CN108555885A - 一种可调节重心的外骨骼腰部装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调节重心的外骨骼腰部装置，包括：凸轮连杆机构、髋‑腿连接部分、弹簧调节装置、腰板、背靠板。在髋关节部分有一处伸缩装置，适用胖瘦不同的穿戴者。在腰板下侧设置一个连杆固定架，作为凸轮连杆机构中连杆的支撑点。连杆一头做成凸轮滚子槽形状，使安置在背靠板上凸轮滚子在其凸轮槽内运动。背靠板两侧分别设置一个固定凸轮用位置。在髋关节与腰板之间设有弹簧。本发明有益效果是：能够满足穿戴者在穿戴外骨骼完成之后，依靠机械机构和穿戴者的共同作用下，背负一定重量的物体可以使得整个系统的重心处于系统稳定工作的区域。穿戴者参与到控制中，有一定的负重感觉，不是单纯的机器带动人运动，而是具有人机交互过程。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人设计技术领域，特别是一种可调节重心的外骨骼腰部装置。
背景技术
随着外骨骼机器人的兴起，一类负重型下肢外骨骼机器人也慢慢进入我们的世界。负重型下肢外骨骼一般由足、小腿、大腿及躯干四部分组成，一般具有与人类相仿的三个关节，从下到上依次是踝关节、膝关节及髋关节。近来外骨骼机器人主要驱动方式有电驱动、液压驱动、气压驱动及人工肌肉驱动等。同等功率的设备，液压驱动方式体积更小，质量更轻，结构紧凑，所以对于负重型下肢外骨骼来说，一般采用液压驱动方式。当穿戴者穿戴外骨骼背负重物之后，会由于机构和穿戴者整体的重心后移而导致穿戴者有向后倾斜的趋势，进而影响穿戴者正常行动。
发明内容
为了解决现在下肢外骨骼机器人存在的不足，即不能满足穿戴者背负物体之后整个机构及穿戴者的重心位置处于双足机器人行动稳定的条件，本发明提出了一种可调节重心的外骨骼腰部装置，通过凸轮连杆机构，使得下肢外骨骼机器人在工作的时候可以适当地调节穿戴者的整体重心使其处于整个系统(穿戴者及外骨骼机构)能够稳定运行的区域内。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种可调节重心的外骨骼腰部装置，包括腰板(305)和背靠板(9)；背靠板(9)的下侧边活动连接到腰板(305)的上侧边，使得背靠板(9)平行于腰板(305)或与腰板(305)构成一个夹角；背靠板(9)的左、右两侧边上邻近下侧边的位置还分别设置有凸轮滚子(102)；还包括左连杆(101)，所述左连杆(101)包括竖向杆、纵向前杆、纵向后杆和横向延伸杆，竖向杆的下端连接到纵向后杆的前端，纵向前杆的后端通过横向延伸杆也连接到纵向后杆的前端，竖向杆和纵向后杆构成的平面垂直于腰板(305)；竖向杆的上端还设置有前向凸轮槽，前向凸轮槽套装背靠板(9)左侧的凸轮滚子(102)；还包括右连杆，所述右连杆与左连杆(101)结构相同且对称设置；还包括连杆支架(14)，所述连杆支架(14)固定连接到腰板(305)的下侧边；所述左连杆(101)和右连杆的纵向前杆的前部分别活动连接到连杆支架(14)，当左连杆(101)和右连杆向后下方转动时通过前向凸轮槽带动凸轮滚子(102)使得背靠板(9)向前转动。
