一种便携储能式外骨骼助力机器人，它涉及一种外骨骼助力机器人，以解决现有穿戴于人体的下肢助力外骨骼机器人存在助力效果差导致人体的负重能力降低，以及人体穿戴舒适性差、通用性差，野外的环境适应性差的问题，它包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动系统和小腿穿戴系统；所述髋关节储能机构包括连接座、伸缩杆、第二弹簧和挡片，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；每个所述大腿驱动系统包括带有编码器的第二电机、第二减速器、第三锥齿轮、第四锥齿轮、大腿连接杆、膝关节支架、膝关节连接板、角度传感器、串联弹性组合体、膝关节齿轮箱体、膝关节轴和端盖；本发明专利技术适用于野外穿戴助行。
【技术实现步骤摘要】
一种便携储能式外骨骼助力机器人
本专利技术涉及一种外骨骼助力机器人，具体涉及一种用于供人体穿戴，适用于野外辅助人体背负重物行走的便携储能式外骨骼助力机器人，属于机器人
。
技术介绍
目前国内外在下肢外骨骼助力装置方面进行了大量的研究，尤其是专用于行动不便的病人、残疾人的康复机器人、医疗辅助器械等领域的研究比较普遍，这些装置普遍具有机械强度不大、与人体的契合度和舒适性不高、需要量身定做和成本较高的特点，而对于可以在室外环境下，辅助人体运动的负重型助力机器人则研究较少。因此，在复杂地理环境和恶劣工况下，物资的搬运要靠人来完成，但由于人在搬运时体力有限，工作效率低。经文献检索，申请号为201310202205.3的中国专利技术专利申请提出了一种外骨骼助力装置，它采用电机及谐波减速，涡轮蜗杆减速及换向，大腿、小腿连接杆采用与人体贴合的设计方法，通过绷带缚于腿部，但没有大小腿的伸缩机构，人体穿戴适应性差，野外携带使用不方便，而且不包含脚部的设计，其助力不能直接传递到地面，增加了人体脚部的负荷，导致人体的负重能力降低，工作效率降低。经文献检索，申请号为201310262919.3的中国专利技术专利申请提出了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条腿仅用一个电机驱动，为单自由度机械腿，使用连杆机构配合一个驱动电机，使髋关节、膝关节、踝关节同时拟合出恰当的转动角度曲线，控制上较为简单，但对野外的环境适应性较差，且针对不同身高体型的穿戴者，需要针对性的设计连杆的长度，不具有通用性。所以，针对上述设计方面的问题，有必有提供一种适用于野外穿戴应用的，具有储能功能节省能源消耗的，便 于拆卸和装配组装的低成本下肢外骨骼助力机器人，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有穿戴于人体的下肢助力外骨骼机器人存在助力效果差导致人体的负重能力降低，以及人体穿戴舒适性差、通用性差，野外的环境适应性差的问题，进而提供一种便携储能式外骨骼助力机器人。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是:本专利技术的一种便携储能式外骨骼助力机器人包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动系统和小腿穿戴系统；上体背部包括背部支架、背部腰带、腰部后侧转动板、腰部后侧连接板、调整连接板、上位机、电源模块和两个第一弹簧；所述腰部后侧连接板为倒T形腰部后侧连接板；背部腰带固装在水平设置的腰部后侧转动板上，背部支架固装在腰部后侧转动板的上表面上，背部支架上固装有上位机和电源模块，腰部后侧转动板的下端面上固装有腰部后侧连接板，腰部后侧连接板的竖臂的上端与腰部后侧转动板转动连接，腰部后侧连接板的两个横臂上分别固装有能水平伸缩的竖直设置的调整连接板，腰部后侧转动板的下表面与腰部后侧连接板的两个横臂之间分别