CN108210244A - 一种仿生三自由度外骨骼髋关节 - Google Patents

一种仿生三自由度外骨骼髋关节 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生三自由度外骨骼髋关节，包括髋部挡板、平行连杆机构和髋部承力构件，平行连杆机构通过两个延长边通过第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接，髋部承力构件一端通过第三转轴铰接布置在平行连杆机构的中部、和平行连杆机构之间连接有驱动元件，髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L1、髋部承力构件的第三转轴的轴线L2、平行连杆机构的中轴线L3相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O。本发明设计的仿生髋关节的转动中心与人体髋关节中心重合，在空间上避免外骨骼服与人体的几何干涉，使穿戴更为舒适，减少外骨骼服与人体运动的内耗，穿戴舒适性更高、与人体运动更为协调从而真正实现增强人体机动能力。

Description

一种仿生三自由度外骨骼髋关节
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人，具体涉及一种仿生三自由度外骨骼髋关节。
背景技术
国外对于外骨骼的研究已有一定基础和成果，国内对其的研究也正兴起。目前外骨骼主要用于医疗康复、单兵作战、工业生产等领域。现有的外骨骼机器人在仿生设计上对人体结构做了简化，尤其是关节及其运动的简化，使得外骨骼与人体运动存在差异，具体表现在穿戴时的舒适性不佳。例如，申请号为201310686549.6、申请号为201310688125.3、申请号为201410855607.8的中国专利文献各提出了一种穿戴式外骨骼助力机器人，其髋关节都设计有三个自由度，可进行屈/伸，外摆/内收，内旋/外旋，然而其三个旋转中心与人体髋关节中心不重合，可能造成外骨骼服与人体的空间干涉，穿戴舒适性有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种穿戴舒适性更高、与人体运动更为协调从而真正实现增强人体机动能力的仿生三自由度外骨骼髋关节，本发明设计的仿生髋关节的转动中心与人体髋关节中心重合，在空间上避免外骨骼服与人体的几何干涉，使穿戴更为舒适，减少外骨骼服与人体运动的内耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种仿生三自由度外骨骼髋关节，包括髋部挡板、平行连杆机构和髋部承力构件，所述髋部挡板为弧形结构且下部设有大腿承力构件，所述平行连杆机构做剪切运动时被约束在同一个平面上，所述平行连杆机构布置于髋部挡板的开口外侧且通过两个延长边通过第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接，所述髋部承力构件为弧形结构且一端通过第三转轴铰接布置在平行连杆机构的中部、且和平行连杆机构之间连接有驱动元件，所述髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L1、髋部承力构件的第三转轴的轴线L2、平行连杆机构的中轴线L3相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O。
优选地，所述平行连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆和第二连杆两者平行布置、第三连杆和第四连杆两者平行布置形成四边形结构，且所述第三连杆、第四连杆分别延伸形成两个延长边，且所述两个延长边通过第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接。
优选地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆中任意相邻两者之间通过第二转轴活动连接，且所有的第二转轴的轴线之间相互平行布置使得平行连杆机构做剪切运动时被约束在同一个平面上。
优选地，所述第一连杆一端通过第二转轴和第三连杆的一端活动连接、另一端通过第二转轴和第四连杆的一端活动连接，所述第二连杆一端通过第二转轴和第三连杆的中部活动连接、另一端通过第二转轴和第四连杆的中部活动连接，所述第三连杆的另一端、第四连杆的另一端各通过一个第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接。
优选地，所述髋部承力构件的下端通过第三转轴铰接布置在第一连杆、第二连杆的中部，所述驱动元件一端固定在第一连杆端部，另一端固定在髋部承力构件中部。
优选地，所述大腿承力构件包括两根大腿承力杆，且所述两根大腿承力杆的下端连接有弧形支承条。
