本實用新型涉及機器人技術領域,尤其涉及一種下肢外骨骼機器人。

背景技術：

近年來，可穿戴式外骨骼機器人在人體助力領域逐漸得到了廣泛的認識，外骨骼機器人主要應用在行動不便的病人、殘疾人康復或醫療輔助等領域，多用來幫助殘疾人的輔助行走及為正常人提供人體助力。由于外骨骼穿戴于人體外側，其機構設計需要擬人化，外骨骼的終極目標是使得外骨骼機械腿能夠像人腿一樣靈活實用，為此依據人體仿生學原理進行設計是一種較好的外骨骼結構優化設計的方法。

研究表明，行走時人腿在行走過程中帶有彈性，可以避免因接觸路面造成的振動沖擊，而且其彈性及剛度可以實時調整，其原理如下：人體在行走時，針對不同的行走狀態，可以通過老練的骨骼肌肉系統實時調整腿部關節的剛度，使人體能夠適應不同的步行速度、步行幅度和路況等，大大增加了適應環境的能力。而目前外骨骼多采用剛性關節，導致使用過程中存在以下缺陷：1）外骨骼工作時，剛性關節導致振動沖擊大，造成設備損壞；2）由于外骨骼穿戴于人體外側，屬于人機耦合設備，剛性關節會牽絆人體，造成人體穿戴不舒適；3）適應不同路面和工況能力差。

技術實現要素：

本實用新型提供一種下肢外骨骼機器人，旨在解決關節剛性導致振動沖擊大，造成設備損壞、人體穿戴不適的技術問題。

為解決上述技術問題，本實用新型所采取的技術方案是：

一種下肢外骨骼機器人，包括控制盒、背架、髖關節組件、大腿桿、膝關節組件、小腿桿、支撐足組件，所述大腿桿、膝關節組件、小腿桿、支撐足組件均為兩個，所述控制盒內設控制器和電源；所述控制盒設置在背架上，所述背架與髖關節組件相連接，兩個大腿桿上端與髖關節組件鉸接、下端分別與膝關節組件相連，所述小腿桿兩端分別與膝關節組件及支撐足組件相連，所述髖關節組件及膝關節組件均與控制盒相連。

優選的，所述背架包括背板和兩個橫桿，所述橫桿為L型，背板為工字型框架，背板下部兩端分別與兩個橫桿活動連接，橫桿另一端通過髖關節組件與大腿桿上端活動連接。

優選的，所述背板與橫桿之間還設有支撐阻尼器，所述支撐阻尼器為兩個，兩個支撐阻尼器分別設置在背板上部兩端與橫桿之間。

優選的，所述髖關節組件包括雙耳套環、髖關節電機和樞軸，所述雙耳套環與橫桿外側端部固定連接，髖關節電機外殼與雙耳套環的外側固定連接，髖關節電機輸出軸與樞軸連接，樞軸與大腿桿上端固定連接，樞軸設置雙耳套環之間、且兩端與雙耳套環的內孔配合。

優選的，所述膝關節組件包括膝關節上桿、膝關節軸、膝關節下桿和板簧，所述膝關節上桿上端設置在大腿桿下端孔內、下端套裝在膝關節軸上，所述膝關節下桿下端設置在小腿桿上端孔內，由關節電機驅動的膝關節軸與膝關節下桿固定連接，所述板簧上端套裝在大腿桿上、下端固定連接在關節電機外殼上，關節電機外殼活動套裝在膝關節軸上。

優選的，所述板簧上端與板簧固定板相連，所述板簧固定板套裝在大腿桿上，板簧下端通過固定外殼與關節電機外殼相連，所述固定外殼為框架式結構，固定外殼內設能夠帶動板簧支點套上下滑動的垂直移位機構，所述板簧支點套另一端套裝在板簧上。