安装有与二者连接的第一弹簧；每个髋部驱动系统包括弯折腰带、带有编码器的第一电机、第一减速器、大腿过渡连接杆、髋关节连接杆、髋关节齿轮箱和髋关节储能机构；所述髋关节储能机构包括连接座、伸缩杆、第二弹簧和挡片，所述伸缩杆倾斜设置，伸缩杆的一端与连接座连接，伸缩杆的另一端安装有挡片，挡片与连接座之间的伸缩杆上套装有第二弹簧；所述髋关节齿轮箱包括箱体、连接套、第一锥齿轮、第二锥齿轮和串联弹性组合体，连接套与箱体连接为一体，连接座与连接套的下表面固接，挡片支撑在髋关节连接杆上，箱体上安装有串联弹性组合体，所述弯折腰带的一端与调整连接板转动连接，连接套固套在弯折腰带的另一端，且弯折腰带的伸入长度可调；第一锥齿轮与第二锥齿轮的轴向均水平设置，带有编码器的第一电机的输出端与第一减速器的输入端连接，第一减速器的输出端与第一锥齿轮连接，串联弹性组合体的一端与第二锥齿轮连接，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；串联弹性组合体的另一端与竖直设置的髋关节连接杆连接，髋关节连接杆与竖直设置的大腿过渡连接杆的上部可拆卸连接；每个所述大腿驱动系统包括带有编码器的第二电机、第二减速器、第三锥齿轮、第四锥齿轮、大腿连接杆、膝关节支架、膝关节连接板、角度传感器、串联弹性组合体、膝关节齿轮箱体、膝关节轴和端盖；所述大腿连接杆为竖直设置的空心连接杆，大腿连接杆的上部固套在大腿过渡连接杆的下部，且大腿过渡连接杆的伸入长度可调，大腿连接杆的下部与膝关节齿轮箱体固接，第三锥齿轮的轴向垂直设置，第四锥齿轮的轴向水平设置，带有编码器的第二电机的输出端与第二减速器的输入端连接，第二减速器的输出端安装有设置在膝关节齿轮箱体内的第三锥齿轮，膝关节轴通过轴承安装在膝关节齿轮箱体内，膝关节轴上固装有膝关节支架、第四锥齿轮、串联弹性组合体和膝关节连接板，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，串联弹性组合体转动连接在膝关节轴上，串联弹性组合体的一端与第四锥齿轮连接，串联弹性组合体的另一端与竖直设置的膝关节连接板连接，膝关节轴的与膝关节连接板相邻的一端加工有第一凹槽，第一凹槽内安装有与膝关节轴固接的角度传感器，角度传感器的输出轴穿过盖合在膝关节齿轮箱体上的端盖的中部，膝关节支架与膝关节轴连接，膝关节支架与膝关节连接板连接；`每个所述小腿穿戴系统包括小腿过渡连接杆、小腿连接杆、弧形板、小腿后侧连接杆、U形连接板、两段式鞋底、脚底测力鞋垫和两个鞋底支架；所述小腿过渡连接杆为竖直设置的空心连接杆，膝关节连接板与小腿过渡连接杆的上部连接，小腿过渡连接杆的下部固套在竖直设置的小腿连接杆的上部，且小腿连接杆的伸入长度可调，小腿连接杆的下部与竖直设置的弧形板的一侧边连接，弧形板的另一侧边与竖直设置的小腿后侧连接杆的上部连接，且小腿连接杆与小腿后侧连接杆之间的间距可调，小腿后侧连接杆的下部与U形连接板的中部转动连接，U形连接板的两端分别与两个鞋底支架转动连接，两段式鞋底的第一段与两个鞋底支架连接，两段式鞋底的第二段与第一段铰接，脚底测力鞋垫由多个薄膜压力传感器阵列排布制成，脚底测力鞋垫铺设在两段式鞋底的上表面上；电源模块给上位机、带有编码器的第一电机、带有编码器的第二电机、角度传感器和薄膜压力传感器供电，上位机对带有编码器的第一电机、带有编码器的第二电机、角度传感器和薄膜压力传感器实行控制。本专利技术的有益效果是:一、本专利技术的大腿连接杆固套插装在大腿过渡连接杆上，大腿驱动系统和髋部驱动系统拆卸组装便捷，便于运输和安装，大腿过渡连接杆的伸入长度能调整，能适应不同高矮的穿戴者，增强穿戴的通用性；小腿过渡连接杆固套在小腿连接杆上，小腿穿戴系统和大腿驱动系统拆卸组装便捷，便于运输和安装，大腿过渡连接杆的伸入长度能调整，能适应不同高矮的穿戴者，增强穿戴的通用性；调整连接板能水平伸缩，弯折腰带能水平伸缩，能适应不同高矮和胖瘦的穿戴者，增强穿戴的通用性；小腿连接杆与小腿后侧连接杆之间的间距可调，能适应不同胖瘦的穿戴者，增强穿戴的通用性。