一种绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人的制作方法

1.本实用新型属于医疗机械领域，具体涉及一种新型驱动的绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人。


背景技术：

2.世界老年人群、残疾人群以及慢性病患者数量逐年增多，据2019年世界人口预测报告，我国60岁以上老人约有2亿多，占比17.3％；预计到2035年比例将提升至28.4％。第二次全国残疾人抽样调查表明，2006年国内残疾人数已达8296万，肢体残疾占比29.07％。大量的脑卒中患者普遍残留运动功能障碍问题，如非对称步态、髋关节运动障碍、膝关节支撑稳定性降低。下肢外骨骼机器人作为康复机器人的一种，能够协助患者进行康复训练，防止肌肉萎缩，锻炼关节的活动性，促进患者恢复正常人的运动机能，从而降低社会负担，提升社会发展力，对于外骨骼机器人的研究具有非常重要的实际意义。
3.相对于刚性下肢外骨骼机器人刚性结构多、体积大、重量大、舒适性差、不易便携、成本高等缺点，柔性下肢外骨骼机器人采用柔性材料，能更贴合人体腿部部位，更有效模仿肌肉群的运作，使穿戴者的体感舒适性更佳，且体积小能有效减轻穿戴者的心理负担；但现有柔性下肢外骨骼机器人普遍存在驱动精度不足，主动助力性差的缺点，研究一种新型驱动柔性下肢外骨骼机器人十分必要。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有柔性下肢外骨骼机器人驱动精度不足，主动助力性差的缺点，根据人体肌肉关节运动特性，提供一种新型驱动的绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人，采用舵机连杆与线盘的组合为核心驱动元件，能够实现精准控制机器人助力，降低机器人运动滞后性，且具有较小的体积与重量，有效降低穿戴者的负重并提高舒适性，有效提升人体运动与下肢外骨骼机器人的动作一体化程度。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.本实用新型包括腰部穿戴绑缚件、腰部控制箱、右侧大腿部倾角传感器、左侧大腿部倾角传感器、右侧小腿部倾角传感器、左侧小腿部倾角传感器、左侧髋关节驱动装置、右侧髋关节驱动装置、左侧髋关节助力钢绳、右侧髋关节助力钢绳、左侧大腿部位穿戴绑缚件、右侧大腿部位穿戴绑缚件、右侧小腿部位穿戴绑缚件、左侧小腿部位穿戴绑缚件、右侧膝关节驱动装置、左侧膝关节驱动装置、右侧膝关节助力钢绳和左侧膝关节助力钢绳。所述腰部穿戴绑缚件的前部固定有左侧髋关节驱动装置和右侧髋关节驱动装置，后部固定有腰部控制箱；左侧髋关节驱动装置驱动左侧髋关节助力钢绳，右侧髋关节驱动装置驱动右侧髋关节助力钢绳；左侧髋关节助力钢绳与左侧大腿部位穿戴绑缚件固定，右侧髋关节助力钢绳与右侧大腿部位穿戴绑缚件固定；左侧大腿部位穿戴绑缚件后部固定有左侧膝关节驱动装置，右侧大腿部位穿戴绑缚件后部固定有右侧膝关节驱动装置；左侧膝关节驱动装置驱动左侧膝关节助力钢绳，右侧膝关节驱动装置驱动右侧膝关节助力钢绳；左侧膝关节助
力钢绳与左侧小腿部位穿戴绑缚件固定，右侧膝关节助力钢绳与右侧小腿部位穿戴绑缚件固定；所述的左侧髋关节驱动装置、右侧髋关节驱动装置、左侧膝关节驱动装置和右侧膝关节驱动装置均与腰部控制箱内的控制器连接，控制器由外部电源供电，左侧髋关节驱动装置、右侧髋关节驱动装置、左侧膝关节驱动装置和右侧膝关节驱动装置均由控制器供电，或均由外部电源供电；左侧大腿部位穿戴绑缚件固定有左侧大腿部倾角传感器，右侧大腿部位穿戴绑缚件上固定有右侧大腿部倾角传感器，左侧小腿部位穿戴绑缚件上固定有左侧小腿部倾角传感器，右侧小腿部位穿戴绑缚件上固定有右侧小腿部倾角传感器；左侧大腿部倾角传感器、左侧小腿部倾角传感器、右侧大腿部倾角传感器和右侧小腿部倾角传感器均通过无线通讯将信号传给腰部控制箱内的控制器。
