一种外骨骼机器人的制作方法

本发明涉及可穿戴设备技术领域，尤其涉及一种外骨骼机器人。

背景技术：

近年来，针对老年人和下肢有运动障碍的病人进行康复训练的外骨骼机器人得到了应用和推广，它突破传统康复训练方法，将机器人主动控制技术和假肢“助走”功能结合，佩戴于肢体残疾人身上进行步态康复训练。传统的外骨骼机器人通常用于对身体存在残疾或者骨折病人的康复训练，存在使用功能单一的缺陷。

公开号为CN102670377A的中国发明专利公开了“一种外骨骼可穿戴式下肢康复训练机器人装置”，其仅仅是一种人体腰部以下的部位进行康复训练的医疗康复装置，且脚踏板无法适应人体在行走过程中脚掌与脚跟会形成周期性的扭转的特性，从而导致患者使用非常不舒适且存在康复效果不佳的问题；同时也存在结构复杂笨重的缺陷。授权公告号为CN101810533B的中国发明专利公开了“助行外骨骼康复机器人”，其虽然能够实现辅助行走的功能，但是同样存在机构复杂，制造成本较高的缺陷。

上述现有技术为了保持人体平衡，通常在需要依靠支架或者体积较大的辅助装置来实现平衡。显然这种技术路线也无法适应室内室外的灵活使用。如果病人需要外出散步，则需要多人将穿着上述可穿戴设备的病人移动至室外，从而同样存在使用不方便的缺陷。

此外，现有技术中类似的外骨骼机器人通常为残疾人或者骨折病人设计，其应用场所与应用人群有很大的限制。现有技术中并为公开为健康人群所定制的具有外骨骼机器人。

最后，目前上文所述的可穿戴的外骨骼机器人在断电后会出现无法控制人体姿态的问题。穿戴者可能会出现倾倒的危险。

有鉴于此，有必要对现有技术中的外骨骼机器人予以改进，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于揭示一种外骨骼机器人，用以实现简化结构，降低制造成本，并实现断电后保持人体姿态，提高使用的安全性与可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种外骨骼机器人，包括：电源系统、控制系统、躯干束缚系统、髋部回转系统、下肢束缚系统、减震助力鞋及拐杖；

所述电源系统包括：主电源系统及备用电源系统；

所述髋部回转系统包括：腰部支撑板、腰部连接板、髋关节回转装置、相对于髋关节回转装置在水平方向中实现枢转运动的回转板，所述拐杖与回转板固定连接；

所述躯干束缚系统包括：背部支撑板、胸部束缚带、肩部束缚带及背部连接板；所述背部支撑板及背部连接板为一体式结构，并与背包连接；所述肩部束缚带的一端连接背部连接板，另一端连接胸部束缚带；所述背部支撑板与腰部支撑板连接，所述背包中内置电源系统；

所述下肢束缚系统包括：若干相互分离的支撑杆、活动连接在支撑杆关节部的自锁关节以及与支撑杆连接的若干腿部束缚带，所述减震助力鞋与支撑杆垂直固定连接；

所述减震助力鞋包括：护板、上鞋底板、下鞋底板、防滑层及助力机构；所述下鞋底板由可相对枢转的脚掌部与脚跟部铰接而成；所述助力机构包括对称布置的两个电机、输出齿轮及固定电机的盒体，所述盒体嵌入上鞋底板中，所述脚掌部设置第一合页部，所述脚跟部设置第二合页部，所述第一合页部与第二合页部开设同轴配置的孔部，所述第一合页部的孔部设有与输出齿轮啮合的内齿轮，所述电机内置角度传感器，所述控制系统接收角度传感器发送的检测信号，控制电机间歇性地输出扭力，以驱动脚跟部相对于脚掌部枢转。

作为本发明的进一步改进，所述控制系统包括计算机系统、单片机或者可编程逻辑控制器。

作为本发明的进一步改进，所述拐杖由活动伸缩的第一管段及第二管段套接而成，所述第一管段上开设有若干限位孔；所述胸部束缚带及腿部束缚带为弹性材质，并采用尼龙粘扣围合固定。