二、髋部驱动系统设计髋关节储能机构，在人体支撑腿从竖直状态到后伸这一阶段内，人体重心下降，弹簧储能过程如图7、图8和图9所示，从图8到图9的状态进行储能，反之则释能，便于减少能耗，有助于提高电源模块的续航时间，适应野外工作环境的需要，提高了野外穿戴的续航能力。三、本专利技术整体采用仿拟人化设计，模拟人体下肢的整体造型，每条腿包括髋部驱动系统3自由度(调整连接板8处的外展/内收自由度，腰部外侧连接杆17的伸缩自由度、髋关节连接杆2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于：它包括上体背部（A）、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统（B）、大腿驱动系统（C）和小腿穿戴系统（D）；上体背部（A）包括背部支架（3）、背部腰带（4）、腰部后侧转动板（5）、腰部后侧连接板（7）、调整连接板（8）、上位机（2）、电源模块（1）和两个第一弹簧（10）；所述腰部后侧连接板（7）为倒T形腰部后侧连接板；背部腰带（4）固装在水平设置的腰部后侧转动板（5）上，背部支架（3）固装在腰部后侧转动板（5）的上表面上，背部支架（3）上固装有上位机（2）和电源模块（1），腰部后侧转动板（5）的下端面上固装有腰部后侧连接板（7），腰部后侧连接板（7）的竖臂的上端与腰部后侧转动板（5）转动连接，腰部后侧连接板（7）的两个横臂上分别固装有能水平伸缩的竖直设置的调整连接板（8），腰部后侧转动板（5）的下表面与腰部后侧连接板（7）的两个横臂之间分别安装有与二者连接的第一弹簧（10）；每个髋部驱动系统（B）包括弯折腰带（26）、带有编码器的第一电机（13）、第一减速器（15）、大腿过渡连接杆（21）、髋关节连接杆（20）、髋关节齿轮箱（18）和髋关节储能机构；所述髋关节储能机构包括连接座（22）、伸缩杆（25）、第二弹簧（24）和挡片（25?1），所述伸缩杆（25）倾斜设置，伸缩杆（25）的一端与连接座（22）连接，伸缩杆（25）的另一端安装有挡片（25?1），挡片（25?1）与连接座（22）之间的伸缩杆（25）上套装有第二弹簧（24）；所述髋关节齿轮箱（18）包括箱体（18?2）、连接套（18?1）、第一锥齿轮（15?1）、第二锥齿轮（15?2）和串联弹性组合体（58），连接套（18?1）与箱体（18?2）连接为一体，连接座（22）与连接套（18?1）的下表面固接，挡片（25?1）支撑在髋关节连接杆（20）上，箱体（18?2）上安装有串联弹性组合体（58），所述弯折腰带（26）的一端与调整连接板（8）转动连接，连接套（18?1）固套在弯折腰带（26）的另一端，且弯折腰带（26）的伸入长度可调；第一锥齿轮（15?1）与第二锥齿轮（15?2）的轴向均水平设置，带有编码器的第一电机（13）的输出端与第一减速器（15）的输入端连接，第一减速器（15）的输出端与第一锥齿轮（15?1）连接，串联弹性组合体（58）的一端与第二锥齿轮（37?2）连接，第一锥齿轮（15?1）与第二锥齿轮（15?2）啮合；串联弹性组合体（58）的另一端与竖直设置的髋关节连接杆（20）连接，髋关节连接杆（20）与竖直设置的大腿过渡连接杆（21）的上部可拆卸连接；每个所述大腿驱动系统（C）包括带有编码器的第二电机（35）、第二减速器（37）、第三锥齿轮（37?1）、第四锥齿轮（37?2）、大腿连接杆（34）、膝关节支架（53）、膝关节连接板（44）、角度传感器（47）、串联弹性组合体（58）、膝关节齿轮箱体（38）、膝关节轴（43）和端盖（50）；所述大腿连接杆（34）为竖直设置的空心连接杆，大腿连接杆（34）的上部固套在大腿过渡连接杆（21）的下部，且大腿过渡连接杆（21）的伸入长度可调，大腿连接杆（34）的下部与膝关节齿轮箱体（38）固接，第三锥齿轮（37?1）的轴向垂直设置，第四锥 