被動髖關節自動回中機構和外骨骼機器人的製作方法

2023-10-11 14:41:59 2

本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種具有回中機構的外骨骼機器人的髖關節結構和外骨骼機器人。

背景技術：

外骨骼機器人（Exoskeleton Robot）是指套在人體外的機器人，也可稱為「可穿戴的機器人」，外骨骼機器人技術是融合了傳感、控制、信息技術、移動計算,以及可穿戴結構的綜合技術。

作為人體下肢助力的外骨骼機器人，髖關節的設計是非常重要的一個環節，現在的外骨骼機器人的髖關節設計大多是採用電機直接驅動或者液壓缸直接驅動，此種方法為主動驅動方式，會增加外骨骼機器人的體積和重量，還會引起更多不必要的做功，運動範圍也受限。現有技術中，也有一些外骨骼機器人採用被動驅動，或者外骨骼機器人的髖關節由一個主動自由度關節（前屈、後伸）和兩個被動自由度關節（內收、外展和內旋、外旋）構成。其中現有外骨骼機器人兩個被動髖關節都不具有回覆力作用，而外骨骼機器人在穿戴行走的過程中，髖部的被動自由度需要提供作用力來幫助人體實現平衡，提供平衡的力主要來自於人體，這樣會增加人體體能的消耗，從而增加人體的負擔，影響運動能力。

技術實現要素：

針對上述技術中存在的不足之處，本發明提供一種被動髖關節自動回中機構和外骨骼機器人，當人體穿戴上帶有該被動髖關節自動回中機構的外骨骼機器人時，人體隨外骨骼機器人運動，其髖關節部分能自動回復到中立位，大大節省了人體施加的力，減輕人體的身體負擔，更有利於人體的康復。

為實現上述目的，本發明公開一種被動髖關節自動回中機構，包括一個內收外展裝置，所述內收外展裝置包括腿部支撐架和腿部彈性裝置，所述腿部支撐架與腿部彈性裝置接觸連接，所述腿部支撐架與腿部結構連接，並與控制腿部運動的電機連接，電機驅動腿部結構向前或向後運動，作用在腿部結構上的人體在運動時左右傾斜，帶動腿部支撐架向左或向右擠壓腿部彈性件，當人體作用於腿部結構上向左或向右運動的力結束，腿部支撐架的向左或向右運動的力減弱或消失，腿部彈性裝置的回覆力驅動腿部支撐架回復到中立位置。

其中，所述腿部彈性裝置包括第一板簧、第二板簧、連接板和板簧壓塊，第一板簧和第二板簧並列設置，且上端分別卡接在板簧蓋上，並通過連接板壓合固定，所述第一板簧和第二板簧的中部通過板簧壓塊連接支撐，第一板簧與第二板簧分別與腿部支撐架接觸連接，腿部結構向前運動，腿部支撐架的下端向左擺動，腿部支撐架的上端與第一板簧接觸並壓縮第一板簧，當腿部支撐架下端向左運動的力減弱或消失時，第一板簧恢復形變，第一板簧的回覆力作用於腿部支撐架，腿部支撐架回復到中立位置，腿部結構向後運動，腿部支撐架下端向右運動，腿部支撐架與第二板簧接觸並壓縮第二板簧，當腿部支撐架下端向右的力減弱或消失時，第二板簧回復形變，回復力作用於腿部支撐架，腿部支撐架回復到中立位置。

其中，所述第一板簧設置有兩個，分別位於第二板簧的左右兩邊，兩個第一板簧與第二板簧同時固定在板簧蓋上，腿部支撐架下端向左運動，腿部支撐架的上端同時擠壓左右兩端的第一板簧，並將擠壓力平均分解到兩塊第一板簧上。

其中，所述腿部支撐架與第一板簧的接觸面上設置有第一墊塊，所述腿部支撐架與第二板簧接觸面上設置有第二墊塊，腿部支撐架下端向左運動，腿部支撐架上端通過第一墊塊擠壓第一板簧，所述腿部支撐架下端向右運動，腿部支撐架通過第二墊塊擠壓第二板簧。

