一種可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，包括依次相連的驅動機構、髖關節座、前后擺塊、左右擺塊以及固定在左右擺塊下端的大腿支撐桿，驅動機構包括電機、與電機的轉軸連接的絲桿、穿設在絲桿上并與絲桿螺紋配合的滑塊以及與滑塊鉸接的連桿；髖關節座中空，電機固定在髖關節座上端，絲桿、滑塊和連桿位于髖關節座內；前后擺塊上端的兩個部位分別鉸接在髖關節座的下端和連桿的自由端，且前后擺塊的下端與左右擺塊鉸接；電機工作帶動滑塊在絲桿上往復運動，連桿受滑塊帶動而推動前后擺塊相對于髖關節座在前后方向轉動；左右擺塊相對于前后擺塊在左右方向可轉動。本發明的髖關節結構穿戴方便，驅動方式占用體積小且輕便可靠。
【專利說明】
一種可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構
技術領域
[0001]本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構。
【背景技術】
[0002]目前，由于中風、腦血管損傷、意外事故等引發的截癱病人數量的不斷增多，對截癱患者來說，行動不便，無法站立和行走將會對他們的身體帶來嚴重的破壞，這也使得對下肢康復外骨骼機器人的研究增加，有些高校已經設計出康復外骨骼機器人的髖關節。
[0003]普通的下肢外骨骼機器人是基于鏈條驅動式、氣動式、液壓等驅動方式，無論是哪種驅動方式，如果應用在驅動髖關節的運動時，都會不可避免地造成外骨骼結構所占體積較大或較重，同時普遍存在側向無法活動的缺點，影響人在穿戴時的結構輕便性和使用便捷性。

【發明內容】

[0004]鑒于現有技術存在的不足，本發明提供了一種可以方便地進行側向活動的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，使用便捷且輕便。
[0005]為了實現上述的目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0006]—種可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，包括依次相連的驅動機構、髖關節座、前后擺塊、左右擺塊以及固定在所述左右擺塊下端的大腿支撐桿，所述驅動機構包括電機、與所述電機的轉軸連接的絲桿、穿設在所述絲桿上并與所述絲桿螺紋配合的滑塊以及與所述滑塊鉸接的連桿;所述髖關節座中空，所述電機固定在所述髖關節座上端，所述絲桿、所述滑塊和連桿位于所述髖關節座內；所述前后擺塊上端的兩個部位分別鉸接在所述髖關節座的下端和所述連桿的自由端，且所述前后擺塊的下端與所述左右擺塊鉸接;所述電機工作帶動所述滑塊在所述絲桿上往復運動，所述連桿受所述滑塊帶動而推動所述前后擺塊相對于所述髖關節座在前后方向轉動；所述左右擺塊相對于所述前后擺塊在左右方向可轉動。
[0007]進一步地，所述驅動機構還包括連接在所述絲桿上的絲桿連接套和連接在所述絲桿連接套和所述電機的轉軸之間的聯軸器。
[0008]進一步地，所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構還包括扭簧，所述扭簧套設在所述前后擺塊與所述髖關節座之間的鉸接軸上，所述扭簧的兩個彈性臂分別朝背向的兩個方向推壓所述前后擺塊和所述髖關節座。
[0009]進一步地，所述髖關節座包括阻擋面，所述阻擋面的朝向與所述前后擺塊的自由回彈方向相反，以限制所述扭簧的張開幅度。
[0010]進一步地，所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構還包括固定在所述前后擺塊與所述髖關節座之間的鉸接軸上的角度傳感器。
[0011]進一步地，所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構還包括支撐板，所述支撐板固定在所述左右擺塊上。
