CN113183120A - 一种生物耦合式髋关节助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，包括外骨骼主体、腿部绑带组件、腰部绑带和电控背包；所述外骨骼主体部分下部两侧分别是由三条RRPS支链组成的并联机构，其下侧通过腿部绑带组件绑定在人体大腿上，其上侧通过腰部绑带绑定在人体腰部上；在腿部绑带组件和腰部绑带之间人体的髋骨、髋关节和大腿骨组成了一条虚拟约束支链，该虚拟约束支链与三条RRPS支链一起构成了一组具有三个转动自由度的并联机构，该并联机构的转动中心与人体髋关节中心完全一致，避免了人机旋转中心不一致造成的损伤；三条支链中的P副采用多级伸缩结构，增大了人腿的活动范围；整机结构采用仿生学设计理念，使得穿戴者行动起来更加便捷。

Description

一种生物耦合式髋关节助力外骨骼

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼技术领域，尤其涉及一种生物耦合式髋关节助力外骨骼。

背景技术

穿戴式助力外骨骼用于为人体关节动作提供助力，辅助人体运动，其在辅助医疗、单兵军事作战、重体力劳作等领域有着广泛的应用前景。

髋关节作为连接人体腰部和下肢的重要关节，对人体行走、跑步、弹跳等动作起着决定性的影响；然而，髋关节在长时间过度受力下极易造成损伤，因此，通过穿戴式助力外骨骼减小髋关节的运动负荷，使之保持在合理的受力范围是维护髋关节健康的有效方法。

现阶段，髋关节助力外骨骼的机械结构一般为串联式，此种构型虽然简单、易控制，但外骨骼的回转中心很难与人体髋关节中心保持一致，极易产生人机交互力，并且这种人机交互力无法进行有效消除，长期使用会导致髋关节损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其转动中心与人体髋关节中心完全一致，避免了人机旋转中心不一致造成的损伤，同时具有增大腿部活动范围，穿戴后行动更加便捷等特点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，包括外骨骼主体、腿部绑带组件、腰部绑带和电控背包；所述腿部绑带组件分别连接在外骨骼主体下端的左右两侧，所述腰部绑带一端与外骨骼主体的上端内侧连接，另一端通过公母扣与电控背包连接；

所述外骨骼主体包括上罩、安装板、下罩、支链组件、连接板、电机、减速器、蜗杆和护板；所述电机和减速器装配后分别对称设置在安装板上部的左右两侧，所述蜗杆分别连接在减速器的输出轴上，所述支链组件分别对称设置在安装板下部的左右两侧，且所述支链组件的顶部分别与蜗杆对应传动连接，所述上罩和下罩分别罩设在安装板的上方和下方，所述连接板分别对称设置在两侧支链组件的底部，所述腿部绑带组件分别对称连接在两侧连接板的内侧；所述护板连接在上罩的内侧外表面。

进一步的，所述支链组件由三条RRPS支链组成，其中，R为转动副，P为移动副，S为球副，且第一个R副为驱动副，三条支链顶部的安装位置分别位于等腰三角形的三个顶点处，依次为内侧支链、中间支链和外侧支链，所述内侧支链与外侧支链关于等腰三角形顶角的角平分线对称布置。

进一步的，所述内侧支链的第一条转动轴线与等腰三角形的底边重合，第二条转动轴线与第一条转动轴线垂直且平行于等腰三角形的对称面，P副的运动轴线与第二条转动轴线垂直且过S副的中心；中间支链的第一条转动轴线与等腰三角形顶角的角平分线重合，第二条转动轴线与第一条转动轴线垂直且平行于等腰三角形的底边，且中间支链P副的运动轴线与第二条转动轴线垂直且过S副的中心。

