一種具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種屬于康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械下肢裝置，更特別地說，是指一種具 有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體。
【背景技術(shù)】
[0002] 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的下肢外骨骼的設(shè)計(jì)過程中最主要的任務(wù)是設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié) 以及踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，確定驅(qū)動(dòng)器、傳感器型號、位置及安裝形式。通過對人體生理結(jié)構(gòu)的研 究，髖關(guān)節(jié)為球窩關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)中心的變化不明顯。踝關(guān)節(jié)雖然為復(fù)合關(guān)節(jié)，但其 在行走過程中轉(zhuǎn)動(dòng)角度小，因此旋轉(zhuǎn)中心的變化也不明顯。這兩個(gè)部分的外骨骼關(guān)節(jié)被認(rèn) 為可以簡化為繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的單一關(guān)節(jié)。而膝關(guān)節(jié)是雙面關(guān)節(jié)，在行走過程中屈伸運(yùn)動(dòng) 的幅度較大（〇~60° )，收展運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的幅度較小。膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)一種復(fù)合 的運(yùn)動(dòng)，能夠分解為平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，在膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)幅度較大時(shí)，其旋轉(zhuǎn)中心位移明顯，對 于患有骨關(guān)節(jié)炎疾病的病人，膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)瞬心的變化更為劇烈且沒有統(tǒng)一的規(guī)律。
[0003] 如果把外骨骼關(guān)節(jié)簡化為單一轉(zhuǎn)軸，在運(yùn)動(dòng)過程中外骨骼小腿部分繞外骨骼膝關(guān) 節(jié)的固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，人體膝關(guān)節(jié)與外骨骼關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)瞬心會(huì)發(fā)生偏離，不能保證隨時(shí)重合， 使得人的下肢與外骨骼之間出現(xiàn)相對位移，并且在兩者綁定的位置產(chǎn)生額外的力和力矩。 雖然兩者間的相對運(yùn)動(dòng)被肌肉等軟組織形變所補(bǔ)償，但是作用力和作用力矩對康復(fù)過程產(chǎn) 生不良的影響，使病人下肢的運(yùn)動(dòng)和出力不自然，影響最終的康復(fù)效果，甚至有可能對病人 造成嚴(yán)重的二次傷害。所以有必要考慮使用一種新的膝關(guān)節(jié)構(gòu)型來解決膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中 不對稱問題。
[0004] 由于單獨(dú)膝關(guān)節(jié)外骨骼小腿部分的運(yùn)動(dòng)空間為一圓弧，運(yùn)動(dòng)過程中其瞬心位置固 定在外骨骼膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的軸心上，無法做到隨人體膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)瞬心的變化而變化，所以需 要新構(gòu)型擁有一個(gè)可自由調(diào)整的膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心和一個(gè)允許生成復(fù)雜末端運(yùn)動(dòng)軌跡的工 作空間，使其能滿足下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)對工作空間的基本要求，又有足夠的空間對軌跡進(jìn)行調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了改善現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中膝關(guān)節(jié)部位采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈或球鉸來實(shí)現(xiàn)只能轉(zhuǎn) 動(dòng)，而不能平動(dòng)的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體。該下肢外 骨骼為一平面的二自由度并聯(lián)仿生機(jī)構(gòu)，能夠精確地模擬人的膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。在膝關(guān)節(jié)組 件的虛擬點(diǎn)U處采用兩套直線驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器由旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲杠構(gòu)成。