CN105769510B - 一种基于并联构型的髋关节助力机构 - Google Patents

一种基于并联构型的髋关节助力机构 Download PDF

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Abstract

一种基于并联构型的髋关节助力机构，适用于下肢髋关节助力等医疗领域。包括腰部连接件、第一支链、第二支链和腿部连接件，所述腰部连接件与人体腰部紧致连接，腿部连接件与人体大腿通过轴承连接。本发明通过上述腰部连接件、第一支链、第二支链和腿部连接件的设计，不仅可以实现人体髋关节的前屈/后伸和内收/外展运动，其中当人腿处于悬空状态时由于受力较小，可人为带动人腿，通过轴承完成相对于腿部连接件的自由转动，实现第三个自由度即为髋关节的内旋/外旋转动，同时该机构只有两条并联支链，结构简单有效避免了支链间不必要的干涉，穿戴方便，易于驱动，利于市场化。

Description

一种基于并联构型的髋关节助力机构
技术领域
本发明属于下肢助力器械领域，具体来说，涉及一种基于并联构型的髋关节助力机构，主要适用于下肢髋关节助力等医疗领域。
背景技术
随着人口老龄化日益严峻，因功能衰退、战争、交通事故、脊髓损伤、神经性疾病等原因造成的髋关节灵活性变差甚至残疾的老年人不断增加，不仅给家庭和社会增加了负担，还会对他们的生理和心理造成严重的影响。髋关节助力机构是一种可以穿戴于患者外侧的机械系统，可以帮助穿戴者抬起下肢完成行走运动。因此，针对人体髋关节助力机构的研究有着广阔的发展空间。
根据人体解剖学可知，人体髋关节为含有三个自由度的球窝关节，可进行前屈/后伸，内收/外展，内旋/外旋运动，但在人体正常行走时，其真正有明显运动变化的只有前屈/后伸，内收/外展运动，内旋/外旋只有在转弯或者转身过程中才会有较大变化。人体正常直线行走时，髋关节各运动极限具体为前屈35°、后伸15°、外展15°、内收15°、内旋2°、外旋4°。助力过程中步速较慢，人体关节转动范围较小，前屈/后伸，内收/外展运动消耗的能量较多需要较大驱动转矩，内旋/外旋运动消耗的能量较少只需要极小的驱动转矩。因此助力过程中可对助力机构做特殊设计，由人腿自行完成内旋/外旋运动，此番处理可大为降低助力机构的复杂度，提高产品的可操作性，降低生产成本，利于市场化推广使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种基于并联构型的髋关节助力机构，该机构不仅可以提供在行走过程中髋关节运动所需的前屈/后伸、内收/外展两个旋转自由度，同时还需要结构简单轻巧，控制安全简单，使用方便利于市场化推广使用。
本发明解决技术问题所采用的方案是。
一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：包括腰部连接件(1)、第一支链(A)、第二支链(B)和腿部连接件(C)，所述第一支链(A)、第二支链(B)相对于人腿(3)前后分布，所述腰部连接件(1)与人体腰部连接，腿部连接件(C)与人腿(3)通过轴承(2)连接。
进一步地，所述腿部连接件包括前连接件(45)、后连接件(46)和轴承(2)，所述前连接件(45)和后连接件(46)与轴承(2)连接，相对于人腿(3)前后分布。
进一步地，所述第一支链(A)为由第一虎克副(5)、第一连接件(6)、第一移动副(7)、第一运动副连接件(8)和第一球副(9)依次串联组成的UPS(U代表虎克副，P代表移动副，S代表球副)支链，所述第一移动副(7)与第一连接件(6)相连，位于第一连接件(6)的末端且沿第一连接件(6)移动，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第一虎克副(5)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第一球副(9)连接。
进一步地，所述第二支链(B)为由第二虎克副(10)、第二连接件(11)、第二移动副(12)、第二运动副连接件(13)和第二连接虎克副(14)依次串联组成的UPU支链，所述第二移动副(12)与第二连接件(11)相连，位于第二连接件(11)的末端且沿第二连接件(11)移动，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第二虎克副(10)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第二连接虎克副(14)连接。
进一步地，所述的第一支链(A)或者为由第三虎克副(15)、第三连接件(16)、第三转动副(17)、第三运动副连接件(18)和第三球副(19)依次串联组成的URS(R代表转动副)支链，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第三虎克副(15)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第三球副(19)连接。
进一步地，所述的第一支链(A)或者为由第四转动副(20)、第四连接件(21)、第四圆柱副(22)、第四运动副连接件(23)和第四球副(24)依次串联组成的RCS(C代表圆柱副)支链，所述第四圆柱副(22)与第四连接件(21)相连，位于第四连接件(21)末端且轴线与第四连接件(21)平行，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第四转动副(20)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第四球副(24)连接。
