下肢辅助外骨骼机器人的传动方法与流程

本发明涉及医疗术后下肢辅助机器人康复技术的传动方法领域，特别涉及一种下肢辅助外骨骼机器人的传动方法。

背景技术：

近几年，下肢辅助类医疗器械机器人技术应用越来越广泛，我国人口众多使人致残的疾病和意外事故发生频率较高，而且随着人口老年化的加深导致下肢伤残的人数较多，这也使得下肢康复机器人近几年在国内逐渐兴起。这类机器人可以模仿正常人的行走方式辅助患者直立行走，但是大部分机器人配置的动力传动方法占用的空间过大，使外骨骼机器人外形笨重操作不易。

针对现有下肢辅助外骨骼机器人技术中的传动装置设置占用空间过大、使用不方便等缺点，虽然市面上已经出现比较先进的可穿戴外骨骼机器人，但是大多设计复杂使用也不太方便。

技术实现要素：

本发明的下肢辅助外骨骼机器人所配备的结构件与传动方法，在保证原有康复功能及辅助行走外至少解决已有的下肢辅助外骨骼机器人传动设计占用空间较大，结构复杂操作不便的技术问题。

根据本发明方案的一个方面，本发明所提供的一种传动方法包括：驱动电机固定方案和电机输出动力的传递方案。

其中，驱动电机的固定方案包括：驱动电机的摆放方向，电机的转轴方向与支撑腿方向；驱动电机的固定位置，如电机固定在大腿、小腿或腰部等位置。

其中，驱动电机输出动力的传递方案包括：电机减速器的配置，用以将电机的高转数减速到所要的低转数，并得到较大转矩的机构；锥齿轮组传动，用以进一步减速并改变电机输出的转动方向。

其中，下肢辅助外骨骼机器人用于穿戴在人体并带动人体活动，其设计在保证功能及性能的同时应使机器人结构精巧、操作简便，在此机器人动力系统中，可选用电机与减速器组合的减速电机来提供动力，以减小动力提供及传动装置的所占空间。

其中，驱动膝关节的减速电机在固定时，电机转轴同外骨骼大腿部分轴线于轴向平行的方式固定在大腿的相应结构件上，使其驱动膝关节运动。

其中，驱动髋关节的减速电机在固定时，电机转轴垂直于外骨骼腰部固定在腰部的相应结构件上，使其驱动髋关节运动。

其中，下肢辅助外骨骼机器人的动力在传输及使用过程中动力方向需要经过改变，例如需要把电机轴向上的转动改变为垂直于电机轴向上的转动，可选用锥齿轮组来完成，使用该齿轮传动可使传动在有较高精度的同时使传动平稳且传动时噪音相对较小。

其中，机器人在使用锥齿轮组的时候，主动轮选用齿数较少的轮，从动轮选用齿数较多的轮。齿轮齿数可按照外骨骼机器人的设计要求及减速电机的选型采用合适传动比的锥齿轮组。

]其中，锥齿轮组在安装时，主动轮安装在减速电机输出轴上，从动轮安装在膝关节和髋关节上，带动关节转动。

其中，从动轮上安装有编码器，用以反馈关节转动状况。

本发明的另一方面也提供了一种外骨骼机器人，包括机器人本体和机器人的动力提供方式及机器人的传动方式。机器人的动力采用电机与减速器组合在一起的减速电机，动力在传输时使用曲线齿齿轮组来实现动力的短距离传输与转向。

在本发明的机器人传动方法中，动力提供装置的膝关节减速电机转轴同外骨骼大腿部分轴线于轴向平行的方式固定在大腿的相应结构件上，髋关节减速电机转轴垂直于外骨骼腰部固定在腰部的相应结构件上，使其驱动髋关节运动。机器人动力传输及转向装置可用锥齿轮组，其中齿数较多的从动轮安装在关节上，齿数较少的主动轮安装在减速电机上。

附图说明

此处附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本次申请的一部分，本发明的示意性实施例及说明用以解释本发明，并不构成本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的膝关节传动方式，图2是本发明实施例的髋关节传动方式，图3是本发明实施例的整体结构。

图中，01：膝关节减速电机；02：膝关节主动轮；03：膝关节从动轮；04：膝关节用编码器：05：髋关节减速电机；06：髋关节主动轮；07：髋关节从动轮；08髋关节用编码器。

本发明的有益效果：（1）本发明采用医疗技术与机器人技术结合，通过外骨骼支撑减轻人体自身的重力对下肢骨骼各关节产生的负载，并通过外加动力系统辅助下肢运动，可以有效的保护下肢；（2）在驱动装置的设计上，本发明采用伺服电机的驱动方式，并采用齿轮传动，传动精度高，可以精准的控制下肢各关节进行弯曲和伸展运动。

