一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，涉及仿生可穿戴外骨骼机器人领域；包括背部安装板、腰部连接件、髋部仿生结构、髋关节、大腿仿生结构、膝关节、小腿仿生结构、踝关节和足部仿生结构；足部仿生结构上表面的边缘处设置有踝关节；小腿仿生结构与足部仿生结构固定连接；大腿仿生结构安装在小腿仿生结构顶端膝关节的上方；髋关节固定安装在大腿仿生结构的上端；髋部仿生结构固定安装在髋关节的上端；腰部连接件与髋部仿生结构固定连接；背部安装板竖直与腰部连接件固定连接；本发明通过对各关节自由度集成化，增加主动关节驱动结构，在满足负载需求情况下轻量化结构形式，增强了人机安全性和穿戴舒适度，提高了外骨骼辅助功效。
1.一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，其特征在于：包括背部连接件(14)、背部安装板(10)、腰部连接件(13)、髋部仿生结构(3)、髋关节驱动器(1)、髋关节(9)、大腿仿生结构(6)、膝关节驱动器(2)、大腿连接件(12)、膝关节(8)、小腿仿生结构(5)、踝关节(7)和足部仿生结构(4)；其中足部仿生结构(4)水平固定放置在下肢外骨骼的底端；足部仿生结构(4)上表面的边缘处设置有踝关节(7)；小腿仿生结构(5)竖直放置，且小腿仿生结构(5)的底端通过踝关节(7)与足部仿生结构(4)固定连接；小腿仿生结构(5)的顶端设置有膝关节(8)；大腿仿生结构(6)竖直固定安装在膝关节(8)的上方；大腿仿生结构(6)的外侧沿竖直方向设置有膝关节驱动器(2)；大腿仿生结构(6)的内侧水平固定安装大腿连接件(12)，实现对人体大腿的固定；髋关节(9)固定安装在大腿仿生结构(6)的上端；髋部仿生结构(3)固定安装在髋关节(9)的上端，且髋部仿生结构(3)的外侧固定安装有髋关节驱动器(1)；腰部连接件(13)与髋部仿生结构(3)固定连接，实现对人体腰部的固定；背部安装板(10)竖直与腰部连接件(13)固定连接；背部连接件(14)竖直固定安装在背部安装板(10)的顶端，实现对人体肩部的固定；
所述的小腿仿生结构(5)包括小腿仿生杆(15)和伸缩调节件(16)；小腿仿生杆(15)固定安装在膝关节(8)的下端，小腿仿生杆(15)为中空杆状结构，伸缩调节件(16)沿轴向竖直固定安装在小腿仿生杆(15)的中空孔内，且伸缩调节件(16)沿孔方向实现伸缩运动；
所述下肢外骨骼还包括背部连接板(17)、髋部伸缩板(18)、转轴(19)和拉伸弹簧(20)；
其中背部连接板(17)为匕首型板状结构；2个背部连接板(17)交叉固定在背部安装板(10)的侧面中心处，且转轴(19)垂直固定安装在2个背部连接板(17)的交点处；拉伸弹簧(20)的一端固定安装在背部安装板(10)的侧面，拉伸弹簧(20)的另一端与背部连接板(17)的端部固定连接，实现对背部连接板(17)的收紧限位；髋部伸缩板(18)的一端水平固定安装在背部连接板(17)的两侧，髋部伸缩板(18)的另一端与髋部仿生结构(3)固定连接，实现髋部仿生结构(3)沿两侧进行伸缩运动。
2.根据权利要求1所述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，其特征在于：所述的大腿仿生结构(6)包括大腿调节件(21)、大腿仿生杆件(22)、大腿旋转弹簧(23)、大腿弹簧卡头(24)和卡簧(25)；其中,大腿调节件(21)为中空圆筒结构,大腿调节件(21)竖直放置；大腿仿生杆件(22)竖直放置，且大腿仿生杆件(22)的上部设置有盲孔；大腿调节件(21)的下端伸入大腿仿生杆件(22)的盲孔中；大腿调节件(21)包覆在卡簧(25)的外壁，且卡簧(25)的底端伸出大腿调节件(21)的下端面；大腿调节件(21)盲孔的底部固定安装有大腿弹簧卡头(24)；大腿弹簧卡头(24)和卡簧(25)之间固定安装有大腿旋转弹簧(23)。