其中，所述腿部支撐架的上端設置有圓柱體轉軸結構，並將腿部支撐架劃分為上端和下端，所述第一墊塊設置在圓柱體轉軸結構的上端，所述第二墊塊設置在轉軸結構的下端，腿部支撐架下端向左或向右時，分別以圓柱體轉軸結構為軸擺動，腿部支撐架下端向左，位於腿部支撐架上端的第一墊塊與第一板簧接觸並擠壓第一板簧形變，第二墊塊與第二板簧遠離，腿部支撐架下端向右，位於腿部支撐架上端的第一墊塊與第一板簧遠離，位於腿部支撐架下端的第二墊塊與第二板簧接觸並擠壓第二板簧形變，所述腿部支撐架的下端為吊環結構，吊環結構上安裝設置有驅動腿部結構運動的電機，電機控制腿部結構前進或後退。

本發明公開一種被動髖關節自動回中機構，包括一個內旋外旋裝置，所述內旋外旋裝置包括腰部支撐架和腰部彈性裝置，所述腰部支撐架與外骨骼機器人腰部連接固定，所述腰部彈性裝置固定在固定蓋板上，當人體作用於腿部結構上，且腿部運動帶動腰部結構扭轉時，腰部支撐架跟隨腰部結構一起扭轉，腰部支撐架擠壓腰部彈性裝置，腰部支撐架的向內或向外的旋轉的力減弱或消失時，腰部彈性力驅動腰部支撐架回復到中立位置。

其中，所述腰部彈性裝置包括第三板簧和板簧支架，所述第三板簧橫向放置，且第三板簧的兩端固定在板簧支架上，所述腰部支撐架與第三板簧的接觸面上設置有第三墊塊，腰部支撐架向內或向外旋轉時，腰部支撐架通過第三墊塊向左或者向右擠壓第三板簧。

其中，所述腰部彈性裝置包括板簧支架、左彈簧、右彈簧、左彈簧固定柱和右彈簧固定柱，左彈簧固定柱和右彈簧固定柱分別對稱固定在腰部支撐架上，所述左彈簧和右彈簧分別通過固定柱固定在腰部支撐架和板簧支架之間，腰部支撐架向內旋轉，拉伸右彈簧，腰部支撐架向外旋轉，拉伸左彈簧。

其中，所述腰部支撐架上設置有轉軸，轉軸穿過腰部支撐架上的容置通孔，容置通孔的上下兩端與轉軸連接的位置設置有承受腿部結構傳導上來的軸向力的止推軸承。

本發明還公開一種外骨骼機器人，包括上述介紹的分別具有內收外展裝置或者內旋外旋裝置，或者是同時具備內收外展裝置和內旋外旋裝置的被動髖關節自動回中機構，除此之外，還包括腿部結構和腰部結構，被動髖關節自動回中機構的一端連接腰部結構，另一端連接腿部結構，腰部結構左右對稱，腰部結構的左右兩端分別連接一個被動髖關節自動回中機構，每個被動髖關節自動回中機構都連接有一個腿部結構，外骨骼機器人通過穿戴方式固定在人體上。

