CN105798886B - 一种具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼 - Google Patents
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Abstract
一种具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，属于人体仿生外骨骼技术领域。本发明通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，增加回力结构，使得基于本发明提供的具有半环状髋部结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感；同时，将连接左右下肢外骨骼的背部连接结构改成半环状髋部结构，使得具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼左右下肢可以单独生产和单独使用、且具有更好的髋部自由度。本发明可广泛用于各种“助力”、“助残”、“健康矫正”领域。
Description
技术领域
本发明涉及人体仿生外骨骼技术领域，具体涉及人体下肢外骨骼。
背景技术
外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。人体外骨骼也称机器人外骨骼，是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”。外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为的人提供一种可穿戴的机械结构的综合技术。
人体外骨骼的研究最早起源于军事应用中的单兵负重需求，即助力方面的需求。随着科技进步和人民生活水平的提高，各种“助力”、“助残”、“健康矫正”的人体外骨骼研究开始兴起。
从功能上区分，人体外骨骼主要涉及“助力”、“助残”、“健康矫正”等几大类型；从有无动力上区分，主要分为“主动型”人体外骨骼(这种机器人能够为穿戴者提供行走的动力)和“被动型”人体外骨骼(这种机器人不能够为穿戴者提供行走的动力，其动作被动跟随人的动作而动作)。
人体下肢外骨骼，通常包括用于人体下肢运动的仿形机械结构和用于将仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件。其中，用于人体下肢运动的仿形机械结构包括下肢结构和髋部结构。所述下肢结构包括左腿结构与右腿结构，所述左腿结构与右腿结构均包括仿人体大腿结构、小腿结构和足部结构，所述大腿结构与小腿结构通过膝关节转轴相连，所述小腿结构与足部结构通过踝关节转轴相连；所述髋部结构与左腿结构、右腿结构分别通过髋关节转轴相连。所述耦合组件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件、足部耦合部件。
现有的人体下肢外骨骼通常在腰部位置通过一个背部连接结构连接成为一个整体，使得左右肢外骨骼不能单独使用；另外，现有的人体下肢外骨骼在个关节部位通常采用转轴连接结构，这在主动型下肢外骨骼中更加灵活，但如果被动型下肢外骨骼依然采用这样的结构，则会给穿戴者加重负荷；另外，现有的人体下肢外骨骼在关节缓冲方面也有待于改进。
发明内容
本发明提供一种具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，增加回力结构，使得基于本发明提供的具有半环状髋部结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感；同时，将连接左右下肢外骨骼的背部连接结构改成半环状髋部结构，使得具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼左右下肢可以单独生产和单独使用。
本发明的技术方案是：
一种具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，包括人体下肢仿形机械结构和用于将人体下肢仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件；所述人体下肢仿形机械结构包括下肢仿形结构和髋部仿形结构；所述下肢仿形结构包括大腿仿形结构、小腿仿形结构和足部仿形结构；所述大腿仿形结构与小腿仿形结构通过膝关节转轴相连，所述小腿仿形结构与足部仿形结构通过踝关节转轴相连；所述髋部仿形结构与大腿仿形结构通过髋关节转轴结构相连；所述髋部仿形结构为一具有半环状髋部结构，包括髋部过渡连接板017、人体前侧连接板005和人体后侧连接板002，人体前侧连接板005和人体后侧连接板002分别通过一个连接销钉(018、019)固定于髋部过渡连接板017的前后两侧端面；所述髋关节转轴结构包括髋关节滑移支撑件013，髋部旋转轴结构011和髋关节滑移导轨件016；所述髋关节滑移导轨件016采用螺钉固定于髋部过渡连接板017上，所述髋关节滑移支撑件013与髋关节滑移导轨件016之间采用滑移卡槽方式连接，髋部旋转轴结构011的一端伸入髋关节滑移支撑件013的圆柱形腔体中并通过端盖015螺纹固定，髋部旋转轴结构011的另一端与大腿仿形结构以转轴方式连接，且具有一个大腿前后摆动幅度限位块012，使得腿部以下部位具有相应前后摆动的自由度；在髋关节滑移支撑件013与髋部旋转轴结构011之间设置有髋关节外摆回力弹簧014，使得腿部以下部位具有相应左右摆动的自由度和回力功能。
