一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统技术方案

一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统，它涉及一种下肢外骨骼机器人。本发明专利技术解决了现有的下肢外骨骼与人体的贴合性较差、穿戴不舒适、人机交互信息不准确，导致人机跟随效果差，助力效果不明显的问题。所述背架下部对称设置有两个髋关节支架，髋关节支架的一端通过内收外展轴与背架1转动连接，每个髋关节支架的自由端通过髋部内外旋转轴与相应的髋关节转动连接，每个髋关节通过髋部屈伸轴与相应的大腿杆连接，每个大腿杆的上部设置有一个惯性单元，每个大腿杆的下部通过一个膝关节与相应的小腿杆的上端连接，气动弹簧的一端与背架连接，气动弹簧的另一端与相应的一个髋关节支架连接。本发明专利技术用于下肢外骨骼机器人。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统
本专利技术涉及一种下肢外骨骼机器人，具体涉及一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统。
技术介绍
外骨骼机器人是一种融合了传感技术、控制技术等多种技术的可穿戴设备，特别地，下肢外骨骼机器人是一种与人体下肢结构相类似的的外骨骼机器人，能够帮助穿戴者实现助力行走、下肢康复、上下楼梯等动作。下肢外骨骼机器人主要髋关节、膝关节与踝关节构成，拥有15个自由度，包括腰部旋转、髋部伸屈、髋部外展、髋部内外旋转、膝部伸屈、踝部伸屈、踝部旋转、踝部内外翻。目前，现有的下肢外骨骼与人体的贴合性较差、穿戴不舒适、人机交互信息不准确，导致人机跟随效果差，助力效果不明显。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的下肢外骨骼与人体的贴合性较差、穿戴不舒适、人机交互信息不准确，导致人机跟随效果差，助力效果不明显的问题，进而提供一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：本专利技术的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统包括背架1、两个髋关节2、两个惯性单元3、两个大腿杆4、两个膝关节5、两个小腿杆6、两个踝关节7和两个足底压力鞋8，所述背架1下部对称设置有两个髋关节支架104，髋关节支架104的一端通过内收外展轴201与背架1转动连接，每个髋关节支架104的自由端通过髋部内外旋转轴203与相应的髋关节2转动连接，每个髋关节2通过髋部屈伸轴202与相应的大腿杆4连接，每个大腿杆4的上部设置有一个惯性单元3，每个大腿杆4的下部通过一个膝关节5与相应的小腿杆6的上端连接，每个小腿杆6的下端通过一个踝关节7与相应的足底压力鞋8连接，所述下肢外骨骼机器人系统还包括两个气动弹簧106，气动弹簧106的一端与背架1连接，气动弹簧106的另一端与相应的一个髋关节支架104连接，踝关节7设置有远心机构701，远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴711，第一连杆组件的一端与踝关节连接件703通过连接轴711转动连接，第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴711转动连接，第二连杆组件的另一端与踝关节底座712通过连接轴711转动连接，踝关节底座712设置在足底压力鞋上。进一步地，远心机构的第一连杆组件包括第一连杆705、第二连杆706和两个第一连接片708，第一连接705与第二连杆706平行且相对设置，第一连杆705的长度小于第二连杆706的长度，第一连杆705和第二连杆706的一端均通过一个连接轴711与踝关节连接件703转动连接，第一连杆705的另一端与第二连杆706的中部通过两个第一连接片708和两个连接轴711连接；远心机构的第二连杆组件包括第三连杆707、第四连杆710和两个第二连接片709，第三连杆707和第四连杆710平行且相对设置，第三连杆707的长度小于第四连杆710的长度，第三连杆707和第四连杆710的一端均通过一个连接轴711与踝关节底座712转动连接，第三连杆707的另一端与第一连杆705所述的另一端通过一个连接轴711转动连接，第四连杆710的另一端与第二连杆706所述的另一端通过一个连接轴711转动连接，第三连杆707所述的另一端通过两个第二连接片709与第四连杆710连接。