一种复合式外骨骼机器人的制作方法

本发明涉及康复机器人领域，具体是一种复合式外骨骼机器人。

背景技术：

随着外骨骼技术的发展和普及，外骨骼成为越来越多人助行或康复治疗的选择。外骨骼机器人作为老年人和下肢运动困难人士等行动不便者的辅助设备，不仅能够助力人体运动，还能辅助人体康复。对于下肢需要康复的病人来说，在康复锻炼过程中，并不能长时间站立。而且外骨骼的穿脱对于病人来说较困难，在需要快速移动的情况下，无法实现快速脱下外骨骼来乘坐轮椅移动。对于老年人也有此问题。因此，设计一款同时具有辅助行走功能和轮椅功能的外骨骼势在必行。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种复合式外骨骼机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种复合式外骨骼机器人，其特征在于该机器人包括腰部平衡架、背部支撑板、肩部绑带、臀部支撑带、左部和右部；所述背部支撑板固定在腰部平衡架上；肩部绑带固定在背部支撑板上；所述臀部支撑带的两端固定在腰部平衡架上；所述左部和右部结构相同，对称地安装在腰部平衡架下部；

所述左部包括大腿模块、小腿模块、轮椅模块、脚部模块、插销、短轴、可伸缩式轮椅支撑杆、第一液压缸和第二液压缸；所述轮椅模块包括轮椅支架、后轮传动轴、轮椅后轮和轮椅前轮；

大腿模块的一端与腰部平衡架以转动副连接，另一端与小腿模块的一端以转动副连接；小腿模块的另一端与脚部模块以转动副连接；所述第二液压缸的一端与腰部平衡架通过转动副连接，另一端与大腿模块通过转动副连接；所述第二液压缸的一端与大腿模块通过转动副连接，另一端与小腿模块通过转动副连接；所述短轴一端通过转动副与脚部模块连接，另一端与轮椅支架通过转动副连接；所述轮椅支架与轮椅前轮通过转动副连接；后轮传动轴的一端通过转动副与轮椅支架连接，另一端与轮椅后轮固定连接；所述插销的壳体固定在大腿模块上，销舌伸缩实现与轮椅支架的接触和分离；所述可伸缩式轮椅支撑杆一端固定安装在腰部平衡架上，在轮椅状态下另一端固定在轮椅支架内。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本机器人通过机构变形和重组，将穿戴在人体上的可爬楼梯和完成日常简单动作的辅助行走和康复外骨骼变型为实现快速前进的轮椅，实现了辅助行走与轮椅的一体化，满足了行动不便者的使用需求。

(2)本机器人的腿部采用了可伸缩的设计，针对不同身高的使用者可以进行调整且调整简便，以适应不同使用者的大腿和小腿的长度，实现机器人的髋关节对应人体的髋关节，机器人的膝关节对应人体的膝关节，机器人的踝关节对应人体的踝关节。

(3)肩部绑带、臀部支撑带、大腿固定带、小腿固定带和脚部固定带均采用弹性材料且其上安装有卡扣，可以根据不同使用者调整合适的松紧度，实现贴合。

(4)本机器人设计合理紧凑，在变形过程中部件之间不会干涉和相互影响，实现辅助行走功能和轮椅功能时不会相互影响，充分利用了有限的空间，使机器人整体更加紧凑，空间利用率高。

(5)本机器人结构简洁，运行平稳，经济实用，安全可靠。机器人大多采用铝合金材质，大大减轻了整体设备的重量。

附图说明

图1为本发明一种实施例的辅助行走状态站立时的整体结构轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的由站立状态向轮椅状态转变过程中轮椅前后轮与地面接触时的整体结构轴测示意图；

