CN106181969B - 一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节 - Google Patents

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Abstract

一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节，以解决现有下肢助力外骨骼机器人上的髋关节采用被动驱动，没有任何动力源，完全由穿戴者带动，导致人体体能的消耗增加的问题。本发明的上滑轮轴与下滑轮轴上下平行设置在两个连接板之间，上滑轮轴和下滑轮轴分别固装在相应的滑轮轴孔中，上滑轮通过轴承安装在上滑轮轴上，下滑轮通过轴承安装在下滑轮轴上，钢丝的下端先绕过下滑轮再绕过上滑轮后与钢丝固定件连接，钢丝的上端绕过导向滑轮后与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的下端与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的上端与弹簧上压板连接，导向滑轮固装在导向滑轮座中。本发明用于下肢助力外骨骼机器人上。

Description

一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节
技术领域
本发明涉及一种髋关节，具体涉及一种用于下肢助力外骨骼机器人上的平衡的髋关节。
背景技术
目前，对于人体下肢助力外骨骼机器人来讲，髋关节的设计是非常重要的一个环节。目前已有的髋关节设计大多是以串联结构为主，采用电机直接驱动或者液压缸直接驱动，这种设计方式虽然有一定的助力效果，但是对整个系统来说，起到的助力效果相对较小，而且采用主动驱动会增加外骨骼机器人的体积和重量，会引起更多不必要的做功，同时运动范围受限；也有一些外骨骼机器人的髋关节采用被动驱动，没有任何动力源，完全由穿戴者带动，这无疑会增加人体体能的消耗，虽然整个系统起到一定的助力效果，但是人体需要克服外骨骼的自身重力做功，还会影响运动能力。
发明内容
本发明为解决现有下肢助力外骨骼机器人上的髋关节采用被动驱动，没有任何动力源，完全由穿戴者带动，导致人体体能的消耗增加的问题，而提出一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节。
本发明的一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节，所述髋关节包括髋关节转轴座、上滑轮轴、下滑轮轴、上滑轮、下滑轮、钢丝、导向滑轮、钢丝固定件、导向滑轮座、弹簧下压板、一组平衡弹簧和弹簧上压板；
髋关节转轴座包括髋关节转轴和两个连接板，每个连接板的上方设有两个滑轮轴孔，每个连接板的下方设有一个腿髋连接轴孔，两个连接板平行设置，两个连接板对称设置在髋关节转轴的两侧，且两个连接板与髋关节转轴制成一体，上滑轮轴与下滑轮轴上下平行设置在两个连接板之间，上滑轮轴和下滑轮轴分别固装在相应的滑轮轴孔中，上滑轮通过轴承安装在上滑轮轴上，下滑轮通过轴承安装在下滑轮轴上，钢丝的下端先绕过下滑轮再绕过上滑轮后与钢丝固定件连接，钢丝的上端绕过导向滑轮后与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的下端与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的上端与弹簧上压板连接，导向滑轮固装在导向滑轮座中。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的髋关节为被动平衡关节，髋关节采用了平衡弹簧进行重力平衡，平衡弹簧在背部的弹簧的弹性势能与外骨骼的下肢重力势能相互平衡，达到人体不用克服外骨骼重力就可以在髋关节自由运动的效果，减少了不必要的能量消耗，利用钢丝实现了空间上的重力平衡，利用平衡弹簧进行重力平衡使得本发明结构简单、体积小、质量轻，满足了轻型化的设计标准。由于平衡弹簧的平衡作用，使得弹簧的弹性势能始终和外骨骼下肢的重力是能平衡。不管人体运动到任何姿态，都不需要人体出力维持姿态，不需要人体克服运动到外骨骼下肢的重力做功。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图；
图2是髋关节转轴座C1的立体图；
图3是下肢助力外骨骼机器人的后视图(即本发明的髋关节与腰部B、背部A和大腿E连接的位置关系示意图)；
图4是图3的右视图。
图中：背部A、腰部B、弹簧调节板J、膝关节D、大腿E、小腿F、足部关节轴承G、足部H、腿髋连接轴I、膝关节连接轴K、绑腿塑料板L。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括髋关节转轴座C1、上滑轮轴C2、下滑轮轴C3、上滑轮C4、下滑轮C5、钢丝C6、导向滑轮C7、钢丝固定件C8、导向滑轮座C9、弹簧下压板C10、一组平衡弹簧C11和弹簧上压板C12；
髋关节转轴座C1包括髋关节转轴C1-1和两个连接板C1-2，每个连接板C1-2的上方设有两个滑轮轴孔C1-2-1，每个连接板C1-2的下方设有一个腿髋连接轴孔C1-2-2，两个连接板C1-2平行设置，两个连接板C1-2对称设置在髋关节转轴C1-1的两侧，且两个连接板C1-2与髋关节转轴C1-1制成一体，上滑轮轴C2与下滑轮轴C3上下平行设置在两个连接板C1-2之间，上滑轮轴C2和下滑轮轴C3分别固装在相应的滑轮轴孔C1-2-1中，上滑轮C4通过轴承安装在上滑轮轴C2上，下滑轮C5通过轴承安装在下滑轮轴C3上，钢丝C6的下端先绕过下滑轮C5再绕过上滑轮C4后与钢丝固定件C8连接，钢丝C6的上端绕过导向滑轮C7后与弹簧下压板C10连接，一组平衡弹簧C11的下端与弹簧下压板C10连接，一组平衡弹簧C11的上端与弹簧上压板C12连接，导向滑轮C7固装在导向滑轮座C9中。
使用时，见图3和图4，本发明的髋关节C需要两个，两个髋关节C对称设置在腰部B的两侧，且两个髋关节C与腰部B上的两个腰髋连接件B4一一对应，髋关节C上的髋关节转轴C1-1与腰部B上的腰髋连接件B3铰接，髋关节C上的弹簧上压板C12与弹簧调节板J通过连接元件连接，弹簧调节板J位于背部支撑件A1的上端，弹簧调节板J与背部支撑件A1通过连接元件连接，导向滑轮座C9与腰部B上的腰部固定板B2固连；两个大腿E与两个髋关节C一一对应，大腿E的上端通过腿髋连接轴I与髋关节C上的连接板C1-2铰接，髋关节C上的钢丝固定件C8固装在大腿E的外壁上。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式为一组平衡弹簧C11的数量为两个，且该两个平衡弹簧C11平行设置。该两个平衡弹簧C11并联起来平衡一侧的外骨骼下肢重力势能。弹簧调节板J通过调节背部支撑件A1的安装位置，来改变平衡弹簧C11的挂点，以改变平衡弹簧C11的伸长量、原长和刚度，从而达到在外骨骼下肢的重力势能变化的情况下，还能达到弹簧弹性势能与外骨骼重力势能平衡的效果。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式为钢丝C6外部设置有护套。钢丝C6与护套组合在一起成为鲍登线。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
本发明的工作原理：在大腿E绕髋关节C屈伸自由度旋转的时候，平衡弹簧C11的伸长量会发生变化，即平衡弹簧C11的长度会发生变化，通过计算设计，并进行合理的结构设计，可以达到不管下肢怎么旋转，下肢的重力势能都会和长度变化的弹簧的弹性势能保持势能的守恒，达到重力平衡的效果，使人体不用克服外骨骼的重力做功。

