CN105877973B - 一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构 - Google Patents

一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，包括依次相连的驱动机构、髋关节座、前后摆块、左右摆块以及固定在左右摆块下端的大腿支撑杆，驱动机构包括电机、与电机的转轴连接的丝杆、穿设在丝杆上并与丝杆螺纹配合的滑块以及与滑块铰接的连杆；髋关节座中空，电机固定在髋关节座上端，丝杆、滑块和连杆位于髋关节座内；前后摆块上端的两个部位分别铰接在髋关节座的下端和连杆的自由端，且前后摆块的下端与左右摆块铰接；电机工作带动滑块在丝杆上往复运动，连杆受滑块带动而推动前后摆块相对于髋关节座在前后方向转动；左右摆块相对于前后摆块在左右方向可转动。本发明的髋关节结构穿戴方便，驱动方式占用体积小且轻便可靠。

Description

一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构。
背景技术
目前，由于中风、脑血管损伤、意外事故等引发的截瘫病人数量的不断增多，对截瘫患者来说，行动不便，无法站立和行走将会对他们的身体带来严重的破坏，这也使得对下肢康复外骨骼机器人的研究增加，有些高校已经设计出康复外骨骼机器人的髋关节。
普通的下肢外骨骼机器人是基于链条驱动式、气动式、液压等驱动方式，无论是哪种驱动方式，如果应用在驱动髋关节的运动时，都会不可避免地造成外骨骼结构所占体积较大或较重，同时普遍存在侧向无法活动的缺点，影响人在穿戴时的结构轻便性和使用便捷性。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种可以方便地进行侧向活动的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，使用便捷且轻便。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，包括依次相连的驱动机构、髋关节座、前后摆块、左右摆块以及固定在所述左右摆块下端的大腿支撑杆，所述驱动机构包括电机、与所述电机的转轴连接的丝杆、穿设在所述丝杆上并与所述丝杆螺纹配合的滑块以及与所述滑块铰接的连杆；所述髋关节座中空，所述电机固定在所述髋关节座上端，所述丝杆、所述滑块和连杆位于所述髋关节座内；所述前后摆块上端的两个部位分别铰接在所述髋关节座的下端和所述连杆的自由端，且所述前后摆块的下端与所述左右摆块铰接；所述电机工作带动所述滑块在所述丝杆上往复运动，所述连杆受所述滑块带动而推动所述前后摆块相对于所述髋关节座在前后方向转动；所述左右摆块相对于所述前后摆块在左右方向可转动。
进一步地，所述驱动机构还包括连接在所述丝杆上的丝杆连接套和连接在所述丝杆连接套和所述电机的转轴之间的联轴器。
进一步地，所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构还包括扭簧，所述扭簧套设在所述前后摆块与所述髋关节座之间的铰接轴上，所述扭簧的两个弹性臂分别朝背向的两个方向推压所述前后摆块和所述髋关节座。
进一步地，所述髋关节座包括阻挡面，所述阻挡面的朝向与所述前后摆块的自由回弹方向相反，以限制所述扭簧的张开幅度。
进一步地，所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构还包括固定在所述前后摆块与所述髋关节座之间的铰接轴上的角度传感器。
进一步地，所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构还包括支撑板，所述支撑板固定在所述左右摆块上。
进一步地，所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构还包括自锁结构，所述左右摆块在长度方向上中空且具有长条形的侧孔；所述自锁结构包括位于所述左右摆块内的定位止动销和压簧，所述定位止动销包括可滑动地设于所述侧孔内的操作耳，所述压簧朝所述前后摆块推压所述定位止动销；所述前后摆块位于所述左右摆块内的铰接端开设有供所述定位止动销自由端***的***部。
进一步地，所述前后摆块位于所述左右摆块内的铰接端外表面为弧面或楔形面。
本发明采用无刷电机通过滚珠丝杠结构将力传导到髋关节，使其按照指定的方向和速度运动，占用体积小且轻便；同时针对无法侧向运动的缺点，设计了相对于髋关节座具有不同旋转方向的前后摆块和左右摆块，使得髋关节运动自如；另外，由于自锁结构的存在，其打开后髋关节可以侧向运动，在人穿戴完成之后，将关节复原到初始位置后自锁结构能够自动锁住侧向运动，可以防止运动过程出现侧向运动，保证了使用者的人身安全。
附图说明
图1为本发明实施例的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构的伸直状态示意图。
图2为本发明实施例的髋关节结构的一个结构分解示意图。
