本發(fā)明涉及一種人體穿戴髖關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)，是一種具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解耦的三自由度旋轉(zhuǎn)。

背景技術(shù)：

隨著中國(guó)社會(huì)老齡化的加劇、人類疾病以及意外事故的問(wèn)題，人的運(yùn)動(dòng)受到影響，可穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)可以對(duì)人體康復(fù)以及輔助運(yùn)動(dòng)提供幫助?？纱┐魇街υO(shè)備以及康復(fù)設(shè)備的應(yīng)用尤為受到重視。

人體髖關(guān)節(jié)作為一種重要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在損傷后或者無(wú)法提供足夠力量時(shí)，將極大影響人的正常行動(dòng)。因?yàn)槿梭w髖關(guān)節(jié)具有三自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且串聯(lián)機(jī)構(gòu)剛性較差，無(wú)法繞人體髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明將針對(duì)該種運(yùn)動(dòng)提供一種純旋轉(zhuǎn)的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，使用三個(gè)約束三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的多連桿機(jī)構(gòu)作為主支鏈，該支鏈具有約束支鏈與驅(qū)動(dòng)支鏈雙重功能，另設(shè)計(jì)有兩條支鏈作為無(wú)約束的驅(qū)動(dòng)支鏈，該機(jī)構(gòu)由此三個(gè)驅(qū)動(dòng)與三自由度約束可實(shí)現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備繞髖關(guān)節(jié)進(jìn)行三自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，包括一條主支鏈與兩條輔助驅(qū)動(dòng)支鏈、腰部托架、腿部托架、腰部連接架與腿部連接架。

所述主支鏈包含兩套相對(duì)于y軸對(duì)稱的平行四桿結(jié)構(gòu)；y軸正向同人體右向；兩套平行四桿結(jié)構(gòu)相對(duì)的頂點(diǎn)鉸接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；同時(shí)遠(yuǎn)離y軸的一條連桿分別作為腰部連桿與腿部連桿；腰部連桿與腿部連桿分別用來(lái)連接腰部托架與腿部托架。腰部連桿與腿部連桿軸線交于一點(diǎn)，作為主支鏈的旋轉(zhuǎn)中心，位于沿人體前后方向設(shè)定的一條虛擬轉(zhuǎn)軸上。

上述主支鏈中，腰部連桿與腿部連桿的輸出端上通過(guò)軸承分別套接有腰部連接頭與腿部連接頭；結(jié)合主支鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使主支鏈具有豎直方向的移動(dòng)自由度腰部連桿與腿部連桿、軸線的繞旋轉(zhuǎn)自由度。上述腰部連接頭和腿部連接頭側(cè)壁分別通過(guò)腰部連接架5和腿部連接架，與腰部托架和腿部托架連接固定；腰部連接架與腿部連接架均由相互鉸接且鉸接軸平行于y軸的支架構(gòu)成；由此使主支鏈具有平行于四桿結(jié)構(gòu)各轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；最終可實(shí)現(xiàn)主支鏈的虛擬轉(zhuǎn)軸空間位置調(diào)整。

所述兩個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)支鏈分別位于人體前部與后部；輔助驅(qū)動(dòng)支鏈由兩段連桿構(gòu)成，兩段連桿間形成p副；其中內(nèi)層連桿端部安裝有虎克鉸，通過(guò)虎克鉸與腰部托架相連，形成u副；外層連桿端部安裝球鉸，通過(guò)球鉸與腿部托架鉸接，形成s副。

使用時(shí)，先將腰部托架設(shè)置于人體胯部位置，通過(guò)綁帶固定；將腿部托架設(shè)置于人體大腿上，隨后根據(jù)人體髖關(guān)節(jié)相對(duì)腰部托架的位置，對(duì)腿部托架位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得人體髖關(guān)節(jié)中心位于主支鏈的虛擬轉(zhuǎn)軸上，此時(shí)將腿部托架與人體大腿間通過(guò)綁帶固定。最終通過(guò)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)人體大腿繞髖關(guān)節(jié)的三自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)了三自由解耦旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，符合人體髖關(guān)節(jié)解剖學(xué)運(yùn)動(dòng)情況；

