CN210061121U - 腿部人机连接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腿部人机连接装置，包括：腿部连接件，贴合支撑于用户腿部；球铰单元，连接于所述腿部连接件远离所述用户腿部的一侧，所述球铰单元与所述腿部连接件之间具有三个转动自由度。该腿部人机连接装置可针对不同体形用户的腿部自适应地转动至贴合状态，实现外骨骼机器人与用户腿部的贴合穿戴，穿戴适应性与舒适度俱佳，力学传递可靠性高、信号获取精确度理想。

Description

腿部人机连接装置

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体地来说，是一种腿部人机连接装置。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体技能、辅助运动方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。

其中，人机连接装置用于穿戴支撑于人体上，实现人机之间的作用力传递与感测信号获取。现有的人机连接装置限于自身结构，穿戴适应性与舒适度较差，无法于不同体形的用户身体上实现贴合穿戴，造成力学传递可靠性低、信号获取精确度不足，对外骨骼机器人的助力控制性能带来较大的制约。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种腿部人机连接装置，可贴合穿戴于不同体形的用户腿部，穿戴适应性与舒适度俱佳，保证可靠的力学传递与信号获取。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种腿部人机连接装置，包括：

腿部连接件，贴合支撑于用户腿部；

球铰单元，连接于所述腿部连接件远离所述用户腿部的一侧，所述球铰单元与所述腿部连接件之间具有三个转动自由度。

作为上述技术方案的改进，所述腿部连接件远离所述用户腿部的一侧具有中央凸台，所述中央凸台具有球型外表面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述球铰单元包括球铰壳体，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧外表面为球型表面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述球铰壳体内部设置球铰螺母，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧内表面与所述球铰螺母之间形成球面副，所述球铰螺母与所述腿部连接件径向固定且周向转动连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧内表面为球型表面，所述球铰螺母接近所述腿部连接件的一侧外表面为球型表面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧中央处具有贯通孔，所述贯通孔的外径小于所述球铰螺母的外径。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腿部人机连接装置还包括传动连接杆，所述传动连接杆两端分别连接所述球铰单元与用户髋部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腿部人机连接装置还包括力传感器，所述传动连接杆通过所述力传感器连接于所述球铰单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述力传感器包括一体连接的基体部与应变梁，所述基体部固定于所述球铰单元上，所述应变梁与所述球铰单元保持相距设置，所述传动连接杆连接于所述应变梁上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述力传感器具有板式构造，所述应变梁具有平面锚型结构，所述基体部环绕于所述应变梁的外部并连接于所述平面锚型结构的锚杆顶部，所述传动连接杆连接于所述平面锚型结构的锚爪。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腿部人机连接装置还包括腿部固定带，所述腿部固定带设置于所述腿部连接件上，用于绑设于用户腿部而实现所述腿部连接件与用户腿部的固定。

本实用新型的有益效果是：

设置腿部连接件与球铰单元，腿部连接件与球铰单元之间具有三个转动自由度，二者之间可发生全向转动而自由地调节，使腿部连接件针对不同体形用户的腿部自适应地转动至贴合状态，实现外骨骼机器人与用户腿部的贴合穿戴，穿戴适应性与舒适度俱佳，力学传递可靠性高、信号获取精确度理想。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置的整体轴测示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置的第一分解示意图；

图3是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置的第二分解示意图；

图4是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置的剖视示意图；

图5是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置的力传感器的轴测示意图；

图6是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置具有传动连接杆的整体轴测示意图；

图7是本实用新型实施例1提供的腿部人机连接装置具有传动连接杆的局部轴测示意图。

主要元件符号说明：

1000-腿部人机连接装置，1100-腿部连接件，1110-中央凸台，1111-球型外表面，1200-球铰单元，1210-球铰壳体，1211-贯通孔，1212-第一球面，1213-第二球面，1220-球铰螺母，1221-螺母球面，1230-球铰端盖，1240-穿设腔，1300-传动连接杆，1400-力传感器，1410-基体部，1420-应变梁，1421-锚杆，1422-锚爪，1430-连接垫片，1500-腿部固定带。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对腿部人机连接装置进行更全面的描述。附图中给出了腿部人机连接装置的优选实施例。但是，腿部人机连接装置可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对腿部人机连接装置的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在腿部人机连接装置的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～4，本实施例公开一种腿部人机连接装置1000，该腿部人机连接装置1000包括腿部连接件1100与球铰单元1200，可贴合穿戴于不同体形的用户腿部，保证可靠的力学传递与信号获取。

腿部连接件1100贴合支撑于用户腿部，提供对腿部肌肉群的助力。腿部连接件1100可采用不同的穿戴方式实现，包括全包围方式、半包围方式等类型。

示范性地，腿部连接件1100具有支承面，支承面贴合包裹于用户腿部。在全包围式结构中，腿部连接件1100具有首尾相接的环形结构，支承面为环形结构的内表面；在半包围式结构中，腿部连接件1100具有开放式包围结构，支承面为非闭合表面。

