一種適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,該裝置采用液壓缸驅(qū)動膝關(guān)節(jié),提高了外骨骼輔助支撐機(jī)器人的響應(yīng)速度和承載能力;腰部通過伸縮桿與大腿連接,小腿通過伸縮桿與足部連接。液壓缸的一端通過支架、銷軸和關(guān)節(jié)軸承與大腿相連,活塞桿端通過液壓缸連接件與小腿相連,膝關(guān)節(jié)是大腿和小腿的連接部件,傳感器用于測量膝關(guān)節(jié)角位移,實現(xiàn)外骨骼跟隨人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制。本發(fā)明設(shè)計的機(jī)器人只有膝關(guān)節(jié)受控于液壓缸,其余關(guān)節(jié)都是用于適應(yīng)人體腿關(guān)節(jié)運(yùn)動的要求,包括安裝傳感器的髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和足底結(jié)構(gòu),還包括腰部的側(cè)擺、大腿的球關(guān)節(jié)等。本發(fā)明機(jī)器人為模擬人體結(jié)構(gòu)特點,適合人體穿戴,保持運(yùn)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單,能夠幫助使用者支撐負(fù)載重量。
【專利說明】一種適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計屬于服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域,涉及下肢外骨骼機(jī)器人對于人體下肢的輔助支撐和康復(fù)訓(xùn)練。
【背景技術(shù)】
[0002]人類的雙腿提供了負(fù)重和運(yùn)輸平臺,尤其在不適合輪式運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境下,雙足顯示出很強(qiáng)的機(jī)動性。負(fù)重是人類生活所要面對的最普遍的問題之一。
[0003]對于士兵,消防員和救災(zāi)隊員來說,有效載荷占其總體重的一大部分,而承擔(dān)這些載荷既無法避免又是他們的職責(zé)所在。攜帶過重的負(fù)擔(dān)不僅僅讓人感到疲勞,同時也存在潛在的精神上和肉體上的傷害。為了減輕這種負(fù)擔(dān),下肢輔助支撐外骨骼機(jī)械設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。
[0004]在軍事上,眾多先進(jìn)裝備提升了士兵對戰(zhàn)場的感知能力和打擊精度,但是攜帶如此多的裝備往往令士兵疲憊不堪,很難堅持長時間獨(dú)立作戰(zhàn)。
[0005]在民用上,我國森林、山路、階梯路面、海岸線及溝壑之路面頗多,這種路面車輛難以正常運(yùn)行,許多急需的物資只能靠人力運(yùn)輸,而人類的體力卻無法與車輛的承載能力相t匕,我國512大地震就發(fā)生在四川這個地形復(fù)雜的區(qū)域,當(dāng)時很多重災(zāi)區(qū)地處險境,救災(zāi)物資的運(yùn)輸只能通過人力解決,若采用下肢輔助支撐外骨骼機(jī)械設(shè)備,則可通過提高人的承載能力,提升救災(zāi)物資運(yùn)抵及災(zāi)后的重建的速度。
[0006]我國正在步入老齡化,患心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多,且因交通事故而造成神經(jīng)性損傷或者肢體損傷的人數(shù)也越來越多,這類患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外,正確的、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對于肢體運(yùn)動功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用。而下肢輔助支撐外骨骼機(jī)械設(shè)備也可成為下肢失調(diào)者的訓(xùn)練器及輔助行走裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,在確保腰部、腿部、踝部和足部等部位運(yùn)行的靈活,使人穿戴外骨骼輔助支撐機(jī)器人時運(yùn)動不受阻礙,同時提供了腰部、腿部、足部運(yùn)動時的運(yùn)動參數(shù),以利于對外骨骼輔助支撐機(jī)器人的有效控制;本發(fā)明設(shè)計的外骨骼輔助支撐機(jī)器人為模擬人體結(jié)構(gòu)特點,適合人體穿戴,與人體結(jié)合良好,運(yùn)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單,能夠幫助使用者支撐負(fù)載重量,是一種使用可靠、結(jié)構(gòu)新穎的輔助支撐設(shè)備。
