一种无源助力的外骨骼负重机器人转让专利
申请号 : CN202010612061.9
文献号 : CN111745624B
文献日 : 2021-08-17
发明人 : 宋广奎 , 邱静 , 罗双庆 , 张星星 , 陈路锋 , 程洪
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种无源助力的外骨骼负重机器人,其特征在于,包括:负重、腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底;
所述腰部包括:腰部支撑板、左腰部伸缩板、右腰部伸缩板和腰带扣;其中,在左腰部伸缩板上设置有左腰部伸缩板长条孔,右腰部伸缩板上设置有右腰部伸缩板长条孔;
先将加载的负重固定在腰部支撑板上,再将左腰部伸缩板和右腰部伸缩板通过左腰部伸缩板长条孔和右腰部伸缩板长条孔固定到腰部支撑板上,使得腰部能够左右伸缩适应不同体型的人穿戴,穿戴完成后,通过将腰部伸缩板处的腰带扣系上,从而将整个装置固定在穿戴者的身体上;
所述髋关节储能装置分别设置绕X、Y、Z旋转的外展内收、屈伸、旋内旋外的旋转自由度,具体包括:屈曲关节转盘、涡旋弹簧、隔板、棘爪扭簧、棘爪、棘轮、凸轮、涡簧旋钮、棘爪旋钮、定位螺钉、大腿连接杆、外展内收关节杆、腰部连接块、第一滑动轴承、第二滑动轴承和屈曲关节转盘固定块;其中,棘爪上设置有棘爪转轴孔、棘爪长悬臂和棘爪短悬臂;腰部连接块又包括第一腰部连接块凸台、第二腰部连接块凸台和涡簧内钩卡槽;涡旋弹簧又包括涡簧内钩和涡簧外钩;涡簧旋钮又包括涡簧外钩卡槽、棘爪固定凸台、隔板固定凸台、扭簧限位凸台和凸轮限位槽;
整个髋关节储能装置通过腰部连接块与腰部的左腰部伸缩板或右腰部伸缩板连接,通过大腿连接杆与大腿连接;
在髋关节储能装置内部,屈曲关节转盘通过第一滑动轴承套在腰部连接块的第一腰部连接块凸台上,屈曲关节转盘通过第二滑动轴承套在第二腰部连接块凸台上,屈曲关节转盘固定块与屈曲关节转盘通过螺钉固连,使得屈曲关节转盘只能绕腰部连接块转动;
涡旋弹簧的涡簧内钩卡在涡簧内钩卡槽内,涡旋弹簧的涡簧外钩卡在涡簧外钩卡槽内;棘轮通过螺钉固定到屈曲关节转盘上,棘爪通过棘爪转轴孔套在棘爪固定凸台上,棘爪扭簧的中心套在隔板固定凸台,其一端顶住棘爪,另一端由扭簧限位凸台进行限位;隔板固定到隔板固定凸台上,限制棘爪扭簧的轴向移动;凸轮与棘爪旋钮布置在涡簧旋钮的两侧,并通过螺钉固定,使凸轮在旋拧棘爪旋钮时,一并在凸轮限位槽内转动,由于凸轮的凸轮面与棘爪长悬臂接触,则通过转动棘爪旋钮使得棘爪短悬臂与棘轮脱开或接触;涡簧旋钮套在屈曲关节转盘上,可绕屈曲关节转盘转动,通过定位螺钉限制轴向移动;
所述大腿和小腿的膝关节结合部设置有绕Y轴旋转的屈伸自由度,用于支持机器人行走;
所述足底用于站立机器人,在足底的踝关节处设置绕Y轴旋转的屈伸自由度,从而使机器人迈步行走;
机器人在无负重时,涡旋弹簧扭力为0,当机器人加载负重时,髋关节储能装置产生扭矩,扭矩的大小通过旋拧涡簧旋钮调节,产生的扭矩用于抵消负重重力,抵消的具体传输路径为:负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿、足底传递到地面;
当髋关节储能装置产生的扭矩小于负重重力时,在重力的作用下,向身体前方旋拧涡簧旋钮,通过涡簧旋钮带动涡旋弹簧的涡簧外钩旋转,从而使涡旋弹簧形变储存扭力;涡簧外钩的扭力通过涡簧旋钮传递到棘爪,进而传递到棘轮,再通过屈曲关节转盘、外展内收关节杆、大腿连接杆,最终传递到腿部实现迈腿;涡簧内钩的扭力通过腰部连接块传递到腰部的腰部支撑板,抵抗负重重力产生的扭矩,避免负重重力直接卸载到穿戴者腰部;当负重重力改变时,则减小涡旋弹簧扭力,通过旋拧棘爪旋钮,带动凸轮旋转,使得棘爪克服棘爪扭簧的扭矩而旋转,棘爪与棘轮脱开,此时涡簧旋钮可逆向旋转;调整到合适的扭矩后,松开棘爪旋钮,棘爪在棘爪扭簧的扭矩作用下回位与棘轮重新接触。
