一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人的制作方法
【專利摘要】一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，以解決現有外骨骼機器人利用液壓缸驅動時，不夠緊湊，在轉動到達角度時力矩低的問題。本發明的兩個髖關節對稱設置在后背板的兩側，且兩個髖關節上的外展內收關節桿通過連接軸與腰部捆綁板鉸接，兩個髖關節、兩個大腿、兩個小腿和兩個足部件由上至下一一對應，髖關節上的屈伸關節與髖關節液壓驅動部件上的髖關節液壓缸支撐罩通過連接元件連接，髖關節液壓缸體的下端與小腿固接，膝關節液壓缸體的上端與髖關節上的第三內外旋關節桿固接，膝關節液壓缸支撐罩與小腿上的膝關節轉動連接件通過連接元件連接，小腿上的膝關節外殼與足部件連接。本發明用于負重行走，可以運用在救援救災等需要運送物資的場合。
【專利說明】
一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人
技術領域
[0001]本發明涉及一種外骨骼機器人，具體涉及一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人。
【背景技術】
[0002]目前，外骨骼機器人以其獨有的人機結合方式受到了廣大的研究者的青睞，其驅動方式有兩種:一種是以轉動執行機構驅動，另一種是以直線型執行機構來實現運動。目前的已有的直線性執行機構中，液壓缸占據主要地位。但是目前的驅動連接方式，都是選擇與驅動進行直接連接，而且液壓缸是傾斜布置在大腿與小腿之間，見圖9，這種方式在運動過程中，液壓缸會隨著執行機構運動，這樣首先會影響整體的緊湊性，并且其構成的力矩曲線的峰值設置不到更大的角度上去，從而導致外骨骼攀爬越野的能力降低。
【發明內容】
[0003]本發明為解決現有外骨骼機器人利用液壓缸驅動時，不夠緊湊，在轉動到達角度時力矩低的問題，而提出一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人。
[0004]本發明的一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，所述機器人包括后背板、連接軸、兩個髖關節、兩個大腿、兩個小腿和兩個足部件；
[0005]每個大腿包括髖關節液壓驅動部件和膝關節液壓驅動部件；
[0006]髖關節液壓驅動部件包括髖關節輸出連接桿、髖關節液壓缸連接關節、髖關節液壓活塞桿、髖關節液壓缸支撐罩、髖關節液壓缸體和髖關節拉壓力傳感器，髖關節液壓活塞桿的下端設置在髖關節液壓缸體中，髖關節液壓活塞桿的上端與髖關節拉壓力傳感器連接，髖關節拉壓力傳感器的上端與髖關節液壓缸連接關節的下端連接，髖關節液壓缸連接關節的上端與髖關節輸出連接桿的下端通過軸承鉸接，髖關節輸出連接桿的上端與第三內外旋關節桿通過軸承鉸接，髖關節液壓缸支撐罩罩在髖關節液壓活塞桿上，且髖關節液壓缸支撐罩的下端與髖關節液壓缸體連接，髖關節液壓缸體的下端與小腿固接；
[0007]膝關節液壓驅動部件包括膝關節輸出連接桿、膝關節液壓缸連接關節、膝關節液壓活塞桿、膝關節液壓缸支撐罩、膝關節液壓缸體和髖關節拉壓力傳感器，膝關節液壓活塞桿的上端設置在膝關節液壓缸體中，膝關節液壓活塞桿的下端與髖關節拉壓力傳感器連接，髖關節拉壓力傳感器的下端與膝關節液壓缸連接關節的上端連接，膝關節液壓缸連接關節的下端與膝關節輸出連接桿的上端通過軸承鉸接，膝關節輸出連接桿的下端與小腿通過軸承鉸接，膝關節液壓缸支撐罩罩在膝關節液壓活塞桿上，且膝關節液壓缸支撐罩的上端與膝關節液壓缸體連接，膝關節液壓缸體的上端與第三內外旋關節桿固接；
[0008]兩個髖關節對稱設置在后背板的兩側，且兩個髖關節上的外展內收關節桿通過連接軸與腰部捆綁板鉸接，兩個髖關節、兩個大腿、兩個小腿和兩個足部件由上至下一一對應，髖關節上的屈伸關節與髖關節液壓驅動部件上的髖關節液壓缸支撐罩通過連接元件連接，髖關節液壓缸體的下端與小腿固接，膝關節液壓缸體的上端與髖關節上的第三內外旋關節桿固接，膝關節液壓缸支撐罩與小腿上的膝關節轉動連接件通過連接元件連接，小腿上的膝關節外殼與足部件連接。
