CN110465925B - 一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，它涉及一种截瘫助行外骨骼机器人，它包括腰部、大腿和小腿；腰部与大腿连接，大腿与小腿连接，且小腿能相对大腿转动，大腿能相对腰部转动；大腿包括中心对称的两个驱动单元；每个驱动单元包括盖板、底板和关节串联弹性驱动组件；盖板和底板连接，关节串联弹性驱动组件设置于盖板与底板之间的底板上，呈中心对称的两个驱动单元通过滑槽结构配合安装并通过安装于底板上的距离调节机构固定；关节串联弹性驱动组件与腰部连接并能相对腰部转动，小腿与关节串联弹性驱动组件连接并能相对大腿转动。本发明在被动式弹性元件中储存和释放能量，减小输出阻抗并降低地面对人体的冲击力，提高人机交互的安全性。

Description

一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种截瘫助行外骨骼机器人，具体涉及一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人。

背景技术

截瘫助行外骨骼机器人是辅助下肢失能患者重新站立行走，提高肌肉和关节力量的仿生智能机电设备，通过特定的重复性训练来促进患者大脑皮质的重组，激发患者主动运动意识并学习正确的运动模式。传统的刚性结构助行外骨骼机器人尽管具有良好的轨迹重复性与快速响应性，但无法顺应人体行走的柔性特征，外部冲击力较大，能量消耗较多，不利于安全高效的人机交互。而且，患者的差异性也要求助行外骨骼机器人具有较高的适应性与灵活性。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人。串联弹性驱动是指在机器人关节处添加弹性驱动环节，通过自身的弹性变形达到柔顺驱动的目的，对于辅助人体步行具有更好的适应性，通过串联弹性驱动关节，助行外骨骼能够在被动式弹性元件中储存和释放能量，减小输出阻抗并降低地面对人体的冲击力，提高人机交互的安全性。

本发明的技术方案是：

一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，它包括腰部、大腿和小腿；腰部与大腿连接，大腿与小腿连接，且小腿能相对大腿转动，大腿能相对腰部转动；大腿包括中心对称的两个驱动单元；每个驱动单元包括盖板、底板和关节串联弹性驱动组件；盖板和底板连接，关节串联弹性驱动组件设置于盖板与底板之间的底板上，呈中心对称的两个驱动单元通过滑槽结构配合安装并通过安装于底板上的距离调节机构固定；关节串联弹性驱动组件与腰部连接并能相对腰部转动，小腿与关节串联弹性驱动组件连接并能相对大腿转动。

进一步地，所述关节串联弹性驱动组件包括小锥齿轮、大锥齿轮、锥齿轮轴、小圆柱齿轮、大圆柱齿轮齿圈、串联弹性体、输出杆、圆柱齿轮轴、电机和驱动器；驱动器固定在底板上，电机通过电机支架固定在底板上，驱动器与电机通过导线连接，小锥齿轮安装在电机输出端上，大锥齿轮一侧与锥齿轮轴的法兰盘连接，另一侧转动安装在底板上，大锥齿轮与小锥齿轮啮合，小圆柱齿轮固装在锥齿轮轴的另一端，锥齿轮轴转动安装在盖板上，大圆柱齿轮齿圈嵌套在串联弹性体上且二者固定在一起，圆柱齿轮轴穿设于输出杆和串联弹性体的同心孔，串联弹性体和圆柱齿轮轴分别与输出杆连接，圆柱齿轮轴两端转动安装在底板与盖板上，大圆柱齿轮齿圈与小圆柱齿轮啮合；每个驱动单元的一根输出杆插装在外部结构板上，另一根输出杆与小腿连接。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、髋、膝关节采用串联弹性驱动方式，助行外骨骼机器人能够在被动式弹性元件中储存和释放能量，减小输出阻抗，提高力控的稳定性并降低地面对人体的冲击力，提高人机交互的安全性，提高系统的运行效率，更加符合人体行走的柔顺特性。

2、助行外骨骼机器人整体结构采用了模块化设计，主要包括腰部、大腿及小腿三大部分，设计实现了机械连接与电气连接的快速插拔，便于组装穿戴与收纳携带。同时，髋关节、膝关节驱动组件对称布置于驱动大腿中，整体构型轻巧、紧凑、模块化程度高，能够有效提高外骨骼穿戴的舒适性与友好度。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为腰部正向看的结构图；

