一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人
阅读说明：本技术 一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人 (Multi-posture rehabilitation quadruped robot adaptable to various complex pavements ) 是由 梁林超 娄宇杰 张晗彬 谢孙耘翰 赵忠乾 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人,包括躯干和四个腿部,四个腿部分别设置在所述躯干的四角,躯干为凹字形框架结构,躯干上设置靠背和可翻折的座板,在躯干中部设置可以代替座板支撑臀部的裆带,从而可以实现坐姿和裆带支撑的直立两种辅助行走,而腿部采用可以折叠成Z字收纳和一字伸直的髋摆部、大腿部和小腿部,在小腿部底部转动连接有滚轮,从而实现坐姿爬行、直立裆带辅助行走及轮式行走的多种姿态的多种行走方式,可以适应各种复杂的路面,还可以便于辅助下肢患者进行腿部康复训练。(The invention discloses a multi-posture rehabilitation quadruped robot suitable for various complex pavements, which comprises a trunk and four legs, wherein the four legs are respectively arranged at four corners of the trunk, the trunk is of a concave frame structure, a backrest and a seat plate capable of being turned over are arranged on the trunk, a crotch belt capable of replacing the seat plate to support buttocks is arranged in the middle of the trunk, so that two upright auxiliary walking modes of sitting posture and crotch belt supporting can be realized, the legs adopt hip swing parts, thigh parts and shank parts capable of being folded into Z-shaped accommodation and straight, and rollers are rotatably connected to the bottoms of the shank parts, so that various walking modes of various postures of sitting posture crawling, upright crotch belt auxiliary walking and wheel type walking are realized, the multi-posture rehabilitation quadruped robot can be suitable for various complex pavements, and can be convenient for assisting lower limb patients to perform leg rehabilitation training.)
技术领域
本发明涉及辅助载人四足机器人技术领域，具体涉及一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人。
背景技术
移动机器人为目前最受关注的机器人，其可代替人进行危险、复杂及高难度的工作。