3.根据权利要求2所述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，其特征在于：所述足部仿生结构(4)包括足部脚底板(11)和踝关节座(26)；其中，足部脚底板(11)水平设置在足部仿生结构(4)的底部，实现将足部仿生结构(4)固定于人体的足底；踝关节座(26)固定安装在足部脚底板(11)的外侧，实现与踝关节(7)的连接。
4.根据权利要求3所述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，其特征在于：所述踝关节座(26)为锥形结构，踝关节座(26)的顶端设置有带有凹槽的凸台。
5.根据权利要求4所述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，其特征在于：所述踝关节(7)包括球轴承(27)、踝关节上杆(28)和蝶型弹簧(29)；其中，蝶型弹簧(29)的一端伸入踝关节座(26)凸台的凹槽内；球轴承(27)固定安装在蝶型弹簧(29)的另一端；踝关节上杆(28)的一端与球轴承(27)固定连接，踝关节上杆(28)的另一端与小腿仿生结构(5)固定连接。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，其特征在于：所述背部连接件(14)实现绕Z轴旋转-10°-10°；髋关节(9)实现绕X轴旋转70°-180°；
髋关节(9)实现绕Z轴旋转-10°-90°；髋关节(9)实现绕Y轴旋转-90°-90°；膝关节(8)实现绕X轴旋转0°-65°；踝关节(7)实现分别绕X、Y、Z轴旋转-10°-10°。
一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼
技术领域
[0001] 本发明涉及一种仿生可穿戴外骨骼机器人领域；特别是一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼。
背景技术
[0002] 在科技高度发达的今天，机器人已经渗入到各行各业，执行各种各样的任务，仿生外骨骼机器人就是机器人领域中一个非常重要的模块，机器人多自由度关节可以有效的完成复杂运动，扩大机器人的应用领域，但是传统的多自由度关节主要来自分散的自由度组成，或者由一个两个自由度组成，活动范围较小，机械结构复杂，总体重量难以实现更轻，更柔顺。随着科学技术的不断发展，特别是在进入21世纪之后，外骨骼助力机器人作为一种人体的辅助设备，在军用领域和民用领域都得到了空前的发展。
[0003] 目前外骨骼助力机器人种类繁多，将外骨骼助力机器人按照驱动关节的个数进行分类，包括:单关节外骨骼助力机器人和多关节外骨骼助力机器人(两个及以上驱动关节)。单关节外骨骼助力机器人很容易区分，即髋、膝、踝外骨骼助力机器人系统。多关节外骨骼助力机器人与其相比具有更好的助力效果和能力，在军用、航天、工业、建筑、消防以及康复等领域都有广泛的应用，而且在结构设计、驱动方式、步态感知、控制策略及能源配置等问题上也更加复杂，多关节外骨骼助力机器人结构设计是研究的热点和难点。能够更能接近人体活动自由度，仿生外骨骼结构自由度设计直接影响整体穿戴舒适度。目前国内外多自由度结构设计种类繁多，由于结构形式的设计缺陷，多关节外骨骼助力机器人助力效果不太理想，人机耦合性差，穿戴不舒适，即使拥有了多关节，主被动驱动系统设计复杂，制约了多关节的活动范围，也不能起到很好的助力辅助的作用。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，通过改进传统的下肢外骨骼结构形式，对各关节自由度集成化，增加主动关节驱动结构，在满足负载需求情况下轻量化结构形式，增强了人机安全性和穿戴舒适度，提高了外骨骼辅助功效。
[0005] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