图3为腰部背心看的结构图；

图4为从内侧看的大腿结构图；

图5为从外侧看的大腿结构图；

图6为去掉盖板后的大腿内部结构图；

图7为一个驱动单元的底板上带有通孔和燕尾槽的结构图；

图8为另一个驱动单元的底板上的燕尾榫的结构图；

图9为距离调节机构的结构图；

图10为关节串联弹性组件的结构图；

图11为串联弹性体的结构图；

图12为小腿的装配图；

图13为小腿的爆炸图。

具体实施方式

参见图1、图4、图5和图6所示，一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，它包括腰部I、大腿II和小腿III；腰部I与大腿II连接，大腿II与小腿III连接，且小腿III能相对大腿II转动，大腿II能相对腰部I转动；

大腿II包括中心对称的两个驱动单元；每个驱动单元包括盖板II-1、底板II-2和关节串联弹性驱动组件II-A；盖板II-1和底板II-2连接，关节串联弹性驱动组件II-A设置于盖板II-1与底板II-2之间的底板II-2上，呈中心对称的两个驱动单元通过滑槽结构配合安装并通过安装于底板II-2上的距离调节机构II-B固定；关节串联弹性驱动组件II-A与腰部I连接并能相对腰部I转动，小腿III与关节串联弹性驱动组件II-A连接并能相对大腿II转动。

图7和图8所示，外骨骼的大腿II有互为镜像的左右腿两部分，单一的大腿由中心对称的两个驱动单元组成，每个驱动单元包括盖板II-1、底板II-2和关节串联弹性驱动组件II-A。盖板II-1和底板II-2通过螺栓连接，呈中心对称关系的两个底板II-2之间通过燕尾槽II-111和燕尾榫II-112插接。

参见图2和图3所示，腰部I包括背部柔性板I-1、外部结构板I-3和两个腰部柔性板I-2；背部柔性板I-1和腰部柔性板I-2均为柔性材料，且二者固定在外部结构板I-3的内侧，外部结构板I-3两侧的接口与关节串联弹性驱动组件II-A连接。背部柔性板I-1和腰部柔性板I-2均采用柔性材料，通过粘性材料粘接到外部结构板I-3内侧，用于保护人体免受伤害；外部结构板I-3利用腰部两侧的接口与大腿II通过螺栓连接，便于插拔更换。

参见图6和图10所示，所述关节串联弹性驱动组件II-A包括小锥齿轮II-15、大锥齿轮II-12、锥齿轮轴II-13、小圆柱齿轮II-14、大圆柱齿轮齿圈II-19、串联弹性体II-20、输出杆II-21、圆柱齿轮轴II-22、电机II-17和驱动器II-18；驱动器II-18固定在底板II-2上，电机II-17通过电机支架固定在底板II-2上，驱动器II-8与电机II-17通过导线连接，小锥齿轮II-15安装在电机II-17输出端上，大锥齿轮II-12一侧与锥齿轮轴II-13的法兰盘连接，另一侧转动安装在底板II-2上，大锥齿轮II-12与小锥齿轮II-15啮合，小圆柱齿轮II-14固装在锥齿轮轴II-13的另一端，锥齿轮轴II-13转动安装在盖板II-1上，大圆柱齿轮齿圈II-19嵌套在串联弹性体II-20上且二者固定在一起，圆柱齿轮轴II-22穿设于输出杆II-21和串联弹性体II-20的同心孔，串联弹性体II-20和圆柱齿轮轴II-22分别与输出杆II-21连接，圆柱齿轮轴II-22两端转动安装在底板II-2与盖板II-1上，大圆柱齿轮齿圈II-19与小圆柱齿轮II-14啮合；每个驱动单元的一根输出杆II-21插装在外部结构板I-3上，另一根输出杆II-21与小腿III连接。如图4和图5所示，所述大腿II还包括大腿绑带II-3和传感器盖板II-5；大腿绑带II-3固定在底板II-2上，传感器安装于圆柱齿轮轴II-22的端部，传感器盖板II-5将传感器盖合并安装在底板II-2上。大腿绑带II-3设置在穿戴者大腿侧。

