一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，所述腰部装置为左右对称结构，根据左右两个调块上设置的3组小孔的不同组合，实现对腰部腰围宽度的调节，通过两对夹板、两根转轴，实现调节块与腰部弯曲板的连接，实现腰部的左右摆动自由度，弯曲板通过髋关节的连接实现大腿的前后摆动，通过角位移传感器实现大腿摆动幅度的测量。屈伸杆与大腿伸缩杆的连接为球铰结构，使大腿任意方向的摆动更加灵活，适合人体穿戴，保持运动灵活、结构简单。装配有本发明腰部装置的外骨骼辅助支撑机器人能够帮助使用者支撑负载重量。
【专利说明】一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置
【技术领域】
[0001]本发明设计属于服务机器人领域，涉及下肢外骨骼机器人对于人体下肢的辅助支撑和康复训练。
【背景技术】
[0002]人类的双腿提供了负重和运输平台，尤其在不适合轮式运输的环境下，双足显示出很强的机动性。负重是人类生活所要面对的最普遍的问题之一。
[0003]对于士兵，消防员和救灾队员来说，有效载荷占其总体重的一大部分，而承担这些载荷既无法避免又是他们的职责所在。携带过重的负担不仅仅让人感到疲劳，同时也存在潜在的精神上和肉体上的伤害。为了减轻这种负担，下肢辅助支撑外骨骼机械设备应运而生。
[0004]在军事上，众多先进装备提升了士兵对战场的感知能力和打击精度，但是携带如此多的装备往往令士兵疲惫不堪，很难坚持长时间独立作战。
[0005]在民用上，我国森林、山路、阶梯路面、海岸线及沟壑之路面颇多，这种路面车辆难以正常运行，许多急需的物资只能靠人力运输，而人类的体力却无法与车辆的承载能力相t匕，我国512大地震就发生在四川这个地形复杂的区域，当时很多重灾区地处险境，救灾物资的运输只能通过人力解决，若采用下肢辅助支撑外骨骼机械设备，则可通过提高人的承载能力，提升救灾物资运抵及灾后的重建的速度。
[0006]我国正在步入老龄化，患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，且因交通事故而造成神经性损伤或者肢体损伤的人数也越来越多，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。而下肢辅助支撑外骨骼机械设备也可成为下肢失调者的训练器及辅助行走装置。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，在确保腰部、腿部、踝部和足部等部位运行的灵活，使人穿戴外骨骼辅助支撑机器人时运动不受阻碍，同时提供了腰部、腿部、足部运动时的运动参数，以利于对外骨骼辅助支撑机器人的有效控制；本发明设计的外骨骼辅助支撑机器人为模拟人体结构特点，适合人体穿戴，与人体结合良好，运动灵活、结构简单，能够帮助使用者支撑负载重量，是一种使用可靠、结构新颖的辅助支撑设备。 [0008]对于腰部结构，在确保人穿戴后，外骨骼辅助支撑机器人的腰部与髋关节运行的灵活，使人穿戴时腰部与髋关节不受阻碍，同时适应不同人体对外骨骼辅助支撑机器人的要求，即需要腰部宽度可以调节，大腿的长度可以调节，还能进行测量髋关节角位移。
[0009]对于腿部结构，在确保人穿戴后，膝关节与人同步运动，膝关节采用液压驱动，减小了膝关节驱动元件尺寸，有利于机器人整体性能的提高。
[0010]对于足部结构，确保踝关节和足部运行的灵活，使人穿戴后不受阻碍，同时能够测量踝关节角位移和足底的压力。
[0011]本发明是一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，所述腰部装置为左右对称结构，根据左右两个调块上设置的3组小孔的不同组合，实现对腰部腰围宽度的调节，通过两对夹板、两根转轴，实现调节块与腰部弯曲板的连接，实现腰部的左右摆动自由度，弯曲板通过髋关节的连接实现大腿的前后摆动，通过角位移传感器实现大腿摆动幅度的测量。屈伸杆与大腿伸缩杆的连接为球铰结构，使大腿任意方向的摆动更加灵活，适合人体穿戴，保持运动灵活、结构简单。装配有本发明腰部装置的外骨骼辅助支撑机器人能够帮助使用者支撑负载重量。