Claims (3)

1.一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节，其特征在于：所述髋关节(C)包括髋关节转轴座(C1)、上滑轮轴(C2)、下滑轮轴(C3)、上滑轮(C4)、下滑轮(C5)、钢丝(C6)、导向滑轮(C7)、钢丝固定件(C8)、导向滑轮座(C9)、弹簧下压板(C10)、一组平衡弹簧(C11)和弹簧上压板(C12)；
髋关节转轴座(C1)包括髋关节转轴(C1-1)和两个连接板(C1-2)，每个连接板(C1-2)的上方设有两个滑轮轴孔(C1-2-1)，每个连接板(C1-2)的下方设有一个腿髋连接轴孔(C1-2-2)，两个连接板(C1-2)平行设置，两个连接板(C1-2)对称设置在髋关节转轴(C1-1)的两侧，且两个连接板(C1-2)与髋关节转轴(C1-1)制成一体，上滑轮轴(C2)与下滑轮轴(C3)上下平行设置在两个连接板(C1-2)之间，上滑轮轴(C2)和下滑轮轴(C3)分别固装在相应的滑轮轴孔(C1-2-1)中，上滑轮(C4)通过轴承安装在上滑轮轴(C2)上，下滑轮(C5)通过轴承安装在下滑轮轴(C3)上，钢丝(C6)的下端先绕过下滑轮(C5)再绕过上滑轮(C4)后与钢丝固定件(C8)连接，钢丝(C6)的上端绕过导向滑轮(C7)后与弹簧下压板(C10)连接，一组平衡弹簧(C11)的下端与弹簧下压板(C10)连接，一组平衡弹簧(C11)的上端与弹簧上压板(C12)连接，导向滑轮(C7)固装在导向滑轮座(C9)中。
2.根据权利要求1所述的一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节，其特征在于：所述一组平衡弹簧(C11)的数量为两个，且该两个平衡弹簧(C11)平行设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节，其特征在于：所述钢丝(C6)外部设置有护套。
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