一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构及机器人的制作方法

本发明涉及人体穿戴的无源外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构及机器人，该设备通过在下肢膝关节和腰关节处提供可以适配调节的辅助转矩以增强穿戴者下肢力量和耐性，缓解穿戴者长时间工作造成重复性劳损，对于执行工作面在底面上的重复任务非常有效，可应用于军事、工业、救援、医疗、商业等领域。

背景技术：

随着社会发展，全球老龄化、医疗康复以及抢险救灾等问题愈发突出，外骨骼机器人作为一种能够辅助并增强人体机能的穿戴式机器人，其可以将人体的智力与机器人的体力进行完美结合，实现单纯机器人完成不了的复杂运动，具有非常广泛的应用前景。

面向蹲起负重的下肢膝关节和腰关节外骨骼是外骨骼机器人研究的重要分支，主要用于辅助人体负重起立、搬运物资起立等方面。目前外骨骼按其能量来源可分为：电机驱动、气动驱动、液压驱动以及被动储能。

上述驱动源主要利用传感器感知人体运动意图，并通过控制程序驱动执行机构将力施加于穿戴者，均属于主动有源外骨骼。现阶段由于意图感知、柔顺控制等的技术瓶颈，经常会引起穿戴者的不适，同时由于其系统复杂，存在可靠性低、成本高、续航短、穿戴体验差的缺点。为解决上述问题，被动无源的外骨骼慢慢成为主流方案之一。

现有下肢腰关节和膝关节助力无源外骨骼主要通过机械装置在下肢蹲起运动过程为其提供固定大小辅助力，但由于尺寸、重量的限制，其输出转矩都固定值，仅能针对已知轻小负载，提供一定比例的助力，无法满足不同工作场景的转矩助力的需求，需要为特别人群和特别应用场景预定生产，这会导致产量降低，无法普及，实用性交底，另外，由于特别预定，还会增加成本。根据需求分析，下肢膝关节和腰关节助力外骨骼需要根据不同的穿戴者和不同的搬运起立场景的不同驱动力来保证驱动关节合理输出符合人体承受极限的转矩力，需要较小的质量和体积功率比来实现外骨骼在室外等复杂环境中独立工作的能力。如在医疗康复领域应用于患者穿戴时，患者做蹲起训练时或者辅助老年人起立时，由于膝关节和腰关节的转矩力无法调整，较小时，无法具有辅助力量受限的患者或老年人起立，较大时，蹲起训练效果无法达到，并且蹲下的时候由于关节的反作用力较大，会对穿戴者腿部及关节造成损伤；在运输工业中应用于操作工人穿戴时，由于膝关节和腰关节的转矩力无法调整，对于需要做往复蹲起工作的工人来说，小转矩的辅助力无法满足需求，导致操作工人十分疲累。因此，对尺寸、重量、输出转矩、穿戴舒适性有严格要求的下肢膝关节和腰关节助力外骨骼来说，可调节的转矩助力问题亟待解决。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无源外骨骼的下肢可按需调配助力大小的关节结构，为适配增强不同穿戴者在不同应用场景、不同腿部力量和耐性需求提供结构简单、运动灵活的解决方案，能够实现对穿戴者较为舒适助力的重量负载的蹲起起立。

一方面，本发明提供一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构，其包括关节基座、关节转臂、卷簧部、棘轮部和棘爪锁定部；

所述关节基座和所述关节转臂之间具有一个自由度，该自由度所在的轴线与人体关节同轴，使得关节基座和关节转臂所连接的外骨骼下肢的大小腿之间的符合人体运动学的反关节转动；

所述卷簧部设置于所述关节基座和所述关节转臂之间，用于在所述自由度的轴线方向上固定所述关节基座和所述关节转臂；优选的，所述卷簧部至少部分嵌设于所述关节基座内与之转动连接；