移动机器人包括轮式和足式机器人，由于轮式机器人只能在平坦的路面上行走，在遇到障碍物时无法越过，但是足式机器人由于多支点着地，可以适应崎岖不平的底面，如洼坑、丘陵等等。足式机器人又分为双足机器人和多足机器人，由于双足机器人受控制系统和意图感知技术瓶颈，导致双足机器人站立时不稳定，因此多足机器人尤其四足机器人更受人们的青睐，广泛应用于救援、医疗康复、航天探测、深海探测。
其中在医疗康复中应用的助力行走四足机器人最为特殊，助力行走康复机器人在对下肢受到损伤患者的行走以及康复训练中起到了至关重要的作用，它可以为患者提供助行、支撑以及保护的作用。
现有的助力行走康复四足机器人虽然在一定程度上能够满足助行和康复训练的目的，但是仍有各式各样的不足之处。例如中国发明专利(公开号CN20982747U)公开了一种带平衡装置的四足助力行走康复机器人，采用框架式机架和平衡装置，提供了一种平衡性好、工作空间大、运动惯性小、承载力强的四足助力行走康复机器人。中国发明专利(CN109966066A)公开了一种四足代步机器人，采用安装平衡装置的安装板上部支撑有座椅及下部安装有矩形分布的行走装置，提供了一种UPU平动运动结构、灵活直线、上台阶、可适应复杂坑洼路面的四足代步机器人。但是，上述的发明专利使用者只能坐在上面，对于需要下肢康复的患者得不到各种伸展锻炼，虽然安装了平衡装置，但是仍然无法避免在平整地面上高速行走时振动，导致对助行产生影响。另外，多足机器人的多关节腿部尚处于发展阶段，其驱动源一般采用电动驱动和液压驱动，但是由于高复杂控制与执行技术的瓶颈，导致高速行走的多足机器人无法实现，在结构上更是极为复杂，制造成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人，为增强下肢康复使用者腿部大空间自由伸展、行走速度、安全助力行走提供解决方案，实现四足机器人可以助力下肢患者进行平坐和双腿伸直的多种行走训练。
为解决以上技术问题，本发明提供一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人，包括躯干和四个腿部，四个所述腿部分别设置在所述躯干的四角；
所述躯干为凹型框架结构，所述躯干中部安装有裆带，所述躯干后侧固定安装有靠背，所述靠背上前方固定连接有平行且对称的扶手，所述躯干上铰接连接有位于所述靠背前方的座板，所述座板底部前方安装有伸缩式踏板；
所述腿部包括髋摆部、大腿部和小腿部，所述髋摆部一端与所述躯干的底部之间转动连接形成水平摆动的髋关节，所述大腿部一端与所述髋摆部的另一端转动连接形成上下摆动的大腿关节，所述大腿部的另一端与所述小腿部的一端转动连接形成膝关节，所述小腿部底部转动连接有滚轮；所述髋关节包括直驱电机，所述直驱电机同轴驱动所述髋关节；所述大腿关节包括一区腿力臂油缸，所述一区腿力臂油缸座端与所述髋摆部转动连接，所述一区腿力臂油缸伸缩端与所述大腿部转动连接；所述膝关节包括二区腿力臂油缸，所述二区腿力臂油缸座端与所述大腿部转动连接，所述二区腿力臂油缸伸缩端与所述小腿部转动连接。
在本方案中一些优选的实施例中，四个所述腿部分别对应躯干的左前、右前、左后和右后，所述躯干为镂空的板材结构，在所述躯干的左前、右前、左后和右后上均设有安装孔，所述安装孔内安装有轴承，所述轴承上套接有与所述安装孔转动连接的驱动转轴，所述直驱电机嵌设于所述髋关节的上端，所述直驱电机的输出端通过键连接所述驱动转轴。
在本方案中一些优选的实施例中，所述座板与所述躯干连接处形成有咬合结构，所述咬合结构包括固定安装于所述靠背和所述躯干交叉处的固定块，所述固定块与所述靠背和所述躯干固定连接，还包括开凿在所述座板后方中部并且与所述固定块相适配的卡槽，所述卡槽中转动连接有与所述固定块固定连接的固定转轴。