优选地，所述大腿承力构件采用碳纤维材料制成。
优选地，所述两根大腿承力杆上固定有大腿绑带。
优选地，所述大腿绑带采用柔性材料制成。
优选地，所述驱动元件为液压缸、或气缸、或直线驱动电机。
本发明的仿生三自由度外骨骼髋关节具有下述优点：
1、本发明填补了外骨骼服在仿生髋关节设计领域的空白。
2、本发明的髋关节设计充分考虑人体仿生，髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L1、髋部承力构件的第三转轴的轴线L2、平行连杆机构的中轴线L3相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O，使得具有的三个自由度的旋转中心与人体髋关节中心重合，在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性。
3、本发明的结构复杂程度低，较为灵巧、能耗低、可靠性较好，驱动方式灵活。
4、本发明的大腿承力杆进一步用碳纤维等轻质高强度材料制造，承载的同时兼具防护功能，而大腿绑带采用弹性和柔性材料，能提高穿戴的舒适性。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的屈/伸自由度（主动）实现原理示意图。
图3为本发明实施例的内旋/外旋自由度（被动）实现原理示意图。
图4为本发明实施例的外摆/内收自由度（被动）实现原理示意图，为了便于观察，图中省略了髋部承力构件和驱动元件。
图例说明：1、髋部挡板；10、第一转轴；2、平行连杆机构；20、第二转轴；21、第一连杆；22、第二连杆；23、第三连杆；24、第四连杆；3、髋部承力构件；30、第三转轴；4、大腿承力构件；41、两根大腿承力杆；42、弧形支承条；43、大腿绑带；5、驱动元件。
具体实施方式
如图1、图2、图3、和图4所示，本实施例的仿生三自由度外骨骼髋关节包括髋部挡板1、平行连杆机构2和髋部承力构件3，髋部挡板1为弧形结构且下部设有大腿承力构件4，平行连杆机构2做剪切运动时被约束在同一个平面上，平行连杆机构2布置于髋部挡板1的开口外侧且通过两个延长边通过第一转轴10与髋部挡板1的端部铰链连接，髋部承力构件3为弧形结构且一端通过第三转轴30铰接布置在平行连杆机构2的中部、且和平行连杆机构2之间连接有驱动元件5，髋部挡板1两端两个第一转轴10的轴线L1、髋部承力构件3的第三转轴30的轴线L2、平行连杆机构2的中轴线L3相交于髋部挡板1开口内侧的髋关节中心点O。本实施例的髋关节设计充分考虑人体仿生，髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L1、髋部承力构件的第三转轴的轴线L2、平行连杆机构的中轴线L3相交于所述平行连杆机构与髋部挡板两端髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O，使得具有的三个自由度的旋转中心与人体髋关节中心重合，在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性，本实施例的结构复杂程度低，较为灵巧、能耗低、可靠性较好，驱动方式灵活。
如图1和图3所示，平行连杆机构2包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23和第四连杆24，第一连杆21和第二连杆22两者平行布置、第三连杆23和第四连杆24两者平行布置形成四边形结构，且第三连杆23、第四连杆24分别延伸形成两个延长边，且两个延长边通过第一转轴10与髋部挡板1的端部铰链连接。
如图1和图3所示，第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23和第四连杆24中任意相邻两者之间通过第二转轴20活动连接，且所有的第二转轴20的轴线之间相互平行布置使得平行连杆机构2做剪切运动时被约束在同一个平面上。
如图1和图3所示，第一连杆21一端通过第二转轴20和第三连杆23的一端活动连接、另一端通过第二转轴20和第四连杆24的一端活动连接，第二连杆22一端通过第二转轴20和第三连杆23的中部活动连接、另一端通过第二转轴20和第四连杆24的中部活动连接，第三连杆23的另一端、第四连杆24的另一端各通过一个第一转轴10与髋部挡板1的端部铰链连接。
如图1所示，髋部承力构件3的下端通过第三转轴30铰接布置在第一连杆21、第二连杆22的中部，驱动元件5一端固定在第一连杆21端部，另一端固定在髋部承力构件3中部。
如图2和图4所示，大腿承力构件4包括两根大腿承力杆41，且两根大腿承力杆41的下端连接有弧形支承条42，能够较好地适应大腿形状，使用更舒适。
本实施例中，大腿承力构件4采用碳纤维材料制成，结构轻便、高强度，承载的同时兼具防护功能，而大腿绑带采用弹性和柔性材料，能提高穿戴的舒适性。
