CN106926220A - 一种具备rcm三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，使用三个约束三个旋转自由度的多连杆机构作为主要支链，与两个辅助驱动支链。主支链与辅助驱动支链均与腰部托架和腿部托架相连。其中主支链为两组重合于一点的相邻平行四边形机构构成，由虚拟垂直于纸面的转轴1，以及与转轴1相交的转轴2、转轴3，共同组成绕相交点旋转的解耦三自由度旋转机构。对于主支链其他两个自由度则有另外的两个UPS结构形式的辅助驱动之链进行约束。本发明通过腰部托架与腿部托架分别安装于人体的腰部与腿部，使用者可以根据需要，采用推拉和背负两种使用方式，减小功能驱动系统的负载对使用者的影响，避免了负重因素对能源系统的体积和重量的限制。

Description

一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备

技术领域

本发明涉及一种人体穿戴髋关节外骨骼机构，具体来说，是一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，可以实现绕关节旋转中心进行运动解耦的三自由度旋转。

背景技术

随着中国社会老龄化的加剧、人类疾病以及意外事故的问题，人的运动受到影响，可穿戴外骨骼机构可以对人体康复以及辅助运动提供帮助。可穿戴式助力设备以及康复设备的应用尤为受到重视。

人体髋关节作为一种重要运动关节，在损伤后或者无法提供足够力量时，将极大影响人的正常行动。因为人体髋关节具有三自由度旋转运动，且串联机构刚性较差，无法绕人体髋关节转动中心进行旋转，本发明将针对该种运动提供一种纯旋转的三自由度并联机构。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，使用三个约束三个旋转自由度的多连杆机构作为主支链，该支链具有约束支链与驱动支链双重功能，另设计有两条支链作为无约束的驱动支链，该机构由此三个驱动与三自由度约束可实现人体髋关节可穿戴式助力设备绕髋关节进行三自由度旋转运动。

本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，包括一条主支链与两条辅助驱动支链、腰部托架、腿部托架、腰部连接架与腿部连接架。

所述主支链包含两套相对于y轴对称的平行四杆结构；y轴正向同人体右向；两套平行四杆结构相对的顶点铰接形成转动副；同时远离y轴的一条连杆分别作为腰部连杆与腿部连杆；腰部连杆与腿部连杆分别用来连接腰部托架与腿部托架。腰部连杆与腿部连杆轴线交于一点，作为主支链的旋转中心，位于沿人体前后方向设定的一条虚拟转轴上。

上述主支链中，腰部连杆与腿部连杆的输出端上通过轴承分别套接有腰部连接头与腿部连接头；结合主支链的结构设计，使主支链具有竖直方向的移动自由度腰部连杆与腿部连杆、轴线的绕旋转自由度。上述腰部连接头和腿部连接头侧壁分别通过腰部连接架5和腿部连接架，与腰部托架和腿部托架连接固定；腰部连接架与腿部连接架均由相互铰接且铰接轴平行于y轴的支架构成；由此使主支链具有平行于四杆结构各转动副的转动自由度；最终可实现主支链的虚拟转轴空间位置调整。

所述两个辅助驱动支链分别位于人体前部与后部；辅助驱动支链由两段连杆构成，两段连杆间形成P副；其中内层连杆端部安装有虎克铰，通过虎克铰与腰部托架相连，形成U副；外层连杆端部安装球铰，通过球铰与腿部托架铰接，形成S副。

使用时，先将腰部托架设置于人体胯部位置，通过绑带固定；将腿部托架设置于人体大腿上，随后根据人体髋关节相对腰部托架的位置，对腿部托架位置进行调节，使得人体髋关节中心位于主支链的虚拟转轴上，此时将腿部托架与人体大腿间通过绑带固定。最终通过各个驱动电机联动，驱动人体大腿绕髋关节的三自由度旋转运动。

本发明的优点在于：

1、本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，真正实现了三自由解耦旋转运动，符合人体髋关节解剖学运动情况；

2、本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，通过虚拟转轴可以实现在人体与外骨骼机构非干涉情况下的机构旋转运动，即RCM远距离虚拟旋转中心的方式进行工作。

3、本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，可穿戴后位置可调整，使得穿戴后机构能够准确绕人体髋关节中心进行旋转。