兩個(gè)驅(qū) 動(dòng)器的上端分別連接在類似于大腿的膝關(guān)節(jié)A連接件的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸上，下端同軸連接在踝關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上下肢外骨骼小腿后部，從而構(gòu)成了一個(gè)以膝關(guān)節(jié)為中心的并聯(lián)仿生機(jī)構(gòu)，該機(jī) 構(gòu)可以通過帶動(dòng)小腿末端（即鞋板組件）按照人體標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)運(yùn)動(dòng)，來精確地模擬人體膝關(guān) 節(jié)的復(fù)雜耦合運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)給人以額外的作用力，減小對人體膝關(guān)節(jié)的傷害。
[0006] 本發(fā)明的一種具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體，在所述下肢外骨骼的末端連 接有腳板組件；所述的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體包括有髖關(guān)節(jié)組件、膝關(guān)節(jié)組件和踝關(guān)節(jié)組件； 膝關(guān)節(jié)組件包括有膝關(guān)節(jié)A驅(qū)動(dòng)部分、膝關(guān)節(jié)B驅(qū)動(dòng)部分和膝關(guān)節(jié)固定裝配部分；所述的膝 關(guān)節(jié)A驅(qū)動(dòng)部分由膝關(guān)節(jié)A電機(jī)、膝關(guān)節(jié)A電機(jī)座、膝關(guān)節(jié)A滑套、膝關(guān)節(jié)A絲杠套、膝關(guān)節(jié) A絲杠構(gòu)成；所述的膝關(guān)節(jié)固定裝配部分包括有AA轉(zhuǎn)動(dòng)軸、AB轉(zhuǎn)動(dòng)軸、AA編碼器、AB編碼 器、AA滾珠軸承、AB滾珠軸承、AC滾珠軸承、AD滾珠軸承、膝關(guān)節(jié)A連接件、膝關(guān)節(jié)B連接 件、膝關(guān)節(jié)C連接件、膝關(guān)節(jié)D連接件、膝關(guān)節(jié)E連接件、膝關(guān)節(jié)F連接件、膝關(guān)節(jié)G連接件、 膝關(guān)節(jié)H連接件、膝關(guān)節(jié)I連接件、膝關(guān)節(jié)J連接件、膝關(guān)節(jié)K連接件和膝關(guān)節(jié)L連接件；髖 關(guān)節(jié)組件包括有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部分和髖關(guān)節(jié)固定裝配部分；所述的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部分由髖關(guān)節(jié) 電機(jī)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)座、髖關(guān)節(jié)滑套、髖關(guān)節(jié)絲杠套、髖關(guān)節(jié)絲杠構(gòu)成；所述髖關(guān)節(jié)固定裝配部 分包括有BA轉(zhuǎn)動(dòng)軸、BB轉(zhuǎn)動(dòng)軸、BA編碼器、BB編碼器、髖關(guān)節(jié)A連接件、髖關(guān)節(jié)B連接件、 髖關(guān)節(jié)C連接件、髖關(guān)節(jié)D連接件、髖關(guān)節(jié)E連接件、髖關(guān)節(jié)F連接件、髖關(guān)節(jié)G連接件、髖 關(guān)節(jié)H連接件、髖關(guān)節(jié)I連接件和髖關(guān)節(jié)J連接件；踝關(guān)節(jié)組件包括有踝關(guān)芐基座、踝關(guān)節(jié) A連接件、踝關(guān)節(jié)B連接件、踝關(guān)節(jié)C連接件、小腿連接件、踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、踝關(guān)節(jié)編碼器、CA 滾珠軸承、CB滾珠軸承、CC滾珠軸承、CD滾珠軸承和CA擋圈。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的外部結(jié)構(gòu)圖。
[0008] 圖IA是本發(fā)明具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的右視圖。
[0009] 圖IB是本發(fā)明具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的左視圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明中踝關(guān)節(jié)組件的結(jié)構(gòu)圖。
[0011] 圖2A是本發(fā)明中踝關(guān)節(jié)組件的分解圖。
[0012] 圖2B是本發(fā)明中踝關(guān)節(jié)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與編碼器、軸承之間的裝配圖。
[0013] 圖2C是本發(fā)明中踝關(guān)節(jié)組件的基座結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖3是本發(fā)明中髖關(guān)節(jié)組件的分解圖。
[0015] 圖3A是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中A、G、H、I連接件與BB轉(zhuǎn)動(dòng)軸的裝配圖。
