一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人的制作方法

本发明涉及一种膝关节助力外骨骼机器人，尤其涉及具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人。

背景技术：

外骨骼机器人是一种穿戴在操作者身体外部的人机一体化系统，综合运用传感、控制、信息融合等机器人技术，在保证穿戴者的舒适性和运动特性的前提下，为穿戴者提供额外的动力，增强人体机能，从而完成更加复杂困难的任务，实现力量的增强和感官的延伸。外骨骼机器人以上述特点，吸引了越来越多国内外科研机构的积极研究，在军事、警用、医疗等方面具有广阔应用前景。

膝关节外骨骼机器人作为其中的一种，旨在助力人体行走。针对一线警员在执行特殊巡逻、搜查与排爆任务时背负重量大、工作时间长，极易产生疲劳现象，甚至造成膝盖、腰椎等关节的生理损伤的问题，膝关节外骨骼机器人可增长警员徒步距离，提升负重能力，降低肌肉损伤风险，从而提升单兵作战能力。

由于膝关节外骨骼机器人是人机交互系统，如何与人体完美协调统一、控制柔顺是膝关节外骨骼机器人发展需要克服的难题。人体膝关节通过肌肉组织的收缩和舒张实现关节运动，肌肉组织所具有的柔性有助于缓冲运动时外界对膝关节和人体的冲击，保护人体免受伤害。膝关节是变旋转中心、变旋转半径的旋转关节，旋转时其瞬时转动中心随之移动。然而，目前传统的膝关节外骨骼机器人将膝关节单纯地设计为单轴关节，转动中心固定，未参照人体膝关节的实际运动规律，工作过程中无法适应人体膝关节转轴的动态变化，造成人-机膝关节转轴错位，实际运动过程中与人体膝关节的配合度较低，长时间使用将导致穿戴不舒适、软组织挫伤等问题。此外，目前膝关节外骨骼机器人大多使用刚性驱动方式，以电机直接驱动或液压缸驱动。驱动装置缺乏柔性，不具有缓冲功能，容易受到外界冲击的损害，人员穿戴安全性与舒适性较差，使用安全性方面存在隐患。因此，有必要研发符合人体膝关节结构与运动机理的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，确保外骨骼机器人运动与人体运动一致。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构，大腿组件与小腿组件分别与仿人膝关节机构相连接，驱动机构驱动小腿组件带动仿人膝关节机构转动；其中，随着小腿组件的摆动，所述仿人膝关节机构的旋转中心上下移动，并且旋转半径发生变化，从而模仿人体膝关节运动。

其中较优地，所述仿人膝关节机构包括大腿内侧连接件、大腿外侧连接件、小腿内侧连接件、小腿外侧连接件、移动块、压缩弹簧i和压缩弹簧ii；

在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件上分别设置有安装孔，并在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件上分别设置有根据人体膝关节运动轨迹设置的旋转导轨；

大腿内侧连接件与大腿外侧连接件连接；在大腿内侧连接件和大腿外侧连接件相对的一侧分别开有直线槽，并在直线槽的中部设置有长条形的通孔；压缩弹簧i、移动块与压缩弹簧ii依次按压在两个闭合的直线槽内；

在移动块的左右两侧面分别固定有圆柱形的连接柱，两个连接柱分别从通孔内伸出并通过轴承设置在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的安装孔内；

在大腿内侧连接件和大腿外侧连接件的下端的外部分别设置有一个圆柱块，两个圆柱块分别通过轴承设置在小腿内侧连接件和小腿外侧连接件的旋转导轨中；

随着小腿组件的摆动，两个圆柱块分别在旋转导轨中滑动，并且，移动块在直线槽中上下移动，移动块是大腿组件和小腿组件的旋转中心，并且，移动块和圆柱块之间的距离构成变化的旋转半径。

其中较优地，所述旋转导轨的形状符合人体膝关节水平转动轴曲率中心的移动轨迹——j型曲线。

其中较优地，所述驱动机构采用串联柔性驱动器，通过弹簧连接机构驱动输入与输出实现柔性驱动。

其中较优地，所述驱动机构包括驱动电机组件、丝杠轴、直线导轨、输出轴、丝杠螺帽、上层连接板、中层连接板、下层连接板、支撑板、固定板、压缩弹簧、小腿连杆连接块、小腿连杆与电机支撑座；