附图说明

图1为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备整体结构示意图；

图2为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备整体结构侧视示意图；

图3为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备中结构一主支链原理图；

图4为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备中结构二主支链原理图；

图5为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备主之链斜置示意图；

图6为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备主之链斜置侧视示意图；

图7为本发明人体髋关节可穿戴式助力设备中增加腰部连接架的连接方式示意图。

图中：

1-主支链 2-辅助驱动支链 3-腰部托架

4-腿部托架 5-腰部连接架 6-腿部连接架

7-腰部连接架 8-三轴运动平台 101-腰部连杆

102-腿部连杆 103-腰部连接头 104-腿部连接头

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，包括一条主支链1与两条辅助驱动支链2、腰部托架3、腿部托架4、腰部连接架5与腿部连接架6，如图1、图2所示。

主支链1由仿图仪平行四边形结构演化而来，令空间三轴坐标系中，x轴正向为人体正向；y轴正向同人体右向，z轴正向为竖直向下；则如图3、图4所示，主支链1包含两套相对于y轴对称的平行四杆结构；相对的顶点铰接形成转动副；同时远离y轴的一条连杆分别作为腰部连杆101与腿部连杆102，轴线交于三轴坐标系中一设定虚拟点，作为主支链1的旋转中心，位于沿人体前后方向设定的一条虚拟转轴上；腰部连杆101与腿部连杆102分别用来连接半弧形腰部托架3与腿部托架4；由此形成绕虚拟转轴旋转的解耦三自由度旋转机构，在该机构转动过程中，可实现腰部连杆101与腿部连杆102始终相交于一点，即整个人体髋关节可穿戴式助力设备始终绕y轴进行旋转。

本发明中针对上述方案，设计了主支链1的具体结构，如下：

主支链1由8根连杆构成，令8根连杆分别为1～8号连杆，如图3所示；其中，1～4号连杆顺时针布置构成第一套平行四连杆结构，5～8号连杆逆时针布置构成第二套平行四连杆结构；令两套平行四连杆结构中，靠近y轴的连杆为3号与7号连杆，1号与5号连杆为远离y轴的连杆，分别作为腰部连杆101与腿部连杆102。则两套平行四连杆结构中4号连杆和3号连杆铰接处同时与7号连杆和8号连杆铰接处间铰接，形成成转动副；2号与6号连杆相对端端部间铰接，形成转动副；由此3号、7号、2号与6号连杆间构成一套四杆结构。

上述结构主支链1中具有两套平行四连杆结构与一套四杆结构组合构成，具有较多杆件与旋转副，对于机构的加工精度和安装调试有一定的要求，因此本发明对上述结构主支链1进行简化，减少精度误差带来的影响，设计另一种主支链1的结构，具体如下：

主支链1由6根连杆构成，令6根连杆分别为1～6号连杆，如图4所示；其中，3号与4号连杆呈X型相交处铰接形成转动副。5号和6号连杆分别与3号和4号连杆平行设置，且末端分别与4号和3号连杆末端相交并铰接形成转动副。1号连杆作为腰部连杆101，2号连杆作为腿部连杆102，分别与4号和3号连杆平行，且1号连杆与3号和5号连杆前端相交并铰接形成转动副；2号连杆与4号和6号连杆相交并铰接形成转动副。由此，1号、3号、4号与5号连杆间构成第一套平行四杆结构；2号、3号、4号与6号连杆间构成第二套平行四杆结构。上述第二种结构的主支链1仍然可以实现绕虚拟转轴转动；且相对于第一种结构的主支链1减少了一个平行四边形造成的冗余自由度，增加了第二种结构主支链1的精确度。

上述两种结构的主支链1中，腰部连杆101与腿部连杆102的输出端上通过轴承分别套接有柱状的腰部连接头103与腿部连接头104；结合主支链1的结构设计，使主支链1具有竖直方向(z轴方向)的移动自由度腰部连杆101与腿部连杆102轴线的绕旋转自由度。上述腰部连接头103和腿部连接头104侧壁分别通过腰部连接架5和腿部连接架6，与腰部托架101和腿部托架102连接固定，如图1、图2所示；腰部连接架5与腿部连接架6均由相互铰接且铰接轴平行于y轴的支架构成；由此使主支链1具有平行于四杆结构各转动副的转动自由度；最终可实现主支链1的虚拟转轴空间位置调整。

上述两种结构的主支链1绕虚拟转轴的旋转动，通过在主支链1外侧旋转副上安装驱动实现，对于第一种结构主支链来说在2号与6号连杆的铰接处同轴安装驱动电机即可实现，对于第二中结构的主支链1来说，在3号与4号连杆铰接处同轴安装驱动电机即可实现。

