CN113002656B - 长度可调的下肢结构和使用其的机器人下肢 - Google Patents

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Abstract

本文涉及一种应用于机器人下肢的长度可调的下肢结构，其包括：髋关节组件，包括髋关节支撑部、固定于髋关节支撑部的髋关节驱动部和由髋关节驱动部驱动的髋关节传动柄；大腿杆，与髋关节传动柄连接以便由髋关节驱动部驱动；膝关节组件，包括膝关节固定座、固定于膝关节固定座上的膝关节驱动部和由膝关节驱动部驱动的膝关节传动柄；其中膝关节固定座包括套管部和与膝关节驱动部连接的连接部，套管部沿所述大腿杆的延伸方向滑动固定于大腿杆上；和小腿杆，与膝关节传动柄连接并由膝关节驱动部驱动；其中大腿杆与髋关节驱动部和膝关节驱动部的中心连线不重合，从而可使得膝关节在大腿杆调节机构上的移动范围更大。

Description

长度可调的下肢结构和使用其的机器人下肢
技术领域
本发明涉及一种下肢结构，具体地说，尤其涉及一种长度可调且可用于机器人下肢的下肢结构。
背景技术
本发明以恢复、提升慢性骨关节疾病患者、脊髋损伤患者及脑损伤患者的行走能力为目标。目前在下肢功能障碍患者中，大部分由骨关节疾病引起，其余主要由脊髋损伤及脑损伤引起。目前市场也出现了针对这些患者适用的外骨骼机器人，以助于他们的下肢行动能力的恢复。
现有技术的外骨骼机器人，其下肢结构可以大致分为固定长度和长度可调两种机构。对于固定长度的下肢结构而言，其制造方法简单，但是固定长度使得机器人下肢不能适合各种身高的患者，虽然固定长度的下肢结构可以在患者脱下后才可进行调节，但是脱下后才可进行调节这种反复穿戴既耗费患者的时间、消耗患者的精力。对于长度可调的下肢结构，其一般是都是用伸缩套管的形式实现套管的调节，其长度可调的范围有限，例如，这种长度可调的下肢结构其最小的长度大致为最大长度的一半，虽然可设计为多伸缩套管的形式，但是多伸缩套管的设计降低了下肢结构的强度。
因此急需开发一种克服上述缺陷的，能够在各大范围调节下肢结构的长度并仍然具有期望强度的下肢结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于一种长度可调的下肢结构，应用于机器人下肢，所述下肢结构包括：
髋关节组件，包括髋关节支撑部、固定于所述髋关节支撑部的髋关节驱动部和由所述髋关节驱动部驱动的髋关节传动柄；
大腿杆，其与髋关节传动柄连接以便由所述髋关节驱动部驱动；
膝关节组件，包括膝关节固定座、固定于膝关节固定座上的膝关节驱动部和由膝关节驱动部驱动的膝关节传动柄；其中所述膝关节固定座包括一套管部和与所述膝关节驱动部连接的一连接部，所述套管部沿所述大腿杆的延伸方向滑动固定于所述大腿杆上；和
小腿杆，与膝关节传动柄连接并由所述膝关节驱动部驱动；
其中所述大腿杆与所述髋关节驱动部和膝关节驱动部的中心连线不重合。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中
所述大腿杆进一步包括大腿杆限位组件，所述大腿杆组件包括第一限位柱，其中
所述大腿杆沿其延伸方向设置有多个第一限位孔，所述套管部上形成有第一限位开口，所述第一限位开口的位置与所述多个第一限位孔的一个对准；并且
所述第一限位柱穿过所述第一限位开口卡入所述多个第一限位孔中的一个。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中所述大腿杆限位组件进一步包括调节套管和锁紧螺母，其中
所述大腿杆穿过所述调节套管并且与所述调节套管螺纹啮合，使得所述调节套管在所述大腿杆的延伸方向上的位置是可变的，所述调节套管定位于所述套管部的下方，使得所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面接触；
