CN212736067U - 一种绳驱动髋关节结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种绳驱动髋关节结构，属于外骨骼机器人领域，旨在提供一个康复助力平台。该结构分为电控驱动与机械安装两个部分，两者之间由鲍登绳传递动力，电控驱动机构采集机械安装机构中的力传感器和光电编码器的信息。电控驱动部分负责输出动力、整理传感信号以及控制处理。机械部分负责将外骨骼固定在腰部以及对髋关节进行助力。解决了现有髋关节助力结构存在关节轴不对齐、冗余自由度设计、髋关节上质量大的问题。此机构能精确测得髋关节运动角度以及助力力矩，内置宽度可调机构适用于大部分人群使用，并且由于采用电控驱动于机械安装分离的方式，便于模块化更换，具有较高的应用价值。

Description

一种绳驱动髋关节结构

技术领域

本实用新型涉及一种绳驱动髋关节结构，属于外骨骼设计制造领域，主要面向于驱动于执行分离的髋关节外骨骼设计。

背景技术

当今社会现场工人工作强度大，常常比普通人需要进行更高负载、更长时间的肌肉运动，但是人类肌肉在进行单一重复性活动时会表现出疲劳极限。为了克服疲劳极限，一些研究人员建议人们使用外部可穿戴设备，即外骨骼。外骨骼，也称为可穿戴机器人，是一种可以穿戴，用于帮助人类支撑和保护其身体部位的系统。这种设备已经在许多情景下得到了应用，包括加强人体运动能力，或者用于康复医疗。比如单兵作战兵器中，外骨骼已被用来提高士兵长途步行或举起重物的力量；又比如在医学领域，外骨骼已被用于协助因脊髓损伤、中风或其他创伤而失去行走能力的患者。已有许多文献表明康复外骨骼可以改善康复过程中的运动质量，并可以加速康复过程。

外骨骼在人体上的应用可分为三个位置：(1)整个人体；(2)人体上肢，例如躯干和手臂；(3)在人体下肢，即从腰部向下。人体的各个部位在步行过程中同时起到行走、保持平衡以及其他某些功能。但是人体下肢在行走中比其他部位具有更大的作用，这是因为下肢在行走时会产生比其他部位更大的扭矩。

研究表明下肢增加惯量会极大影响人体能量消耗，因此从便于研究与布置的角度，髋关节外骨骼是最为理想设计平台，然而髋关节助力存在关节轴不对齐、冗余自由度设计、髋关节上质量大等问题。针对于这些问题本发明设计了一款髋关节外骨骼用于行走助力研究。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述背景技术中提到的问题，提出一种绳驱动髋关节结构，能精确测得髋关节运动角度以及助力力矩，内置宽度可调机构适用于大部分人群使用，并且由于采用电控驱动于机械安装分离的方式，便于模块化更换，具有较高的应用价值。

本实用新型提出一种绳驱动髋关节结构，包括电控驱动机构和机械安装机构，两机构之间主要使用鲍登绳传递力，所述电控驱动机构采集机械安装机构中的力传感器和光电编码器的信息；所述电控驱动机构包括电控箱体、两个伺服电机、电池、基板、信号调理板、单板控制器、信号转换板和一号槽轮，所述基板设置在电控箱体的表面，两个伺服电机、电池、信号调理板、单板控制器和信号转换板均安装在基板上，所述伺服电机的输出端安装有一号槽轮，其上饶有钢丝绳，钢丝绳与其外壳组成鲍登绳传动；

所述机械安装机构包括两个弧形接触片、两个压杆、两个环件、两个摆杆、两个铰链、两个二号槽轮、两个安装座、两个导轮、两个力传感器、两个光电编码器、两个后板和背板，所述背板两侧安装有两个后板，所述压杆的下端固定有弧形接触片，上端与环件连接，所述环件上连接有摆杆，所述摆杆上连接铰链，所述铰链连接二号槽轮的一面，所述二号槽轮的侧面安装有光电编码器，所述二号槽轮安装在安装座的一端，所述安装座内安装有两个导轮和力传感器，所述鲍登绳的外壳压在力传感器内环上，中间绳穿过环形力传感器，穿出后绕在电控驱动机构的一号槽轮上，安装座的另一端连接到后板上。