进一步地，还包括左髋关节后连接件(5)，所述左髋关节后连接件(5)为L形，包括长杆和短杆，短杆的端部挂接到腰板(305)的左侧边；还包括左弹簧调节装置，所述左弹簧调节装置包括弹簧固定板和调节弹簧，弹簧固定板固定在左髋关节后连接件(5)的转角位置，调节弹簧一端挂接到腰板(305)的左侧边上部，另一端连接到弹簧连接块，弹簧连接块穿过弹簧固定板上的孔连接到滑块；还包括左固定弹簧，所述左固定弹簧一端挂接到腰板(305)的左侧边下部，另一端挂接到左髋关节后连接件(5)短杆下方靠近转角处；还包括右髋关节后连接件、右弹簧调节装置和右固定弹簧，所述右髋关节后连接件、右弹簧调节装置和右固定弹簧分别与左髋关节后连接件、左弹簧调节装置和左固定弹簧结构相同且对称设置。
进一步地，还包括左髋关节前连接件(4)，所述左髋关节前连接件(4)包括固定架(202)，固定架(202)通过左髋关节伸缩装置(2)连接到左髋关节后连接件(5)；所述左髋关节伸缩装置(2)包括四根调节杆、两根调节连杆和调节螺栓(201)，其中第一调节杆(204)和第二调节杆的一端分别活动连接到左髋关节后连接件(5)的长杆的端部，第三调节杆和第四调节杆的一端分别活动连接到固定架(202)，第一调节杆(204)的另一端通过上调节连杆(203)活动连接到第三调节杆的另一端，第二调节杆的另一端通过下调节连杆活动连接到第四调节杆的另一端，上调节连杆(203)和下调节连杆还通过调节螺栓(201)连接；还包括右髋关节前连接件和右髋关节伸缩装置，所述右髋关节前连接件和右髋关节伸缩装置分别与左髋关节前连接件和左髋关节伸缩装置结构相同且对称设置。
本发明有益效果是：能够满足穿戴者在穿戴外骨骼完成之后，依靠机械机构和穿戴者的共同作用下，背负一定重量的物体可以使得整个系统的重心处于系统稳定工作的区域。穿戴者参与到控制中，有一定的负重感觉，不是单纯的机器带动人运动，而是具有人机交互过程。凸轮连杆机构很大程度上解决了穿戴者配装重物之后无法前倾的问题，减小穿戴者及外骨骼向后倾倒的可能性。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是腰部装置的整体结构图；
图2是腰部装置中连杆与支架安装结构图；
图3是腰部装置中凸轮连杆机构未工作时示意图；
图4是腰部装置中凸轮连杆机构工作时示意图；
图5是腰部装置中弹簧调节装置结构图；
图6是腰部装置中髋关节伸缩装置结构图；
图7是腰部装置中髋关节与大腿连接部位的结构图。
其中，1、凸轮连杆机构，2、髋关节伸缩装置，3、弹簧调节装置，4、髋关节前连接件，5、髋关节后连接件，6、髋-腿连接部分，8、大腿部分，9、背靠板，13、腰部粘带，14、连杆支架，101、连杆，102、凸轮滚子，201、调节螺栓，202、固定架，203、调节连杆，204、调节杆，301、调节弹簧，302、弹簧连接块，303、滑块，304、弹簧固定板，305、腰板，306、固定弹簧，601、轴承端盖，602、轴承，603、连接件，604、螺钉，605、螺钉，801、大腿上。
具体实施方式
可调节重心的外骨骼腰部装置，包括：凸轮连杆机构、髋-腿连接部分、弹簧调节装置、腰板、背靠板。在髋关节部分有一处伸缩装置，适用胖瘦不同的穿戴者。在腰板下侧设置一个连杆固定架，作为凸轮连杆机构中连杆的支撑点。连杆一头做成凸轮滚子槽形状，使安置在背靠板上凸轮滚子在其凸轮槽内运动。在腰板两侧分别设置粘带连接点用以固定粘带，待穿戴者完成穿戴，粘带保持腰板与穿戴者腰部相对位置不变。背靠板两侧分别设置一个固定凸轮用位置。在髋关节与腰板之间设有弹簧。在髋-腿连接部分设置两个轴承内接髋关节前连接件，外接大腿，将上部分重量通过轴承向下传递。