本發明的有益效果是：

與現有技術相比，本發明公開的一種被動髖關節自動回中機構和外骨骼機器人，被動髖關節自動回中機構包括一個內收外展裝置或者一個內旋外旋裝置或者二者的結合，其中，內收外展裝置與腿部結構連接，且內收外展裝置包括腿部連接支撐架和腿部彈性裝置，腿部的電機驅動腿部前進，當人體穿戴上該外骨骼機器人時，由於人體自身行走的特點，人體腿部向前運動時，髖關節也會隨之擺動，人體髖關節擠壓自動回中機構上的腿部支撐架，從而使腿部支撐架上的腿部彈性裝置受到擠壓，當腿部支撐架擠壓腿部彈性裝置的力減弱或者消失後，腿部彈性裝置的回覆力作用於腿部支撐架，腿部支撐架回復到中立位置。內旋外旋裝置包括腰部支撐架和腰部彈性裝置，腰部支撐架與腰部連接，使腰部向內或向外旋轉扭動時，腰部支撐架擠壓腰部彈性裝置，當腰部支撐架上的力減弱或者消失後，腰部彈性裝置上的回覆力作用於腰部支撐架，腰部支撐架回復到中立位置，整個裝置結構簡單，工作原理簡單，彈性裝置內為帶有彈性的板簧或者彈簧，利用板簧或者彈簧的彈性力使腰部支撐架或者腿部支撐架回復到中立位置，無需藉助外力的作用進行回復，節省了電能或者人體的支撐力，當運用這種被動髖關節自動回中機構製成的外骨骼機器人，在腿部結構前進或後退過程中，伴隨著腿部支撐架的向左或向右運動以及自動回復，腰部支撐架的內旋或外旋以及自動回復，使仿真效果更好，讓使用者在使用過程中更省力，行動起來更輕鬆，自由度更好，更利於行走不便客戶的行走康復。

附圖說明

圖1為本發明外骨骼機器人結構示意圖；

圖2為本發明實施例被動髖關節整體結構示意圖；

圖3為本發明實施例被動髖關節爆炸圖；

圖4為本發明實施例內收外展裝置正面立體示意圖；

圖5為本發明實施例內收外展裝置背面立體結構示意圖；

圖6為本發明實施例固定蓋板與板簧及連接板連接示意圖；

圖7為本發明實施例腿部支撐架結構示意圖；

圖8為本發明內旋外旋裝置第一實施例組合機構圖；

圖9為本發明內旋外旋裝置第一實施例爆炸圖；

圖10為本發明內旋外旋裝置第二實施例組合機構圖；

圖11為本發明內旋外旋裝置第二實施例爆炸圖。

主要元件說明：

10、被動髖關節自動回中機構 20、腰部結構

30、腿部結構

11、內收外展裝置 12、內旋外旋裝置

13、固定蓋板 14、板簧蓋

111、腿部支撐架 112、腿部彈性裝置

121、腰部支撐架 122、腰部彈性裝置

123、第三墊塊 124、轉軸

125、止推軸承 126、彈簧

127、彈簧固定柱

1111、吊環結構 1112、轉軸結構

1121、第一板簧 1122、第二板簧

1123、連接板 1124、板簧壓塊

1131、第一墊塊 1132、第二墊塊

1211、容置通孔 1221、第三板簧

1222、板簧支架。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

需要說明的是，當元件被稱為「固定於」或「設置於」另一個元件，它可以直接或間接在另一個元件上。當一個元件被稱為是「連接於」另一個元件，它可以是直接或間接連接到另一個元件。

還需要說明的是，本發明實施例中的左右上下等方位用語，僅是互為相對概念或是以產品的正常使用狀態為參考的，而不應該認為是具有限制性的。

請參閱圖1，本發明實施例針對現有技術中的不足，公開了一種被動髖關節自動回中機構10以及具有該被動髖關節自動回中機構10的外骨骼機器人，請再結合圖2和圖3，以同時具備內收外展裝置11和內旋外旋裝置12的被動髖關節自動回中機構的外骨骼機器人結構為例，內收外展裝置11以及內旋外旋裝置12內都設置有彈性裝置，使之在運動的時候，因擠壓了彈性裝置，從而使彈性裝置能自動回復，而無需通過外力驅動回復到中立位。當這種內收外展裝置11和內旋外旋裝置12運用到外骨骼機器人時，很適合應用到髖關節部位，讓內收外展裝置11與外骨骼機器人的腿部結構30連接，而內旋外旋裝置12與外骨骼機器人的腰部結構20連接，這樣既能實現外骨骼機器人在腿部前進或後退的時候，髖關節結構能夠自動回復到中立位置，還能使腿部結構30在前進或後退時，因人體運動帶動的腰部位置的扭轉能夠回復到中立位置，使外骨骼機器人的仿真性更高，增加了外骨骼機器人的自由度，除了實現直線行走也實現自由轉彎，穿戴在客戶身上時更為輕巧，舒適。