所述驱动电机组件设置在整个驱动机构的上端，驱动电机组件通过电机支撑座与大腿组件固定；小腿连杆连接块设置在整个驱动机构的下端，小腿连杆连接块通过小腿连杆与小腿组件连接，使得小腿连杆可带动小腿组件摆动；

支撑板设置在驱动电机组件和小腿连杆连接块之间，丝杠轴的上端和下端分别与驱动电机组件和支撑板连接，丝杠轴在驱动电机组件的驱动下旋转；

上层连接板、中层连接板和下层连接板设置在驱动电机组件和支撑板之间；固定板将上层连接板与下层连接板连接在一起；

丝杠轴依次穿过上层连接板、中层连接板和下层连接板；在丝杠轴上设置有丝杠螺帽，丝杠螺帽与中层连接板固定，随着丝杠轴的旋转，丝杠螺帽带动中层连接板沿着丝杠轴上下移动；

直线导轨的两端分别与驱动电机组件和支撑板固定连接，两根直线导轨通过固定直线轴承穿过上层连接板、中层连接板与下层连接板的对角线位置；

输出轴的两端分别与上层连接板和小腿连杆连接块固定连接，两根输出轴通过固定直线轴承穿过中层连接板、下层连接板与支撑板的另一对角线位置；

在每根输出轴上分别套设有两个压缩弹簧，其中一个压缩弹簧设置在上层连接板和中层连接杆之间，另一个压缩弹簧设置在中层连接板和下层连接板之间；

在所述驱动机构中，驱动电机组件驱动丝杠轴旋转，丝杠螺帽沿丝杠轴直线运动，从而带动与丝杠螺帽连接的中层连接板沿直线导轨移动；然后，中层连接板通过压缩弹簧作用于上层连接板与下层连接板，带动与上层连接板连接的输出轴沿直线运动。

本发明所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构。其中，仿人膝关节机构是完全符合人体膝关节转动规律的旋转关节，关节旋转导轨按照人体膝关节转动轨迹设计，关节旋转中心是一可按直线槽位移的移动块，能够适应关节转动过程中旋转中心及旋转半径的变化，克服了传统膝关节外骨骼采用单轴旋转关节导致其与穿戴人员配合度低的缺点，提升了人机兼容性。另外，驱动机构采用一种串联柔性驱动器，使驱动过程中具有一定的旋转位移容错率，遇到冲击时能够适当收缩进而缓冲碰撞产生的能量，同时还能够将能量吸收、存储、再利用，不仅提高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械振荡，减轻零部件的机械损伤，保障穿戴人员的使用安全性。

附图说明

图1是本发明所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人的结构示意图；

图2是图1中执行机构的结构分解图；

图3是图1中仿人膝关节机构的结构分解图；

图4是图3中仿人膝关节机构的组装状态图一；

图5是图3中仿人膝关节机构的组装状态图二；

图6是图1中驱动机构的结构示意图；

图7是本发明所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。

为解决传统的膝关节外骨骼机器人将膝关节单纯地设计为单轴关节，工作过程中无法适应人体膝关节转轴的动态变化，与人体膝关节的配合度较低；驱动机构多采用刚性驱动装置，容易受到外界冲击的损害，缺乏柔性，不具有缓冲功能，人员穿戴安全性与舒适性较差等问题。本发明提出了一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，主要包括大腿组件1、仿人膝关节机构2、小腿组件3与驱动机构4。其中，仿人膝关节机构2是完全符合人体膝关节转动规律的旋转关节，关节旋转导轨按照人体膝关节转动轨迹设计，关节旋转中心能够适应关节转动过程中旋转中心及旋转半径的变化，克服了传统膝关节外骨骼机器人采用单轴旋转关节导致其与穿戴人员配合度低的缺点，提升了人机兼容性。同时，本发明对驱动机构4也进行了改进，驱动机构4采用一种串联柔性驱动器，遇到冲击时能够适当收缩进而缓冲碰撞产生的能量，同时还能够将能量吸收、存储、再利用，不仅提高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械振荡，减轻零部件的机械损伤，保障穿戴人员的使用安全性。

具体来说，如图1所示，本发明所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿组件1、仿人膝关节机构2、小腿组件3与驱动机构4，其中，大腿组件1、仿人膝关节机构2和小腿组件3组成了执行机构。大腿组件1与小腿组件3分别与仿人膝关节机构2相连接。驱动机构4通过电机支撑座415与大腿组件1固定连接，通过小腿连杆414与小腿组件3连接，从而驱动小腿组件3带动仿人膝关节机构2转动。

