[发明专利]外肢体负重行走辅助机器人

说明书

本发明提供一种外肢体负重行走辅助机器人，其包括穿戴式背负框架、对称布置在穿戴式背负框架两侧的两条动力机械腿及控制系统；每条动力机械腿均包括双自由度动力球形髋关节、主承重杆、主驱动系统、大腿承重杆、膝关节、小腿承重杆和支撑末端；控制系统与双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节通信连接。通过控制系统控制双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节相互配合，每条动力机械腿可以配合穿戴者的步态进行机械腿前摆、快速触地和负重支撑，实现负重行走辅助，在将负载的压力直接传递到地面的同时还能避免对人体自然步态的干扰。

技术领域

本发明涉及穿戴机器人领域，尤其涉及一种外肢体负重行走辅助机器人。

背景技术

在生产生活、军事救援等场景下，相关人员经常需要背负较重的负载长时间行走，负载会给人体带来较大压力，增加劳损、受伤风险。负重行走同时也会增加人体的新陈代谢消耗，增加作业的体力、精力消耗。

传统的负重外骨骼尽管能够通过刚性结构部分的分担人体所承受的压力，但是其刚性结构与人体下肢相并联，严重干扰了人体肢体的自主运动，破坏了人体正常的步态，带来行走新陈代谢消耗的显著增加。其他一些外骨骼机器人例如柔性外骨骼或单关节外骨骼尽管可以减小对人体正常步态的干扰，但是由于缺乏能够将重物压力传递到地面的刚性结构，其本身无法减少负载给人带来的压力。目前针对大负载长时间的负重行走，缺乏有效的辅助方案。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种外肢体负重行走辅助机器人，其能将负载的压力直接传递到地面且能避免对人体自然步态的干扰。

为了实现上述目的，本发明提供了一种外肢体负重行走辅助机器人，其包括穿戴式背负框架、对称布置在穿戴式背负框架两侧的两条动力机械腿及控制系统；每条动力机械腿均包括双自由度动力球形髋关节、主承重杆、主驱动系统、大腿承重杆、膝关节、小腿承重杆和支撑末端；双自由度动力球形髋关节的上端连接穿戴式背负框架，双自由度动力球形髋关节的下端连接主承重杆，双自由度动力球形髋关节用于将穿戴式背负框架的压力传递给动力机械腿；主驱动系统设置于主承重杆；大腿承重杆与主承重杆沿上下方向滑动配合，大腿承重杆连接于主驱动系统以在主驱动系统的驱动下沿主承重杆上下滑动，从而实现动力机械腿的伸长和回缩；膝关节的上端连接大腿承重杆，膝关节的下端连接小腿承重杆，膝关节用于控制动力机械腿的弯曲；支撑末端沿上下方向连接于小腿承重杆的末端。控制系统与双自由度动力球形髋关节、主驱动系统及膝关节通信连接。

在一实施例中，双自由度动力球形髋关节包括髋关节屈伸舵机，带动动力机械腿完成屈伸运动，髋关节屈伸舵机与控制系统通信连接。

在一实施例中，双自由度动力球形髋关节还包括髋关节侧摆舵机，驱动双自由度动力球形髋关节侧摆运动，髋关节侧摆舵机与控制系统通信连接。

在一实施例中，髋关节屈伸舵机和髋关节侧摆舵机的输出轴正交以避免动力机械腿的载荷受力对双自由度动力球形髋关节产生扭矩。

在一实施例中，主驱动系统包括驱动电机、第一同步带减速机构、第二同步带减速机构以及同步带移动机构；驱动电机与控制系统通信连接，驱动电机固定设置主承重杆的左右方向的一侧，驱动电机的输出轴沿左右方向贯穿主承重杆并在主承重杆的左右方向的另一侧露出；第一同步带减速机构包括第一小带轮、第一大带轮及第一减速带，其中第一小带轮、第一大带轮及第一减速带位于主承重杆的左右方向的另一侧，第一小带轮连接于驱动电机的输出轴，第一减速带套在第一小带轮和第一大带轮上；第二同步带减速机构包括第二小带轮、第二大带轮及第二减速带，第二小带轮、第二大带轮及第二减速带与驱动电机位于主承重杆的同一侧，第二小带轮与第一大带轮同轴连接，第二减速带套在第二小带轮和第二大带轮上；同步带移动机构包括第一移动带轮、第二移动带轮及移动带，第一移动带轮、第二移动带轮及移动带位于主承重杆的前后方向的一侧，第一移动带轮和第二移动带轮沿上下方向布置，第一移动带轮与第二大带轮同轴连接，移动带套在第一移动带轮和第二移动带轮上，大腿承重杆固定连接于移动带。