一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人

1.本发明涉及外骨骼机器人技术领域，具体为一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人。


背景技术：

2.高龄人群由于身体机能老化而引起的下肢功能衰退给他们的生活造成了极大困扰，同时由于脑瘫、心血管问题等疾病造成下肢功能衰退或丧失的人群规模也相当庞大。
3.因此，市场上迫切需求一种能够辅助患者做康复训练或能为患者行走提供助力的装置。近年来，国内诸多高校和研究院所开始在下肢外骨骼机器人技术领域投入研究，并取得了一定的进展，下肢外骨骼机器人技术不仅应用在医疗康复训练方面，在工业制造车间、军事、物流等领域都有广阔的应用前景。
4.目前，下肢外骨骼机器人的形式多为穿戴式，驱动方式为“一对一”驱动，这使得外骨骼本身重量较大，需要多个电机进行驱动控制，传动方式为齿轮或滚珠丝杠，传输力矩短，且造成外骨骼体积庞大、复杂程度增加，行动缺乏灵活性。下肢外骨骼机器人大多通过绑带固定在用户的腿部和腰部，对用户的束缚大，且穿戴不便。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，可有效的解决上述问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，包括座椅、髋关节部件、大腿部件、膝关节销轴、小腿部件、踝关节球铰和鞋套，依次串连构成。
7.进一步，所述座椅通过螺栓安装在髋关节u型架上。
8.进一步，所述髋关节部件包括u型架、髋关节内杆、髋关节定位销、髋关节连接件、滚动轴承、髋关节转轴、轴承端盖，所述u型架截面为口字型，所述u型架和髋关节内杆侧壁均设有定位销调节孔，所述髋关节内杆一端置于u 型架内部，通过髋关节定位销相连，一端设有轴孔与髋关节连接件顶端卡合，所述髋关节连接件截面为凹字型，两侧壁设有圆形槽孔安装滚动轴承，所述滚动轴承一侧通过阶梯状髋关节转轴固定，一侧通过轴承端盖固定。
9.进一步，所述大腿部件包括大腿外撑杆、大腿内撑杆、大腿定位销、电机支架、上滑轮、下滑轮、第一连接杆、第二连接杆、限位弹簧、大腿固板，所述大腿外撑杆上端为凸字型结构，通过髋关节转轴与凹字型髋关节连接件相连，实现大腿在矢状面内的屈伸，下端截面为口字型，所大腿外撑杆和大腿内撑杆上端面均设有定位销调节孔，所述大腿内撑杆置于大腿外撑杆内部，通过大腿定位销相连，所述上滑轮安装在大腿外撑杆上部后端面，所述下滑轮安装在大腿内撑杆下部后端面，所述电机支架安装在大腿外撑杆后端面，所述第一连接杆一端铰接在u型架上，一端与第二连接杆铰接，所述第二连接杆一端铰接在大腿外撑杆后端面，一端与第一连接杆铰接，所述限位弹簧一端固定在u型架上，一端固定在第一连接
杆上，限位弹簧的极限长度限制第一连接杆的转动角度，进而限制大腿部件的转动角度，防止大腿部件转动超出极限位置而对用户造成伤害，所述大腿固板每侧各两块安装在大腿外撑杆外壁上，对大腿起固定作用。
10.进一步，所述小腿部件包括小腿外撑杆、小腿内撑杆、小腿定位销、小腿固板，所述小腿外撑杆截面为口字型，所述小腿外撑杆和小腿内撑杆上端面均设有定位销调节孔，所述小腿内撑杆置于小腿外撑杆内部，通过小腿定位销相连，所述小腿固板每侧各两块安装在小腿外撑杆外壁上，对小腿起固定作用。
11.进一步，所述大腿部件和所述小腿部件通过膝关节销轴铰接，实现小腿在矢状面内的屈伸。
12.进一步，所述小腿部件和所述鞋套通过踝关节球铰铰接，实现足部在矢状面内的背屈和跖屈，在冠状面内的内翻和外翻，在水平面内的内旋和外旋。
13.进一步，所述金属绳的绕绳方式，在大腿部件端，金属绳从伺服电机转轴外缘点1引出，绕过上滑轮固定在第二连接杆上端绳槽内，在小腿部件端，金属绳从伺服电机转轴外缘点2引出，绕过下滑轮固定在小腿外撑杆下端绳槽内，两引出点位于伺服电机转轴同一截面圆直径的两端。
