髋关节及穿戴式机器人的制作方法

本实用新型属于机械技术领域，具体地来说，是一种髋关节及穿戴式机器人。

背景技术：

随着科学技术的进步，人们在工作生活中对于辅助设备的依赖程度越来越高，以摆脱繁重的劳动压力。例如，人们经常需要搬运重物，沉重的负荷容易对搬运者的身体健康带来严重伤害，且严重制约人类的搬运能力，负载重量通常不能超过搬运者的自重。

助力装置的出现为人们带来了福音，既可避免负荷对搬运者带来的潜在损害，又可使搬运者得以搬运超过自身重量的物体，提高搬运效率。现有的助力装置多为外部设备，空间占用率高且制造成本不菲，于狭窄空间下难以应用。

随着穿戴式机器人的兴起，助力问题有了明显的解决。目前的穿戴式机器人，采用多关节的机构形式，即具有完整的上肢关节或下肢关节，以模仿人体的结构形态。多关节结构下，髋关节的结构变得十分繁复，体积庞大，欠缺结构与运动上的灵活性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种髋关节及穿戴式机器人，具有精简而紧凑的结构，并提供十分可靠的支撑助力。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种髋关节，具有：

关节本体，所述关节本体用于穿戴于用户的髋部；

凸轮机构，所述凸轮机构的凸轮可旋转地保持于所述关节本体上，所述凸轮的旋转轴沿水平方向；

直线运动部，所述直线运动部与所述凸轮机构的从动件相连，由所述凸轮驱动而直线运动地保持于所述关节本体上，所述直线运动部与所述关节本体通过弹性元件连接，所述弹性元件的轴向与所述直线运动部的直线运动方向平行。

作为上述技术方案的改进，所述直线运动部具有运动本体、滑轨及可直线运动地保持于所述滑轨上的滑块，所述运动本体分别与所述从动件、所述滑轨连接，所述滑块与所述关节本体连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述弹性元件为碟形弹簧，所述运动本体为沿轴向一端封闭的筒体，所述筒体的封闭端与所述从动件连接，所述筒体的外侧环面与所述滑轨连接，所述碟形弹簧设于所述筒体的中空部，所述碟形弹簧与所述筒体轴向平行。

作为上述技术方案的进一步改进，所述关节本体具有弹簧导轴，所述碟形弹簧套设于所述弹簧导轴上，所述弹簧导轴与所述碟形弹簧轴向平行，所述弹簧导轴设于所述关节本体接近所述筒体的开口端的一侧。

作为上述技术方案的进一步改进，所述从动件包括滚子从动件、平底从动件或尖端从动件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述髋关节还具有髋部安装部，所述髋部安装部具有安装基体及缠绕于所述安装基体上的腰带，所述安装基体与所述关节本体连接，所述腰带用于穿戴于所述用户的髋部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装基体上还具有髋部软衬。

一种穿戴式机器人，具有胸部支撑装置、以上所述的髋关节及腿部支撑装置：

所述胸部支撑装置贴合地支撑于用户的胸部，并通过第一传动杆件与所述支撑部连接；

所述腿部支撑装置贴合地支撑于用户的腿部，并通过第二传动杆件与所述髋关节连接。

作为上述技术方案的改进，所述胸部支撑装置具有用于佩戴于肩部的肩带，所述肩带连接所述胸部支撑装置与所述髋关节。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二传动杆件为弹性杆件。

本实用新型的有益效果是：

具有关节本体及设于关节本体上的凸轮机构与直线运动部，凸轮机构的凸轮用于承接源自用户上半身的负载，驱动直线运动部于关节本体上运动，直线运动部压迫设于直线运动体与关节本体之间的弹性元件，使弹性元件弹性形变而缓冲负载并反向向用户上半身输出支撑力与支撑力矩，其结构简单、零件数量屈指可数，传动精度较高而灵敏，具有显著突出的传动可靠性与结构紧凑性。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例1提供的髋关节的主体部的整体示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的髋关节的主体部的剖视示意图；

