一种基于柔性智能模块的组装柔性机器人的制作方法

本实用新型属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于柔性智能模块的组装柔性机器人。

背景技术：

我国是世界上唯一老年人口超过2亿的国家，我国老年人口数量巨大且人口老龄化的速度逐年加快，其中需要外界照顾的肢体缺乏力量等各种机能退化老人数量也在快速增加。且正在以每年3%以上的速度快速增长，是同期人口增速的五倍多，预计到2020年老龄人口将达到2.43亿，约占总人口的18%，基于上述的数据可以推测加强社会养老服务体系建设的任务十分繁重。与此同时，我国存在着大量运动障碍的特殊人群。根据残联统计数据目前我国各类残疾人总数已逾8500万人，约占全国总人口的6%。全国中风患者每年新增200余万，其中近2/3受困于偏瘫后遗症。长期以来我国面向养老的社会公共资源远远不足，以家庭为基本单位的养老模式是我国的一个基本国情，而且随着计划生育基本国策的实施以及经济社会的转型致使家庭规模日趋小型化，“4-2-1”家庭结构日益普遍，空巢家庭不断增多。综上所述对于老年人尤其是身体机能明显退化的人群照料和护理问题变得日益突出。

随着我国经济实力和科技水平的快速发展，依靠科技创新来保障和改善我国人民健康已经上升为新时期的国家战略需求，“助老助残”已经成为我国政府要解决的重大民生问题之一。国务院办公厅2011年印发《社会养老服务体系建设规划（2011－2015年）》指出，我国社会养老服务体系建设仍然处于起步阶段，相关的设备及服务内容比较基础，而且服务队伍普遍是专业化程度不太高，按照现有的模式行业的发展缺乏后劲。2016年中国国家工信部、发改委和财政部在《机器人产业发展规划（2016－2020年）》的发展目标中明确提出“服务机器人年销售收入将超过300亿，在助老助残、医疗康复等领域实现小批量生产及应用”，作为这两个领域的一种应用典型外骨骼机器人的发展迎来了历史性的契机。

现有的技术存在以下问题：

1、我国社会养老服务体系建设仍然处于起步阶段，相关的设备及服务内容比较基础，而且服务队伍普遍是专业化程度不太高，按照现有的模式行业的发展缺乏后劲；

2、综上所述对于老年人尤其是身体机能明显退化的人群照料和护理问题变得日益突出。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提出的问题。本实用新型提供了一种基于柔性智能模块的组装柔性机器人，安全、舒适、方便的特点。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于柔性智能模块的组装柔性机器人，包括外骨骼上肢、外骨骼下肢，所述外骨骼上肢的后侧安设有倾角传感器，所述外骨骼上肢的一侧安设有被动球关节，所述被动球关节的下侧连接有柔性传动路线固定模块，所述柔性传动路线固定模块的下侧连接有机械限位模块，所述机械限位模块的一侧安设有踝关节，所述踝关节包括，所述盘式伺服电机的左侧连接有连接板，所述连接板的左侧固定连接有电磁抱闸，所述电磁抱闸的左侧安装有抱闸壳体，所述抱闸壳体的左内侧固定连接有波发生器，所述波发生器的左侧固定连接有法兰轴套，所述法兰轴套的左侧固定连接谐波柔轮，所述谐波柔轮的左侧固定安装有输出轴，所述输出轴的左侧安装有四点接触超薄轴承，所述四点接触超薄轴承的左侧固定连接有联轴压盖，所述联轴压盖的左上侧安装有谐波刚轮，所述谐波刚轮的左上侧安装有外端盖，所述外端盖的左侧固定间距有限位螺钉，所述限位螺钉的左下侧安装有轴承端盖，所述外骨骼下肢的下侧安设有踝关节柔性模块，所述踝关节柔性模块的下侧安设有薄膜压力传感器。

优选的，所述外骨骼下肢包括髋关节和膝关节以及踝关节。

优选的，所述外骨骼上肢包括上臂及下臂。

优选的，所述外骨骼上肢、外骨骼下肢的每个关节均安装有机械限位模块、踝关节、角度传感器，所述控制系统分别电性连接有薄膜压力传感器、倾角传感器、角度传感器以及拉压力传感器。