[0006] 一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，包括背部连接件、背部安装板、腰部连接件、髋部仿生结构、髋关节驱动器、髋关节、大腿仿生结构、膝关节驱动器、大腿连接件、膝关节、小腿仿生结构、踝关节和足部仿生结构；其中足部仿生结构水平固定放置在下肢外骨骼的底端；足部仿生结构上表面的边缘处设置有踝关节；小腿仿生结构竖直放置，且小腿仿生结构的底端通过踝关节与足部仿生结构固定连接；小腿仿生结构的顶端设置有膝关节；大腿仿生结构竖直固定安装在膝关节的上方；大腿仿生结构的外侧沿竖直方向设置有膝关节驱动器；大腿仿生结构的内侧水平固定安装大腿连接件，实现对人体大腿的固定；髋关节固定安装在大腿仿生结构的上端；髋部仿生结构固定安装在髋关节的上端，且髋部仿生结构的外侧固定安装有髋关节驱动器；腰部连接件与髋部仿生结构固定连接，实现对人体腰部的固定；背部安装板竖直与腰部连接件固定连接；背部连接件竖直固定安装在背部安装板的顶端，实现对人体肩部的固定。
[0007] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述的小腿仿生结构包括小腿仿生杆和伸缩调节件；小腿仿生杆固定安装在膝关节的下端，小腿仿生杆为中空杆状结构，伸缩调节件沿轴向竖直固定安装在小腿仿生杆的中空孔内，且伸缩调节件沿孔方向实现伸缩运动。
[0008] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述下肢外骨骼还包括背部连接板、髋部伸缩板、转轴和拉伸弹簧；其中背部连接板为匕首型板状结构；2个背部连接板交叉固定在背部安装板的侧面中心处，且转轴垂直固定安装在2个背部连接板的交点处；拉伸弹簧的一端固定安装在背部安装板的侧面，拉伸弹簧的另一端与背部连接板的端部固定连接，实现对背部连接板的收紧限位；髋部伸缩板的一端水平固定安装在背部连接板的两侧，髋部伸缩板的另一端与髋部仿生结构固定连接，实现髋部仿生结构沿两侧进行伸缩运动。
[0009] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述的大腿仿生结构包括大腿调节件、大腿仿生杆件、大腿旋转弹簧、大腿弹簧卡头和卡簧；其中,大腿调节件为中空原筒结构,大腿调节件竖直放置；大腿仿生杆件竖直放置，且大腿仿生杆件的上部设置有盲孔；大腿调节件的下端伸入大腿仿生杆件的盲孔中；大腿调节件包覆在卡簧的外壁，且卡簧的底端伸出大腿调节件的下断面；大腿调节件盲孔的底部固定安装有大腿弹簧卡头；大腿弹簧卡头和卡簧之间固定安装有大腿旋转弹簧。
[0010] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述足部仿生结构包括足部脚底板和踝关节座；其中，足部脚底板水平设置在足部仿生结构的底部，实现将足部仿生结构固定于人体的足底固定连接；踝关节座固定安装在足部脚底板的外侧，实现与踝关节的连接。
[0011] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述踝关节座为锥形结构，踝关节座的顶端设置有带有凹槽的凸台。
[0012] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述踝关节包括球轴承、踝关节上杆和蝶型弹簧；其中，蝶型弹簧的一端伸入踝关节座凸台的凹槽内；球轴承固定安装在蝶型弹簧的另一端；踝关节上杆的一端与球轴承固定连接，踝关节上杆的另一端与小腿仿生结构固定连接。
[0013] 在上述的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，所述背部连接件实现绕Z轴旋转-10°-10°；髋关节实现绕X轴旋转70°-180°；髋关节实现绕Z轴旋转-10°-90°；髋关节实现绕Y轴旋转-90°-90°；膝关节实现绕X轴旋转0°-65°；踝关节实现分别绕X、Y、Z轴旋转-10°-10°。
