下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，每一條混聯(lián)腿機構均包括：擋板機架、腿部機架、第二直線驅(qū)動器、第三直線驅(qū)動器、第四直線驅(qū)動器、混聯(lián)腿和足部；腰部機構包括腰部機架和第一直線驅(qū)動器；腰部機架分別與擋板機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；擋板機架分別與腿部機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；腿部機架分別與第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動器鉸接；混聯(lián)腿連接在腿部機架的下方；混聯(lián)腿與足部相連接；所述第四直線驅(qū)動器設置于混聯(lián)腿與足部之間。本發(fā)明的混聯(lián)腿機構，承載能力高，工作空間大，能夠適應復雜地形，減緩人體攜帶重物中的疲勞，增強人的攜帶能力，適用于軍事士兵，災難救援人員，火災搶險人員等，是一種多樣化的運輸平臺。
【專利說明】下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械工程中機器人【技術領域】，具體是一種下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨 骼機器人。

【背景技術】
[0002] 下肢增力型外骨骼能夠減緩人體攜帶重物中的疲勞，增強人的攜帶能力，是一種 多樣化的運輸平臺。下肢增力型外骨骼主要應用于軍事士兵，災難救援人員，火災搶險人員 和其他緊急情況，其中需要個人攜帶很重的物品，例如食物，救援設備，急救用品，通訊設備 和兵器武器等，在復雜未知的地形上行走，為人節(jié)省最大的力氣，幫助穿戴者行走最長的時 間。
[0003] 經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00910088396. 9的中國發(fā)明專利公開了一種串聯(lián)構型下 肢外骨骼，包括載物架和各連桿，共涉及雙腿十二自由度，單腿六自由度，分別是髖關節(jié)兩 自由度，膝關節(jié)一自由度和踝關節(jié)三自由度。但是該腿是純串聯(lián)設計，承載能力低，精度差， 剛度和穩(wěn)定性不高，限制了高負載使用的潛力。
[0004] 申請?zhí)枮?01320049169. 7的中國發(fā)明專利設計了一個單腿四自由度的串聯(lián)外骨 骼，包括髖關節(jié)兩自由度，膝關節(jié)一自由度和踝關節(jié)一自由度，另外腳板上還有一個適應腳 趾彎曲的自由度。該機構能夠保證步行時髖關節(jié)，膝關節(jié)和腳踝關節(jié)人機協(xié)調(diào)一致。但該 外骨骼自由度不能滿足人體下肢側(cè)擺自由度和腳踝側(cè)擺自由度，驅(qū)動模塊與人體下肢大腿 距離太近，影響安全。
[0005] 申請?zhí)枮?01310262919. 3的中國發(fā)明專利公開了一種穿戴式下肢助力外骨骼， 該機構能夠?qū)崿F(xiàn)髖關節(jié)，膝關節(jié)和踝關節(jié)繞額狀軸轉(zhuǎn)動。但是該機構結(jié)構臃腫，不能實現(xiàn)人 體下肢其余自由度的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足，提供了一種下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨 骼機器人。
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0008] -種下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，包括兩條結(jié)構相同且對稱設置的混聯(lián) 腿機構以及設置于兩條混聯(lián)腿機構之間的腰部機構；其中：每一條混聯(lián)腿機構均具有四個 驅(qū)動自由度和兩個被動自由度。
[0009] 優(yōu)選地，所述每一條混聯(lián)腿機構均包括：擋板機架、腿部機架、第二直線驅(qū)動器、第 三直線驅(qū)動器、第四直線驅(qū)動器、混聯(lián)腿和足部；