7.优选地，所述腰部穿戴绑缚件的两端使用魔术贴连接，左侧大腿部位穿戴绑缚件和右侧大腿部位穿戴绑缚件的两端均使用魔术贴连接，左侧小腿部位穿戴绑缚件和右侧小腿部位穿戴绑缚件的两端均使用魔术贴连接。
8.优选地，所述的左侧髋关节助力钢绳与左侧大腿部位穿戴绑缚件通过一个钢绳连接件一固定，右侧髋关节助力钢绳与右侧大腿部位穿戴绑缚件通过另一个钢绳连接件一固定；所述的左侧膝关节助力钢绳与左侧小腿部位穿戴绑缚件通过一个钢绳连接件二固定，右侧膝关节助力钢绳与右侧小腿部位穿戴绑缚件通过另一个钢绳连接件二固定。
9.优选地，所述的左侧大腿部倾角传感器、左侧小腿部倾角传感器、右侧大腿部倾角传感器和右侧小腿部倾角传感器均经信号调理器与数模转换器连接，数模转换器与置于腰部控制箱内的控制器无线通讯。
10.优选地，所述的左侧髋关节驱动装置、右侧髋关节驱动装置、右侧膝关节驱动装置和左侧膝关节驱动装置均包括外壳、舵机、拉杆、线盘和轴承；所述的舵机与控制器连接；舵机的底座固定在外壳上；舵机的输出轴与摆杆的一端固定，摆杆的另一端与拉杆的一端铰接，拉杆的另一端铰接在线盘的偏心位置处；线盘的中心孔通过轴承支承在外壳上；左侧髋关节驱动装置和右侧髋关节驱动装置的外壳均固定在腰部穿戴绑缚件上，右侧膝关节驱动装置的外壳固定在右侧大腿部位穿戴绑缚件上，左侧膝关节驱动装置的外壳固定在左侧大腿部位穿戴绑缚件上；左侧髋关节助力钢绳缠绕在左侧髋关节驱动装置的线盘上，且一端与左侧髋关节驱动装置的线盘固定；右侧髋关节助力钢绳缠绕在右侧髋关节驱动装置的线盘上，且一端与右侧髋关节驱动装置的线盘固定；左侧膝关节助力钢绳缠绕在左侧膝关节驱动装置的线盘上，且一端与左侧膝关节驱动装置的线盘固定；右侧膝关节助力钢绳缠绕在右侧膝关节驱动装置的线盘上，且一端与右侧膝关节驱动装置的线盘固定；右侧膝关节驱动装置和左侧膝关节驱动装置的舵机输出轴中心轴线均与钢绳连接件一等高设置。
11.优选地，所述的左侧髋关节驱动装置、右侧髋关节驱动装置、右侧膝关节驱动装置和左侧膝关节驱动装置还均包括钢绳引导件；钢绳引导件固定在外壳上；钢绳引导件开设有钢绳导向孔；左侧髋关节助力钢绳穿过左侧髋关节驱动装置中钢绳引导件的钢绳导向孔，右侧髋关节助力钢绳穿过右侧髋关节驱动装置中钢绳引导件的钢绳导向孔，左侧膝关节助力钢绳穿过左侧膝关节驱动装置中钢绳引导件的钢绳导向孔，右侧膝关节助力钢绳穿过右侧膝关节驱动装置中钢绳引导件的钢绳导向孔。
12.优选地，所述的左侧髋关节助力钢绳包括左主钢绳、左压紧件和左分支钢绳；左主钢绳的一端由左侧髋关节驱动装置驱动，另一端与两根左分支钢绳的一端均通过左压紧件
固定，两根左分支钢绳的另一端与两个钢绳连接件一上的滚子分别固定，滚子与钢绳连接件一构成转动副；所述的右侧髋关节助力钢绳包括右主钢绳、右压紧件和右分支钢绳；右主钢绳的一端由右侧髋关节驱动装置驱动，另一端与两根右分支钢绳的一端均通过右压紧件固定，两根右分支钢绳的另一端与两个钢绳连接件一上的滚子分别固定；与左分支钢绳连接的钢绳连接件一固定在左侧大腿部位穿戴绑缚件上，与右分支钢绳连接的钢绳连接件一固定在右侧大腿部位穿戴绑缚件上。
13.优选地，所述的左侧髋关节助力钢绳、右侧髋关节助力钢绳、左侧膝关节助力钢绳和右侧膝关节助力钢绳外均包裹有橡胶套。
14.与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果如下：
