CN110524524B - 一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，该装置包括底座、类凸轮压杆机构、旋转块、伸缩杆外套、伸缩杆内杆、伸缩杆限位螺钉、伸缩杆锁紧套、鲍登线导向管；旋转块的一端通过一个类凸轮压杆机构安装在底座的内部，其另一端与伸缩杆外套的一端连接；伸缩杆外套的另一端套装在伸缩杆内杆的一端上，伸缩杆锁紧套套装在伸缩杆外套与伸缩杆内杆的连接处；伸缩杆内杆的另一端的末端设置有径向通孔，鲍登线导向管通过定位螺钉安装于该径向通孔内；本发明装置增大了鲍登线与大腿间的角度，提升了助力效率，且安全性更高。

Description

一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置
技术领域
本发明属于柔性外骨骼机器人领域，特别提供一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置。
背景技术
随着科技水平的快速发展，康复医疗、军事、工业等领域对人机协作的穿戴式外骨骼系统的需求越来越大，特别是士兵在远距离行军或者在高原坏境下作业时需要一种可穿戴式外骨骼系统提供步行助力，并且不会妨碍士兵的肢体动作，从而提高单兵的作业能力。在上述应用场景下，外骨骼系统的特性应当主要体现于人机交互力柔顺，质量轻，惯性小，尤其是对关节能够产生足够的扭矩以提高士兵穿戴外骨骼系统后的步行能力。
当前外骨骼主要分为刚性外骨骼和柔性外骨骼，其中刚性外骨骼采用刚性构件和电机驱动，体积大，质量重，肢体关节惯量大，必然不能满足上述需求，而柔性外骨骼采用符合人体工程学的布带、鲍登线、电机作为驱动装置，能够提供柔顺的人机交互力且质量轻，惯性小。但是，现有的柔性外骨骼助力方案的鲍登线是贴合着大腿对关节进行拉拽，鲍登线对关节的扭矩很小，助力效率很低，并且鲍登线在速度较快时容易划破衣物甚至对人体造成伤害。因此本发明在第一代外骨骼设计基础上，进一步优化，设计了一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置来提高助力效率。
发明内容
本发明提供一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，以解决上述所提到的鲍登线助力效率过低和安全性不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：提供一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，该装置包括底座(1)、类凸轮压杆机构、旋转块(3)、伸缩杆外套(4)、伸缩杆内杆(5)、伸缩杆限位螺钉(6)、伸缩杆锁紧套(7)、鲍登线导向管(8)；旋转块(3)的一端通过一个类凸轮压杆机构安装在底座(1)的内部，其另一端与伸缩杆外套(4)的一端连接；伸缩杆外套(4)的另一端套装在伸缩杆内杆(5)的一端上，伸缩杆锁紧套(7)套装在伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)的连接处；伸缩杆内杆(5)的另一端的末端设置有径向通孔，鲍登线导向管(8)通过定位螺钉安装于该径向通孔内；鲍登线导向管(8)一侧中部的外侧面上设置有安装栓，安装栓上设置有通孔，定位螺钉的中部为光滑面，鲍登线导向管(8)可以绕定位螺钉自由转动；