优选的，所述踝关节柔性模块的形状为长方形，且设置一个在矢状面内。

优选的，所述控制系统采用的是分布式控制架构，主要由主控计算机、关节模块构成。

优选的，所述钢丝传动主要由滑动层、钢层及外表皮，其可分为三段，中间段为l2,两端分别为l1与l3，钢丝锁紧包括有钢丝、外骨骼传动的钢丝绳最终是缠绕在锁紧机构的导向轮上。

优选的，所述柔性传动路线固定模块包括电机、钢丝及滑轮缩紧，柔性传动路线固定模块的形状为正方体杆状，其外骨骼机器人传动的钢丝绳和套管在传递过程中经过杆件时顺势进行固定。

优选的，所述被动球关节包括外钢圈及内钢圈，每个被动球关节串连在一起。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、使用可穿戴式结构，通过电机、减速装置及传动装置的合理组合对人体上肢、双腿髋关节、膝关节等进行多自由度主动控制，该机器人系统具体则由机器人执行部分、感知部分以及辅助设备组成，基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人采用了小型化的动力系统以及部分关节欠驱动的串联混合机械结构，运用安全可靠的柔性控制技术来实现该外骨骼机器人稳定的动作及步态，从而可以实现穿戴简便省时省力，还有可以有因地制宜等多个优势。

2、通过开发一款基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人系统对提升穿戴人员的机能力量以及提高目标人群的身体机能，改善他们的生活质量，为我国助老助残事业添砖加瓦，而且潜在巨大的市场与经济前景。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型外骨骼下肢的结构示意图；

图3为本实用新型外骨骼上肢的结构示意图；

图4为本实用新型中机械限位模块的结构示意图；

图5为本实用新型中踝关节柔性模块的结构示意图；

图6为为本实用新型中柔性传动路线固定模块的结构示意图

图7为本实用新型中关节爆炸的结构示意图；

图8为本实用新型中钢丝传动的结构示意图；

图9为本实用新型中被动球关节的结构示意图；

图中：1、盘式伺服电机；2、连接板；3、电磁抱闸；4、抱闸壳体；5-1、波发生器，5-2、谐波柔轮，5-3、谐波刚轮；6、法兰轴套；7、输出轴；8、四点接触超薄轴承；9、联轴压盖；10、外端盖；11、限位螺钉；12、轴承端盖；13、外骨骼上肢；14、外骨骼下肢；15、被动球关节；16、柔性传动路线固定模块；17、机械限位模块；18、踝关节；19、薄膜足底压力传感器；20、倾角传感器；21、踝关节柔性模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1-图9，本实用新型提供以下技术方案：一种基于柔性智能模块的组装柔性机器人，包括外骨骼上肢13、外骨骼下肢14，外骨骼上肢13的后侧安设有倾角传感器20，外骨骼上肢13的一侧安设有被动球关节15，被动球关节15的下侧连接有柔性传动路线固定模块16，柔性传动路线固定模块16的下侧连接有机械限位模块17，机械限位模块17的一侧安设有踝关节18，踝关节18包括1，盘式伺服电机1的左侧连接有连接板2，连接板2的左侧固定连接有电磁抱闸3，电磁抱闸3的左侧安装有抱闸壳体4，抱闸壳体4的左内侧固定连接有波发生器5-1，波发生器5-1的左侧固定连接有法兰轴套6，法兰轴套6的左侧固定连接谐波柔轮5-2，谐波柔轮5-2的左侧固定安装有输出轴7，输出轴7的左侧安装有四点接触超薄轴承8，四点接触超薄轴承8的左侧固定连接有联轴压盖9，联轴压盖9的左上侧安装有谐波刚轮5-3，谐波刚轮5-3的左上侧安装有外端盖10，外端盖10的左侧固定间距有限位螺钉11，限位螺钉11的左下侧安装有轴承端盖12，外骨骼下肢14的下侧安设有踝关节柔性模块21，踝关节柔性模块21的下侧安设有薄膜压力传感器19。