[0016] 圖3B是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中A、G、H、I連接件與BB轉(zhuǎn)動(dòng)軸的灰度圖。
[0017] 圖3C是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中A、G、H、I連接件與BB轉(zhuǎn)動(dòng)軸，且加載膝關(guān)節(jié)A連接 件的灰度圖。
[0018] 圖3D是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中的E連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖3E是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中的F連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖3F是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中的C連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖3G是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中的D連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖3H是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中的G連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖31是本發(fā)明髖關(guān)節(jié)組件中的J連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明中膝關(guān)節(jié)組件的結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖4A是本發(fā)明中膝關(guān)節(jié)組件的分解圖。
[0026] 圖4B是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中B、E、G連接件與AA轉(zhuǎn)動(dòng)軸的裝配圖。
[0027] 圖4C是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中B、E、G連接件與AA轉(zhuǎn)動(dòng)軸的灰度圖。
[0028] 圖4D是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中D、F、H、I連接件與AB轉(zhuǎn)動(dòng)軸的裝配圖。
[0029] 圖4E是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中D、F、H、I連接件與AB轉(zhuǎn)動(dòng)軸的灰度圖。
[0030] 圖4F是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的膝關(guān)節(jié)A絲杠接頭的結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖4G是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的膝關(guān)節(jié)B絲杠接頭的結(jié)構(gòu)圖。
[0032] 圖4H是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的E連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0033] 圖41是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的F連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0034] 圖4J是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的B連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0035] 圖4K是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的膝關(guān)節(jié)G連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0036] 圖4L是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的D連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0037] 圖4M是本發(fā)明膝關(guān)節(jié)組件中的H連接件的結(jié)構(gòu)圖。
[0038] 圖5是本發(fā)明的具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的內(nèi)屈結(jié)構(gòu)圖。
[0039] 圖6是本發(fā)明的具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的外伸結(jié)構(gòu)圖。
[0040] 圖7是本發(fā)明的具有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的步態(tài)示意圖。
[0041]


