CN112171638A - 一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼 - Google Patents
一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及机构学领域,特别涉及一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼的设计。本外骨骼发明的目的在于助力,以期望帮助需长途、密集型跋涉的人群提供一种途径,降低其代谢消耗和移除对其体能的限制。本发明采用了并联式机构,是该结构在髋关节外骨骼的首次运用,解决了传统串联、与人体同构式外骨骼的结构的缺点和当前全柔性外骨骼的力传递缺陷,是髋关节外骨骼构型上的重大创新。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域,特别涉及一种人机交互领域的髋关节助力外骨骼设计。
背景技术
助力行走技术将有效解决特定人群长时间密集型徒步移动带来的人体代谢消耗过大、体能限制等问题。本发明提出的一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节外骨骼,采用新型的并联式结构,通过包覆状布置,使得外骨骼具备与人体髋关节相适应的虚拟转动中心的同时,解决了以往串联式外骨骼对机械和生物关节高度一致的配合要求,极大降低了对人体机械约束,提高了穿戴的舒适性。该发明所涉及的外骨骼,弥补了传统刚性外骨骼和全柔性外骨骼的缺点,具备广阔的应用前景。
发明内容
一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
该外骨骼包括三大部分:固定及驱动组件,辅助执行机构组件,钢丝绳。其中,固定及驱动组件由双肩背带,紧固束带,集成携载式背包,第一、第二驱动组件组成;双肩背带通过紧固束带与集成携载式背包顶部相连;第一、第二驱动组件固定在集成携载式背包的内部,它们均由伺服电机、行星减速器、绕线轮构成,且关于集成携载式背包对称布置,从集成携载式背包两侧开口端分别伸出。
辅助执行机构组件由腰部合瓣平台A,腰部合瓣平台B,连接皮带,可调机械装置,连接杆A1,连接杆A2,连接杆A3,连接杆B1,连接杆B2,连接杆B3,连接固定座A,连接固定座B,护腿A(21)和护腿B(22)组成;它们的连接方式如下:腰部合瓣平台A与腰部合瓣平台B的一侧通过连接皮带相连,另一侧通过可调机械装置连接;可调机械装置由安装在腰部合瓣平台B的齿条和安装在腰部合瓣平台A的外拧齿轮构成。
腰部合瓣平台A与护腿A(21)通过三条呈空间包覆状的连接杆A1,连接杆A2,连接杆A3进行连接;其中连接杆A1与腰部合瓣平台A通过虎克铰U12机械连接,连接杆A1与护腿A(21)通过球铰S12机械连接;连接杆A2与腰部合瓣平台A通过虎克铰U14机械连接,连接杆A2与护腿A(21)通过虎克铰U11机械连接;连接杆A3与腰部合瓣平台A通过虎克铰U13机械连接,连接杆A1与护腿A(21)通过球铰S11机械连接。
腰部合瓣平台B与护腿B(22)同样通过三条呈空间包覆状的连接杆B1,连接杆B2,连接杆B3进行连接;其中连接杆B1与腰部合瓣平台B通过虎克铰U22机械连接,连接杆B1与护腿B(22)通过球铰S22机械连接;连接杆B2与腰部合瓣平台B通过虎克铰U24机械连接,连接杆B2与护腿B(22)通过虎克铰U21机械连接;连接杆B3与腰部合瓣平台B通过虎克铰U23机械连接,连接杆B3与护腿B(22)通过球铰S21机械连接;辅助执行机构组件的左右腿对应的机械运动副U11-U14、U21-U24以及S11-S12、S21-S22的布置关于人体额状面完全对称。
连接固定座A和连接固定座B分别固定在护腿A(21)和护腿B(22)靠近U11和U21位置处;钢丝绳的一端固定在固定座B的通孔上,另一端紧系于第一驱动组件的绕线轮上;固定座A与第二驱动组件的绕线轮的连接方式与此一致,通过钢丝绳二号连接;固定及驱动组件的集成携载式背包与辅助执行机构组件的腰部合瓣平台A,腰部合瓣平台B固定连接;通过伺服电机带动绕线轮转动拉拽钢丝绳,提供动力给护腿B实现助力;护腿A的动力来源与此一致。