伸缩杆锁紧套(7)上安装有一个类凸轮压杆机构。伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)相连的一端的末端表面一侧设置有通孔，另一侧开有凹槽；与伸缩杆外套(4)相连的一端的伸缩杆内杆(5)上设置有横向卡槽，伸缩杆限位螺钉(6)安装在伸缩杆外套(4)表面的通孔内且其尾端位于伸缩杆内杆(5)上的横向卡槽内，用于限制伸缩的长度范围及旋转自由度，防止伸缩杆内杆(5)伸出过度而与伸缩杆外套(4)脱离。伸缩杆锁紧套(7)套装在伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)的连接处，当伸缩杆锁紧套(7)上的类凸轮压杆机构处于锁紧状态时，伸缩杆外套(4)上的凹槽产生变形以夹紧伸缩杆内杆(5)。当伸缩杆锁紧套(7)上的类凸轮压杆机构处于松开状态时，调整伸缩杆内杆(5)位于伸缩杆外套(4)内部的长度后使类凸轮压杆机构处于锁紧状态即可。
类凸轮压杆机构为偏心凸轮锁紧机构，拉起为松开状态，下压为紧锁状态。
与现有技术相比，本发明有益效果为：增大了鲍登线与大腿间的角度，从而显著增加了鲍登线对髋关节的扭矩，提升了步行助力效率；减小了鲍登线对髋关节的压力，对人体骨骼关节有益；使鲍登线在工作过程中与人体保持一定距离，保证人身安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本发明装置一种实施例的立体结构示意图；
图2是本发明装置一种实施例的主视结构示意图；
图3是本发明装置一种实施例的俯视结构示意图；
图4是本发明装置一种实施例的仰视结构示意图；
图5是本发明装置一种实施例的爆炸结构示意图；
图6是本发明装置一种实施例的装配示意图，其中，图6(a)是装配侧视图，图6(b)是装配正视图；
图7是第一代外骨骼的髋关节部分配置示意图，其中，图7(a)是配置侧视图，图7(b)是配置正视图；
图8是外骨骼安装本装置前后髋关节所受力矩对比图，其中，图8(a)是安装本装置后髋关节所受力矩图，图8(b)是安装本装置前髋关节所受力矩图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置(简称装置)，该装置包括底座(1)、类凸轮压杆机构、旋转块(3)、伸缩杆外套(4)、伸缩杆内杆(5)、伸缩杆限位螺钉(6)、伸缩杆锁紧套(7)、鲍登线导向管(8)。旋转块(3)的一端通过一个类凸轮压杆机构安装在底座(1)的内部，其另一端与伸缩杆外套(4)的一端连接；伸缩杆外套(4)的另一端套装在伸缩杆内杆(5)的一端上，伸缩杆锁紧套(7)套装在伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)的连接处；伸缩杆内杆(5)的另一端的末端设置有径向通孔，鲍登线导向管(8)通过定位螺钉安装于该径向通孔内。鲍登线导向管(8)一侧中部的外侧面上设置有安装栓，安装栓上设置有通孔，定位螺钉的中部为光滑面，鲍登线导向管(8)可以绕定位螺钉自由转动。
伸缩杆锁紧套(7)上安装有一个类凸轮压杆机构。伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)相连的一端的末端表面一侧设置有通孔，另一侧开有凹槽；与伸缩杆外套(4)相连的一端的伸缩杆内杆(5)上设置有横向卡槽，伸缩杆限位螺钉(6)安装在伸缩杆外套(4)表面的通孔内且其尾端位于伸缩杆内杆(5)上的横向卡槽内，用于限制伸缩的长度范围及旋转自由度，防止伸缩杆内杆(5)伸出过度而与伸缩杆外套(4)脱离。伸缩杆锁紧套(7)套装在伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)的连接处，当伸缩杆锁紧套(7)上的类凸轮压杆机构处于锁紧状态时，伸缩杆外套(4)上的凹槽产生变形以夹紧伸缩杆内杆(5)。当伸缩杆锁紧套(7)上的类凸轮压杆机构处于松开状态时，调整伸缩杆内杆(5)位于伸缩杆外套(4)内部的长度后使类凸轮压杆机构处于锁紧状态即可。
类凸轮压杆机构为偏心凸轮锁紧机构，拉起为松开状态，下压为紧锁状态。
所述类凸轮压杆机构为两个，均包含类凸轮压杆(21)、压杆锁紧螺柱、压杆锁紧螺母(24)、压杆固定螺钉(25)、压杆固定螺母(26)，安装在底座(1)上的类凸轮压杆机构的压杆锁紧螺柱为底座处压杆锁紧螺柱(22)，安装在伸缩杆锁紧套(7)上的类凸轮压杆机构的压杆锁紧螺柱为伸缩杆处压杆锁紧螺柱(23)，底座处压杆锁紧螺柱(22)较伸缩杆处压杆锁紧螺柱(23)长。
