一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，所述腰部裝置為左右對稱結構，根據(jù)左右兩個調塊上設置的3組小孔的不同組合，實現(xiàn)對腰部腰圍寬度的調節(jié)，通過兩對夾板、兩根轉軸，實現(xiàn)調節(jié)塊與腰部彎曲板的連接，實現(xiàn)腰部的左右擺動自由度，彎曲板通過髖關節(jié)的連接實現(xiàn)大腿的前后擺動，通過角位移傳感器實現(xiàn)大腿擺動幅度的測量。屈伸桿與大腿伸縮桿的連接為球鉸結構，使大腿任意方向的擺動更加靈活，適合人體穿戴，保持運動靈活、結構簡單。裝配有本發(fā)明腰部裝置的外骨骼輔助支撐機器人能夠幫助使用者支撐負載重量。
【專利說明】一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明設計屬于服務機器人領域，涉及下肢外骨骼機器人對于人體下肢的輔助支撐和康復訓練。
【背景技術】
[0002]人類的雙腿提供了負重和運輸平臺，尤其在不適合輪式運輸?shù)沫h(huán)境下，雙足顯示出很強的機動性。負重是人類生活所要面對的最普遍的問題之一。
[0003]對于士兵，消防員和救災隊員來說，有效載荷占其總體重的一大部分，而承擔這些載荷既無法避免又是他們的職責所在。攜帶過重的負擔不僅僅讓人感到疲勞，同時也存在潛在的精神上和肉體上的傷害。為了減輕這種負擔，下肢輔助支撐外骨骼機械設備應運而生。
[0004]在軍事上，眾多先進裝備提升了士兵對戰(zhàn)場的感知能力和打擊精度，但是攜帶如此多的裝備往往令士兵疲憊不堪，很難堅持長時間獨立作戰(zhàn)。
[0005]在民用上，我國森林、山路、階梯路面、海岸線及溝壑之路面頗多，這種路面車輛難以正常運行，許多急需的物資只能靠人力運輸，而人類的體力卻無法與車輛的承載能力相t匕，我國512大地震就發(fā)生在四川這個地形復雜的區(qū)域，當時很多重災區(qū)地處險境，救災物資的運輸只能通過人力解決，若采用下肢輔助支撐外骨骼機械設備，則可通過提高人的承載能力，提升救災物資運抵及災后的重建的速度。
[0006]我國正在步入老齡化，患心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，且因交通事故而造成神經性損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多，這類患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，正確的、科學的康復訓練對于肢體運動功能的恢復和提高起到非常重要的作用。而下肢輔助支撐外骨骼機械設備也可成為下肢失調者的訓練器及輔助行走裝置。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，在確保腰部、腿部、踝部和足部等部位運行的靈活，使人穿戴外骨骼輔助支撐機器人時運動不受阻礙，同時提供了腰部、腿部、足部運動時的運動參數(shù)，以利于對外骨骼輔助支撐機器人的有效控制；本發(fā)明設計的外骨骼輔助支撐機器人為模擬人體結構特點，適合人體穿戴，與人體結合良好，運動靈活、結構簡單，能夠幫助使用者支撐負載重量，是一種使用可靠、結構新穎的輔助支撐設備。 [0008]對于腰部結構，在確保人穿戴后，外骨骼輔助支撐機器人的腰部與髖關節(jié)運行的靈活，使人穿戴時腰部與髖關節(jié)不受阻礙，同時適應不同人體對外骨骼輔助支撐機器人的要求，即需要腰部寬度可以調節(jié)，大腿的長度可以調節(jié)，還能進行測量髖關節(jié)角位移。
[0009]對于腿部結構，在確保人穿戴后，膝關節(jié)與人同步運動，膝關節(jié)采用液壓驅動，減小了膝關節(jié)驅動元件尺寸，有利于機器人整體性能的提高。
[0010]對于足部結構，確保踝關節(jié)和足部運行的靈活，使人穿戴后不受阻礙，同時能夠測量踝關節(jié)角位移和足底的壓力。