进一步的，所述支链包括轴承座、涡轮、主动轴、L型连杆、U型架、从动轴、一级导套、二级导套、导杆、万向铰链和转轴；所述主动轴通过轴承安装在轴承座中，所述轴承座与安装板下部固定连接，所述涡轮通过顶丝安装在主动轴中较长的一段台阶轴处，并通过螺母进行固定；所述L型连杆一端通过顶丝安装在主动轴中较短的一段台阶轴处，另一端通过从动轴与U型架连接；所述一级导套通过顶丝安装在U型架的外端面底部，所述二级导套置于一级导套内部且仅在其内部来回移动，所述导杆置于二级导套内部且仅在其内部来回移动；所述万向铰链一端与导杆底端相连接，另一端与转轴相连接。

进一步的，所述腿部绑带组件包括六维力传感器、弧形架、惯性测量单元、腿部柔性垫、腿部绑带和安装架；所述六维力传感器一端安装在弧形架的前端上侧，另一端与连接板相连接，所述惯性测量单元安装在弧形架外侧面上，且该外侧面与六维力传感器的安装面成90°夹角，所述腿部柔性垫设置在弧形架的内弧形面上，所述腿部绑带的两端分别与弧形架的两端连接，所述安装架设置在弧形架的前端下侧位置。

进一步的，所述上罩的内侧设置为弧形面，所述护板的外侧设置为与上罩内侧对应的弧形面，且所述护板的内侧还连接有腰部柔性垫，所述腰部柔性垫外侧设置为与护板内侧对应的弧形面。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、生物耦合式髋关节助力外骨骼借助人体髋骨、髋关节和大腿骨组成的虚拟约束支链与三条RRPS支链一起组成了一个具有三个转动自由度的并联机构，该并联机构的转动中心与人体髋关节中心完全一致，避免了人机旋转中心不一致造成的损伤；

2、三条支链中的P副采用多级伸缩结构，有效增大了人腿的活动范围；3、整体外骨骼结构采用仿生学设计理念，使得穿戴者行动起来更加便捷。

附图说明

图1是本发明的总成装配结构示意图；

图2是图1中外骨骼主体的装配结构示意图；

图3是图2中支链组件的装配结构示意图；

图4是本发明RRPS支链的装配结构示意图；

图5是本发明支链组件中三条支链位置的装配结构示意图；

图6是本发明腿部绑带组件的装配结构示意图。

其中，1-外骨骼主体；2-腿部绑带组件；3-腰部绑带；4-电控背包部分；5-髋骨；6-髋关节；7-大腿骨；1-1-上罩；1-2-安装板；1-3-下罩；1-4-支链；1-5-连接板；1-6-腰部柔性垫；1-7-护板；1-8-电机；1-9-减速器；1-10-蜗杆；1-4-1-轴承座；1-4-2-涡轮；1-4-3-主动轴；1-4-4-L型连杆；1-4-5-U型架；1-4-6-从动轴；1-4-7-一级导套；1-4-8-二级导套；1-4-9-导杆；1-4-10-万向铰链；1-4-11-转轴；2-1-六维力传感器；2-2-弧形架；2-3-惯性测量单元；2-4-腿部柔性垫；2-5-腿部绑带；2-6-安装架。

具体实施方式

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

参见附图1至6，给出了本发明所提出的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼的一个实施例的具体结构。包括外骨骼主体1、腿部绑带组件2、腰部绑带3和电控背包4；所述腿部绑带组件2分别连接在外骨骼主体1下端的左右两侧，所述腰部绑带3一端与外骨骼主体1的上端内侧连接，另一端通过公母扣与电控背包4连接。

其中，所述外骨骼主体1包括上罩1-1、安装板1-3、下罩1-3、支链组件、连接板1-5、腰部柔性垫1-6、护板1-7、电机1-8、减速器1-9和蜗杆1-10；所述电机1-8和减速器1-9装配后分别对称安装在安装板1-2上部的左右两侧，所述蜗杆1-10分别连接在减速器1-9的输出轴上，所述支链组件分别对称安装在安装板1-2下部的左右两侧，且所述支链组件的顶部分别与蜗杆1-10一一对应传动连接，所述上罩1-1和下罩1-3分别罩设在安装板1-2的上方和下方，所述连接板1-5分别对称连接在两侧支链组件的底部，所述腿部绑带组件2分别对称连接在两侧连接板1-5的内侧；所述护板1-7安装在上罩1-1内侧的外表面；本实施例中，所述上罩1-1的内侧设置为弧形面，所述护板1-7的外侧设置为与上罩1-1内侧对应的弧形面，且所述护板1-7的内侧连接有腰部柔性垫1-6，所述腰部柔性垫1-6外侧设置为与护板1-7内侧对应的弧形面；所述腰部绑带3是由左侧、右侧以及上侧的三个软布带组成，各软布带的一端分别连接在护板1-7左侧、右侧和上侧中部相对应的长槽孔处，另一端通过公母扣与电控背包4连接在一起。