所述棘轮部设置于所述关节基座的外部，并且与所述卷簧部位于所述关节基座内部的侧面固定连接，用于带动卷簧部转动调整预紧力；

所述棘爪锁定部设置于所述关节基座的上方，用于将卷簧部具有预紧力传递至关节基座转化为转矩力，使得关节基座和关节转臂之间形成反关节扭矩力。

在一些优选的实施方式中，所述关节基座至少设置有一个，并且位于所述关节转臂至少一侧；

和/或，所述关节基座设置有一个，所述关节基座位于所述关节转臂远离人体关节内侧的一侧；

和/或，所述关节基座设置有两个，两个所述关节基座按所述自由度的轴线分布并位于所述关节转臂远离人体关节内侧的一侧；

和/或，所述关节基座设置有两个，两个所述关节基座按所述自由度的轴线分布并对称布置于所述关节转臂的两侧。

在一些优选的实施方式中，所述关节基座至少一侧面上形成有凹槽。

在一些优选的实施方式中，所述关节基座两侧均设有凹槽，所述凹槽呈圆形，两个所述凹槽在所述自由度上同轴线但直径大小不同；大直径所述的凹槽用于安装所述卷簧部并且与之转动连接，小直径所述的凹槽用于安装所述棘轮部，使得卷簧部与所述棘轮部连接为一体。

在一些优选的实施方式中，所述关节转臂中心形成有一加强部，所述加强部与所述凹槽内转动连接的卷簧部固定连接。

在一些优选的实施方式中，所述加强部为铝合金、铁、碳钢材质的多边形。

在一些优选的实施方式中，所述加强部的形状为正方形或者圆形或者六边形或者三角形。

在一些优选的实施方式中，所述卷簧部包括与所述自由度在同轴线上的关节端盖、卷簧旋转轴、卷簧及卷簧座，所述卷簧座用于包裹式卡接卷簧的外圈端部,并且可转动的安装于大直径的所述凹槽内，所述卷簧的中心圈端部与所述卷簧旋转轴卡接，所述关节端盖用于套接式径向固定所述卷簧旋转轴并且与所述关节基座的侧面固定连接，所述卷簧旋转轴伸出至所述关节端盖外部的一端与所述加强部中心固定连接。

在一些优选的实施方式中，所述卷簧旋转轴上形成有一阶梯段，该阶梯段的直径大于所述卷簧旋转轴的直径，使得卷簧旋转轴与所述关节端盖和所述卷簧座之间的定位卡接。

在一些优选的实施方式中，在所述卷簧旋转轴上套接有位于所述阶梯段两侧的自润滑轴承套，该自润滑轴承套分别用于承接所述关节端盖和所述卷簧座。

在一些优选的实施方式中，所述卷簧旋转轴与所述加强部连接处形成有一多边嵌塞部，该多边嵌塞部包括设置于所述卷簧旋转轴端部的多边轴和贯穿在所述加强部中心与所述多边轴相适配的多边孔。

在一些优选的实施方式中，所述棘轮部包括与所述自由度的轴线同轴的固定盘、棘轮和棘轮转盘，所述固定盘通过嵌塞式可转动地安装于小直径所述的凹槽中，用于固定连接所述卷簧部，所述固定盘侧面上设有中心对称的多个卡槽，所述卡槽贯穿至所述固定盘的外轮廓线，所述棘轮盘中部套接整个所述固定盘与之卡接，所述棘轮内部设有与所述卡槽相适配的凸出部，所述棘轮转盘固定连接在所述棘轮的一侧。

在一些优选的实施方式中，所述固定盘与所述卷簧部之间、所述棘轮与所述固定盘之间、及所述固定盘与所述棘轮转盘之间分别通过螺钉固定连接。

在一些优选的实施方式中，所述棘爪锁定部包括棘爪、棘爪推杆、扭簧过渡板、扭簧及定位螺杆，所述扭簧过渡板安装于所述关节基座上方中部，所述定位螺杆贯穿所述棘爪并与之转动连接，所述定位螺杆贯穿所述扭簧过渡板与所述关节基座固定连接，在所述定位螺杆上调节有位于所述棘爪和所述关节基座之间的扭簧及扭簧套，所述扭簧卡接与所述扭簧过渡板之间。

在另一方面，还提供一种无源外骨骼机器人，包括上述无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构。

在一些优选的实施方式中，还包括与无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构连接的大小腿结构及上肢。

