基于套索驅(qū)動的節(jié)能半被動下肢外骨骼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于套索驅(qū)動的節(jié)能半被動下肢外骨骼，屬于機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴于使用者外側(cè)的機(jī)械系統(tǒng)，它通過安裝在各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，輔以角位移傳感器以及關(guān)節(jié)力矩傳感器，輔助使用者與外骨骼進(jìn)行協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)助力、助行和康復(fù)治療的功能。
[0003]當(dāng)前，隨著人類現(xiàn)代化社會的發(fā)，老齡化已逐漸成為一個社會化問題并且越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界60歲以上老年人口總數(shù)已超過6億，其中有60多個國家的老年人口達(dá)到或已超過其人口總數(shù)的10%，步入了老齡化社會行列。我國作為人口大國也不例外，并且老齡化的趨勢日益嚴(yán)重。由于老年人普遍存在體力不支，行走不便，力量、耐力不足等狀況，使老齡化給家庭和社會都帶來了巨大的壓力和負(fù)擔(dān)。因此，針對老年人的這種行走困難、吃力的狀況，研究開發(fā)一種舒適的、提供助力的外骨骼，使其能夠幫助老年人行走和負(fù)重，將會在一定程度上緩解老齡化的社會壓力，具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)價值。
[0004]目前，雖然傳統(tǒng)輪式交通工具是遠(yuǎn)行與負(fù)重的主要方式，但是很多場合并不適用。比如在軍事、科考、消防營救等領(lǐng)域，士兵、科考人員及消防營救人員常常需要長距離行走、背負(fù)重物、運送傷員、野外作業(yè)、登山探險等，這些特殊形式的運動無法借助傳統(tǒng)的交通工具完成?；谲娛?、科考、消防等領(lǐng)域的需求，研制出穿戴式外骨骼機(jī)構(gòu)十分有必要性。這種機(jī)構(gòu)能為穿戴者提供充足的力量和耐力來增強(qiáng)的長距離行走和負(fù)重等能力，從而完成一些特殊任務(wù)。
[0005]在康復(fù)醫(yī)療方面，穿戴外骨骼也可以幫助殘疾人或年老體弱者像健康的年輕人那樣快速行走，上下樓梯等。這將大大減輕老齡化和下肢傷殘帶來的家庭和社會壓力，也為醫(yī)護(hù)人員帶來了福音。綜上可見，外骨骼機(jī)器人由于其自身的軍事和商業(yè)應(yīng)用價值，已成為近年來國內(nèi)外學(xué)者的一個重點研究方向。
[0006]本專利設(shè)計的本套機(jī)構(gòu)相比于現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，其主動自由度少，被動驅(qū)動自由度多，需要的驅(qū)動能量少，膝關(guān)節(jié)采用板簧結(jié)構(gòu)，即能夠使擺動相時步態(tài)比較自然，又能在支撐相時起到支撐關(guān)節(jié)的作用，在髖關(guān)節(jié)處機(jī)構(gòu)采用位于髖關(guān)節(jié)與大腿桿之間的平衡拉簧機(jī)構(gòu)，同時也在腰部使用板簧結(jié)構(gòu)，一方面可以實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)質(zhì)心平衡，另一方面還可以起到緩沖、能量的存儲和釋放功能，最后在大腿桿采用沖量機(jī)構(gòu)，起到在關(guān)鍵位姿時沖量機(jī)構(gòu)實施能量補(bǔ)償。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種能夠雙套索驅(qū)動關(guān)節(jié)，通過髖關(guān)節(jié)板簧平衡機(jī)構(gòu)和拉簧平衡機(jī)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平衡和緩沖，通過膝關(guān)節(jié)板簧支撐機(jī)構(gòu)實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)儲能、釋能及預(yù)緊作用，同時添加沖量機(jī)構(gòu)和彈性鞋底大幅度提高使用者使用舒適度，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)節(jié)能、舒適、高效、輕量化的節(jié)能半被動下肢外骨骼。
[0008]技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明公開了一種基于套索驅(qū)動的節(jié)能半被動下肢外骨骼，包括髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、連接在所述髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)下側(cè)末端上的膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、連接在所述膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)下側(cè)末端的踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、設(shè)置在所述髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)上的髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)、設(shè)置在所述髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)上的沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)，所述髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右和髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左，所述膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右和膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左，所述踝關(guān)節(jié)機(jī)包括踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右和踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左，所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)右和髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)左，所述沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)包括沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)右、沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)左和背板;其中，