[0011]本發(fā)明是一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，所述腰部裝置為左右對稱結構，根據(jù)左右兩個調塊上設置的3組小孔的不同組合，實現(xiàn)對腰部腰圍寬度的調節(jié)，通過兩對夾板、兩根轉軸，實現(xiàn)調節(jié)塊與腰部彎曲板的連接，實現(xiàn)腰部的左右擺動自由度，彎曲板通過髖關節(jié)的連接實現(xiàn)大腿的前后擺動，通過角位移傳感器實現(xiàn)大腿擺動幅度的測量。屈伸桿與大腿伸縮桿的連接為球鉸結構，使大腿任意方向的擺動更加靈活，適合人體穿戴，保持運動靈活、結構簡單。裝配有本發(fā)明腰部裝置的外骨骼輔助支撐機器人能夠幫助使用者支撐負載重量。
[0012]本發(fā)明外骨骼輔助支撐機器人的優(yōu)點在于:
[0013]①本發(fā)明外骨骼輔助支撐機器人為模擬人體結構特點的左右對稱結構，適合人體穿戴，與人體結合良好，運動靈活、結構簡單，能夠幫助使用者支撐負載重量，是一種使用可靠、結構新穎的輔助支撐設備。
[0014]②腰部的寬度調節(jié)，由于人的個體差異，有胖瘦、高矮之分，每個人的腰圍都不同，在外骨骼機器人設計時，設計了寬度調整裝置很好實現(xiàn)了人體腰部寬度的調節(jié)。
[0015]③腰部的高度調節(jié)，伸縮桿的設計，用于對大腿長度進行調節(jié)，由于每個人大腿長度一定，因此該伸縮桿長度調節(jié)后，采用固連的方法，將大腿長度固定。
[0016]④腰部設計的彎板和大腿的轉動副結構，模擬人體髖關節(jié)的前后擺動，通過角位移傳感器可以實時測量大腿的前后擺動角度，大腿設置了球關節(jié)結構，用于模擬人體髖關節(jié)的全方向擺動。
[0017]⑤膝關節(jié)采用液壓缸驅動，以控制膝關節(jié)的運動，實現(xiàn)對人體膝關節(jié)運動的跟隨，通過足底壓力的檢測，實現(xiàn)人體運動意圖的描述，以利于對外骨骼機器人的預測控制。由于膝關節(jié)采用液壓缸驅動，提高了機器人的承載能力，為外骨骼機器人的研究奠定基礎。
[0018]⑥踝關節(jié)的胡克鉸結構，實現(xiàn)人體腳踝的前后和左右擺動，并通過角位移傳感器可以實時測量腳踝的前后擺動角度；腳掌的壓力測量裝置:腳掌具有能夠活動部分前后腳掌及鞋墊，形成了獨特的人體足部模擬結構，腳掌的活動部分固定在鞋墊上，實現(xiàn)鞋墊的跟隨運動，通過設置3個壓力傳感器，實現(xiàn)人體足部壓力的測量，實現(xiàn)人體行走意圖的準確判斷，為外骨骼機器人的控制系統(tǒng)實現(xiàn)提供技術支撐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的正視結構圖。
[0020]圖1A是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的一視角結構圖。
[0021]圖1B是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的另一視角結構圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的左右腿組件的結構圖。
[0023]圖2A是本發(fā)明左右腿組件中的液壓驅動部分的分解圖。
[0024]圖2B是本發(fā)明左右腿組件中的膝關節(jié)與大小腿的分解圖。[0025]圖2C是本發(fā)明左腿部組件中的左大腿伸縮桿的結構圖。
[0026]圖2D是本發(fā)明左腿部組件中的右大腿伸縮桿的結構圖。
[0027]圖2E是本發(fā)明左腿部組件中的左大腿的結構圖。
[0028]圖2F是本發(fā)明左腿部組件中的左大腿的另一視角結構圖。
[0029]圖2G是本發(fā)明左腿部組件中的右大腿的結構圖。
[0030]圖2H是本發(fā)明左腿部組件中的右大腿的另一視角結構圖。
[0031]圖21是本發(fā)明左腿部組件中的左小腿的結構圖。
[0032]圖2J是本發(fā)明左腿部組件中的右小腿的結構圖。
[0033]圖2K是本發(fā)明左腿部組件中的右小腿的另一視角結構圖。
[0034]圖2L是本發(fā)明左腿部組件中的左小腿的另一視角結構圖。
[0035]圖3是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的左右足部組件的結構圖。
