一种轻型化高速大负载下肢外骨骼机器人

摘要

一种轻型化高速大负载下肢外骨骼机器人，以解决现有外骨骼机器人利用液压缸驱动时，不够紧凑，在转动到达角度时力矩低的问题。本发明的两个髋关节对称设置在后背板的两侧，且两个髋关节上的外展内收关节杆通过连接轴与腰部捆绑板铰接，两个髋关节、两个大腿、两个小腿和两个足部件由上至下一一对应，髋关节上的屈伸关节与髋关节液压驱动部件上的髋关节液压缸支撑罩通过连接元件连接，髋关节液压缸体的下端与小腿固接，膝关节液压缸体的上端与髋关节上的第三内外旋关节杆固接，膝关节液压缸支撑罩与小腿上的膝关节转动连接件通过连接元件连接，小腿上的膝关节外壳与足部件连接。本发明用于负重行走，可以运用在救援救灾等需要运送物资的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人，具体涉及一种轻型化高速大负载下肢外骨骼机器人。

背景技术

目前，外骨骼机器人以其独有的人机结合方式受到了广大的研究者的青睐，其驱动方式有两种：一种是以转动执行机构驱动，另一种是以直线型执行机构来实现运动。目前的已有的直线性执行机构中，液压缸占据主要地位。但是目前的驱动连接方式，都是选择与驱动进行直接连接，而且液压缸是倾斜布置在大腿与小腿之间，见图9，这种方式在运动过程中，液压缸会随着执行机构运动，这样首先会影响整体的紧凑性，并且其构成的力矩曲线的峰值设置不到更大的角度上去，从而导致外骨骼攀爬越野的能力降低。

发明内容

本发明为解决现有外骨骼机器人利用液压缸驱动时，不够紧凑，在转动到达角度时力矩低的问题，而提出一种轻型化高速大负载下肢外骨骼机器人。

本发明的一种轻型化高速大负载下肢外骨骼机器人，所述机器人包括后背板、连接轴、两个髋关节、两个大腿、两个小腿和两个足部件；

每个大腿包括髋关节液压驱动部件和膝关节液压驱动部件；

髋关节液压驱动部件包括髋关节输出连接杆、髋关节液压缸连接关节、髋关节液压活塞杆、髋关节液压缸支撑罩、髋关节液压缸体和髋关节拉压力传感器，髋关节液压活塞杆的下端设置在髋关节液压缸体中，髋关节液压活塞杆的上端与髋关节拉压力传感器连接，髋关节拉压力传感器的上端与髋关节液压缸连接关节的下端连接，髋关节液压缸连接关节的上端与髋关节输出连接杆的下端通过轴承铰接，髋关节输出连接杆的上端与第三内外旋关节杆通过轴承铰接，髋关节液压缸支撑罩罩在髋关节液压活塞杆上，且髋关节液压缸支撑罩的下端与髋关节液压缸体连接，髋关节液压缸体的下端与小腿固接；

膝关节液压驱动部件包括膝关节输出连接杆、膝关节液压缸连接关节、膝关节液压活塞杆、膝关节液压缸支撑罩、膝关节液压缸体和髋关节拉压力传感器，膝关节液压活塞杆的上端设置在膝关节液压缸体中，膝关节液压活塞杆的下端与髋关节拉压力传感器连接，髋关节拉压力传感器的下端与膝关节液压缸连接关节的上端连接，膝关节液压缸连接关节的下端与膝关节输出连接杆的上端通过轴承铰接，膝关节输出连接杆的下端与小腿通过轴承铰接，膝关节液压缸支撑罩罩在膝关节液压活塞杆上，且膝关节液压缸支撑罩的上端与 膝关节液压缸体连接，膝关节液压缸体的上端与第三内外旋关节杆固接；

两个髋关节对称设置在后背板的两侧，且两个髋关节上的外展内收关节杆通过连接轴与腰部捆绑板铰接，两个髋关节、两个大腿、两个小腿和两个足部件由上至下一一对应，髋关节上的屈伸关节与髋关节液压驱动部件上的髋关节液压缸支撑罩通过连接元件连接，髋关节液压缸体的下端与小腿固接，膝关节液压缸体的上端与髋关节上的第三内外旋关节杆固接，膝关节液压缸支撑罩与小腿上的膝关节转动连接件通过连接元件连接，小腿上的膝关节外壳与足部件连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的髋关节液压缸体是竖直布置的，这样的结构可以实现把液压缸的直线推力通过髋关节输出连接杆直接传递到第三内外旋关节杆上，使得第三内外旋关节杆实现转动运动(见图5和图9)，与传统的布置方式相比较(见图10)，本发明的液压缸不会随着驱动端的运动而移动，并且可以设置在大腿3的内部，这样大大增加了结构的紧凑型，并且这种布置方式，可以使得关节在达到大角度的时候还具有相当的扭矩，见图11，在同样的空间布置下，这种布置可以明显将扭矩的峰值向后移动。

