CN115026795A - 一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节 - Google Patents

一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节 Download PDF

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李洪武
巨浩天
朱延河
赵杰
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    • B25J17/00—Joints
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Abstract

一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，包含大腿杆、小腿杆、驱动线轮、关节轴和自适应调节瞬心机构；关节轴可转动地设置在大腿杆的下部，驱动线轮固定在关节轴的一端，大腿杆的下部与小腿杆的上部之间采用仿生拟合瞬心结构，大腿杆与小腿杆之间设置有自适应变瞬心机构，自适应变瞬心机构可相对大腿杆和小腿杆上下运动，所述自适应调节瞬心机构包含大腿可伸缩液体室、小腿可伸缩液体室和液体导向管；大腿可伸缩液体室通过液体导向管与小腿可伸缩液体室，大腿可伸缩液体室设置在大腿杆上并可相对大腿杆上下运动。本发明克服了现有助力外骨骼机器人膝关节机构无法适应人体膝关节运动状态，进而干涉人体正常行动的缺陷。

Description

一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人关节，具体涉及一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节。
背景技术
随着科学技术的不断发展，可穿戴式设备逐渐走向人们的日常生活。外骨骼机器人作为可穿戴式设备，是一种模仿人体运动状态、加强人体运动能力并且具有一定保护支撑作用的装备。它将机械、控制、电气、人体工程学有机地融合在一起。为了适应人体不同的运动关节状态，现有外骨骼在原有刚性机器人的基础上出现了刚柔混合外骨骼以及柔性外骨骼。刚柔混合常在关节处采用多自由度的复杂关节来适应人体关节运动，但这样常会对人体造成额外的作用力。柔性外骨骼虽然可以不干涉人体的正常运动但是助力效果较低。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节。以解决现有助力外骨骼机器人膝关节机构无法适应人体膝关节运动角度，使人体和外骨骼关节旋转中心发生错位，进而干涉人体正常行动的问题。
一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，大腿杆、小腿杆、驱动线轮、关节轴和自适应调节瞬心机构；关节轴可转动地设置在大腿杆的下部，驱动线轮固定在关节轴的一端，大腿杆的下部与小腿杆的上部之间采用仿生拟合瞬心结构，小腿杆可由关节轴驱动实现相对大腿杆旋转，大腿杆与小腿杆之间设置有自适应变瞬心机构，自适应变瞬心机构可相对大腿杆和小腿杆上下运动，所述自适应调节瞬心机构包含大腿可伸缩液体室、小腿可伸缩液体室和液体导向管；大腿可伸缩液体室通过液体导向管与小腿可伸缩液体室，大腿可伸缩液体室设置在大腿杆上并可相对大腿杆上下运动，小腿可伸缩液体室设置在小腿杆上并可相对小腿杆上下运动。
进一步地，所述大腿杆和小腿杆的材质均为铝合金。
进一步地，所述大腿可伸缩液体室和小腿可伸缩液体室的材质均为铝合金。
进一步地，大腿连接件和小腿连接件的材质均为碳纤维复合材料。
本发明相比现有技术的有益效果是：
该膝关节可准确地生成理想的人体膝关节运动中心轨迹，而不是通过一个确定的机构来近似轨迹，不会对人体运动造成任何阻碍。自适应调节瞬心机构基于凸轮机构和一对封闭的总长固定的液体腔，使膝关节结构具有自适应调节瞬心的能力，能够适应关节旋转中心位错以及外骨骼和肢体在界面处的相对运动。整体为铝合金框架式结构，捆绑和连接件等为碳纤维复合材料，重量轻，力学性能好。该机构能够很好地支撑设备的重量，并且不需要佩戴者肢体的肌肉和皮肤来支撑额外的自由度。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明一个方向看的自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节的示意图；