[0008]對于腰部結(jié)構(gòu),在確保人穿戴后,外骨骼輔助支撐機(jī)器人的腰部與髖關(guān)節(jié)運(yùn)行的靈活,使人穿戴時腰部與髖關(guān)節(jié)不受阻礙,同時適應(yīng)不同人體對外骨骼輔助支撐機(jī)器人的要求,即需要腰部寬度可以調(diào)節(jié),大腿的長度可以調(diào)節(jié),還能進(jìn)行測量髖關(guān)節(jié)角位移。
[0009]對于腿部結(jié)構(gòu),在確保人穿戴后,膝關(guān)節(jié)與人同步運(yùn)動,膝關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動,減小了膝關(guān)節(jié)驅(qū)動元件尺寸,有利于機(jī)器人整體性能的提高。
[0010]對于足部結(jié)構(gòu),確保踝關(guān)節(jié)和足部運(yùn)行的靈活,使人穿戴后不受阻礙,同時能夠測量踝關(guān)節(jié)角位移和足底的壓力。
[0011]本發(fā)明是一種適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,該裝置采用液壓缸驅(qū)動膝關(guān)節(jié),提高了外骨骼輔助支撐機(jī)器人的響應(yīng)速度和承載能力;腰部通過伸縮桿與大腿連接,實現(xiàn)大腿長度的調(diào)節(jié),滿足不同身高的需要,液壓缸的一端通過支架、銷軸和關(guān)節(jié)軸承與大腿相連,活塞桿端通過液壓缸連接件與小腿相連,實現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動,膝關(guān)節(jié)是大腿和小腿的連接部件,傳感器用于測量膝關(guān)節(jié)角位移,實現(xiàn)外骨骼跟隨人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制。小腿通過伸縮桿與足部連接,以調(diào)整小腿長度,滿足不同高度人們的需要。本發(fā)明設(shè)計的機(jī)器人只有膝關(guān)節(jié)受控于液壓缸,其余關(guān)節(jié)都是用于適應(yīng)人體腿關(guān)節(jié)運(yùn)動的要求,包括安裝傳感器的髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和足底結(jié)構(gòu),還包括腰部的側(cè)擺、大腿的球關(guān)節(jié)等。本發(fā)明機(jī)器人為模擬人體結(jié)構(gòu)特點,適合人體穿戴,保持運(yùn)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單,能夠幫助使用者支撐負(fù)載重量。
[0012]本發(fā)明外骨骼輔助支撐機(jī)器人的優(yōu)點在于:
[0013]①本發(fā)明外骨骼輔助支撐機(jī)器人為模擬人體結(jié)構(gòu)特點的左右對稱結(jié)構(gòu),適合人體穿戴,與人體結(jié)合良好,運(yùn)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單,能夠幫助使用者支撐負(fù)載重量,是一種使用可靠、結(jié)構(gòu)新穎的輔助支撐設(shè)備。
[0014]②腰部的寬度調(diào)節(jié),由于人的個體差異,有胖瘦、高矮之分,每個人的腰圍都不同,在外骨骼機(jī)器人設(shè)計時,設(shè)計了寬度調(diào)整裝置很好實現(xiàn)了人體腰部寬度的調(diào)節(jié)。
[0015]③腰部的高度調(diào)節(jié),伸縮桿的設(shè)計,用于對大腿長度進(jìn)行調(diào)節(jié),由于每個人大腿長度一定,因此該伸縮桿長度調(diào)節(jié)后,采用固連的方法,將大腿長度固定。