[0014] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0015] (1)本发明提供的髋部仿生结构左右对称设计，左右背部连接板连接在固定在在背部安装板上旋转轴，在拉伸弹簧的作用下，左右髋部仿生结构具有绕固定轴上下移动自由度和回力功能，同时增加了仿生背部绕仿生髋部结构自由度；同时背部安装板和肩部人机连接件之间通过轴链接，增加了人体上肢前后倾斜自由度，下蹲时人机匹配性更好；
[0016] (2)本发明提供的髋关节集成了3个自由度：屈伸、内外展和内外旋转；在内髋关节连接件和连接件之间轴链接，增加了折叠功能；同时在和大腿仿生结构有线性弹簧提供内外旋转回力功能；髋关节自由度相比传统髋关节自由度结构在髋部和腿部分散式的设计，更加集成化，接近人体髋关节肱骨头球副式活动自由度，有效减小下肢活动对髋部以上的影响，功能集中，增强了人机协同；
[0017] (3)本发明提供的踝关节为3自由度，增加了足部仿生结构活动自由度，提高了下肢外骨骼对路况的适应性；在踝关节上杆和调节杆中间有蝶型弹簧，增加仿生结构回力功能，人机安全性和耦合性更好；
[0018] (4)本发明提供的驱动器为左右膝关节和左右髋关节驱动器，相比单关节驱动仿生结构，对穿戴者辅助性更好；在驱动关节处，利用驱动装置转轴带动减速机构连接滚珠丝杠，鉴于滚珠丝杠较高的传动效率，可以最大程度将功率输出，进而起到节能的效果，同时可根据实际辅助力需求设计减速比，增加了关节驱动器通用性。髋关节驱动器为驱动器直接通过减速箱输出轴带动关节转轴旋转；
[0019] (5)本发明提供的一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼机构模块化设计，根据不用辅助需求可以快捷拆卸和调整某些模块应用于不同的辅助平台；整机结构集成化设计，功能多样化，结构简洁，穿戴便捷，多自由度仿生结构的设计提高了穿戴舒适性；本发明可广泛应用于“轻型助力、重型助力、助残康复”等领域。
附图说明
[0020] 图1为本发明助力下肢外骨骼结构示意图；
[0021] 图2为本发明小腿仿生结构示意图；
[0022] 图3为本发明髋部仿生结构示意图；
[0023] 图4为本发明大腿仿生结构示意图；
[0024] 图5为本发明助力下肢外骨骼足部仿生结构示意图；
[0025] 图6为本发明各关节旋转示意图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0027] 本发明要解决的技术问题：助力机械外骨骼要实现良好人机耦合性，要求其外观和关节比例符合人体特征，同时仿生外骨骼各主被动关节自由度设计需要符合人体生理活动特性，减少机对人体负载感，才能起到辅助助力效果。传统的髋关节机械结构不具备完全符合人体的活动自由性能，即使由分散的自由度接近人体活动范围，也无法保证人机穿戴的舒适性和安全性，因此需要一种新的集成多自由度轻型化助力下肢外骨骼机器人。机械外骨骼外观和关节比例符合人体特征，下肢外骨骼需要保证人机协调性和穿戴活动舒适度，需要仿生外骨骼各关节结构接近人体身体结构；穿戴者在使用下肢外骨骼承受负载时，保证外骨骼的助力辅助功效，需要外骨骼和髋膝关节驱动辅助穿戴者支撑负载，减轻负载感；辅助型多自由度外骨骼帮助穿戴者降低负载感同时，需要保证穿戴外骨骼在负载状况下的人机安全性，需要机械结构不能过于冗杂，需要驱动结构和仿生结构尽量轻量化和集成化。
