仿生多自由度可调节式外骨骼机器人髋关节机械结构

技术领域

本公开一般涉及外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种仿生多自由度可调节式外骨骼机器人髋关节机械结构。

背景技术

随着科学技术的日新月异和市场需求的不断变化，机器人技术也得到了迅猛发展。近些年，机器人的应用场景越来越广阔，机器人种类随之也越来越多。

其外骨骼机器人作为机器人一个的重要分类，在医疗康复、助老助残、军事作战、搬运重物、工业生产方面展现出了巨大的潜力，外骨骼机器人作为一种市场急需而尚未普及的产品收到了高度的关注。人体下肢动作需要复杂的关节配合才能完成，所以需要对外骨骼机器人的关节进行合理的设计才能与人体动作协调一致。人体的髋关节是人体躯干和下肢连接的重要关节，髋关节也是人体最承重的关节，因此下肢外骨骼机器人在髋关节的设计上既要兼顾舒适性又要考虑功能性。

现有技术中，外骨骼髋关节结构较为复杂，与人体动作的协调性较差，腰部或背部的下坠感较强，影响了使用者的使用。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种可解决上述技术问题的仿生多自由度可调节式外骨骼机器人髋关节机械结构。

本申请提供一种仿生多自由度可调节式外骨骼机器人髋关节机械结构，包括：

背板，所述背板用于与人体背部连接；

大腿支架，所述大腿支架用于与人体大腿部连接；

第一髋部连接杆，所述第一髋部连接杆的第一端沿第一旋转轴线可转动的安装于所述背板上，所述第一旋转轴线与水平平面呈设定夹角，所述设定夹角大于0°小于90°；

第二髋部连接杆，所述第二髋部连接杆的第一端沿第二旋转轴线可转动的安装于所述第一髋部连接杆的第二端；所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线所呈夹角中远离所述背板的夹角为锐角；

驱动单元，所述驱动单元安装在所述第二髋部连接杆的第二端；所述驱动单元输出端与所述大腿支架连接，用于驱动所述大腿支架沿第三旋转轴线转动，所述第三旋转轴线与所述第二旋转轴线相互垂直。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、第三旋转轴线向靠近人体方向的延长线交汇于一点。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述驱动单元包括驱动电机；所述驱动电机的转轴与所述大腿支架端部固定连接；所述驱动电机连接有第三编码器，所述第三编码器用于检测所述驱动电机转动的第三角度值；

所述第三编码器的输出端连接有第三控制单元，所述第三控制单元配置用于：

接收所述第三角度值；

判断所述第三角度值超出第三设定范围时，控制所述驱动电机回转至初始状态；所述初始状态时，所述第三角度值为0。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第三控制单元还配置用于：

响应于外部前进信号，控制所述驱动电机正转第一设定角度；

响应于外部后退信号，控制所述驱动电机反转第二设定角度。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述驱动电机上安装有减速器和力矩传感器。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述背板上固定安装有第一转轴，所述第一髋部连接杆的第一端与所述第一转轴可转动连接，所述第一旋转轴线为所述第一转轴的中轴线；

所述第一髋部连接杆上且对应第一转轴安装有第一编码器，所述第一编码器用于检测所述第一髋部连接杆转动的第一角度值θ

所述第一控制单元配置用于：

s11：接收所述第一角度值θ

s12：根据公式(一)计算第一夹角θ

θ

其中，θ

s13：判断所述第一夹角θ

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一髋部连接杆的第二端可转动安装有第二转轴，所述第二髋部连接杆的第一端与所述第二转轴固定连接，所述第二旋转轴线为所述第二转轴的中轴线；

所述第一髋部连接杆上且对应所述第二转轴安装有第二编码器，所述第二编码器用于检测所述第二转轴转动的第二角度值θ

所述第二控制单元配置用于：

s21：接收所述第二角度值θ

s22：判断所述第二角度值θ

根据本申请实施例提供的技术方案，所述背板远离人体一侧安装有调节组件，所述调节组件包括：

调节座，所述调节座固定安装在所述背板上；所述调节座上设有第一滑动孔；

调节板，所述调节板上设有第一安装孔，所述第一安装孔内安装有紧固件，所述紧固件可在所述第一滑动孔内滑动并通过紧固螺母与所述第一滑动孔固定连接；

其中，所述第一转轴可转动安装在所述调节板上。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一髋部连接杆、第二髋部连接杆为曲杆。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述背板靠近人体一侧安装有靠垫。

本申请的有益效果在于：通过上述结构，首先可实现人体髋部大腿进行前屈后伸、外展内收、内旋外旋动作，具体为：通过人体髋部大腿或驱动单元带动大腿支架沿所述第三旋转轴线转动，使得可实现人体前屈后伸动作；通过第二髋部连接杆沿所述第二旋转轴线转动，使得可实现外展内收动作；通过第一髋部连接杆、第二髋部连接杆相互配合，使得可实现内旋外旋动作；其次，由于第一旋转轴线与水平平面呈设定夹角，所述设定夹角大于0°小于90°；第二旋转轴线与所述第一旋转轴线所呈夹角中远离所述背板1的夹角为锐角；第三旋转轴线与第二旋转轴线相互垂直；因此该仿生结构下，使得髋部关节运动过程中协调性更强；同时，由于第一旋转轴线与水平平面的夹角大于0°小于90°，也使得穿戴者在使用过程中，腰部或背部的下坠感大大减少，可进一步协调穿戴者的动作。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、第三旋转轴线向靠近人体方向的延长线交汇于一点，使得可以进一步减小腰部或背部的下坠感，因此可以更好协调穿戴者的动作。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请提供的一种仿生多自由度可调节式外骨骼机器人髋关节机械结构示意图；