进一步地，参见图11所示，所述串联弹性体II-20包括同心的内环II-201、外环II-202和多个蛇形弹片II-203，内环II-201和外环II-202之间沿周向均布有与二者连接的多个蛇形弹片II-203，每个蛇形弹片II-203的波形沿径向传播，大圆柱齿轮齿圈II-19嵌套在串联弹性体II-20的外环上且二者固定在一起，串联弹性体II-20的内环II-201与输出杆II-21固接，圆柱齿轮轴II-22穿设于输出杆II-21和所述内环II-201的同心孔内，圆柱齿轮轴II-22通过花键与输出杆II-21连接。上述方案中，通常蛇形弹片II-203选用3个。驱动器II-18通过螺钉固连在底板II-2上，电机II-17通过螺钉固定在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在底板II-2上，小锥齿轮II-15通过键与电机II-17连接。大锥齿轮II-12一侧通过四个销与锥齿轮轴II-13的法兰盘连接进行周向定位，另一侧通过轴承安装在底板II-2上，大锥齿轮II-12与轴承之间安装有轴承垫片，大锥齿轮II-12与小锥齿轮II-15相互啮合传动。锥齿轮轴II-13通过四个销与大锥齿轮II-12连接的一端与大锥齿轮II-12内孔呈间隙配合，另一端通过键与小圆柱齿轮II-14连接。锥齿轮轴II-13通过轴承安装在盖板II-1上，小圆柱齿轮II-14与轴承之间安装有轴承垫片。大圆柱齿轮齿圈II-19嵌套在串联弹性体II-20的外环，并通过螺钉固连，串联弹性体II-20与输出杆II-21通过螺栓固连，输出杆II-21通过花键与圆柱齿轮轴II-22连接，输出轴II-22通过两侧轴承安装在底板II-2与盖板II-1之间。大圆柱齿轮齿圈II-19与小圆柱齿轮II-14相互啮合传动。输出杆II-21与外部结构板I-3通过快速插拔连接，并用螺钉锁紧。本实施例中外骨骼机体以结构-功能一体化的串联弹性驱动体作为核心部件，单条腿的髋关节与膝关节的驱动单元对称布置于大腿的支撑板上，完整的传动系统为电机+行星轮减速器+换向锥齿轮+串联弹性单元传动，整体结构紧凑，减轻了关节重量，提高输出杆的稳定性。

如图6和图9所示，为了更好地灵活调节髋关节和膝关节的距离，设计了操作便携的距离调节机构II-B，所述距离调节机构II-B包括调节螺栓II-6、调节螺栓套扣II-7、锁紧螺母II-8和弹簧II-9；调节螺栓套扣II-7固定在调节螺栓II-6的螺帽上，调节螺栓II-6从一个驱动单元的底板II-2的侧板通孔II-10插入，弹簧II-9套设在调节螺栓II-6上，锁紧螺母II-8旋拧在调节螺栓II-6上，弹簧II-9的两端抵在锁紧螺母II-8和所述一个驱动单元的底板II-2的侧板通孔II-10处，调节螺栓II-6能穿设和脱离另一个驱动单元的底板II-2的侧板通孔II-10。如此设置，调节螺栓II-6从底板II-2一侧的侧板通孔II-10插入，从底板II-2对侧的侧板通孔II-10伸出，插入同组另一个驱动单元的底板II-2的侧板通孔II-10中，实现同组两个驱动单元之间的距离调节，进而实现髋关节与膝关节之间的距离调节。调节螺栓套扣II-7通过销固定在调节螺栓II-6的螺帽上，弹簧II-9套装在调节螺栓II-6上，通过锁紧螺母II-8实现在调节螺栓II-6上的轴向定位。所述髋关节和膝关节之间的距离调节范围为350mm-480mm。

参见图1、图12和图13所示，小腿III包括滑动连接杆III-1、滑块III-2、轴承底座III-3、矫形器连杆III-4和矫形器III-5；

滑动连接杆III-1的一端与所述另一根输出杆II-21固接，另一端套设有可滑动的滑块III-2，滑块III-2与底座III-3固接，矫形器连杆III-4上端转动安装在底座III-3内，矫形器连杆III-4下端与和穿戴者小腿配合的矫形器III-5固接。滑块III-2带有滑槽，滑动连接杆III-1的另一端滑动设置在滑块III-2滑槽内且二者通过螺钉锁紧，推力球轴承III-8安装在轴承盖板III-7和轴承底座III-3之间，紧定螺钉III-6连接轴承盖板III-7和矫形器连杆III-4，矫形器连杆III-4与矫形器III-5的背面滑槽滑动设置且二者通过螺钉锁紧。如此设置，滑动连接杆III-1的一端与大腿驱动模块II的输出杆II-21进行套装连接，利用螺钉固定，另一端做成滑轨形状，使滑块III-2可自由滑动，通过螺钉锁紧。滑块III-2底端与轴承底座III-3固连。推力球轴承III-8安装在轴承盖板III-7和轴承底座III-3之间，紧定螺钉III-6连接轴承盖板III-7和矫形器连杆III-4，矫形器连杆III-4顶端圆柱部分与推力球轴承III-8呈间隙配合，以此来完成推力球轴承III-8在轴承底座III-3中的安装。矫形器连杆III-4与矫形器III-5背面滑槽可以相互滑动，并通过螺钉锁紧。小腿III为穿戴者小腿只提供绕竖直轴的被动旋转运动，既能为患者的足部矫形提供帮助，减轻足内翻、足外翻、足下垂等问题，也能适应患者行走过程中的小腿旋转动作，减轻患者运动过程中的不适感。