进一步地，所述的第一支链(A)或者为由第五移动副(25)、第五连接件(26)、第五圆柱副(27)、第五运动副连接件(28)和第五球副(29)依次串联组成的PCS支链，所述第五圆柱副(27)与第五连接件(28)相连，位于第五连接件(28)末端且轴线与第五连接件(28)平行，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第五移动副(25)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第五球副(29)连接。
进一步地，所述的第二支链(B)或者为由第六转动副(30)、第六连接件(31)、第六圆柱副(32)、第六运动副连接件(33)和第六连接虎克副(34)依次串联组成的RCU支链，所述第六圆柱副(32)与第六连接件(31)相连，位于第六连接件(31)末端且轴线与第六连接件(31)平行，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第六转动副(30)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第六连接虎克副(34)连接。
进一步地，所述的第二支链(B)或者为由第七虎克副(35)、第七连接件(36)、第七转动副(37)、第七运动副连接件(38)和第七连接虎克副(39)依次串联组成的URU支链，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第七虎克副(35)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第七连接虎克副(39)连接。
进一步地，所述的第二支链(B)或者为由第八移动副(40)、第八连接件(41)、第八圆柱副(42)、第八运动副连接件(43)和第八连接虎克副(44)依次串联组成的PCU支链，所述第八圆柱副(42)与第八连接件(41)相连，位于第八连接件(41)末端且轴线与第八连接件(41)平行，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第八移动副(40)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第八连接虎克副(44)连接。
本发明由于采用以上技术方案，通过上述腰部连接件(1)、第一支链(A)、第二支链(B)和腿部连接件(C)的设计，构成一种具有两个旋转自由度的基于并联构型的髋关节助力机构，不仅可以实现人体髋关节的前屈/后伸和内收/外展运动，其中当人腿(3)处于悬空状态时由于受力较小，可人为带动人腿(3)通过轴承(2)完成相对于腿部连接件(C)的自由转动，实现髋关节的第三个自由度即为内旋/外旋转动，同时该机构只有两条并联支链，结构简单有效避免了支链间不必要的干涉，穿戴方便，易于驱动，利于市场化推广使用。
下面结合附图对本发明的一种基于并联构型的髋关节助力机构做进一步说明。
附图说明
图1为本发明的髋关节助力机构与人腿连接的侧视图；
图2为本发明的髋关节助力机构与人腿连接的结构简图；
图3为本发明的第一支链机构形式二；
图4为本发明的第一支链机构形式三；
图5为本发明的第一支链机构形式四；
图6为本发明的第二支链机构形式二；
图7为本发明的第二支链机构形式三；
图8为本发明的第二支链机构形式四；
图中：A—第一支链；B—第二支链；C—人腿连接件；1—腰部连接件；2—轴承；3—人腿；5—第一虎克副；6—第一连接件；7—第一移动副；8—第一运动副连接件；9—第一球副；10—第二虎克副；11—第二连接件；12—第二移动副；13—第二运动副连接件；14—第二连接虎克副；15—第三虎克副；16—第三连接件；17—第三转动副；18—第三运动副连接件；19—第三球副；20—第四转动副；21—第四连接件；22—第四圆柱副；23—第四运动副连接件；24—第四球副；25—第五虎克副；26—第五连接件；27—第五圆柱副；28—第五运动副连接件；29—第五球副；30—第六转动副；31—第六连接件；32—第六移动副；33—第六运动副连接件；34—第六连接虎克副；35—第七虎克副；36—第七连接件；37—第七转动副；38—第七运动副连接件；39—第七连接虎克副；40—第八移动副；41—第八连接件；42—第八圆柱副；43—第八运动副连接件；44—第八连接虎克副；45—前连接件；46—后连接件。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1、图2所示，一种基于并联构型的髋关节助力机构，包括腰部连接件(1)、第一支链(A)、第二支链(B)和腿部连接件(C)，其中第一支链(A)、第二支链(B)，分别与腰部连接件(1)和腿部连接件(C)相连，并相对于人腿(3)前后分布。穿戴时，腰部连接件(1)与人体腰部连接，腿部连接件(C)与人腿(3)通过轴承(2)连接，工作过程中可分别选择第一支链(A)、第二支链(B)上的任一运动副进行驱动，在腰部连接件(1)和腿部连接件(C)的联合作用下，带动人体髋关节完成前屈/后伸、内收/外展运动，另外人腿(3)具有内旋/外旋运动意图时，由于行走过程中旋转角度和受力相对较小，人腿(3)处于悬空状态时，可人为带动人腿(3)通过轴承(2)完成相对于腿部连接机构(C)的局部自由转动，实现第三个自由度即为髋关节的内旋/外旋转动。
一种基于并联构型的髋关节助力机构中的第一支链机构也可采用图3所示的结构形式。
一种基于并联构型的髋关节助力机构中的第一支链机构也可采用图4所示的结构形式。
一种基于并联构型的髋关节助力机构中的第一支链机构也可采用图5所示的结构形式。
一种基于并联构型的髋关节助力机构中的第二支链机构也可采用图6所示的结构形式。
一种基于并联构型的髋关节助力机构中的第二支链机构也可采用图7所示的结构形式。
一种基于并联构型的髋关节助力机构中的第二支链机构也可采用图8所示的结构形式。