所述锁紧螺母包围所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面，以保持所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面之间的接触或保持所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面之间相距恒定的轴向距离。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中所述大腿杆限位组件进一步包括多个滚珠，所述多个滚珠设置在所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面之间，使得所述调节套管的上端面和所述套管部的下端面经由所述多个滚珠而滚动接触。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中所述大腿杆限位组件进一步包括用于保持所述多个滚珠的滚珠保持架。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中
所述大腿杆沿其延伸方向形成有沟槽，所述多个第一限位孔设置在所述沟槽中；
所述套管部的内表面上形成有凸台，当所述大腿杆穿过所述套管部时，所述凸台卡入所述凹槽中。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，进一步包括足底组件，所述足底组件连接至所述小腿杆的下端。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中所述小腿杆包括：
中空的小腿固定杆，其上端与所述膝关节传动柄连接；和
小腿调节杆，所述小腿调节杆滑动套入所述小腿固定杆中。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中
所述小腿杆进一步包括小腿杆限位组件，所述小腿杆限位组件包括第二限位柱，其中
所述小腿调节杆沿其延伸方向设置有多个第二限位孔，所述小腿固定杆上形成有第二限位开口，所述第二限位开口与所述多个第二限位孔的一个对准；并且
所述第二限位柱穿过所述第二限位开口卡入所述多个第二限位孔中的一个。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中，所述小腿杆限位组件进一步包括限位套管和固定于所述限位套管的内表面的调节螺母，其中
所述调节套管包围所述小腿固定杆的下端，使得所述小腿固定杆的下端抵靠至所述调节螺母，所述调节套管相对于所述小腿固定杆是可转动的；
所述调节螺母包围所述小腿调节杆的外表面并与所述小腿调节杆螺纹啮合，使得所述小腿调节杆缩进所述小腿固定杆或从所述小腿固定杆伸出。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中所述小腿杆的下端形成有凸缘，所述限位套管的内表面形成有内缩台阶，所述凸缘位于所述内缩台阶和所述调节螺母之间。
根据本文的一个或多个实施方式中的下肢结构，其中所述小腿杆限位组件进一步包括：
多个滚珠，设置在所述凸缘和所述内缩台阶之间；和
用于保持所述多个滚珠的滚珠保持架。
本发明还提供一种机器人下肢，其包括至少一个根据本文的一个或多个实施方式的下肢结构。
本发明针对于现有技术其功效在于，通过将大腿杆设置为相对于髋关节驱动组件和膝关节驱动组件的中心连线横向偏移。使得仅需调节膝关节驱动组件在大腿杆上的位置就可以调节大腿杆的实际长度，这扩展了下肢结构的长度调节范围。同时，由于仅只用单一的调节机构即可实现在大范围内的长度调节，比起使用多伸缩套管的长度调节机构，其能够获得更加理想的强度。
附图说明
图1是根据本文的实施方式的下肢结构的示意图。
图2A和2B是图1的下肢结构的局部爆炸图。
图3是图1的下肢结构的局部截面图。
图4是图1的下肢结构的局部爆炸图。
图5是图1的下肢结构的局部截面图。
具体实施方式
兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明实施的限制。
图1是根据本文的实施方式的下肢机构1的示意图。如图1所示，下肢结构1包括髋关节组件10、大腿杆11、膝关节组件12、小腿杆13。其中，大腿杆11的一端固定连接至髋关节组件10，髋关节组件10被构造为可模仿人的髋关节进行旋转，故大腿杆11可随着旋转髋关节组件10的旋转而旋转，以模仿人行走时迈腿的动作。大腿杆11的另一端固定连接至膝关节组件12，因此，当大腿杆11旋转时，也同时带动膝关节组件12进行位移。小腿杆13的一端连接至膝关节组件12，膝关节组件12被构造为可模仿人的膝关节进行旋转，因此，故小腿杆13可随着膝关节组件12的旋转而旋转。故，髋关节组件10受控进行旋转，带动与之相连的大腿杆11旋转，大腿杆11进一步带动与之相连的膝关节组件12进行位移，同时膝关节组件12自身也受控旋转，带动与之相连的小腿杆13旋转。在髋关节组件10、大腿杆11、膝关节组件12、小腿杆13的协同配合下，下肢结构可模仿人的步行。
如图1所示，下肢结构1还可以包括与小腿杆13相连的足底组件14。故下肢架构1可进一步模仿人的步行。
如图1所示，下肢结构1还可包括大腿杆限位组件15。大腿杆11通过大腿杆限位组件15与膝关节组件12连接，其中大腿杆限位组件15与膝关节组件12固定连接，并且大腿杆限位组件15与大腿杆11可滑动地相连，使得大腿杆限位组件15可以沿着大腿杆11的长度进行滑动，以调整大腿杆限位组件15相对于大腿杆11的位置，从而调整膝关节组件12相对于大腿杆11的位置。此时，从腿杆限位组件15到大腿杆11的与髋关节组件10的一端的距离是实际使用的大腿杆的长度。故通过调节腿杆限位组件15相对于大腿杆11的位置，可实现下肢结构1中的大腿杆的实际使用的长度，以实现长度调节。
在本实施方式中，大腿杆11被设置为与髋关节组件10和膝关节组件12的中心连线A不重合。例如，如图1所示，大腿杆11可以从中心连线A偏离距离d。虽然图1示出了大腿杆11相对于中心连线A在前进方向上(图2A的从右至左的方向)偏移距离d，但本文并不以此为限。例如，大腿杆11还可以相对于中心连线A在后退方向上(图2A的从左至右的方向)偏移，或相对于中心连线A在其它方向上(图2A的进出纸面的方向)偏移，只要使得大腿杆11不与中心连线A重合即可。因此，与在大腿杆应用伸缩套管的长度可调下肢结构相比，本实施方式的下肢结构1可以在整个大腿杆11的长度范围内调整大腿杆的实际使用长度，这显著地增加了大腿杆的长度调节范围，使得下肢结构1适合各类人群使用。
图2A和2B是图1的下肢结构1的局部爆炸图，图3是图1的下肢结构1的局部截面图。
如图2A所示，髋关节组件10具有髋关节支撑部100，固定于髋关节支撑部100的髋关节驱动部101(例如，电机)和由髋关节驱动部101驱动的髋关节传动柄102。髋关节传动柄102包括与髋关节驱动部101固定连接的固定座103和与大腿杆11连接的套管部104。大腿杆11的一端插入至套管部104中，并通过例如螺钉的固定件将大腿杆11与套管部104固定连接。
大腿杆11具有沿着大腿杆11的长度方向设置的凹槽111(例如，V型槽)和沿着大腿杆11的长度方向形成的多个限位孔112。这些限位孔112可形成在凹槽111中，并且可以等间隔设置。在一些实施方式中，限位孔112可以仅在大腿杆11的一部分长度上形成，也可以在大腿杆11的整个长度上形成。
如图2B和图3所示，膝关节组件12包括膝关节驱动部121(例如，电机)和膝关节固定座122，其中膝关节固定座122包括与膝关节驱动部121连接的连接部123和与大腿杆11连接的套管部124。其中大腿杆11套设在套管部124中。此处，中心连线A其实也就是髋关节驱动部101和膝关节驱动部121的中心连线。
在一些实施方式中，套管部124中形成有凸台126，凸台126的形成位置对应于大腿杆11上的凹槽111的位置。使得当大腿杆11套设在套管部124中时，凸台126正好卡入凹槽111中，从而防止大腿杆11和膝关节固定座122的绕大腿杆的轴线的相对转动。