图3是本实用新型实施例1提供的髋关节的整体示意图；

图4是本实用新型实施例2提供的髋关节的主体部的剖视示意图；

图5是本实用新型实施例3提供的穿戴式机器人的结构示意图。

主要元件符号说明：

1000-穿戴式机器人，0100-髋关节，0110-关节本体，0111-弹簧导轴，0120-凸轮机构，0121-凸轮，0122-从动件，0130-直线运动部，0131-运动本体，0132-滑轨，0133-滑块，0140-弹性元件，0150-髋部安装部，0151-安装基体，0152-腰带，0153-髋部软衬，0200-胸部支撑装置，0210-第一传动杆件，0220-肩带，0300-腿部支撑装置，0310-第二传动杆件。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对髋关节及穿戴式机器人进行更全面的描述。附图中给出了髋关节及穿戴式机器人的优选实施例。但是，髋关节及穿戴式机器人可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对髋关节及穿戴式机器人的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在髋关节及穿戴式机器人的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～2，髋关节0100具有关节本体0110、凸轮机构0120与直线运动部0130，用于提供一种结构简洁紧凑、传动可靠的机械结构，对用户的髋部与上部躯体提供支撑力。髋关节0100的主要结构举其要者详述如下。

关节本体0110用于穿戴于用户的髋部，同时承载髋关节0100的各组成元件，具有足够的结构强度与稳定性。关节本体0110可采用多种结构形式，在一个示范性的实施例中，关节本体0110为内设容纳腔的壳体。容纳腔用于容纳凸轮机构0120及直线运动部0130，避免部件外露而遭受侵蚀破坏。

髋关节0100具有凸轮机构0120，用于将圆周运动转换为直线运动。凸轮机构0120包括凸轮0121与从动件0122，凸轮0121与从动件0122之间作点接触或线接触连接。其中，凸轮0121可旋转地保持于关节本体0110上，凸轮0121的旋转轴沿水平方向。

具体地，凸轮0121具有曲线轮廓，并通过传动杆件与用户的上部躯干连接。当用户弯腰时，传动杆件随之发生位置变动而驱动凸轮0121旋转。从动件0122与凸轮0121轮廓接触，受凸轮0121驱动而实现往复直线运动。其中，从动件0122的往复直线运动方向与凸轮0121的旋转轴向垂直。

一般地，从动件0122包括滚子从动件、平底从动件或尖端从动件等类型。在一个示范性的实施例中，从动件0122采用滚子从动件形式，即可旋转地保持于关节本体0110上的圆柱滚子，与凸轮0121之间作线接触连接。

直线运动部0130与凸轮机构0120的从动件0122相连，由凸轮0121驱动而直线运动地保持于关节本体0110上，直线运动部0130与关节本体0110通过弹性元件0140连接，弹性元件0140的轴向与直线运动部0130的直线运动方向平行。

具体地，直线运动部0130在凸轮0121的驱动下压迫弹性元件0140，使弹性元件0140发生弹性变形直至直线运动部0130保持静止。弹性元件0140的弹性力反向作用于直线运动部0130，并经由凸轮0121而传递于用户的上部躯干，克服重力及因重力而引起的力矩，取得力与力矩的平衡，使用户得到良好的助力支撑。

其中，直线运动部0130可采用多种结构形式实现，较常见地，直线运动部0130采用线性滑动形式。弹性元件0140具有弹性变形能力，较为常见地，包括各类弹簧。

在一个示范性的实施例中，直线运动部0130具有运动本体0131、滑轨0132及可直线运动地保持于滑轨0132上的滑块0133，运动本体0131分别与从动件0122、滑轨0132连接，滑块0133与关节本体0110连接。在另一个实施例中，运动本体0131与滑块0133连接，滑轨0132与关节本体0110连接。

具体地，关节本体0110具有容纳部，滑块0133或滑轨0132固定于容纳部的内壁面上，滑轨0132或滑块0133固定于运动本体0131的外表面上。运动本体0131通过滑轨0132与滑块0133的配合，而可直线运动地保持于容纳部内。

显见地，具有上述结构的髋关节0100，具有单一而短促的传动线路，传动件少而传动精准可靠。同时，结构件较少，有助于减小髋关节0100的整体体积，提供紧凑的结构。

进一步优选，弹性元件0140为碟形弹簧，运动本体0131为沿轴向一端封闭的筒体，筒体的封闭端与从动件0122连接，筒体的外侧环面与滑轨0132连接，碟形弹簧设于筒体的中空部，碟形弹簧与筒体轴向平行。

具体地，碟形弹簧在轴向上呈锥形截面，是一种垫圈式弹簧。碟形弹簧可堆叠组合，可以是对合、叠合的组合方式，也可采用复合不同厚度、不同片数等的组合方式，而取得实际所需的承载效果。在一个示范性的实施例中，碟形弹簧采用叠合方式，其数量越多则承载能力越强。

相应地，运动本体0131采用筒体结构，且一端封闭而另一个端开口。碟形弹簧套设于筒体内部，且其一端与筒体的封闭端内壁相连，另一端与关节本体0110相接。筒体的封闭端外壁则与从动件0122相连，用于传递载荷。