如图2所示，大腿组件1由大腿内侧板11、大腿外侧板12、大腿支撑杆13与大腿绑带板14组成。

大腿内侧板11和大腿外侧板12是两个具有对称结构的细长的支撑板；支撑板的上端的端部形状为半圆形，支撑板的下端为具有方形连接块的端部，支撑板上半部分的宽度小于下端的宽度。其中，方形连接块的下端具有内凹的弧形容纳部，弧形容纳部用于容纳小腿组件3的圆形上端，并与小腿组件3的圆形上端配合，允许小腿组件3的上端在其内部旋转。此外，在大腿内侧板11和大腿外侧板12下端的方形连接部相对的一侧分别设置有用于嵌入安装大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的空位，空位设置在方形连接部内部靠后的位置。当大腿内侧板11和大腿外侧板12与仿人膝关节机构2连接时，大腿内侧板11和大腿外侧板12下端的方形连接部靠前的部分闭合并固定在一起，大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22一起嵌入固定在两个方形连接块内部靠后的空位中，从而实现大腿组件1和仿人膝关节机构2的稳定连接。

大腿内侧板11和大腿外侧板12之间的距离上下等宽；在大腿内侧板11和大腿外侧板12之间设置有多个等长的大腿支撑杆13，多个大腿支撑杆13从上到下将大腿内侧板11和大腿外侧板12固定成一个整体；大腿绑带板14固定在大腿内侧板11的外侧，用于与绑带配合将大腿组件1固定在大腿的侧面。

小腿组件3由小腿内侧板31、小腿外侧板32、小腿支撑杆33与小腿绑带板34组成。小腿内侧板31和小腿外侧板32是两个具有对称结构的细长的支撑板，其下端的端部形状为半圆形，上端具有圆形的端部，其中，圆形端部的直径大于支撑板的宽度，圆形端部设置在大腿内侧板11和大腿外侧板12下端的弧形容纳部中，并且可以自由旋转。小腿内侧板31和小腿外侧板32之间的间距上下等宽；小腿内侧板31和小腿外侧板32之间的间距和大腿内侧板11和大腿外侧板12之间的间距等宽。在小腿内侧板31和小腿外侧板32之间设置有多个等长的小腿支撑杆33，多个小腿支撑杆33从上到下将小腿内侧板31和小腿外侧板32固定成一个整体；小腿绑带板34固定在小腿内侧板31的外侧，用于与绑带配合将小腿组件3固定在小腿的侧面。

如图3所示，仿人膝关节机构2包括大腿内侧连接件21、大腿外侧连接件22、小腿内侧连接件23、小腿外侧连接件24、移动块25、压缩弹簧i26、压缩弹簧ii27与连接块28。

其中，大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22是两个对称设置的长方体，大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的长度方向竖直设置。大腿内侧连接件21与大腿外侧连接件22相对的两个侧面连接并合为一体(参见图4)，大腿内侧连接件21的上端201与大腿内侧板11的下端连接，大腿外侧连接件22的上端201与大腿外侧板12的下端连接，大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的上端201一起嵌入固定在大腿内侧板11和大腿外侧板12下端的两个方形连接部的内部。在大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的内侧(相对一侧)分别开有长方形的直线槽202，直线槽202是盲孔结构，并在直线槽202的中部设置有长条形的通孔203，通孔203竖直设置在大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的外侧(相背一侧)。压缩弹簧i26、移动块25与压缩弹簧ii27依次按压在两个闭合的直线槽202内。移动块25优选为正方体移动块或长方体移动块。在移动块25的上下两侧面固定有连接柱，上侧的连接柱伸入压缩弹簧i26内，下侧的连接柱伸入压缩弹簧ii27内，便于压缩弹簧i26、移动块25和压缩弹簧ii27的安装。以图3中的方位为准，在移动块25的左右两侧面分别固定有圆柱形的连接柱205，固定在移动块25左侧的连接柱205从大腿外侧连接件22的通孔203内伸出并通过轴承设置在小腿外侧连接件24上的安装孔208内；固定在移动块25右侧的连接柱205从大腿内侧连接件21的通孔203内伸出并通过轴承设置在小腿外侧连接件23上的安装孔208内。在大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的下端的外部分别设置有一个圆柱块204，两个圆柱块204分别通过轴承安装在设置于小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24上的旋转导轨209中，随着小腿组件3的摆动，两个圆柱块204分别在旋转导轨209中滑动。随着圆柱块204在旋转导轨209中的滑动，移动块25在直线槽202中上下移动，移动块25两侧的圆柱形连接柱205在通孔203中上下移动。