与现有技术相比，本发明的实施例的有益效果有：

无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构具有一个自由度的可调节反关节转矩力的关节转臂和关节基座，在该自由度上形成有位于关节转臂和关节基座之间的可调节反关节转矩力的的卷簧部和棘爪部实现，并且在关节基座上设有限制棘爪部并将其转矩力承接至关节转臂上的棘爪锁定部，另外，该自由度与人体的膝关节和腰关节同轴线，使得穿戴者在与本实施例外骨骼完美结合正常行走下进行符合需求关节辅助力的负重蹲起起立，增强使用者的腿部力量，同时使用者的舒适度也比较高。使用者在进行往复的蹲起负重搬运工作时，可缓解关节部位的损伤，反关节转矩力可调可以适用于更多的应用场景。

附图说明

图1为本发明的实施例的外骨骼机器人的整体结构示意图；

图2为本发明的实施例的关节结构的一种结构示意图；

图3为图2中实施例的关节结构的立体结构示意图；

图4为本发明的实施例的关节结构的另一种结构示意图；

图5为本发明的实施例的关节结构的另一种结构示意图；

图6为本发明的实施例的关节结构的爆炸视图；

图7为图6中的关节结构的另一种角度的爆炸视图；

图8为本发明的实施例的棘轮与固定盘配合的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图8及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”“左”“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例提供一种外骨骼机器人，由使用者比如人穿着，可以增强使用者的机能，比如增强人体机能。

参考图1，本实施例的外骨骼机器人包括关节结构100、大腿结构300、小腿结构200及上肢结构400。关节结构100与大腿结构300、小腿结构200及上肢结构400连接，具体是固定连接，作为连接结构配合使用，使大腿结构300、小腿结构200及上肢结构400之间互相和转动连接。

参考图2和3，本实施例的无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构100具有一个自由度上相互转动的关节基座102和关节转臂101，即该自由度所在的轴线x与关节基座102和关节转臂101仅绕一个自由度的轴线x转动，特别的，该改自由度的轴线x还与人体的膝关节和腰关节转动的轴线同轴，那么相互转动的关节基座102和关节转臂101轴线x与人体的膝关节和腰关节的转动轴线同轴，使得穿戴着和外骨骼完全结合为一体，舒适感较高，因此，关节转臂101和关节基座102可提供所连接的外骨骼下肢的大腿结构300和小腿结构200的关节转动节点的支撑作用。在此基础上，在关节转臂101和关节基座102之间设有也在自由度的轴线x上的卷簧部103，卷簧部103在轴线x方向上固定关节转臂101和关节基座102，并且卷簧部103部分嵌设并转动连接安装在关节基座102内，也即卷簧部103主体嵌设在关节基座102内与之转动连接，但在轴线x方向上不可移动，更明了的说，关节转臂101和关节基座102之间的转动连接通过卷簧部103连接，并且卷簧部103部分嵌设在关节基座102内与之转动连接。为了能够使卷簧部103的预紧力可以通过外部的驱动结构调整，将关节基座的一侧设置有棘轮部104，棘轮部104与嵌设在关节基座102内的卷簧部103固定连接，并且棘轮部104的轴线也与轴线x同轴，即棘轮部104设置在位于关节基座102上与卷簧部103相对应的另一侧，并且与之卷簧部103和关节基座102转动的轴线同轴，该轴线也与轴线x同轴，在调整卷簧部103的预紧力时，通过棘轮部104手动转动即可带动在关节基座102内转动的卷簧部103转动，而卷簧部103相对关节转臂101在径向转动方向上固定，即可将卷簧部103的预紧力提高。为了使预紧后的同轴固定的卷簧部103和棘轮部104相对关节转臂101固定的释放预紧力，并将预紧力传递至关节基座102，使关节基座102跟随卷簧部103释放预紧力所带动的棘轮部104在轴线x上的方向转动的运动转程，将关节基座102的上方设置一棘爪锁定部105，棘爪锁定部105可与棘轮部104实现离合配合，用于将卷簧部103具有的预紧力释放出所转化出的扭矩力传递至关节基座102，使关节基座102相对关节转臂101做反关节的转动，从而可以辅助穿戴着膝关节和腰关节的负重感降低。需要说明书的是，本发明的实施例包括实施例并不限于本实施例，任何在同一轴线上通过预紧力调整关节转矩辅助力的方案均落入本发明保护范围内。