[0012]進一步地，所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構還包括自鎖結構，所述左右擺塊在長度方向上中空且具有長條形的側孔;所述自鎖結構包括位于所述左右擺塊內的定位止動銷和壓簧，所述定位止動銷包括可滑動地設于所述側孔內的操作耳，所述壓簧朝所述前后擺塊推壓所述定位止動銷;所述前后擺塊位于所述左右擺塊內的鉸接端開設有供所述定位止動銷自由端插入的插入部。
[0013]進一步地，所述前后擺塊位于所述左右擺塊內的鉸接端外表面為弧面或楔形面。
[0014]本發明采用無刷電機通過滾珠絲杠結構將力傳導到髖關節，使其按照指定的方向和速度運動，占用體積小且輕便;同時針對無法側向運動的缺點，設計了相對于髖關節座具有不同旋轉方向的前后擺塊和左右擺塊，使得髖關節運動自如；另外，由于自鎖結構的存在，其打開后髖關節可以側向運動，在人穿戴完成之后，將關節復原到初始位置后自鎖結構能夠自動鎖住側向運動，可以防止運動過程出現側向運動，保證了使用者的人身安全。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明實施例的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構的伸直狀態示意圖。
[0016]圖2為本發明實施例的髖關節結構的一個結構分解示意圖。
[0017]圖3為圖1的一個剖視結構示意圖。
[0018]圖4為本發明實施例的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構的彎曲狀態示意圖。
[0019]圖5為本發明實施例的髖關節結構的另一個結構分解示意圖。
[°02°]圖6為圖4的一個剖視結構不意圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0022]參閱圖1和圖2所示，本發明的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構包括依次相連的驅動機構10、髖關節座20、前后擺塊30、左右擺塊40以及固定在左右擺塊40下端的大腿支撐桿50，結合圖3，其中驅動機構1包括電機11、與電機11的轉軸連接的絲桿12、穿設在絲桿12上并與絲桿12螺紋配合的滑塊13以及與滑塊13鉸接的連桿14，絲桿12與滑塊13組成滾珠絲杠結構，電機11優選采用無刷電機，可以方便地固定在髖關節座20上，占用體積小，控制方便精確;髖關節座20中空，電機11固定在髖關節座20上端，絲桿12、滑塊13和連桿14位于髖關節座20內；前后擺塊30上端的前后兩個間隔的部位分別鉸接在髖關節座20的下端和連桿14的自由端，且前后擺塊30的下端與左右擺塊40鉸接；電機11工作帶動滑塊13在絲桿12上往復運動，連桿14受滑塊13帶動而推動前后擺塊30相對于髖關節座20在前后方向轉動；左右擺塊40相對于前后擺塊30在左右方向可轉動。由于采用滾珠絲杠的原理進行傳動機構的設計，使其可以采用旋轉電機，從而減小了整個關節的重量和體積。
[0023]優選地，前后擺塊30在髖關節座20側的鉸接軸與在左右擺塊40側的鉸接軸互相垂直。驅動機構10還包括連接在絲桿12上的絲桿連接套15和連接在絲桿連接套15和電機11的轉軸之間的聯軸器16。絲桿連接套15作為絲桿12的銜接部件，通過聯軸器16與電機11的轉軸連接，由此，電機11的扭矩即可傳遞到絲桿12上，帶動滑塊13沿絲桿12滑動，連桿14在滑塊13的帶動下與前后擺塊30之間的角度發生變化從而推動前后擺塊30相對于髖關節座20轉動。
[0024]圖4為本發明實施例的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構的彎曲狀態示意圖；圖5為本發明實施例的髖關節結構的另一個結構分解示意圖；圖6為圖4的一個剖視結構示意圖。