进一步优选，关节本体0110具有弹簧导轴0111，碟形弹簧套设于弹簧导轴0111上，弹簧导轴0111与碟形弹簧轴向平行，弹簧导轴0111设于关节本体0110接近筒体的开口端的一侧。具体地，碟形弹簧的外圈面向运动本体0131的内壁，内圈面向弹簧导轴0111，可弹性伸缩地保持于运动本体0131与弹簧导轴0111之间，以保证碟形弹簧的形变力方向始终如一。

在一个犹佳的实施例中，弹簧导轴0111为多个，并均匀分布于关节本体0110上。相应地，堆叠后的碟形弹簧组合与弹簧导轴0111的数量一致，并一一对应地设置于各个弹簧导轴0111上。

在碟形弹簧方式下，运动本体0131的结构尺寸得以压缩，弹性元件0140的形变行程与运动本体0131的结构重合，进一步增强髋关节0100的结构紧凑性。

请结合参阅图3，优选地，髋关节0100还具有髋部安装部0150，髋部安装部0150具有安装基体0151及缠绕于安装基体0151上的腰带0152，安装基体0151与关节本体0110连接，腰带0152用于穿戴于用户的髋部。

具体地，安装基体0151为刚体，具有足够的刚强度，是髋部安装部0150用于承载的主要基体部。腰带0152穿过安装基体0151，并缠绕于用户的髋部，使髋关节0100与用户的髋关节0100更为贴合。

进一步优选，安装基体0151上还具有髋部软衬0153。髋部软衬0153采用柔软材料或弹性材料制成，用于紧贴于用户的腰部或臀部，增大髋部安装部0150与用户躯体的连接面积，起到加强连接、减震缓冲的作用，并使用户穿戴更为舒适柔软。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，直线运动部0130的结构相对不同。

请参阅图4，直线运动部0130具有运动本体0131，运动本体0131与从动件0122连接，并可滑动地保持于关节本体0110上。关节本体0110具有一个弹簧导轴0111，弹性元件0140采用碟形弹簧形式。运动本体0131通过叠合的碟形弹簧而与弹簧导轴0111连接。碟形弹簧的外圈套设于运动本体0131内部，内圈套设于弹簧导轴0111外部。在此结构下，髋关节0100的结构更为紧凑。

实施例3

请结合参阅图5，本实施例在实施例1或2的基础上，一并介绍一种穿戴式机器人1000，用于解决用户搬运重物的助力问题，特别是弯腰搬运的负重问题。

穿戴式机器人1000具有胸部支撑装置0200、以上所述的髋关节0100及腿部支撑装置0300。其中，胸部支撑装置0200贴合地支撑于用户的胸部，并通过第一传动杆件0210与凸轮机构0120连接；腿部支撑装置0300贴合地支撑于用户的腿部，并通过第二传动杆件0310与髋关节0100连接。在一个示范性的实施例中，髋关节0100为两个，分设于人体左右两侧的髋部上。

具体地，第一传动杆件0210上端连接于胸部支撑装置0200，下端固定于髋关节0100的凸轮机构0120的上连接部上。第一传动杆件0210可于胸部支撑装置0200与凸轮机构0120之间传递动力，而使用户上部躯干的负荷传递于髋关节0100，使髋关节0100反馈提供支撑力与支撑力矩。第一传动杆件0210可以是各类杆件，在一个示范性的实施例中，第一传动杆件0210为弹性杆。与刚性杆相反，弹性杆具有一定的弯曲形变能力，提供较佳的体型适应性与调整能力。

第二传动杆件0310可于髋关节0100与腿部支撑装置0300之间传递动力，而实现下肢对髋部及上部躯干的有效支撑。第二传动杆件0310可以是各类杆件，在一个示范性的实施例中，第二传动杆件0310为刚性杆，具有较佳的结构强度与抗变形能力。第二传动杆件0310上端固定于髋关节0100的下连接部，下端连接腿部支撑装置0300而实现连接。

优选地，穿戴式机器人1000尚具有肩带0220。肩带0220佩戴于用户的肩部，并连接胸部支撑装置0200与髋关节0100。进一步，髋部安装部0150尚可具有腰带0152，腰带0152可贴合缠绕于用户的髋部，便于用户进行贴合调整。肩带0220连接胸部支撑装置0200与髋部安装部0150，髋部安装部0150为板件并设有腰带0152。于此，穿戴式机器人1000连接用户的肩部、胸部、髋部与腿部，取得身体各部分的较佳受力。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。