優選的，所述垂直移位機構包括調節電機和滾珠絲桿，所述調節電機設置在固定外殼下方，所述滾珠絲桿設置在固定外殼內部，所述板簧支點套與滾珠絲桿配合。

優選的，所述支撐足組件包括足連接桿、足支撐座及設置在足支撐座內側的鞋底，所述足連接桿上端設置在小腿桿下端孔內，足連接桿下端通過足支撐座與鞋底相連。

優選的，所述足支撐座上端與足連接桿固定連接，足支撐座下端與鞋底為活動連接，使足支撐座能夠相對鞋底上下滑動，足支撐座與鞋底之間設有足彎曲板簧，所述足彎曲板簧為弧形，所述足彎曲板簧上端與足支撐座上端固定連接，足彎曲板簧下端自由插入足支撐座下端卡槽。

優選的，所述鞋底上設有兩個與控制盒相連的壓力傳感器，兩個壓力傳感器分別設置在鞋底的前部和后部。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：

（1）膝關節剛度通過剛度調節電機實時改變，增加了外骨骼柔順性，減少了地面振動沖擊，板簧可以進行儲能，減少了能源消耗。

（2）支撐足通過人機工程設計，具有剛度被動調整功能，增加了外骨骼與地面接觸時的柔順性；通過被動板簧蓄能，減輕了行走過程人體的能耗。

（3）本實用新型具有結構簡單緊湊、操作方便的優點，能夠提升關節的柔順性的，適應不同工況和不同路面的使用需求。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的下肢外骨骼機器人的結構示意圖；

圖2是圖1中背架的結構示意圖；

圖3是圖1中膝關節組件的結構示意圖；

圖4是圖1中支撐足組件的結構示意圖；

圖5是膝關節組件的工作原理圖；

圖6是下肢外骨骼機器人在支撐相初期的工作原理圖；

圖7是下肢外骨骼機器人在支撐相中期的工作原理圖；

圖8是下肢外骨骼機器人在擺動相階段的工作原理圖；

圖中：1-控制盒，2-背架，3-髖關節組件，4-大腿桿，5-膝關節組件，6-小腿桿，7-支撐足組件，21-橫桿，22-支撐阻尼器，23-背板，31-雙耳套環，32-髖關節電機，33-樞軸，41-上連接桿，42-大腿桿主體，51-板簧固定板，52-板簧，53-滾珠絲桿，54-板簧支點套，55-固定外殼，56-調節電機，57A-膝關節上桿，57B-膝關節上桿，58-膝關節軸，59-關節電機，71-足連接桿，72-足支撐座，73-足彎曲板簧，74-鞋底，75-壓力傳感器，76-鞋固定板。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步詳細的說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1所示，本實用新型提供的下肢外骨骼機器人，包括控制盒1、背架2、髖關節組件3、大腿桿4、膝關節組件5、小腿桿6、支撐足組件7，所述大腿桿4、膝關節組件5、小腿桿6、支撐足組件7均為兩個，所述控制盒1內設控制器和電源；所述控制盒1設置在背架2上，所述背架2與髖關節組件3相連接，兩個大腿桿4上端分別與髖關節組件3活動連接、下端分別與膝關節組件5相連，所述小腿桿6兩端分別與膝關節組件5及支撐足組件7相連，所述髖關節組件3及膝關節組件5與控制盒1相連。利用控制器控制膝關節組件5發生彎曲，使膝關節的彎曲工況與人體生理彎曲相接近，改善原來膝關節剛性大導致振動沖擊大的狀況。

為了方便安裝拆卸，大腿桿4和小腿桿6可設計為分體式，以大腿桿4為例，包括上連接桿41及與之固定連接的大腿桿主體42，大腿桿主體42下部設有連接孔，用來與膝關節組件5配合。

在本實用新型一個優選實施例中，如圖2所示，所述背架2包括背板23和兩個橫桿21，所述橫桿21為L型，背板23為工字型框架，背板23下部兩端分別與兩個橫桿21活動連接，橫桿21另一端與大腿桿4活動連接。背板23下部兩端設有連接孔，左右兩根橫桿21與之相連部位設有雙耳，二者可通過銷軸活動連接，可使兩個橫桿21相對背板23上下旋轉，使用更方便靈活。