如图1所示，可调节重心的外骨骼腰部装置从下至上包括大腿部分(8)、髋关节连接件(4，5，6)、腰部部分(2，3，13，)、凸轮连杆机构(1，14)及背靠板(9)。大腿部分(8)通过销轴式连接与髋关节连接，髋关节由髋关节前连接件(4)与大腿部分(8)的大腿上(801)组成，通过轴承连接，髋关节前连接件(4)与轴承内圈配合，大腿上(801)与轴承外圈配合，将所背负的物体的重量通过轴承向下传递，减少髋关节前连接件(4)与大腿部分(8)的大腿上(801)之间的磨损。髋关节前连接件(4)与髋关节后连接件(5)之间有长度调节装置。髋关节通过髋关节后连接件(5)与腰板(305)连接，髋关节后连接件(5)与腰板(305)之间有一个弹簧调节装置(3)。背靠板(9)与腰板(305)通过两个销连接，背靠板(9)两侧又各装有一个凸轮滚子(102)，凸轮滚子(102)通过螺栓固定在背靠板(9)两侧，凸轮滚子(102)在凸轮连杆(101)的凸轮槽内运动。
如图2所示，凸轮连杆机构(1)包括连杆支架(14)、连杆(101)、凸轮滚子(102)背靠板(9)。背靠板(9)通过两个螺栓连接在腰板(305)上，背靠板(9)可以绕着螺栓旋转，连杆支架(14)通过两个螺母固定在腰板(305)上，两者之间没有相对运动，保持固定。连杆(101)通过螺栓连接在连杆支架(14)上，连杆(101)可以绕着螺栓旋转，连杆(101)上端通过凸轮滚子槽与固定在背靠板(9)上的凸轮滚子(102)相互接触。连杆上的凸轮滚子槽的轨迹是部分圆，圆心在图示位置时螺栓与凸轮中心连线的右下。当连杆(101)端部放上负载之后，在重力的作用下连杆(101)绕着螺栓作旋转运动，连杆(101)相对于连杆支架(14)和腰板(305)作顺时针运动，而背靠板(9)相对于腰板(305)和连杆支架(14)作逆时针运动，从而达到下肢外骨骼放上负载之后背靠板(9)相对于腰板上的固定螺栓逆时针旋转进而使得穿戴者躯干向前弯曲一定角度，满足正常情况下人体在背负负载之后躯干前倾的物理现象。凸轮连杆机构未工作和工作时的效果分别见图3、图4。
如图5所示，弹簧调节装置(3)包括调节弹簧(301)、弹簧连接块(302)、滑块(303)弹簧固定板(304)、腰板(305)、固定弹簧(306)、髋关节后连接件(5)。两个调节弹簧(301)与两个固定弹簧(306)一端均与腰板(305)相连，另一端与髋关节后连接件(5)相连。调节弹簧(301)一端带钩，一端不带钩，带钩端与腰板(305)上的耳朵通过销钉连接，不带钩端通过弹簧连接块(302)与光柱螺栓相连。光头螺柱与弹簧连接块(302)通过螺纹连接，光柱螺栓穿过滑块(303)上的孔，调节弹簧(301,306)的力的大小。滑块(303)通过弹簧固定板(304)与髋关节后连接件(5)固定，弹簧固定板(304)通过螺钉固定在髋关节后连接件(5)上。待零件安装完毕，旋转光柱螺栓上的螺母使髋关节后连接件(5)在合适的位置和合适的力。在运动过程中可以保证髋关节后连接件(5)在一定角度范围内摆动，满足穿戴者在行走时一定范围内大腿的外展内收。
如图6所示，髋关节伸缩装置(2)包括调节螺栓(201)、固定架(202)、两个调节连杆(203)、四个调节杆(204)及髋关节后连接件(5)。固定架(202)通过螺钉固定在髋关节前连接件(4)上，调节螺栓(201)穿过两个调节连杆(203)的螺纹孔，末端有一个螺母固定。四个调节杆(204)顺时针分别连接固定架(202)与调节连杆(203)、调节连杆(203)与髋关节后连接件(5)、髋关节后连接件(5)与调节连杆(203)、调节连杆(203)与固定架(202)。当穿戴者前后身体厚度与外骨骼本身宽度不符合，可以通过旋转调节螺栓(201)满足不同宽度需求。调节范围可以根据固定架(202)两个绞点之间的距离、调节杆(204)的杆长及调节连杆(203)的杆长而改变。