作为本发明的进一步改进，所述支撑杆包括相互收容的内支撑杆与外支撑杆以及锁止螺母；所述外支撑杆开设有纵长延伸并具有锁止孔的凹槽，所述锁止螺母垂直延伸入锁止孔中并与内支撑杆相抵，以限制内支撑杆与外支撑杆的对向移动。

作为本发明的进一步改进，所述自锁关节包括：呈圆柱状且内部中空的外壳，以及相对于外壳转动的枢转部；所述外壳的圆弧面上开设有弧形开口，在所述弧形开口的两侧分布对称设置且被外壳收容的固定块、驱动弹簧、滑块、止回弹块、止回基座、复位弹簧、磁性件及继电器；所述外壳的圆形端部的内部开设有用于夹持滑块的两个平行布置的滑槽；所述止回弹块与止回基座铰接，枢转部与位于自锁关节下方的支撑杆连接，支撑杆从弧形开口处伸出外壳的外侧；所述固定块通过驱动弹簧连接滑块，所述复位弹簧设置在止回弹块与止回基座之间，以向止回弹块提供径向弹力；向继电器短暂通电以形成磁极并吸引磁性件，以带动止回弹块以枢转部为轴转动，使滑块在驱动弹簧的驱动下沿滑槽滑动并夹紧支撑杆；当停止向继电器通电后，继电器消磁，以使止回弹块在复位弹簧的驱动下复位，以限制滑块在滑槽内的滑动并通过止回弹块夹紧支撑杆。

作为本发明的进一步改进，所述减震助力鞋还包括：设置于支撑杆与上鞋底板之间的抗挠机构，所述抗挠机构由垂直交叉布置的第一枢接部、第二枢接部及万向节组成；所述第一枢接部中插接第一传动轴，第二枢接部中插接第二传动轴，所述第一传动轴、第二传动轴与设置于第一枢接部与第二枢接部交叉点上的万向节刚性连接。

作为本发明的进一步改进，所述滑块面向弧形开口的侧面包覆缓冲层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明，简化了外骨骼机器人的产品结构，降低了制造成本，并实现了断电后保持人体姿态，提高了使用的安全性与可靠性。

附图说明

图1为本发明外骨骼机器人的立体图；

图2为本发明外骨骼机器人的侧视图；

图3为本发明外骨骼机器人的正视图；

图4为图1所示出的外骨骼机器人中所装配的减震助力鞋的立体图；

图5为图4所示出的减震助力鞋的爆炸图；

图6为图1中所示的外骨骼机器人中所装配的自锁关节的立体图；

图7为沿图6中所出的外骨骼机器人的自锁关节中的弧形开口处的横截面示意图；

图8为图7中标号为A处的放大图；

图9为滑块夹持支撑杆时沿图8中视角B方向的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

请参图1至图9所示出的本发明一种外骨骼机器人的一种具体实施方式。参图1至图4所示，该外骨骼机器人，包括：电源系统、控制系统、躯干束缚系统、髋部回转系统、下肢束缚系统、减震助力鞋60及拐杖30。

电源系统包括：主电源系统及备用电源系统。电源系统既可以放置在背包101中，也可以放置在减震助力鞋60内部。主电源系统采用磷酸铁锂电池、镍氢电池或者锂电池。备用电源系统可采用纽扣电池或者碱性电池，并为自锁关节40和/或减震助力鞋60提供短暂的电力供应。

髋部回转系统包括：腰部支撑板200、腰部连接板201、髋关节回转装置203、相对于髋关节回转装置203在水平方向中实现枢转运动的回转板202，所述拐杖30与回转板202固定连接。

髋关节回转装置203支持前后方向的运动，回转板202支持水平方向内的运动，并进一步限制为在水平方向内实现180度的水平摆动幅度。具体的，该外骨骼机器人的髋部回转系统包括两个腰部连接板201，并分别设置在腰部支撑板200的两侧，并与髋关节回转装置203连接。