[0010] 所述腰部機構包括腰部機架和第一直線驅(qū)動器；
[0011] 所述腰部機架分別與兩側(cè)的擋板機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；所述擋板機架分別 與腿部機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；所述腿部機架分別與第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動 器鉸接；所述混聯(lián)腿的上端連接在腿部機架的下方；所述混聯(lián)腿的下端與足部相連接；所 述第四直線驅(qū)動器設置于混聯(lián)腿的下端與足部之間。
[0012] 優(yōu)選地，所述混聯(lián)腿包括：第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、帶孔銷軸、第 五連桿、第六連桿、第七連桿、第八連桿、第四直線驅(qū)動器以及彈簧，其中，所述第一連桿和 第二連桿的首端在相同的位置通過鉸鏈與腿部機架相連，所述第一連桿和第二連桿的末端 通過鉸鏈分別與第三連桿和第四連桿的首端相連，所述第三連桿和第四連桿通過帶孔銷軸 相連，所述第三連桿的末端與第八連桿相連，所述第四連桿的末端與第七連桿相連，所述第 五連桿和帶孔銷軸固接，第五連桿通過開孔和第六連桿的首端形成密封且具有彈性的滑動 畐IJ，所述第六連桿的末端通過鉸鏈分別與第四直線驅(qū)動器和足部相連，所述彈簧位于第六 連桿的末端和足部之間。
[0013] 優(yōu)選地，所述足部包括腳部連桿和腳板，其中，所述腳板通過鉸鏈和腳部連桿相 連，所述第六連桿的末端通過鉸鏈與腳部連桿相連。
[0014] 優(yōu)選地，所述四個驅(qū)動自由度具體為：所述第一直線驅(qū)動器、第二直線驅(qū)動器、第 三直線驅(qū)動器和第四直線驅(qū)動器分別具有一個驅(qū)動自由度，共四個驅(qū)動自由度，其中，第一 直線驅(qū)動器用于驅(qū)動混聯(lián)腿的側(cè)擺運動，第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動器協(xié)同運動帶動 混聯(lián)腿在混聯(lián)腿機構所在平面內(nèi)的移動，第四直線驅(qū)動器用于驅(qū)動腳部連桿，進而帶動腳 板進行俯仰擺動。
[0015] 優(yōu)選地，所述兩個被動自由度具體為：第一個被動自由度位于擋板機架和腿部機 架之間，用于改變混聯(lián)腿的自旋角度；第二個被動自由度位于腳板和腳部連桿之間，用于改 變腳板左右側(cè)擺。
[0016] 優(yōu)選地，所述混聯(lián)腿在混聯(lián)腿機構所在平面內(nèi)的移動為并聯(lián)輸出。
[0017] 優(yōu)選地，所述每條混聯(lián)腿下端的足部均具有彈性。
[0018] 優(yōu)選地，所述第一直線驅(qū)動器、第二直線驅(qū)動器、第三直線驅(qū)動器和第四直線驅(qū)動 器可采用任意類型滿足驅(qū)動需求的直線驅(qū)動系統(tǒng)。
[0019] 實際作業(yè)時，單條混聯(lián)腿具有四個驅(qū)動自由度和兩個被動自由度；第一直線驅(qū)動 器驅(qū)動混聯(lián)腿的側(cè)擺運動，第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動器協(xié)同運動帶動混聯(lián)腿在混聯(lián) 腿機構所在平面內(nèi)的移動，該移動是并聯(lián)輸出，第四直線驅(qū)動器驅(qū)動腳部連桿，帶動腳板進 行俯仰擺動。第一個被動自由度位于擋板機架和腿部機架之間，可用于改變腿部自旋角度， 第二個被動自由度位于腳板和腳部連桿之間，可用于改變腳掌左右側(cè)擺。本發(fā)明提供的下 肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其整體有8個驅(qū)動自由度和4個被動自由度，通過一定 的機電控制和步態(tài)輸出可以實現(xiàn)滿足人體下肢全方位需求的運動。
[0020] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下技術特點：