外骨骼通过齿轮齿条结构改变腰部合瓣平台A和腰部合瓣平台B的闭合尺寸;外拧齿轮的握把端可人为拧动,调整外骨骼腰部合瓣平台A与腰部合瓣平台B位置以适应穿戴者的身形尺寸。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果:
该外骨骼是第一款采用并联型构型的髋外骨骼设备,传统的髋外骨骼均采用的与人体肢体同构的串联型,要求人体髋关节与机械关节完全重合,否则会带来较大机械约束,降低穿戴舒适性;本并联型外骨骼设备解决了该问题,穿戴者在初始穿戴时无需进行关节位置校准和对齐。同时相比于目前研究前沿的全柔性外骨骼,本并联型外骨骼具备虚拟转动中心,为穿戴者提供了一定的刚性支撑,极大减轻了全柔性外骨骼的驱动力对人体肢体产生的分力所引发关节压迫,其次还具备轻质、适应不同人体尺寸等优势。
附图说明
图1人体穿戴外骨骼示意图;
图2外骨骼正视图;
图3外骨骼侧视图;
图4固定及驱动组件示意图;
图5辅助执行机构组件示意图;
图6辅助执行机构组件俯视图;
图7第一驱动组件示意图;
图8可调机械装置示意图;
图中:固定及驱动组件(1),辅助执行机构组件(2),双肩背带(3),紧固束带(4),集成携载式背包(5),第一、第二驱动组件(6-1、6-2),腰部合瓣平台A(7),腰部合瓣平台B(8),连接皮带(9),可调机械装置(10),连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3),连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2),连接杆B3(12-3),连接固定座A(13),连接固定座B(14),伺服电机(15),行星减速器(16),绕线轮(17),齿条(18),外拧齿轮(19),钢丝绳(20),护腿A(21),护腿B(22),钢丝绳二号(23)。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图,对本发明的方案做进一步说明。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
该外骨骼包括三大部分:固定及驱动组件(1),辅助执行机构组件(2),钢丝绳(20),如图2和3所示。其中,固定及驱动组件(1)由双肩背带(3),紧固束带(4),集成携载式背包(5),第一、第二驱动组件(6-1、6-2)组成;双肩背带(3)通过紧固束带(4)与集成携载式背包顶部(5)相连;第一、第二驱动组件(6-1、6-2)固定在集成携载式背包(5)的内部,它们均由伺服电机(15)、行星减速器(16)、绕线轮(17)构成,且关于集成携载式背包(5)对称布置,从集成携载式背包(5)两侧开口端分别伸出,如图4所示;
在图5中,辅助执行机构组件(2)由腰部合瓣平台A(7),腰部合瓣平台B(8),连接皮带(9),可调机械装置(10),连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3),连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2),连接杆B3(12-3),连接固定座A(13),连接固定座B(14),护腿A(21)和护腿B(22)组成;它们的连接方式如下:腰部合瓣平台A(7)与腰部合瓣平台B(8)的一侧通过连接皮带(9)相连,另一侧通过可调机械装置(10)连接;可调机械装置(10)由安装在腰部合瓣平台B(8)的齿条(18)和安装在腰部合瓣平台A(7)的外拧齿轮(19)构成;腰部合瓣平台A(7)与护腿A(21)通过三条呈空间包覆状的连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3)进行连接;其中连接杆A1(11-1)与腰部合瓣平台A(7)通过虎克铰U12机械连接,连接杆A1(11-1)与护腿A(21)通过球铰S12机