本实施例中：薄膜压力传感器的型号为zy-cyb-12sa，用来测量两个表平面之间的压力，它是厚度不足1mm的可以弯曲变形薄片。

本实施例中：足底压力传感器的型号为footscan,该传感器安装在鞋垫用来测量足底压力，所以对传感器本身要求既要厚度薄而且能弯曲。

本实施例中：倾角传感器的型号为midori，当人站直时倾角为90°，当人身体往前倾的时候倾角不变，当人身体往后倾的时候倾角减少。

本实施例中：角度传感器的型号为rb100la-3006-24vv10-ip67，使用这种传感器测量关节角时因为外骨骼机器人杆件结构限制以及为了机器人的外观更美观，需要把该传感器做相应的改装，只需要用一块磁钢安装在每个关节的旋转轴的轴心，检测部分可以在较近距离的分离独立，经过试验对比，性能上几乎没有受到影响，这种角度传感器的使用方法也具有广泛的应用前景，可以面向很多对体积空间或者外观要求高的系统上使用。

本实施方案中：使用可穿戴式结构，通过电机、减速装置及传动装置的合理组合对人体上肢、双腿髋关节、膝关节等进行多自由度主动控制，该机器人系统具体由机器人执行部分、感知部分以及辅助设备组成，基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人采用了小型化的动力系统以及部分关节欠驱动的串联混合机械结构，运用安全可靠的柔性控制技术来实现该外骨骼机器人稳定的动作及步态，从而可以实现穿戴简便省时省力，还有可以有因地制宜等多个优势，通过开发一款基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人系统对提升穿戴人员的机能力量以及提高目标人群的身体机能，改善他们的生活质量。

具体的，外骨骼下肢14包括髋关节和膝关节以及踝关节；其髋关节和膝关节以及踝关节的综合转动实现下肢不断前移。

具体的，外骨骼上肢13包括上臂及下臂；其上臂及下臂需要通过绑缚绷带与外骨骼机器人上、下臂连杆捆绑在一起，外骨骼机器人的上肢杆件将带动穿戴者的上肢进行耦合运动。

具体的，外骨骼上肢13、外骨骼下肢14的每个关节均安装有机械限位模块17、踝关节18、角度传感器；所述控制系统分别电性连接有薄膜压力传感器19、倾角传感器20、角度传感器以及拉压力传感器，通过人体四肢每个关节均安装有机械限位模块17，机械和电路设计实现双重保障以确保穿戴者的人身安全，通过采集足底薄膜压力传感器19、倾角传感器20、角度传感器以及拉压力传感器的信号并把它们发送到上位机中，以及接收到上位机所发送的电机控制指令后，能根据指令内容控制相应的电机，与此同时能把电机实时运动状态发送给上位机。

具体的，踝关节柔性模块21的形状为长方形，且设置一个在矢状面内；通过踝关节柔性模块21设置一个在矢状面内具有一定柔性的被动自由度，其上肢中仅仅考虑在肘关节处设置主动驱动。

具体的，控制系统采用的是分布式控制架构，主要由主控计算机、关节模块构成；通过控制系统采用主控计算机及关节模块，便于控制及穿戴。

具体的，钢丝传动主要由滑动层、钢层及外表皮组成，其可分为三段，中间段为l2,两端分别为l1与l3，钢丝锁紧模块包括有钢丝，外骨骼传动的钢丝绳最终是缠绕在锁紧机构的导向轮上；通过钢丝上端与线管上端之间的部分，线管上端与线管下端的部分，线管下端与钢丝下端的部分，设其长度分别为l1，l2，l3，总长度为l，则l=l1+l2+l3，当电机带动法兰拉动钢丝时，l1变大，l2不变，而l是钢丝绳回路的总长度所以是一个定值，所以只好让l3变小了，以此方式实现传动的回路，通过钢丝锁紧可以防止打滑的发生还可以实现钢丝绳的双向传动，这种新颖的传动方式构成了文中所发明的基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人的关键结构部分。