[0036]圖3A是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的左足部組件的分解圖。
[0037]圖3B是本發(fā)明左足部組件中的左踝關節(jié)的結構圖。
[0038]圖3C是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的左足部組件的分解圖。
[0039]圖3D是本發(fā)明右足部組件中的右踝關節(jié)的結構圖。
[0040]圖4是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的腰部裝置的結構圖。
[0041]圖4A是本發(fā)明的具有關節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機器人的腰部裝置的分解圖。
[0042]
【權利要求】
1.一種適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，其特征在于:腰部裝置(I)包括有左調節(jié)塊(1A)、右調節(jié)塊(1B)、左彎曲板(1C)、右彎曲板(1D)、左屈伸桿(1E)、右屈伸桿(IF)、A夾塊(1G)、B夾塊(1H)、C夾塊(1J)、D夾塊(1K)、左限位塊(10、左扣(110、右限位塊(謂)、右扣(1?)、左髖關節(jié)(10)、右髖關節(jié)(110、第一轉軸(15)、第二轉軸(1T)、M角接觸球軸承(1U)、N角接觸球軸承(IV)、O角接觸球軸承(Iff),P角接觸球軸承(IY)； 左髖關節(jié)(1Q)包括有E角位移傳感器(IQl )、E套筒(1Q2)、Q角接觸球軸承(1Q3)、第三轉軸(1Q4)、R角接觸球軸承(1Q5)、G端蓋(1Q6);第三轉軸(1Q4)置于左彎曲板(IC)的EC凸耳槽(1C4)中，且第三轉軸(1Q4)上套接有左屈伸桿(1E)，第三轉軸(1Q4)與左屈伸桿(1E)采用銷釘固定安裝，第三轉軸(1Q4)的一端套接有Q角接觸球軸承(1Q3)，第三轉軸(1Q4)的另一端套接有R角接觸球軸承(1Q5)。Q角接觸球軸承(1Q3)安裝在左彎曲板(1C)的EA軸承孔(1C5)中，且在EE凸耳(1C2)的外側板面上安裝E套筒(1Q2)。R角接觸球軸承(1Q5)安裝在左彎曲板(IC)的EB軸承孔(1C6)中，且在EF凸耳(1C3)的外側板面上安裝G端蓋(1Q6)。E角位移傳感器(IQl)的一端安裝在第三轉軸(1Q4)上； 右髖關節(jié)(IR)包括有F角位移傳感器(IRl)、F套筒(1R2)、S角接觸球軸承(1R3)、第四轉軸(1R4)、T角接觸球軸承(1R5)、H端蓋(1R6);第四轉軸(1R4)置于右彎曲板(ID)的ED凸耳槽(1D4)中，且第四轉軸(1R4)上套接有右屈伸桿(1F)，第四轉軸(1R4)與右屈伸桿(1F)采用銷釘固定安裝，第四轉軸(1R4)的一端套接有S角接觸球軸承(1R3)，第四轉軸(1R4)的另一端套接有T角接觸球軸承(1R5) ；S角接觸球軸承(1R3)安裝在右彎曲板(ID)的EC軸承孔(1D5)中，且在EG凸耳(1D2)的外側板面上安裝F套筒(1R2)。T角接觸球軸承(1R5)安裝在右彎曲板(ID)的ED軸承孔(1D6)中，且在凸耳(1D3)的外側板面上安裝H端蓋(1R6)。F角位移傳感器(IRl)的一端安裝在第四轉軸(1R4)上；
左調節(jié)塊(IA)上設有接頭(IAl )、EA凸耳(1A2)、EB凸耳(1A3)，EA凸耳(1A2)與EB凸耳(1A3)之間是EA凸耳槽(1A4)。接頭(IAl)安裝在A夾塊(1G)與B夾塊(1H)之間，且分別與A夾塊(IG)與B夾塊(IH)固定。EA凸耳槽(1A4)用于置入右調節(jié)塊IB的ED凸耳(1B3)； 右調節(jié)塊(IB)上設有接頭(1B1)、EC凸耳(1B2)、ED凸耳(1B3)，EC凸耳(1B2)與ED凸耳(1B3)之間是EB凸耳槽(1B4)。接頭(IBl)安裝在C夾塊(1J)與D夾塊(1K)之間，且分別與C夾塊(IJ)與D夾塊(IK)固定。