所述支链组件由三条RRPS支链1-4组成，其中，R为转动副，P为移动副，S为球副，且第一个R副为驱动副，所述支链1-4中的S副是由一个万向铰链和一个转动副构成，且转动副的旋转轴线过万向铰链的旋转中心；所述P副是由直线导杆和导套组成的二级伸缩型移动副。

三条所述支链1-4顶部的安装位置分别位于等腰三角形的三个顶点处，各支链1-4的安装位置相对于人体髋骨5、髋关节6和大腿骨7，如附图5所示，从腿部内侧向外，依次为内侧支链I、中间支链II和外侧支链III，所述内侧支链I与外侧支链III关于等腰三角形顶角的角平分线对称布置；所述内侧支链I的第一条转动轴线与等腰三角形的底边重合，第二条转动轴线与第一条转动轴线垂直且平行于等腰三角形的对称面，P副的运动轴线与第二条转动轴线垂直且过S副的中心；所述中间支链II的第一条转动轴线与等腰三角形顶角的角平分线重合，第二条转动轴线与第一条转动轴线垂直且平行于等腰三角形的底边，且中间支链II中的P副的运动轴线与第二条转动轴线垂直且过S副的中心。

所述支链1-4具体包括轴承座1-4-1、涡轮1-4-2、主动轴1-4-3、L型连杆1-4-4、U型架1-4-5、从动轴1-4-6、一级导套1-4-7、二级导套1-4-8、导杆1-4-9、万向铰链1-4-10和转轴1-4-11；所述主动轴1-4-3通过轴承安装在轴承座1-4-1中，所述轴承座1-4-1与安装板1-2下部固定连接，所述涡轮1-4-2通过顶丝安装在主动轴1-4-3中较长的一段台阶轴处，并通过螺母进行固定；所述L型连杆1-4-4一端通过顶丝安装在主动轴1-4-3中较短的一段台阶轴处，另一端通过从动轴1-4-6与U型架1-4-5连接；所述一级导套1-4-7通过顶丝安装在U型架1-4-5的外端面底部，所述二级导套1-4-8置于一级导套内部且仅在其内部来回移动，所述导杆1-4-9置于二级导套1-4-8内部且仅在其内部来回移动；所述万向铰链1-4-10一端与导杆1-4-9底端相连接，另一端与转轴1-4-11相连接。每条所述支链1-4的顶部均通过涡轮1-4-2与蜗杆1-10啮合，所述电机1-8、减速器1-9和蜗杆1-10的数量和安装位置均与支链1-4相对应，即本实施例中，所述电机1-8、减速器1-9和蜗杆1-10的数量均为六个，且安装位置分别与各支链1-4顶部对应。

所述腿部绑带组件2包括六维力传感器2-1、弧形架2-2、惯性测量单元2-3、腿部柔性垫2-4、腿部绑带2-5和安装架2-6；所述六维力传感器2-1一端安装在弧形架2-2的前端上侧，另一端与连接板1-5相连接，所述惯性测量单元2-3安装在弧形架的外侧面上，且该外侧面与六维力传感器2-1的安装面成90°夹角，所述腿部柔性垫2-4设置在弧形架2-2的内弧形面上，所述腿部绑带2-5的两端分别与弧形架2-2两端对应的长槽孔连接，所述安装架2-6设置在弧形架2-2的前端下侧位置。