所述大腿仿形结构包括大腿伸缩套件006，大腿杆件007；其中，大腿杆件007上部具有一个大腿弹簧限位环，大腿杆件007位于大腿弹簧限位环以上的部分套一个大腿回力弹簧后伸入大腿伸缩套件006中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能。
所述小腿仿形结构包括小腿伸缩套件008，小腿杆件009；其中，小腿杆件009上部具有一个小腿弹簧限位环，小腿杆件009位于小腿弹簧限位环以上的部分套一个小腿回力弹簧后伸入小腿伸缩套件008中；其中，小腿伸缩套件008与大腿杆件007之间以转轴方式连接。
所述足部仿形结构10包括踝关节底座与分别固定于踝关节底座侧面的脚底板；所述踝关节底座上具有一个踝关节转轴安装工位；所述踝关节转轴上部与小腿杆件009之间采用踝关节连接销钉以旋转轴方式连接且设置有脚踝回力弹簧，使得足部仿形结构前后行走时具有相应的自由度和回力功能；所述踝关节转轴下部伸入踝关节底座的安装工位并采用脚踝旋转轴链接销钉固定。
进一步地，上述技术方案中，还可以增加一个腋下支撑杆件001，所述腋下支撑杆件001下端与髋部过渡连接板017采用螺钉固定，上端用于支撑人体腋窝部位。
本发明的有益效果是：本发明提供的具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，在髋关节、大腿、小腿以及脚踝部位分别增加回力结构，使得基于本发明提供的具有半环状髋部结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感；另外，将连接左右下肢外骨骼的背部连接结构改成半环状髋部结构，使得具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼左右下肢可以单独生产和单独使用。本发明可广泛用于各种“助力”、“助残”、“健康矫正”领域。
附图说明
图1是本发明提供的具有半环状腰部结构的人体下肢外骨骼整体结构示意图。
图2是本发明提供的具有半环状腰部结构的人体下肢外骨骼腰部及髋部旋转轴结构示意图。
图1至图2中附图标记：腋下支撑杆件001、人体后侧连接板002、绑带003和004、人体前侧连接板005、大腿伸缩套件006、大腿杆件007、小腿伸缩套件008、小腿杆件009、脚部010、髋部旋转轴结构011、髋关节摆动限位滑块012、髋关节滑移支撑件013、髋关节外摆回力弹簧014、端盖015、髋关节滑移导轨件016、髋部过渡连接板017、连接销钉018和019。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1、2所示，一种具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，包括人体下肢仿形机械结构和用于将人体下肢仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件；所述人体下肢仿形机械结构包括下肢仿形结构和髋部仿形结构；所述下肢仿形结构包括大腿仿形结构、小腿仿形结构和足部仿形结构；所述大腿仿形结构与小腿仿形结构通过膝关节转轴相连，所述小腿仿形结构与足部仿形结构通过踝关节转轴相连；所述髋部仿形结构与大腿仿形结构通过髋关节转轴结构相连；所述髋部仿形结构为一具有半环状髋部结构，包括髋部过渡连接板017、人体前侧连接板005和人体后侧连接板002，人体前侧连接板005和人体后侧连接板002分别通过一个连接销钉(018、019)固定于髋部过渡连接板017的前后两侧端面；所述髋关节转轴结构包括髋关节滑移支撑件013，髋部旋转轴结构011和髋关节滑移导轨件016；所述髋关节滑移导轨件016采用螺钉固定于髋部过渡连接板017上，所述髋关节滑移支撑件013与髋关节滑移导轨件016之间采用滑移卡槽方式连接，髋部旋转轴结构011的一端伸入髋关节滑移支撑件013的圆柱形腔体中并通过端盖015螺纹固定，髋部旋转轴结构011的另一端与大腿仿形结构以转轴方式连接，且具有一个大腿前后摆动幅度限位块012，使得腿部以下部位具有相应前后摆动的自由度；在髋关节滑移支撑件013与髋部旋转轴结构011之间设置有髋关节外摆回力弹簧014，使得腿部以下部位具有相应左右摆动的自由度和回力功能。
所述大腿仿形结构包括大腿伸缩套件006，大腿杆件007；其中，大腿杆件007上部具有一个大腿弹簧限位环，大腿杆件007位于大腿弹簧限位环以上的部分套一个大腿回力弹簧后伸入大腿伸缩套件006中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能。
所述小腿仿形结构包括小腿伸缩套件008，小腿杆件009；其中，小腿杆件009上部具有一个小腿弹簧限位环，小腿杆件009位于小腿弹簧限位环以上的部分套一个小腿回力弹簧后伸入小腿伸缩套件008中；其中，小腿伸缩套件008与大腿杆件007之间以转轴方式连接。
所述足部仿形结构10包括踝关节底座与分别固定于踝关节底座侧面的脚底板；所述踝关节底座上具有一个踝关节转轴安装工位；所述踝关节转轴上部与小腿杆件009之间采用踝关节连接销钉以旋转轴方式连接且设置有脚踝回力弹簧，使得足部仿形结构前后行走时具有相应的自由度和回力功能；所述踝关节转轴下部伸入踝关节底座的安装工位并采用脚踝旋转轴链接销钉固定。
