本发明属于外骨骼机器人领域，尤其涉及了一种三自由度外骨骼髋关节多重限位装置。
背景技术：
作为人类最重要的关节之一，髋关节需要承载整个躯干的重量，实现人体行走过程中伸展/弯曲、外展/内收和旋内/旋外这三个重要的自由度。所以，外骨骼机器人髋关节的设计是实现外骨骼机器人助力功能的关键技术。
目前，外骨骼机器人髋关节由于拥有三个自由度而且运动极限角度较大，导致结构比较复杂和空间体积比较大。有时候，为了简化结构和减小体积，往往会牺牲自由度和运动的极限角度。这样的髋关节控制不简便，大大地降低了穿戴者的舒适性和助力效果。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种三自由度外骨骼髋关节多重限位装置，通过简单可行的机构与配合，控制灵活，实现髋关节运动所需的三个自由度，所带多重限位提高穿戴者的舒适性和安全性。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括髋关节连接板、液压缸、连接耳片A、连接耳片B、伸展/弯曲关节、外展/内收关节、旋内/旋外关节、限位销和大腿连接杆；液压缸一端铰接连接到髋关节连接板上的一端，液压缸一端与连接耳片A的中部铰接，连接耳片A一端铰接到髋关节连接板上的中部，连接耳片A另一端与连接耳片B的一端铰接，连接耳片B另一端与伸展/弯曲关节中部延伸出的凸耳铰接，伸展/弯曲关节上端铰接到髋关节连接板上的另一端；伸展/弯曲关节下端开有水平通孔，外展/内收关节呈U形，通过第一连接轴穿设于U形的上端和伸展/弯曲关节的水平通孔的两端穿设，使得伸展/弯曲关节下端和外展/内收关节上端之间铰接；旋内/旋外关节下端穿过外展/内收关节U形的下端并开有水平通孔，大腿连接杆上端开有水平通孔和端面孔，水平通孔和端面孔相连通，旋内/旋外关节下端伸入到大腿连接杆的端面孔中后，通过第二连接轴穿设于旋内/旋外关节下端的水平通孔和大腿连接杆上端的水平通孔，使得旋内/旋外关节下端和大腿连接杆上端铰接。
所述的液压缸推动连接耳片A，进而推动连接耳片B驱动伸展/弯曲关节绕髋关节连接板旋转，实现髋关节的伸展/弯曲的主动自由度；所述的外展/内收关节和伸展/弯曲关节之间相对转动，实现髋关节的外展/内收的被动自由度；所述的外展/内收关节和旋内/旋外关节之间相对转动，实现髋关节的旋内/旋外的被动自由度。
所述伸展/弯曲关节的下端面设有由两个高度不同的半圆表面组成的台阶结构，旋内/旋外关节上端的两侧分别和台阶结构的两个半圆表面形成不同的间隙，使得旋内/旋外关节在被外展/内收关节带动绕第一连接轴旋转时，被高度较低的半圆表面阻挡，且不被高度较高的半圆表面阻挡，从而实现外展/内收关节和伸展/弯曲关节外展/内收的运动限位；
所述的旋内/旋外关节上端设有圆形凸缘，圆形凸缘为3/4圆的扇形结构，具有1/4圆的扇形缺口，并且在外展/内收关节U形下端的上表面上边缘处设有限位销，限位销位于圆形凸缘的1/4圆的扇形缺口处，使得旋内/旋外关节限位在1/4圆的角度内转动。
通过上述结构共同实现髋关节控制灵活、运动接近真实的自由度运动，实现关节在三个自由度上的符合人体运动需求的限位，避免外骨骼对穿戴者造成损伤，提高穿戴者的舒适性和安全性。
所述的液压缸和髋关节连接板之间的第一铰接轴、液压缸与连接耳片A之间的第一铰接轴、连接耳片A和髋关节连接板之间的铰接轴、连接耳片A与连接耳片B之间的铰接轴、连接耳片B与伸展/弯曲关节之间的铰接轴、伸展/弯曲关节和髋关节连接板之间的铰接轴均平行并沿第一方向，伸展/弯曲关节与外展/内收关节之间的铰接轴垂直于第一方向。
所述的髋关节连接板上的另一端开有延伸到端部边缘的凹槽，伸展/弯曲关节上端穿过凹槽后通过位于凹槽上方的铰接轴与髋关节连接板铰接。
所述液压缸的行程由根据人体伸展/弯曲关节的运动极限角度设计的。
所述限位销及与限位销过盈配合的销孔在外展/内收关节上的位置是根据人体旋内/旋外关节设计的。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明通过9个零部件的配合与运动传动，实现了外骨骼机器人髋关节的三个自由度，使三个自由度的旋转中心尽可能聚于一点，控制灵活，提高穿戴者的舒适性。
2)本发明通过三处巧妙的限位设计，以紧凑的结构，实现了在三个自由度方向上对于极限角度的限制，提高了外骨骼机器人的安全性，而且每个设计都是根据人体生物学上运动极限角度确定，具有准确性和普遍性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的局部爆炸图。
图3是本发明伸展/弯曲关节的结构示意图。
图4是本发明限位销的位置坐标示意图。
图5是本发明伸展/弯曲关节极限位置1。
图6是本发明伸展/弯曲关节极限位置2。