由于外骨骼是穿戴人体上的，需要考虑到具体穿戴时的舒适性，在能保证舒适性的前提下，将关节基座102和关节转臂101之间的连接关系及位置做出如下实施，并且关节基座102至少设置有一个，关节转臂101只设置一个，并且位于所述关节转臂101至少一侧。参阅图2，关节基座101设置一个，关节基座101设置在关节转臂101的一侧，该侧为与关节转臂101与人体接触一侧的反面，此种的关节结构100可以提升舒适度，避免对穿戴着的关节部位造成挤压损伤；参阅图4，关节基座102还可以设置两个，关节基座102呈对称的分布在关节转臂101的两侧，此种的关节结构100可以增加关节部的强度和关节结构100的扭矩力调节上限。参阅图5，关节基座102可以设置两个，两个关节基座102可以等距排布在关节转臂101的一侧，此种结构可以增加关节结构100的扭矩力调节上限。

参阅图6和7，关节基座102在两个侧面上至少具有一个凹槽，在本实施例中，示例的，在关节基座102两侧分别具有一个凹槽，两个凹槽的直径大小不同，并且轴心线均与轴线x同轴，大直径的凹槽1022用于安装卷簧部103，即卷簧部103镶嵌并可转动地安装于大直径的凹槽1022内，在轴线x方向上固定于凹槽1022内并且在径向上可转动，使得卷簧部103可在关节基座102静止不动的状态下实现调整预紧力，从而可以在保证关节基座102连接大腿结构300及关节转臂101连接小腿结构200与穿戴者身体结合的状态下自行调整预紧力，并将预紧力最终可转化为关节的转矩力。另外一个凹槽的直径较小，在本实施例中，小直径的凹槽1021的直径为大直径的凹槽1022的1/2，小直径的凹槽1021与大直径的凹槽1022连通，将棘轮部104安装于小直径的凹槽1021内，使得棘轮部104与卷簧部103连接，通过操作棘轮部104即可带动卷簧部103转动，实现在上述卷簧部103的结构配合下将其进行预紧力加设，可解决部分卷簧预紧力驱动的方式无法预紧力加设、卷簧预紧力固定、卷簧预紧力假设不便利等的问题。

参阅图6和7，在本实施例中，卷簧部103具有一个可以相适配安装于大直径的凹槽1022内的卷簧座1038、安装于卷簧座1036内的卷簧1036、卷簧旋转轴1034及关节端盖1031，即卷簧1036卡接安装与卷簧座1038内，而卷簧座1038安装于关节基座102的大直径的凹槽1022内，并且可以整体转动，在本实施例中，卷簧1036的外圈端部通过突出的端部与卷簧座1038的外壁设有的缝隙卡接，在卷簧1036的中心圈端部设有向中心弯曲的突出端部与卷簧旋转轴1034卡接，在实施例中，示例的，在卷簧旋转轴1034的端部设有用于卡接卷簧1036中心的突出端部的缝隙，从而可使卷簧旋转轴1034在轴线x的方向上贯穿卷簧1036的中心并且还可与之在径向转动上形成固定连接，便于将卷簧1036的预紧力转化为卷簧旋转轴1034的扭矩力，另外，由于卷簧旋转轴1034贯穿卷簧1036后需要插进卷簧座1038内的中心与之转动连接，一方面便于卷簧旋转轴1034的固定，另一方面可以使卷簧1036的预紧力转化为卷簧旋转轴1034的扭矩力稳定性，此外，为了在轴线x方向便于直接定位的安装卷簧旋转轴1034，并且使卷簧旋转轴1034在与卷簧1036套接及卡接的内圈的稳定，在卷簧旋转轴1034上形成有一直径较大的阶梯段1035，使得卷簧旋转轴1034在轴线x方向上插入卷簧1036内，阶梯段1035位于卷簧1036内支撑其内圈，卷簧旋转轴1034的端部深入卷簧座1038内与之转动连接同时固定。安装与关节基座102的大直径的凹槽1022内的卷簧座1038、卷簧1036通过关节端盖1031封装在大直径的凹槽1022内，而关节端盖1031中心套接在卷簧旋转轴1034上，使其裸露出用于与关节转臂101连接，具体的，关节端盖1031的直径大于大直径的凹槽1022的直径，通过轴向分布的螺孔及螺钉与关节基座1031的端部连接。