[0021] 本發(fā)明所采用的混聯(lián)腿機構提高了下肢外骨骼機器人的承載能力，為增力效果提 供了保障，同時保留了靈活性，能滿足人體下肢的全方位運動需求；直線驅(qū)動器的布置方式 簡單，容易實現(xiàn)，結(jié)構緊湊；腿部和腳踝的彈性能夠平衡觸地沖擊力，儲蓄能量，在離地時 釋放，節(jié)省驅(qū)動能量。本發(fā)明能夠滿足下肢增力型外骨骼的承載需求和人體下肢運動空間 需求，運動精度高，控制簡單，適用于軍事士兵，災難救援人員，火災搶險人員和其他緊急情 況，最大程度地為穿戴者節(jié)省力氣背負載，幫助穿戴者行走最長的時間；
[0022] 本發(fā)明提供的混聯(lián)腿機構，單腿具有六個自由度，包括四個驅(qū)動自由度和兩個被 動自由度。驅(qū)動自由度由所述直線驅(qū)動器包括第一直線驅(qū)動器、第二直線驅(qū)動器、第三直線 驅(qū)動器和第四直線驅(qū)動器分別驅(qū)動。通過一定的步態(tài)控制可以實現(xiàn)配合與人體下肢協(xié)調(diào)的 運動。本發(fā)明承載能力高，工作空間大，能夠適應復雜地形，減緩人體攜帶重物中的疲勞，增 強人的攜帶能力，適用于軍事士兵，災難救援人員，火災搶險人員和其他緊急情況，是一種 多樣化的運輸平臺。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0024] 圖1為本發(fā)明的正等側(cè)視圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的右視圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的前視圖；
[0027] 圖中，1為擋板機架，2為腿部機架，3為第一直線驅(qū)動器，4為腰部機架，5為第二 直線驅(qū)動器，6為第三直線驅(qū)動器，7為第一連桿，8為第二連桿，9為第三連桿，10為第四連 桿，11為帶孔銷軸，12為第五連桿，13為第六連桿，14為第七連桿，15為第八連桿，16為第 四直線驅(qū)動器，17為彈簧，18為腳部連桿，19為腳板。

【具體實施方式】
[0028] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。
[0029] 請同時參閱圖1至圖3。
[0030] 本實施例提供了一種下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，包括兩條結(jié)構相同且 對稱設置的混聯(lián)腿機構以及設置于兩條混聯(lián)腿機構之間的腰部機構；其中：每一條混聯(lián)腿 機構均具有四個驅(qū)動自由度和兩個被動自由度。
[0031] 進一步地，所述每一條混聯(lián)腿機構均包括：擋板機架、腿部機架、第二直線驅(qū)動器、 第三直線驅(qū)動器、第四直線驅(qū)動器、混聯(lián)腿和足部；
[0032] 所述腰部機構包括腰部機架和第一直線驅(qū)動器；
[0033] 所述腰部機架分別與兩側(cè)的擋板機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；所述擋板機架分別 與腿部機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；所述腿部機架分別與第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動 器鉸接；所述混聯(lián)腿的上端連接在腿部機架的下方；所述混聯(lián)腿的下端與足部相連接；所 述第四直線驅(qū)動器設置于混聯(lián)腿的下端與足部之間。
[0034] 進一步地，所述混聯(lián)腿包括：第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿、帶孔銷軸、 第五連桿、第六連桿、第七連桿、第八連桿、第四直線驅(qū)動器以及彈簧，其中，所述第一連桿 和第二連桿的首端在相同的位置通過鉸鏈與腿部機架相連，所述第一連桿和第二連桿的末 端通過鉸鏈分別與第三連桿和第四連桿的首端相連，所述第三連桿和第四連桿通過帶孔銷 軸相連，所述第三連桿的末端與第八連桿相連，所述第四連桿的末端與第七連桿相連，所述 第五連桿和帶孔銷軸固接，第五連桿通過開孔和第六連桿的首端形成密封且具有彈性的滑 動副，所述第六連桿的末端通過鉸鏈分別與第四直線驅(qū)動器和足部相連，所述彈簧位于第 六連桿的末端和足部之間。