[0028] 如图1所示为助力下肢外骨骼结构示意图，有图可知，一种辅助轻型化的集成多自由度下肢外骨骼，包括背部连接件14、背部安装板10、腰部连接件13、髋部仿生结构3、髋关节驱动器1、髋关节9、大腿仿生结构6、膝关节驱动器2、大腿连接件12、膝关节8、小腿仿生结构5、踝关节7和足部仿生结构4；其中足部仿生结构4水平固定放置在下肢外骨骼的底端；足部仿生结构4上表面的边缘处设置有踝关节7；小腿仿生结构5竖直放置，且小腿仿生结构5的底端通过踝关节7与足部仿生结构4固定连接；小腿仿生结构5的顶端设置有膝关节8；大腿仿生结构6竖直固定安装在膝关节8的上方；大腿仿生结构6的外侧沿竖直方向设置有膝关节驱动器2；大腿仿生结构6的内侧水平固定安装大腿连接件12，实现对人体大腿的固定；髋关节9固定安装在大腿仿生结构6的上端；髋部仿生结构3固定安装在髋关节9的上端，构成左右腿屈伸左右度；且髋部仿生结构3的外侧固定安装有髋关节驱动器1；腰部连接件13与髋部仿生结构3固定连接，实现对人体腰部的固定；背部安装板10竖直与腰部连接件13固定连接；背部连接件14竖直固定安装在背部安装板10的顶端，实现对人体肩部的固定。
[0029] 如图2所示为小腿仿生结构示意图，有图可知，小腿仿生结构5包括小腿仿生杆15和伸缩调节件16；小腿仿生杆15固定安装在膝关节8的下端，小腿仿生杆15为中空杆状结构，伸缩调节件16沿轴向竖直固定安装在小腿仿生杆15的中空孔内，且伸缩调节件16沿孔方向实现伸缩运动。
[0030] 图3为本发明髋部仿生结构示意图，有图可知，下肢外骨骼还包括背部连接板17、髋部伸缩板18、转轴19和拉伸弹簧20；其中背部连接板17为匕首型板状结构；2个背部连接板17交叉固定在背部安装板10的侧面中心处，且转轴19垂直固定安装在2个背部连接板17的交点处；拉伸弹簧20的一端固定安装在背部安装板10的侧面，拉伸弹簧20的另一端与背部连接板17的端部固定连接，实现对背部连接板17的收紧限位；背部连接板17之间沿固定轴可有相应的自由度和回力功能；其中髋部伸缩板18根据人体腰部宽度分别与左右侧背部连接板17进行伸缩调节；左右侧髋部伸缩板另一端分别和左右侧大腿仿生结构通过左右髋关节9链接
[0031] 髋部伸缩板18的一端水平固定安装在背部连接板17的两侧，髋部伸缩板18的另一端与髋部仿生结构3固定连接，实现髋部仿生结构3沿两侧进行伸缩运动。
[0032] 如图4所示为大腿仿生结构示意图，有图可知，大腿仿生结构6包括大腿调节件21、大腿仿生杆件22、大腿旋转弹簧23、大腿弹簧卡头24和卡簧25；其中,大腿调节件21为中空原筒结构,大腿调节件21竖直放置；大腿仿生杆件22竖直放置，且大腿仿生杆件22的上部设置有盲孔；大腿调节件21的下端伸入大腿仿生杆件22的盲孔中；大腿调节件21包覆在卡簧25的外壁，且卡簧25的底端伸出大腿调节件21的下断面；大腿调节件21盲孔的底部固定安装有大腿弹簧卡头24；大腿弹簧卡头24和卡簧25之间固定安装有大腿旋转弹簧23。
[0033] 如图5所示为助力下肢外骨骼足部仿生结构示意图，有图可知，足部仿生结构4包括足部脚底板11和踝关节座26；其中，足部脚底板11水平设置在足部仿生结构4的底部，实现将足部仿生结构4固定于人体的足底固定连接；踝关节座26固定安装在足部脚底板11的外侧，实现与踝关节7的连接。
[0034] 其中，踝关节座26为锥形结构，踝关节座26的顶端设置有带有凹槽的凸台。另外，踝关节7包括球轴承27、踝关节上杆28和蝶型弹簧29；其中，蝶型弹簧29的一端伸入踝关节座26凸台的凹槽内；球轴承27固定安装在蝶型弹簧29的另一端；踝关节上杆28的一端与球轴承27固定连接，踝关节上杆28的另一端与小腿仿生结构5固定连接。
[0035] 如图6所示为各关节旋转示意图，有图可知，背部连接件14实现绕Z轴旋转-10°-10°；髋关节9实现绕X轴旋转70°-180°；髋关节9实现绕Z轴旋转-10°-90°；髋关节9实现绕Y轴旋转-90°-90°；膝关节8实现绕X轴旋转0°-65°；踝关节7实现分别绕X、Y、Z轴旋转-10°-
10°。
[0036] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
