一种可调增力比的外骨骼机器人膝关节的制作方法

本发明涉及到一种外骨骼机器人膝关节，尤其涉及一种可调增力比的外骨骼机器人膝关节。

背景技术：

膝关节作为人体下肢重要的关节之一，需要承载整个躯干的重量，它的健康状况直接影响到人体下肢的正常运动。所以，外骨骼机器人膝关节的设计是外骨骼机器人实现人体行为增强的关键之一。

目前，外骨骼助力机器人膝关节大多数采用半拟人化的结构设计，例如针对人体的膝关节运动采用简化的定轴转动副，外骨骼的大腿，小腿和液压缸组成一个三铰点连杆机构。这种机构虽然布局比较简单，但是需要较大的行程才能满足穿戴者关节的活动角度，所以其体积大、质量大，需要液压缸输入的压力大，并且增力比（助力比）不能根据工况改变，导致功耗大。再者，市面上的外骨骼机器人的膝关节没有充分地考虑穿戴者的适用性和安全性，有时候只顾及其中一方面。

技术实现要素：

针对背景技术中结构的不足，本发明的目的是提供一种可调增力比的外骨骼机器人膝关节，通过改变平面四杆增力机构中摇杆的长度，来改变外骨骼机器人膝关节的增力比，降低外骨骼机器人的功耗，同时其结构配合简单，同时考虑了穿戴者的适用性和安全性。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括大腿杆、液压缸、第一连接件、第二连接件、小腿伸长杆和小腿套筒杆；大腿杆下部与第一连接件的一端铰接，第一连接件的另一端与第二连接件的一端铰接，第二连接件的另一端与小腿伸长杆上部侧面板孔铰接，大腿杆下端与小腿伸长杆上端铰接，构成平面四杆增力机构；液压缸底部与位于第一连接件上面的大腿杆铰接，液压缸伸出杆与第一连接件中部铰接；小腿伸长杆下部插入小腿套筒杆孔中，并与小腿套筒杆构成滑动副，在小腿伸长杆与小腿套筒杆相配合部分分别装有静光栅与动光栅，静光栅与动光栅构成光栅式位移传感器；小腿伸长杆在小腿套筒杆孔内轴向移动，调整小腿长度后固定，小腿伸长杆上装有显示屏。

所述大腿杆下端与小腿伸长杆上端铰接处的小腿伸长杆上端侧面，焊有能限制膝关节在极限位置的运动的限位块。

所述第一连接件为弧形连接件。

所述小腿伸长杆上部侧面板上开有多个孔，第二连接件的另一端能与侧面板上任意一个孔铰接。

所述限位块为直角三角形限位块。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明通过在不同工况下，第二连接件与小腿伸长杆的不同孔铰接，相当于改变平面四杆增力机构中摇杆的长度，来改变外骨骼机器人膝关节的增力比，从而减少外骨骼机器人的功耗。

2)小腿伸长杆上的限位块，能限制在小腿极限位置的运动，避免外骨骼对穿戴者造成损伤。

3)本发明通过调整小腿伸长杆与小腿套筒杆的长度，并通过伸长杆上的显示屏告知穿戴者，提高了穿戴者的适用性。

4)本发明的平面四杆机构、限位块和锁紧机构结构紧凑，配合简单，体积小、重量轻，便于外骨骼机器人控制系统的控制，满足穿戴者的基本使用需求，适合用于医疗康复、单兵作战、抢险救灾等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是小腿伸长杆结构示意图。

图3是膝关节极限位置示意图。

图中：1、大腿杆，2、液压缸，3、第一连接件，4、第二连接件，5、小腿伸长杆，6、小腿套筒杆，501、限位块，502、圆孔，503、显示屏，504、长度限位块。

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，本发明包括包括大腿杆1、液压缸2、第一连接件3、第二连接件4、小腿伸长杆5和小腿套筒杆6；

大腿杆1下部与第一连接件3的一端铰接，第一连接件3的另一端与第二连接件4的一端铰接，第二连接件4的另一端与小腿伸长杆5上部侧面板孔铰接，大腿杆1下端与小腿伸长杆5上端铰接，构成平面四杆增力机构；液压缸2底部与位于第一连接件3上面的大腿杆1铰接，液压缸2伸出杆与第一连接件3中部铰接；小腿伸长杆5下部插入小腿套筒杆6孔中，并与小腿套筒杆6构成滑动副，在小腿伸长杆5与小腿套筒杆6相配合部分分别装有静光栅与动光栅，静光栅与动光栅构成光栅式位移传感器；小腿伸长杆5在小腿套筒杆6孔内轴向移动，调整小腿长度，适用于不同腿长的穿戴者；小腿伸长杆5上装有显示屏503；通过小腿伸长杆5上的长度限位块504限制小腿伸长杆5插入小腿套筒杆6长度过大，防止破坏显示屏503；通过拧紧小腿套筒杆6上部侧面板上的两颗螺栓锁定小腿伸长杆5和小腿套筒杆6。

如图3所示，所述大腿杆1下端与小腿伸长杆5上端铰接处的小腿伸长杆5上端侧面，焊有能限制膝关节在极限位置的运动的限位块501。

如图3所示，所述第一连接件3为弧形连接件，避免在极限位置处与大腿杆1和小腿伸长杆5发生干涉。

如图1和图2所示，所述小腿伸长杆5上部侧面板上，沿轴向排列开有多个圆孔502，第二连接件4的另一端根据所需的工况，能与侧面板上任意一个孔铰接，相当于改变四杆机构中摇杆长度，从而改变增力比，达到增力比与工况的匹配，从而降低功耗。

如图3所示，所述限位块501为直角三角形限位块或根据设计要求设定任意角度的三角形限位块。在膝关节处于极限位置（大腿杆1与小腿伸长杆5成90°角）时，限位块501与大腿杆1接触，避免外骨骼机器人的过度屈曲对穿戴者造成损伤，提高了外骨骼机器人的安全性。

如图2所示，小腿伸长杆5安装有显示屏503，将光栅式位移传感器采集到的长度值记录并告知外骨骼机器人穿戴者，避免在下次穿戴使用时重复调试长度，提高了穿戴者的适用性。

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。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种可调增力比的外骨骼机器人膝关节，包括大腿杆、液压缸、第一连接件、第二连接件、小腿伸长杆和小腿套筒杆。大腿杆、第一连接件、第二连接件和小腿伸长杆通过铰接，构成平面四杆增力机构；其中第二连接件根据所需的工况，与小腿伸长杆上不同的孔连接，相当于改变四杆机构中摇杆长度，从而改变增力比。小腿伸长杆插入小腿套筒杆孔中形成滑动副，并装有光栅式位移传感器，能伸缩调整长度并通过伸长杆上的显示屏告知穿戴者；通过拧紧小腿套筒杆上的螺栓锁紧伸长杆与套筒杆。小腿伸长杆上的限位块，能限制在极限位置的运动，避免外骨骼对穿戴者造成损伤。本发明通过简单的机构和配合，实现大助力比和提高穿戴者的适用性和安全性。

技术研发人员：欧阳小平;黄梓亮;陈鸿
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.06.01
技术公布日：2017.10.13