图3为图1的一个剖视结构示意图。
图4为本发明实施例的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构的弯曲状态示意图。
图5为本发明实施例的髋关节结构的另一个结构分解示意图。
图6为图4的一个剖视结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1和图2所示，本发明的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构包括依次相连的驱动机构10、髋关节座20、前后摆块30、左右摆块40以及固定在左右摆块40下端的大腿支撑杆50，结合图3，其中驱动机构10包括电机11、与电机11的转轴连接的丝杆12、穿设在丝杆12上并与丝杆12螺纹配合的滑块13以及与滑块13铰接的连杆14，丝杆12与滑块13组成滚珠丝杠结构，电机11优选采用无刷电机，可以方便地固定在髋关节座20上，占用体积小，控制方便精确；髋关节座20中空，电机11固定在髋关节座20上端，丝杆12、滑块13和连杆14位于髋关节座20内；前后摆块30上端的前后两个间隔的部位分别铰接在髋关节座20的下端和连杆14的自由端，且前后摆块30的下端与左右摆块40铰接；电机11工作带动滑块13在丝杆12上往复运动，连杆14受滑块13带动而推动前后摆块30相对于髋关节座20在前后方向转动；左右摆块40相对于前后摆块30在左右方向可转动。由于采用滚珠丝杠的原理进行传动机构的设计，使其可以采用旋转电机，从而减小了整个关节的重量和体积。
优选地，前后摆块30在髋关节座20侧的铰接轴与在左右摆块40侧的铰接轴互相垂直。驱动机构10还包括连接在丝杆12上的丝杆连接套15和连接在丝杆连接套15和电机11的转轴之间的联轴器16。丝杆连接套15作为丝杆12的衔接部件，通过联轴器16与电机11的转轴连接，由此，电机11的扭矩即可传递到丝杆12上，带动滑块13沿丝杆12滑动，连杆14在滑块13的带动下与前后摆块30之间的角度发生变化从而推动前后摆块30相对于髋关节座20转动。
图4为本发明实施例的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构的弯曲状态示意图；图5为本发明实施例的髋关节结构的另一个结构分解示意图；图6为图4的一个剖视结构示意图。
结合图4～6，髋关节的前后运动发生弯曲的过程如下：在图3所示的伸直状态下，电机11工作带动丝杆12转动，滑块13沿丝杆12朝下滑动，滑块13与连杆14之间的角度逐渐增大，前后摆块30在连杆14的推力下绕髋关节座20上的铰接轴发生转动，从而使左右摆块40和大腿支撑杆50随之旋转而完成髋关节的弯曲动作。反之，当髋关节需要从图6所示的完全状态恢复到图3所示的伸直状态时，电机11反向转动带动丝杆12反向转动，滑块13沿丝杆12朝上滑动，滑块13与连杆14之间的角度逐渐变小，前后摆块30在连杆14的拉力下绕髋关节座20上的铰接轴发生转动，从而使左右摆块40和大腿支撑杆50随之旋转而完成髋关节的伸直动作。
作为其中一种实施方式，扭簧K套设在前后摆块30与髋关节座20之间的铰接轴上，扭簧K的两个弹性臂分别朝背向的两个方向推压前后摆块30和髋关节座20，始终使前后摆块30和髋关节座20之间的夹角呈张开趋势。具体是在前后摆块30和髋关节座20上分别凸设有用于将扭簧K的两个弹性臂抵挡于其中的凸柱，或是用于固定弹性臂的固定部。在髋关节处于坐下状态时，扭簧K处于压缩状态；当机器人需要从坐下状态改变为站立状态的过程中，由于扭簧K的弹性回复力，其始终对前后摆块30施加向后运动的力，使得电机11推动前后摆块30向后运动(恢复初始角度)更加省力，从而实现省力的效果。
为对髋关节的运动幅度进行一定的限制，防止髋关节转动过度而造成骨折等现象发生，如图3，髋关节座20底部的内表面还具有阻挡面21，阻挡面21的朝向与前后摆块30的自由回弹方向相反(即与前后摆块30的后侧面正对)，以限制扭簧K的张开幅度，当前后摆块30朝后转动至抵接阻挡面21时则无法继续旋转，从而很好地保护了使用者。
髋关节结构还具有固定在前后摆块30与髋关节座20之间的铰接轴上的角度传感器S。通过利用角度传感器S检测该铰接轴的转动角度，可以实时得出髋关节活动的角度值，以实现精确反馈和控制。
本实施例的髋关节结构还具有支撑板70，支撑板70固定在左右摆块40上，在人穿戴时需要由坐立状态站起时，支撑板70会对大腿起到托住的效果，对人的起立起到辅助作用。
考虑到髋关节侧向运动的需求，本发明设计了侧向运动自锁机构，使其可以实现侧向运动，同时在正常状态下由自锁机构进行锁定，防止髋关节正常运动时侧向的摆动，保证穿戴者的安全。具体如图3和5，该自锁结构60包括位于左右摆块40内的定位止动销61和压簧62，左右摆块40在长度方向上中空且侧面具有长条形的侧孔41，定位止动销61包括可滑动地设于侧孔41内的操作耳61a，压簧62朝前后摆块30推压定位止动销61；前后摆块30位于左右摆块40内的铰接端开设有供定位止动销61自由端***的***部31。该***部31可以是凹槽或通孔，压簧62设于定位止动销61和大腿支撑杆50之间。在髋关节不弯曲的状态下，定位止动销61在压簧62的弹性推力下***到***部31内，左右摆块40则无法相对于前后摆块30旋转，二者相对固定；当需要脱下或穿戴上时，沿侧孔41朝下推定位止动销61上的操作耳61a，定位止动销61的上端则脱离***部31，左右摆块40则可相对于前后摆块30自由地左右旋转而不受限制，使用者可以坐下脱下或穿戴上髋关节。