在本實施例中，被動髖關節自動回中機構10中的腰部支撐架121與腰部結構20連接，將腿部支撐架111上的吊環結構1111與腿部結構30連接，吊環結構1111上固定一個驅動電機（圖未示），當人體穿戴上外骨骼機器人，且驅動電機控制腿部結構30向前或向後運動時，帶動腿部支撐架111向左或向右擺動，與腿部支撐架111連接的腿部彈性裝置112進行回復運動，達到自動回中的目的。同樣腿部結構30向前運動會帶動腰部結構20一起做內旋或者外旋動作，才能使外骨骼機器人向前或者向後跨出一步，與腰部支撐架111連接的腰部彈性裝置122自動回中，大大增加了外骨骼機器人運動時的仿真性和流暢性，由於外骨骼機器人完全模仿人體，故腰部結構20設置成左右對稱結構，腿部結構30有兩個，分別通過左右兩個被動髖關節自動回中機構10與腰部結構20連接在一起，實現模仿人體走路的姿勢，需要說明的是，驅動電機控制腿部結構30向前或向後運動，帶動腿部支撐架111向左或向右擺動的先決條件，是在人體穿戴上帶有該被動髖關節自動回中機構10的外骨骼機器人的時候，當只有驅動電機控制腿部結構30前進或後退時，自動回中機構上的腿部支撐架111以及腰部支撐架121均不會晃動或發生內外旋，只有人體穿戴上外骨骼機器人，且驅動電機控制腿部結構30前後運動時，穿戴在外骨骼機器人上的人腿也跟隨外骨骼機器人一起運動，由於人體自身前進或後退時，人體自身的髖關節會旋轉擺動，從而帶動外骨骼機器人自動回中機構上的腿部彈性裝置112和腰部彈性裝置122受到擠壓，在腿部彈性裝置112和腰部彈性裝置122內部的彈性結構的作用下，腿部彈性裝置112和腰部彈性裝置122自動回復到中立位置，從而使外骨骼機器人能更好地配合人體運動，使穿戴者穿戴運動的時候更舒適。

以下介紹被動髖關節自動回中機構10的具體結構以及工作原理，涉及到腿部彈性裝置112和腰部彈性裝置122擠壓形變的力，都默認為是當人體穿戴上外骨骼機器人後，人體腿部跟隨外骨骼機器人的腿部結構30前進或後退擠壓的腿部彈性裝置112和腰部彈性裝置122。

在本實施例中，請參閱圖3和圖4，內收外展裝置11包括腿部支撐架111和腿部彈性裝置112，腿部支撐架111與腿部彈性裝置112接觸連接，在本實施例中，腿部支撐架111以轉軸結構1112為軸轉動，並以轉軸結構1112為中心劃分上端和下端，腿部支撐架111的下端設置成吊環結構1111，吊環結構1111與腿部結構30連接，控制腿部結構30運動的電機容置在吊環結構1111上，驅動腿部結構30向前或者向後運動，從而帶動腿部支撐架111向左或者向右轉動。請參閱圖4，在本實施例中，腿部支撐架111的上端設置有圓柱體的轉軸結構1112，腿部支撐架111前進或後退以該轉軸結構1112為軸擺動，並逐步趨近於腿部彈性裝置112，其中，腿部結構30前進的時候，腿部支撐架111的下端向左運動，上端向右運動，此時，腿部支撐架111上端靠近並擠壓腿部彈性裝置112，下端遠離腿部彈性裝置112，當腿部結構30後退的時候，腿部支撐架111的上端向左運動，下端向右運動，此時，腿部支撐架111的上端遠離腿部彈性裝置112，下端靠近並擠壓腿部彈性裝置112。