[0009]本發明與現有技術相比具有以下有益效果:
[0010]—、本發明的髖關節液壓缸體是豎直布置的，這樣的結構可以實現把液壓缸的直線推力通過髖關節輸出連接桿直接傳遞到第三內外旋關節桿上，使得第三內外旋關節桿實現轉動運動(見圖5和圖9)，與傳統的布置方式相比較(見圖10)，本發明的液壓缸不會隨著驅動端的運動而移動，并且可以設置在大腿3的內部，這樣大大增加了結構的緊湊型，并且這種布置方式，可以使得關節在達到大角度的時候還具有相當的扭矩，見圖11，在同樣的空間布置下，這種布置可以明顯將扭矩的峰值向后移動。
[0011]本發明的膝關節液壓缸體是豎直布置的，這樣的結構可以實現把液壓缸的直線推力通過膝關節輸出連接桿直接傳遞到小腿上，使得小腿實現運動(見圖5)，與傳統的布置方式相比較(見圖10)，本發明的液壓缸不會隨著驅動端的運動而移動，并且可以設置在大腿3的內部，這樣大大增加了結構的緊湊型，并且這種布置方式，可以使得關節在達到大角度的時候還具有相當的扭矩，見圖10，在同樣的空間布置下，這種布置可以明顯將扭矩的峰值向后移動。
[0012]因此，本發明通過對液壓缸驅動方式的改善，調整了髖關節液壓驅動部件和膝關節液壓驅動部件的結構，使得液壓缸可以不隨著驅動端移動，并且可設置在大腿中，這樣使得結構的緊湊性大大增加。
[0013]二、髖關節輸出連接桿和膝關節輸出連接桿的設置，具有可以將力矩最大值向大角度方向移動的效果，這樣為攀登、越野等需要角度彎曲的情況，提供了更大的力矩，可以提升在這些狀況下的負載能力。
[0014]三、髖關節輸出連接桿和膝關節輸出連接桿的設置，在角度小的時候降低提供的力矩，這樣使得其最大速度有所提升，這樣的設置，可以提高在正常行走等小角度彎曲時的機器運動速度，從而提高整體的行走速度。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的整體結構立體圖；
[0016]圖2是圖1的左視立體圖；
[0017]圖3是圖1的后視立體圖；
[0018]圖4是圖3的I局部放大圖；
[0019]圖5是大腿3的結構立體圖；
[0020]圖6是膝關節液壓驅動部件的連接關系示意圖；
[0021]圖7是圖1的Π局部放大圖；
[0022]圖8是圖1的m局部放大圖；
[0023]圖9是本發明的大腿3中的髖關節液壓缸體26豎直布置的示意圖；
[0024]圖10是現有技術中的液壓缸傾斜布置在大腿與小腿之間的的示意圖；
[0025]圖11是本發明的髖關節扭矩與現有技術的髖關節扭矩曲線圖(橫坐標為髖關節旋轉角度，縱坐標為髖關節扭矩，圖中標記A為本發明的髖關節扭矩曲線，圖中標記B為現有技術中髖關節扭矩曲線)。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一:結合圖1?圖6說明本實施方式，本實施方式包括后背板1、連接軸9、兩個髖關節2、兩個大腿3、兩個小腿4和兩個足部件5;
[0027]每個大腿3包括髖關節液壓驅動部件和膝關節液壓驅動部件；
[0028]髖關節液壓驅動部件包括髖關節輸出連接桿22、髖關節液壓缸連接關節23、髖關節液壓活塞桿24、髖關節液壓缸支撐罩25、髖關節液壓缸體26和髖關節拉壓力傳感器33，髖關節液壓活塞桿24的下端設置在髖關節液壓缸體26中，髖關節液壓活塞桿24的上端與髖關節拉壓力傳感器33連接，髖關節拉壓力傳感器33的上端與髖關節液壓缸連接關節23的下端連接，髖關節液壓缸連接關節23的上端與髖關節輸出連接桿22的下端通過軸承實現鉸鏈連接，髖關節輸出連接桿22的上端與第三內外旋關節桿13通過軸承實現鉸鏈連接，髖關節液壓缸支撐罩25罩在髖關節液壓活塞桿24上，且髖關節液壓缸支撐罩25的下端與髖關節液壓缸體26通過連接元件連接，當髖關節液壓活塞桿24與髖關節液壓缸體26伸縮的時候髖關節驅動液壓缸支撐罩25為髖關節液壓活塞桿24起到滑軌的作用，分擔了髖關節液壓活塞桿24的徑向力；