械连接;连接杆A2(11-2)与腰部合瓣平台A(7)通过虎克铰U14机械连接,连接杆A2(11-2)与护腿A(21)通过虎克铰U11机械连接;连接杆A3(11-3)与腰部合瓣平台A(7)通过虎克铰U13机械连接,连接杆A1(11-1)与护腿A(21)通过球铰S11机械连接;腰部合瓣平台B(8)与护腿B(22)同样通过三条呈空间包覆状的连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2),连接杆B3(12-3)进行连接;其中连接杆B1(12-1)与腰部合瓣平台B(8)通过虎克铰U22机械连接,连接杆B1(12-1)与护腿B(22)通过球铰S22机械连接;连接杆B2(12-2)与腰部合瓣平台B(8)通过虎克铰U24机械连接,连接杆B2(12-2)与护腿B(22)通过虎克铰U21机械连接;连接杆B3(12-3)与腰部合瓣平台B(8)通过虎克铰U23机械连接,连接杆B3(12-3)与护腿B(22)通过球铰S21机械连接;辅助执行机构组件(2)的左右腿对应的机械运动副U11-U14、U21-U24以及S11-S12、S21-S22的布置关于人体额状面完全对称;
该外骨骼的辅助执行机构组件(2)的运动副布置需满足如下几何条件:连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2)和连接杆B3(12-3)两侧运动副中心的连线在俯视图中的投影,须满足相交于一点或者构成一个三角形的几何条件;连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3)两侧运动副中心的连线在俯视图中的投影,同样满足相交于一点或者构成一个三角形的几何条件,如图6所示;
连接固定座A(13)和连接固定座B(14)分别固定在护腿A(21)和护腿B(22)靠近U11和U21位置处;钢丝绳(20)的一端固定在固定座B(14)的通孔上,另一端紧系于第一驱动组件(6-1)的绕线轮(17)上;固定座A(13)与第二驱动组件(6-2)的绕线轮的连接方式与此一致,通过钢丝绳二号(23)连接;固定及驱动组件(1)的集成携载式背包(5)与辅助执行机构组件(2)的腰部合瓣平台A(7),腰部合瓣平台B(8)固定连接;通过伺服电机(15)带动绕线轮(17)转动拉拽钢丝绳(20),提供动力给护腿B(22)实现助力;护腿A(21)的动力来源与此一致;第一和第二驱动组件(6-1、6-2)的示意图如图7所示
该外骨骼可通过齿轮齿条结构改变腰部合瓣平台A(7)和腰部合瓣平台B(8)的闭合尺寸,如图8所示;外拧齿轮(19)的握把端可人为拧动,调整外骨骼腰部合瓣平台A(7)与腰部合瓣平台B(8)位置以适应穿戴者的身形尺寸。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果:
该外骨骼是第一款采用并联型构型的髋外骨骼设备,传统的髋外骨骼均采用的与人体肢体同构的串联型,要求人体髋关节与机械关节完全重合,否则会带来较大机械约束,降低穿戴舒适性;本并联型外骨骼设备解决了该问题,穿戴者在初始穿戴时无需进行关节位置校准和对齐。同时相比于目前研究前沿的全柔性外骨骼,本并联型外骨骼具备虚拟转动中心,为穿戴者提供了一定的刚性支撑,极大减轻了全柔性外骨骼的驱动力对人体肢体产生的分力所引发关节压迫,其次还具备轻质、适应不同人体尺寸等优势。
Claims (3)
1.一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼,其特征在于:该外骨骼包括三大部分:固定及驱动组件(1),辅助执行机构组件(2),钢丝绳(20);
其中,固定及驱动组件(1)由双肩背带(3),紧固束带(4),集成携载式背包(5),第一、第二驱动组件(6-1、6-2)组成;双肩背带(3)通过紧固束带(4)与集成携载式背包顶部(5)相连;第一、第二驱动组件(6-1、6-2)固定在集成携载式背包(5)的内部,它们均由伺服电机(15)、行星减速器(16)、绕线轮(17)构成,且关于集成携载式背包(5)对称布置,从集成携载式背包(5)两侧开口端分别伸出;