[0025]結合圖4?6，髖關節的前后運動發生彎曲的過程如下:在圖3所示的伸直狀態下，電機11工作帶動絲桿12轉動，滑塊13沿絲桿12朝下滑動，滑塊13與連桿14之間的角度逐漸增大，前后擺塊30在連桿14的推力下繞髖關節座20上的鉸接軸發生轉動，從而使左右擺塊40和大腿支撐桿50隨之旋轉而完成髖關節的彎曲動作。反之，當髖關節需要從圖6所示的完全狀態恢復到圖3所示的伸直狀態時，電機11反向轉動帶動絲桿12反向轉動，滑塊13沿絲桿12朝上滑動，滑塊13與連桿14之間的角度逐漸變小，前后擺塊30在連桿14的拉力下繞髖關節座20上的鉸接軸發生轉動，從而使左右擺塊40和大腿支撐桿50隨之旋轉而完成髖關節的伸直動作。
[0026]作為其中一種實施方式，扭簧K套設在前后擺塊30與髖關節座20之間的鉸接軸上，扭簧K的兩個彈性臂分別朝背向的兩個方向推壓前后擺塊30和髖關節座20，始終使前后擺塊30和髖關節座20之間的夾角呈張開趨勢。具體是在前后擺塊30和髖關節座20上分別凸設有用于將扭簧K的兩個彈性臂抵擋于其中的凸柱，或是用于固定彈性臂的固定部。在髖關節處于坐下狀態時，扭簧K處于壓縮狀態；當機器人需要從坐下狀態改變為站立狀態的過程中，由于扭簧K的彈性回復力，其始終對前后擺塊30施加向后運動的力，使得電機11推動前后擺塊30向后運動(恢復初始角度)更加省力，從而實現省力的效果。
[0027]為對髖關節的運動幅度進行一定的限制，防止髖關節轉動過度而造成骨折等現象發生，如圖3，髖關節座20底部的內表面還具有阻擋面21，阻擋面21的朝向與前后擺塊30的自由回彈方向相反(即與前后擺塊30的后側面正對)，以限制扭簧K的張開幅度，當前后擺塊30朝后轉動至抵接阻擋面21時則無法繼續旋轉，從而很好地保護了使用者。
[0028]髖關節結構還具有固定在前后擺塊30與髖關節座20之間的鉸接軸上的角度傳感器S。通過利用角度傳感器S檢測該鉸接軸的轉動角度，可以實時得出髖關節活動的角度值，以實現精確反饋和控制。
[0029]本實施例的髖關節結構還具有支撐板70，支撐板70固定在左右擺塊40上，在人穿戴時需要由坐立狀態站起時，支撐板70會對大腿起到托住的效果，對人的起立起到輔助作用。
[0030]考慮到髖關節側向運動的需求，本發明設計了側向運動自鎖機構，使其可以實現側向運動，同時在正常狀態下由自鎖機構進行鎖定，防止髖關節正常運動時側向的擺動，保證穿戴者的安全。具體如圖3和5，該自鎖結構60包括位于左右擺塊40內的定位止動銷61和壓簧62，左右擺塊40在長度方向上中空且側面具有長條形的側孔41，定位止動銷61包括可滑動地設于側孔41內的操作耳61a，壓簧62朝前后擺塊30推壓定位止動銷61;前后擺塊30位于左右擺塊40內的鉸接端開設有供定位止動銷61自由端插入的插入部31。該插入部31可以是凹槽或通孔，壓簧62設于定位止動銷61和大腿支撐桿50之間。在髖關節不彎曲的狀態下，定位止動銷61在壓簧62的彈性推力下插入到插入部31內，左右擺塊40則無法相對于前后擺塊30旋轉，二者相對固定；當需要脫下或穿戴上時，沿側孔41朝下推定位止動銷61上的操作耳61a，定位止動銷61的上端則脫離插入部31，左右擺塊40則可相對于前后擺塊30自由地左右旋轉而不受限制，使用者可以坐下脫下或穿戴上髖關節。
[0031]前后擺塊30位于左右擺塊40內的鉸接端外表面(即插入部31周圍的面)為弧面或楔形面，優選前后擺塊30與該處的鉸接軸同心的弧面，定位止動銷61的自由端為倒角或球面，以方便更好地滑入前后擺塊30的插入部31。當髖關節結構的左右擺塊40可自由地左右擺動時，用力旋轉左右擺塊40，定位止動銷61在壓簧62的彈性推力下沿前后擺塊30的弧面或楔形面滑入插入部31，實現自鎖，此時，左右擺塊40則與前后擺塊30相對固定而無法再左右擺動。
[0032]本發明通過采用無刷電機通過滾珠絲杠結構將力傳導到髖關節，使其按照指定的方向和速度運動，占用體積小且輕便；同時針對無法側向運動的缺點，設計了相對于髖關節座具有不同旋轉方向的前后擺塊和左右擺塊，使得髖關節運動自如;另外，由于自鎖結構的存在，其打開后髖關節可以側向運動，在人穿戴完成之后，將關節復原到初始位置后自鎖結構能夠自動鎖住側向運動，可以防止運動過程出現側向運動，保證了使用者的人身安全;并且，由于具有角度傳感器，可對髖關節的轉動角度進行實時的反饋，使系統可以做閉環的控制，同時機器可以利用髖關節的角度對人體姿態進行判斷。