躯干束缚系统包括：背部支撑板102、胸部束缚带106、肩部束缚带103及背部连接板107。背部支撑板102及背部连接板107为一体式结构，并与背包101连接。在本实施方式中，包括两个背部连接板107，背部支撑板102设置在两个背部连接板107之间，并呈T字形。肩部束缚带103的一端连接背部连接板107，另一端连接胸部束缚带106。背部连接板107与腰部支撑板200连接，所述背包101中内置电源系统。该胸部束缚带106用以围合使用者的胸部，并与肩部束缚带103、背部支撑板102及背部连接板107共同包裹并缠绕使用者的躯干。

背部连接板107的顶部设有一个钩持部117，肩部束缚带103跨过背部支撑板102的顶部，并通过公扣104与连接在胸部束缚带106上的母扣105实现活动扣合连接。同时，背部连接板107的顶部还设有一个母扣109，另一个背部连接板107的顶部延伸出一个具公扣108的束缚带，以通过公扣108与母扣109斜向活动扣合连接，以对使用者的颈部进行有效固定。

下肢束缚系统50包括：若干相互分离的支撑杆501、活动连接在支撑杆501关节部的自锁关节40以及与支撑杆501连接的若干腿部束缚带504，所述减震助力鞋60与支撑杆501垂直固定连接。

在本实施方式中，该拐杖30由活动伸缩的第一管段301及第二管段302套接而成，第一管段301纵向活动收容第二管段302。第一管段301上开设有若干限位孔311。限位孔311中可插入限位销（未示出），以调整第一管段301与第二管段302所组成的拐杖30的长度。第二管段302的末端设置有由橡胶等防滑材料制成的防滑球312。

具体的，该胸部束缚带106及腿部束缚带504为弹性材质，并采用尼龙粘扣围合固定。优选的，胸部束缚带106及腿部束缚带504可采用牛皮制成。腿部束缚带504在搭合处的内侧设置有若干气囊5041。胸部束缚带106在搭合处的内侧设置同样也可设置若干气囊1061，从而提高了对胸部及腿部捆绑及束缚时的舒适性。

支撑杆501包括相互收容的内支撑杆与外支撑杆以及锁止螺母502。外支撑杆开设有纵长延伸并具有锁止孔的凹槽5011，所述锁止螺母502垂直延伸入锁止孔中，并与内支撑杆相抵，以限制内支撑杆与外支撑杆的对向移动，从而实现了对支撑杆501长度的调整，以实现对具有不同身高、腿长的人群的适应性。参图1所示，在内支撑杆与外支撑杆的相接处设置有安装锁止螺母502的安装座503，安装座503与外支撑杆固定连接。安装座503上开设有通孔以收容锁止螺母502，从而将锁止螺母502与凹槽5011中所开设的锁止孔实现螺接固定，以调整外支撑杆收容内支撑杆的长度，从而调整支撑杆501的长度。在本实施方式中，支撑杆501整体采用铝镁合金制成。通过上述结构，在保证支撑杆501的结构强度的同时，也能最大限度的降低铝镁合金的用量，降低该外骨骼机器人的制造成本。

参图6所示，该外骨骼机器人的自锁关节40安装于外骨骼机器人中能够相对转动的关节点。具体的，在图1至图3中，可在该外骨骼机器人的髋关节及膝关节处分别安装一个自锁关节40，用以实现在该外骨骼机器人的主电源意外断电后，通过该自锁关节40的自锁功能保持腿部呈直立状态，从而确保整个外骨骼机器人不发生倾覆，提高使用的安全性与可靠性。

具体的，在本实施方式中，该外骨骼机器人的自锁关节40，包括：呈圆柱状且内部中空的外壳401，以及相对于外壳401转动的枢转部427，枢转部427设置于外壳401的内部。外壳401与位于上方的支撑杆501固定连接或者呈一体式结构，枢转部427中设置有转轴426，转轴426的延伸方向与外壳401的圆弧面的延伸方向平行设置，并垂直该支撑杆501。