2.根据权利要求1所述的一种无源助力的外骨骼负重机器人,其特征在于,所述髋关节储能装置分别设置绕X、Y、Z旋转的外展内收、屈伸、旋内旋外的旋转自由度具体为:腰部连接块与髋关节储能装置的其他部分构成Y1轴屈伸自由度,外展内收关节杆固定到屈曲关节转盘上,与大腿连接杆的铰接轴构成X轴外展内收自由度,大腿连接杆与大腿的铰接轴构成Z轴的旋内旋外自由度。
说明书 :
一种无源助力的外骨骼负重机器人
技术领域
背景技术
展,传统外骨骼与人体同构,运动过程中与人体保持同步。
动分为摆动相与支撑相,摆动相为足底与地面无接触阶段,支撑相为足部与地面接触阶段。
系统以及十分高效的人体运动意图预测算法和控制策略来实现人体步态的灵活转换,否则
会严重削弱外骨骼综合效能。与此同时,传感系统、动力系统和控制系统的存在必然会带来
布线复杂、续航能力受限、环境适应性和工作可靠性下降等问题,还会显著增加外骨骼自
重。
航能力受限。又如:专利CN201721139616.2下肢外骨骼机器人及康复机器人作为康复医疗
结构,同样包含了驱动系统及控制系统,且如现有大部分外骨骼,该结构膝关选用单转轴结
构完成下肢小腿伴随人体运动,该设计方法不利于上身重力传递至地面,且外骨骼下肢弯
曲后,需要人与电机共同作用使其恢复伸直状态,对穿戴者的舒适度产生影响。又如:西北
工业大学韩冰、张力、刘更、杨柳、王喆、李汉、张通、袁建平等所发明的一种实现人体能量迁
移的无源下肢外骨骼装置(专利号:CN201810622484.1),其尺寸过大,占用空间过大。而专
利CN201910859622.2一种新型无源人体负重外骨骼,由于髋关节为存被动铰接轴,在重力
作用下负责会压倒人体背部,影响传递舒适性及负重能力。近年来,随着通信容量的快速增
大、通信业务的日益丰富、通信应用需求的灵活多样,传统的城域网与接入网独立通信模式
已经不能适应当前飞速发展的通信网络现状,也已经不能满足人们对不断膨胀的网络信息
的巨大需求,因而寻求一种能够解决上述问题的新型网络体系结构已成为未来城域网与接
入技术领域所面临的重大挑战。
发明内容
人在弹力协助下向前迈腿,减少负重行走肌肉能力消耗,具有结构简单、尺寸小、质量轻且
外接能源等特点。
应不同体型的人穿戴,穿戴完成后,通过将腰部伸缩板处的腰带扣系上,从而将整个装置固
定在穿戴者的身体上;
爪旋钮、定位螺钉、大腿连接杆、外展内收关节杆、腰部连接块、第一滑动轴承、第二滑动轴
承和屈曲关节转盘固定块;其中,棘爪上设置有棘爪转轴孔、棘爪长悬臂和棘爪短悬臂;腰
部连接块又包括第一腰部连接块凸台、第二腰部连接块凸台和涡簧内钩卡槽;涡旋弹簧又
包括涡簧内钩和涡簧外钩;涡簧旋钮又包括涡簧外钩卡槽、棘爪固定凸台、隔板固定凸台、
扭簧限位凸台和凸轮限位槽;
节转盘固定块与屈曲关节转盘通过螺钉固连,使得屈曲关节转盘只能绕腰部连接块转动;
爪扭簧的中心套在隔板固定凸台,其一端顶住棘爪,另一端由扭簧限位凸台进行限位,隔板
通过螺钉固定到隔板固定凸台上,限制棘爪扭簧的轴向移动;凸轮与棘爪旋钮布置在涡簧
旋钮的两侧,并通过螺钉固定,使凸轮在旋拧棘爪旋钮时,一并在凸轮限位槽内转动,由于
凸轮的凸轮面与棘爪长悬臂接触,则通过转动棘爪旋钮使得棘爪短悬臂与棘轮脱开或接
触;涡簧旋钮套在屈曲关节转盘上,可绕屈曲关节转盘转动,通过定位螺钉限制轴向移动;
输路径为:负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿、足底传递到地面;
涡簧外钩的扭力通过涡簧旋钮传递到棘爪,进而传递到棘轮,再通过屈曲关节转盘、外展内