进一步地，膝关节5包括电机501、固定盖502、谐波减速器503、连接板504、膝关节本体、大腿杆连接件505、小腿杆连接件507和减速器输出轴508，大腿杆连接件505的下端设置有外沿，固定盖502和连接板504平行设置且固装在大腿杆连接件505的外沿上，电机501固装在固定盖502的一端面上，谐波减速器503的一端固装在固定盖502的另一端面上，谐波减速器503的另一端与连接板504连接，减速器输出轴508固装在谐波减速器503上，膝关节本体通过深沟球轴承506安装在减速器输出轴508上，小腿杆连接件507的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体509、磁编码器磁环510、磁编码器磁头511和端盖512，端盖512通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体509固装在端盖512内，并联弹性体509通过轴架与减速器输出轴508同轴固接，磁编码器磁环510安装在膝关节本体上，磁编码器磁头511安装在并联弹性体509上，磁编码器磁环510与磁编码器磁头511相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块521，圆弧凹槽与连接板504正对设置，连接板504上沿其圆周方向加工有多个限位孔522，连接板504上插装有限位销523，可调节限位块521与限位销523之间设置有弹性橡胶块524，可调节限位块，521包括橡胶垫和两个调节片，橡胶垫位于两个调节片之间，可调节限位块521通过螺栓螺母锁紧在膝关节本体的圆弧凹槽上。进一步地，并联弹性体509包括弹性体外环901、弹性体内环903、六对矩形弹簧902、三对三角块905和六对弹性定位销906，弹性体内环903上沿其圆周方向均布加工有三个燕尾块，弹性体外环901内壁上其圆周方向均布设置有三对三角块905，每对三角块905并列设置，弹性体内环903位于弹性体外环901内，每对矩形弹簧902的一端与一对三角块905相接触，每对矩形弹簧902的另一端与相应的一个燕尾块相接触，每个矩形弹簧902通过一个弹性定位销906定位，三角块905通过螺钉和两侧矩形弹簧902的压力作用与弹性体外环901固定在一起，并联弹性体509还包括六对球头销904，弹性体内环903的每个燕尾块的两侧均设置有一对球头销904。进一步地，背架1包括背架内层和背架外层，背架内层包括两个柔性背带101和两个腰封103，两个柔性背带101设置在背架板前端面上部，两个腰封103设置在背架板前端面下部；背架外层包括电源110、控制盒107、六维力传感器102、六维力采集卡105、两个单维力采集卡109和电源板108，电源110、控制盒107、六维力采集卡105、两个单维力采集卡109和电源板108设置在背架板后端面上，背架板为双层背架板，六维力传感器102设置在双层背架板之间。进一步地，大腿杆4的内侧设置有大腿绑带，大腿杆4的长度范围为418mm～478mm，小腿杆6的长度范围为390mm～450mm。进一步地，大腿杆4和小腿杆6均采用碳纤维材料制成。进一步地，足底压力鞋包括后跟挡板13、后绑带14、两个后绑带架15、两个后绑带架座16、前绑带17、两个前绑带架18、两个前绑带架座19、上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22，上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22由上至下依次设置，前绑带架座19和后绑带架座16前后对应设置在鞋底两侧，每个前绑带架座19上设置有一个前绑带架18，每个后绑带架座16上设置有一个后绑带架15，两个后绑带架15之间设置有后绑带14，两个前绑带架18之间设置有前绑带17，后跟挡板13设置在鞋底的后侧。进一步地，中层鞋底21由前后两部分鞋底组成，中层鞋底21的前后两部分通过合页连接，中层鞋底21通过多个内六角圆柱头螺钉固定在下层鞋底22的上端面上；上层鞋底20由前后两部分鞋底组成，上层鞋底20的前部分通过螺钉固装在中层鞋底21的前部，上层鞋底20的后部分通过螺钉固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统，所述下肢外骨骼机器人系统包括背架(1)、两个髋关节(2)、两个惯性单元(3)、两个大腿杆(4)、两个膝关节(5)、两个小腿杆(6)、两个踝关节(7)和两个足底压力鞋(8)，其特征在于：所述背架(1)下部对称设置有两个髋关节支架(104)，髋关节支架(104)的一端通过内收外展轴(201)与背架(1)转动连接，每个髋关节支架(104)的自由端通过髋部内外旋转轴(203)与相应的髋关节(2)转动连接，每个髋关节(2)通过髋部屈伸轴(202)与相应的大腿杆(4)连接，每个大腿杆(4)的上部设置有一个惯性单元(3)，每个大腿杆(4)的下部通过一个膝关节(5)与相应的小腿杆(6)的上端连接，每个小腿杆(6)的下端通过一个踝关节(7)与相应的足底压力鞋(8)连接，所述下肢外骨骼机器人系统还包括两个气动弹簧(106)，气动弹簧(106)的一端与背架(1)连接，气动弹簧(106)的另一端与相应的一个髋关节支架(104)连接，踝关节(7)设置有远心机构(701)，远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴(711)，第一连杆组件的一端与踝关节连接件(703)通过连接轴(711)转动连接，第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴(711)转动连接，第二连杆组件的另一端与踝关节底座(712)通过连接轴(711)转动连接，踝关节底座(712)设置在足底压力鞋上。...