本发明的膝关节液压缸体是竖直布置的，这样的结构可以实现把液压缸的直线推力通过膝关节输出连接杆直接传递到小腿上，使得小腿实现运动(见图5)，与传统的布置方式相比较(见图10)，本发明的液压缸不会随着驱动端的运动而移动，并且可以设置在大腿3的内部，这样大大增加了结构的紧凑型，并且这种布置方式，可以使得关节在达到大角度的时候还具有相当的扭矩，见图10，在同样的空间布置下，这种布置可以明显将扭矩的峰值向后移动。

因此，本发明通过对液压缸驱动方式的改善，调整了髋关节液压驱动部件和膝关节液压驱动部件的结构，使得液压缸可以不随着驱动端移动，并且可设置在大腿中，这样使得结构的紧凑性大大增加。

二、髋关节输出连接杆和膝关节输出连接杆的设置，具有可以将力矩最大值向大角度方向移动的效果，这样为攀登、越野等需要角度弯曲的情况，提供了更大的力矩，可以提升在这些状况下的负载能力。

三、髋关节输出连接杆和膝关节输出连接杆的设置，在角度小的时候降低提供的力矩，这样使得其最大速度有所提升，这样的设置，可以提高在正常行走等小角度弯曲时的机器运动速度，从而提高整体的行走速度。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是图1的左视立体图；

图3是图1的后视立体图；

图4是图3的I局部放大图；

图5是大腿3的结构立体图；

图6是膝关节液压驱动部件的连接关系示意图；

图7是图1的Ⅱ局部放大图；

图8是图1的Ⅲ局部放大图；

图9是本发明的大腿3中的髋关节液压缸体26竖直布置的示意图；

图10是现有技术中的液压缸倾斜布置在大腿与小腿之间的的示意图；

图11是本发明的髋关节扭矩与现有技术的髋关节扭矩曲线图(横坐标为髋关节旋转角度，纵坐标为髋关节扭矩，图中标记A为本发明的髋关节扭矩曲线，图中标记B为现有技术中髋关节扭矩曲线)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式包括后背板1、连接轴9、两个髋关节2、两个大腿3、两个小腿4和两个足部件5；

每个大腿3包括髋关节液压驱动部件和膝关节液压驱动部件；

髋关节液压驱动部件包括髋关节输出连接杆22、髋关节液压缸连接关节23、髋关节液压活塞杆24、髋关节液压缸支撑罩25、髋关节液压缸体26和髋关节拉压力传感器33，髋关节液压活塞杆24的下端设置在髋关节液压缸体26中，髋关节液压活塞杆24的上端与髋关节拉压力传感器33连接，髋关节拉压力传感器33的上端与髋关节液压缸连接关节23的下端连接，髋关节液压缸连接关节23的上端与髋关节输出连接杆22的下端通过轴承实现铰链连接，髋关节输出连接杆22的上端与第三内外旋关节杆13通过轴承实现铰链连接，髋关节液压缸支撑罩25罩在髋关节液压活塞杆24上，且髋关节液压缸支撑罩25的下端与髋关节液压缸体26通过连接元件连接，当髋关节液压活塞杆24与髋关节液压缸体26伸缩的时候髋关节驱动液压缸支撑罩25为髋关节液压活塞杆24起到滑轨的作用，分担了髋关节液压活塞杆24的径向力；

膝关节液压驱动部件包括膝关节输出连接杆32、膝关节液压缸连接关节31、膝关节液压活塞杆29、膝关节液压缸支撑罩28、膝关节液压缸体27和髋关节拉压力传感器30， 膝关节液压活塞杆29的上端设置在膝关节液压缸体27中，膝关节液压活塞杆29的下端与髋关节拉压力传感器30连接，髋关节拉压力传感器30的下端与膝关节液压缸连接关节31的上端连接，膝关节液压缸连接关节31的下端与膝关节输出连接杆32的上端通过轴承实现铰链连接，膝关节输出连接杆32的下端与小腿4通过轴承实现铰链连接，膝关节液压缸支撑罩28罩在膝关节液压活塞杆29上，且膝关节液压缸支撑罩28的上端与膝关节液压缸体27通过连接元件连接，当膝关节液压活塞杆29与膝关节液压缸体27伸缩的时候膝关节液压缸支撑罩28为膝关节液压活塞杆29起到滑轨的作用，分担了膝关节液压活塞杆29的径向力；