請進一步參閱圖4-圖7，在本實施例中，腿部彈性裝置112包括第一板簧1121、第二板簧1122、連接板1123、板簧壓塊1124和板簧蓋14，在本實施例中，第一板簧1121設置有兩塊，分別為左第一板簧1121A，右第一板簧1121B，兩個第一板簧1121分別並列設置在第二板簧1122的左右兩邊，請參閱圖6，左第一板簧1121A，右第一板簧1121B和第二板簧1122的上端夾持在板簧蓋14上的容置槽141上，通過連接板1123壓合連接固定，左第一板簧1121A和右第一板簧1121B又通過板簧壓塊1124連接並固定在板簧蓋14上，左第一板簧1121A，右第一板簧1121B和第二板簧1122的下端自由懸空設置，並與腿部支撐架111的上端位置接觸，其中，請參閱圖7，在腿部支撐架111上且位於轉軸結構1112的上端左右對稱設置有兩塊第一墊塊1131，位置分別對應左第一板簧1121A和右第一板簧1121B，而在轉軸結構1112的下端中間位置，設置有第二墊塊1132，第二墊塊1132的位置正好對應第二板簧1122，當腿部結構30前進時，腿部支撐架111上端的左第一墊塊1131A靠近並擠壓左第一板簧1121A，右第一墊塊1131B靠近並擠壓右第一板簧1121B ，下端的第二墊塊1132遠離第二板簧1122，而當腿部支撐架111擠壓第一板簧1121的力減弱到一定程度，或者消失時，左第一板簧1121A以及右第一板簧1121B分別將左第一墊塊1131A以及右第一墊塊1131B擠壓的力又回復給腿部支撐架111，腿部支撐架111自動回復到中立位置。當腿部結構30後退的時候，腿部支撐架111下端向右運動，此時腿部支撐架111上端的左第一墊塊1131A與右第一墊塊1131B分別遠離左第一板簧1121A和右第一板簧1121B ，下端的第二墊塊1132靠近並擠壓第二板簧1122，而當腿部支撐架111下端向右的力減弱到一定程度，或者消失時，腿部支撐架111上的第二墊塊1132擠壓第二板簧1122的力又回復給腿部支撐架111，腿部支撐架111自動回復到中立位置。以此達到被動髖關節自動回中狀態。以上只是本發明的腿部彈性裝置112的其中一種結構，在本實施例中，第一板簧1121設置有兩個，分別位於第二板簧1122的兩端，但是也可以只設置一個第一板簧1121和一個第二板簧1122，只需要將兩個板簧並列設置即可，對應的第一墊塊1131也設置一個，位置與第一板簧1121對應即可。在本發明中，腿部彈性裝置112也不局限於上述這兩種，凡是通過彈性結構，採用本發明的構思和工作原理進行的回中機構都落入本發明的保護範圍。

請參閱圖8-圖9，在本實施例中，內旋外旋裝置12包括腰部支撐架121和腰部彈性裝置122，腰部支撐架121與外骨骼機器人的腰部結構20連接固定，腰部彈性裝置122固定在固定蓋板13上，腿部結構30運動時會帶動腰部扭轉，此時腰部支撐架121跟隨腰部一起扭轉，腰部支撐架121擠壓腰部彈性裝置122，在本實施例中，腰部彈性裝置122包括第三板簧1221和板簧支架1222，第三板簧1221橫向放置在板簧支架1222上，且第三板簧1221的兩端與板簧支架1222連接固定，在腰部支撐架121上還設置有第三墊塊123，第三板簧1221與第三墊塊123接觸連接，在本實施例中，當腰部支撐架121向內旋轉時，第三墊塊123的左端擠壓第三板簧1221，第三板簧1221的左邊擠壓變形，當腰部支撐架121上的擠壓力減弱或者消失的時候，第三板簧1221的左邊將回復力又反作用於腰部支撐架121，腰部支撐架121回復到中立位置，同樣，當腰部支撐架121向外旋轉時，第三墊塊123的右端擠壓第三板簧1221的右端，第三板簧1221的右端擠壓變形，當腰部支撐架121上的擠壓力減弱或者消失的時候，第三板簧1221的右邊將回復力又反作用於腰部支撐架121，腰部支撐架121回復到中立位置，以此達到內旋外旋裝置12的回中目的。