15.1.在穿戴者行走时，本实用新型通过倾角传感器反馈腿部的运动状态，从而确定人体运动状态，且左右腿分别通过倾角传感器接收穿戴者刚开始的抬腿趋势信号给控制器，控制器对左右两侧髋关节驱动装置与左右两侧膝关节驱动装置给出运动信号。因此，本实用新型能精准判别穿戴者的抬腿意愿并辅助抬腿，能在较短时间内完成一个反馈
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命令周期循环，降低机器人的反应时间，降低机器人运动滞后性，且左右腿分别单独控制，互不影响，穿戴者想抬那条腿就能自动辅助抬升哪条腿，给穿戴者带来了更好的人机结合效果以及更舒适的体验。
16.2.本实用新型绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人，与刚性外骨骼机器人相比具有体积小、重量轻、结构可靠、易于穿戴、成本较低的特点，有效减轻穿戴者的身体负担，绳拉式更符合人体生物力学，且具有较高的灵活性与舒适性。
17.3.相比于其他的欠驱动柔性下肢外骨骼机器人或无动力柔性下肢外骨骼机器人，本实用新型绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人采用舵机结合线盘拉杆形成四边形机构，可精准控制钢绳拉伸的长度与力，提高助力动作的精确性，可准确控制舵机的运动时间与转角，更适配人体在真实行走过程中腿部运动参数变化。
附图说明
18.图1为本实用新型的整体结构示意图；
19.图2为本实用新型中左侧大腿部位穿戴绑缚件与左侧髋关节助力钢绳以及右侧大腿部位穿戴绑缚件与右侧髋关节助力钢绳的装配示意图；
20.图3为本实用新型中左侧大腿部位穿戴绑缚件与左侧小腿部位穿戴绑缚件以及右侧大腿部位穿戴绑缚件与右侧小腿部位穿戴绑缚件的装配示意图；
21.图4为本实用新型中任一驱动装置的结构示意图；
22.图5为本实用新型中任一驱动装置的爆炸图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
24.如图1、2和3所示，一种绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人，包括腰部穿戴绑缚件2、腰部控制箱1、右侧大腿部倾角传感器10、左侧大腿部倾角传感器29、右侧小腿部倾角传感器16、左侧小腿部倾角传感器30、左侧髋关节驱动装置4、右侧髋关节驱动装置5、左侧髋关节助力钢绳6、右侧髋关节助力钢绳7、左侧大腿部位穿戴绑缚件8、右侧大腿部位穿戴绑
缚件9、右侧小腿部位穿戴绑缚件14、左侧小腿部位穿戴绑缚件15、右侧膝关节驱动装置11、左侧膝关节驱动装置21、右侧膝关节助力钢绳12和左侧膝关节助力钢绳13。腰部穿戴绑缚件的前部固定有左侧髋关节驱动装置4和右侧髋关节驱动装置5，后部固定有腰部控制箱1；左侧髋关节驱动装置4驱动左侧髋关节助力钢绳6，右侧髋关节驱动装置5驱动右侧髋关节助力钢绳7；左侧髋关节助力钢绳6与左侧大腿部位穿戴绑缚件8固定，右侧髋关节助力钢绳7与右侧大腿部位穿戴绑缚件9固定；左侧大腿部位穿戴绑缚件8后部固定有左侧膝关节驱动装置21，右侧大腿部位穿戴绑缚件9后部固定有右侧膝关节驱动装置11；左侧膝关节驱动装置21驱动左侧膝关节助力钢绳13，右侧膝关节驱动装置11驱动右侧膝关节助力钢绳12；左侧膝关节助力钢绳13与左侧小腿部位穿戴绑缚件15固定，右侧膝关节助力钢绳12与右侧小腿部位穿戴绑缚件14固定；左侧髋关节驱动装置4、右侧髋关节驱动装置5、左侧膝关节驱动装置21和右侧膝关节驱动装置11均与腰部控