[0016]④腰部設(shè)計的彎板和大腿的轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu),模擬人體髖關(guān)節(jié)的前后擺動,通過角位移傳感器可以實時測量大腿的前后擺動角度,大腿設(shè)置了球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),用于模擬人體髖關(guān)節(jié)的全方向擺動。`[0017]⑤膝關(guān)節(jié)采用液壓缸驅(qū)動,以控制膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動,實現(xiàn)對人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的跟隨,通過足底壓力的檢測,實現(xiàn)人體運(yùn)動意圖的描述,以利于對外骨骼機(jī)器人的預(yù)測控制。由于膝關(guān)節(jié)采用液壓缸驅(qū)動,提高了機(jī)器人的承載能力,為外骨骼機(jī)器人的研究奠定基礎(chǔ)。
[0018]⑥踝關(guān)節(jié)的胡克鉸結(jié)構(gòu),實現(xiàn)人體腳踝的前后和左右擺動,并通過角位移傳感器可以實時測量腳踝的前后擺動角度;腳掌的壓力測量裝置:腳掌具有能夠活動部分前后腳掌及鞋墊,形成了獨(dú)特的人體足部模擬結(jié)構(gòu),腳掌的活動部分固定在鞋墊上,實現(xiàn)鞋墊的跟隨運(yùn)動,通過設(shè)置3個壓力傳感器,實現(xiàn)人體足部壓力的測量,實現(xiàn)人體行走意圖的準(zhǔn)確判斷,為外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的正視結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖1A是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的一視角結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖1B是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的另一視角結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的左右腿組件的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖2A是本發(fā)明左右腿組件中的液壓驅(qū)動部分的分解圖。
[0024]圖2B是本發(fā)明左右腿組件中的膝關(guān)節(jié)與大小腿的分解圖。
[0025]圖2C是本發(fā)明左腿部組件中的左大腿伸縮桿的結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖2D是本發(fā)明左腿部組件中的右大腿伸縮桿的結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2E是本發(fā)明左腿部組件中的左大腿的結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖2F是本發(fā)明左腿部組件中的左大腿的另一視角結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖2G是本發(fā)明左腿部組件中的右大腿的結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖2H是本發(fā)明左腿部組件中的右大腿的另一視角結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖21是本發(fā)明左腿部組件中的左小腿的結(jié)構(gòu)圖。
[0032]圖2J是本發(fā)明左腿部組件中的右小腿的結(jié)構(gòu)圖。
[0033]圖2K是本發(fā)明左腿部組件中的右小腿的另一視角結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖2L是本發(fā)明左腿部組件中的左小腿的另一視角結(jié)構(gòu)圖。
[0035]圖3是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的左右足部組件的
結(jié)構(gòu)圖。
[0036]圖3A是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的左足部組件的分解圖。
[0037]圖3B是本發(fā)明左足部組件中的左踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。
[0038]圖3C是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的左足部組件的分解圖。
[0039]圖3D是本發(fā)明右足部組件中的右踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖。