2、本發(fā)明具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，通過(guò)虛擬轉(zhuǎn)軸可以實(shí)現(xiàn)在人體與外骨骼機(jī)構(gòu)非干涉情況下的機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即rcm遠(yuǎn)距離虛擬旋轉(zhuǎn)中心的方式進(jìn)行工作。

3、本發(fā)明具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，可穿戴后位置可調(diào)整，使得穿戴后機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確繞人體髖關(guān)節(jié)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備整體結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖；

圖3為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備中結(jié)構(gòu)一主支鏈原理圖；

圖4為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備中結(jié)構(gòu)二主支鏈原理圖；

圖5為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備主之鏈斜置示意圖；

圖6為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備主之鏈斜置側(cè)視示意圖；

圖7為本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備中增加腰部連接架的連接方式示意圖。

圖中：

1-主支鏈2-輔助驅(qū)動(dòng)支鏈3-腰部托架

4-腿部托架5-腰部連接架6-腿部連接架

7-腰部連接架8-三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)101-腰部連桿

102-腿部連桿103-腰部連接頭104-腿部連接頭

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明具備rcm三自由度旋轉(zhuǎn)的人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備，包括一條主支鏈1與兩條輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2、腰部托架3、腿部托架4、腰部連接架5與腿部連接架6，如圖1、圖2所示。

主支鏈1由仿圖儀平行四邊形結(jié)構(gòu)演化而來(lái)，令空間三軸坐標(biāo)系中，x軸正向?yàn)槿梭w正向；y軸正向同人體右向，z軸正向?yàn)樨Q直向下；則如圖3、圖4所示，主支鏈1包含兩套相對(duì)于y軸對(duì)稱的平行四桿結(jié)構(gòu)；相對(duì)的頂點(diǎn)鉸接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；同時(shí)遠(yuǎn)離y軸的一條連桿分別作為腰部連桿101與腿部連桿102，軸線交于三軸坐標(biāo)系中一設(shè)定虛擬點(diǎn)，作為主支鏈1的旋轉(zhuǎn)中心，位于沿人體前后方向設(shè)定的一條虛擬轉(zhuǎn)軸上；腰部連桿101與腿部連桿102分別用來(lái)連接半弧形腰部托架3與腿部托架4；由此形成繞虛擬轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的解耦三自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)腰部連桿101與腿部連桿102始終相交于一點(diǎn)，即整個(gè)人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備始終繞y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明中針對(duì)上述方案，設(shè)計(jì)了主支鏈1的具體結(jié)構(gòu)，如下：

主支鏈1由8根連桿構(gòu)成，令8根連桿分別為1～8號(hào)連桿，如圖3所示；其中，1～4號(hào)連桿順時(shí)針布置構(gòu)成第一套平行四連桿結(jié)構(gòu)，5～8號(hào)連桿逆時(shí)針布置構(gòu)成第二套平行四連桿結(jié)構(gòu)；令兩套平行四連桿結(jié)構(gòu)中，靠近y軸的連桿為3號(hào)與7號(hào)連桿，1號(hào)與5號(hào)連桿為遠(yuǎn)離y軸的連桿，分別作為腰部連桿101與腿部連桿102。則兩套平行四連桿結(jié)構(gòu)中4號(hào)連桿和3號(hào)連桿鉸接處同時(shí)與7號(hào)連桿和8號(hào)連桿鉸接處間鉸接，形成成轉(zhuǎn)動(dòng)副；2號(hào)與6號(hào)連桿相對(duì)端端部間鉸接，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；由此3號(hào)、7號(hào)、2號(hào)與6號(hào)連桿間構(gòu)成一套四桿結(jié)構(gòu)。