小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24是两个等大的圆盘，小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24的大小与小腿内侧板31和小腿外侧板32上端的圆形端部的大小相同。小腿内侧连接件23的外侧与小腿内侧板31的上端重合后连接，小腿外侧连接件24的外侧与小腿外侧板32的上端重合后连接。小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24之间通过弧形连接块28连接，弧形连接块28的左右两侧分别与小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24的下半侧圆弧边沿固定，从而将小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24连接为一个整体(如图4所示)。弧形连接块28的宽度等于或略大于大腿内侧连接件21的厚度和大腿外侧连接件22的厚度之和。

如图5所示，在小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24上分别设置有安装孔208，安装孔208设置在小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24的上半部分，用于与设置在移动块25的左右两侧的圆柱形连接柱205通过轴承连接。在小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24上分别设置有根据人体膝关节运动轨迹设置的旋转导轨209，旋转导轨209的形状符合人体膝关节水平转动轴曲率中心的移动轨迹——j型曲线(参见图5)。设置在大腿外侧连接件21、大腿内侧连接件22的下端的外部的圆柱块204通过轴承安装于旋转导轨209中，并可沿旋转导轨209移动。

当小腿组件3运动时带动连接其上的仿人膝关节机构2中的小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24转动，设置在大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22的下端的外部的圆柱块204装配轴承沿小腿内侧连接件23和小腿外侧连接件24上根据人体膝关节运动轨迹设置的旋转导轨209运动，大腿内侧连接件21和大腿外侧连接件22内部的移动块25随着膝关节旋转半径的变化而上下运动，从而实现仿人膝关节运动。

在小腿组件3摆动的过程中，随着圆柱块204在旋转导轨209内滑动以及移动块25在直线槽202中上下移动，大腿组件1和小腿组件3的旋转中心(移动块25)发生上下移动，并且，移动块25和圆柱块204之间的距离构成变化的旋转半径，从而模拟人体膝关节运动。

如图6所示，驱动机构4包括驱动电机组件41、丝杠轴42、直线导轨43、输出轴44、丝杠螺帽45、上层连接板46、中层连接板47、下层连接板48、支撑板49、固定板410、压缩弹簧411、拉线式位移传感器412、小腿连杆连接块413、小腿连杆414与电机支撑座415。

其中，驱动电机组件41设置在整个驱动机构4的上端，驱动电机组件41通过电机支撑座415与大腿组件1中的大腿内侧板11和大腿外侧板12固定。

小腿连杆连接块413设置在整个驱动机构4的下端，小腿连杆连接块413通过小腿连杆414与小腿组件3中的小腿内侧板31和小腿外侧板32连接；小腿连杆连接块413与小腿连杆414、小腿连杆414与小腿侧板(包括小腿内侧板31和小腿外侧板32)分别通过连杆轴铰接，使得小腿连杆414可带动小腿组件3摆动。

支撑板49设置在驱动电机组件41和小腿连杆连接块413之间，丝杠轴42的上端和下端分别与驱动电机组件41和支撑板42连接，丝杠轴42在驱动电机组件41的驱动下旋转。

上层连接板46、中层连接板47和下层连接板48依次设置在驱动电机组件41和支撑板49之间。固定板410将上层连接板46与下层连接板48连接在一起。

丝杠轴42依次穿过上层连接板46、中层连接板47和下层连接板48。在丝杠轴42上设置有丝杠螺帽45，丝杠螺帽45设置在上层连接板46和中层连接板47之间，并且，丝杠螺帽45与中层连接板47固定，随着丝杠轴42的旋转，丝杠螺帽45带动中层连接板47沿着丝杠轴42上下移动。

直线导轨42和输出轴44分别呈对角线布置。

直线导轨42的两端分别与驱动电机组件41和支撑板49固定连接。两根直线导轨42分别通过固定直线轴承穿过上层连接板46、中层连接板47与下层连接板48的对角线位置。

输出轴44的两端分别与上层连接板46和小腿连杆连接块413固定连接。两根输出轴44分别通过固定直线轴承穿过中层连接板47、下层连接板48与支撑板49的另一对角线位置。

在每根输出轴44上分别套设有两个压缩弹簧411，其中一个压缩弹簧411设置在上层连接板46和中层连接杆47之间，另一个压缩弹簧411设置在中层连接板47和下层连接板48之间。