优选地，所述伺服电机使用海泰机电机械狗电机V3，工作在速度模式，内置16bit编码器与温度反馈。

优选地，所述单板控制器为NI-sbrio9636内置FPGA芯片，用于读取IO信息。

优选地，所述电池使用24V、5000mAH电池。

优选地，所述信号转换板为牛角座转换板，用于转换单板控制器IO接口。

优选地，所述鲍登绳包括钢丝绳和外壳，所述外壳罩在钢丝绳的外周，所述钢丝绳与鲍登绳壳之间传递力相等。

优选地，所述机械安装机构还包括腰部支撑片，所述背板上额外安装有ABS材质橡胶的腰部支撑片用于与人体接触，所述腰部支撑片两侧设置有两长孔，硬质腰带穿过长孔，环绕腰部进行黏贴。

优选地，所述弧形接触片两边留有长孔，便于使用绑带安装在大腿端部。

本实用新型提出一种绳驱动髋关节结构的发明原理为：

本实用新型通过鲍登绳传动将驱动与执行分离，使得髋关节的结构设计简化，便于安装设计；并且利用环形力传感器测量鲍登绳外壳力，获得了驱动力传递的数值，进而达到较高的力伺服精度。

本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的有益效果为：

1、本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的总体重量为2Kg，能适用于腰宽200至250人，并且为使用者提供双向20N.m的助力，力伺服精度达到双十指标。在呼吸仪测试下，步行5Km/h时能节省15％的能量。

2、本实用新型所述的绳驱动髋关节结构，能精确测得髋关节运动角度以及助力力矩，内置宽度可调机构适用于大部分人群使用，并且由于采用电控驱动于机械安装分离的方式，便于模块化更换，具有较高的应用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

在附图中：

图1是本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的电控驱动的主视图；

图2是本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的电控驱动的后视图；

图3是本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的电机安装示意图；

图4是本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的机械安装示意图；

图5是本实用新型所述的绳驱动髋关节结构的安装座详图；

图中：1-弓形座；2-电机安装座；3-伺服电机；4-电源稳压器；5-电池；6-基板；7-信号调理板；8-单板控制器；9-塑料外壳；10-信号转换板；11-螺柱；12-一号槽轮；13-钢丝绳；14-外壳；15-弧形接触片；16-压杆；17-环件；18-摆杆；19-铰链；20-二号槽轮；21-安装座；22-光电编码器；23-外侧安装片；24-力传感器总成；25-力传感器出线；26-后板；27-腰部支撑片；28-背板；29-摆片；30-压片；31-压块；32-塑料压座；33-安装壳；34-力传感器；35-滚珠螺套；36-导轮；37-塞打螺钉。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-图5说明本实施方式。本实施方式所述的绳驱动髋关节结构，包括电控驱动机构和机械安装机构，两机构之间主要使用鲍登绳传递力，所述电控驱动机构采集机械安装机构中的力传感器34和光电编码器22的信息；

所述电控驱动机构包括电控箱体、两个伺服电机3、电池5、基板6、信号调理板7、单板控制器8、信号转换板10和一号槽轮12，所述基板6设置在电控箱体的表面，两个伺服电机3、电池5、信号调理板7、单板控制器8和信号转换板10均安装在基板6上，所述伺服电机3的输出端安装有一号槽轮12，其上饶有钢丝绳13，钢丝绳13与其外壳14组成鲍登绳传动；

所述机械安装机构包括两个弧形接触片15、两个压杆16、两个环件17、两个摆杆18、两个铰链19、两个二号槽轮20、两个安装座21、两个导轮36、两个力传感器34、两个光电编码器22、两个后板26和背板28，所述背板28两侧安装有两个后板26，

所述压杆16的下端固定有弧形接触片15，上端与环件17连接，所述环件17上连接有摆杆18，所述摆杆18上连接铰链19，所述铰链19连接二号槽轮20的一面，所述二号槽轮20的侧面安装有光电编码器22，所述二号槽轮20安装在安装座21的一端，所述安装座21内安装有两个导轮36和力传感器34，所述鲍登绳的外壳14压在力传感器34内环上，中间绳穿过环形力传感器34，穿出后绕在电控驱动机构的一号槽轮12上，安装座21的另一端连接到后板26上。

本发明主要由电控驱动机构与机械安装机构两部分构成，两部分之间主要使用鲍登绳传递力，以及传递传感信息。电控驱动机构负责收集光电编码器、IMU、压力传感器、电机驱动信息，承载控制算法计算，控制电机工作等功能，负载在人后背。机械安装机构负责传递电机输出力到髋关节外骨骼上，测量外骨骼力以及将外骨骼安装在人体腰部。

