一种基于柔性机构的被动式负重外骨骼机器人

本发明涉及机器人，尤其涉及负重外骨骼机器人，可应用于负重行军、崎岖山路运输等活动，可降低人体负重对于人体的负面影响，减少长时间负重行走的人体代谢能耗。

背景技术：

1、负重行走在人类生活中是一种很常见的活动，如士兵的野外行军、人员的搜救、地质勘察等。在上述活动中，人体往往要背负数十公斤物资进行各种作业，肌骨系统的协同运动需要消耗人体大量的代谢能，同时对人体关节带来巨大的压应力，如此高强度的负重作业，一方面会大大增加人体的能量消耗，极大降低人体的持续机动能力，另一方面也会大幅增加关节负荷，甚至诱发肌骨系统的炎症与病变。

2、目前国际上用于负重的外骨骼多为主动外骨骼，其质量沉重、结构复杂、能源有限的特点导致了其无法广泛适用，相较于主动外骨骼，被动外骨骼由于不需要额外动力源，具有轻便简单、适用性强等优点，因此为了解决主动外骨骼的局限性，本发明着眼于被动外骨骼，为了能够在不干涉人体运动的情况下将一部分的负载质量通过外骨骼直接传递至地面，有效减轻负载对人体的压力，从而辅助人体负重运动，增强人体的运动能力。

技术实现思路

1、本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于柔性机构的被动式负重外骨骼机器人，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是：

3、无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，包括背部机架结构、腿部框架结构、柔性机构模块、脚底连接结构。

4、按上述技术方案，所述背部机架结构包括后背底板1、背部连接块2、压力传感器3、万向联轴器16、电池箱12、肩带8、背板架子9、扣子10、腰带11，所述后背底板1用于承载重物，且通过螺纹连接与外骨骼腿部框架结构连接，所述背部连接块2主要将万向联轴器16与后背底板1连接，保证背部的自由度与人体相同，所述压力传感器2主要用于测量重物传递至外骨骼腿部框架结构的力，检测外骨骼性能，所述肩带8、背板架子9、扣子10、腰带11用于将背板与人体上半身固定，保证人体能背负起背部机架结构。

5、按上述技术方案，所述腿部框架结构包括传感器下部连接块17、减震弹簧柱4、减震弹簧18、大方管5、小方管6、右侧脚底连接板19、脚后跟弹簧柱7、脚后跟弹簧20、橡胶座21，所述减震弹簧柱4、减震弹簧18主要用于减少人体行走时负重重物质心的高度变化，所述大方管5主要用于传递重物的重力，主要通过管壁与柔性机构23的摩擦实现，所述小方管6及其内部元件与人体脚踝连接，由人体脚踝运动带动其运动，并且小方管6可在大方管5内以基本无干涉的状态自由滑动，所述脚后跟弹簧柱7、脚后跟弹簧20主要用于辅助人体行走，为人体行走过程中提供助力。

6、按上述技术方案，所述柔性机构模块包括推动杆22、柔性机构23、连接柱24、小方管连接块25、左侧脚底连接板26、右侧脚底连接板19、脚后跟弹簧20、橡胶座21、压板29，所述柔性机构23主要分为五层，每层设计为柔性的sarrus机构，用软胶材料加工，可进行压缩变形，在压缩过程中可与大方管5壁面接触产生摩擦，所述推动杆22主要维持柔性机构23位于大方管6中心位置防止其发生大的倾斜，所述左侧脚底连接板26、右侧脚底连接板19主要用于连接脚底连接结构，并且给脚后跟弹簧20提供向上运动的限制，所述压板29、连接柱24通过小方管连接块25与小方管6连接，可对柔性机构23进行压缩变形。

7、按上述技术方案，所述脚底连接结构包括左侧脚底连接板26、右侧脚底连接板19、脚后跟弹簧柱7、脚后跟弹簧20、橡胶座21、脚后跟转轴27、脚后跟后侧板13、弹簧片14、前脚掌底板15、脚后跟底板28，所述脚后跟转轴27保证脚踝运动自由度能够符合正常人体行走的要求，所述弹簧片14用于在脚跟抬起时保证脚后跟底板13与前脚掌底板15之间能产生一定的旋转，降低穿戴外骨骼时行走时的不适感，所述脚后跟底板13、前脚掌底板15开槽处用于安置尼龙绑带，将脚部连接机构与人体脚踝连接，保证穿戴的合理性。

8、按上述技术方案，在综合考虑人体负重特点与步态行走的规律后，其设计的最大亮点在于，所述柔性机构23受人体行走时运动中压板的位置变化，使得柔性机构23产生压缩变形，纵向尺寸变小，横向尺寸变大直到挤压大方管5产生足够承受重物的摩擦力后仍可向下运动，柔性机构23向下运动至脚后跟底板28完成接触地面，在人体行走的单腿支撑态完成重物负重，在单腿支撑态向摆动态转变过程中，脚后跟抬起的前一半时期由于摩擦力仍足以承担重物重力，故人体仍无需承担该部分的负重，直到进入另一只腿的单腿支撑态，柔性机构23才结束与大方管5壁面的接触，使得这一支外骨骼腿进入自由运动阶段。

9、相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

10、1. 本文针对现有技术目前存在的问题，提出了一种利用柔性机构的压缩变形性质，可以将重力通过柔性材料与刚性材料的挤压摩擦传递至地面的一种新型负重外骨骼机器人。