外壳401的圆弧面上开设有弧形开口425，在所述弧形开口425的两侧分布对称设置且被外壳收容的固定块413、驱动弹簧414、滑块420、止回弹块415、止回基座410、复位弹簧416、磁性件418及继电器K1（继电器K2）。位于该自锁关节40下方的支撑杆501与枢转部427呈一体式结构。枢转部427以转轴426为转动轴部，以实现支撑杆501在弧形开口425中相对于自锁关节40实现自由转动。该固定块413与止回基座410均设置于外壳401的内部并与外壳401固定设置。该磁性件418可选用铁或者镍制成。

同时，该弧形开口425的圆心角为20~270度，并进一步优选为90度~180度。弧形开口425的宽度大于该支撑杆501在弧形开口425中自由转动方向内的宽度，并在两侧形成约1mm的间隙，从而确保支撑杆501在弧形开口425中进行转动的灵活性。

参图7至图9所示，该外壳401的圆形端部的内部开设有用于夹持滑块420的两个平行布置的滑槽402。具体的，该滑槽402设置在如图1所示出的外壳401的两个平行布置的圆形端面的内部。

止回弹块415与止回基座410通过销轴4151实现铰接，销轴4151与位于自锁关节40下方的支撑杆501连接。支撑杆501从弧形开口425处伸出外壳401的外侧。固定块413通过驱动弹簧414连接滑块420。

具体的，该滑块420的横向两侧设置与滑槽402的横截面形状相配合的凸肋421，凸肋421可受控于驱动弹簧414在滑槽402中自由滑动。优选的，该凸肋421与滑槽402的横截面形状可为半圆形，也可为矩形或者其他形状，只要能够实现滑块420被外壳401所夹持并能够作圆弧形自由滑动即可。

复位弹簧416设置在止回弹块415与止回基座410之间，以向止回弹块415提供径向弹力。该外骨骼机器人配置有两套电源系统，一套为主电源系统，另一套为备用电源系统。继电器K1（继电器K2）处于常闭状态，从而使得继电器K1的输出端419不形成磁性，从而无法吸引磁性件418。止回弹块415在复位弹簧416的作用下，径向向内张开，从而利用其表面所配置的斜面抵住止回弹块415沿滑槽402向支撑杆501的方向运动。

备用电源系统向继电器K1（继电器K2）短暂通电以形成磁极并吸引磁性件418，以带动止回弹块415以销轴4151为轴转动，使滑块420在驱动弹簧414的驱动下沿滑槽402滑动并夹紧支撑杆501；当停止向继电器通电后，继电器K1消磁，以使止回弹块415在复位弹簧416的驱动下复位，以限制滑块420在滑槽402内的滑动，并通过止回弹块415夹紧支撑杆501。

当主电源系统断电后，备用电源系统可在瞬间向继电器K1供电，使继电器K1的输出端419形成磁性，从而吸引磁性件418，从而克服复位弹簧416的弹力，以使止回弹块415沿着滑槽402向支撑杆501的方向运动。

当滑块420越过止回弹块415的顶点后，备用电源系统停止向继电器K1的供电，从而使继电器K1的输出端419掉磁，使止回弹块415与磁性件418分离，并在复位弹簧416的驱动下，止回弹块415径向向内转动，以通过抵靠面4171顶住滑块420，滑块420顶住支撑杆501。从而通过上述对称设置的固定块413、驱动弹簧414、滑块420、止回弹块415、止回基座410、复位弹簧416、磁性件418及继电器K1（继电器K2），实现在外骨骼机器人在主电源系统掉电后，通过该自锁关节40将支撑杆501夹紧，以防止外骨骼机器人的倾倒，从而提高了外骨骼机器人的安全性与可靠性。

在本实施方式中，该滑块420面向弧形开口425的侧面包覆缓冲层，该缓冲层为毛毡或者橡胶。缓冲层可包覆在抵靠面4171上，从而消除对称设置的两个滑块420相向运动并加紧支撑杆501时对支撑杆501所造成的冲击及噪音，进一步提高该外骨骼机器人的自锁关节40的舒适性及安全性。

