[發明專利]一種無源外骨骼下肢可調節助力大小的關節結構及機器人

在審

• 申請號: 202110695313.3
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113276159A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 梁林超;楊鵬;張晗彬;趙忠乾;謝孫耘翰
• 申請（專利權）人: 杭州太希智能科技有限公司
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02;B25J9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種無源外骨骼下肢可調節助力大小的關節結構,其包括關節基座、關節轉臂、卷簧部、棘輪部和棘爪鎖定部，關節基座和關節轉臂之間具有一個自由度，該自由度所在的軸線與人體關節同軸，卷簧部設置于關節基座和所述關節轉臂之間，卷簧部至少部分嵌設于關節基座內與之轉動連接；棘輪部設置于關節基座的外部，并且與卷簧部位于關節基座內部的側面固定連接；棘爪鎖定部設置于關節基座的上方，用于將卷簧部具有扭矩力傳遞至關節基座，本關節結構可以在符合人體外骨骼運動學的正常行走下，對關節結構的輔助力可調節，從而可以適應不同的應用場景和不同的使用者，另外，在一定程度上可緩解使用者的做往復蹲起負重工作的關節損傷。

技術領域

本發明涉及人體穿戴的無源外骨骼機器人技術領域，具體涉及一種無源外骨骼下肢可調節助力大小的關節結構及機器人，該設備通過在下肢膝關節和腰關節處提供可以適配調節的輔助轉矩以增強穿戴者下肢力量和耐性，緩解穿戴者長時間工作造成重復性勞損，對于執行工作面在底面上的重復任務非常有效，可應用于軍事、工業、救援、醫療、商業等領域。

背景技術

隨著社會發展，全球老齡化、醫療康復以及搶險救災等問題愈發突出，外骨骼機器人作為一種能夠輔助并增強人體機能的穿戴式機器人，其可以將人體的智力與機器人的體力進行完美結合，實現單純機器人完成不了的復雜運動，具有非常廣泛的應用前景。

面向蹲起負重的下肢膝關節和腰關節外骨骼是外骨骼機器人研究的重要分支，主要用于輔助人體負重起立、搬運物資起立等方面。目前外骨骼按其能量來源可分為：電機驅動、氣動驅動、液壓驅動以及被動儲能。

上述驅動源主要利用傳感器感知人體運動意圖，并通過控制程序驅動執行機構將力施加于穿戴者，均屬于主動有源外骨骼。現階段由于意圖感知、柔順控制等的技術瓶頸，經常會引起穿戴者的不適，同時由于其系統復雜，存在可靠性低、成本高、續航短、穿戴體驗差的缺點。為解決上述問題，被動無源的外骨骼慢慢成為主流方案之一。

現有下肢腰關節和膝關節助力無源外骨骼主要通過機械裝置在下肢蹲起運動過程為其提供固定大小輔助力，但由于尺寸、重量的限制，其輸出轉矩都固定值，僅能針對已知輕小負載，提供一定比例的助力，無法滿足不同工作場景的轉矩助力的需求，需要為特別人群和特別應用場景預定生產，這會導致產量降低，無法普及，實用性交底，另外，由于特別預定，還會增加成本。根據需求分析，下肢膝關節和腰關節助力外骨骼需要根據不同的穿戴者和不同的搬運起立場景的不同驅動力來保證驅動關節合理輸出符合人體承受極限的轉矩力，需要較小的質量和體積功率比來實現外骨骼在室外等復雜環境中獨立工作的能力。如在醫療康復領域應用于患者穿戴時，患者做蹲起訓練時或者輔助老年人起立時，由于膝關節和腰關節的轉矩力無法調整，較小時，無法具有輔助力量受限的患者或老年人起立，較大時，蹲起訓練效果無法達到，并且蹲下的時候由于關節的反作用力較大，會對穿戴者腿部及關節造成損傷；在運輸工業中應用于操作工人穿戴時，由于膝關節和腰關節的轉矩力無法調整，對于需要做往復蹲起工作的工人來說，小轉矩的輔助力無法滿足需求，導致操作工人十分疲累。因此，對尺寸、重量、輸出轉矩、穿戴舒適性有嚴格要求的下肢膝關節和腰關節助力外骨骼來說，可調節的轉矩助力問題亟待解決。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種無源外骨骼的下肢可按需調配助力大小的關節結構，為適配增強不同穿戴者在不同應用場景、不同腿部力量和耐性需求提供結構簡單、運動靈活的解決方案，能夠實現對穿戴者較為舒適助力的重量負載的蹲起起立。

一方面，本發明提供一種無源外骨骼下肢可調節助力大小的關節結構，其包括關節基座、關節轉臂、卷簧部、棘輪部和棘爪鎖定部；

所述關節基座和所述關節轉臂之間具有一個自由度，該自由度所在的軸線與人體關節同軸，使得關節基座和關節轉臂所連接的外骨骼下肢的大小腿之間的符合人體運動學的反關節轉動；

所述卷簧部設置于所述關節基座和所述關節轉臂之間，用于在所述自由度的軸線方向上固定所述關節基座和所述關節轉臂；優選的，所述卷簧部至少部分嵌設于所述關節基座內與之轉動連接；