图3为本发明图2的主视示意图；

图4为本发明图2的左视示意图；

图5为本发明一种实施例的轮椅状态下的整体结构轴测示意图；

图中，1.肩部绑带；2.锥齿轮；3.后轮传动轴；4.臀部支撑带；5.大腿固定带；6.大腿内侧板；7.电机；8.轮椅支架；9.小腿固定带；10.前轮支撑架；11.小腿内侧板；12.腰部平衡架；13.髋关节；14.平衡支撑板；15.大腿外支架；16.插销；17.膝关节；18.小腿外支架；19.短轴；20.踝关节；21.背部支撑板；22.可伸缩式轮椅支撑杆；23.轮椅后轮；24.第一液压缸；25.轮椅前轮；26.第二液压缸；27.脚部支撑架；28.脚部固定带。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种复合式外骨骼机器人(参见图1-5，简称机器人)，其特征在于该机器人包括腰部平衡架12、背部支撑板21、肩部绑带1、臀部支撑带4、左部和右部；所述背部支撑板21固定在腰部平衡架12上表面；肩部绑带1固定在背部支撑板21上，肩部绑带1上具有卡扣用于固定人体肩部；所述臀部支撑带4的两端固定在腰部平衡架12上，臀部支撑带4上具有卡扣用于支撑人体臀部；所述左部和右部完全相同，对称地安装在腰部平衡架12下部；

所述左部包括大腿模块、小腿模块、轮椅模块、脚部模块、插销16、短轴19、可伸缩式轮椅支撑杆22、第一液压缸24和第二液压缸26；所述轮椅模块包括轮椅支架8、后轮传动轴3、轮椅后轮23和轮椅前轮25；

大腿模块的一端与腰部平衡架12以转动副形式连接形成髋关节13，另一端与小腿模块的一端以转动副连接形成膝关节17；小腿模块的另一端与脚部模块以转动副的方式连接形成踝关节20；所述第二液压缸26的一端与腰部平衡架12通过转动副(铰接)连接，另一端与大腿模块通过转动副(铰接)连接；所述第二液压缸24的一端与大腿模块通过转动副(铰接)连接，另一端与小腿模块通过转动副(铰接)连接；所述短轴19一端通过转动副与脚部模块连接，另一端与轮椅支架8通过转动副连接；所述轮椅支架8与轮椅前轮25通过转动副连接；后轮传动轴3的一端通过转动副与轮椅支架8连接，另一端通过锥度销与轮椅后轮23的中心固定连接；所述插销16的壳体固定在大腿模块上，销舌伸缩实现与轮椅支架8的接触和分离；所述可伸缩式轮椅支撑杆22一端固定安装在腰部平衡架12上，在轮椅状态下另一端固定在轮椅支架8的凹槽或孔内，保证轮椅结构的稳定，在辅助行走状态下可伸缩式轮椅支撑杆22收缩后的长度不影响人体下肢的摆动。

轮椅模块还包括电机7、锥齿轮2和前轮支撑架10；前轮支撑架10固定在轮椅支架8上，轮椅前轮25与前轮支撑架10通过转动副连接；电机7固定在轮椅支架8上，其输出端固定安装有锥齿轮2；所述锥齿轮2与后轮传动轴3上的锥齿轮啮合连接。

所述大腿模块包括大腿外支架15、大腿内侧板6和大腿固定带5；所述小腿模块包括小腿外支架18、小腿内侧板11和小腿固定带9；脚部模块包括脚部支撑架27和脚部固定带28；所述大腿外支架15的端部与腰部平衡架12以转动副连接形成髋关节13(转动副即轴与滚动轴承配合，具体是大腿外支架15的一端固定有轴，轴与滚动轴承的内圈过盈配合固定连接，轴承的外圈与腰部平衡架12固定连接，实现转动)；大腿外支架15与大腿内侧板6以移动副的形式连接，相对运动到适当长度以适应使用者的大腿长度后通过螺纹(螺栓或螺钉)固定连接(移动副具体是大腿外支架15内部具有凹槽轨道或凸起轨道，大腿内侧板6外侧具有凸起或凹槽，大腿内侧板6的凸起或凹槽与大腿外支架15的凹槽轨道或凸起轨道配合，实现大腿内侧板6与大腿外支架15的相对滑动)；大腿内侧板6的端部与小腿外支架18通过转动副连接形成膝关节17；小腿外支架18与小腿内侧板11通过移动副连接，相对运动到适当长度以适应使用者的小腿长度后通过螺纹(螺栓或螺钉)固定连接(移动副具体是小腿外支架18内部具有凹槽轨道或凸起轨道，小腿内侧板11外侧具有凸起或凹槽，小腿内侧板11的凸起或凹槽与小腿外支架18的凹槽轨道或凸起轨道配合，实现小腿内侧板11与小腿外支架18的相对滑动)；小腿内侧板11的端部与脚部支撑架27以转动副的方式连接形成踝关节20；所述第二液压缸26的一端与腰部平衡架12通过转动副连接，另一端与大腿外支架15通过转动副连接；大腿固定带5固定在大腿外支架15上，大腿固定带5上具有卡扣用于固定人体大腿；所述第二液压缸24的一端与大腿外支架15通过转动副连接，另一端与小腿外支架18通过转动副连接；小腿固定带9固定在小腿外支架18上，小腿固定带9上具有卡扣用于固定人体小腿；所述短轴19一端通过转动副与脚部支撑架27连接；脚部固定带28固定在脚部支撑架27上，脚部固定带28上具有卡扣用于固定人体脚部。