图2为本发明的自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节滚轮对接示意图；
图3为本发明另一个方向看的自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节的示意图；
图4为滚轮上的钢丝绳布置的立体图；
图5为自适应调节瞬心机构示意图；
图6为滚轮上的钢丝绳布置示意图；
图7为两个滚轮啮合轨迹原理示意图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本实施方式的一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节包括大腿杆1、小腿杆6、驱动线轮10、关节轴12和自适应调节瞬心机构；
关节轴12可转动地设置在大腿杆1的下部，驱动线轮10固定在关节轴12的一端，大腿杆1的下部与小腿杆6的上部之间采用仿生拟合膝关节瞬心结构A，小腿杆6可由关节轴12驱动实现相对大腿杆1旋转，大腿杆1与小腿杆6之间设置有自适应变瞬心机构B，自适应变瞬心机构3可相对大腿杆1和小腿杆6上下运动，所述自适应调节瞬心机构B包含大腿可伸缩液体室16、小腿可伸缩液体室17和液体导向管19；大腿可伸缩液体室16通过液体导向管19与小腿可伸缩液体室17，大腿可伸缩液体室16设置在大腿杆1上并可相对大腿杆1上下运动，小腿可伸缩液体室17设置在小腿杆6上并可相对小腿杆6上下运动。
仿生拟合膝关节瞬心结构A：该结构采用两个滚轮的相对转动拟合人体膝关节的转动，如图2-图4所示，所述仿生拟合膝关节瞬心结构A包含大腿连接件3和小腿连接件5；大腿杆1与大腿连接件3相连，小腿杆6与小腿连接件5相连，大腿连接件3与小腿连接件5之间采用滚轮啮合，两个滚轮上设置有交叉布置的钢丝绳7，关节轴12可转动地设置在大腿连接件3上，如图6所示。两个连接件之间的滚轮内有两根钢丝绳交叉缠绕固定在两端。如图3所示，这样做的目的是主要防止两个滚轮不分开并且没有相对滑动。该机构可以完全与人体膝关节运动瞬心相重合，完全不干涉人体正常运动，并且由于是刚性结构同时还可以产生辅助负载卸荷的作用。
滚轮曲线原理如下：
1)将外骨骼大腿框架上的滚轴轨迹划分为若干小段，并从文献中The effects ofknee brace hinge design and placement on joint mechanics(膝关节支架铰链设计与放置对关节力学的影响)获得膝关节瞬心位置和相应的关节角度。
2)如果点Oi是当前接触点，则点Oi-1是上一个接触点，Oi+1是下一个接触点。使Oi-1绕着Oi点旋转，那么新的Oi-1对应小腿的位置是Bi-1。Bi-1、Oi和Oi+1是柄上滚轮轮廓上的三个连续点。通过迭代重复此步骤，可以获得小腿连接件5滚柱的轮廓，如图7所示。
自适应变瞬心机构B：由于穿戴者在穿戴外骨骼时常会出现偏差，使外骨骼膝关节的运动瞬心无法和人体膝关节运动瞬心相重叠。因此，设计了自适应变瞬心机构。
优选地，所述大腿杆1和小腿杆6的材质均为铝合金，铝合金框架式结构在保证强度的同时尽可能轻量化，减少人体运动负担。
大腿连接件3和小腿连接件5的材质均为碳纤维复合材料。重量轻，力学性能好，该机构能很好地支撑设备的重量，并且不需要佩戴者肢体的肌肉和皮肤来支撑额外的自由度。
进一步地，如图5所示，大腿可伸缩液体室16的下端与大腿连接件3相连，大腿可伸缩液体室16的上端与固定在大腿杆1上的大腿固定件14相连，小腿可伸缩液体室17的上端与小腿连接件5相连，小腿可伸缩液体室17的下端与固定在小腿杆6上的小腿固定件18相连。大腿连接件3通过直线轴承20固定在大腿杆1上。小腿连接件5和大腿连接件3通过直线轴承15约束在大腿杆1和小腿杆6上上下滑动。整个膝关节部分总长度不变，大腿固定件14和小腿固定件18的总长度不变，但是会随着两个液体室的伸缩上下移动改变膝关节瞬心的位置。当穿戴者的膝关节与外骨骼不匹配时，人体与外骨骼之间的作用力将改变两个液体室伸缩长度使大腿连接件3和小腿连接件5在腿杆上产生滑动，直到外骨骼机器人膝关节和人体膝关节两者的瞬心重合。
可选地，伸缩液体室由多组钢片焊接而成，形成可以伸缩的空腔。空腔注入液体通过改变压强驱动液体室的伸缩长度状态，所述液体可为油或水。所述大腿可伸缩液体室16和小腿可伸缩液体室17均为波纹形结构。
作为一个实施例：大腿可伸缩液体室16和小腿可伸缩液体室17的材质均为铝合金。
所述驱动线轮10的侧面布置有电路板端盖9，电路板盖板9内安装有编码器。关节轴12的两端分别固定有内侧件4和外侧件8；内侧件4和外侧件8分别延伸有细长的滑槽4-1，细长滑槽的长度方向与小腿杆6的长度方向平行，小腿连接件5的两侧分别定位有凸柱5-1，凸柱5-1在滑槽4-1内滑动。
