之间设置有前端支撑板223；所述外侧支撑弧形板222和内侧支撑弧形板221后侧中间设置有后侧支撑板226。
优选的，所述后侧支撑板226成了字形结构，且上端设置有膝内支撑叉板2261。
优选的，所述大腿支撑架23为长条形弧形板，且其内侧一体式设置有向外呈弧形凸起的大腿弧形托板231。
优选的，所述上臂托架30和小臂托架31均为长条形弧形板，且其内侧均一体式设置有向外呈弧形凸起的弧形托板301。
优选的，所述肩部背带架28为U形结构。
优选的，所述手掌托架32为U形薄板结构。
优选的，所述臀部支撑架24外侧设置有用于固定胯关节驱动器6的臀部辅助弯板241。
优选的，所述的腕关节驱动器1、肘关节驱动器2、肩甲驱动器3、腰椎关节驱动器5、胯关节驱动器6；膝关节驱动器7、踝关节驱动器8、肩顶驱动器10内均设置有连接谐波减速器的微型电机。
优选的，所述脚部外骨骼架21前端呈倒U字形结构。
本发明中各部件均采用轻型材质制作，比如钛合金，并均为薄板壳体结构，硬度高，各部位之间的驱动器均安装在内部，从本发明的外部无法破坏驱动器，不但结构牢固，而且持久耐用。
还可以在本发明中各部件中安装绑带，辅助人体穿戴，提高穿戴稳定性和舒适性，针对人体跨部、胸部等脆弱部位，在穿戴好本装置后，还可以添加一些辅助的防护壳体，以提高防护能力，如此更加适合于军人作战运动需求。
本发明具体使用时：
各个驱动器部位，除了安装有谐波减速器的微型电机外，还可以安装运动传感器、重力传感器、方向传感器等，辅助感应人体各肢体运动方向和幅度；将本发明穿戴于人体上，并将部件与人体肢体固定连接好，通过蓄电池和电子控制系统智能感应人体各肢体的运动方向，并智能驱动各个关节部分的驱动器旋转来带动各个部件按用户需求而移动，本发明可通过采集拐杖与地面的接触信息来控制关节的屈伸运动，操作简单快速。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，它包括一体式对称设置在骶部环形架（25）下端两侧的臀部支撑架（24）；所述臀部支撑架（24）下端通过胯关节驱动器（6）连接大腿支撑架（23）；所述大腿支撑架（23）通过膝关节驱动器（7）连接小腿外骨骼架（22）；所述小腿外骨骼架（22）下端通过踝关节驱动器（8）连接脚部外骨骼架（21）；所述骶部环形架（25）中心设置有腰椎关节驱动器（5）；所述腰椎关节驱动器（5）与位于骶部环形架（25）正上方的脊椎外骨骼架（26）连接；所述脊椎外骨骼架（26）上端两侧对称设置有肩甲外骨骼架板（27）；所述肩甲外骨骼架板（27）上端一体设置有肩部背带架（28）；所述肩甲外骨骼架板（27）外侧设置有肩甲驱动器（3）；所述肩甲驱动器（3）连接肩部活动架（29）；所述肩部活动架（29）另一端设置有肩顶驱动器（10）；所述肩顶驱动器（10）连接上臂托架（30）；所述上臂托架（30）通过肘关节驱动器（2）连接小臂托架（31）；所述小臂托架（31）通过腕关节驱动器（1）连接手掌托架（32）；所述肘关节驱动器（2）后侧设置有肘关节罩（11）；所述脊椎外骨骼架（26）背部设置有长条形的腰椎支撑件（4）；所述腰椎支撑件（4）与脊椎外骨骼架（26）之间设置有蓄电池和电子控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿外骨骼架（22）包括与膝关节驱动器（7）相连的相对设置的外侧支撑弧形板（222）和内侧支撑弧形板（221）；所述外侧支撑弧形板（222）和内侧支撑弧形板（221）之间的顶端设置有膝关节罩（9），底端设置有脚背支撑板（225）；所述膝关节罩（9）和脚背支撑板（225）前端中心均设置有支撑块（12）；所述支撑块（12）之间设置有前端支撑板（223）；所述外侧支撑弧形板（222）和内侧支撑弧形板（221）后侧中间设置有后侧支撑板（226）。
3.根据权利要求2所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述后侧支撑板（226）成了字形结构，且上端设置有膝内支撑叉板（2261）。
4.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支撑架（23）为长条形弧形板，且其内侧一体式设置有向外呈弧形凸起的大腿弧形托板（231）。
5.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述上臂托架（30）和小臂托架（31）均为长条形弧形板，且其内侧均一体式设置有向外呈弧形凸起的弧形托板（301）。
6.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述肩部背带架（28）为U形结构。
7.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述手掌托架（32）为U形薄板结构。
8.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述臀部支撑架（24）外侧设置有用于固定胯关节驱动器（6）的臀部辅助弯板（241）。
9.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述的腕关节驱动器（1）、肘关节驱动器（2）、肩甲驱动器（3）、腰椎关节驱动器（5）、胯关节驱动器（6）；膝关节驱动器（7）、踝关节驱动器（8）、肩顶驱动器（10）内均设置有连接谐波减速器的微型电机。
10.根据权利要求1所述的一种穿戴辅助外骨骼机器人，其特征在于，所述脚部外骨骼架（21）前端呈倒U字形结构。
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