在本方案中一些优选的实施例中，所述伸缩式踏板包括第一力臂板、第二力臂板和踏板，所述第一力臂板一端与所述座板底部之间转动连接形成第一转动关节，所述第一力臂板另一端与所述第二力臂板之间转动连接形成第二转动关节，所述第二力臂板与所述踏板后方侧面转动连接形成第三转动关节，所述第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节为相同结构，将其全部定义为关节单元A，所述关节单元A包括关节基座b和关节转臂a，所述关节基座b和所述关节转臂a绕同一转动自由度对应的转动轴线转动，所述关节基座b和所述关节转臂a相互背离的一侧分别开凿有活塞孔槽和离合限位孔槽，所述活塞孔槽内侧贯通设有矩形卡槽，所述活塞孔槽内滑动连接有与之相适配的连杆锁紧盖，所述连杆锁紧盖靠近所述矩形卡槽侧设有与之相适配的矩形块，所述连杆锁紧盖与所述活塞孔槽内侧壁之间固定连接有多个呈中心对称的推力弹簧；所述离合限位孔槽内侧贯通设有中心对称的多个限位孔，所述离合限位孔槽内滑动连接适配安装有连杆锁紧盘，所述连杆锁紧盘靠近所述活塞孔槽侧设有与之相适配的插销，所述连杆锁紧盖与所述连杆锁紧盘中心之间固定连接有套接所述关节基座b和所述关节转臂a之间的空心轴。
在本方案中一些优选的实施例中，所述座板低侧开设有两侧对称的收纳槽，所述收纳槽前方靠近中心的一侧形成有突出槽，所述收纳槽和所述突出槽组合用于收纳伸缩式踏板。
在本方案中一些优选的实施例中，所述裆带的前侧与所述躯干的前方两端之间形成有卡扣件，所述卡扣件包括设置于躯干上的插槽及设置于裆带两端的挂钩。
在本方案中一些优选的实施例中，所述髋摆部为Z字型结构，所述髋摆部的低端伸出至所述躯干的外部，并且与所述大腿部的一端铰接连接，。
在本方案中一些优选的实施例中，所述髋摆部的下端中部形成有镂空部一，所述大腿部的两端中部均形成有镂空部二，所述一区腿力臂油缸两端分别位于镂空部一和镂空部二内，并且整体位于大腿关节的转动自由度所在轴线的上方；所述小腿部中部形成有镂空部三，所述二区腿力臂油缸两端分别位于镂空部二和镂空部三内，并且整体位于膝关节的转动自由度所在轴线的下方。
在本方案中一些优选的实施例中，还包括制动控制机构，所述制动控制结构包括安装在所述扶手上的制动手柄结构及安装在所述小腿部上用于制动所述滚轮的刹车制动机构，所述制动手柄结构和所述刹车制动结构相互配合连接，用于限制滚轮的转动，使得腿部的足式行走。
在本方案中一些优选的实施例中，所述制动手柄结构包括闸把和闸线，所述闸把固定在所述扶手上，所述闸线一端连接在闸把上，并且另一端沿躯干、四个腿部延伸；
所述刹车制动机构包括限位件、刹车杠杆和弹簧，所述限位件固定在所述小腿部的根部，用于限制所述闸线的外壳端部，所述闸线的芯线端部与刹车杠杆的一端连接，所述弹簧套接在位于所述限位件和所述刹车杠杆之间的闸线上，所述刹车杠杆转动连接于所述小腿部的侧面
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
四足机器人具有座椅和裆带切换方式的四个腿部支撑的躯干，腿部具有油缸驱动的髋摆部、大腿部和小腿部形成腿部折叠式的爬行和腿部完全伸直的直立行走，使得下肢伤患使用者可以进行椅座式的低重心辅助支撑行走，整个过程中机器人爬行，安全稳定，腿部的抬起和下落幅度小，从而使助力行走的影响较小，还可以使下肢伤患使用者可以进行裆带柔性支撑的直立辅助支撑行走，可以提升训练效果。另外，四足机器人还具有在小腿部上的滚轮以及用于制动滚轮的制动控制结构，滚轮为电机驱动可以带动机器人轮式移动，制动控制结构可以控制启停并且将机器人切换至足式移动，从而使用者可以穿戴该四足机器人进行多种复杂路面的多体姿的多移动方式的康复训练。
附图说明
图1为本发明的实施例的四足机器人的爬行式轮椅方式的整体立体结构示意图；
图2为图1中的腿部的立体结构示意图；
图3为图1中的座椅装配体的立体结构示意图；
图4为本发明的实施例的伸缩式踏板的转动关节的横截面图；
图5为本发明的实施例的伸缩式踏板的转动关节的立体透明结构视图；
图6为本发明的实施例的四足机器人的直立式裆带123方式的整体立体结构示意图；
图7为图6中的腿部的立体结构示意图；
图8为图6中的座椅装配体的立体结构示意图；
图9为本发明的实施例的四足机器人应用于爬楼梯时的场景图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供一种可适应多种复杂路面的多姿态康复四足机器人，由人体胯部及以下穿戴，可增强人体下肢机能，如平坐行走、裆部支撑行走，可增加康复锻炼效果。