示范性地，腿部连接件1100远离用户腿部的一侧具有中央凸台1110，中央凸台1110自该侧表面向外突出，用以与球铰单元1200实现结构连接，减少连接面面积，提高连接精度并降低加工难度。

其中，中央凸台1110具有球型外表面1111，该球型外表面1111与球铰单元1200的外表面形成球面副连接。可以理解，于球面副结构下，该球型外表面1111可向外突出、亦可向内凹陷，并与球铰单元1200的外表面具有相适应关系。

球铰单元1200连接于腿部连接件1100远离用户腿部的一侧，并通过连接件对外连接于人体。请结合参阅图6～7，示范性地，该连接件为传动连接杆1300，传动连接杆1300两端连接球铰单元1200与用户髋部。相应地，用户髋部、传动连接杆1300、球铰单元1200、腿部连接件1100与用户腿部之间形成力学传递路径，实现力/力矩的传递。

当用户髋部设置主动助力单元(例如助力电机、助力液压系统等)时，主动助力单元输出的助动力/助动力矩即可由上述力学传递路径传递至用户腿部，对腿部肌肉群提供助动作用，减轻腿部肌肉群的劳动负担与能量损耗。

如前所述，球铰单元1200与腿部连接件1100之间具有三个转动自由度，二者之间可发生全向转动而转动至任意位置，使腿部连接件1100自适应地贴合于用户腿部，适应不同体形体貌的用户的穿戴需要，贴合程度高而具有穿戴适应性与舒适度俱佳的优点。

可以理解，球铰单元1200接近腿部连接件1100的一侧外表面为球型表面，并与中央凸台1110的球型外表面1111相适应，以形成球面副连接。例如，球铰单元1200的该球型表面与中央凸台1110的球型外表面1111具有相同的球面直径。

球铰单元1200可以不同的结构形式实现。示范性地，球铰单元1200包括球铰壳体1210，球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧外表面(即第一球面1212)为球型表面。换言之，球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧侧壁之外表面(即第一球面1212)为球型表面。相应地，第一球面1212与球型外表面1111形成球面副连接。

示范性地，球铰壳体1210内部设置球铰螺母1220。其中，球铰螺母1220与球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧内表面之间形成球面副，使球铰螺母1220与球铰壳体1210之间具有全向转动自由度而可实现全向转动。

其中，球铰螺母1220与腿部连接件1100径向固定，二者之间不发生沿球型的直径方向的移动。同时，二者之间具有沿周向的相对转动。在此，球铰螺母1220与腿部连接件1100之间亦具有转动自由度，进一步增加自适应调节能力。顾名思义，球铰螺母1220具有内螺纹，通过螺纹紧固件而实现与腿部连接件1100的连接紧固。

示范性地，球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧中央处具有贯通孔1211，螺纹紧固件贯穿贯通孔1211后螺纹连接于球铰螺母1220。可以理解，螺纹紧固件与贯通孔1211之间具有间隙配合。贯通孔1211的作用还在于，限制球铰壳体1210的转动角度范围。

其中，贯通孔1211的外径小于球铰螺母1220的外径，尤其是小于球铰螺母1220的球型表面的外径，保证球型表面与球铰壳体1210确切地实现球面副连接。

示范性地，球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧内表面(即第二球面1213)为球型表面。换言之，球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧侧壁之内表面(即第二球面1213)为球型表面，并与前述的外表面属于同一侧壁的两个表面。相应地，球铰螺母1220接近腿部连接件1100的一侧外表面(即螺母球面1221)为球型表面。

其中，球铰壳体1210的第二球面1213与球铰螺母1220的螺母球面1221相适应。例如，球铰单元1200的第二球面1213与球铰螺母1220的螺母球面1221具有相同的球面直径。

球铰壳体1210接近腿部连接件1100的一侧侧壁，其外表面(第一球面1212)与中央凸台1110形成球面副，而内表面(第二球面1213)与球铰螺母1220形成球面副，球铰壳体1210得以保持于腿部连接件1100与球铰螺母1220之间，实现可靠的传动连接。

请参阅图5，示范性地，腿部人机连接装置1000还包括力传感器1400，传动连接杆1300通过力传感器1400连接于球铰单元1200。一方面，力传感器1400起到力/力矩的传递作用，使传动连接杆1300的助动力/助动力矩传递至球铰单元1200及腿部支撑件。另一方面，力传感器1400可直接感测人机接触力，压缩测量链长度而减少测量误差，提高测量精度。

特别地，由于腿部连接件1100可贴合地穿戴于用户腿部，力传感器1400的信号获取更为精确，为主动助力的计算与控制提供可靠的参数基础，助动效果更为显著而助动力大小更为适当。