14.进一步，所述驱动源为伺服电机，通过金属绳传递动力改变髋关节部件、大腿部件及小腿部件之间的相对位置，所述鞋套与足底接触面安装有足底压力传感器，把足底压力信号实时传输到伺服电机，电机通过内部控制算法对信号进行处理，进而输出合适的转矩，为用户行走提供助力。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构设计上为骑乘式，整机位于人体内侧，灵活性高，用户在落座后可直接行走，避免了传统穿戴式外骨骼对用户束缚大、穿戴不便的弊端。驱动方式为“一对多”绳轮欠驱动，仅每侧各一个电机驱动，金属绳、滑轮和连杆配合传动，减轻整机质量、简化结构，柔性金属绳有效的增加传动力矩，缓和地面冲击，避免由于外骨骼运动超出限位对用户造成二次伤害。伺服电机通过接收足底压力传感器传输信号调整输出转矩，为用户提行走供合适助力。在髋关节部件、大腿部件和小腿部件均设有定位销调节孔，使得整机尺寸可调节，以适应不同身高的用户，具有通用性，降低制造成本。
附图说明
16.图1为本发明的整体结构示意图。
17.图2为本发明的侧视图。
18.图3为本发明的后视图。
19.图4为本发明的绳轮驱动方式示意图。
20.图5为本发明的髋关节部件结构分解图。
21.图6为本发明的大腿部件结构示意图一。
22.图7为本发明的大腿部件结构示意图二。
23.图8为本发明的小腿部件结构分解图。
24.图中，座椅1，髋关节部件2，大腿部件3，小腿部件4，鞋套5，足底压力传感器6，踝关节球铰7，膝关节销轴8，伺服电机9，金属绳10，u型架21，髋关节内杆22，髋关节定位销23，髋
关节连接杆24，滚动轴承25，髋关节转轴26，轴承端盖27，大腿外撑杆301，大腿内撑杆302，大腿定位销303，电机支架304，上滑轮305，下滑轮306，第一连接杆307，第二连接杆308，限位弹簧309，大腿固板310，小腿外撑杆41，小腿内撑杆42，小腿定位销43，小腿固板44。
具体实施方式
25.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
26.如图1至图8所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，包括座椅1、髋关节部件2、大腿部件3、膝关节销轴8、小腿部件4、踝关节球铰7和鞋套5，依次串连构成。
27.具体地，所述座椅1通过螺栓安装在髋关节u型架21上。
28.具体地，所述髋关节部件2包括u型架21、髋关节内杆22、髋关节定位销23、髋关节连接件24、滚动轴承25、髋关节转轴26、轴承端盖27，所述u 型架21截面为口字型，所述u型架21和髋关节内杆22侧壁均设有定位销调节孔，所述髋关节内杆22一端置于u型架21内部，通过髋关节定位销23相连，一端设有轴孔与髋关节连接件24顶端卡合，所述髋关节连接件24截面为凹字型，两侧壁设有圆形槽孔安装滚动轴承25，所述滚动轴承25一侧通过阶梯状髋关节转轴26固定，一侧通过轴承端盖27固定。
29.具体地，所述大腿部件3包括大腿外撑杆301、大腿内撑杆302、大腿定位销303、电机支架304、上滑轮305、下滑轮306、第一连接杆307、第二连接杆 308、限位弹簧309、大腿固板310，所述大腿外撑杆301上端为凸字型结构，通过髋关节转轴26与凹字型髋关节连接件24相连，实现大腿在矢状面内的屈伸，下端截面为口字型，所大腿外撑杆301和大腿内撑杆302上端面均设有定位销调节孔，所述大腿内撑杆302置于大腿外撑杆301内部，通过大腿定位销 303相连，所述上滑轮305安装在大腿外撑杆301上部后端面，所述下滑轮306 安装在大腿内撑杆302下部后端面，所述电机支架304安装在大腿外撑杆301 后端面，所述第一连接杆307一端铰接在u型架21上，一端与第二连接杆308 铰接，所述第二连接杆308一端铰接在大腿外撑杆301后端面，一端与第一连接杆307铰接，所述限位弹簧309一端固定在u型架21上，一端固定在第一连接杆307上，限位弹簧309的极限长度限制第一连接杆307的转动角度，进而限制大腿部件3的转动角度，防止大腿部件3转动超出极限位置而对用户造成伤害，所述大腿固板310每侧各两块安装在大腿外撑杆301外壁上，对大腿起固定作用。