本发明的作用原理在于：穿戴者在行走时，所述惯性测量单元2-3可实时获得人体大腿的角速度和角加速度，并以此解算出大腿的姿态变化规律，根据人体大腿的姿态变化规律，可得到达到某一助力效果时对应的助力规律，外骨骼控制系统根据该助力规律，以六维力传感器2-1检测的力和力矩值作为反馈信号，对电机1-8进行实时控制，并由电机1-8、减速器1-9、支链1-4等组成的传动链，将电机力矩转化为驱动人体大腿运动的力和力矩，从而实现对大腿的助力。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其特征在于：所述外骨骼包括外骨骼主体、腿部绑带组件、腰部绑带和电控背包；所述腿部绑带组件分别连接在外骨骼主体下端的左右两侧，所述腰部绑带一端与外骨骼主体的上端内侧连接，另一端通过公母扣与电控背包连接；

所述外骨骼主体包括上罩、安装板、下罩、支链组件、连接板、电机、减速器、蜗杆和护板；所述电机和减速器装配后分别对称设置在安装板上部的左右两侧，所述蜗杆分别连接在减速器的输出轴上，所述支链组件分别对称设置在安装板下部的左右两侧，且所述支链组件的顶部分别与蜗杆对应传动连接，所述上罩和下罩分别罩设在安装板的上方和下方，所述连接板分别对称设置在两侧支链组件的底部，所述腿部绑带组件分别对称连接在两侧连接板的内侧；所述护板连接在上罩的内侧外表面。

2.根据权利要求1所述的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其特征在于：所述支链组件由三条RRPS支链组成，其中，R为转动副，P为移动副，S为球副，且第一个R副为驱动副，三条支链顶部的安装位置分别位于等腰三角形的三个顶点处，依次为内侧支链、中间支链和外侧支链，所述内侧支链与外侧支链关于等腰三角形顶角的角平分线对称布置。

3.根据权利要求2所述的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其特征在于：所述内侧支链的第一条转动轴线与等腰三角形的底边重合，第二条转动轴线与第一条转动轴线垂直且平行于等腰三角形的对称面，P副的运动轴线与第二条转动轴线垂直且过S副的中心；中间支链的第一条转动轴线与等腰三角形顶角的角平分线重合，第二条转动轴线与第一条转动轴线垂直且平行于等腰三角形的底边，且中间支链P副的运动轴线与第二条转动轴线垂直且过S副的中心。

4.根据权利要求3所述的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其特征在于：所述支链包括轴承座、涡轮、主动轴、L型连杆、U型架、从动轴、一级导套、二级导套、导杆、万向铰链和转轴；所述主动轴通过轴承安装在轴承座中，所述轴承座与安装板下部固定连接，所述涡轮通过顶丝安装在主动轴中较长的一段台阶轴处，并通过螺母进行固定；所述L型连杆一端通过顶丝安装在主动轴中较短的一段台阶轴处，另一端通过从动轴与U型架连接；所述一级导套通过顶丝安装在U型架的外端面底部，所述二级导套置于一级导套内部且仅在其内部来回移动，所述导杆置于二级导套内部且仅在其内部来回移动；所述万向铰链一端与导杆底端相连接，另一端与转轴相连接。

5.根据权利要求1所述的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其特征在于：所述腿部绑带组件包括六维力传感器、弧形架、惯性测量单元、腿部柔性垫、腿部绑带和安装架；所述六维力传感器一端安装在弧形架的前端上侧，另一端与连接板相连接，所述惯性测量单元安装在弧形架外侧面上，且该外侧面与六维力传感器的安装面成90°夹角，所述腿部柔性垫设置在弧形架的内弧形面上，所述腿部绑带的两端分别与弧形架的两端连接，所述安装架设置在弧形架的前端下侧位置。

6.根据权利要求1所述的一种生物耦合式髋关节助力外骨骼，其特征在于：所述上罩的内侧设置为弧形面，所述护板的外侧设置为与上罩内侧对应的弧形面，且所述护板的内侧还连接有腰部柔性垫，所述腰部柔性垫外侧设置为与护板内侧对应的弧形面。

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