力传感器1400可以通过不同方式实现，其测量维度根据实际需要选定。示范性地，力传感器1400包括一体连接的基体部1410与应变梁1420。其中，基体部1410固定于球铰单元1200上，用于实现结构连接；应变梁1420与球铰单元1200保持相距设置，二者不发生直接接触，保证应变梁1420的应变精确而具有可靠的测量结果，避免测量结果受到球铰单元1200的干扰。

其中，传动连接杆1300连接于应变梁1420上，并与基体部1410、球铰单元1200保持结构分离，使力学传递仅于应变梁1420与传动连接杆1300之间发生，应变梁1420的应变变形与传递力具有精确的对应性，避免发生测量结果扰动而保证测量精度。

示范性地，力传感器1400具有板式构造。换言之，基体部1410与应变梁1420形成板件构造，有效地压缩沿力学传递方向的尺寸，提高力学传递效率与力学感测精度。示范性地，该板式构造嵌设于球铰壳体1210上，一侧表面保持暴露而与传动连接杆1300连接。

其中，应变梁1420具有平面锚型结构，包括锚杆1421及分居锚杆1421底端两侧的锚爪1422，锚杆1421与锚爪1422位于同一平面内。基体部1410环绕于应变梁1420的外部，形成环形构造。同时，基体部1410与平面锚型结构的锚杆1421的顶端连接，使基体部1410与应变梁1420具有一体连接构造。于平面锚型结构下，锚爪1422的应变变形较为灵敏，并将应变转换为力而实现力学测量。

其中，传动连接杆1300连接于平面锚型结构的锚爪1422。例如，锚爪1422设置固定孔，使传动连接杆1300紧固于锚爪1422上。示范性地，传动连接杆1300与锚爪1422之间具有连接垫片1430，使前二者之间不发生直接接触，进一步减少测量扰动。

示范性地，球铰单元1200还包括球铰端盖1230。球铰端盖1230设置于球铰壳体1210远离腿部连接件1100的一侧，球铰端盖1230与球铰壳体1210包围而使球铰螺母1220、力传感器1400等零件封设于其中，保证结构安全。

示范性地，球铰端盖1230与球铰壳体1210包围形成一穿设腔1240。穿设腔1240至少一端保持开口，以便传动连接杆1300穿设于其中。其中，力传感器1400位于穿设腔1240接近球铰壳体1210的一侧表面，传动连接杆1300与穿设腔1240保持间隙配合而互不接触。

补充说明，传动连接杆1300可为弹性杆件或刚性杆件。示范性地，传动连接杆1300为刚性杆件，具有足够的刚强度、抗变形能力与力传递灵敏度。示范性地，在另一个实施例中，传动连接杆1300尚可具有弹性变形能力，可沿切向微弹变形而增强传动连接杆1300与用户髋部(或设置于用户髋部的主动助力单元)之间的紧密作用。

示范性地，腿部人机连接装置1000还包括腿部固定带1500，腿部固定带1500设置于腿部连接件1100上，用于绑设于用户腿部。示范性地，腿部固定带1500具有柔软特性，从而贴合地绑紧于用户腿部表面，实现腿部连接件1100与用户腿部的可靠固定。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种腿部人机连接装置，其特征在于，包括：

腿部连接件，贴合支撑于用户腿部；

球铰单元，连接于所述腿部连接件远离所述用户腿部的一侧，所述球铰单元与所述腿部连接件之间具有三个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述腿部连接件远离所述用户腿部的一侧具有中央凸台，所述中央凸台具有球型外表面。

3.根据权利要求1所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述球铰单元包括球铰壳体，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧外表面为球型表面。

4.根据权利要求3所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述球铰壳体内部设置球铰螺母，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧内表面与所述球铰螺母之间形成球面副，所述球铰螺母与所述腿部连接件径向固定且周向转动连接。

5.根据权利要求4所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧内表面为球型表面，所述球铰螺母接近所述腿部连接件的一侧外表面为球型表面。

6.根据权利要求4或5所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述球铰壳体接近所述腿部连接件的一侧中央处具有贯通孔，所述贯通孔的外径小于所述球铰螺母的外径。

7.根据权利要求1所述的腿部人机连接装置，其特征在于，还包括传动连接杆，所述传动连接杆两端分别连接所述球铰单元与用户髋部。

8.根据权利要求7所述的腿部人机连接装置，其特征在于，还包括力传感器，所述传动连接杆通过所述力传感器连接于所述球铰单元。

9.根据权利要求8所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述力传感器包括一体连接的基体部与应变梁，所述基体部固定于所述球铰单元上，所述应变梁与所述球铰单元保持相距设置，所述传动连接杆连接于所述应变梁上。

10.根据权利要求9所述的腿部人机连接装置，其特征在于，所述力传感器具有板式构造，所述应变梁具有平面锚型结构，所述基体部环绕于所述应变梁的外部并连接于所述平面锚型结构的锚杆顶部，所述传动连接杆连接于所述平面锚型结构的锚爪。

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