所述两个辅助驱动支链2分别位于人体前部与后部，用来约束另两个自由度(主支链1竖直方向的移动与旋转自由度)。辅助驱动支链2为UPS结构形式，由两段连杆构成。两段连杆间内外套接，形成P副；其中内层连杆端部安装有虎克铰，通过虎克铰与腰部托架3相连，形成U副；外层连杆端部安装球铰，通过球铰与腿部托架4铰接，形成S副。由此通过电机驱动虎克铰的一个旋转轴转动，即可实现整个人体髋关节可穿戴式助力设备绕虚拟转轴的三自由度旋转的形式。

使用时，先将腰部托架3设置于人体胯部位置，通过绑带固定；将腿部托架4设置于人体大腿上，随后根据人体髋关节相对腰部托架3的位置，对腿部托架4位置进行调节，使得人体髋关节中心位于主支链1的虚拟转轴上，此时将腿部托架4与人体大腿间通过绑带固定。最终通过各个驱动电机联动，驱动人体大腿绕髋关节的三自由度旋转运动。

为了使本发明人体髋关节可穿戴式助力设备运动更大的角度，因此主支链1可采用斜置的方式，同时将两个辅助驱动支链2设置于人体一侧，通过多滑杆机构连接腰部托架101与腿部托架102；该设计还可防止整体设备的运动行程不与人体干涉，如图7所示。上述结构具体实现方式如下：

将主支链1中腰部连杆101的输出端相对主支链1的旋转中心朝向x轴负向偏转35度后，通过腰部连接头103、腰部连接架5与腰部托架3相连，实现主支链的斜置，如图5、图6所示。多滑杆机构分为上部多滑杆机构7与下部多滑杆机构8；其中，上部多滑杆机构包括四根可伸缩杆，令分别为伸缩杆A7a、伸缩杆B7b、伸缩杆C7c与伸缩杆D7d；伸缩杆A7a与伸缩杆B7b的相接端端部铰接，且铰接处固定于腰部托架3上，同时使伸缩杆A7a与伸缩杆B7b所在平面向后倾斜，与水平面呈35度夹角，铰接轴轴线与z轴夹角呈35度。伸缩杆C与伸缩杆D7d垂直于伸缩杆A7a与伸缩杆B7b所在平面，固定端分别与伸缩杆A7a与伸缩杆B7b的固定端固定。下部多滑杆机构8包括两根可伸缩杆，令分别为伸缩杆E7e与伸缩杆F7f；其中，伸缩杆E7e与伸缩杆F7f的相接端端部铰接，且铰接处固定于腿部托架4上。两根辅助驱动支链2分别通过虎克铰连接伸缩杆C7c与伸缩杆D7d的铰接端；同时分别通过球铰铰接伸缩杆E7e与伸缩杆F7f的铰接端。由此，通过上述设计使得人体髋关节可穿戴式助力设备能够向前做较大角度旋转至90度。

如图7所示，本发明中还可在主支链1、两条辅助驱动支链2与腰部托架3间设置有半弧形腰部连接架7；主支链1、辅助驱动支链2与腰部连接架7的连接方式，与主支链1、辅助驱动支链2与腰部托架3间的连接方式相同；而腰部托架3两端通过在腰部连接架7周向上安装的三套三轴移动平台实现与腰部连接架7间的连接，使腰部托架3具有沿x、y、z方向三个可锁紧移动自由度。由此，通过三套三轴运动平台8实现腰部托架3与其余部分间相对位置时，且在调整过程中，不用对主支链1及辅助驱动支链2进行调整，使主支链1及辅助驱动支链2的机构参数不变；而腰部连接架5与腿部连接架6处的旋转只作为腰部托架3移动调整后的微调。

Claims (6)

1.一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，其特征在于：包括一条主支链与两条辅助驱动支链、腰部托架、腿部托架、腰部连接架与腿部连接架；

所述主支链包含两套相对于y轴对称的平行四杆结构；y轴正向同人体右向；两套平行四杆结构相对的顶点铰接形成转动副；同时远离y轴的一条连杆分别作为腰部连杆与腿部连杆；腰部连杆与腿部连杆分别用来连接腰部托架与腿部托架；腰部连杆与腿部连杆轴线交于一点，作为主支链的旋转中心，位于沿人体前后方向设定的一条虚拟转轴上；