[0012]本发明外骨骼辅助支撑机器人的优点在于:
[0013]①本发明外骨骼辅助支撑机器人为模拟人体结构特点的左右对称结构，适合人体穿戴，与人体结合良好，运动灵活、结构简单，能够帮助使用者支撑负载重量，是一种使用可靠、结构新颖的辅助支撑设备。
[0014]②腰部的宽度调节，由于人的个体差异，有胖瘦、高矮之分，每个人的腰围都不同，在外骨骼机器人设计时，设计了宽度调整装置很好实现了人体腰部宽度的调节。
[0015]③腰部的高度调节，伸缩杆的设计，用于对大腿长度进行调节，由于每个人大腿长度一定，因此该伸缩杆长度调节后，采用固连的方法，将大腿长度固定。
[0016]④腰部设计的弯板和大腿的转动副结构，模拟人体髋关节的前后摆动，通过角位移传感器可以实时测量大腿的前后摆动角度，大腿设置了球关节结构，用于模拟人体髋关节的全方向摆动。
[0017]⑤膝关节采用液压缸驱动，以控制膝关节的运动，实现对人体膝关节运动的跟随，通过足底压力的检测，实现人体运动意图的描述，以利于对外骨骼机器人的预测控制。由于膝关节采用液压缸驱动，提高了机器人的承载能力，为外骨骼机器人的研究奠定基础。
[0018]⑥踝关节的胡克铰结构，实现人体脚踝的前后和左右摆动，并通过角位移传感器可以实时测量脚踝的前后摆动角度；脚掌的压力测量装置:脚掌具有能够活动部分前后脚掌及鞋垫，形成了独特的人体足部模拟结构，脚掌的活动部分固定在鞋垫上，实现鞋垫的跟随运动，通过设置3个压力传感器，实现人体足部压力的测量，实现人体行走意图的准确判断，为外骨骼机器人的控制系统实现提供技术支撑。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的正视结构图。
[0020]图1A是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的一视角结构图。
[0021]图1B是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的另一视角结构图。
[0022]图2是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的左右腿组件的结构图。
[0023]图2A是本发明左右腿组件中的液压驱动部分的分解图。
[0024]图2B是本发明左右腿组件中的膝关节与大小腿的分解图。[0025]图2C是本发明左腿部组件中的左大腿伸缩杆的结构图。
[0026]图2D是本发明左腿部组件中的右大腿伸缩杆的结构图。
[0027]图2E是本发明左腿部组件中的左大腿的结构图。
[0028]图2F是本发明左腿部组件中的左大腿的另一视角结构图。
[0029]图2G是本发明左腿部组件中的右大腿的结构图。
[0030]图2H是本发明左腿部组件中的右大腿的另一视角结构图。
[0031]图21是本发明左腿部组件中的左小腿的结构图。
[0032]图2J是本发明左腿部组件中的右小腿的结构图。
[0033]图2K是本发明左腿部组件中的右小腿的另一视角结构图。
[0034]图2L是本发明左腿部组件中的左小腿的另一视角结构图。
[0035]图3是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的左右足部组件的结构图。
[0036]图3A是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的左足部组件的分解图。
[0037]图3B是本发明左足部组件中的左踝关节的结构图。
[0038]图3C是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的左足部组件的分解图。