[0029]膝關節液壓驅動部件包括膝關節輸出連接桿32、膝關節液壓缸連接關節31、膝關節液壓活塞桿29、膝關節液壓缸支撐罩28、膝關節液壓缸體27和髖關節拉壓力傳感器30，膝關節液壓活塞桿29的上端設置在膝關節液壓缸體27中，膝關節液壓活塞桿29的下端與髖關節拉壓力傳感器30連接，髖關節拉壓力傳感器30的下端與膝關節液壓缸連接關節31的上端連接，膝關節液壓缸連接關節31的下端與膝關節輸出連接桿32的上端通過軸承實現鉸鏈連接，膝關節輸出連接桿32的下端與小腿4通過軸承實現鉸鏈連接，膝關節液壓缸支撐罩28罩在膝關節液壓活塞桿29上，且膝關節液壓缸支撐罩28的上端與膝關節液壓缸體27通過連接元件連接，當膝關節液壓活塞桿29與膝關節液壓缸體27伸縮的時候膝關節液壓缸支撐罩28為膝關節液壓活塞桿29起到滑軌的作用，分擔了膝關節液壓活塞桿29的徑向力；
[0030]兩個髖關節2對稱設置在后背板I的兩側，且兩個髖關節2上的外展內收關節桿10通過連接軸9與腰部捆綁板8鉸接，兩個髖關節2、兩個大腿3、兩個小腿4和兩個足部件5由上至下一一對應，髖關節2上的屈伸關節17與髖關節液壓缸支撐罩25通過連接元件連接，髖關節液壓缸體26的下端與小腿4固接，膝關節液壓缸體27的上端與髖關節2上的第三內外旋關節桿13固接，膝關節液壓缸支撐罩28與小腿4上的膝關節轉動連接件38通過連接元件連接，小腿4上的膝關節外殼39與足部件5連接。
[0031]【具體實施方式】二:結合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式的后背板I包括肩部捆綁板6、調節板7和腰部捆綁板8，調節板7的上端通過連接元件與肩部捆綁板6連接，調節板7的下端通過連接元件與腰部捆綁板8連接。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的調節板7上沿豎向設有多個連接孔7-1。通過調節板7上不同位置的連接孔7-1與腰部捆綁板8實現腰部高度的調整。其它組成及連接關系與【具體實施方式】二相同。
[0033]【具體實施方式】四:結合圖3說明本實施方式，本實施方式的每個髖關節2包括外展內收關節桿10、第一內外旋關節桿11、第二內外旋關節桿12、第三內外旋關節桿13、第一髖關節軸14，第二髖關節軸15和第三髖關節軸16，外展內收關節桿10、第一內外旋關節桿11、第二內外旋關節桿12、第三內外旋關節桿13依次布置，外展內收關節桿10與第一內外旋關節桿11通過第一髖關節軸14鉸接，第一內外旋關節桿11與第二內外旋關節桿12通過第二髖關節軸15鉸接，第二內外旋關節桿12與第三內外旋關節桿13通過第三髖關節軸16鉸接。各關節桿之間實現鉸鏈連接，不僅可以使髖關節2實現外展內收和內外旋的自由度，還可以實現自由適應不同腰圍人群的功能。其它組成及連接關系與【具體實施方式】三相同。
[0034]【具體實施方式】五:結合圖4說明本實施方式，本實施方式的第三內外旋關節桿13包括內外旋關節桿外殼41、屈伸關節17、第四髖關節軸18、髖關節編碼器19、髖關節編碼器小齒輪20和髖關節編碼器大齒輪21，右屈伸關節17套裝在第四髖關節軸18上，第四髖關節軸18與內外旋關節桿外殼41鉸接，且屈伸關節17的下端與髖關節液壓缸支撐罩25螺紋固定，這樣可以實現大腿在髖關節2上的伸展和彎曲自由度，髖關節編碼器大齒輪21套裝在屈伸關節17上，髖關節編碼器小齒輪20與髖關節編碼器大齒輪21嚙合，髖關節編碼器小齒輪20的尾端與髖關節編碼器19連接，通過髖關節編碼器小齒輪20和髖關節編碼器大齒輪21將運動傳遞到髖關節編碼器19上，這樣設置一方面回避了髖關節編碼器19設置在關節上的問題，增加了結構的緊湊性，另一方面，通過齒輪的方式增加了傳動比，提升了編碼器的精度。其它組成及連接關系與【具體實施方式】四相同。