11、2. 本文提出的一种基于柔性机构的被动式负重外骨骼机器人，其主要优势在于其无需额外的外部能源输入，便可提高人体的负重能力，降低负重对于人体的负面影响，设计中充分考虑了负重行走的特点与材料的性质，设计出了整体外骨骼结构。。

技术特征：

1.一种基于柔性机构的被动式负重外骨骼机器人，其特征在于包括背部机架结构、腿部框架结构、柔性机构模块、脚底连接结构，所述背部机架结构用于承载额外负重的重物，其位于外骨骼的上端，与人体背部连接，所述腿部框架结构用于连接背部机架结构和脚底连接结构，所述柔性机构模块处于腿部框架机构内部，通过压缩变形实现锁死以完成重物重力的传递，所述脚底连接结构考虑人体工程学设计的特点，用于将外骨骼腿部框架结构与人体脚踝部分连接起来。

2.根据权利要求1所述的被动式负重外骨骼机器人，其特征在于，所述背部机架结构包括后背底板、背部连接块、压力传感器、万向联轴器、电池箱、肩带、背板架子、扣子、腰带，所述后背底板用于承载重物，且通过螺纹连接与外骨骼腿部框架结构连接，所述背部连接块主要将万向联轴器与后背底板连接，保证背部的自由度与人体相同，所述压力传感器主要用于测量重物传递至外骨骼腿部框架结构的力，检测外骨骼性能，所述肩带、背板架子、扣子、腰带用于将背板与人体上半身固定，保证人体能背负起背部机架结构。

3.根据权利要求1所述的被动式负重外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部框架结构包括传感器下部连接块、减震弹簧柱、减震弹簧、大方管、小方管、右侧脚底连接板、脚后跟弹簧柱、脚后跟弹簧、橡胶座，所述减震弹簧柱、减震弹簧主要用于减少人体行走时负重重物质心的高度变化，所述大方管主要用于传递重物的重力，主要通过管壁与柔性机构的摩擦实现，所述小方管及其内部元件与人体脚踝连接，由人体脚踝运动带动其运动，并且小方管可在大方管内以基本无干涉的状态自由滑动，所述脚后跟弹簧柱、脚后跟弹簧主要用于辅助人体行走，为人体行走过程中提供助力。

4.根据权利要求1所述的被动式负重外骨骼机器人，其特征在于，所述柔性机构模块包括推动杆、柔性机构、连接柱、小方管连接块、左侧脚底连接板、右侧脚底连接板、脚后跟弹簧、橡胶座、压板，所述柔性机构主要分为五层，每层设计为柔性的sarrus机构，用软胶材料加工，可进行压缩变形，在压缩过程中可与大方管壁面接触产生摩擦，所述推动杆主要维持柔性机构位于大方管中心位置防止其发生大的倾斜，所述左侧脚底连接板、右侧脚底连接板主要用于连接脚底连接结构，并且给脚后跟弹簧提供向上运动的限制，所述压板、连接柱通过小方管连接块与小方管连接，可对柔性机构进行压缩变形。

5.根据权利要求1所述的被动式负重外骨骼机器人，其特征在于，所述脚底连接结构包括左侧脚底连接板、右侧脚底连接板、脚后跟弹簧柱、脚后跟弹簧、橡胶座、脚后跟转轴、脚后跟后侧板、弹簧片、前脚掌底板、脚后跟底板，所述脚后跟转轴保证脚踝运动自由度能够符合正常人体行走的要求，所述弹簧片用于在脚跟抬起时保证脚后跟底板与前脚掌底板之间能产生一定的旋转，降低穿戴外骨骼时行走时的不适感，所述脚后跟底板与前脚掌底板开槽处用于安置尼龙绑带，将脚部连接机构与人体脚踝连接，保证穿戴的合理性。

6.根据权利要求2、3、4、5所述的被动式负重外骨骼机器人，在综合考虑人体负重特点与步态行走的规律后，其设计的最大亮点在于，所述柔性机构受人体行走时运动中压板的位置变化，使得柔性机构产生压缩变形，纵向尺寸变小，横向尺寸变大直到挤压大方管产生足够承受重物的摩擦力后仍可向下运动，柔性机构向下运动至脚后跟底板完成接触地面，在人体行走的单腿支撑态完成重物负重，在单腿支撑态向摆动态转变过程中，脚后跟抬起的前一半时期由于摩擦力仍足以承担重物重力，故人体仍无需承担该部分的负重，直到进入另一只腿的单腿支撑态，柔性机构才结束与大方管壁面的接触，使得这一支外骨骼腿进入自由运动阶段。

技术总结
本发明公开了一种基于柔性机构的被动式负重外骨骼机器人，包括背部机架结构、腿部框架结构、柔性机构模块、脚底连接结构，所述背部机架结构用于承载重物，安装在外骨骼机器人整体的上部，穿戴时与人体背部贴合，所述腿部框架结构位于背部机架结构下方，通过万向联轴器相连，所述柔性机构模块位于腿部框架结构内部，通过压缩变形完成重物重力传递到地面的功能，所述脚底连接结构主要用于将外骨骼腿部与人体脚踝连接，方便人体带动外骨骼运动。该基于柔性机构的被动式负重外骨骼机器人将柔性机构与刚性机构结合，且不借助其他附加能源实现提高人体负重能力的功能，具有轻便且能耗低的特点，对于被动式负重外骨骼的研究具有一定的参考价值。

技术研发人员：宋智斌,詹毓靖,赵竞夫,侯振民
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14