[0033]以上所述僅是本申請的【具體實施方式】，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。
【主權項】
1.一種可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，包括依次相連的驅動機構(10)、髖關節座(20)、前后擺塊(30)、左右擺塊(40)以及固定在所述左右擺塊(40)下端的大腿支撐桿(50)，所述驅動機構(10)包括電機(11)、與所述電機(11)的轉軸連接的絲桿(12)、穿設在所述絲桿(12)上并與所述絲桿(12)螺紋配合的滑塊(13)以及與所述滑塊(13)鉸接的連桿(14);所述髖關節座(20)中空，所述電機(11)固定在所述髖關節座(20)上端，所述絲桿(12)、所述滑塊(13)和連桿(14)位于所述髖關節座(20)內；所述前后擺塊(30)上端的兩個部位分別鉸接在所述髖關節座(20)的下端和所述連桿(14)的自由端，且所述前后擺塊(30)的下端與所述左右擺塊(40)鉸接;所述電機(11)工作帶動所述滑塊(13)在所述絲桿(12)上往復運動，所述連桿(14)受所述滑塊(13)帶動而推動所述前后擺塊(30)相對于所述髖關節座(20)在前后方向轉動;所述左右擺塊(40)相對于所述前后擺塊(30)在左右方向可轉動。2.根據權利要求1所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，所述驅動機構(10)還包括連接在所述絲桿(12)上的絲桿連接套(15)和連接在所述絲桿連接套(15)和所述電機(11)的轉軸之間的聯軸器(16)。3.根據權利要求1所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，還包括扭簧(K)，所述扭簧(K)套設在所述前后擺塊(30)與所述髖關節座(20)之間的鉸接軸上，所述扭簧(K)的兩個彈性臂分別朝背向的兩個方向推壓所述前后擺塊(30)和所述髖關節座(20)。4.根據權利要求3所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，所述髖關節座(20)包括阻擋面(21)，所述阻擋面(21)的朝向與所述前后擺塊(30)的自由回彈方向相反，以限制所述扭簧(K)的張開幅度。5.根據權利要求1所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，還包括固定在所述前后擺塊(30)與所述髖關節座(20)之間的鉸接軸上的角度傳感器(S)。6.根據權利要求1所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，還包括支撐板(70)，所述支撐板(70)固定在所述左右擺塊(40)上。7.根據權利要求1-6任一所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，還包括自鎖結構(60)，所述左右擺塊(40)在長度方向上中空且具有長條形的側孔(41);所述自鎖結構(60)包括位于所述左右擺塊(40)內的定位止動銷(61)和壓簧(62)，所述定位止動銷(61)包括可滑動地設于所述側孔(41)內的操作耳(61a)，所述壓簧(62)朝所述前后擺塊(30)推壓所述定位止動銷(61);所述前后擺塊(30)位于所述左右擺塊(40)內的鉸接端開設有供所述定位止動銷(61)自由端插入的插入部(31)。8.根據權利要求7所述的可穿戴式外骨骼機器人的髖關節結構，其特征在于，所述前后擺塊(30)位于所述左右擺塊(40)內的鉸接端外表面為弧面或楔形面。
【文檔編號】A61H3/00GK105877973SQ201610346270
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】吳新宇, 彭安思, 王燦, 王洲洋, 吳桂忠, 劉篤信, 吳 燦, 廖勇強, 梁國遠
【申請人】深圳先進技術研究院