[0035]【具體實施方式】六:結合圖7說明本實施方式，本實施方式的每個小腿4包括膝關節外殼39、膝關節轉動連接件38、膝關節軸34、膝關節編碼器大齒輪35、膝關節編碼器小齒輪36、膝關節編碼器37，膝關節轉動連接件38套裝在膝關節軸34上，膝關節軸34與膝關節外殼39鉸接，且膝關節轉動連接件38的上端與膝關節液壓缸支撐罩28通過連接元件連接，這樣可以實現小腿4在膝關節液壓驅動部件上的伸展和彎曲自由度，膝關節編碼器大齒輪35套裝在膝關節轉動連接件38上，膝關節編碼器小齒輪36與膝關節編碼器大齒輪35嚙合，膝關節編碼器小齒輪36的尾端與膝關節編碼器37連接，通過膝關節編碼器小齒輪36和膝關節編碼器大齒輪35將運動傳遞到膝關節編碼器37上，這樣設置一方面回避了膝關節編碼器37設置在關節上的問題，增加了結構的緊湊性，另一方面，通過齒輪的方式增加了傳動比，提升了編碼器的精度。其它組成及連接關系與【具體實施方式】五相同。
[0036]【具體實施方式】七:結合圖8說明本實施方式，本實施方式的每個足部件5包括踝關節轉動連接件42、腳連接件43、軸承座44和腳45，踝關節轉動連接件42的上端設有兩個豎向滑槽42-1，膝關節外殼39的下端設有兩個滑桿39-1，兩個滑桿39-1與兩個豎向滑槽42-1 —一正對，膝關節外殼39的下端與踝關節轉動連接件42滑動鏈接，并可以通過螺釘固定，這樣設計可以對小腿4長度進行調整;踝關節轉動連接件42與腳連接件43鉸鏈連接，可以實現屈伸的轉動，腳連接件43的下端設有兩個關節軸承43-1，兩個關節軸承43-1均與軸承座44鉸接，軸承座44與腳45的一側固定連接，這樣可以實現外展內收的自由度。其它組成及連接關系與【具體實施方式】六相同。
【主權項】
1.一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述機器人包括后背板(I)、連接軸(9)、兩個髖關節(2)、兩個大腿(3)、兩個小腿(4)和兩個足部件(5); 每個大腿(3)包括髖關節液壓驅動部件和膝關節液壓驅動部件； 髖關節液壓驅動部件包括髖關節輸出連接桿(22)、髖關節液壓缸連接關節(23)、髖關節液壓活塞桿(24)、髖關節液壓缸支撐罩(25)、髖關節液壓缸體(26)和髖關節拉壓力傳感器(33)，髖關節液壓活塞桿(24)的下端設置在髖關節液壓缸體(26)中，髖關節液壓活塞桿(24)的上端與髖關節拉壓力傳感器(33)連接，髖關節拉壓力傳感器(33)的上端與髖關節液壓缸連接關節(23)的下端連接，髖關節液壓缸連接關節(23)的上端與髖關節輸出連接桿(22)的下端通過軸承鉸接，髖關節輸出連接桿(22)的上端與第三內外旋關節桿(13)通過軸承鉸接，髖關節液壓缸支撐罩(25)罩在髖關節液壓活塞桿(24)上，且髖關節液壓缸支撐罩(25)的下端與髖關節液壓缸體(26)連接，髖關節液壓缸體(26)的下端與小腿(4)固接； 膝關節液壓驅動部件包括膝關節輸出連接桿(32)、膝關節液壓缸連接關節(31)、膝關節液壓活塞桿(29)、膝關節液壓缸支撐罩(28)、膝關節液壓缸體(27)和髖關節拉壓力傳感器(30)，膝關節液壓活塞桿(29)的上端設置在膝關節液壓缸體(27)中，膝關節液壓活塞桿(29)的下端與髖關節拉壓力傳感器(30)連接，髖關節拉壓力傳感器(30)的下端與膝關節液壓缸連接關節(31)的上端連接，膝關節液壓缸連接關節(31)的下端與膝關節輸出連接桿(32)的上端通過軸承鉸接，膝關節輸出連接桿(32)的下端與小腿(4)通過軸承鉸接，膝關節液壓缸支撐罩(28)罩在膝關節液壓活塞桿(29)上，且膝關節液壓缸支撐罩(28)的上端與膝關節液壓缸體(27)連接，膝關節液壓缸體(27)的上端與第三內外旋關節桿(13)固接； 兩個髖關節(2)對稱設置在后背板(I)的兩側，且兩個髖關節(2)上的外展內收關節桿(10)通過連接軸(9)與腰部捆綁板(8)鉸接，兩個髖關節(2)、兩個大腿(3)、兩個小腿(4)和兩個足部件(5)由上至下一一對應，髖關節(2)上的屈伸關節(17)與髖關節液壓驅動部件上的髖關節液壓缸支撐罩(25)通過連接元件連接，髖關節液壓缸體(26)的下端與小腿(4)固接，膝關節液壓缸體(27)的上端與髖關節(2)上的第三內外旋關節桿(13)固接，膝關節液壓缸支撐罩(28)與小腿(4)上的膝關節轉動連接件(38)通過連接元件連接，小腿(4)上的膝關節外殼(39)與足部件(5)連接。2.