30.具体地，所述小腿部件4包括小腿外撑杆41、小腿内撑杆42、小腿定位销 43、小腿固板44，所述小腿外撑杆41截面为口字型，所述小腿外撑杆41和小腿内撑杆42上端面均设有定位销调节孔，所述小腿内撑杆42置于小腿外撑杆 41内部，通过小腿定位销43相连，所述小腿固板44每侧各两块安装在小腿外撑杆41外壁上，对小腿起固定作用。
31.具体地，所述大腿部件3和所述小腿部件4通过膝关节销轴8铰接，实现小腿在矢状面内的屈伸。
32.具体地，所述小腿部件4和所述鞋套5通过踝关节球铰7铰接，实现足部在矢状面内的背屈和跖屈，在冠状面内的内翻和外翻，在水平面内的内旋和外旋。
33.具体地，所述金属绳10的绕绳方式，在大腿部件2端，金属绳从伺服电机 9转轴外缘点1引出，绕过上滑轮305固定在第二连接杆上308端绳槽内，在小腿部件4端，金属绳从伺服电机9转轴外缘点2引出，绕过下滑轮306固定在小腿外撑杆41下端绳槽内，两引出点位于伺服电机9转轴同一截面圆直径的两端。
34.具体地，所述驱动源为伺服电机9，通过金属绳10传递动力改变髋关节部件2、大腿部件3及小腿部件4之间的相对位置，所述鞋套5与足底接触面安装有足底压力传感器6，把足底压力信号实时传输到伺服电机9，电机通过内部控制算法对信号进行处理，进而输出合适的转矩，为用户行走提供助力。
35.其工作原理为：以左侧下肢为例，电机正转，在大腿部件3端金属绳9从伺服电机10转轴外缘点1引入，绕过上滑轮305，带动第一连接杆307和第二连接杆308顺时针转动，限位弹簧309被拉伸，第二连接杆308推动大腿部件3 抬起，当限位弹簧309被拉伸到极限长度，第一连接杆307呈竖直状态，大腿部件3抬起到最大高度，在小腿部件4端金属绳9从伺服电机10转轴外缘点2 引入，绕过下滑轮306，带动小腿部件4抬起，大腿部件3与小腿部件4联动同步抬起完成抬腿动作；电机反转，在大腿部件3端金属绳9从伺服电机10转轴外缘点1导出，限位弹簧309收缩，带动第一连接杆307和第二连接杆308逆时针转动，第二连接杆308拉动大腿部件3收回，在小腿部件3端金属绳9从伺服电机10转轴外缘点2导出，在重力作用下小腿部件4收回，大腿部件3与小腿部件4联动同步收回完成收腿动作，收腿动作过程中金属绳随动，无动力传递，仅调整导出长度配合各部件之间距离的变化。
36.对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
37.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

技术特征：
1.一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：包括座椅、髋关节部件、大腿部件、膝关节销轴、小腿部件、踝关节球铰和鞋套，依次串连构成。2.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述座椅通过螺栓安装在髋关节u型架上。3.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述髋关节部件包括u型架、髋关节内杆、髋关节定位销、髋关节连接件、滚动轴承、髋关节转轴、轴承端盖，所述u型架截面为口字型，所述u型架和髋关节内杆侧壁均设有定位销调节孔，所述髋关节内杆一端置于u型架内部，通过髋关节定位销相连，一端设有轴孔与髋关节连接件顶端卡合，所述髋关节连接件截面为凹字型，两侧壁设有圆形槽孔安装滚动轴承，所述滚动轴承一侧通过阶梯状髋关节转轴固定，一侧通过轴承端盖固定。