套管部124上形成有开孔(未示出)，当套管部124上的开孔与大腿杆11上的限位孔112对准时，限位柱125可以穿过开孔和限位孔而固定套管部124和大腿杆11。因此，可以使套管部124沿着大腿杆11的长度方向滑动以调节大腿杆11的实际使用长度。在调节了大腿杆11的实际使用长度后，使套管部124的开孔和大腿杆11上的相应位置处的限位孔112对准，并使用限位柱125将套管部124和大腿杆11固定。在一些实施方式中，限位孔112的附近还设置有刻度线及尺寸标识，从而便于大腿杆长度的快速定位和调整。
在一些实施方式中，限位柱125的一端设置有把手，另一端设置有锥形的锥尖，限位柱125的外周面设置和套管部124的开孔的内周面设置有相互配合和螺纹，并且大腿杆的限位孔112构造为锥孔。因此，在操作时，可通过把手将限位柱125旋入套管部124的开孔中，并使得限位柱125的锥尖抵靠在限位孔112内，对大腿杆施加径向的推力，防止定位后大腿杆沿径向的左右晃动。
如图2B和图3所示，限位组件15包括调节套管151和锁紧螺母152。大腿杆11同样套设在调节套管151中，使得调节套管151处于套管部124的下方，并且调节套管151的上端面和套管部124的下端面接触。在一些实施方式中，调节套管151的上端可具有凸缘156，使得凸缘156的上端面和套管部124的下端面接触。在一些实施方式中，大腿杆11的外表面和调节套管151的内表面可形成有相互配合的螺纹，使得调节套管151能够以螺纹啮合的方式使得调节套管151能够在大腿杆11上旋至需要的位置，由于调节套管151的上端面和套管部124的下端面接触，在调节套管151的移动下，套管部124可相应地的移动到大腿杆11上的期望位置，因此，可通过旋转调节套管151实现套管部124在大腿杆11上的位置调节，进而调节膝关节组件12和髋关节组件10之间的距离，即大腿杆11的实际使用长度。
锁紧螺母152包围调节套管151和套管部124相互接触的位置，即，包围调节套管151的上端面和套管部124的下端面。在一些实施方式中，锁紧螺母152的内表面和套管部124的外表面可形成有相互配合的螺纹，锁紧螺母152的下端可形成有台阶部157，使得凸缘156卡入台阶部157中，以限制调节套管151沿着大腿杆11的长度方向的位置。因此，在使用时，锁紧螺母152用于将调节套管151和套管部124保持在一起，当将调节套管151和套管部124调整至大腿杆11上的期望位置后，锁紧螺母152被旋紧，使得锁紧螺母152能够紧密地保持调节套管151和套管部124之间的接触，或将调节套管151和套管部124保持为始终相距恒定的轴向距离，从而可实现大腿杆、套管部124、调节套管151和锁紧螺母152之间的牢固锁定。
在一些实施方式中，限位组件15还可包括设置在锁紧螺母152和套管部124之间的垫片153，以调整锁紧螺母152与套管部124之间的轴向相对位置，对两者之间的螺纹连接施加预紧力，使连接螺纹更紧固。
在一些实施方式中，限位组件15还可包括设置在调节套管151的上端面和套管部124的下端面之间的滚珠154(例如钢珠)，滚珠154可以通过保持架155保持在调节套管151的上端面和套管部124的下端面之间，以限制滚珠154的径向窜动。通过滚珠154将套管部124(或膝关节固定座122)的重力以及其承受的沿大腿杆11的长度方向的力传递给调节套管151，并且当旋转调节套管151时，经过滚珠154传动以带动套管部124(或膝关节固定座122)沿着大腿杆11的长度方向进行上下移动。
在一些实施方式中，大腿杆11的底端还可设置有挡板113，以限制调节套管151沿大腿杆11的长度方向的调节范围。
下文将结合图4和图5描述小腿杆13的结构。图4是小腿杆13和小腿杆限位组件16的爆炸图，图5是小腿杆13和小腿杆限位组件16的截面视图。