所述类凸轮压杆(21)为一端为按压板、另一端带内凹槽口的片状结构，带内凹槽口的一端的末端端面及一侧面上设置有凸起的曲面，其末端端面的凸起的曲面高度小于侧面上凸起的曲面高度；内凹槽口两侧设置有螺纹通孔，压杆锁紧螺柱的一端通过压杆固定螺钉(25)、压杆固定螺母(26)安装在该内凹槽口内；压杆固定螺钉(25)固定在类凸轮压杆(21)上，压杆锁紧螺柱的一端套在在压杆固定螺钉(25)上且可以绕其转动；压杆锁紧螺柱的另一端穿过安装载体(如底座(1)或伸缩杆锁紧套(7))后通过压杆锁紧螺母(24)紧固连接。拉起类凸轮压杆(21)使其与安装载体垂直时，类凸轮压杆(21)的末端端面正对安装载体，此时安装载体处于松开状态；下压类凸轮压杆(21)使其末端端面与安装载体远离且侧面上的凸起的曲面挤压安装载体时，安装载体处于锁紧状态。
具体的，底座(1)上设置有平行的两侧板，安装在底座(1)上的类凸轮压杆机构的底座处压杆锁紧螺柱(22)依次穿过底座(1)的一侧板上的安装孔、旋转块(3)一端安装孔、底座(1)的另一侧板上的安装孔后通过压杆锁紧螺母(24)紧固连接，使得旋转块(3)的一端安装在底座(1)的内部。拉起对应的类凸轮压杆(21)，底座(1)的两侧板松开，此时可以调整旋转块(3)角度，压下类凸轮压杆(21)，底座(1)的两侧板夹紧，此时旋转块(3)锁紧。旋转块(3)的另一端通过螺纹与伸缩杆外套(4)连接，旋转块(3)转动时，带动伸缩杆外套(4)一起调节角度，进而带动安装在伸缩杆内杆(5)末端的鲍登线导向管(8)调节角度。
伸缩杆锁紧套(7)为“U”型夹片，其开口端两侧均设置有安装孔，安装在伸缩杆锁紧套(7)上的类凸轮压杆机构的伸缩杆处压杆锁紧螺柱(23)穿过伸缩杆锁紧套(7)开口端两侧的安装孔后通过压杆锁紧螺母(24)紧固连接，按下对应的类凸轮压杆(21)，伸缩杆锁紧套(7)挤压伸缩杆外套(4)以发生变形用以夹紧伸缩杆内杆(5)，使得安装在伸缩杆锁紧套(7)内部的伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)之间的相对位置固定；当拉起对应的类凸轮压杆(21)时，伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)之间可以相对滑动从而调节装置长度。
底座(1)平行的两侧板的底部为一平整底板，其与两侧板平行的两侧边上分别开有四个开口的螺纹孔，用以安装底座(1)；在两侧板之间的底板上设置有一道与两侧板平行的条形豁口，使得安装在其上的类凸轮压杆机构可以充分挤压底座并夹锁紧旋转块(3)。
所述旋转块(3)安装于底座(1)内部一端的末端端面为半圆形弧面，使得其角度调整范围为0-180°，伸缩杆外套(4)与伸缩杆内杆(5)的长度调整范围为110mm～170mm。
鲍登线导向管(8)上半部分通孔直径为5mm，用于顶住鲍登线套管，下半部分通孔直径为1.5mm，用于穿过鲍登线。另外鲍登线导向管(8)可以绕定位螺钉自由转动，以确保鲍登线从鲍登线导向管(8)中穿出时不会有角度从而损失拉力。
本发明提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，共有三个自由度。其一，旋转块(3)可以在一个平面内转动来调整装置的角度，角度范围为0-180°；其二，伸缩杆内杆(5)可以沿伸缩杆外套(4)相对滑动来调整装置的长度；类凸轮压杆机构(2)可以锁紧上述两个自由度；鲍登线导向管(8)可以绕定位螺钉自由转动，以确保鲍登线从鲍登线导向管(8)中穿出时不会有角度从而损失拉力。