上述結(jié)構(gòu)主支鏈1中具有兩套平行四連桿結(jié)構(gòu)與一套四桿結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，具有較多桿件與旋轉(zhuǎn)副，對(duì)于機(jī)構(gòu)的加工精度和安裝調(diào)試有一定的要求，因此本發(fā)明對(duì)上述結(jié)構(gòu)主支鏈1進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少精度誤差帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)另一種主支鏈1的結(jié)構(gòu)，具體如下：

主支鏈1由6根連桿構(gòu)成，令6根連桿分別為1～6號(hào)連桿，如圖4所示；其中，3號(hào)與4號(hào)連桿呈x型相交處鉸接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。5號(hào)和6號(hào)連桿分別與3號(hào)和4號(hào)連桿平行設(shè)置，且末端分別與4號(hào)和3號(hào)連桿末端相交并鉸接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。1號(hào)連桿作為腰部連桿101，2號(hào)連桿作為腿部連桿102，分別與4號(hào)和3號(hào)連桿平行，且1號(hào)連桿與3號(hào)和5號(hào)連桿前端相交并鉸接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；2號(hào)連桿與4號(hào)和6號(hào)連桿相交并鉸接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。由此，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)與5號(hào)連桿間構(gòu)成第一套平行四桿結(jié)構(gòu)；2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)與6號(hào)連桿間構(gòu)成第二套平行四桿結(jié)構(gòu)。上述第二種結(jié)構(gòu)的主支鏈1仍然可以實(shí)現(xiàn)繞虛擬轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；且相對(duì)于第一種結(jié)構(gòu)的主支鏈1減少了一個(gè)平行四邊形造成的冗余自由度，增加了第二種結(jié)構(gòu)主支鏈1的精確度。

上述兩種結(jié)構(gòu)的主支鏈1中，腰部連桿101與腿部連桿102的輸出端上通過(guò)軸承分別套接有柱狀的腰部連接頭103與腿部連接頭104；結(jié)合主支鏈1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使主支鏈1具有豎直方向(z軸方向)的移動(dòng)自由度腰部連桿101與腿部連桿102軸線的繞旋轉(zhuǎn)自由度。上述腰部連接頭103和腿部連接頭104側(cè)壁分別通過(guò)腰部連接架5和腿部連接架6，與腰部托架101和腿部托架102連接固定，如圖1、圖2所示；腰部連接架5與腿部連接架6均由相互鉸接且鉸接軸平行于y軸的支架構(gòu)成；由此使主支鏈1具有平行于四桿結(jié)構(gòu)各轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；最終可實(shí)現(xiàn)主支鏈1的虛擬轉(zhuǎn)軸空間位置調(diào)整。

上述兩種結(jié)構(gòu)的主支鏈1繞虛擬轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)在主支鏈1外側(cè)旋轉(zhuǎn)副上安裝驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于第一種結(jié)構(gòu)主支鏈來(lái)說(shuō)在2號(hào)與6號(hào)連桿的鉸接處同軸安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)，對(duì)于第二中結(jié)構(gòu)的主支鏈1來(lái)說(shuō)，在3號(hào)與4號(hào)連桿鉸接處同軸安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

所述兩個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2分別位于人體前部與后部，用來(lái)約束另兩個(gè)自由度(主支鏈1豎直方向的移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)自由度)。輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2為ups結(jié)構(gòu)形式，由兩段連桿構(gòu)成。兩段連桿間內(nèi)外套接，形成p副；其中內(nèi)層連桿端部安裝有虎克鉸，通過(guò)虎克鉸與腰部托架3相連，形成u副；外層連桿端部安裝球鉸，通過(guò)球鉸與腿部托架4鉸接，形成s副。由此通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)虎克鉸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備繞虛擬轉(zhuǎn)軸的三自由度旋轉(zhuǎn)的形式。