电控驱动机构，此部分主要由两个伺服电机3、单板控制器8、电池5、信号调理板7和信号转换板10组成。

电控驱动机构见图1和图2，所有元件均通过螺钉或螺柱安装在安装基板6上。正面右上角使用螺柱加角铁布置24V、5000mAH电池5。中间为电源稳压器4，用于在低电量时稳压24V，保持供电稳定。下面左右分别布置一个伺服电机3，所述伺服电机3通过电机安装座2，使用螺柱11安装在基板6上。背面右上角布置有单板控制器8，其上有4个DB9串口，用于接受IMU信号。以及两个50pin牛角座，用于采集数字与模拟io信号。另外单板控制器8有塑料外壳9作为保护。右下角则是两块信号转换版10使用螺柱重叠安装在基板6上，这是为了方便单板控制器的接线使用。左上角则是4路压力传感器信号调理板7，用于采集4路压力传感器。

电机输出端安装有一号槽轮12，其上饶有钢丝绳13。钢丝绳与其外壳14组成鲍登绳传动。外壳14使用弓形座1安装在安装座2上。

所述伺服电机3使用海泰机电机械狗电机V3，工作在速度模式，内置16bit编码器与温度反馈。单板控制器8为NI-sbrio9636内置FPGA芯片，用于读取IO信息。电池5使用24V、5000mAH电池，信号转换板10为牛角座转换板，用于转换单板控制器io接口。

机械安装机构主要由压杆16、铰链19、一号槽轮12、二号槽轮20、安装座21、导轮36、力传感器34、光电编码器22、背板28和腰部支撑片27等构成。

所述压杆16布置在大腿正上方，并且压杆16末端有便于周向固定大腿的弧形接触片15，另一端通过碳纤维环件绕到大腿外侧，并与铰链19连接，为髋关节提供内外展的冗余自由度，铰链19另一端通过摆片29直接连接到二号槽轮20一面。二号槽轮20轴线与人体髋关节轴线同轴，侧面安装有光电编码器22用于测量关节运动信息。二号槽轮20自身安装在安装座21上，安装座21总体呈长方体，中间安装有导轮36用于改变鲍登绳13走向。鲍登绳13由外部硬壳14与内部钢丝绳13组成，钢丝绳13与鲍登绳壳14之间传递力相等。让鲍登绳外壳14压在环形力传感器34内环上，中间绳穿过环形力传感器34，这样便通过读取外壳14压力间接获得中间绳传递的力。安装座21另一端连接到后板26上，后板26又与另一片后板26安装在腰部附近的背板28使用螺钉相互连接。安装座21与后板26可调节旋转，后板26与背板28可调节旋转与宽度，调节长度与角度适用于不同人群。背板28上额外安装有ABS材质橡胶的腰部支撑片27用于与人体接触。

使用方式：腰部支撑片27有两长孔，使用硬质腰带穿过长孔，环绕腰部黏贴，另外每个金属构件都额外安装一条带子，用于与腰带固联。摆杆18末端使用环件17同样固定在大腿末端即可。

机械安装部分见图4。弧形接触片15两边留有长孔，便于使用绑带安装在大腿端部。同时弧形接触片15中间具有方槽(图中不可见)，便于压杆16在其中滑动。压杆16又与环件17使用螺钉固定，环件17通过螺钉与摆杆18固联，摆杆18与铰链19一端连接。铰链19为两块铰链叠合而成，因而具有两个自由度。铰链19又与二号槽轮20固联。二号槽轮20一侧安装有光电编码器22，用于测量旋转角度。二号槽轮20由钢丝绳拉动，二号槽轮20使用轴承两端支撑的方式安装在安装座21上。安装座21与后板26使用螺钉连接，安装座21的后端与后板26的联结可以旋转，后板26与背板28之间同样使用螺钉连接，并且既可以旋转也可以平移，用于适用不同体型人群。后板26上安装有腰部支撑片27，此支撑片一面成弧形与人体接触。

安装座上详细结构见图5。摆片29与二号槽轮20固联，二号槽轮20上绕钢丝绳13，钢丝绳13两侧分别与导轮36相切，转换方向，导轮36使用赛打螺钉37安装在安装座21上。钢丝绳13向上穿过环形力传感器34，从安装壳33、滚珠螺套35以及塑料压座32穿出。钢丝绳的外壳14，则是直接与安装壳33相压。前述钢丝绳13与外壳14一起构成鲍登绳，鲍登绳传动特性决定了其外壳14上的压力等同于钢丝绳13里的张力，因而环形力传感器34便能测得鲍登绳的传动力，间接获得钢丝绳13上力。滚珠螺套35则是为了减少外壳晃动对力传感器34采集的影响。另外安装座21上还额外布置有压块31，与压片30。其分别为固定轴承以及安装压带设置。