为了更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有故出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“中心”、“首先”、“前”、“后”、“任意”、“垂直”、“平行”等词是为了便于描述本发明，而不必用于描述特定装置或元件必须具有特定的方位构造和操作。应该理解这样使用的数据在适当情况下对本发明的描述。此外，术语“包括”“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它单元。

根据本发明实施例，提供了一种外骨骼机器人传动方法的实施例，需要说明的是，本发明的外骨骼机器人及其机器人的传动方式适用于带动患者的瘫痪下肢进行仿生治疗的场景，机器人可使用牵引式或悬挂式对患者进行康复治疗，也可在患者使用熟练后穿戴在地面进行简单的行走运动，此时，利用本发明实施例的外骨骼机器人动力装置及其传动方法，通过相应的减速电机及曲线齿锥齿轮传动装置控制的设计，能够使外骨骼机器人在保证功能及性能的同时使其机器人整体结构精巧、行走方便、操作简单、穿戴容易。进而实现提高机器人使用性能，提高用户对机器人的使用体验的效果。

图1是根据本发明实施例的一种外骨骼机器人膝关节传动方法的示意图，如图1所示，该机器人传动方法可以包括:膝关节减速电机01，膝关节主动轮02，膝关节从动轮03,膝关节减速电机的控制线缆与电机驱动器连接，用以控制电机的装动状态,减速电机的输出轴同齿数较少的从动轮连接，关节同齿数较多的从动轮连接，主动轮与从动轮相啮合。电机转动经减速后输出并带动主动轮转动，主动轮带动从动轮转动并把同电机轴向的转动转换为垂直电机轴的转动，从动轮在带动膝关节转动，以完成外骨骼机器人小腿的迈步动作。

其中，在动力及传动装置工作驱动关节运动时，安装在膝关节从动轮03和髋关节从动轮07上的编码器04、08，可时时检测关节转动角度并反馈角度信息。

图2是根据本发明实施例的一种外骨骼机器人髋关节传动方法的示意图，如图2所示，该机器人传动方法可以包括:髋关节减速电机01，髋关节主动轮02，髋关节从动轮03,髋关节减速电机的控制线缆与电机驱动器连接，用以控制电机的装动状态,减速电机的输出轴同齿数较少的从动轮连接，髋关节同齿数较多的从动轮连接，主动轮与从动轮相啮合。电机转动经减速后输出并带动主动轮转动，主动轮带动从动轮转动并把同电机轴向的转动转换为垂直电机轴的转动，从动轮在带动髋关节转动，以完成外骨骼机器人大腿的迈步动作。

需要说明的是,本发明实施例并未对外骨骼机器人的种类做具体限定，机器人可以至少包括以下任意一种:双足行走式机器人、牵引式或悬挂式机器人、军用机器人、医用机器人等，外骨骼机器人还可以包括其他类型，此处不再一举例说明。本发明实施例中的外骨骼机器人的传动方法中部可以设置有动力提供置：膝关节减速电机、髋关节减速电机，主要用于机器人在行走时提供膝关节和髋关节的运动动力；动力传输装置：膝关节锥齿轮组、髋关节锥齿轮，主要用以实现电机动力的短距离传输及改变动力传输方向。

其中动力提供装置并不仅限于减速电机，可以是由单独的电机提供动力或单个电机与单个减速器组合使用提供动力等，本发明实施对此不做具体限定。

其中用以传动的锥齿轮组并不仅限于曲线齿锥齿轮组，可以是直齿锥齿轮组、斜齿锥齿轮组、螺旋齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等方法，本发明实施对此不做具体限定。

需要说明的是,动力及传动方法不仅仅仅限于膝关节、髋关节使用，也用以其他肢体动作，比如，还可以给腿部和腰部的转动提供动力等。

需要说明的是，减速电机的固定方法不仅仅仅限与本发明所述方法，比如，也可以垂直腿部轴线方向放置，只不过此方案并不是本发明的优选方案。

还需要说明的是，外骨骼机器人的动力提供装置及传动方法对机器人进行的可控驱动可以包括但并不限于以上内容，外骨骼机器人的动力传动结构也不仅限于上述装置，外骨骼机器人可以依据实际的应用场景作出相应设置及调整，本发明实施例对其不做具体限定。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述各有侧重，某些实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，所讲述到的技术内容，还可通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述的动力传动系统，动力提供也可以是液压形式的，传动方式也可以是丝杆形式的，实际应用时可以酌情选择。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。