制箱1内的控制器通过数据线3连接(即形成电连接)，控制器由外部电源供电，左侧髋关节驱动装置4、右侧髋关节驱动装置5、左侧膝关节驱动装置21和右侧膝关节驱动装置11均由控制器供电，或均由外部电源供电；左侧大腿部位穿戴绑缚件8固定有左侧大腿部倾角传感器29，右侧大腿部位穿戴绑缚件9上固定有右侧大腿部倾角传感器10，左侧小腿部位穿戴绑缚件15上固定有左侧小腿部倾角传感器30，右侧小腿部位穿戴绑缚件14上固定有右侧小腿部倾角传感器16；左侧大腿部倾角传感器29、左侧小腿部倾角传感器30、右侧大腿部倾角传感器10和右侧小腿部倾角传感器16均通过无线通讯将信号传给腰部控制箱内的控制器。
25.作为一个优选实施例，腰部穿戴绑缚件2的两端使用魔术贴连接，用于穿戴绑缚在穿戴者腰部；左侧大腿部位穿戴绑缚件8和右侧大腿部位穿戴绑缚件9的两端均使用魔术贴连接；左侧小腿部位穿戴绑缚件15和右侧小腿部位穿戴绑缚件14的两端均使用魔术贴连接。
26.作为一个优选实施例，左侧髋关节助力钢绳6与左侧大腿部位穿戴绑缚件8通过一个钢绳连接件一19固定，右侧髋关节助力钢绳7与右侧大腿部位穿戴绑缚件9通过另一个钢绳连接件一19固定；左侧膝关节助力钢绳13与左侧小腿部位穿戴绑缚件15通过一个钢绳连接件二22固定，右侧膝关节助力钢绳12与右侧小腿部位穿戴绑缚件14通过另一个钢绳连接件二22固定。
27.作为一个优选实施例，左侧大腿部倾角传感器29、左侧小腿部倾角传感器30、右侧大腿部倾角传感器10和右侧小腿部倾角传感器16均经信号调理器与数模转换器连接，数模转换器与置于腰部控制箱内的控制器无线通讯。
28.作为一个优选实施例，如图4和5所示，左侧髋关节驱动装置4、右侧髋关节驱动装置5、右侧膝关节驱动装置11和左侧膝关节驱动装置21均包括外壳24、舵机23、拉杆25、线盘26和轴承31；舵机23与控制器通过数据线3连接；舵机23的底座通过螺栓28固定在外壳24上；舵机23的输出轴与摆杆的一端固定，摆杆的另一端与拉杆25的一端铰接，拉杆25的另一端(通过铰接轴27)铰接在线盘26的偏心位置处；线盘26的中心孔通过轴承31支承在外壳24上。左侧髋关节驱动装置4和右侧髋关节驱动装置5的外壳24均固定在腰部穿戴绑缚件2上，右侧膝关节驱动装置11的外壳24固定在右侧大腿部位穿戴绑缚件9上，左侧膝关节驱动装置21的外壳24固定在左侧大腿部位穿戴绑缚件8上；左侧髋关节助力钢绳6缠绕在左侧髋关节驱动装置4的线盘26上，且一端与左侧髋关节驱动装置4的线盘26固定；右侧髋关节助力
钢绳7缠绕在右侧髋关节驱动装置5的线盘26上，且一端与右侧髋关节驱动装置5的线盘26固定；左侧膝关节助力钢绳13缠绕在左侧膝关节驱动装置21的线盘26上，且一端与左侧膝关节驱动装置21的线盘26固定；右侧膝关节助力钢绳12缠绕在右侧膝关节驱动装置11的线盘26上，且一端与右侧膝关节驱动装置11的线盘26固定；右侧膝关节驱动装置11和左侧膝关节驱动装置21的舵机23输出轴中心轴线均与钢绳连接件一19等高设置。
29.作为更优选实施例，左侧髋关节驱动装置4、右侧髋关节驱动装置5、右侧膝关节驱动装置11和左侧膝关节驱动装置21还均包括钢绳引导件32；钢绳引导件32固定在外壳24上；钢绳引导件32开设有钢绳导向孔；左侧髋关节助力钢绳6穿过左侧髋关节驱动装置4中钢绳引导件32的钢绳导向孔，右侧髋关节助力钢绳7穿过右侧髋关节驱动装置5中钢绳引导件32的钢绳导向孔，左侧膝关节助力钢绳13穿过左侧膝关节驱动装置21中钢绳引导件32的钢绳导向孔，右侧膝关节助力钢绳12穿过右侧膝关节驱动装置11中钢绳引导件32的钢绳导向孔。