进一步地，上述技术方案中，还可以增加一个腋下支撑杆件001，所述腋下支撑杆件001下端与髋部过渡连接板017采用螺钉固定，上端用于支撑人体腋窝部位。
进一步地，上述技术方案中，所述足部耦合部件包括设置于脚底板脚跟部位的鞋帮耦合部件和脚掌部位的鞋帮耦合部件。
本发明提供的具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，在髋关节、大腿、小腿以及脚踝部位分别增加回力结构，使得基于本发明提供的具有半环状髋部结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感；另外，将连接左右下肢外骨骼的背部连接结构改成半环状髋部结构，使得具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼左右下肢可以单独生产和单独使用。本发明可广泛用于各种“助力”、“助残”、“健康矫正”领域。
Claims (7)
1.一种具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，包括人体下肢仿形机械结构和用于将人体下肢仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件；所述人体下肢仿形机械结构包括下肢仿形结构和髋部仿形结构；所述下肢仿形结构包括大腿仿形结构、小腿仿形结构和足部仿形结构；所述大腿仿形结构与小腿仿形结构通过膝关节转轴相连，所述小腿仿形结构与足部仿形结构通过踝关节转轴相连；所述髋部仿形结构与大腿仿形结构通过髋关节转轴结构相连；所述髋部仿形结构为一具有半环状髋部结构，包括髋部过渡连接板(017)、人体前侧连接板(005)和人体后侧连接板(002)，人体前侧连接板(005)和人体后侧连接板(002)分别通过一个连接销钉(018、019)固定于髋部过渡连接板(017)的前后两侧端面；所述髋关节转轴结构包括髋关节滑移支撑件(013)，髋部旋转轴结构(011)和髋关节滑移导轨件(016)；所述髋关节滑移导轨件(016)采用螺钉固定于髋部过渡连接板(017)上，所述髋关节滑移支撑件(013)与髋关节滑移导轨件(016)之间采用滑移卡槽方式连接，髋部旋转轴结构(011)的一端伸入髋关节滑移支撑件(013)的圆柱形腔体中并通过端盖(015)螺纹固定，髋部旋转轴结构(011)的另一端与大腿仿形结构以转轴方式连接，且具有一个大腿前后摆动幅度限位块(012)，使得腿部以下部位具有相应前后摆动的自由度；在髋关节滑移支撑件(013)与髋部旋转轴结构(011)之间设置有髋关节外摆回力弹簧(014)，使得腿部以下部位具有相应左右摆动的自由度和回力功能。
2.根据权利要求1所述的具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述大腿仿形结构包括大腿伸缩套件(006)，大腿杆件(007)；其中，大腿杆件(007)上部具有一个大腿弹簧限位环，大腿杆件(007)位于大腿弹簧限位环以上的部分套一个大腿回力弹簧后伸入大腿伸缩套件(006)中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能。
3.根据权利要求1所述的具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述小腿仿形结构包括小腿伸缩套件(008)，小腿杆件(009)；其中，小腿杆件(009)上部具有一个小腿弹簧限位环，小腿杆件(009)位于小腿弹簧限位环以上的部分套一个小腿回力弹簧后伸入小腿伸缩套件(008)中；其中，小腿伸缩套件(008)与大腿杆件(007)之间以转轴方式连接。
4.根据权利要求1所述的具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述足部仿形结构(10)包括踝关节底座与分别固定于踝关节底座侧面的脚底板；所述踝关节底座上具有一个踝关节转轴安装工位；所述踝关节转轴上部与小腿杆件(009)之间采用踝关节连接销钉以旋转轴方式连接且设置有脚踝回力弹簧，使得足部仿形结构前后行走时具有相应的自由度和回力功能；所述踝关节转轴下部伸入踝关节底座的安装工位并采用脚踝旋转轴链接销钉固定。
5.根据权利要求1至4中任一项所述具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼还包括一个腋下支撑杆件(001)，所述腋下支撑杆件(001)下端与髋部过渡连接板(017)采用螺钉固定，上端用于支撑人体腋窝部位。
6.根据权利要求1至4中任一项所述具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述耦合组件包括腰部耦合部件，所述腰部耦合部件为两段腰带，两段腰带的一端分别与人体前侧连接板(005)和人体后侧连接板(002)相连，两段腰带的另一端能够绕过人体腰部耦合在一起。
7.根据权利要求1至4中任一项所述具有半环状髋部结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述耦合组件包括足部耦合部件，所述足部耦合部件包括设置于脚底板脚跟部位的鞋帮耦合部件和脚掌部位的鞋帮耦合部件。
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