图中：1、髋关节连接板，2、液压缸，3、连接耳片A，4、连接耳片B，5、伸展/弯曲关节，6、外展/内收关节，7、旋内/旋外关节，8、限位销，9、大腿连接杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括髋关节连接板1、液压缸2、连接耳片A3、连接耳片B4、伸展/弯曲关节5、外展/内收关节6、旋内/旋外关节7、限位销8和大腿连接杆9；液压缸2置于髋关节连接板1上，液压缸2一端铰接连接到髋关节连接板1上的一端，液压缸2一端与连接耳片A3的中部铰接，连接耳片A3一端铰接到髋关节连接板1上的中部，连接耳片A3另一端与连接耳片B4的一端铰接，连接耳片B4另一端与伸展/弯曲关节5中部延伸出的凸耳铰接，伸展/弯曲关节5上端铰接到髋关节连接板1上的另一端；伸展/弯曲关节5下端开有水平通孔，外展/内收关节6呈U形，通过第一连接轴穿设于U形的上端和伸展/弯曲关节5的水平通孔的两端穿设，使得伸展/弯曲关节5下端和外展/内收关节6上端之间铰接；旋内/旋外关节7下端穿过外展/内收关节6U形的下端并开有水平通孔，大腿连接杆9上端开有水平通孔和端面孔，水平通孔和端面孔相连通，旋内/旋外关节7下端伸入到大腿连接杆9的端面孔中后，通过第二连接轴穿设于旋内/旋外关节7下端的水平通孔和大腿连接杆9上端的水平通孔，使得旋内/旋外关节7下端和大腿连接杆9上端铰接。
液压缸2推动连接耳片A3，进而推动连接耳片B4驱动伸展/弯曲关节5绕髋关节连接板1旋转，实现髋关节的伸展/弯曲的主动自由度；所述的外展/内收关节6和伸展/弯曲关节5之间相对转动，实现髋关节的外展/内收的被动自由度；所述的外展/内收关节6和旋内/旋外关节7之间相对转动，实现髋关节的旋内/旋外的被动自由度。
如图3所示，伸展/弯曲关节5的下端面设有由两个高度不同的半圆表面组成的台阶结构，每个半圆的高度是根据人体外展/内收关节6的运动极限角度设计的。旋内/旋外关节7上端的两侧分别和台阶结构的两个半圆表面形成不同的间隙，使得旋内/旋外关节7在被外展/内收关节6带动绕第一连接轴旋转时，被高度较低的半圆表面阻挡，如图5所示，且不被高度较高的半圆表面阻挡，如图6所示，从而实现外展/内收关节6和伸展/弯曲关节5外展/内收的运动限位。
如图2和图4所示，旋内/旋外关节7上端设有圆形凸缘，圆形凸缘为3/4圆的扇形结构，具有1/4圆的扇形缺口，并且在外展/内收关节6U形下端的上表面上边缘处设有限位销8，限位销8与外展/内收关节6的销孔过盈配合，限位销8位于圆形凸缘的1/4圆的扇形缺口处，使得旋内/旋外关节7限位在1/4圆的角度内转动。
液压缸2和髋关节连接板1之间的第一铰接轴、液压缸2与连接耳片A3之间的第一铰接轴、连接耳片A3和髋关节连接板1之间的铰接轴、连接耳片A3与连接耳片B4之间的铰接轴、连接耳片B4与伸展/弯曲关节5之间的铰接轴、伸展/弯曲关节5和髋关节连接板1之间的铰接轴均平行并沿第一方向，伸展/弯曲关节5与外展/内收关节6之间的铰接轴垂直于第一方向。
髋关节连接板1上的另一端开有延伸到端部边缘的凹槽，伸展/弯曲关节5上端穿过凹槽后通过位于凹槽上方的铰接轴与髋关节连接板1铰接。
本发明以人体右髋关节以及外骨骼机器人右髋关节为例，进行说明。
液压缸2的行程由根据人体伸展/弯曲关节5的运动极限角度设计的；髋关节连接板1、连接耳片A3、连接耳片B4和伸展/弯曲关节5构成了平面四杆机构，对此平面四杆机构进行三角分解和解三角形，得到髋关节伸展/弯曲运动角度与液压缸2伸长长度的函数关系；人体伸展/弯曲关节5的极限运动角度为150/20°，所以设计液压缸的行程为0-118mm，在液压缸2活塞杆处于行程起点和终点两处位置，正好限制了人体伸展/弯曲关节的两个极限角度。
如图3所示，伸展/弯曲关节5下表面为两侧厚度不相同的凸台结构，每侧厚度是根据人体外展/内收关节6的运动极限角度设计的，人体外展/内收关节的极限运动角度为45/30°，设计伸展/弯曲关节5下表面凸起部分在自由状态(髋关节外展/内收的角度为0°)时，距离外展/内收关节上表面的距离为6.5mm，且比凹下去部分厚3.5mm。如图5、6所示，外展/内收关节6在绕伸展/弯曲关节5的孔摆动时，会被凸台结构的上下表面抵住，从而达到限位的效果。
如图2和图4所示，限位销8及与限位销8过盈配合的销孔在外展/内收关节6上的位置是根据人体旋内/旋外关节7设计的，人体旋内/旋外关节的极限运动角度为30/50°，所以设计限位销的位置坐标为(-7.8，-7.03)mm，直径为5mm。旋内/旋外关节7插入外展/内收关节6内部的孔并在其中旋转，旋内/旋外关节7上部缺口扇形与被限位销限制其旋转角度，从而达到限位的效果。
根据人体左右两侧运动的对称性，其中关于外展/内收关节6和旋内/旋外关节7的结构和限位布置均为左右对称，外骨骼机器人左侧髋关节与右侧髋关节对称布置。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。