EB凸耳槽(1B4)用于置入左調節(jié)塊(IA)的EA凸耳(1A2)； 左彎曲板(IC)的一端設有A通孔(1C1)，該A通孔(ICl)用于放置第一轉軸(1S);左彎曲板(IC)的另一端設有EE凸耳(1C2)、EF凸耳(1C3)，EE凸耳(1C2)與EF凸耳(1C3)之間是EC凸耳槽(1C4)，EE凸耳(1C2)上設有EA軸承孔(1C5)，EF凸耳(1C3)上設有EB軸承孔(1C6)。 EC凸耳槽(1C4)用于放置左屈伸桿(IE)的上端，左屈伸桿(IE)的下端設有C球窩(1E3)，該C球窩(1E3)用于放置左大腿伸縮桿(2A)的球鉸端(2A2)； EA軸承孔(1C5 )用于放置Q角接觸球軸承(1Q3 )，且Q角接觸球軸承(1Q3 )的外圈與EA軸承孔(1C5)緊配合，Q角接觸球軸承(1Q3)的內圈套接在第三轉軸(1Q4)的一端，第三轉軸(1Q4)上安裝有左屈伸桿(IE)的上端。EB軸承孔(1C6)用于放置R角接觸球軸承(1Q5)，且R角接觸球軸承(1Q5)的外圈與EB軸承孔(1C6)緊配合，R角接觸球軸承(1Q5)的內圈套接在第三轉軸(1Q4)的另一端，第三轉軸(1Q4)上安裝有左屈伸桿(IE)的上端。 右彎曲板(ID)的一端設有B通孔(1D1)，該B通孔(IDl)用于放置第二轉軸(1T);右彎曲板(ID)的另一端設有EG凸耳(1D2)、EH凸耳(1D3)，EG凸耳(1D2)與凸耳(1D3)之間是ED凸耳槽(1D4)，EG凸耳(1D2)上設有EC軸承孔(1D5)，凸耳(1D3)上設有ED軸承孔(1D6)。 ED凸耳槽(1D4)用于放置右屈伸桿(IF)的上端，右屈伸桿(IF)的下端設有D球窩(1F3)，該D球窩(1F3)用于放置右大腿伸縮桿(3A)的球鉸端(3A2)； EC軸承孔(1D5)用于放置S角接觸球軸承(1R3)，且S角接觸球軸承(1R3)的外圈與EC軸承孔(1D5)緊配合，S角接觸球軸承(1R3)的內圈套接在第四轉軸(1R4)的一端，第四轉軸(1R4)上安裝有右屈伸桿(IF)的上端。 ED軸承孔(1D6)用于放置T角接觸球軸承(1R5)，且T角接觸球軸承(1R5)的外圈與ED軸承孔(1D6)緊配合，T角接觸球軸承(1R5)的內圈套接在第四轉軸(1R4)的另一端，第四轉軸(1R4)上安裝有右屈伸桿(IF)的上端。 A夾塊(1G)、B夾塊(1H)、C夾塊(IJ)和D夾塊(IK)的結構相同。 A夾塊(IG)上設有軸承盲孔，該軸承盲孔內安裝有M角接觸球軸承(IU)。A夾塊(IG)的外側板面上安裝有左扣(1M)； B夾塊(1H)上設有H軸承盲孔(IHl )，該H軸承盲孔(IHl)內安裝有N角接觸球軸承(IV)0 C夾塊(1J)上設有軸承盲孔，該軸承盲孔內安裝有O角接觸球軸承(1W)。C夾塊(1J)的外側板面上安裝有右扣(1P)。 D夾塊(1K)上設有K軸承盲孔(IKl )，該K軸承盲孔(IKl)內安裝有P角接觸球軸承(IY)0 第一轉軸(is)的一端套接有M角接觸球軸承(IU)，第一轉軸(IS)的另一端套接有N角接觸球軸承(IV)。 第二轉軸(1T)的一端套接有O角接觸球軸承(1W)，第二轉軸(1T)的另一端套接有P角接觸球軸承(IY)。 A夾塊(1G)與B夾塊(1H)相對放置，且在上端夾持安裝左限位塊(1L)。C夾塊(IJ)與D夾塊(1K)相對放置，且在上端夾持安裝右限位塊(IN)。
2.根據(jù)權利要求1所述的適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，其特征在于:調節(jié)塊與腰部彎曲板的連接實現(xiàn)腰部的左右自由度擺動。
3.根據(jù)權利要求1所述的適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，其特征在于:彎曲板通過髖關 節(jié)的連接實現(xiàn)大腿的前后自由度擺動。
4.根據(jù)權利要求1所述的適用于外骨骼輔助支撐機器人的具有髖關節(jié)參數(shù)測量的腰部裝置，其特征在于:屈伸桿與大腿伸縮桿的連接為球鉸結構。
【文檔編號】A61H1/02GK103908392SQ201410063545
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權日:2014年2月25日
【發(fā)明者】唐志勇, 徐曉東, 劉棣斐, 裴忠才 申請人:北京航空航天大學