在本實用新型一個優選實施例中，所述髖關節組件3包括雙耳套環31、髖關節電機32和樞軸33，雙耳套環31與橫桿21外側端部固定連接，髖關節電機32外殼與雙耳套環31的外側固定連接，髖關節電機32輸出軸與樞軸33固定連接，樞軸33與大腿桿4的上連接桿41固定連接，樞軸33設置雙耳套環31之間、且兩端與雙耳套環31的內孔配合。

為了提升背部運動靈活性，所述背板23與橫桿21之間還設有支撐阻尼器22，所述支撐阻尼器22為兩個，兩個支撐阻尼器22分別設置在背板23上部兩端與橫桿21之間。通過支撐阻尼器22支撐背板23和電源及控制器模塊1重量，同時起到減少背板23和電源及控制器模塊1振動的雙重作用。

如圖3所示，所述膝關節組件5包括膝關節上桿57B、膝關節軸58、膝關節下桿57A和板簧52，所述膝關節上桿57B上端設置在大腿桿4下端孔內、下端套裝在膝關節軸58上，所述膝關節下桿57A下端設置在小腿桿6上端孔內，由關節電機59驅動的膝關節軸58與膝關節下桿57A固定連接，所述板簧52上端套裝在大腿桿4上、下端固定連接在關節電機59外殼上，關節電機59外殼活動套裝在膝關節軸58上。啟動關節電機59，驅動膝關節軸58旋轉，從而帶動膝關節下桿57A相對膝關節上桿57B轉動，實現膝關節的彎曲，借助板簧52彈性作用，改變膝關節彎曲的剛度，增加其彎曲柔韌性。

作為一種優選結構，所述板簧52上端與板簧固定板51相連，所述板簧固定板51套裝在大腿桿4上，板簧52下端通過固定外殼55與關節電機59外殼相連，所述固定外殼55為框架式結構，固定外殼55內設能夠帶動板簧支點套54上下滑動的垂直移位機構，所述板簧支點套54另一端套裝在板簧52上。

在本實用新型一個具體實施例中，所述垂直移位機構包括調節電機56和滾珠絲桿53，所述調節電機56設置在固定外殼55下方，所述滾珠絲桿53設置在固定外殼55內部，所述板簧支點套54與滾珠絲桿53配合。當剛度調節電機56旋轉帶動滾珠絲桿53轉動，從而驅動板簧支點套54，其套裝在板簧52上的一端也上下移動，從而改變了板簧52的受力支點位置，從而改變膝關節關節剛度。

在本實用新型一個優選實施例中，如圖4所示，所述支撐足組件7包括足連接桿71、足支撐座72及設置在足支撐座72內側的鞋底74，所述足連接桿71上端設置在小腿桿6下端孔內，足連接桿71下端通過足支撐座72與鞋底74相連。

作為一種優選結構，所述足支撐座72上端與足連接桿71固定連接，足支撐座72下端與鞋底74為活動連接，使足支撐座72能夠相對鞋底74上下滑動，足支撐座72與鞋底74之間設有足彎曲板簧73，所述足彎曲板簧73為弧形，所述足彎曲板簧73上端與足支撐座72上端固定連接，足彎曲板簧73下端自由插入足支撐座72下端卡槽。足彎曲板簧73通過人機工程設計，使其具有一定的曲率，保證在外骨骼行走過程中，足彎曲板簧73上各段板簧都能夠地面充分接觸，并且由于每段的曲率不同，能夠剛度被動改變，以適應不同的工況，保持外骨骼整體穩定性。

足部不采用動力驅動，減少了控制的復雜性，取而代之的是，安裝一根具有一定曲率的足彎曲板簧，隨著足彎曲板簧與地面接觸部分的改變，足部與地面的接觸剛度也發生，提升行走的舒適度。