根據權利要求1所述一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述后背板(I)包括肩部捆綁板(6)、調節板(7)和腰部捆綁板(8)，調節板(7)的上端與肩部捆綁板(6)連接，調節板(7)的下端與腰部捆綁板(8)連接。3.根據權利要求2所述一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述調節板(7)上沿豎向設有多個連接孔(7-1)。4.根據權利要求3所述一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述每個髖關節(2)包括外展內收關節桿(10)、第一內外旋關節桿(11)、第二內外旋關節桿(12)、第三內外旋關節桿(13)、第一髖關節軸(14)，第二髖關節軸(15)和第三髖關節軸(16)，外展內收關節桿(10)、第一內外旋關節桿(11)、第二內外旋關節桿(12)、第三內外旋關節桿(13)依次布置，外展內收關節桿(10)與第一內外旋關節桿(11)通過第一髖關節軸(14)鉸接，第一內外旋關節桿(11)與第二內外旋關節桿(12)通過第二髖關節軸(15)鉸接，第二內外旋關節桿(12)與第三內外旋關節桿(13)通過第三髖關節軸(16)鉸接。5.根據權利要求4所述一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述第三內外旋關節桿(13)包括內外旋關節桿外殼(41)、屈伸關節(17)、第四髖關節軸(18)、髖關節編碼器(19)、髖關節編碼器小齒輪(20)和髖關節編碼器大齒輪(21)，右屈伸關節(17)套裝在第四髖關節軸(18)上，第四髖關節軸(18)與內外旋關節桿外殼(41)鉸接，且屈伸關節(17)的下端與髖關節液壓缸支撐罩(25)螺紋固定，髖關節編碼器大齒輪(21)套裝在屈伸關節(17)上，髖關節編碼器小齒輪(20)與髖關節編碼器大齒輪(21)嚙合，髖關節編碼器小齒輪(20)的尾端與髖關節編碼器(19)連接，通過髖關節編碼器小齒輪(20)和髖關節編碼器大齒輪(21)將運動傳遞到髖關節編碼器(19)上。6.根據權利要求5所述一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述每個小腿(4)包括膝關節外殼(39)、膝關節轉動連接件(38)、膝關節軸(34)、膝關節編碼器大齒輪(35)、膝關節編碼器小齒輪(36)、膝關節編碼器(37)，膝關節轉動連接件(38)套裝在膝關節軸(34)上，膝關節軸(34)與膝關節外殼(39)鉸接，且膝關節轉動連接件(38)的上端與膝關節液壓缸支撐罩(28)通過連接元件連接，膝關節編碼器大齒輪(35)套裝在膝關節轉動連接件(38)上，膝關節編碼器小齒輪(36)與膝關節編碼器大齒輪(35)嚙合，膝關節編碼器小齒輪(36)的尾端與膝關節編碼器(37)連接，通過膝關節編碼器小齒輪(36)和膝關節編碼器大齒輪(35)將運動傳遞到膝關節編碼器(37)上。7.根據權利要求6所述一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，其特征在于:所述每個足部件(5)包括踝關節轉動連接件(42)、腳連接件(43)、軸承座(44)和腳(45)，踝關節轉動連接件(42)的上端設有兩個豎向滑槽(42-1)，膝關節外殼(39)的下端設有兩個滑桿(39-1)，兩個滑桿(39-1)與兩個豎向滑槽(42-1)—一正對，膝關節外殼(39)的下端與踝關節轉動連接件(42)滑動鏈接，踝關節轉動連接件(42)與腳連接件(43)鉸接，腳連接件(43)的下端設有兩個關節軸承(43-1)，兩個關節軸承(43-1)均與軸承座(44)鉸接，軸承座(44)與腳(45)的一側固定連接。
【文檔編號】B25J9/00GK106002962SQ201610590102
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月25日
【發明人】朱延河, 張國安
【申請人】哈爾濱工業大學