如图2和图4所示，两根大腿承力杆41上固定有大腿绑带43。本实施例中，大腿绑带43采用柔性材料制成，使用舒适，佩戴牢固稳定。
本实施例中，驱动元件5为液压缸，此外可以根据需要采用气缸或直线驱动电机。
本实施例的仿生三自由度外骨骼髋关节具有三个转动自由度，可实现屈/伸（主动）、内旋/外旋（被动）、外摆/内收（被动）。当驱动元件5推出，髋关节上下转动（即屈/伸自由度），此时髋部挡板1、髋部承力构件3之间围绕髋部承力构件3的第三转轴30的轴线L2转动，运动方向如图2箭头所示。当穿戴人员进行内旋/外旋时，髋关节内旋/外旋的自由度通过平行连杆机构2实现，随着平行连杆机构2内旋/外旋的角度不同，平行连杆机构2围绕中轴线L3形成不同偏移角度的形变，从而实现图3中箭头所示的内旋/外旋。当穿戴人员进行外摆/内收时，髋关节的外摆/内收自由度则通过髋部挡板1、平行连杆机构2之间的铰接结构实现，从而使得髋部挡板1、平行连杆机构2之间基于第一转轴10实现图4中箭头所示的外摆/内收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：包括髋部挡板（1）、平行连杆机构（2）和髋部承力构件（3），所述髋部挡板（1）为弧形结构且下部设有大腿承力构件（4），所述平行连杆机构（2）做剪切运动时被约束在同一个平面上，所述平行连杆机构（2）布置于髋部挡板（1）的开口外侧且通过两个延长边通过第一转轴（10）与髋部挡板（1）的端部铰链连接，所述髋部承力构件（3）为弧形结构且一端通过第三转轴（30）铰接布置在平行连杆机构（2）的中部、且和平行连杆机构（2）之间连接有驱动元件（5），所述髋部挡板（1）两端两个第一转轴（10）的轴线L1、髋部承力构件（3）的第三转轴（30）的轴线L2、平行连杆机构（2）的中轴线L3相交于髋部挡板（1）开口内侧的髋关节中心点O。
2.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述平行连杆机构（2）包括第一连杆（21）、第二连杆（22）、第三连杆（23）和第四连杆（24），所述第一连杆（21）和第二连杆（22）两者平行布置、第三连杆（23）和第四连杆（24）两者平行布置形成四边形结构，且所述第三连杆（23）、第四连杆（24）分别延伸形成两个延长边，且所述两个延长边通过第一转轴（10）与髋部挡板（1）的端部铰链连接。
3.根据权利要求2所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述第一连杆（21）、第二连杆（22）、第三连杆（23）和第四连杆（24）中任意相邻两者之间通过第二转轴（20）活动连接，且所有的第二转轴（20）的轴线之间相互平行布置使得平行连杆机构（2）做剪切运动时被约束在同一个平面上。
4.根据权利要求3所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述第一连杆（21）一端通过第二转轴（20）和第三连杆（23）的一端活动连接、另一端通过第二转轴（20）和第四连杆（24）的一端活动连接，所述第二连杆（22）一端通过第二转轴（20）和第三连杆（23）的中部活动连接、另一端通过第二转轴（20）和第四连杆（24）的中部活动连接，所述第三连杆（23）的另一端、第四连杆（24）的另一端各通过一个第一转轴（10）与髋部挡板（1）的端部铰链连接。
5.根据权利要求4所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述髋部承力构件（3）的下端通过第三转轴（30）铰接布置在第一连杆（21）、第二连杆（22）的中部，所述驱动元件（5）一端固定在第一连杆（21）端部，另一端固定在髋部承力构件（3）中部。
6.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述大腿承力构件（4）包括两根大腿承力杆（41），且所述两根大腿承力杆（41）的下端连接有弧形支承条（42）。
7.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述大腿承力构件（4）采用碳纤维材料制成。
8.根据权利要求6所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述两根大腿承力杆（41）上固定有大腿绑带（43）。
9.根据权利要求8所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述大腿绑带（43）采用柔性材料制成。
10.根据权利要求1所述的仿生三自由度外骨骼髋关节，其特征在于：所述驱动元件（5）为液压缸、或气缸、或直线驱动电机。
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