[發(fā)明專利]一種帶有自適應(yīng)綁縛的外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110442718.6
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113183177B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳新宇;劉靜帥;何勇;李金科;馬躍;李鋒;孫健銓;曹武警;王大帥;董遙
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02;B25J9/00;B25J9/08;B25J19/00;A61H3/00;A61H1/02
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務(wù)所 11430
• 代理人: 朱偉軍;耿慧敏

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有自適應(yīng)綁縛的外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)，包括膝關(guān)節(jié)驅(qū)動和傳動組件、大腿桿自適應(yīng)腿部綁縛組件和小腿桿自適應(yīng)腿部綁縛組件；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動和傳動組件包括大腿桿、小腿桿、屈伸傳動桿、膝關(guān)節(jié)固定座，大腿桿、小腿桿之間通過大小腿固定鉸鏈連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動單元設(shè)置在大腿桿上靠近髖關(guān)節(jié)位置，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的動力輸出端為屈伸運(yùn)動輸出端蓋，屈伸運(yùn)動輸出端蓋的輸出端與屈伸傳動桿的一端鉸接，屈伸傳動桿的另一端與膝關(guān)節(jié)固定座的一端鉸接，膝關(guān)節(jié)固定座的另一端固定在小腿桿上。本發(fā)明具有較大的力傳遞能力和較小的腿部慣量，提高外骨骼與穿戴者的運(yùn)動相容性及其穿戴舒適性、便捷性和安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有自適應(yīng)綁縛的外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)

下肢外骨骼是一種與人體下肢結(jié)構(gòu)相似的可穿戴仿生機(jī)器人，能夠輔助穿戴者實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)、助力行走以及增強(qiáng)負(fù)重等功能，在康復(fù)、民用和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理研究，膝關(guān)節(jié)是由股骨內(nèi)外側(cè)的髁關(guān)節(jié)面、髕面、脛骨內(nèi)外側(cè)的髁關(guān)節(jié)面和髕骨的后面構(gòu)成，能夠圍繞額狀軸作屈/伸運(yùn)動，并且在屈/伸過程中能夠繞垂直軸作微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動時(shí)，關(guān)節(jié)接觸表面既有滾動又有滑動，但在外骨骼設(shè)計(jì)中，一般將其簡化為單軸鉸鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)，通過綁縛裝置與人體腿部固定。這就導(dǎo)致外骨骼膝關(guān)節(jié)軸線難以與人體膝關(guān)節(jié)軸線對齊，出現(xiàn)不期望的負(fù)載力和運(yùn)動約束，使綁帶與人腿之間產(chǎn)生相對滑移，進(jìn)而影響人體關(guān)節(jié)和軟組織內(nèi)力，穿戴者在長時(shí)間使用后輕則皮膚擦傷、重則肌肉損傷。

對現(xiàn)有下肢外骨骼進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，部分采用了欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，不具備主動運(yùn)動輔助能力；部分采用了驅(qū)動與膝關(guān)節(jié)直接連接的方式，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但會導(dǎo)致腿部重心位置較低，腿部慣量較大，難以采用輸出力矩較大的關(guān)節(jié)驅(qū)動；部分外骨骼將膝關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝于大腿桿上，通過齒輪或絲杠等進(jìn)行傳動，提高了腿部重心，但存在效率和潤滑等問題。在腿部綁縛裝置設(shè)計(jì)中，腿部支撐板與外骨骼之間通常采用剛性固定方式，或者僅有少量旋轉(zhuǎn)自由度，不能適應(yīng)不同穿戴者腿部生理參數(shù)，也無法補(bǔ)償穿戴運(yùn)動過程中產(chǎn)生的人機(jī)軸線偏差，導(dǎo)致穿戴舒適性較差。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種帶有自適應(yīng)綁縛的外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)，采用可減小腿部慣量的遠(yuǎn)程驅(qū)動式外骨骼膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，具有較大的力傳遞能力；可補(bǔ)償膝關(guān)節(jié)軸線運(yùn)動偏差的自適應(yīng)腿部綁縛裝置設(shè)計(jì)，提高外骨骼與穿戴者的運(yùn)動相容性及其穿戴舒適性、便捷性和安全性。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種帶有自適應(yīng)綁縛的外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)，其特殊之處在于，

包括膝關(guān)節(jié)驅(qū)動和傳動組件、大腿桿自適應(yīng)腿部綁縛組件和小腿桿自適應(yīng)腿部綁縛組件；

所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動和傳動組件包括大腿桿、小腿桿、屈伸傳動桿、膝關(guān)節(jié)固定座，

大腿桿、小腿桿之間通過大小腿固定鉸鏈連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動單元設(shè)置在大腿桿上靠近髖關(guān)節(jié)位置，

膝關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的動力輸出端為屈伸運(yùn)動輸出端蓋，屈伸運(yùn)動輸出端蓋的輸出端與屈伸傳動桿的一端鉸接，屈伸傳動桿的另一端與膝關(guān)節(jié)固定座的一端鉸接，膝關(guān)節(jié)固定座的另一端固定在小腿桿上。

由于膝關(guān)節(jié)驅(qū)動安裝在外骨骼大腿桿上，提高了重心位置，通過屈伸傳動桿傳遞膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動，因此可選用較大的驅(qū)動輸出力矩而不會大幅增加腿部慣量。

進(jìn)一步地，上述屈伸運(yùn)動輸出端蓋的輸出端通過主動端鉸鏈與屈伸傳動桿的一端鉸接。

進(jìn)一步地，上述屈伸傳動桿的另一端通過從動端鉸鏈與膝關(guān)節(jié)固定座的一端鉸接。

進(jìn)一步地，上述大腿桿自適應(yīng)腿部綁縛組件包括上下移動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、前后移動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、左右移動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)動補(bǔ)償功能機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)動補(bǔ)償功能機(jī)構(gòu)包括大腿支撐板，