小腿杆13包括小腿固定杆131和小腿调节杆132。小腿固定杆131的一端与膝关节传动柄127固定连接，膝关节传动柄127连接至膝关节驱动部121，从而使得小腿杆12能够受膝关节组件12的驱动而转动。小腿固定杆131中空，使得小腿调节杆132能够套入其中，并且小腿调节杆132能够在小腿固定杆131中沿着小腿固定杆131的长度滑动。
小腿调节杆132沿其长度方向形成有多个限位孔133(例如锥孔)。这些限位孔133可等间隔设置，并且小腿固定杆131形成有开孔。当小腿调节杆132套入小腿固定杆131中时，小腿固定杆131的开孔可与多个限位孔133中的一个对准，通过使小腿固定杆131的开孔可与不同的限位孔对准，可调整小腿杆13的长度。通过使限位柱穿过开孔和限位孔，可使得小腿调节杆132和小腿固定杆131彼此固定，因此，可固定调节后的小腿杆13的长度。在一些实施方式中，限位孔133的附近还设置有刻度线及尺寸标识，从而便于小腿杆长度的快速定位和调整
在一些实施方式中，小腿调节杆132的外表面上可沿其长度方向形成有凹槽134(例如V型槽)，限位孔133可形成在凹槽134中。小腿固定杆131的内表面可相应地形成有凸台135。当小腿调节杆132套入小腿固定杆131中时，凸台135卡入凹槽134中，从而防止小腿调节杆132和小腿固定杆131的绕着小腿杆的轴线的相对转动。
小腿杆限位组件16包括有限位柱161。当小腿固定杆131的开孔可与多个限位孔133中的一个对准时，限位柱161穿过开孔和限位孔而卡入，从而小腿调节杆132和小腿固定杆131彼此固定。在一些实施方式中，限位柱161的一端设置有把手，另一端设置有锥形的锥尖。限位柱161的外周面和小腿固定杆131的开孔的内周面设置有相互配合的螺纹。因此，可通过把手将限位柱161旋入小腿固定杆131的开孔中，并使得限位柱161的锥尖抵靠在限位孔133内，对小腿调节杆132杆施加径向的推力，防止定位后大腿调节杆132沿径向的左右晃动。
小腿杆限位组件16进一步包括有限位套管162以及和限位套管162固定连接的调节螺母163。例如，调节螺母163可通过限位螺钉164和限位套管162固定。
限位套管162包围小腿固定杆131的下端，并且限位套管162可围绕小腿固定杆131的轴线转动，但限位套管162和小腿固定杆131在小腿固定杆131的长度方向上的相对位置保持不变。在一些实施方式中，小腿固定杆131的下端可形成有凸缘136，并且限位套管162形成有内缩的台阶167，凸缘136和台阶167相互配合，使得台阶167的下表面和凸缘136的上表面接触。
调节螺母163固定在限位套管162的下端，并且调节螺母163的上端面和小腿固定杆131的下端面(凸缘136的下端面)接触。因此，限位套管162和调节螺母163的组合体与凸缘136卡和在一起，凸缘136限制了限位套管162和调节螺母163在小腿固定杆131的长度方向上的位置，使得限位套管162(和调节螺母163)和小腿固定杆131在小腿固定杆131的长度方向上的相对位置保持不变。在一些实施方式中，台阶167和凸缘136之间还可设置有滚珠165(例如钢珠)，以滚动接触代替面接触，减小转动摩擦力，可以降低调节套162转动所需扭矩。滚珠165可以通过保持架166保持。
调节螺母163的内表面和小腿调节杆132的外表面形成有相互配合的螺纹。因此，当转动限位套管162时，调节螺母163随之转动，通过调节螺母163和小腿调节杆132之间通过螺纹的啮合传动，可实现小腿调节杆132缩进小腿固定杆131中，或实现小腿调节杆132从小腿固定杆131中伸出，从而实现小腿杆的长度调节。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种长度可调的下肢结构，应用于机器人下肢，所述下肢结构包括：
髋关节组件，包括髋关节支撑部、固定于所述髋关节支撑部的髋关节驱动部和由所述髋关节驱动部驱动的髋关节传动柄；
大腿杆，其与髋关节传动柄连接以便由所述髋关节驱动部驱动；