收关节杆、大腿连接杆,最终传递到腿部实现迈腿;涡簧内钩的扭力通过腰部连接块传递到
腰部的腰部支撑板,抵抗负重重力产生的扭矩,避免负重重力直接卸载到穿戴者腰部;当负
重重力改变时,则减小涡旋弹簧扭力,通过旋拧棘爪旋钮,带动凸轮旋转,使得棘爪克服棘
爪扭簧的扭矩而旋转,棘爪与棘轮脱开,此时涡簧旋钮可逆向旋转;调整到合适的扭矩后,
松开棘爪旋钮,棘爪在棘爪扭簧的扭矩作用下回位与棘轮重新接触。
重的重力,涡旋弹簧相对于外骨骼前后摆动范围具有较大的行程,在外骨骼前后摆动过程
中,涡旋弹簧力矩变化很小,行走过程中涡旋弹簧做功很小;负重重力依次经过腰部、髋关
节储能装置、大腿、小腿和足底进而卸载到地面,而机器人在弹力协助向前迈腿行之。
附图说明
具体实施方式
会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
部伸缩板上设置有2.3.1‑右腰部伸缩板长条孔;
支撑板上,使得腰部能够左右伸缩适应不同体型的人穿戴,穿戴完成后,通过将腰部伸缩板
处的2.4‑腰带扣系上,从而将整个装置固定在穿戴者的身体上;
的具体部件包括:3.1‑屈曲关节转盘、3.2‑涡旋弹簧、3.3‑隔板、3.4‑棘爪扭簧、3.5‑棘爪、
3.6‑棘轮、3.7‑凸轮、3.8‑涡簧旋钮、3.9‑棘爪旋钮、3.10‑定位螺钉、3.20‑大腿连接杆、
3.21‑外展内收关节杆、3.30‑腰部连接块、3.31‑第一滑动轴承、3.32‑第二滑动轴承和
3.33‑屈曲关节转盘固定块;其中,如图7所示,3.5‑棘爪上设置有3.5.1棘爪转轴孔、3.5.2
棘爪长悬臂和3.5.3棘爪短悬臂;
位凸台和3.8.5‑凸轮限位槽;
轴构成X轴外展内收自由度,3.20‑大腿连接杆与4‑大腿的铰接轴构成Z轴的旋内旋外自由
度;
第二3.30.2‑腰部连接块凸台上,3.33‑屈曲关节转盘固定块与3.1‑屈曲关节转盘通过螺钉
固连,使得3.1‑屈曲关节转盘只能绕3.30‑腰部连接块转动;
3.5‑棘爪,另一端由3.8.4‑扭簧限位凸台进行限位;3.7‑凸轮与3.9‑棘爪旋钮布置在3.8‑
涡簧旋钮的两侧,并通过螺钉固定,使3.7‑凸轮在旋拧3.9‑棘爪旋钮时,一并在3.8.5‑凸轮
限位槽内转动,由于3.7‑凸轮的凸轮面与3.5.2棘爪长悬臂接触接触,则通过转动3.9‑棘爪
旋钮使得3.5.3棘爪短悬臂接触与3.6‑棘轮脱开或接触;3.8‑涡簧旋钮套在3.1‑屈曲关节
转盘上,可绕3.1‑屈曲关节转盘转动,通过3.10‑定位螺钉限制轴向移动;
消的具体传输路径为:负重重力依次经过2‑腰部、3‑髋关节储能装置、4‑大腿、5‑小腿、6‑足
底传递到地面;
涡旋弹簧形变储存扭力;3.2.2‑涡簧外钩的扭力通过3.8‑涡簧旋钮传递到3.5‑棘爪,进而
传递到3.6‑棘轮,再通过3.1‑屈曲关节转盘、3.21‑外展内收关节杆、3.20‑大腿连接杆,最
终传递到腿部实现迈腿;3.2.1‑涡簧内钩的扭力通过3.30‑腰部连接块传递到腰部的2.1‑
腰部支撑板,抵抗负重重力产生的扭矩,避免负重直接卸载到穿戴者腰部;当负重重量改变
时,则减小3.2‑涡旋弹簧扭力,通过旋拧3.9‑棘爪旋钮,带动3.7‑凸轮旋转,使得3.5‑棘爪
克服3.4‑棘爪扭簧的扭矩而旋转,3.5‑棘爪与3.6‑棘轮脱开,此时3.8‑涡簧旋钮可逆向旋
转;调整到合适的扭矩后,松开3.9‑棘爪旋钮,3.5‑棘爪在3.4‑棘爪扭簧的扭矩作用下回位
与3.6‑棘轮重新接触。
术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些
变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。