上述主支链中，腰部连杆与腿部连杆的输出端上通过轴承分别套接有柱状的腰部连接头与腿部连接头；上述腰部连接头和腿部连接头侧壁分别通过腰部连接架和腿部连接架，与腰部托架和腿部托架连接固定；腰部连接架与腿部连接架均由相互铰接且铰接轴平行于y轴的支架构成；

所述两个辅助驱动支链分别位于人体前部与后部；辅助驱动支链由两段连杆构成，两段连杆间形成P副；其中内层连杆端部安装有虎克铰，通过虎克铰与腰部托架相连，形成U副；外层连杆端部安装球铰，通过球铰与腿部托架铰接，形成S副。

2.如权利要求1所述一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，其特征在于：主支链由8根连杆构成，令8根连杆分别为1～8号连杆；其中，1～4号连杆顺时针布置构成第一套平行四连杆结构，5～8号连杆逆时针布置构成第二套平行四连杆结构；令两套平行四连杆结构中，靠近y轴的连杆为3号与7号连杆，1号与5号连杆为远离y轴的连杆，分别作为腰部连杆与腿部连杆；则两套平行四连杆结构中4号连杆和3号连杆铰接处同时与7号连杆和8号连杆铰接处间铰接，形成成转动副；2号与6号连杆相对端端部间铰接，形成转动副；由此3号、7号、2号与6号连杆间构成一套四杆结构。

3.如权利要求1所述一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，其特征在于：主支链由6根连杆构成，令6根连杆分别为1～6号连杆；其中，3号与4号连杆呈X型，相交处铰接形成转动副；5号和6号连杆分别与3号和4号连杆平行设置，且末端分别与4号和3号连杆末端相交并铰接形成转动副。1号连杆作为腰部连杆，2号连杆作为腿部连杆，分别与4号和3号连杆平行，且1号连杆与3号和5号连杆前端相交并铰接形成转动副；2号连杆与4号和6号连杆相交并铰接形成转动副。由此，1号、3号、4号与5号连杆间构成第一套平行四杆结构；2号、3号、4号与6号连杆间构成第二套平行四杆结构。

4.如权利要求1所述一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，其特征在于：腰部托架设置于人体胯部位置，通过绑带固定；腿部托架设置于人体大腿上，根据人体髋关节相对腰部托架的位置，对腿部托架位置进行调节，使得人体髋关节中心位于主支链的虚拟转轴上，此时将腿部托架与人体大腿间通过绑带固定。

5.如权利要求1所述一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，其特征在于：主支链可采用斜置的方式，同时将两个辅助驱动支链设置于人体一侧，并通过多滑杆机构连接腰部托架与腿部托架；具体方式为：主支链中腰部连杆的输出端相对主支链的旋转中心朝向x轴负向偏转，通过腰部连接头、腰部连接架与腰部托架相连，实现主支链的斜置；多滑杆机构分为上部多滑杆机构与下部多滑杆机构；其中，上部多滑杆机构包括四根可伸缩杆，令分别为伸缩杆A、伸缩杆B、伸缩杆C与伸缩杆D；伸缩杆A与伸缩杆B的相接端端部铰接，且铰接处固定于腰部托架上，同时使伸缩杆A与伸缩杆B所在平面向后倾斜；伸缩杆C与伸缩杆D垂直于伸缩杆A与伸缩杆B所在平面，固定端分别与伸缩杆A与伸缩杆B的固定端固定；下部多滑杆机构包括两根可伸缩杆，令分别为伸缩杆E与伸缩杆F；伸缩杆E与伸缩杆F的相接端端部铰接，且铰接处固定于腿部托架4上。两根辅助驱动支链2分别通过虎克铰连接伸缩杆C7c与伸缩杆D7d的铰接端；同时分别通过球铰铰接伸缩杆E7e与伸缩杆F7f的铰接端。

6.如权利要求1所述一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，其特征在于：主支链、两条辅助驱动支链与腰部托架间设置有半弧形腰部连接架；主支链、辅助驱动支链与腰部连接架的连接方式，与主支链、辅助驱动支链与腰部托架间的连接方式相同；而腰部托架两端通过在腰部连接架周向上安装的三套三轴移动平台实现与腰部连接架间的连接，使腰部托架具有沿x、y、z方向三个可锁紧移动自由度。