膝关节组件，包括膝关节固定座、固定于膝关节固定座上的膝关节驱动部和由膝关节驱动部驱动的膝关节传动柄；其中所述膝关节固定座包括一套管部和与所述膝关节驱动部连接的一连接部，所述套管部沿所述大腿杆的延伸方向滑动固定于所述大腿杆上；和
小腿杆，与膝关节传动柄连接并由所述膝关节驱动部驱动；
其中当所述下肢结构在直立状态下时，所述大腿杆与所述髋关节驱动部和膝关节驱动部的中心连线横向偏移一距离，并且所述小腿杆沿着所述中心连线延伸。
2.根据权利要求1所述的下肢结构，其中
所述大腿杆进一步包括大腿杆限位组件，所述大腿杆组件包括第一限位柱，其中
所述大腿杆沿其延伸方向设置有多个第一限位孔，所述套管部上形成有第一限位开口，所述第一限位开口的位置与所述多个第一限位孔的一个对准；并且
所述第一限位柱穿过所述第一限位开口卡入所述多个第一限位孔中的一个。
3.根据权利要求2所述的下肢结构，其中所述大腿杆限位组件进一步包括调节套管和锁紧螺母，其中
所述大腿杆穿过所述调节套管并且与所述调节套管螺纹啮合，使得所述调节套管在所述大腿杆的延伸方向上的位置是可变的，所述调节套管定位于所述套管部的下方，使得所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面接触；
所述锁紧螺母包围所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面，以保持所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面之间的接触或保持所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面之间相距恒定的轴向距离。
4.根据权利要求3所述的下肢结构，其中所述大腿杆限位组件进一步包括多个滚珠，所述多个滚珠设置在所述调节套管的上端面与所述套管部的下端面之间，使得所述调节套管的上端面和所述套管部的下端面经由所述多个滚珠而滚动接触。
5.根据权利要求4所述的下肢结构，其中所述大腿杆限位组件进一步包括用于保持所述多个滚珠的滚珠保持架。
6.根据权利要求2所述的下肢结构，其中
所述大腿杆沿其延伸方向形成有凹槽，所述多个第一限位孔设置在所述凹槽中；
所述套管部的内表面上形成有凸台，当所述大腿杆穿过所述套管部时，所述凸台卡入所述凹槽中。
7.根据权利要求1所述的下肢结构，进一步包括足底组件，所述足底组件连接至所述小腿杆的下端。
8.根据权利要求1所述的下肢结构，其中所述小腿杆包括：
中空的小腿固定杆，其上端与所述膝关节传动柄连接；和
小腿调节杆，所述小腿调节杆滑动套入所述小腿固定杆中。
9.根据权利要求8所述的下肢结构，其中
所述小腿杆进一步包括小腿杆限位组件，所述小腿杆限位组件包括第二限位柱，其中
所述小腿调节杆沿其延伸方向设置有多个第二限位孔，所述小腿固定杆上形成有第二限位开口，所述第二限位开口与所述多个第二限位孔的一个对准；并且
所述第二限位柱穿过所述第二限位开口卡入所述多个第二限位孔中的一个。
10.根据权利要求9所述的下肢结构，其中，所述小腿杆限位组件进一步包括限位套管和固定于所述限位套管的内表面的调节螺母，其中
所述限位套管包围所述小腿固定杆的下端，使得所述小腿固定杆的下端抵靠至所述调节螺母，所述限位套管相对于所述小腿固定杆是可转动的；
所述调节螺母包围所述小腿调节杆的外表面并与所述小腿调节杆螺纹啮合，使得所述小腿调节杆缩进所述小腿固定杆或从所述小腿固定杆伸出。
11.根据权利要求10所述的下肢结构，其中所述小腿杆的下端形成有凸缘，所述限位套管的内表面形成有内缩台阶，所述凸缘位于所述内缩台阶和所述调节螺母之间。
12.根据权利要求11所述的下肢结构，其中所述小腿杆限位组件进一步包括：
多个滚珠，设置在所述凸缘和所述内缩台阶之间；和
用于保持所述多个滚珠的滚珠保持架。
13.一种机器人下肢，其包括至少一个根据权利要求1-12任一项所述的下肢结构。
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