請參閱圖10-圖11，在本實施例中，腰部彈性裝置122不局限於上述第三墊塊123壓縮第三板簧1221的結構，還可以是通過彈簧126和彈簧固定柱127連接的結構，在本實施例中，腰部彈性裝置包括板簧支架1222、左彈簧126A、右彈簧126B、左彈簧固定柱127A和右彈簧固定柱127B，在本實施例中，左彈簧固定柱127A設置有兩個，一個縱向固定在腰部支撐架121上，另一個固定橫向固定在板簧支架1222內部，而左彈簧126A的兩端分別連接兩個左彈簧固定柱127A，同樣，在容置左彈簧固定柱127A的對稱位置，也設置有兩個右彈簧固定柱127B，也是一個豎直方向固定在腰部支撐架121上，另一個橫向固定在板簧支架1222上，這樣，當腰部支撐架121向外旋的時候，右彈簧126B受到擠壓，當外旋力減弱或者消失時，右彈簧126B恢復形變，將彈性力反作用於腰部支撐架121上，腰部支撐架121回復到中立位置，當腰部支撐架121向內旋的時候，左彈簧126A受到擠壓，當內旋力減弱或者消失時，左彈簧126A恢復形變，將彈性力反作用於腰部支撐架121上，腰部支撐架121回復到中立位置。以上是本發明關於腰部彈性裝置122的兩種結構，但是本發明的彈性裝置並不局限於這兩種結構，凡是通過彈性形變進行回中的結構均落入本發明的保護範圍。

請參閱圖9和圖11，在本實施例中，腰部支撐架121上設置有轉軸124，轉軸124穿過腰部支撐架上121的容置通孔1211，容置通孔1211的上下兩端設置有承受腿部結構30傳導上來的軸向力的止推軸承125，當腰部支撐架121向內或者向外旋轉的時候，通過止推軸承125的旋轉限制，控制旋轉的角度，以免腰部支撐架121旋轉角度過大，破壞第三板簧1221。

請進一步參閱圖3，在本實施例中，內收外展裝置11以及內旋外旋裝置12都是通過固定蓋板13連接在一起的，即在本實施例中，腿部支撐架111上的轉軸結構1112以及腰部支撐架121上的轉軸124均與固定蓋板13連接，且請參閱圖6，在腿部彈性裝置112上的板簧壓塊1124以及連接板1123均與板簧蓋14連接在一起，同時板簧蓋14又通過螺栓與固定蓋板13連接固定在一起，這樣內收外展裝置11以及內旋外旋裝置12就連接成一體結構的被動髖關節自動回中機構。

本發明的優勢在於：

1、結構簡單小巧，將內收外展裝置與內旋外旋裝置分開設置，且內收外展裝置與外骨骼機器人的腿部結構連接，內旋外旋裝置與腰部結構連接，分別對腿部的前進與後退以及腰部的內旋與外旋進行控制，使整個外骨骼機器人運行的動作更接近人體的運動模式，仿真效果好，使客戶穿戴起來運行更為順暢；

2、利用彈性元件的彈性工作原理，對腿部支撐架和腰部支撐架進行一個運動自動回覆中立位置的功能，無需主動方式驅動腿部支撐架和腰部支撐架進行回中，更節約電能，且當人體穿戴的時候，也無需人體給予外骨骼機器人這樣的回覆力，外骨骼機器人自動保持人體的平衡，行動起來更為舒適，省力，更有利於康復運動；

3、在運動過程中，腿部支撐架比腰部支撐架作用的力要大，固設置兩個第一板簧，且左右對稱設置，將腿部支撐架上的力分解成兩個，從而更好地承受腿部支撐架上的力，也能給腿部支撐架提供更大的回覆力，確保腿部結構的正常工作。

以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但是本發明並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發明的保護範圍。