[0035] 進一步地，所述帶孔銷軸設置于第三連桿和第四連桿的中心位置處。
[0036] 進一步地，所述足部包括腳部連桿和腳板，其中，所述腳板通過鉸鏈和腳部連桿相 連，所述第六連桿的末端通過鉸鏈與腳部連桿相連。
[0037] 進一步地，所述四個驅(qū)動自由度具體為：所述第一直線驅(qū)動器、第二直線驅(qū)動器、 第三直線驅(qū)動器和第四直線驅(qū)動器分別具有一個驅(qū)動自由度，共四個驅(qū)動自由度，其中，第 一直線驅(qū)動器用于驅(qū)動混聯(lián)腿的側(cè)擺運動，第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動器協(xié)同運動帶 動混聯(lián)腿在混聯(lián)腿機構所在平面內(nèi)的移動，第四直線驅(qū)動器用于驅(qū)動足部進行俯仰擺動， 即第四直線驅(qū)動器驅(qū)動腳部連桿，進而帶動腳板進行俯仰擺動。
[0038] 進一步地，所述兩個被動自由度具體為：第一個被動自由度位于擋板機架和腿部 機架之間，用于改變混聯(lián)腿的自旋角度；第二個被動自由度位于腳板和腳部連桿之間，用于 改變腳板左右側(cè)擺。
[0039] 進一步地，所述混聯(lián)腿在混聯(lián)腿機構所在平面內(nèi)的移動為并聯(lián)輸出。
[0040] 進一步地，所述每條混聯(lián)腿下端的足部均具有彈性。
[0041] 進一步地，所述第一直線驅(qū)動器、第二直線驅(qū)動器、第三直線驅(qū)動器和第四直線驅(qū) 動器可采用任意類型滿足驅(qū)動需求的直線驅(qū)動系統(tǒng)。
[0042] 具體為：
[0043] 如圖1所示，本實施例提供的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，包括機架、直 線驅(qū)動器、兩條結(jié)構相同的混聯(lián)腿以及足部。
[0044] 其中：機架包括擋板機架1，腿部機架2,和腰部機架4。擋板機架1通過鉸鏈和腿 部機架2與腰部機架4相連。腿部機架2下方是混聯(lián)腿。腰部機架4通過鉸鏈連接兩側(cè)的 擋板機架1。
[0045] 所述混聯(lián)腿機構包括混聯(lián)腿和足部，具體為，包括第一連桿7,第二連桿8,第三連 桿9,第四連桿10,帶孔銷軸11，第五連桿12,第六連桿13,第七連桿14,第八連桿15,第四 直線驅(qū)動器16,彈簧17,腳部連桿18和腳板19。其中，第一連桿7和第二連桿8通過鉸鏈 在相同的位置與腿部機架2相連，第一連桿7和第二連桿8分別在末端通過鉸鏈和第三連 桿9與第四連桿10相連，第三連桿9和第四連桿10通過帶孔銷軸11相連，第三連桿9末 端與第八連桿15相連，第四連桿10末端與第七連桿14相連，第五連桿12和帶孔銷軸11 固接，第五連桿12通過開孔和第六連桿13形成密封的滑動副，具有一定的彈性，第六連桿 13末端通過鉸鏈和第四直線驅(qū)動器16、腳部連桿18相連，彈簧17位于第六連桿13末端和 腳部連桿18之間，腳板19通過鉸鏈和腳部連桿18相連。
[0046] 所述第一直線驅(qū)動器3、第二直線驅(qū)動器5、第三直線驅(qū)動器6和第四直線驅(qū)動器 16采用任意類型能滿足驅(qū)動要求的直線驅(qū)動系統(tǒng)。
[0047] 本實施例工作時，單條混聯(lián)腿具有四個驅(qū)動自由度和兩個被動自由度。第一直線 驅(qū)動器3驅(qū)動單腿的側(cè)擺運動，第二直線驅(qū)動器5和第三直線驅(qū)動器6協(xié)同運動帶動整個 腿在腿部機構在平面內(nèi)的移動，該移動是并聯(lián)輸出，第四直線驅(qū)動器16驅(qū)動腳部連桿，帶 動腳板進行俯仰擺動。第一個被動自由度位于擋板機架1和腿部機架2之間，可用于改變 腿部自旋角度，第二個被動自由度位于腳板19和腳部連桿18之間，可用于改變腳掌左右側(cè) 擺。外骨骼機器人整體12個自由度，包括8個驅(qū)動自由度和4個被動自由度，通過一定的 機電控制和步態(tài)輸出可以實現(xiàn)滿足人體下肢全方位需求的運動。