使用时，参照图6，该装置用螺钉固定在弧形固定板(10)上，弧形固定板(10)又通过螺钉固定在外侧硬腰带(96)上。鲍登线套管(92)两端顶在电控箱(91)拉力输出端和鲍登线导向管(8)上端，鲍登线(93)从套管中穿出并穿过鲍登线导向管(8)拉拽大腿护膝(95)后侧的拉环(94)从而对髋关节产生扭矩，当鲍登线(93)的拉力一定时，可以根据不同穿戴者的体型调整装置的角度和长度以增大鲍登线对髋关节的扭矩，提高助力效率，并且显而易见的，本套装置可以将鲍登线和人体完全分开，保证了穿戴者的人身安全。
参照图7，对比外骨骼安装本发明所提供的装置前后的助力效率。第一代外骨骼未安装本发明所提供的装置，鲍登线导向管直接安装在外侧硬腰带(96)上，鲍登线套管(92)两端顶在电控箱(91)拉力输出端和鲍登线导向管(8)上端，鲍登线(93)从套管中穿出并穿过鲍登线导向管(8)拉拽大腿护膝(95)后侧的拉环(94)从而对髋关节产生扭矩。
鲍登线从拉力输出端至鲍登线导向管之间套有鲍登线套管，鲍登线套管会引导鲍登线总是从拉力输出端竖直穿出，从鲍登线导向管竖直穿入，因此在鲍登线传递拉力的过程中不存在角度力损失。鲍登线套管靠拉力输出端和鲍登线导向管上端顶紧，当鲍登线传递拉力时它会有一个绷直的趋势，此时鲍登线套管会阻止鲍登线绷直，两者之间存在相互作用力，从而线、管间会产生一定的摩擦损耗，该摩擦损耗与线、管间的相互作用力，线、管间的摩擦系数，其中摩擦系数可以通过注射润滑油降低，而相互作用力又与套管的长度有关，长度越长，相互作用力越大。经过测量，按本发明所提供装置的最长长度170mm和90度夹角与第一代外骨骼相比，所需要的套管长度分别为左323mm、右246mm和左341mm、右227mm。另外本发明装置可以灵活调整长度及角度，因此显而易见的，外骨骼在安装本发明所提供的装置后的摩擦损耗可以通过调整降至最低，也即安装本发明所提供的装置后比安装前的摩擦损耗更低。
参照图8，其中F为鲍登线拉力，L为髋关节至大腿后侧拉环间的距离。FN为对髋关节的压力，标识a的为本装置的相关参数标识，标识为b的为第一代外骨骼的相关参数标识。显而易见的，外骨骼在安装本装置后对髋关节的扭矩Ta比第一代外骨骼对髋关节的扭矩Tb大很多且减小了对髋关节的压力。综上，本发明提供的装置可以显著提高柔性外骨骼机器人对髋关节的伸展助力效率。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，该装置包括底座（1）、类凸轮压杆机构、旋转块（3）、伸缩杆外套（4）、伸缩杆内杆（5）、伸缩杆限位螺钉（6）、伸缩杆锁紧套（7）、鲍登线导向管（8）；旋转块（3）的一端通过一个类凸轮压杆机构安装在底座（1）的内部，其另一端与伸缩杆外套（4）的一端连接；伸缩杆外套（4）的另一端套装在伸缩杆内杆（5）的一端上，伸缩杆锁紧套（7）套装在伸缩杆外套（4）与伸缩杆内杆（5）的连接处；伸缩杆内杆（5）的另一端的末端设置有径向通孔，鲍登线导向管（8）通过定位螺钉安装于该径向通孔内；鲍登线导向管（8）一侧中部的外侧面上设置有安装栓，安装栓上设置有通孔，定位螺钉的中部为光滑面，鲍登线导向管（8）可以绕定位螺钉自由转动；
伸缩杆锁紧套（7）上安装有一个类凸轮压杆机构；伸缩杆外套（4）与伸缩杆内杆（5）相连的一端的末端表面一侧设置有通孔，另一侧开有凹槽；与伸缩杆外套（4）相连的一端的伸缩杆内杆（5）上设置有横向卡槽，伸缩杆限位螺钉（6）安装在伸缩杆外套（4）表面的通孔内且其尾端位于伸缩杆内杆（5）上的横向卡槽内，用于限制伸缩的长度范围及旋转自由度，防止伸缩杆内杆（5）伸出过度而与伸缩杆外套（4）脱离；伸缩杆锁紧套（7）套装在伸缩杆外套（4）与伸缩杆内杆（5）的连接处，当伸缩杆锁紧套（7）上的类凸轮压杆机构处于锁紧状态时，伸缩杆外套（4）上的凹槽产生变形以夹紧伸缩杆内杆（5）；当伸缩杆锁紧套（7）上的类凸轮压杆机构处于松开状态时，调整伸缩杆内杆（5）位于伸缩杆外套（4）内部的长度后使类凸轮压杆机构处于锁紧状态即可；
类凸轮压杆机构为偏心凸轮锁紧机构，拉起为松开状态，下压为紧锁状态；