4.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述大腿部件包括大腿外撑杆、大腿内撑杆、大腿定位销、电机支架、上滑轮、下滑轮、第一连接杆、第二连接杆、限位弹簧、大腿固板，所述大腿外撑杆上端为凸字型结构，通过髋关节转轴与凹字型髋关节连接件相连，实现大腿在矢状面内的屈伸，下端截面为口字型，所大腿外撑杆和大腿内撑杆上端面均设有定位销调节孔，所述大腿内撑杆置于大腿外撑杆内部，通过大腿定位销相连，所述上滑轮安装在大腿外撑杆上部后端面，所述下滑轮安装在大腿内撑杆下部后端面，所述电机支架安装在大腿外撑杆后端面，所述第一连接杆一端铰接在u型架上，一端与第二连接杆铰接，所述第二连接杆一端铰接在大腿外撑杆后端面，一端与第一连接杆铰接，所述限位弹簧一端固定在u型架上，一端固定在第一连接杆上，限位弹簧的极限长度限制第一连接杆的转动角度，进而限制大腿部件的转动角度，防止大腿部件转动超出极限位置而对用户造成伤害，所述大腿固板每侧各两块安装在大腿外撑杆外壁上，对大腿起固定作用。5.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述小腿部件包括小腿外撑杆、小腿内撑杆、小腿定位销、小腿固板，所述小腿外撑杆截面为口字型，所述小腿外撑杆和小腿内撑杆上端面均设有定位销调节孔，所述小腿内撑杆置于小腿外撑杆内部，通过小腿定位销相连，所述小腿固板每侧各两块安装在小腿外撑杆外壁上，对小腿起固定作用。6.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述大腿部件和所述小腿部件通过膝关节销轴铰接，实现小腿在矢状面内的屈伸。7.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述小腿部件和所述鞋套通过踝关节球铰铰接，实现足部在矢状面内的背屈和跖屈，在冠状面内的内翻和外翻，在水平面内的内旋和外旋。8.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述金属绳的绕绳方式，在大腿部件端，金属绳从伺服电机转轴外缘点1引出，绕过上滑轮固定在第二连接杆上端绳槽内，在小腿部件端，金属绳从伺服电机转轴外缘点2引出，绕过下滑轮固定在小腿外撑杆下端绳槽内，两引出点位于伺服电机转轴同一截面圆直径的两端。9.根据权利要求1所述的一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，其特征在于：所述驱动源为伺服电机，通过金属绳传递动力改变髋关节部件、大腿部件及小腿部件之间的相对位置，所述鞋套与足底接触面安装有足底压力传感器，把足底压力信号实时传输到伺
服电机，电机通过内部控制算法对信号进行处理，进而输出合适的转矩，为用户行走提供助力。

技术总结
本发明涉及一种骑乘式绳轮驱动下肢助行外骨骼机器人，属于外骨骼机器人技术领域，包括座椅、髋关节部件、大腿部件、膝关节销轴、小腿部件、踝关节球铰和鞋套，依次串连构成。本发明具有以下有益效果：本发明结构设计上为骑乘式，整机位于人体内侧，灵活性高，用户在落座后可直接行走，避免了穿戴式外骨骼对用户束缚大、穿戴不便的弊端。驱动方式为“一对多”绳轮欠驱动，每肢仅一个电机驱动，金属绳、滑轮和连杆配合传动，减轻整机质量、简化结构。柔性金属绳可有效增加传动力矩、缓和冲击。伺服电机通过接收足底压力传感器传输的信号调整输出转矩，为用户提供助力。整机尺寸可调节，能适应不同身高的用户，具有通用性，降低制造成本。降低制造成本。降低制造成本。


技术研发人员：王晓伟 陈旭 高胜鲁 张晓彬 牛景瑞 林朵朵
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/5/25