中央驱动式下肢外骨骼机器人的制作方法

本发明涉及一种中央驱动式下肢外骨骼机器人，尤其是一种使用单电机通过电磁推杆确定给两侧髋关节提供助力的下肢外骨骼机器人,属于机器人技术领域。

背景技术：

下肢外骨骼机器人是穿戴在人体下肢上的仿生机器人，它融合了机器人学、机构学、仿生学、控制理论、通讯技术、信息处理技术等多学科的交叉知识，同时又涉及到传感、控制、信息耦合、移动计算等技术，还可以在使用者的操纵下完成特定的任务。目前外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，比如康复医疗、单兵作战等领域。对于康复医疗领域，外骨骼的主要目的是辅助人体自身肌肉的运动，达到帮助截瘫患者进行肌肉康复训练的效果。

申请号201410735565.4提出了一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人，其特征在于髋关节和膝关节都加有驱动器，四个驱动器增加了外骨骼机器人的重量且使电池的使用时间大大减少。

申请号201410353073.9提出了一种单驱动联动式下肢助力外骨骼，虽然也采用单电机控制，但是其腰部模块的大腿驱动链轮结构笨重，体积过大，且不能给使用者提供坐下、站立的助力。

申请号201310262919.3提出了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条腿只用一个电机驱动，利用连杆机构配合一个驱动电机，使髋关节、膝关节和踝关节同时拟合出恰当的转动角度曲线。但对不同的使用者需要针对性的设计连杆的长度，不能进行调节，不具备通用性，且两个电机也加大了外骨骼的重量。

技术实现要素：

针对目前下肢外骨骼所存在的驱动电机过多、单一电机传动结构复杂笨重、外骨骼尺寸难以进行适应性调节、无电机驱动时不进行助力的问题，本发明提出一种中央驱动式单电机驱动下肢外骨骼结构，采用电磁推杆控制助力力矩是否传到髋关节，利用重心变化通过缆绳协助助力髋关节摆动，且大腿小腿长度均可调节。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种中央驱动式下肢外骨骼机器人，包括背部组件、大腿组件、小腿组件、脚组件，所述背部组件中安装有电机、减速器、齿轮组和输出轴，电机通过减速器和齿轮组传动连接输出轴，输出轴两端分别通过同步带组件连接位于左、右腿上的花键组件，花键组件连接大腿组件，所述电机通过减速器、齿轮、输出轴、同步带组件和花键组件将力矩传递到髋关节，从而实现一个电机分别为左右两腿在摆动期时提供助力力矩。

所述花键组件包括同步轮连接轴、花键轴、花键套轴、电磁推杆，所述花键套轴内装有电磁推杆，电磁推杆连接花键轴，花键轴与花键套轴滑动配合连接；当电磁推杆得电推动花键轴沿花键套轴运动，使花键轴前端与同步轮连接轴的端面齿合，使电机提供的力矩传递到髋关节。

两个所述大腿组件通过缆绳连接在一起，利用人体重心的变化带动缆绳运动，起到助力效果。

所述大腿组件、小腿组件分别装有长度调节机构，长度调节机构由螺母丝杠组成，通过调节螺母来移动丝杠，从而实现大腿和小腿长度的精确调节，以适应不同身高的患者。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1、利用一个电机驱动下肢外骨骼进行助力，相对于多电机驱动式下肢助力外骨骼重量更轻，更节能。

2、利用电磁推杆作为传动机构控制电机驱动力矩是否传递到髋关节，传动结构更为简单，控制更为方便。

3、利用缆绳将左右两个大腿组件连接到一起，通过重心变化进行协助助力，有效减少电机负荷。

4、利用丝杠螺母机构调节外骨骼大腿和小腿长度，使长度调节更加精确方便，适应不同人群的使用。

附图说明

图1是本发明的中央驱动式下肢外骨骼机器人结构主视图；

图2是本发明的中央驱动式下肢外骨骼机器人结构俯视图；

图3是本发明的中央驱动式下肢外骨骼机器人站立视图；

图4是本发明的中央驱动式下肢外骨骼机器人大腿摆动最大角度示意图；

图5是本发明的中央驱动式下肢外骨骼机器人坐下示意图；

图6是本发明的花键组件中电磁推杆通电示意图；

图7是本发明的花键组件中电磁推杆断电示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1到图7所示，本发明提供的一种中央驱动式下肢助力外骨骼结构，包括背部组件14、大腿组件10、小腿组件3、脚组件1。背部组件14中安装有电机18、减速器17、齿轮组16和输出轴15，电机18通过减速器17和齿轮组16传动连接输出轴15，输出轴15两端分别通过同步带组件13连接位于左、右腿上的花键组件11，花键组件11连接大腿组件10，所述电机18通过减速器17、齿轮16、输出轴15、同步带组件13和花键组件11将力矩传递到髋关节，从而实现一个电机18分别为左右两腿在摆动期时提供助力力矩。

如图6，7所示，花键组件11包括同步轮连接轴111、轴承a112、与同步轮连接轴111端面齿齿合的花键轴113、轴承b114、和花键轴113配合的花键套轴115、轴承c116和放在花键套轴115中与花键轴113连接的电磁推杆117。花键套轴115内装有电磁推杆117，电磁推杆117连接花键轴113，花键轴113与花键套轴115滑动配合连接；当电磁推杆117得电推动花键轴113沿花键套轴115运动，使花键轴115前端与同步轮连接轴111的端面齿合，使电机18提供的力矩传递到髋关节。

当使用者迈动左腿时，左腿上的花键组件11中的电磁推杆117通电，电磁推杆117推动花键轴113沿花键套轴115移动，使花键轴113端面的齿与同步轮连接轴111端面的齿啮合，此时右腿上的花键组件11中的电磁推杆117不通电，之后电机18通电旋转，通过减速器17、齿轮16、输出轴15、同步带组件13、花键组合11将扭矩传递到左大腿组件，右大腿组件由于花键轴与同步轮连接轴没有啮合，所以没有传递扭矩。大腿组件10与小腿组件3通过四杆机构7连接，由于左大腿组件10往前摆动，左小腿组件3由于惯性会向后弯曲，如图4所示，左小腿组件3在弯曲时会挤压卷簧8进行储能，之后由于重力和卷簧8的释能使小腿组件3伸直。两个所述大腿组件10通过缆绳12连接在一起，利用人体重心的变化带动缆绳运动，起到助力效果。在左大腿组件10向前摆动到最大角度的同时，重心也向前移动，右大腿组件10相对于重心向后移动，此时缆绳12相当于从右侧进行拉伸，进而带动左大腿组件10向前摆动，从而进行协助助力，当左大腿组件10摆动到最大角度时，电机18断电，电磁推杆117断电，电磁推杆117在弹簧的作用下复位从而带动花键轴113与同步带组件13分离，左大腿组件10在重力的作用下往后摆，并使左脚组件1着地。此时使用者的重心继续向前移动，当左脚组件1完全和地面接触时，开始迈动右腿，过程与上述类似，在此不再叙述。

当使用者想坐下时，左右两腿上的电磁推杆117通电，推动左右花键轴113分别与左右同步轮连接轴111端面的齿啮合，此时电机18通电，带动使用者缓慢坐下去。当使用者想站起来时，电机18通电，从而带动使用者缓慢站立起来。

当使用者的大腿、小腿长度与大腿组件10、小腿组件3的长度不符合时，可以调节大腿调节机构9和小腿调节机构2，长度调节由螺母丝杠组成，通过调节螺母来移动丝杠，从而实现大腿和小腿精确调节来适应使用者大腿、小腿的长度。