[0010]所述髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左和髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右之間通過髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板左、髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板右連接，所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)左固定在髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左上，髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左通過膝關(guān)節(jié)軸左與膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左連接，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左通過踝關(guān)節(jié)球頭軸承左與踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左連接;所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)右固定在髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右上，髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右通過膝關(guān)節(jié)軸右與膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右連接，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右通過踝關(guān)節(jié)球頭軸承右與踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右連接;所述背板固定于髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板右上，沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)左和沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)右分別固定于背板的左右兩端。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述下肢外骨骼中髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左通過其中的髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板左、髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板右和髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右連接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)左通過螺栓直接固定在髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左上，髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左通過膝關(guān)節(jié)軸左與膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左連接，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左通過踝關(guān)節(jié)球頭軸承左與踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)左連接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)機(jī)構(gòu)右通過螺栓直接固定在髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右上，髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右通過膝關(guān)節(jié)軸右與膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右連接，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右通過踝關(guān)節(jié)球頭軸承右與踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)右連接，沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)中的背板直接固定于髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板右上，沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)左和沖量電機(jī)機(jī)構(gòu)右直接固定于背板上。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在外骨骼中左右大腿連接桿處添加了沖量機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)大腿桿右髖關(guān)節(jié)大腿桿滑塊緩沖右，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑塊右，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑桿一右，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑桿二右，髖關(guān)節(jié)大腿桿左，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑塊緩沖左，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑塊左，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑桿一左，髖關(guān)節(jié)大腿桿滑桿二左，在電機(jī)的作用下沖量機(jī)構(gòu)可以在機(jī)構(gòu)支撐相結(jié)束時提供機(jī)構(gòu)一個沿大腿桿斜向上的作用力，使得機(jī)構(gòu)可以獲得一定的勢能和向前的作用力，從而使得使用者在行走的過程中更省力更舒適。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在外骨骼髖關(guān)節(jié)處中使用板簧平衡機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板右，髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板軸右，髖關(guān)節(jié)連接板右，髖關(guān)節(jié)扭簧擋板右，髖關(guān)節(jié)扭簧右，髖關(guān)節(jié)扭簧底板右，髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板左，髖關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)板軸左，髖關(guān)節(jié)連接板左，髖關(guān)節(jié)扭簧擋板左，髖關(guān)節(jié)扭簧左，髖關(guān)節(jié)扭簧底板左，在板簧平衡機(jī)構(gòu)的作用下下肢外骨骼機(jī)構(gòu)在人體站立的時候可以保持機(jī)構(gòu)左右平面上平衡，而在人走的過程中不僅可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)緩沖的目的，同時也可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的重力勢能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)換的效果。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在外骨骼膝關(guān)節(jié)處中使用板簧支撐機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)大腿桿右，膝關(guān)節(jié)軸右，膝關(guān)節(jié)輸出桿右，膝關(guān)節(jié)扭簧右，膝關(guān)節(jié)扭簧擋板右，髖關(guān)節(jié)大腿桿左，膝關(guān)節(jié)軸左，膝關(guān)節(jié)輸出桿左，膝關(guān)節(jié)扭簧左，膝關(guān)節(jié)扭簧擋板左，由于板簧支撐機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)大腿桿右，膝關(guān)節(jié)輸出桿右，髖關(guān)節(jié)大腿桿左，膝關(guān)節(jié)輸出桿左中斜角的原因，板簧支撐機(jī)構(gòu)原先就有一定的預(yù)緊力，使得髖關(guān)節(jié)大腿桿右與膝關(guān)節(jié)輸出桿右，髖關(guān)節(jié)大腿桿左與膝關(guān)節(jié)輸出桿左不受外力時保持豎直關(guān)系，并且在機(jī)構(gòu)支撐相時提供一定的輔助作用，此外板簧支撐機(jī)構(gòu)在人體行走的不僅可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)緩沖的目的，同時也可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)在擺動相過程中儲能和釋放能量的作用。