[0039]图3D是本发明右足部组件中的右踝关节的结构图。
[0040]图4是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的腰部装置的结构图。
[0041]图4A是本发明的具有关节参数测量的外骨骼辅助支撑机器人的腰部装置的分解图。
[0042]
【权利要求】
1.一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，其特征在于:腰部装置(I)包括有左调节块(1A)、右调节块(1B)、左弯曲板(1C)、右弯曲板(1D)、左屈伸杆(1E)、右屈伸杆(IF)、A夹块(1G)、B夹块(1H)、C夹块(1J)、D夹块(1K)、左限位块(10、左扣(110、右限位块(謂)、右扣(1?)、左髋关节(10)、右髋关节(110、第一转轴(15)、第二转轴(1T)、M角接触球轴承(1U)、N角接触球轴承(IV)、O角接触球轴承(Iff),P角接触球轴承(IY)； 左髋关节(1Q)包括有E角位移传感器(IQl )、E套筒(1Q2)、Q角接触球轴承(1Q3)、第三转轴(1Q4)、R角接触球轴承(1Q5)、G端盖(1Q6);第三转轴(1Q4)置于左弯曲板(IC)的EC凸耳槽(1C4)中，且第三转轴(1Q4)上套接有左屈伸杆(1E)，第三转轴(1Q4)与左屈伸杆(1E)采用销钉固定安装，第三转轴(1Q4)的一端套接有Q角接触球轴承(1Q3)，第三转轴(1Q4)的另一端套接有R角接触球轴承(1Q5)。Q角接触球轴承(1Q3)安装在左弯曲板(1C)的EA轴承孔(1C5)中，且在EE凸耳(1C2)的外侧板面上安装E套筒(1Q2)。R角接触球轴承(1Q5)安装在左弯曲板(IC)的EB轴承孔(1C6)中，且在EF凸耳(1C3)的外侧板面上安装G端盖(1Q6)。E角位移传感器(IQl)的一端安装在第三转轴(1Q4)上； 右髋关节(IR)包括有F角位移传感器(IRl)、F套筒(1R2)、S角接触球轴承(1R3)、第四转轴(1R4)、T角接触球轴承(1R5)、H端盖(1R6);第四转轴(1R4)置于右弯曲板(ID)的ED凸耳槽(1D4)中，且第四转轴(1R4)上套接有右屈伸杆(1F)，第四转轴(1R4)与右屈伸杆(1F)采用销钉固定安装，第四转轴(1R4)的一端套接有S角接触球轴承(1R3)，第四转轴(1R4)的另一端套接有T角接触球轴承(1R5) ；S角接触球轴承(1R3)安装在右弯曲板(ID)的EC轴承孔(1D5)中，且在EG凸耳(1D2)的外侧板面上安装F套筒(1R2)。T角接触球轴承(1R5)安装在右弯曲板(ID)的ED轴承孔(1D6)中，且在凸耳(1D3)的外侧板面上安装H端盖(1R6)。F角位移传感器(IRl)的一端安装在第四转轴(1R4)上；
左调节块(IA)上设有接头(IAl )、EA凸耳(1A2)、EB凸耳(1A3)，EA凸耳(1A2)与EB凸耳(1A3)之间是EA凸耳槽(1A4)。接头(IAl)安装在A夹块(1G)与B夹块(1H)之间，且分别与A夹块(IG)与B夹块(IH)固定。EA凸耳槽(1A4)用于置入右调节块IB的ED凸耳(1B3)； 右调节块(IB)上设有接头(1B1)、EC凸耳(1B2)、ED凸耳(1B3)，EC凸耳(1B2)与ED凸耳(1B3)之间是EB凸耳槽(1B4)。接头(IBl)安装在C夹块(1J)与D夹块(1K)之间，且分别与C夹块(IJ)与D夹块(IK)固定。EB凸耳槽(1B4)用于置入左调节块(IA)的EA凸耳(1A2)； 左弯曲板(IC)的一端设有A通孔(1C1)，该A通孔(ICl)用于放置第一转轴(1S);左弯曲板(IC)的另一端设有EE凸耳(1C2)、EF凸耳(1C3)，EE凸耳(1C2)与EF凸耳(1C3)之间是EC凸耳槽(1C4)，EE凸耳(1C2)上设有EA轴承孔(1C5)，EF凸耳(1C3)上设有EB轴承孔(1C6)。 