齿轮（37?2）的轴向水平设置，带有编码器的第二电机（35）的输出端与第二减速器（37）的输入端连接，第二减速器（37）的输出端安装有设置在膝关节齿轮箱体（38）内的第三锥齿轮（37?1），膝关节轴（43）通过轴承安装在膝关节齿轮箱体（38）内，膝关节轴（43）上固装有膝关节支架（53）、第四锥齿轮（37?2）、串联弹性组合体（58）和膝关节连接板（44），第三锥齿轮（37?1）与第四锥齿轮（37?2）啮合，串联弹性组合体（58）转动连接在膝关节轴（43）上，串联弹性组合体（58）的一端与第四锥齿轮（37?2）连接，串联弹性组合体（58）的另一端与竖直设置的膝关节连接板（44）连接，膝关节轴（43）的与膝关节连接板（44）相邻的一端加工有第一凹槽（43?1），第一凹槽（43?1）内安装有与膝关节轴（43）固接的角度传感器（47），角度传感器（47）的输出轴穿过盖合在膝关节齿轮箱体（38）上的端盖（50）的中部，膝关节支架（53）与膝关节轴（43）连接，膝关节支架（53）与膝关节连接板（44）连接；每个所述小腿穿戴系统（D）包括小腿过渡连接杆（51）、小腿连接杆（62）、弧形板（63）、小腿后侧连接杆（64）、U形连接板（68）、两段式鞋底、...
【技术特征摘要】
1.一种便携储能式外骨骼助力机器人，其特征在于:它包括上体背部(A)、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统(B)、大腿驱动系统(C)和小腿穿戴系统(D)； 上体背部(A)包括背部支架(3)、背部腰带(4)、腰部后侧转动板(5)、腰部后侧连接板(7)、调整连接板(8)、上位机(2)、电源模块(I)和两个第一弹簧(10);所述腰部后侧连接板(7)为倒T形腰部后侧连接板；背部腰带(4)固装在水平设置的腰部后侧转动板(5)上，背部支架(3 )固装在腰部后侧转动板(5 )的上表面上，背部支架(3 )上固装有上位机(2 )和电源模块(1)，腰部后侧转动板(5)的下端面上固装有腰部后侧连接板(7)，腰部后侧连接板(7)的竖臂的上端与腰部后侧转动板(5)转动连接，腰部后侧连接板(7)的两个横臂上分别固装有能水平伸缩的竖直设置的调整连接板(8)，腰部后侧转动板(5)的下表面与腰部后侧连接板(7)的两个横臂之间分别安装有与二者连接的第一弹簧(10)； 每个髋部驱动系统(B)包括弯折腰带(26)、带有编码器的第一电机(13)、第一减速器(15)、大腿过渡连接杆(21)、髋关节连接杆(20)、髋关节齿轮箱(18)和髋关节储能机构；所述髋关节储能机构包括连接座(22)、伸缩杆(25)、第二弹簧(24)和挡片(25-1)，所述伸缩杆(25)倾斜设置，伸缩杆(25)的一端与连接座(22)连接，伸缩杆(25)的另一端安装有挡片(25-1 )，挡片(25-1)与连接座(22)之间的伸缩杆(25)上套装有第二弹簧(24);所述髋关节齿轮箱(18)包括箱体(18-2)、连接套(18-1)、第一锥齿轮(15-1)、第二锥齿轮(15-2)和串联弹性组合体(58)，连接套(18-1)与箱体(18-2)连接为一体，连接座(22)与连接套(18-1)的下表面固接，挡片(25-1)支撑在髋关节连接杆(20)上，箱体(18-2)上安装有串联弹性组合体(58)，所述弯折腰带(26)的一端与调整连接板(8)转动连接，连接套(18-1)固套在弯折腰带(26)的另一端，且弯折腰带(26)的伸入长度可调；第一锥齿轮(15-1)与第二锥齿轮(15-2)的轴向均水平设置，带有编码器的第一电机(13)的输出端与第一减速器(15)的输入端连接，第一减速器(15)的输出端与第一锥齿轮(15-1)连接，串联弹性组合体(58)的一端与第二锥齿轮(37-2)连接，第一锥齿轮(15-1)与第二锥齿轮(15_2)啮合；串联弹性组合体(58)的另一端与竖直设置的髋关节连接杆(20)连接，髋关节连接杆(20)与竖直设置的大腿过渡连接杆(21)的上部可拆卸连接； 