两个髋关节2对称设置在后背板1的两侧，且两个髋关节2上的外展内收关节杆10通过连接轴9与腰部捆绑板8铰接，两个髋关节2、两个大腿3、两个小腿4和两个足部件5由上至下一一对应，髋关节2上的屈伸关节17与髋关节液压缸支撑罩25通过连接元件连接，髋关节液压缸体26的下端与小腿4固接，膝关节液压缸体27的上端与髋关节2上的第三内外旋关节杆13固接，膝关节液压缸支撑罩28与小腿4上的膝关节转动连接件38通过连接元件连接，小腿4上的膝关节外壳39与足部件5连接。

具体实施方式二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的后背板1包括肩部捆绑板6、调节板7和腰部捆绑板8，调节板7的上端通过连接元件与肩部捆绑板6连接，调节板7的下端通过连接元件与腰部捆绑板8连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的调节板7上沿竖向设有多个连接孔7-1。通过调节板7上不同位置的连接孔7-1与腰部捆绑板8实现腰部高度的调整。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的每个髋关节2包括外展内收关节杆10、第一内外旋关节杆11、第二内外旋关节杆12、第三内外旋关节杆13、第一髋关节轴14，第二髋关节轴15和第三髋关节轴16，外展内收关节杆10、第一内外旋关节杆11、第二内外旋关节杆12、第三内外旋关节杆13依次布置，外展内收关节杆10与第一内外旋关节杆11通过第一髋关节轴14铰接，第一内外旋关节杆11与第二内外旋关节杆12通过第二髋关节轴15铰接，第二内外旋关节杆12与第三内外旋关节杆13通过第三髋关节轴16铰接。各关节杆之间实现铰链连接，不仅可以使髋关节2实现外展内收和内外旋的自由度，还可以实现自由适应不同腰围人群的功能。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式的第三内外旋关节杆13包括内外旋关节杆外壳41、屈伸关节17、第四髋关节轴18、髋关节编码器19、髋关节编码器小齿轮20和髋关节编码器大齿轮21，右屈伸关节17套装在第四髋关节轴18上，第四髋关节轴18与内外旋关节杆外壳41铰接，且屈伸关节17的下端与髋关节液压缸支撑罩25螺纹固定，这样可以实现大腿在髋关节2上的伸展和弯曲自由度，髋关节编码器大齿轮21套装在屈伸关节17上，髋关节编码器小齿轮20与髋关节编码器大齿轮21啮合，髋关节编码器小齿轮20的尾端与髋关节编码器19连接，通过髋关节编码器小齿轮20和髋关节编码器大齿轮21将运动传递到髋关节编码器19上，这样设置一方面回避了髋关节编码器19设置在关节上的问题，增加了结构的紧凑性，另一方面，通过齿轮的方式增加了传动比，提升了编码器的精度。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式的每个小腿4包括膝关节外壳39、膝关节转动连接件38、膝关节轴34、膝关节编码器大齿轮35、膝关节编码器小齿轮36、膝关节编码器37，膝关节转动连接件38套装在膝关节轴34上，膝关节轴34与膝关节外壳39铰接，且膝关节转动连接件38的上端与膝关节液压缸支撑罩28通过连接元件连接，这样可以实现小腿4在膝关节液压驱动部件上的伸展和弯曲自由度，膝关节编码器大齿轮35套装在膝关节转动连接件38上，膝关节编码器小齿轮36与膝关节编码器大齿轮35啮合，膝关节编码器小齿轮36的尾端与膝关节编码器37连接，通过膝关节编码器小齿轮36和膝关节编码器大齿轮35将运动传递到膝关节编码器37上，这样设置一方面回避了膝关节编码器37设置在关节上的问题，增加了结构的紧凑性，另一方面，通过齿轮的方式增加了传动比，提升了编码器的精度。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图8说明本实施方式，本实施方式的每个足部件5包括踝关节转动连接件42、脚连接件43、轴承座44和脚45，踝关节转动连接件42的上端设有两个竖向滑槽42-1，膝关节外壳39的下端设有两个滑杆39-1，两个滑杆39-1与两个竖向滑槽42-1一一正对，膝关节外壳39的下端与踝关节转动连接件42滑动链接，并可以通过螺钉固定，这样设计可以对小腿4长度进行调整；踝关节转动连接件42与脚连接件43铰链连接，可以实现屈伸的转动，脚连接件43的下端设有两个关节轴承43-1，两个关节轴承43-1均与轴承座44铰接，轴承座44与脚45的一侧固定连接，这样可以实现外展内收的自由度。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。