参阅图6和7，在本实施例中，棘轮部104的具有一个固定盘1044、棘轮1042和棘轮转盘1041，固定盘1044为圆形结构，可以嵌设在小直径的凹槽1021内，通过圆周设置的螺孔和螺钉与卷簧座1038固定连接，即在实现固定盘1044与卷簧座1038同轴转动的配合下，将固定盘1044与卷簧座1038固定连接，用于将卷簧座1038的手动输出转动点引出至关节基座102的另一侧外部，在固定盘1044上通过圆周分布的螺孔和螺钉安装有棘轮1042，棘轮1042的外侧通过周向分布的螺钉固定连接有棘轮转盘1041，即在需要转动卷簧座1038进而带动卷簧1036的外圈转动使其进行预紧力增加时，通过手持棘轮转盘1041转动，即可同步带动棘轮1042、固定盘1044和卷簧座1036转动。特别的，在本实施例中，示例的，参阅图8，在固定盘1044侧面上形成有中心对称的三个卡槽1045，该卡槽1045贯穿至固定盘1044的外轮廓线外，即贯穿侧面及一个端面，为了使棘轮1042可适配性的安装于固定盘1044上，在棘轮1042中心为与固定盘1044整体相适配的圆孔，在圆孔的内壁上形成有与卡槽1045相适配的凸出部1043，因此，在安装时将棘轮1042的中心圆孔及凸出部1043直接卡接在整个固定盘1044上及其卡槽1045中，使得棘轮1042可稳固卡接在固定盘1044上，还可使固定盘1044端面直接与棘轮转盘1041接触通过螺钉固定。

参阅图6和7，本实施例的棘爪锁定部105具有棘爪1045、棘爪推杆1045、扭簧过渡板1056、扭簧1053及固定螺杆1055，扭簧过渡板1056安装于关节基座102上方中部，定位螺杆1055贯穿棘爪1045并与之转动连接，定位螺杆1055贯穿扭簧过渡板1056与关节基座102固定连接，在定位螺杆1055上调节有位于棘爪1045和关节基座102之间的扭簧1053及扭簧套1052，扭簧1053卡接于扭簧过渡板1056之间，棘爪1045与棘轮1042的棘刺接触，限制棘轮1042的转动，并将棘轮1042上的转矩力传输至关节基座102上，也即将卷簧部103、关节基座102和棘轮部104连接为一体，从而使关节结构的转矩力具有适应性的可调。

参阅图6和7，值得说明的是，为了降低卷簧旋转轴1034与关节端盖1031和卷簧座1038之间的转动摩擦力和使用寿命，以及保证卷簧1036的预紧力的稳定释放，使得关节结构100自身的润滑性转动，在卷簧旋转轴1034与关节端盖1031和卷簧座1038之间均设有套接在卷簧旋转轴1034上的自润滑轴承套1032，自润滑轴承套1032同步地还套接在关节端盖1031和卷簧座1038的中心孔内。

参阅图6和7，值得说明的是，在关节转臂101的中心处形成有一加强部1011，加强部1011为铝合金或者铁或者碳钢材质的多边形，在本实施例中，示例的，加强部1011位铝合金材质的六边形，使得卷簧旋转轴1034与关节转臂101的动力连接处强度得以提升，因为在为了提升穿戴着的舒适感，关节转臂101一般为abs材质，但是在卷簧旋转轴1034的转矩力较大情况下，转臂较短时，关节转臂101的中心安装部为极易涨裂，滑丝，导致卷换旋转轴1034的与关节转臂101的传力失效。当然，加强部的具体形状和材质并不限于本实施例。

参阅图6和7，特别的，卷簧旋转轴1034与加强部1011的连接处形成多边嵌塞部，该多边嵌塞部具体为分别位于关节转臂101的加强部1011中心的多边孔1012及位于卷簧旋转轴1034端部与之相适配的多边轴1033，使得卷簧旋转轴1034与关节转臂101之间的动力连接，及连接的便利性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。