每个所述大腿驱动系统(C)包括带有编码器的第二电机(35)、第二减速器(37)、第三锥齿轮(37-1)、第四锥齿轮(37-2)、大腿连接杆(34)、膝关节支架(53)、膝关节连接板(44)、角度传感器(47)、串联弹性组合体(58)、膝关节齿轮箱体(38)、膝关节轴(43)和端盖(50);所述大腿连接杆(34)为竖直设置的空心连接杆，大腿连接杆(34)的上部固套在大腿过渡连接杆(21)的下部，且大腿过渡连接杆(21)的伸入长度可调，大腿连接杆(34)的下部与膝关节齿轮箱体(38)固接，第三锥齿轮(37-1)的轴向垂直设置，第四锥齿轮(37-2)的轴向水平设置，带有编码器的第二电机(35)的输出端与第二减速器(37)的输入端连接，第二减速器(37)的输出端安装有设置在膝关节齿轮箱体(38)内的第三锥齿轮(37-1)，膝关节轴(43 )通过轴承安装在膝关节齿轮箱体(38 )内，膝关节轴(43 )上固装有膝关节支架(53)、第四锥齿轮(37-2)、串联弹性组合体(58)和膝关节连接板(44)，第三锥齿轮(37_1)与第四锥齿轮(37-2)啮合，串联弹性组合体(58)转动连接在膝关节轴(43)上，串联弹性组合体(58)的一端与第四锥齿轮(37-2)连接，串联弹性组合体(58)的另一端与竖直设置的膝关节连接板(44 )连接，膝关节轴(43 )的与膝关节连接板(44 )相邻的一端加工有第一凹槽(43-1)，第一凹槽(43-1)内安装有与膝关节轴(43)固接的角度传感器(47)，角度传感器(47)的输出轴穿过盖合在膝关节齿轮箱体(38)上的端盖(50)的中部，膝关节支架(53)与膝关节轴(43)连接,膝关节支架(53)与膝关节连接板(44)连接； 每个所述小腿穿戴系统(D)包括小腿过渡连接杆(51)、小腿连接杆(62)、弧形板(63)、小腿后侧连接杆(64)、U形连接板(68)、两段式鞋底、脚底测力鞋垫(74)和两个鞋底支架(70);所述小腿过渡连接杆(51)为竖直设置的空心连接杆，膝关节连接板(44)与小腿过渡连接杆(51)的上部连接，小腿过渡连接杆(51)的下部固套在竖直设置的小腿连接杆(62)的上部，且小腿连接杆(62)的伸入长度可调，小腿连接杆(62)的下部与竖直设置的弧形板(63)的一侧边连接，弧形板(63)的另一侧边与竖直设置的小腿后侧连接杆(64)的上部连接，且小腿连接杆(62)与小腿后侧连接杆(64)之间的间距可调，小腿后侧连接杆(64)的下部与U形连接板(68)的中部转动连接，U形连接板(68)的两端分别与两个鞋底支架(70)转动连接，两段式鞋底的第一段(73)与两个鞋底支架(70)连接，两段式鞋底的第二段(72)与第一段(73)铰接，脚底测力鞋垫(74)由多个薄膜压力传感器阵列排布制成，脚底测力鞋垫(74)铺设在两段式鞋底的上表面上； 电源模块(I)给上位机(2)、带有编码器的第一电机(13)、带有编码器的第二电机(35)、角度传感器(47)和薄膜压力传感器供电，上位机(2)对带有编码器的第一电机(13)、带有编码器的第二电机(35)、角度传感器(47)和薄膜压力传感器实行控制。2.根据权利要求1所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，赵杰，张超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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