所述类凸轮压杆机构为两个，均包含类凸轮压杆（21）、压杆锁紧螺柱、压杆锁紧螺母（24）、压杆固定螺钉（25）、压杆固定螺母（26），安装在底座（1）上的类凸轮压杆机构的压杆锁紧螺柱为底座处压杆锁紧螺柱（22），安装在伸缩杆锁紧套（7）上的类凸轮压杆机构的压杆锁紧螺柱为伸缩杆处压杆锁紧螺柱（23），底座处压杆锁紧螺柱（22）较伸缩杆处压杆锁紧螺柱（23）长；
所述类凸轮压杆（21）为一端为按压板、另一端带内凹槽口的片状结构，带内凹槽口的一端的末端端面及一侧面上设置有凸起的曲面，其末端端面的凸起的曲面高度小于侧面上凸起的曲面高度；内凹槽口两侧设置有螺纹通孔，压杆锁紧螺柱的一端通过压杆固定螺钉（25）、压杆固定螺母（26）安装在该内凹槽口内；压杆固定螺钉（25）固定在类凸轮压杆（21）上，压杆锁紧螺柱的一端套在在压杆固定螺钉（25）上且可以绕其转动；压杆锁紧螺柱的另一端穿过安装载体后通过压杆锁紧螺母（24）紧固连接；拉起类凸轮压杆（21）使其与安装载体垂直时，类凸轮压杆（21）的末端端面正对安装载体，此时安装载体处于松开状态；下压类凸轮压杆（21）使其末端端面与安装载体远离且侧面上的凸起的曲面挤压安装载体时，安装载体处于锁紧状态；
底座（1）上设置有平行的两侧板，安装在底座（1）上的类凸轮压杆机构的底座处压杆锁紧螺柱（22）依次穿过底座（1）的一侧板上的安装孔、旋转块（3）一端安装孔、底座（1）的另一侧板上的安装孔后通过压杆锁紧螺母（24）紧固连接，使得旋转块（3）的一端安装在底座（1）的内部；拉起对应的类凸轮压杆（21），底座（1）的两侧板松开，此时可以调整旋转块（3）角度，压下类凸轮压杆（21），底座（1）的两侧板夹紧，此时旋转块（3）锁紧；旋转块（3）的另一端通过螺纹与伸缩杆外套（4）连接，旋转块（3）转动时，带动伸缩杆外套（4）一起调节角度，进而带动安装在伸缩杆内杆（5）末端的鲍登线导向管（8）调节角度。
2.根据权利要求1所述的一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，伸缩杆锁紧套（7）为“U”型夹片，其开口端两侧均设置有安装孔，安装在伸缩杆锁紧套（7）上的类凸轮压杆机构的伸缩杆处压杆锁紧螺柱（23）穿过伸缩杆锁紧套（7）开口端两侧的安装孔后通过压杆锁紧螺母（24）紧固连接，按下对应的类凸轮压杆（21），伸缩杆锁紧套（7）挤压伸缩杆外套（4）以发生变形用以夹紧伸缩杆内杆（5），使得安装在伸缩杆锁紧套（7）内部的伸缩杆外套（4）与伸缩杆内杆（5）之间的相对位置固定；当拉起对应的类凸轮压杆（21）时，伸缩杆外套（4）与伸缩杆内杆（5）之间可以相对滑动从而调节装置长度。
3.根据权利要求1所述的一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，底座（1）平行的两侧板的底部为一平整底板，其与两侧板平行的两侧边上分别开有四个开口的螺纹孔，用以安装底座（1）；在两侧板之间的底板上设置有一道与两侧板平行的条形豁口，使得安装在其上的类凸轮压杆机构可以充分挤压底座并夹锁紧旋转块（3）。
4.根据权利要求1所述的一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，旋转块（3）安装于底座（1）内部一端的末端端面为半圆形弧面，使得其角度调整范围为0-180°。
5.根据权利要求1所述的一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，伸缩杆外套（4）与伸缩杆内杆（5）的长度调整范围为110mm~170mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高柔性外骨骼机器人髋关节伸展助力效率的装置，其特征在于，鲍登线导向管（8）上半部分通孔直径为5mm，用于顶住鲍登线套管，下半部分通孔直径为1.5mm，用于穿过鲍登线。
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