Claims (7)

1.一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：包括腰部连接件(1)、第一支链(A)、第二支链(B)和腿部连接件(C)，所述第一支链(A)、第二支链(B)相对于人腿(3)前后分布，所述腰部连接件(1)与人体腰部连接，腿部连接件(C)与人腿(3)通过轴承(2)连接；
所述腿部连接件包括前连接件(45)、后连接件(46)和轴承(2)，所述前连接件(45)和后连接件(46)与轴承(2)连接，相对于人腿(3)前后分布；
所述第一支链(A)为由第一虎克副(5)、第一连接件(6)、第一移动副(7)、第一运动副连接件(8)和第一球副(9)依次串联组成的UPS支链，其中U代表虎克副，P代表移动副，S代表球副；所述第一移动副(7)与第一连接件(6)相连，位于第一连接件(6)的末端且沿第一连接件(6)移动，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第一虎克副(5)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第一球副(9)连接；
所述第二支链(B)为由第二虎克副(10)、第二连接件(11)、第二移动副(12)、第二运动副连接件(13)和第二连接虎克副(14)依次串联组成的UPU支链，所述第二移动副(12)与第二连接件(11)相连，位于第二连接件(11)的末端且沿第二连接件(11)移动，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第二虎克副(10)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第二连接虎克副(14)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：所述的第一支链(A)或者为由第三虎克副(15)、第三连接件(16)、第三转动副(17)、第三运动副连接件(18)和第三球副(19)依次串联组成的URS支链，R代表转动副；所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第三虎克副(15)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第三球副(19)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：所述的第一支链(A)或者为由第四转动副(20)、第四连接件(21)、第四圆柱副(22)、第四运动副连接件(23)和第四球副(24)依次串联组成的RCS支链，其中C代表圆柱副；R代表转动副；所述第四圆柱副(22)与第四连接件(21)相连，位于第四连接件(21)末端且轴线与第四连接件(21)平行，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第四转动副(20)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第四球副(24)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：所述的第一支链(A)或者为由第五移动副(25)、第五连接件(26)、第五圆柱副(27)、第五运动副连接件(28)和第五球副(29)依次串联组成的PCS支链，C代表圆柱副；所述第五圆柱副(27)与第五连接件(28)相连，位于第五连接件(28)末端且轴线与第五连接件(28)平行，所述第一支链(A)上部与腰部连接件(1)通过第五移动副(25)连接，第一支链(A)下部与腿部连接件(C)通过第五球副(29)连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：所述的第二支链(B)或者为由第六转动副(30)、第六连接件(31)、第六圆柱副(32)、第六运动副连接件(33)和第六连接虎克副(34)依次串联组成的RCU支链，R代表转动副；C代表圆柱副；
所述第六圆柱副(32)与第六连接件(31)相连，位于第六连接件(31)末端且轴线与第六连接件(31)平行，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第六转动副(30)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第六连接虎克副(34)连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：所述的第二支链(B)或者为由第七虎克副(35)、第七连接件(36)、第七转动副(37)、第七运动副连接件(38)和第七连接虎克副(39)依次串联组成的URU支链，R代表转动副；
所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第七虎克副(35)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第七连接虎克副(39)连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于并联构型的髋关节助力机构，其特征在于：所述的第二支链(B)或者为由第八移动副(40)、第八连接件(41)、第八圆柱副(42)、第八运动副连接件(43)和第八连接虎克副(44)依次串联组成的PCU支链，C代表圆柱副；所述第八圆柱副(42)与第八连接件(41)相连，位于第八连接件(41)末端且轴线与第八连接件(41)平行，所述第二支链(B)上部与腰部连接件(1)通过第八移动副(40)连接，第二支链(B)下部与腿部连接件(C)通过第八连接虎克副(44)连接。
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