EC凸耳槽(1C4)用于放置左屈伸杆(IE)的上端，左屈伸杆(IE)的下端设有C球窝(1E3)，该C球窝(1E3)用于放置左大腿伸缩杆(2A)的球铰端(2A2)； EA轴承孔(1C5 )用于放置Q角接触球轴承(1Q3 )，且Q角接触球轴承(1Q3 )的外圈与EA轴承孔(1C5)紧配合，Q角接触球轴承(1Q3)的内圈套接在第三转轴(1Q4)的一端，第三转轴(1Q4)上安装有左屈伸杆(IE)的上端。EB轴承孔(1C6)用于放置R角接触球轴承(1Q5)，且R角接触球轴承(1Q5)的外圈与EB轴承孔(1C6)紧配合，R角接触球轴承(1Q5)的内圈套接在第三转轴(1Q4)的另一端，第三转轴(1Q4)上安装有左屈伸杆(IE)的上端。 右弯曲板(ID)的一端设有B通孔(1D1)，该B通孔(IDl)用于放置第二转轴(1T);右弯曲板(ID)的另一端设有EG凸耳(1D2)、EH凸耳(1D3)，EG凸耳(1D2)与凸耳(1D3)之间是ED凸耳槽(1D4)，EG凸耳(1D2)上设有EC轴承孔(1D5)，凸耳(1D3)上设有ED轴承孔(1D6)。 ED凸耳槽(1D4)用于放置右屈伸杆(IF)的上端，右屈伸杆(IF)的下端设有D球窝(1F3)，该D球窝(1F3)用于放置右大腿伸缩杆(3A)的球铰端(3A2)； EC轴承孔(1D5)用于放置S角接触球轴承(1R3)，且S角接触球轴承(1R3)的外圈与EC轴承孔(1D5)紧配合，S角接触球轴承(1R3)的内圈套接在第四转轴(1R4)的一端，第四转轴(1R4)上安装有右屈伸杆(IF)的上端。 ED轴承孔(1D6)用于放置T角接触球轴承(1R5)，且T角接触球轴承(1R5)的外圈与ED轴承孔(1D6)紧配合，T角接触球轴承(1R5)的内圈套接在第四转轴(1R4)的另一端，第四转轴(1R4)上安装有右屈伸杆(IF)的上端。 A夹块(1G)、B夹块(1H)、C夹块(IJ)和D夹块(IK)的结构相同。 A夹块(IG)上设有轴承盲孔，该轴承盲孔内安装有M角接触球轴承(IU)。A夹块(IG)的外侧板面上安装有左扣(1M)； B夹块(1H)上设有H轴承盲孔(IHl )，该H轴承盲孔(IHl)内安装有N角接触球轴承(IV)0 C夹块(1J)上设有轴承盲孔，该轴承盲孔内安装有O角接触球轴承(1W)。C夹块(1J)的外侧板面上安装有右扣(1P)。 D夹块(1K)上设有K轴承盲孔(IKl )，该K轴承盲孔(IKl)内安装有P角接触球轴承(IY)0 第一转轴(is)的一端套接有M角接触球轴承(IU)，第一转轴(IS)的另一端套接有N角接触球轴承(IV)。 第二转轴(1T)的一端套接有O角接触球轴承(1W)，第二转轴(1T)的另一端套接有P角接触球轴承(IY)。 A夹块(1G)与B夹块(1H)相对放置，且在上端夹持安装左限位块(1L)。C夹块(IJ)与D夹块(1K)相对放置，且在上端夹持安装右限位块(IN)。
2.根据权利要求1所述的适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，其特征在于:调节块与腰部弯曲板的连接实现腰部的左右自由度摆动。
3.根据权利要求1所述的适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，其特征在于:弯曲板通过髋关 节的连接实现大腿的前后自由度摆动。
4.根据权利要求1所述的适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有髋关节参数测量的腰部装置，其特征在于:屈伸杆与大腿伸缩杆的连接为球铰结构。
【文档编号】A61H1/02GK103908392SQ201410063545
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】唐志勇, 徐晓东, 刘棣斐, 裴忠才 申请人:北京航空航天大学