30.作为一个优选实施例，如图2所示，左侧髋关节助力钢绳6包括左主钢绳、左压紧件20和左分支钢绳；左主钢绳的一端由左侧髋关节驱动装置4驱动，另一端与两根左分支钢绳的一端均通过左压紧件20固定，两根左分支钢绳的另一端与两个钢绳连接件一19上的滚子18分别固定，滚子与钢绳连接件一19构成转动副；右侧髋关节助力钢绳7包括右主钢绳、右压紧件17和右分支钢绳；右主钢绳的一端由右侧髋关节驱动装置5驱动，另一端与两根右分支钢绳的一端均通过右压紧件17固定，两根右分支钢绳的另一端与两个钢绳连接件一19上的滚子18分别固定；与左分支钢绳连接的钢绳连接件一19固定在左侧大腿部位穿戴绑缚件8上，与右分支钢绳连接的钢绳连接件一19固定在右侧大腿部位穿戴绑缚件9上。
31.作为一个优选实施例，腰部穿戴绑缚件2采用柔性材料，可根据穿戴者的腰围与体型调节腰部穿戴绑缚件的松紧；左侧大腿部位穿戴绑缚件8和右侧大腿部位穿戴绑缚件9均采用柔性材料，可根据穿戴者的大腿粗细调节左侧大腿部位穿戴绑缚件8和右侧大腿部位穿戴绑缚件9的松紧；左侧小腿部位穿戴绑缚件15和右侧小腿部位穿戴绑缚件14均采用柔性材料，可根据穿戴者的小腿粗细调节左侧小腿部位穿戴绑缚件15和右侧小腿部位穿戴绑缚件14的松紧。
32.作为一个优选实施例，左侧髋关节助力钢绳6、右侧髋关节助力钢绳7、左侧膝关节助力钢绳13和右侧膝关节助力钢绳12外均包裹有橡胶套。
33.该绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人，工作原理如下：
34.左侧大腿部位穿戴绑缚件8上的左侧大腿部倾角传感器29采集左侧大腿部位穿戴绑缚件8的倾角变化信号，右侧大腿部位穿戴绑缚件9上的右侧大腿部倾角传感器10采集右侧大腿部位穿戴绑缚件9的倾角变化信号，左侧小腿部位穿戴绑缚件15上的左侧小腿部倾角传感器30采集左侧小腿部位穿戴绑缚件15的倾角变化信号，右侧小腿部位穿戴绑缚件14上的右侧小腿部倾角传感器16采集右侧小腿部位穿戴绑缚件14的倾角变化信号，所有倾角变化信号经信号调理器调理以及数模转换器转换后，通过无线通讯传输至腰部控制箱内的控制器进行处理。
35.若控制器检测到左侧大腿部倾角传感器29输出的倾角变大(说明穿戴者的左侧大腿开始主动抬升，左侧大腿直立状态下左侧大腿部倾角传感器29输出的倾角置为0，左侧大腿后仰则左侧大腿部倾角传感器29输出的倾角为负值)，则控制腰部穿戴绑缚件2上的左侧
髋关节驱动装置4拉动左侧髋关节助力钢绳6，从而带动左侧大腿部位穿戴绑缚件8向上抬起，并控制左侧大腿部位穿戴绑缚件8上的左侧膝关节驱动装置21拉动左侧膝关节助力钢绳13，从而带动左侧小腿部位穿戴绑缚件15抬起。当控制器检测到左侧大腿部倾角传感器29输出的倾角达到预设的最大值(左侧大腿部位穿戴绑缚件8抬起到达极限位置)时，控制左侧髋关节驱动装置4和左侧膝关节驱动装置21停止提供驱动力，左侧大腿部位穿戴绑缚件8和左侧小腿部位穿戴绑缚件15在重力(穿戴者左侧大腿和左侧小腿的重力)作用下下降复位。若控制器检测到右侧大腿部倾角传感器10输出的倾角变大，则控制腰部穿戴绑缚件2上的右侧髋关节驱动装置5拉动右侧髋关节助力钢绳7，从而带动右侧大腿部位穿戴绑缚件9向上抬起，并控制右侧大腿部位穿戴绑缚件9上的右侧膝关节驱动装置11拉动右侧膝关节助力钢绳12，从而带动右侧小腿部位穿戴绑缚件14抬起。当控制器检测到右侧大腿部倾角传感器10输出的倾角达到预设的最大值(右侧大腿部位穿戴绑缚件9抬起到达极限位置)时，控制右侧髋关节驱动装置5和右侧膝关节驱动装置11停止提供驱动力，右侧大腿部位穿戴绑缚件9和右侧小腿部位穿戴绑缚件14在重力(穿戴者右侧大腿和右侧小腿的重力)作用下下降复位。