【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0044] 參見圖1、圖1A、圖IB所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中的、且具 有仿生膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體，其包括有髖關(guān)節(jié)組件2、膝關(guān)節(jié)組件1和踝關(guān)節(jié)組件3。 為了便于理解，在下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的執(zhí)行末端安裝了腳板組件4。根據(jù)所述腳板組件4的 安裝方向能夠判斷出圖1所示為康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中的右膝關(guān)節(jié)的下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體。本發(fā) 明下肢外骨骼結(jié)構(gòu)體的坐標(biāo)系定義是，以沿髖關(guān)節(jié)上的絲杠運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸的，以沿膝關(guān) 節(jié)上的A連接件的豎直方向?yàn)閅軸的，在滿足右手定則下構(gòu)建坐標(biāo)系0ΧΥ。將髖關(guān)節(jié)滑套 23向膝關(guān)節(jié)A連接件IA靠近為沿X軸的負(fù)方向（即-X軸），將髖關(guān)節(jié)滑套23遠(yuǎn)離膝關(guān)節(jié) A連接件IA為沿X軸的正方向（即+X軸）。
[0045] 膝關(guān)節(jié)組件1
[0046] 參見圖1、圖1A、圖1B、圖4、圖4A所示，膝關(guān)節(jié)組件1包括有膝關(guān)節(jié)A驅(qū)動(dòng)部分、 膝關(guān)節(jié)B驅(qū)動(dòng)部分和膝關(guān)節(jié)固定裝配部分。
[0047] (1-1)膝關(guān)節(jié)組件1的A驅(qū)動(dòng)部分
[0048] 其中膝關(guān)節(jié)A驅(qū)動(dòng)部分由膝關(guān)節(jié)A電機(jī)11A、膝關(guān)節(jié)A電機(jī)座12A、膝關(guān)節(jié)A滑套 13A、膝關(guān)節(jié)A絲杠套14A、膝關(guān)節(jié)A絲杠15A構(gòu)成（如圖1、圖4所示），膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用滾 珠絲杠形式。
[0049] 參見圖4、圖4F所示，膝關(guān)節(jié)A絲杠15A的連接端15A1上設(shè)有AA軸承通孔15A2、 AB軸承通孔15A3 ;AA軸承通孔15A2用于放置CA滾珠軸承31B ;AB軸承通孔15A3用于放 置CB滾珠軸承31C。
[0050] 膝關(guān)節(jié)A電機(jī)IlA的機(jī)殼固定在膝關(guān)節(jié)A電機(jī)座12A上，膝關(guān)節(jié)A電機(jī)座12A固 定在膝關(guān)節(jié)A滑套13A的一端，膝關(guān)節(jié)A滑套13A的另一端與膝關(guān)節(jié)A絲杠套14A的一端 固定，膝關(guān)節(jié)A絲杠套14A的連接端14A1固定在AA轉(zhuǎn)動(dòng)軸16上，膝關(guān)節(jié)A絲杠15A的連 接端15A1通過一對滾珠軸承（BA滾珠軸承31B、BB滾珠軸承31C)與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸31實(shí) 現(xiàn)連接，膝關(guān)節(jié)A絲杠15A的另一端穿過膝關(guān)節(jié)A電機(jī)座12A、膝關(guān)節(jié)A滑套13A后置入膝 關(guān)節(jié)A絲杠套14A內(nèi)。所述膝關(guān)節(jié)A絲杠套14A的連接端14A1上設(shè)有AA通孔14A2,該AA 通孔14A2用于放置AA轉(zhuǎn)動(dòng)軸16。參見圖4A、圖4B所示，所述膝關(guān)節(jié)A絲杠15A的連接端 15A1上設(shè)有AA軸承通孔15A2、AB軸承通孔15A3 ;該AA軸承通孔15A2用于放置CA滾珠軸 承31B，該AB軸承通孔15A3用于放置CB滾珠軸承31C。
[0051] (1-2)膝關(guān)節(jié)組件1的B驅(qū)動(dòng)部分
[0052] 其中膝關(guān)節(jié)B驅(qū)動(dòng)部分由膝關(guān)節(jié)B電機(jī)11B、膝關(guān)節(jié)B電機(jī)座12B、膝關(guān)節(jié)B滑套 13B、膝關(guān)節(jié)B絲杠套14B、膝關(guān)節(jié)B絲杠15B構(gòu)成（如圖1、圖4所示），膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用滾 珠絲杠形式。
[0053] 參見圖4、圖4G所示，膝關(guān)節(jié)B絲杠15B的連接端15B1上設(shè)有AC軸承通孔15B2、 AD軸承通孔15B3、AX凸臺15B4、AY凸臺15B5 ;AC軸承通孔15B2用于放置CC滾珠軸承31D ; AD軸承通孔15B3用于放置⑶滾珠軸承3IE ;AX凸臺15B4用于安裝膝關(guān)節(jié)F連接件IF的 AE凸爪1F3 ;AY凸臺15B5用于安裝膝關(guān)節(jié)F連接件IF的AF凸爪1F4。
[0054] 膝關(guān)節(jié)B電機(jī)IlB的機(jī)殼固定在膝關(guān)節(jié)B電機(jī)座12B上，膝關(guān)節(jié)B電機(jī)座12B固 定在膝關(guān)節(jié)B滑套13B的一端，膝關(guān)節(jié)B滑套13B的另一端與膝關(guān)節(jié)B絲杠套14B的一端 固定，膝關(guān)節(jié)B絲杠套14B的連接端14B1固定在AB轉(zhuǎn)動(dòng)軸17上，膝關(guān)節(jié)B絲杠15B的連 接端15B1通過一對滾珠軸承（BC滾珠軸承31D、BD滾珠軸承31E