参见图1、2、3、6、7和8，多姿态康复四足机器人具有一个凹型框架结构的躯干101，躯干101的下方转动连接有四角分布的四个腿部，通过四个腿部的屈伸可以增强使用者搭载的躯干101的平衡性，更能适用较多的复杂崎岖底面。
为了能够适应使用者的身体下肢各种姿势，在躯干101的上方固定有靠背104和通过咬合机构铰接连接有位于靠背104前方的座板117，使得使用者可以翻转座板117将框架的躯干101漏出，便于使用时包裹胯部搭载，而在躯干101上中部形成一个弹性的裆带123，具体的，裆带123可以为海绵垫、尼龙布等材料，裆带123的前侧与躯干101的前方之间形成有卡扣件，卡扣件具体为设置与躯干101上的插槽126和设置于裆带123两端的挂钩124，也即裆带123可以通过挂钩124与插槽126的插合与否，实现裆带123的解扣，便于使用者从躯干101中解除和穿戴配合，考虑到座板117放下时为座椅形式，故在座板117底部前方形成有伸缩式踏板，在座板117低侧开凿两侧对称的收纳槽，收纳槽前方靠近中心的一侧形成有突出槽128，收纳槽和突出槽128可组合用于收纳伸缩式踏板，为了安全性，在靠背104的两侧固定连接有相互平行且对称的扶手106。具体的，四个腿部分布于躯干101的左前、右前、右后和右前，在躯干101上设有与四个腿部一一对应的安装孔，在安装孔安装有轴承，轴承上套接有与安装孔转动连接的驱动转轴，驱动转轴与底部腿部固定连接，腿部具有髋摆部110、大腿部108和小腿部109，髋摆部110一端与躯干101的底部转动连接形成水平摆动的髋关节，髋关节为包括设置于髋摆部110上方的直驱电机，直驱电机输出端通过键连接驱动转动，使得驱动电机可以带动转轴转动破势髋摆部110相对躯干101转动，进而使腿部相对躯干101发生相对的水平转动，也即髋摆部110、大腿部108和小腿部109可在驱动电机驱动下相对躯干101转动，髋摆部110的另一端与大腿部108一端转动连接形成上下摆动的大腿关节，大腿关节包括一区腿力臂油缸122，一区腿力臂油缸122铰座端与髋摆部110转动连接，一区腿力臂油缸122伸缩端与大腿部108转动连接，并且一区腿力臂油缸122位于大腿关节转动自由度所在轴线的上方，大腿部108的另一端与小腿部109的一端转动连接形成膝关节，膝关节包括二区腿力臂油缸120，二区腿力臂油缸120铰座端与大腿部108转动连接，二区腿力臂油缸120伸缩端与小腿部109转动连接，并且二区腿力臂油缸120位于膝关节转动自由度所在轴线的下方，小腿部109底部转动连接有滚轮113，因此大腿部108、小腿部109及髋摆部110可整体相对躯干101水平转动，小腿部109可跟随大腿部108形成上下摆动，小腿部109可相对大腿部108上下摆动；为了降低腿部的质量比，将髋摆部110的下方中部设置镂空部一125、大腿部108的两端中部设置镂空部二121、小腿部109的上方中部设置镂空部三107，一区腿力臂油缸122位于镂空部一125和镂空部二121内，二区腿力臂油缸120位于镂空部二121和镂空部三107内，使得腿部的质量比降低的同时还能隐藏油缸，降低腿部表面结构板复杂性，还能够使关节弯曲的极限增大。因此在收纳时，一区腿力臂油缸122可完全收纳于髋摆部110的第一镂空部和大腿部108的第二镂空部内，二区腿力臂油缸120可完全收纳于大腿部108的第二镂空部内和小腿部109的第三镂空部内，避免髋摆部110和大腿部108之间的收纳空间受阻及大腿部108和小腿部109之间的收纳空间受阻，也即腿部可以实现Z字型收纳，实现低重心的爬行，可参见图1，还可实现腿部伸直的高重心支撑行走，可参见图6。
参见图3和8，值得说明的是，咬合机构具有固定在靠背104和躯干101交叉处的固定块103，在座板117上形成有与固定块103相适配的卡槽102，卡槽102中转动连接有与固定块103固定连接的固定转轴127，使得座板117可以进行无突出、无开槽的平整面翻转，也即在座板117水平放置在躯干101上时，固定块103和卡槽102相适配，座板117表面无凹陷的凹槽，在座板117翻转至竖直状态时，固定块103仍然和卡槽102相适配可以避免通过裆带123穿戴的使用者腰部不舒适。
