[發明專利]一種被動式柔性膝踝關節助力外骨骼機器人

有效

• 申請號: 202210094207.4
• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114347000B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 陳兵;史晨璞;談家梁;倪想;訾斌
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 陸娟

本發明涉及助力機器人的技術領域，具體為一種被動式柔性膝踝關節助力外骨骼機器人。包括外骨骼支架和一對能量回收釋放裝置；每個能量回收釋放裝置包括輸入離合機構、儲能機構和輸出機構；膝關節彎曲階段時，第一柔索或第二柔索牽引對應輸入傳動滑輪轉動，使得輸入傳動齒輪和傳動內齒圈嚙合傳動，實現儲能彈簧儲能；踝關節助力階段時，舵機齒輪和傳動齒條的齒輪嚙合傳動，使得離合齒輪與輸出傳動齒輪和輸出傳動滑輪同時嚙合，儲能彈簧釋放儲能，實現第三柔索受拉伸，向上牽引足部板運動；因此本發明通過輔助膝關節做負功的方式收集了膝關節在伸展時所作的部分負功，還吸收了膝關節在彎曲時的部分負功，使得本發明在進行負功收集時具有更高的效率。

技術領域

本發明涉及助力機器人的技術領域，涉及可以穿戴于人身體上的通過收集膝關節負功來助力踝關節運動的柔性機器人，具體為一種被動式柔性膝踝關節助力外骨骼機器人。

背景技術

隨著人類社會的日益進步，各種與社會活動相關的生活場景逐漸趨于多樣化與復雜化，這樣的社會生活變化有時對人類身體的執行能力提出了更高的要求。對于普通人來說，在生活或者工作中有時需要長時間搬運較重的物品或者進行長時間的徒步運動，這將對很多人的身體負擔能力產生一定的挑戰；對于部分中老年人或者喪失部分運動能力的病人來說，由于其身體運動能力退化或部分缺失，進行像正常人一樣的日常生活就已經很困難，而進行復雜的社會活動就更顯得更加捉襟見肘；對于特殊的工作人群或從事重勞力的工人來說，經常需要面對高負重的運動場景或長時間高強度徒步運動。

基于以上種種，研發設計通過增強人體機能或輔助人體關節來幫助人類完成預定任務的機器人是當今社會所需要的，而外骨骼，尤其是下肢外骨骼作為一種可以與人體產生交互的可穿戴式機器人，引起了眾多研究人員的注意。

下肢外骨骼主要分為主動式外骨骼和被動式外骨骼，其中被動式外骨骼是指不借助外部動力源來對人體運動進行輔助或矯正的外骨骼設備，由于其無需添加外部的動力元件和儲存電能的裝置，往往在質量上相對主動式外骨骼有很大的優勢，且不會對人體自然步態產生太大干擾。

目前，國內外設計的被動式助力外骨骼大多通過收集人體正常步態中產生的負功作為動力源來對關節做正功的過程進行運動輔助。

由于在下肢三個關節中，膝關節有平均67W左右的功率且在整個步態周期的90％左右都做負功，所以在設計上，多以收集膝關節負功來進行運作的類型為主。但縱觀多種被動式下肢外骨骼的設計方案，大多采用鉸鏈式的機械關節剛性連接在平行于人體關節的位置來作為采集負功能量的輸入端或助力的輸出端，這樣不但容易對人體正常的步態產生干擾，還容易使佩戴者感到不適；同時目前的諸多方案中，設計者大多將主要部件集成并安裝于人體下肢遠離腰部的關節上，這樣遠離人體重心的佩戴安裝方式，往往會帶來更多的額外新陳代謝，使人在運動中需要消耗更多的能量來抵消佩戴外骨骼所帶來的的質量影響。

所以，需要研究一種柔性的被動式下肢外骨骼，使用柔性的連接方式與人體產生交互，并盡量將整個機構的質量集中于人體腰部，減少因設計不合理而增加的人體代謝成本。

發明內容

為了幫助減少人體行走時產生的新陳代謝消耗并增強人體下肢運動的機能，本發明基于柔性化、輕量化和集成化的設計思路設計了一種被動式柔性膝踝關節助力外骨骼機器人。

具體技術方案如下：

一種被動式柔性膝踝關節助力外骨骼機器人，

包括外骨骼支架和一對能量回收釋放裝置1；

每個所述能量回收釋放裝置包括輸入離合機構11、儲能機構12、輸出機構13，和從下至上依次間隔且水平固定布置的第一機架板14、第二機架板15、第三機架板16和第四機架板17；