[0040]圖4是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的腰部裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0041]圖4A是本發(fā)明的具有關(guān)節(jié)參數(shù)測量的外骨骼輔助支撐機(jī)器人的腰部裝置的分解圖。
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,其特征在于:所述大小腿部裝置包括左腿部組件(2)和右腿部組件(3);左腿部組件(2)上安裝有左液壓缸(6),右腿部組件(3)上安裝有右液壓缸(7); 左腿部組件(2)包括有左大腿伸縮桿(2A)、左小腿伸縮桿(2B)、左大腿(2C)、左小腿(2D),左支架(2E)、左上銷軸(2F)、左下銷軸(2G)和左膝關(guān)節(jié),所述左膝關(guān)節(jié)由A角位移傳感器(2H)、A角接觸球軸承(2J)、B角接觸球軸承(2K)、C套筒(2L)、左膝關(guān)節(jié)軸(2M)和I軸承端蓋(2N)組成; A角位移傳感器(2H)安裝在C套筒(2L)內(nèi),且A角位移傳感器(2H)插入左膝關(guān)節(jié)軸(2M)中;左膝關(guān)節(jié)軸(2M)的一端套接有A角接觸球軸承(2J),左膝關(guān)節(jié)軸2M的另一端套接有B角接觸球軸承(2K);左膝關(guān)節(jié)軸(2M)安裝在左大腿(2C)的下接頭(2C4)的AA通孔(2C5)中;B角接觸球軸承(2K)安裝在AE凸耳(2D1)上的A軸承孔(2D9)中,且在AE凸耳(2D1)的外側(cè)板面安裝上I軸承端蓋(2N);A角接觸球軸承(2J)安裝在AF凸耳(2D2)上的B軸承孔(2D 10)中,在左小腿(2D)的B軸承孔(2D10)中先安裝上A角接觸球軸承(2J)后,再將C套筒(2L)的一端安裝在B軸承孔(2D10)中,且C套筒(2L)固定在AF凸耳(2D2)的外側(cè)板面上; 左大腿伸縮桿(2A)的一端是球鉸(2A1),左大腿伸縮桿(2A)的另一端是圓柱(2A1),圓柱(2A1)置入左大腿(2C)的大腿盲孔(2C3)內(nèi);左小腿伸縮桿(2B)的下端設(shè)有AB通孔(2B1),該AB通孔(2B1)用于左足銷釘(4B8)穿過;左小腿伸縮桿(2B)的上端置入左小腿(2D)下端的小腿盲孔(2D13)內(nèi); 左大腿(2C)的上端設(shè)有大腿盲孔(2C3),該大腿盲孔(2C3)用于放置左大腿伸縮桿2A的圓柱(2A1);左大腿(2C)的下端設(shè)有大腿下接頭(2C4),大腿下接頭(2C4)的端部設(shè)有AA通孔(2C5)和銷釘孔(2C6),AA通孔(2C5)用于左膝關(guān)節(jié)軸(2M)穿過; 左支架(2E)上設(shè)有固定板(2E1)、AC`凸耳(2E2)、AD凸耳(2E3),AC凸耳(2E2)上設(shè)有AC通孔(2E4),AD凸耳(2E3)上設(shè)有AD通孔(2E5),AC凸耳(2E2)與AD凸耳(2E3)之間是C凸耳槽(2E6),C凸耳槽(2E6)用于放置左液壓缸(6)的上活塞桿(6A),左上銷軸(2F)的一端順次穿過AD凸耳(2E3 )上的AD通孔(2E5 )、上活塞桿(6A)上的通孔、AC凸耳(2E2 )上的AC通孔(2E4)后連接一螺母; 左小腿(2D)的下端端部設(shè)有小腿盲孔(2D13),該小腿盲孔(2D13)用于放置左小腿伸縮桿(2B)的上端;左小腿(2D)上設(shè)有AE凸耳(2D1)、AF凸耳(2D2)、AG凸耳(2D3)、AH凸耳(2D4); AE凸耳(2D1)與AF凸耳(2D2)之間是A凸耳槽(2D7),該A凸耳槽(2D7)用于放置左大腿(2C)的下接頭(2C4) ;AE凸耳(2D1)上設(shè)有A軸承孔(2D9),該A軸承孔(2D9)用于放置B角接觸球軸承(2K);AF凸耳92D2)上設(shè)有B軸承孔(2D10),該B軸承孔(2D10)用于放置A角接觸球軸承(2J); AG凸耳(2D3)與AH凸耳(2D4)之間是B凸耳槽(2D8),AG凸耳(2D3)上設(shè)有AE通孔(2D11),AH凸耳(2D4)上設(shè)有AF通孔(2D12);該B凸耳槽(2D8)用于放置左液壓缸(6)的下活塞桿(6B),左下銷軸(2G)的一端順著穿過AG凸耳(2D3 )上的AE通孔(2D11)、下活塞桿(6B)上的通孔、AH凸耳(2D4)上的AF通孔(2D12)后連接一螺母; 