左部还包括平衡支撑板14；平衡支撑板14与大腿外支架15固定连接，起到中间连接的作用，在辅助行走状态下，轮椅支架8随腿部一起摆动，减小轮椅支架8的摆动幅度；所述插销16的壳体固定在平衡支撑板14上，销舌伸缩实现与轮椅支架8的接触和分离。

轮椅前轮25采用全向轮，方便轮椅的前进。

可伸缩式轮椅支撑杆22采用与折叠式雨伞的杆部伸缩结构原理相同的结构，具有若干固定位置，调整到适当长度后通过销钉固定。

插销16可采用弹簧插销，为市售产品。

本发明的工作原理和工作流程是：

当需要使用该机器人辅助行走时，调整大腿外支架15与大腿内侧板6的相对位置，与使用者大腿长度配合；调整小腿外支架18与小腿内侧板11的相对位置，与使用者小腿长度配合；使用者的脚底放在脚部支撑架27上，脚部固定带28与使用者的脚部固定；大腿固定带5与使用者的大腿固定，小腿固定带8与使用者的小腿固定，肩部绑带1背于使用者双肩，实现机器人的髋关节13对应人体的髋关节，机器人的膝关节17对应人体的膝关节，机器人的踝关节20对应人体的踝关节，保证外骨骼相对人体的正确位置。

穿戴完成之后，开始辅助行走，以先迈左腿为例(左腿为摆动腿、右腿为支撑腿)，左部的第二液压缸26吸合带动大腿外支架15，左部的第一液压缸24吸合带动小腿外支架18，实现使用者左腿提起。然后先释放左部的第一液压缸24，再释放左部的第二液压缸26，左脚落地，实现左腿向前迈步。右腿同理，实现整个外骨骼机器人带动人体前进的运动。

当需要变型成轮椅时，插销16的销舌缩回，将轮椅支架8从插销16上取下，轮椅前轮25和轮椅后轮23接触地面。然后左部和右部的第一液压缸24和第二液压缸26四个液压缸同时吸合，使用者的臀部坐在臀部支撑带4上(本实施例中大腿外支架15和小腿外支架18之间为100°-120°)，然后可伸缩式轮椅支撑杆22伸长与轮椅支架8上的凹槽或孔相配合固定后，固定可伸缩式轮椅支撑杆22的长度，保证轮椅结构的稳定性。进而完成轮椅的变型。通过人推动轮椅前进或者通过电机7带动轮椅后轮23，实现轮式前进。

当需要再变型成辅助行走状态时，可伸缩式轮椅支撑杆22缩短，与轮椅支架8分离，然后左部和右部的第一液压缸24和第二液压缸26四个液压缸同时释放，使用者的臀部离开臀部支撑带4。然后插销16的销舌伸出，将轮椅支架8挂于插销16上，可伸缩式轮椅支撑杆22长度固定，变为辅助行走的站立状态。

本发明未述及之处适用于现有技术。