[0015]本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案中，機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)處機(jī)構(gòu)采用位于髖關(guān)節(jié)與大腿桿之間的平衡拉簧機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)連接板右，拉伸彈簧右，髖關(guān)節(jié)大腿桿右，髖關(guān)節(jié)彈簧桿右，髖關(guān)節(jié)連接板左，拉伸彈簧左，髖關(guān)節(jié)大腿桿左，髖關(guān)節(jié)彈簧桿左，在平衡拉簧機(jī)構(gòu)的作用下下肢外骨骼機(jī)構(gòu)在人體站立的時候可以保持機(jī)構(gòu)前后平面上平衡，而在人走的過程中不僅可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)緩沖的目的，同時也可以向大腿提供向上的牽引力。
[0016]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0017](I)傳統(tǒng)外骨骼機(jī)構(gòu)在行走的過程中的勢能變化都是靠人提供力來克服，會大大消耗人的體力同時加重關(guān)節(jié)的磨損。本發(fā)明通過在外骨骼中左右大腿連接桿處添加了沖量機(jī)構(gòu)，在電機(jī)的作用下沖量機(jī)構(gòu)可以在機(jī)構(gòu)支撐相結(jié)束時提供機(jī)構(gòu)一個沿大腿桿斜向上的作用力，使得機(jī)構(gòu)可以獲得一定的勢能和向前的作用力，從而使得在行走的過程中使用者更省力更舒適，同時也能減少關(guān)節(jié)的磨損。
[0018](2)傳統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人在髖關(guān)節(jié)處不加平衡緩沖機(jī)構(gòu)或者添加的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重。本發(fā)明首次在外骨骼髖關(guān)節(jié)處中使用板簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單，體積小，在板簧平衡機(jī)構(gòu)的作用下下肢外骨骼機(jī)構(gòu)在人體站立的時候可以保持機(jī)構(gòu)左右平面上平衡，而在人走的過程中不僅可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)緩沖的目的，同時也可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的重力勢能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)換的效果，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
[0019](3)本發(fā)明中，在外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)處設(shè)計了欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在膝關(guān)節(jié)處設(shè)計了板簧支撐機(jī)構(gòu)，由于板簧支撐機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)大腿桿右，膝關(guān)節(jié)輸出桿右，髖關(guān)節(jié)大腿桿左和膝關(guān)節(jié)輸出桿左中設(shè)計的安裝斜角的原因，板簧支撐機(jī)構(gòu)原先就有一定的預(yù)緊力，使得髖關(guān)節(jié)大腿桿右與膝關(guān)節(jié)輸出桿右，髖關(guān)節(jié)大腿桿左與膝關(guān)節(jié)輸出桿左在不受外力時始終保持豎直關(guān)系，并且在機(jī)構(gòu)支撐相時提供一定的輔助作用，此外板簧支撐機(jī)構(gòu)在人體行走的不僅可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)緩沖的目的，同時也可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)在擺動相過程中能量儲存和釋放的作用。
[0020](4)本發(fā)明中，在機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)處機(jī)構(gòu)采用位于髖關(guān)節(jié)與大腿桿之間的平衡拉簧機(jī)構(gòu)，在平衡拉簧機(jī)構(gòu)的作用下下肢外骨骼機(jī)構(gòu)在人體站立的時候可以保持機(jī)構(gòu)前后平面上平衡，而在人走的過程中不僅可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)緩沖的目的，同時也可以向大腿提供向上的牽引力。
[0021](5)傳統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人直接將驅(qū)動部件安裝于機(jī)器人的運動關(guān)節(jié)，機(jī)構(gòu)整體笨重，功耗大。本發(fā)明能實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)與外骨骼關(guān)節(jié)的分離，驅(qū)動部件可以置于遠(yuǎn)離外骨骼運動范圍的電機(jī)支架，有效減小運動關(guān)節(jié)的質(zhì)量和慣量，降低功耗，有利于改善系統(tǒng)的控制性能和安全性能。
[0022](6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，并且機(jī)構(gòu)對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，可以適用于各種地形場合，使得本發(fā)明可以運用于軍事、民用等各個領(lǐng)域和眾多場合。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)件示意圖一；
[0024]圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)件示意圖二；
[0025]圖3為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)件示意圖三；
[0026]圖4為本發(fā)明的髖關(guān)節(jié)軸側(cè)圖；
[0027]圖5為本發(fā)明的髖關(guān)節(jié)右正視圖；
[0028]圖6為本發(fā)明的髖關(guān)節(jié)右側(cè)視圖；
[0029]圖7為本發(fā)明的髖關(guān)節(jié)左正視圖；
[0030]圖8為本發(fā)明的髖關(guān)節(jié)左側(cè)視圖；
[0031]圖9本發(fā)明的膝關(guān)節(jié)右正視