如图7所示，大腿上(801)通过六个螺钉与两个连接件(603)连接，髋关节前连接件(4)两侧有轴突出，与轴承(602)内圈配合，轴承(602)外圈与连接件(603)内孔配合，轴承端盖(601)将轴承(602)固定在连接件(603)内，髋关节前连接件(4)与大腿上(801)没有直接接触，将上部重量通过轴承向下传递。
Claims (3)
1.一种可调节重心的外骨骼腰部装置，其特征在于，包括腰板(305)和背靠板(9)；
背靠板(9)的下侧边活动连接到腰板(305)的上侧边，使得背靠板(9)平行于腰板(305)或与腰板(305)构成一个夹角；背靠板(9)的左、右两侧边上邻近下侧边的位置还分别设置有凸轮滚子(102)；
还包括左连杆(101)，所述左连杆(101)包括竖向杆、纵向前杆、纵向后杆和横向延伸杆，竖向杆的下端连接到纵向后杆的前端，纵向前杆的后端通过横向延伸杆也连接到纵向后杆的前端，竖向杆和纵向后杆构成的平面垂直于腰板(305)；竖向杆的上端还设置有前向凸轮槽，前向凸轮槽套装背靠板(9)左侧的凸轮滚子(102)；
还包括右连杆，所述右连杆与左连杆(101)结构相同且对称设置；
还包括连杆支架(14)，所述连杆支架(14)固定连接到腰板(305)的下侧边；
所述左连杆(101)和右连杆的纵向前杆的前部分别活动连接到连杆支架(14)，当左连杆(101)和右连杆向后下方转动时通过前向凸轮槽带动凸轮滚子(102)使得背靠板(9)向前转动。
2.如权利要求1所述的一种可调节重心的外骨骼腰部装置，其特征在于，还包括
左髋关节后连接件(5)，所述左髋关节后连接件(5)为L形，包括长杆和短杆，短杆的端部挂接到腰板(305)的左侧边；还包括左弹簧调节装置，所述左弹簧调节装置包括弹簧固定板和调节弹簧，弹簧固定板固定在左髋关节后连接件(5)的转角位置，调节弹簧一端挂接到腰板(305)的左侧边上部，另一端连接到弹簧连接块，弹簧连接块穿过弹簧固定板上的孔连接到滑块；还包括左固定弹簧，所述左固定弹簧一端挂接到腰板(305)的左侧边下部，另一端挂接到左髋关节后连接件(5)短杆下方靠近转角处；
还包括右髋关节后连接件、右弹簧调节装置和右固定弹簧，所述右髋关节后连接件、右弹簧调节装置和右固定弹簧分别与左髋关节后连接件、左弹簧调节装置和左固定弹簧结构相同且对称设置。
3.如权利要求2所述的一种可调节重心的外骨骼腰部装置，其特征在于，还包括
左髋关节前连接件(4)，所述左髋关节前连接件(4)包括固定架(202)，固定架(202)通过左髋关节伸缩装置(2)连接到左髋关节后连接件(5)；所述左髋关节伸缩装置(2)包括四根调节杆、两根调节连杆和调节螺栓(201)，其中第一调节杆(204)和第二调节杆的一端分别活动连接到左髋关节后连接件(5)的长杆的端部，第三调节杆和第四调节杆的一端分别活动连接到固定架(202)，第一调节杆(204)的另一端通过上调节连杆(203)活动连接到第三调节杆的另一端，第二调节杆的另一端通过下调节连杆活动连接到第四调节杆的另一端，上调节连杆(203)和下调节连杆还通过调节螺栓(201)连接；
还包括右髋关节前连接件和右髋关节伸缩装置，所述右髋关节前连接件和右髋关节伸缩装置分别与左髋关节前连接件和左髋关节伸缩装置结构相同且对称设置。
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