[0048] 以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權利要求】
1. 一種下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，包括兩條結(jié)構相同且對稱 設置的混聯(lián)腿機構以及設置于兩條混聯(lián)腿機構之間的腰部機構；其中：每一條混聯(lián)腿機構 均具有四個驅(qū)動自由度和兩個被動自由度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述每 一條混聯(lián)腿機構均包括：擋板機架、腿部機架、第二直線驅(qū)動器、第三直線驅(qū)動器、第四直線 驅(qū)動器、混聯(lián)腿和足部； 所述腰部機構包括腰部機架和第一直線驅(qū)動器； 所述腰部機架分別與兩側(cè)的擋板機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；所述擋板機架分別與腿 部機架和第一直線驅(qū)動器鉸接；所述腿部機架分別與第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動器鉸 接；所述混聯(lián)腿的上端連接在腿部機架的下方；所述混聯(lián)腿的下端與足部相連接；所述第 四直線驅(qū)動器設置于混聯(lián)腿的下端與足部之間。
3. 根據(jù)權利要求2所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述混 聯(lián)腿包括：第一連桿，第二連桿，第三連桿，第四連桿，帶孔銷軸，第五連桿，第六連桿，第七 連桿，第八連桿，以及彈簧；其中，所述第一連桿和第二連桿的首端在相同的位置通過鉸鏈 與腿部機架相連，所述第一連桿和第二連桿的末端通過鉸鏈分別與第三連桿和第四連桿的 首端相連，所述第三連桿和第四連桿通過帶孔銷軸相連，所述第三連桿的末端與第八連桿 相連，所述第四連桿的末端與第七連桿相連，所述第五連桿和帶孔銷軸固接，第五連桿通過 開孔和第六連桿的首端形成密封且具有彈性的滑動副，所述第六連桿的末端通過鉸鏈分別 與第四直線驅(qū)動器和足部相連，所述彈簧位于第六連桿的末端和足部之間。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述 足部包括腳部連桿和腳板，其中，所述腳板通過鉸鏈和腳部連桿相連，所述第六連桿的末端 通過鉸鏈與腳部連桿相連。
5. 根據(jù)權利要求4所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述四 個驅(qū)動自由度具體為：所述第一直線驅(qū)動器、第二直線驅(qū)動器、第三直線驅(qū)動器和第四直線 驅(qū)動器分別具有一個驅(qū)動自由度，共四個驅(qū)動自由度，其中，第一直線驅(qū)動器驅(qū)動用于驅(qū)動 混聯(lián)腿的側(cè)擺運動，第二直線驅(qū)動器和第三直線驅(qū)動器協(xié)同運動帶動混聯(lián)腿在混聯(lián)腿機構 所在平面內(nèi)的移動，第四直線驅(qū)動器用于驅(qū)動腳部連桿，進而帶動腳板進行俯仰擺動。
6. 根據(jù)權利要求4所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述兩 個被動自由度具體為：第一個被動自由度位于擋板機架和腿部機架之間，用于改變混聯(lián)腿 的自旋角度，第二個被動自由度位于腳板和腳部連桿之間，用于改變腳板左右側(cè)擺。
7. 根據(jù)權利要求5所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述混 聯(lián)腿在混聯(lián)腿機構所在平面內(nèi)的移動為并聯(lián)輸出。
8. 根據(jù)權利要求2或3所述的下肢增力型混聯(lián)腿構型外骨骼機器人，其特征在于，所述 每一條混聯(lián)腿下端的足部均具有彈性。
【文檔編號】A61H3/00GK104055653SQ201410242011
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權日:2014年6月3日
【發(fā)明者】高峰, 潘大雷, 繆云潔, 何俊 申請人:上海交通大學