右腿部組件(3)包括有右大腿伸縮桿(3A)、右小腿伸縮桿(3B)、右大腿(3C)、右小腿(3D)、右支架(3E)、右上銷軸(3F)、右下銷軸(3G)和右膝關(guān)節(jié),所述右膝關(guān)節(jié)由B角位移傳感器(3H)、C角接觸球軸承(3J)、D角接觸球軸承(3K)、D套筒(3L)、右膝關(guān)節(jié)軸(3M)和J軸承端蓋3N組成; B角位移傳感器(3H)安裝在D套筒(3L)內(nèi),且B角位移傳感器(3H)插入右膝關(guān)節(jié)軸3M中;右膝關(guān)節(jié)軸(3M)的一端套接有C角接觸球軸承(3J),右膝關(guān)節(jié)軸(3M)的另一端套接有D角接觸球軸承(3K);右膝關(guān)節(jié)軸3M安裝在右大腿(3C)的下接頭(3C4)的BA通孔(3C5)中;D角接觸球軸承(3K )安裝在BE凸耳3D I上的A軸承孔(3D9 )中,且在BE凸耳(3D I)的外側(cè)板面安裝上H軸承端蓋(3N) ;C角接觸球軸承(3J)安裝在BF凸耳(3D2)上的B軸承孔(3D10)中,在右小腿(3D)的B軸承孔(3D10)中先安裝上C角接觸球軸承(3J)后,再將D套筒(3L)的一端安裝在B軸承孔3D10中,且D套筒(3L)固定在BF凸耳(3D2)的外側(cè)板面上,D套筒3L用于頂緊C角接觸球軸承3J,同時也用于安裝B角位移傳感器(3H); 右大腿伸縮桿(3A)的一端是球鉸(3A1),右大腿伸縮桿(3A)的另一端是圓柱(3A1),圓柱(3A1)置入右大腿(3C)的大腿盲孔(3C3)內(nèi);右小腿伸縮桿(3B)的下端設(shè)有BB通孔(3B1),該BB通孔(3B1)用于右足銷釘(5B8)穿過;右小腿伸縮桿(3B)的上端置入右小腿(3D)下端的小腿盲孔(3D13)內(nèi); 右大腿(3C)的上端設(shè)有大腿盲孔(3C3),該大腿盲孔(3C3)用于放置右大腿伸縮桿(3A)的圓柱(3A1);右大腿(3C)的下端設(shè)有大腿下接頭(3C4),大腿下接頭(3C4)的端部設(shè)有BA通孔(3C5 )和銷釘孔(3C6 ),BA通孔(3C5 )用于右膝關(guān)節(jié)軸(3M)穿過; 右支架(3E )上設(shè)有固定板(3EI)、BC凸耳(3E2 )、BD凸耳(3E3 ),BC凸耳(3E2 )上設(shè)有BC通孔(3E4),BD凸耳(3E3)上設(shè)有BD通孔(3E5),BC凸耳(3E2)與BD凸耳(3E3)之間是C凸耳槽(3E6),C凸耳槽(3E6)用于放置右液壓缸(6)的上活塞桿(6A),右上銷軸(3F)的一端順次穿過BD凸耳(3E3 )上的BD通孔(2E5 )、上活塞桿(6A)上的通孔、BC凸耳(2E2 )上的BC通孔(3E4)后連接一螺母`; 右小腿(3D)的下端端部設(shè)有小腿盲孔(3D13),該小腿盲孔(3D13)用于放置右小腿伸縮桿(3B)的上端;右小腿(3D)上設(shè)有BE凸耳(3D1)、BF凸耳(3D2)、BG凸耳(3D3)、BH凸耳(3D4); BE凸耳(3D1)與BF凸耳(3D2)之間是A凸耳槽(3D7),該A凸耳槽(3D7)用于放置右大腿(3C)的下接頭(3C4) ;BE凸耳(3D1)上設(shè)有A軸承孔(3D9),該A軸承孔(3D9)用于放置D角接觸球軸承(3K) ;BF凸耳(3D2)上設(shè)有B軸承孔(3D10),該B軸承孔(3D10)用于放置C角接觸球軸承(3J); BG凸耳(3D3)與BH凸耳(3D4)之間是B凸耳槽(3D8),BG凸耳(3D3)上設(shè)有BE通孔(3D11),BH凸耳(3D4)上設(shè)有BF通孔(3D12);該B凸耳槽(3D8)用于放置右液壓缸(6)的下活塞桿(6B),右下銷軸(3G)的一端順著穿過BG凸耳(3D3)上的BE通孔(3D11)、下活塞桿(6B)上的通孔、BH凸耳(3D4)上的BF通孔(3D12)后連接一螺母;在本發(fā)明中,通過右下銷軸(3G)實現(xiàn)右液壓缸(6)的下活塞桿(6B)與右小腿(3D)的安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,其特征在于:左腿部組件(2)與右腿部組件(3)中的膝關(guān)節(jié)采用液壓缸驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,其特征在于:左腿部組件(2)與右腿部組件(3)的上端與腰部的連接為球鉸結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于外骨骼輔助支撐機(jī)器人的具有膝關(guān)節(jié)參數(shù)測量的大小腿裝置,其特征在于:左腿部組件(2)與右腿部組件(3)的下端與足部的連接為平面虎克鉸結(jié)構(gòu)。`
【文檔編號】A61H1/02GK103860358SQ201410063123
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】唐志勇, 徐曉東, 劉棣斐, 裴忠才 申請人:北京航空航天大學(xué)