前后摆块30位于左右摆块40内的铰接端外表面(即***部31周围的面)为弧面或楔形面，优选前后摆块30与该处的铰接轴同心的弧面，定位止动销61的自由端为倒角或球面，以方便更好地滑入前后摆块30的***部31。当髋关节结构的左右摆块40可自由地左右摆动时，用力旋转左右摆块40，定位止动销61在压簧62的弹性推力下沿前后摆块30的弧面或楔形面滑入***部31，实现自锁，此时，左右摆块40则与前后摆块30相对固定而无法再左右摆动。
本发明通过采用无刷电机通过滚珠丝杠结构将力传导到髋关节，使其按照指定的方向和速度运动，占用体积小且轻便；同时针对无法侧向运动的缺点，设计了相对于髋关节座具有不同旋转方向的前后摆块和左右摆块，使得髋关节运动自如；另外，由于自锁结构的存在，其打开后髋关节可以侧向运动，在人穿戴完成之后，将关节复原到初始位置后自锁结构能够自动锁住侧向运动，可以防止运动过程出现侧向运动，保证了使用者的人身安全；并且，由于具有角度传感器，可对髋关节的转动角度进行实时的反馈，使***可以做闭环的控制，同时机器可以利用髋关节的角度对人体姿态进行判断。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，包括依次相连的驱动机构(10)、髋关节座(20)、前后摆块(30)、左右摆块(40)、固定在所述左右摆块(40)下端的大腿支撑杆(50)以及自锁结构(60)，所述驱动机构(10)包括电机(11)、与所述电机(11)的转轴连接的丝杆(12)、穿设在所述丝杆(12)上并与所述丝杆(12)螺纹配合的滑块(13)以及与所述滑块(13)铰接的连杆(14)；所述髋关节座(20)中空，所述电机(11)固定在所述髋关节座(20)上端，所述丝杆(12)、所述滑块(13)和连杆(14)位于所述髋关节座(20)内；所述前后摆块(30)上端的两个部位分别铰接在所述髋关节座(20)的下端和所述连杆(14)的自由端，且所述前后摆块(30)的下端与所述左右摆块(40)铰接；所述电机(11)工作带动所述滑块(13)在所述丝杆(12)上往复运动，所述连杆(14)受所述滑块(13)带动而推动所述前后摆块(30)相对于所述髋关节座(20)在前后方向转动；所述左右摆块(40)相对于所述前后摆块(30)在左右方向可转动；所述左右摆块(40)在长度方向上中空且具有长条形的侧孔(41)；所述自锁结构(60)包括位于所述左右摆块(40)内的定位止动销(61)和压簧(62)，所述定位止动销(61)包括可滑动地设于所述侧孔(41)内的操作耳(61a)，所述压簧(62)朝所述前后摆块(30)推压所述定位止动销(61)；所述前后摆块(30)位于所述左右摆块(40)内的铰接端开设有供所述定位止动销(61)自由端***的***部(31)。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，所述驱动机构(10)还包括连接在所述丝杆(12)上的丝杆连接套(15)和连接在所述丝杆连接套(15)和所述电机(11)的转轴之间的联轴器(16)。
3.根据权利要求1所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，还包括扭簧(K)，所述扭簧(K)套设在所述前后摆块(30)与所述髋关节座(20)之间的铰接轴上，所述扭簧(K)的两个弹性臂分别朝背向的两个方向推压所述前后摆块(30)和所述髋关节座(20)。
4.根据权利要求3所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，所述髋关节座(20)包括阻挡面(21)，所述阻挡面(21)的朝向与所述前后摆块(30)的自由回弹方向相反，以限制所述扭簧(K)的张开幅度。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，还包括固定在所述前后摆块(30)与所述髋关节座(20)之间的铰接轴上的角度传感器(S)。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，还包括支撑板(70)，所述支撑板(70)固定在所述左右摆块(40)上。
7.根据权利要求1-6任一所述的可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，其特征在于，所述前后摆块(30)位于所述左右摆块(40)内的铰接端外表面为弧面或楔形面。
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