工作原理：大腿捆绑2可以在大腿杆1上上下滑动更改捆绑位置适应不同人体尺寸。电路板端盖9内装有编码器可以实时读取关节角度，外侧件8装有一维力传感器，可以检测反馈关节力矩。
膝关节的运动通过鲍登线滑轮机构驱动，背部的盘式伺服电机通过鲍登线11带动驱动线轮10的转动进而带动关节轴12转动，内侧件4和外侧件8通过螺钉与关节轴12固定连接，进而内、外侧件也进行转动。小腿连接件5上的凸柱5-1装有滚动轴承，滚动轴承将在内、外侧件的滑槽4-1内平行上下滚动，小腿连接件5将在内、外侧件作用下在滑槽4-1内平动，此时内侧件4和外侧件8将带动小腿连接件5做旋转运动起到助力效果。最后带动小腿杆6做摆动。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：大腿杆(1)、小腿杆(6)、驱动线轮(10)、关节轴(12)和自适应调节瞬心机构；
关节轴(12)可转动地设置在大腿杆(1)的下部，驱动线轮(10)固定在关节轴(12)的一端，大腿杆(1)的下部与小腿杆(6)的上部之间采用仿生拟合瞬心结构(A)，小腿杆(6)可由关节轴(12)驱动实现相对大腿杆(1)旋转，大腿杆(1)与小腿杆(6)之间设置有自适应变瞬心机构(B)，自适应变瞬心机构(3)可相对大腿杆(1)和小腿杆(6)上下运动，所述自适应调节瞬心机构(B)包含大腿可伸缩液体室(16)、小腿可伸缩液体室(17)和液体导向管(19)；大腿可伸缩液体室(16)通过液体导向管(19)与小腿可伸缩液体室(17)，大腿可伸缩液体室(16)设置在大腿杆(1)上并可相对大腿杆(1)上下运动，小腿可伸缩液体室(17)设置在小腿杆(6)上并可相对小腿杆(6)上下运动。
2.根据权利要求1所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：所述仿生拟合瞬心结构(A)包含大腿连接件(3)和小腿连接件(5)；大腿杆(1)与大腿连接件(3)相连，小腿杆(6)与小腿连接件(5)相连，小腿杆(6)与大腿杆(1)之间采用滚轮啮合，两个滚轮上设置有交叉布置的钢丝绳(7)，关节轴(12)可转动地设置在大腿连接件(3)上。
3.根据权利要求2所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：大腿可伸缩液体室(16)的下端与大腿连接件(3)相连，大腿可伸缩液体室(16)的上端与固定在大腿杆(1)上的大腿固定件(14)相连，小腿可伸缩液体室(17)的上端与小腿连接件(5)相连，小腿可伸缩液体室(17)的下端与固定在小腿杆(6)上的小腿固定件(18)相连。
4.根据权利要求1所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：大腿连接件(3)通过直线轴承(20)固定在大腿杆(1)上。
5.根据权利要求2所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：关节轴(12)的两端分别固定有内侧件(4)和外侧件(8)；内侧件(4)和外侧件(8)分别延伸有细长的滑槽(4-1)，细长滑槽的长度方向与小腿杆(6)的长度方向平行，小腿连接件(5)的两侧分别定位有凸柱(5-1)，凸柱(5-1)在滑槽(4-1)内滑动。
6.根据权利要求5所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：所述大腿杆(1)和小腿杆(6)的材质均为铝合金。
7.根据权利要求5所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：所述大腿可伸缩液体室(16)和小腿可伸缩液体室(17)均为波纹形结构。
8.根据权利要求1或7所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：所述大腿可伸缩液体室(16)和小腿可伸缩液体室(17)的材质均为铝合金。
9.根据权利要求2所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：大腿连接件(3)和小腿连接件(5)的材质均为碳纤维复合材料。
10.根据权利要求1所述一种自适应变瞬心外骨骼机器人膝关节，其特征在于：所述驱动线轮(10)的侧面布置有电路板端盖(9)，电路板盖板(9)内安装有编码器。
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