工作过程

关节串联弹性驱动组件II-A的电机II-17工作带动小锥齿轮II-15转动，大锥齿轮II-12通过与小锥齿轮II-15相互啮合实现垂直换向转动，并通过销带动锥齿轮轴II-13转动，锥齿轮轴II-13通过键传动带动小圆柱齿轮II-14转动，大圆柱齿轮齿圈II-19与小圆柱齿轮II-14相互啮合传动产生转动，进而对串联弹性体II-20产生驱动力矩，当该驱动力矩超过串联弹性体II-20的蛇形弹片II-203最大变形承受力矩时，串联弹性体II-20和输出杆II-21跟随大圆柱齿轮齿圈II-19一齐转动，从而实现关节串联弹性驱动组件II-A末端输出杆II-21的转动输出。

当电机II-17工作时带动输出杆II-21的转动，实现大腿II相对于腰部I以及小腿III相对于大腿驱动单元II的相对转动。大腿II与小腿III分别通过大腿绑带与小腿绑带带动穿戴者大腿与小腿完成摆动，从而通过外骨骼系统帮助老人或残疾人实现了双腿的摆动；通过控制方法，将外骨骼带动穿戴者的摆动与支撑高效柔顺的结合，便可以辅助老人或残疾人加强或重新实现站立、行走、上下斜坡、上下楼梯等日常生活所需的基本下肢功能。

髋关节与膝关节之间的距离调节机构II-B中，单侧的呈中心对称的两个驱动单元之间通过燕尾槽II-111和燕尾榫II-112插接，当通过调节螺栓套扣II-7手动拉动一侧的调节螺栓II-6伸出对侧的驱动单元锁紧孔后，两个驱动单元可沿燕尾槽上下错动，根据盖板II-2上的位置标记，将两个驱动单元拉伸到确定的合适位置后，松开调节螺栓套扣II-7，在弹簧II-9恢复力的作用下，调节螺栓II-6伸入对侧的侧板通孔II-10中锁紧，完成髋关节与膝关节之间的距离调节。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，它包括腰部(I)、大腿(II)和小腿(III)；腰部(I)与大腿(II)连接，大腿(II)与小腿(III)连接，且小腿(III)能相对大腿(II)转动，大腿(II)能相对腰部(I)转动；其特征在于：

大腿(II)包括中心对称的两个驱动单元；每个驱动单元包括盖板(II-1)、底板(II-2)和关节串联弹性驱动组件(II-A)；盖板(II-1)和底板(II-2)连接，关节串联弹性驱动组件(II-A)设置于盖板(II-1)与底板(II-2)之间的底板(II-2)上，呈中心对称的两个驱动单元通过滑槽结构配合安装并通过安装于底板(II-2)上的距离调节机构(II-B)固定，所述距离调节机构(II-B)包括调节螺栓(II-6)、调节螺栓套扣(II-7)、锁紧螺母(II-8)和弹簧(II-9)；调节螺栓套扣(II-7)固定在调节螺栓(II-6)的螺帽上，调节螺栓(II-6)从一个驱动单元的底板(II-2)的侧板通孔(II-10)插入，弹簧(II-9)套设在调节螺栓(II-6)上，锁紧螺母(II-8)旋拧在调节螺栓(II-6)上，弹簧(II-9)的两端抵在锁紧螺母(II-8)和所述一个驱动单元的底板(II-2)的侧板通孔(II-10)处，调节螺栓(II-6)能穿设和脱离另一个驱动单元的底板(II-2)的侧板通孔(II-10)，单侧的呈中心对称的两个驱动单元之间通过燕尾槽(II-111)和燕尾榫(II-112)插接，当通过调节螺栓套扣(II-7)手动拉动一侧的调节螺栓(II-6)伸出对侧的侧板通孔(II-10)后，两个驱动单元可沿燕尾槽上下错动，当两个驱动单元错动到确定的位置后，松开调节螺栓套扣(II-7)，在弹簧(II-9)恢复力的作用下，调节螺栓(II-6)伸入对侧的侧板通孔(II-10)中锁紧，完成髋关节与膝关节之间的距离调节，关节串联弹性驱动组件(II-A)与腰部(I)连接并能相对腰部(I)转动，小腿(III)与关节串联弹性驱动组件(II-A)连接并能相对大腿(II)转动；