在本實用新型一個具體實施例中，所述足支撐座72通過鞋固定板76與鞋底74相連，所述鞋固定板76為U型槽狀，鞋底74后部固定在鞋固定板76的U型槽內；鞋固定板76外側設有與足支撐座72下端配合的滑槽。

為了增強下肢外骨骼機器人的靈敏度，所述鞋底74上設有兩個與控制盒1相連的壓力傳感器75，兩個壓力傳感器75分別設置在鞋底74的前部和后部，可以感應不同的行走步態，將相關信號傳輸至控制器，從而更好地校正行走速度。

另外，鞋底74由柔性材料制成，增加了穿戴的舒適性。

人體行走原理如下：

1.人體行走分為支撐相和擺動相，支撐相就是腿部著地支撐身體的時間段；擺動相就是腿部在空中擺動的時間段。

2.外骨骼穿在人體外面，所以外骨骼行走也遵循支撐相和擺動相。其中支撐相又可以分為支撐相初期（腿部剛接觸地面階段），支撐相中期（腿部彎曲接觸地面階段），支撐相末期（腿部馬上進入擺動相階段）。

3.外骨骼在支撐相初期時，外骨骼腿部與地面開始接觸，為了避免突然觸地振動過大，需要關節剛度最小；

外骨骼在支撐相中期時，外骨骼腿部正式與地面接觸，需要起到支撐重量的作用，需要關節剛度較大；

外骨骼在支撐相末期時外骨骼腿部開始于與地面分離，需要運動靈活，需要關節剛度中較小。

本實用新型的工作原理如下：

如圖6所示，在支撐相階段，當膝關節下桿57A觸地時（也就說足部支撐在地面），關節電機59斷電不工作，這時候膝關節下桿57A、及膝關節軸58、關節電機59外殼、固定外殼55都可以作為一個整體。使得上身負重及大腿桿4的重量依靠板簧52的彎曲變形產生的彈性支撐其與大腿桿繞膝關節軸58轉動。

在支撐相的初期、中期、末期，不同時期對膝關節的剛度需求不同，通過調節電機56調節改變板簧52的支點位置。在初期，如圖6，調節電機56轉動使板簧支點套54位置較低，此時板簧52的支點位于最低，相同的負重可變形范圍大，剛性小彈性大；在中期，如圖7，需要支撐起人體負重，支點位置較高，可變形范圍小；在末期，支點位置在較低位置。

在擺動相階段，如圖8，調節電機56將板簧支點套54上移到最頂端，此時板簧52幾乎不能彎曲，可以視作剛體，此時的連接方式等效于：板簧固定板51、板簧52、滾珠絲桿53、板簧支點套54、固定外殼55可以視為一個剛性整體。此時，大腿桿4與關節電機59外殼固定，關節電機59軸與膝關節軸58固定，膝關節軸58與小腿桿6固定。這樣就是最普通的兩連桿，擺動時，大腿桿4可視作固定不同，關節電機59轉動時，帶動小腿桿7前后擺動，實現邁步。

以上是兩種變剛度的主要情形，如果用在下蹲或者其他方式，也具有相同的功能。歸納起來說，就是關節電機59用來調節膝關節角度，到了特定角度后，由于膝關節可變剛度結構的存在，在該角度下，還可以通過調節電機56進行角度微調。

膝關節組件的工作原理如圖5所示，采用板簧52作為彈性元件，通過板簧支點套54在板簧52上的位置不同，來改變板簧52的受力支點位置，從而改變板簧52的剛度，當支點位置為A時，板簧52不能做任何彎曲動作，可以以看成剛體；當支點位置改變至B時，板簧52右端可以自由彎曲（如虛線所示）；當支點位置移動到不同的位置，右端的剛度也隨之改變。

綜上所述，本實用新型具有結構簡單緊湊、操作方便的優點，本實用新型提供的可變剛度外骨骼是依據仿生學原理，利用板簧來改變人體下肢剛度的行走原理，能夠提升關節的柔順性的，來提升外骨骼與人體穿戴時的工作性能，以適應不同工況和不同路面的使用需求。

本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求的保護范圍內。