在上述驱动机构4中，驱动电机组件41驱动丝杠轴42旋转；丝杠螺帽45与中层连接板47连接，通过丝杠轴42旋转实现丝杠螺帽45沿丝杠轴42的直线运动，从而带动与其连接的中层连接板47沿直线导轨43移动；然后，通过压缩弹簧411作用于上层连接板46与下层连接板47，带动与上层连接板46连接的输出轴44沿直线运动；输出轴44带动小腿连杆连接块413和小腿连杆414运动。在上述驱动过程中，通过弹簧连接机构驱动输入与输出实现柔性驱动。

此外，拉线式位移传感器412固定于支撑板49下方，拉线式位移传感器412的拉线缚于小腿连杆连接块413上，随小腿组件3的摆动而实现往复运动，以实时测量小腿组件3的运动信息。拉线式位移传感器412和驱动机构4的控制单元连接，控制单元用于根据拉线式位移传感器412的测量结果对驱动电机组件的驱动力及驱动速度进行控制。

下面结合图7所示的工作流程对本发明所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人的工作工程进行介绍。

工作开始时，人员穿戴膝关节助力外骨骼机器人，通过绑带分别固定好大腿绑带板14与小腿绑带板34。大腿组件1通过大腿内、外侧板与仿人膝关节机构2的大腿内、外侧连接件连接，小腿组件3通过小腿内、外侧板与仿人膝关节机构2的小腿内、外侧连接件连接。驱动机构4通过电机支撑座415与大腿组件1固定连接，通过小腿连杆414与小腿组件3连接，从而驱动机构4可以驱动小腿组件3带动仿人膝关节机构2转动。

如图7所示，人员开始行走作业，拉线式位移传感器412实时测量小腿组件3的运动信号，驱动电机组件41根据小腿组件3的运动调节驱动力及驱动速度，带动丝杠轴42旋转。直线导轨43与输出轴44呈对角线布置，直线导轨43的两端分别与驱动电机组件41和支撑板49固定连接，输出轴44的两端分别与上层连接板46和小腿连杆连接块413固定连接。设置在丝杠轴42上的丝杠螺帽45与中层连接板47连接，通过丝杠轴42旋转实现丝杠螺帽45沿丝杠轴42的直线运动，带动与丝杠螺帽45连接的中层连接板47沿直线导轨43移动，然后通过压缩弹簧411作用于上层连接板46与下层连接板48，带动与上层连接板46连接的输出轴44沿直线运动；通过弹簧连接机构驱动输入与输出从而实现柔性驱动，遇到冲击时能够适当收缩进而缓冲碰撞产生的能量，起到缓冲减震作用。输出轴44沿直线运动通过小腿连杆连接件413带动小腿连杆414运动，小腿连杆414带动小腿组件3往复摆动。

小腿组件3通过小腿内、外侧板同时带动仿人膝关节机构2的小腿内、外侧连接件转动，设置在大腿内、外侧连接件下端的外部的圆柱块204沿根据人体膝关节运动轨迹设置的旋转导轨209运动，同时使得长方形直线槽202内的移动块25根据关节运动轨迹实时改变位置，适应关节转动过程中旋转中心及旋转半径的变化，从而配合人员行走时膝关节的运动规律。

工作结束时，人员停止行走，解开大、小腿绑带后脱下即可。

综上所述，本发明所提供的具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿组件、仿人膝关节机构、小腿组件与驱动机构。其中，仿人膝关节机构是完全符合人体膝关节转动规律的旋转关节，关节旋转导轨按照人体膝关节转动轨迹设计，关节旋转中心是一可按直线槽位移的移动块，根据关节运动轨迹实时改变位置，能够适应关节转动过程中旋转中心及旋转半径的变化，克服了传统膝关节外骨骼采用单轴旋转关节导致其与穿戴人员配合度低的缺点，提升了人机兼容性。另外，驱动机构采用一种串联柔性驱动器，使驱动过程中具有一定的旋转位移容错率，遇到冲击时能够适当收缩进而缓冲碰撞产生的能量，同时还能够将能量吸收、存储、再利用，不仅提高了能量利用率，而且从一定程度上消除机械振荡，减轻零部件的机械损伤，保障穿戴人员的使用安全性。上述具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人，无论从关节结构还是驱动机理上都与人体膝关节十分类似，克服了传统膝关节外骨骼机器人的缺点，具有较强的市场竞争力。

以上对本发明所提供的一种具有仿人膝关节的膝关节助力外骨骼机器人进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。