辅助执行机构组件(2)由腰部合瓣平台A(7),腰部合瓣平台B(8),连接皮带(9),可调机械装置(10),连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3),连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2),连接杆B3(12-3),连接固定座A(13),连接固定座B(14),护腿A(21)和护腿B(22)组成;它们的连接方式如下:腰部合瓣平台A(7)与腰部合瓣平台B(8)的一侧通过连接皮带(9)相连,另一侧通过可调机械装置(10)连接;可调机械装置(10)由安装在腰部合瓣平台B(8)的齿条(18)和安装在腰部合瓣平台A(7)的外拧齿轮(19)构成;
腰部合瓣平台A(7)与护腿A(21)通过三条呈空间包覆状的连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3)进行连接;其中连接杆A1(11-1)与腰部合瓣平台A(7)通过虎克铰U12机械连接,连接杆A1(11-1)与护腿A(21)通过球铰S12机械连接;连接杆A2(11-2)与腰部合瓣平台A(7)通过虎克铰U14机械连接,连接杆A2(11-2)与护腿A(21)通过虎克铰U11机械连接;连接杆A3(11-3)与腰部合瓣平台A(7)通过虎克铰U13机械连接,连接杆A1(11-1)与护腿A(21)通过球铰S11机械连接;
腰部合瓣平台B(8)与护腿B(22)同样通过三条呈空间包覆状的连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2),连接杆B3(12-3)进行连接;其中连接杆B1(12-1)与腰部合瓣平台B(8)通过虎克铰U22机械连接,连接杆B1(12-1)与护腿B(22)通过球铰S22机械连接;连接杆B2(12-2)与腰部合瓣平台B(8)通过虎克铰U24机械连接,连接杆B2(12-2)与护腿B(22)通过虎克铰U21机械连接;连接杆B3(12-3)与腰部合瓣平台B(8)通过虎克铰U23机械连接,连接杆B3(12-3)与护腿B(22)通过球铰S21机械连接;辅助执行机构组件(2)的左右腿对应的机械运动副U11-U14、U21-U24以及S11-S12、S21-S22的布置关于人体额状面完全对称;
连接固定座A(13)和连接固定座B(14)分别固定在护腿A(21)和护腿B(22)靠近U11和U21位置处;钢丝绳(20)的一端固定在固定座B(14)的通孔上,另一端紧系于第一驱动组件(6-1)的绕线轮(17)上;固定座A(13)与第二驱动组件(6-2)的绕线轮的连接方式与此一致,通过钢丝绳二号(23)连接;固定及驱动组件(1)的集成携载式背包(5)与辅助执行机构组件(2)的腰部合瓣平台A(7),腰部合瓣平台B(8)固定连接;通过伺服电机(15)带动绕线轮(17)转动拉拽钢丝绳(20),提供动力给护腿B(22)实现助力;护腿A(21)的动力来源与此一致。
2.一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼,其特征在于,其辅助执行机构组件(2)的运动副布置需满足如下几何条件:连接杆B1(12-1),连接杆B2(12-2)和连接杆B3(12-3)两侧运动副中心的连线在俯视图中的投影,须满足相交于一点或者构成一个三角形的几何条件;连接杆A1(11-1),连接杆A2(11-2),连接杆A3(11-3)两侧运动副中心的连线在俯视图中的投影,同样满足相交于一点或者构成一个三角形的几何条件。
3.一种具备虚拟转动中心的轻质髋关节助力外骨骼,其特征在于:其通过齿轮齿条结构改变腰部合瓣平台A(7)和腰部合瓣平台B(8)的闭合尺寸;外拧齿轮(19)的握把端可人为拧动,调整外骨骼腰部合瓣平台A(7)与腰部合瓣平台B(8)位置以适应穿戴者的身形尺寸。
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