参见图1、2、6和7，值得说明的是，为了便于腿部支撑的躯干101重心较稳，将髋摆部110形成为Z字型结构，髋摆部110底部伸出至躯干101的外部，并且与大腿部108的一端铰接连接，使得腿部向远离躯干101的中心侧延伸，躯干101行走时更加稳定，参见图1，该四足机器人在底部爬行时可以实现四条腿部向外延伸，参见图6，四足机器人四条腿部完全伸展直立行走时，四条腿部同样还是向外延伸。
参见图3、6和8，在本实施例中，作为优选的技术方案，伸缩式踏板具有第一力臂板116、第二力臂板115和踏板114，第一力臂板116一端与座板117底部之间转动连接形成第一转动关节，第一力臂板116另一端与第二力臂板115之间转动连接形成第二转动关节，第二力臂板115与踏板114后方侧面转动连接形成第三转动关节。
参见图4和5，值得说明的是，第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节为相同结构，为了便于陈述将其全部定义为关节单元A，关节单元A包括关节基座b和关节转臂a，关节基座b和关节转臂a绕同一转动自由度对应的转动轴线转动，关节基座b和关节转臂a相互背离的一侧分别开凿有活塞孔槽135和离合限位孔槽133，活塞孔槽135内侧贯通设有矩形卡槽102，活塞孔槽135内滑动连接有与之相适配的连杆锁紧盖134，连杆锁紧盖134靠近矩形卡槽102侧设有与之相适配的矩形块，连杆锁紧盖134与活塞孔槽135内侧壁之间固定连接有多个呈中心对称的推力弹簧118136；离合限位孔槽133内侧贯通设有中心对称的多个限位孔130，离合限位孔槽133内滑动连接适配安装有连杆锁紧盘129，连杆锁紧盘129靠近活塞孔槽135侧设有与之相适配的插销131，连杆锁紧盖134与连杆锁紧盘129中心之间固定连接有套接关节基座b和关节转臂a之间的空心轴132，也即连杆锁紧盖134和连杆锁紧盘129可跟随关节转臂a的中心转动，在正常情况下可通过两侧分别与关节转臂a和关节基座b固定的连杆锁紧盖134和连杆锁紧盘129限位，不会发生相对转动，而需要转动一定角度时，在轴向按动连杆锁紧盖134带动连杆锁紧盘129轴向移动，使连杆锁紧盘129侧面的插销131脱离离合限位孔槽133，此时转动关节转臂a和关节基座b即可，通过以上操作可以实现伸缩式踏板完全收纳于收纳槽中，可参考图8，或者完全施展开用于支撑人体脚部，可参见图3。
参见图1和6，该四足机器人还具有制动控制机构，具体的，制动控制结构具有安装在扶手106上的制动手柄结构及安装在小腿部109上用于制动滚轮113的刹车制动机构，制动手柄结构和所述刹车制动结构相互配合连接，用于限制滚轮113的转动，使得腿部的足式行走，也即可通过手孔制动手柄结构控制刹车制动机构限制滚轮113的移动，使腿部形成足式行走，在松开口即滚轮113不受限制，腿部可以进行轮式行走。在本实施例中，具体的，制动手柄结构具有闸把105和闸线119，闸把105固定在所述扶手106上，闸线119一端连接在闸把105上，并且另一端沿躯干101、四个腿部延伸；刹车制动机构具有限位件111、刹车杠杆112和弹簧118，限位件111固定在小腿部109的根部，用于限制闸线119的外壳端部，闸线119的芯线端部与刹车杠杆112的一端连接，弹簧118套接在位于所述限位件111和所述刹车杠杆112之间的闸线119上，刹车杠杆112转动连接于小腿部109的侧面，示例的，在本实施例中，刹车杠杆112为凹字形结构转动连接在小腿部109上，通过闸线119拉动一端，通过杠杆原理使另一端作用在滚轮113上，而需要滚轮113滚动时，弹簧118可反推刹车杠杆112的另一端，使刹车杠杆112远离滚轮113。
参见图9，该四足机器人锁定滚轮113滚动切换至足式行走时，四条腿部可进行交替的平衡性爬楼梯行走。
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。
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