参图4及图5所示，该减震助力鞋60，包括：控制系统、电源、护板601、上鞋底板604、下鞋底板、防滑层及助力机构。

下鞋底板由可相对枢转的脚掌部608与脚跟部609铰接而成。助力机构包括对称布置的两个电机605、输出齿轮6051及固定电机605的盒体。该盒体包括相互扣合的上盒体607及下盒体606组成，盒体内部中空并用于收容两个电机605，两个电机605的动力输出方向相反。

上盒体607的边缘设置两个固定端6071，下盒体606的边缘设置两个固定端6061，并可通过固定件（例如螺栓）连续贯穿固定端6061及固定端6071，以实现上盒体607与下盒体606的固定连接。当然，上盒体607与下盒体606也可采用弹性扣合的方式进行装配。如图2所示，上鞋底板604的底部开设用于完全收容盒体的凹陷部614，以将盒体嵌入上鞋底板604中。

该脚掌部608设置第一合页部618，脚跟部609设置第二合页部619，所述第一合页部618开设有同轴配置的孔部6181，所述第二合页部619开设有同轴配置的孔部6191。孔部6181与孔部6191同轴配置，且第一合页部618安装于第二合页部619的内侧。第一合页部618的孔部6181设有与输出齿轮6051啮合的内齿轮，从而通过将电机605输出的扭矩通过输出齿轮6051传递给第二合页部619，以带动脚跟部609相对于脚掌部608实现枢转，从而起到使用者在行走过程中，当脚跟部609提起过程中，对使用者的脚跟起到助力的作用，降低使用者穿戴装配该减震助力鞋60的可穿戴设备（如图1至图3所示出的一种外骨骼机器人）时的负担，提高使用者行走时的舒适度。

如图4及图5所示，该防滑层包括粘合在脚掌部608底部的脚掌防滑层611，以及粘合在脚跟部609底部的脚跟防滑层610。脚掌防滑层611与脚跟防滑层610的底部均形成倒齿状的防滑部，并可采用橡胶制成。

同时，在本实施方式中，电机605内置用于检测脚掌部608相对于脚跟部609枢转角度的角度传感器，并可将控制系统及电源放置于脚跟部609和/或脚掌部608内部。电源为电机605、自锁关节40中的继电器K1、继电器K2与控制系统提供电力供应，并通过所述控制系统接收角度传感器发送的检测信号，控制电机605间歇性地输出扭力，以驱动脚跟部609相对于脚掌部608枢转。

具体的，控制系统包括计算机系统、单片机或者可编程逻辑控制器，并最优选为单片机。电源可选用碱性电池、纽扣电池。

为了提高该减震助力鞋的舒适性，在本实施方式中，该脚掌部608与脚跟部609内部中空，从而可收容控制系统及电源，并均设置弹性元件。具体的，该弹性元件包括弹簧、气垫或者橡胶。电机605包括伺服电机或者步进电机。

结合图4与图5所示，脚跟部609垂直设置若干定位柱6081，所述上鞋底板604开设与收容定位柱6081的定位孔6281，将脚跟部609与上鞋底板604进行装配。该减震助力鞋60安装在图3所示出的一种外骨骼机器人的脚部，并通过支撑杆501与减震助力鞋60进行装配连接。

上鞋底板604中位于护板601的外侧设置有两个通孔624。该减震助力鞋60还包括固定脚部的弹性绑带602。弹性绑带602包括用以固定脚踝的弹性绑带6021及用以固定脚掌的弹性绑带6022。具体的，该护板601形成收容脚踝的空间6121，并在护板601上设弹性绑带6021。上鞋底板604上设弹性绑带6022，以通过该弹性绑带6022形成收容脚掌的空间6122。

支撑杆501与上鞋底板604之间还设有抗挠机构。该抗挠机构由垂直交叉布置的第一枢接部505、第二枢接部506及万向节507组成。该第一枢接部505中插接第一传动轴5051，第二枢接部506中插接第二传动轴5061。第一传动轴5051、第二传动轴5061与设置于第一枢接部505与第二枢接部506交叉点上的万向节507刚性连接。从而通过该抗挠机构防止支撑杆501出现前后左右四个方向的晃动，从而提高该减震助力鞋60对外骨骼机器人的支撑。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。