具体的，柔性传动路线固定模块16包括电机、钢丝及滑轮缩紧，柔性传动路线固定模块16的形状为正方体杆状，其外骨骼机器人传动的钢丝绳和套管在传递过程中经过杆件时顺势进行固定；柔性传动路线固定模块16在具体工作时只有钢丝绳的轴向运动，而线管只是有极小的收缩，基本不会动或者可以忽略不计，套管可以用在实际需要的弯曲的地方传递电机端的输出扭矩，这样可以很方便地把动力传递到机器人的每一个任意关节，其外骨骼机器人传动的钢丝绳和套管在传递过程中经过杆件时顺势进行固定；通过设置的柔性传动路线固定模块16，外骨骼机器人传动的钢丝绳和套管在传递过程中经过柔性传动杆件时顺势进行固定，而每根钢丝绳的端口处需要固定在一个端座上以保证力矩的传递。

具体的，被动球关节15包括外钢圈及内钢圈，每个被动球关节15串连在一起；被动球关节15是非常适合在本发明开发的柔性机器人部分关节上使用，尤其是肩关节部分，它可以不受外骨骼机器人的机械结构限制，大大提高了使用者穿戴的舒适度。

本实用新型的工作原理及使用流程：通过髋关节和膝关节以及踝关节的综合转动实现下肢不断前移，其上臂及下臂则需要通过绑缚绷带，与外骨骼机器人上下臂连杆捆绑在一起，外骨骼机器人的上肢杆件将带动穿戴者的上肢进行耦合运动，通过在外骨骼下肢14、外骨骼上肢13的每个关节均安装有机械限位模块17，机械和电路设计实现双重保障以确保穿戴者的人身安全，通过踝关节柔性模块21设置一个在矢状面内，使之具有一定柔性的被动自由度，其上肢中仅仅在肘关节处设置主动驱动，通过控制系统设置的主控计算机及关节模块，便于控制及穿戴，通过钢丝上端与线管上端之间的部分，线管上端与线管下端的部分，线管下端与钢丝下端的部分，设其长度分别为l1，l2，l3，总长度为l，则l=l1+l2+l3，当电机带动法兰拉动钢丝时，l1变大，l2不变，而l是钢丝绳回路的总长度所以是一个定值，所以只好让l3变小了，以此方式实现传动的回路，柔性传动路线固定模块16在具体工作时只有钢丝绳的轴向运动，而线管只是有极小的收缩，基本不会动或者可以忽略不计，套管可以用在实际需要的弯曲的地方传递电机端的输出扭矩，这样可以很方便地把动力传递到机器人的每一个任意关节，通过钢丝锁紧可以防止打滑的发生，还可以实现钢丝绳的双向传动，这种新颖的传动方式构成了文中所发明的基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人的关键结构部分，通过设置的柔性传动，外骨骼机器人传动的钢丝绳和套管在传递过程中经过柔性传动杆件时顺势进行固定，而每根钢丝绳的端口处需要固定在一个端座上以保证力矩的传递，其被动球关节15是非常适合在本发明开发的柔性机器人部分关节上使用，尤其是肩关节部分，它可以不受外骨骼机器人的机械结构限制，大大提高了使用者穿戴的舒适度，通过采集足底薄膜压力传感器19、倾角传感器20、角度传感器以及拉压力传感器的信号并把它们发送到上位机中以及接收到上位机所发送的电机控制指令后能根据指令内容控制相应的电机，与此同时能把电机实时运动状态发送给上位机，由盘式伺服电机1连接连接板2，连接板2固定连接电磁抱闸3，电磁抱闸3的左侧安装有抱闸壳体4，且左内侧固定连接有波发生器5-1，波发生器5-1固定连接法兰轴套6进行固定，法兰轴套6固定连接谐波柔轮5-2，谐波柔轮5-2的固定安装有输出轴7，其输出轴7安装有四点接触超薄轴承8，四点接触超薄轴承8固定连接有联轴压盖9，联轴压盖9的左上侧安装有谐波刚轮5-3，谐波刚轮5-3的左上侧安装有外端盖10，外端盖10的左侧固定设置有限位螺钉11，限位螺钉11的左下侧安装有轴承端盖12，通过依次安装连接成关节，提高穿戴舒适度。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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