使用方式：首先从腰部支撑片27两耳朵长孔处安装腰带，腰带环绕腰部固定，其次在压片30下安装带子，并将带子固定在腰带上。鲍登绳一端安装在安装机械结构上，另一端安装在伺服电机3的一号槽轮上，一一对应。将光电编码器22分别接到信号转换板10上，利用单板sbrioFPGA程序读取编码信息。力传感器34则是直接接入到4路压力传感器信号调理板7上，继而转换电压输出到信号转换板10上。除此之外按照元件供电要求接好24V通用电源即可。单板控制器8上设置有USB接口，工作过程中，可通过网线与单板控制器8连接，从而实时监控控制结果。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本实用新型精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绳驱动髋关节结构，其特征在于，包括电控驱动机构和机械安装机构，两机构之间主要使用鲍登绳传递力，所述电控驱动机构采集机械安装机构中的力传感器(34)和光电编码器(22)的信息；

所述电控驱动机构包括电控箱体、两个伺服电机(3)、电池(5)、基板(6)、信号调理板(7)、单板控制器(8)、信号转换板(10)和一号槽轮(12)，所述基板(6)设置在电控箱体的表面，两个伺服电机(3)、电池(5)、信号调理板(7)、单板控制器(8)和信号转换板(10)均安装在基板(6)上，所述伺服电机(3)的输出端安装有一号槽轮(12)，其上绕有钢丝绳(13)，钢丝绳(13)与其外壳(14)组成鲍登绳传动；

所述机械安装机构包括两个弧形接触片(15)、两个压杆(16)、两个环件(17)、两个摆杆(18)、两个铰链(19)、两个二号槽轮(20)、两个安装座(21)、两个导轮(36)、四个力传感器(34)、两个光电编码器(22)、两个后板(26)和背板(28)，所述背板(28)两侧安装有两个后板(26)，

所述压杆(16)的下端固定有弧形接触片(15)，上端与环件(17)连接，所述环件(17)上连接有摆杆(18)，所述摆杆(18)上连接铰链(19)，所述铰链(19)连接二号槽轮(20)的一面，所述二号槽轮(20)的侧面安装有光电编码器(22)，所述光电编码器(22)分别接到信号转换板(10)上，用于测量关节运动信息，所述二号槽轮(20)安装在安装座(21)的一端，所述安装座(21)内安装有两个导轮(36)和两个力传感器(34)，所述鲍登绳的外壳(14)压在力传感器(34)内环上，中间钢丝绳(13)穿过环形力传感器(34)，穿出后绕在伺服电机(3)的一号槽轮(12)上，四路力传感器(34)与信号调理板(7)连接，然后转换电压输出到信号转换板(10)上，安装座(21)的另一端连接到后板(26)上。

2.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述电控驱动机构还包括电源稳压器(4)，用于在低电量时稳压24V，保持供电稳定，所述电源稳压器(4)安装在基板(6)上。

3.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述伺服电机(3)使用海泰机电机械狗电机V3型号，工作在速度模式，内置16bit编码器与温度反馈系统。

4.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述单板控制器(8)为NI-sbrio9636内置FPGA芯片，用于读取IO信息。

5.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述电池(5)使用24V、5000mAH电池。

6.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述信号转换板(10)为牛角座转换板，用于转换单板控制器IO接口。

7.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述鲍登绳的外壳(14)罩在钢丝绳(13)的外周，所述钢丝绳(13)与鲍登绳外壳(14)之间传递力相等。

8.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述机械安装机构还包括腰部支撑片(27)，所述背板(28)上额外安装有ABS材质橡胶的腰部支撑片(27)用于与人体接触，所述腰部支撑片(27)两侧设置有两长孔，硬质腰带穿过长孔，环绕腰部进行黏贴。

9.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述弧形接触片(15)两边留有长孔，便于使用绑带安装在大腿端部。

10.根据权利要求1所述的绳驱动髋关节结构，其特征在于，所述单板控制器(8)上设置有USB接口，外部监控装置通过网线与单板控制器(8)连接，实时监控控制结果。

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