【技术特征摘要】
1.一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统，所述下肢外骨骼机器人系统包括背架(1)、两个髋关节(2)、两个惯性单元(3)、两个大腿杆(4)、两个膝关节(5)、两个小腿杆(6)、两个踝关节(7)和两个足底压力鞋(8)，其特征在于：所述背架(1)下部对称设置有两个髋关节支架(104)，髋关节支架(104)的一端通过内收外展轴(201)与背架(1)转动连接，每个髋关节支架(104)的自由端通过髋部内外旋转轴(203)与相应的髋关节(2)转动连接，每个髋关节(2)通过髋部屈伸轴(202)与相应的大腿杆(4)连接，每个大腿杆(4)的上部设置有一个惯性单元(3)，每个大腿杆(4)的下部通过一个膝关节(5)与相应的小腿杆(6)的上端连接，每个小腿杆(6)的下端通过一个踝关节(7)与相应的足底压力鞋(8)连接，所述下肢外骨骼机器人系统还包括两个气动弹簧(106)，气动弹簧(106)的一端与背架(1)连接，气动弹簧(106)的另一端与相应的一个髋关节支架(104)连接，踝关节(7)设置有远心机构(701)，远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴(711)，第一连杆组件的一端与踝关节连接件(703)通过连接轴(711)转动连接，第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴(711)转动连接，第二连杆组件的另一端与踝关节底座(712)通过连接轴(711)转动连接，踝关节底座(712)设置在足底压力鞋上。2.根据权利要求1所述的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统，其特征在于：远心机构的第一连杆组件包括第一连杆(705)、第二连杆(706)和两个第一连接片(708)，第一连接(705)与第二连杆(706)平行且相对设置，第一连杆(705)的长度小于第二连杆(706)的长度，第一连杆(705)和第二连杆(706)的一端均通过一个连接轴(711)与踝关节连接件(703)转动连接，第一连杆(705)的另一端与第二连杆(706)的中部通过两个第一连接片(708)和两个连接轴(711)连接；远心机构的第二连杆组件包括第三连杆(707)、第四连杆(710)和两个第二连接片(709)，第三连杆(707)和第四连杆(710)平行且相对设置，第三连杆(707)的长度小于第四连杆(710)的长度，第三连杆(707)和第四连杆(710)的一端均通过一个连接轴(711)与踝关节底座(712)转动连接，第三连杆(707)的另一端与第一连杆(705)所述的另一端通过一个连接轴(711)转动连接，第四连杆(710)的另一端与第二连杆(706)所述的另一端通过一个连接轴(711)转动连接，第三连杆(707)所述的另一端通过两个第二连接片(709)与第四连杆(710)连接。3.根据权利要求1或2所述的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统，其特征在于：膝关节(5)包括电机(501)、固定盖(502)、谐波减速器(503)、连接板(504)、膝关节本体、大腿杆连接件(505)、小腿杆连接件(507)和减速器输出轴(508)，大腿杆连接件(505)的下端设置有外沿，固定盖(502)和连接板(504)平行设置且固装在大腿杆连接件(505)的外沿上，电机(501)固装在固定盖(502)的一端面上，谐波减速器(503)的一端固装在固定盖(502)的另一端面上，谐波减速器(503)的另一端与连接板(504)连接，减速器输出轴(508)固装在谐波减速器(503)上，膝关节本体通过深沟球轴承(506)安装在减速器输出轴(508)上，小腿杆连接件(507)的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体(509)、磁编码器磁环(510)、磁编码器磁头(511)和端盖(512)，端盖(512)通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体(509)固装在端盖(512)内，并联弹性体(509)通过轴架与减速器输出轴(508)同轴固接，磁编码器磁环(510)安装在膝关节本体上，磁编码器磁头(511)安装在并联弹性体(509)上，磁编码器磁环(510)与磁编码器磁头(511)相对设置，膝关节本体上沿其...

【专利技术属性】
技术研发人员：董为，陈朝峰，杜志江，毛薇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23