使用時(shí)，先將腰部托架3設(shè)置于人體胯部位置，通過(guò)綁帶固定；將腿部托架4設(shè)置于人體大腿上，隨后根據(jù)人體髖關(guān)節(jié)相對(duì)腰部托架3的位置，對(duì)腿部托架4位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得人體髖關(guān)節(jié)中心位于主支鏈1的虛擬轉(zhuǎn)軸上，此時(shí)將腿部托架4與人體大腿間通過(guò)綁帶固定。最終通過(guò)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)人體大腿繞髖關(guān)節(jié)的三自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

為了使本發(fā)明人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備運(yùn)動(dòng)更大的角度，因此主支鏈1可采用斜置的方式，同時(shí)將兩個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2設(shè)置于人體一側(cè)，通過(guò)多滑桿機(jī)構(gòu)連接腰部托架101與腿部托架102；該設(shè)計(jì)還可防止整體設(shè)備的運(yùn)動(dòng)行程不與人體干涉，如圖7所示。上述結(jié)構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

將主支鏈1中腰部連桿101的輸出端相對(duì)主支鏈1的旋轉(zhuǎn)中心朝向x軸負(fù)向偏轉(zhuǎn)35度后，通過(guò)腰部連接頭103、腰部連接架5與腰部托架3相連，實(shí)現(xiàn)主支鏈的斜置，如圖5、圖6所示。多滑桿機(jī)構(gòu)分為上部多滑桿機(jī)構(gòu)7與下部多滑桿機(jī)構(gòu)8；其中，上部多滑桿機(jī)構(gòu)包括四根可伸縮桿，令分別為伸縮桿a7a、伸縮桿b7b、伸縮桿c7c與伸縮桿d7d；伸縮桿a7a與伸縮桿b7b的相接端端部鉸接，且鉸接處固定于腰部托架3上，同時(shí)使伸縮桿a7a與伸縮桿b7b所在平面向后傾斜，與水平面呈35度夾角，鉸接軸軸線與z軸夾角呈35度。伸縮桿c與伸縮桿d7d垂直于伸縮桿a7a與伸縮桿b7b所在平面，固定端分別與伸縮桿a7a與伸縮桿b7b的固定端固定。下部多滑桿機(jī)構(gòu)8包括兩根可伸縮桿，令分別為伸縮桿e7e與伸縮桿f7f；其中，伸縮桿e7e與伸縮桿f7f的相接端端部鉸接，且鉸接處固定于腿部托架4上。兩根輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2分別通過(guò)虎克鉸連接伸縮桿c7c與伸縮桿d7d的鉸接端；同時(shí)分別通過(guò)球鉸鉸接伸縮桿e7e與伸縮桿f7f的鉸接端。由此，通過(guò)上述設(shè)計(jì)使得人體髖關(guān)節(jié)可穿戴式助力設(shè)備能夠向前做較大角度旋轉(zhuǎn)至90度。

如圖7所示，本發(fā)明中還可在主支鏈1、兩條輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2與腰部托架3間設(shè)置有半弧形腰部連接架7；主支鏈1、輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2與腰部連接架7的連接方式，與主支鏈1、輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2與腰部托架3間的連接方式相同；而腰部托架3兩端通過(guò)在腰部連接架7周向上安裝的三套三軸移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與腰部連接架7間的連接，使腰部托架3具有沿x、y、z方向三個(gè)可鎖緊移動(dòng)自由度。由此，通過(guò)三套三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)8實(shí)現(xiàn)腰部托架3與其余部分間相對(duì)位置時(shí)，且在調(diào)整過(guò)程中，不用對(duì)主支鏈1及輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2進(jìn)行調(diào)整，使主支鏈1及輔助驅(qū)動(dòng)支鏈2的機(jī)構(gòu)參數(shù)不變；而腰部連接架5與腿部連接架6處的旋轉(zhuǎn)只作為腰部托架3移動(dòng)調(diào)整后的微調(diào)。