所述关节串联弹性驱动组件(II-A)包括小锥齿轮(II-15)、大锥齿轮(II-12)、锥齿轮轴(II-13)、小圆柱齿轮(II-14)、大圆柱齿轮齿圈(II-19)、串联弹性体(II-20)、输出杆(II-21)、圆柱齿轮轴(II-22)、电机(II-17)和驱动器(II-18)；驱动器(II-18)固定在底板(II-2)上，电机(II-17)通过电机支架固定在底板(II-2)上，驱动器(II-8)与电机(II-17)通过导线连接，小锥齿轮(II-15)安装在电机(II-17)输出端上，大锥齿轮(II-12)一侧与锥齿轮轴(II-13)的法兰盘连接，另一侧转动安装在底板(II-2)上，大锥齿轮(II-12)与小锥齿轮(II-15)啮合，小圆柱齿轮(II-14)固装在锥齿轮轴(II-13)的另一端，锥齿轮轴(II-13)转动安装在盖板(II-1)上，大圆柱齿轮齿圈(II-19)嵌套在串联弹性体(II-20)上且二者固定在一起，所述串联弹性体(II-20)包括同心的内环(II-201)、外环(II-202)和多个蛇形弹片(II-203)，内环(II-201)和外环(II-202)之间沿周向均布有与二者连接的多个蛇形弹片(II-203)，每个蛇形弹片(II-203)的波形沿径向传播，大圆柱齿轮齿圈(II-19)嵌套在串联弹性体(II-20)的外环上且二者固定在一起，串联弹性体(II-20)的内环(II-201)与输出杆(II-21)固接，圆柱齿轮轴(II-22)穿设于输出杆(II-21)和所述内环(II-201)的同心孔内，圆柱齿轮轴(II-22)通过花键与输出杆(II-21)连接，圆柱齿轮轴(II-22)穿设于输出杆(II-21)和串联弹性体(II-20)的同心孔，串联弹性体(II-20)和圆柱齿轮轴(II-22)分别与输出杆(II-21)连接，圆柱齿轮轴(II-22)两端转动安装在底板(II-2)与盖板(II-1)上，大圆柱齿轮齿圈(II-19)与小圆柱齿轮(II-14)啮合；每个驱动单元的一根输出杆(II-21)插装在外部结构板(I-3)上，另一根输出杆(II-21)与小腿(III)连接。

2.根据权利要求1所述一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，其特征在于：腰部(I)包括背部柔性板(I-1)和两个腰部柔性板(I-2)；背部柔性板(I-1)和腰部柔性板(I-2)均为柔性材料，且二者固定在外部结构板(I-3)的内侧，外部结构板(I-3)两侧的接口与关节串联弹性驱动组件(II-A)连接。

3.根据权利要求1所述一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，其特征在于：小腿(III)包括滑动连接杆(III-1)、滑块(III-2)、轴承底座(III-3)、矫形器连杆(III-4)和矫形器(III-5)；

滑动连接杆(III-1)的一端与所述另一根输出杆(II-21)固接，另一端套设有可滑动的滑块(III-2)，滑块(III-2)与底座(III-3)固接，矫形器连杆(III-4)上端转动安装在底座(III-3)内，矫形器连杆(III-4)下端与和穿戴者小腿配合的矫形器(III-5)固接。

4.根据权利要求3所述一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，其特征在于：所述大腿(II)还包括大腿绑带(II-3)和传感器盖板(II-5)；大腿绑带(II-3)固定在底板(II-2)上，传感器安装于圆柱齿轮轴(II-22)的端部，传感器盖板(II-5)将传感器盖合并安装在底板(II-2)上。

5.根据权利要求4所述一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节和膝关节之间的距离调节范围为350mm-480mm。

6.根据权利要求5所述一种串联弹性驱动的模块化助行外骨骼机器人，其特征在于：滑块(III-2)带有滑槽，滑动连接杆(III-1)的另一端滑动设置在滑块(III-2)滑槽内且二者通过螺钉锁紧，推力球轴承(III-8)安装在轴承盖板(III-7)和轴承底座(III-3)之间，紧定螺钉(III-6)连接轴承盖板(III-7)和矫形器连杆(III-4)，矫形器连杆(III-4)与矫形器(III-5)的背面滑槽滑动设置且二者通过螺钉锁紧。

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