图2为图1所示大腿支架2的安装结构示意图；

图3为图1所示第一髋部连接杆3的安装结构示意图；

图4为图1所示第一髋部连接杆3与第二髋部连接杆4的安装结构示意图；

图5为图1所示背板1远离人体一侧安装有调节板63的结构示意图；

图6为图1所示背板1靠近人体一侧安装有靠垫13的结构示意图；

图7为图1所示第一髋部连接杆3的结构示意图；

图8为图1所示第二髋部连接杆4的结构示意图；

图9为图1所示大腿支架2的结构示意图；

图10为本申请提供的使用状态示意图。

图中标号：

1.背板；11.第一转轴；12.第一编码器；12-1.第一编码器主体；12-2.第一编码器轴；13.靠垫；2.大腿支架；21.第二法兰盘；21-1.凸台；21-2.固定孔；3.第一髋部连接杆；30-1.第一安装板；30-2.第一连接孔；30-3.第二安装板；30-4.第二连接孔；30-5.第一减重孔；31.第二转轴；32.第二编码器；32-1.第二编码器主体；32-2.第二编码器轴；4.第二髋部连接杆；40-1.第二减重孔；41.第一法兰盘；5.驱动电机；51.力矩传感器；52.减速器；61.第一调节座；62.第一滑动孔；63.调节板；64.第一安装孔；65-1.螺杆；65-2.夹紧把手；65-3.垫片；66.紧固螺母；67.第二滑动孔；68.第二调节座；69.第二固定板；7.气囊；100.第一安装面；200.第二安装面.

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1、图9为本申请提供的一种仿生多自由度可调节式外骨骼机器人髋关节机械结构，包括：

背板1，所述背板1用于与人体背部连接；

大腿支架2，所述大腿支架2用于与人体大腿部连接；

第一髋部连接杆3，所述第一髋部连接杆3的第一端沿第一旋转轴线可转动的安装于所述背板1上，所述第一旋转轴线与水平平面呈设定夹角，所述设定夹角大于0°小于90°；

第二髋部连接杆4，所述第二髋部连接杆4的第一端沿第二旋转轴线可转动的安装于所述第一髋部连接杆3的第二端；所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线所呈夹角中远离所述背板的夹角为锐角；

驱动单元，所述驱动单元安装在所述第二髋部连接杆4的第二端；所述驱动单元输出端与所述大腿支架2连接，用于驱动所述大腿支架2沿第三旋转轴线转动，所述第三旋转轴线与所述第二旋转轴线相互垂直。

具体的，当人体处于自然站立状态时，所述第二旋转轴线垂直于冠状面，所述第三旋转轴线垂直于矢状面。

需要进一步说明的是，所述冠状面为沿左、右方向将人体纵切为前后两部分的断面；所述矢状面为沿前后、方向将人体分切为左右两部分的断面；

具体的，所述背板1上固定安装有第一转轴11，所述第一髋部连接杆3的第一端与所述第一转轴11可转动连接，所述第一旋转轴线为所述第一转轴11的中轴线；所述第一髋部连接杆3的第二端可转动安装有第二转轴31，所述第二髋部连接杆4的第一端与所述第二转轴31固定连接，所述第二旋转轴线为所述第二转轴31的中轴线。

需要进一步说明的是，如图9所示，人体髋部大腿为对称性构造，因此所述大腿支架2、第一髋部连接杆3、第二髋部连接杆4、驱动单元可均设有两个，且对称设置于背板1两侧。

在一些实施例中，所述驱动单元包括驱动电机5；所述第二髋部连接杆4的第二端安装有第一法兰盘41、所述驱动电机5与所述第一法兰盘41固定连接，且所述驱动电机5的输出端穿过所述第一法兰盘41与所述大腿支架2连接。

在一些实施例中，如图2及图9所示，所述大腿支架2一端侧壁上设有用于与外部膝关节支架连接的第一安装面100，所述大腿支架2另一端侧壁上设有第二安装面200，所述第二安装面200上安装有第二法兰盘21，所述驱动电机5的输出端与所述第二法兰盘21连接。

其中，第二安装面200与第二法兰盘21可以采用以下方式安装：所述第二安装面200上设有定位孔201，所述第二安装面200上且位于所述定位孔周向设有通孔202，所述第二法兰盘21上设有与所述定位孔201配合定位的凸台21-1，以及对应所述通孔202设置的固定孔21-2；紧固件可穿过所述通孔202和固定孔21-2，将所述大腿支架2与所述第二法兰21固定连接。

工作原理：通过上述结构，首先可实现人体髋部大腿进行前屈后伸、外展内收、内旋外旋动作，具体为：通过人体髋部大腿或驱动单元带动大腿支架2沿所述第三旋转轴线转动，使得可实现人体前屈后伸动作；通过第二髋部连接杆4沿所述第二旋转轴线转动，使得可实现外展内收动作；通过第一髋部连接杆3、第二髋部连接杆4相互配合，使得可实现内旋外旋动作；

其次，由于第一旋转轴线与水平平面呈设定夹角，所述设定夹角大于0°小于90°；第二旋转轴线与所述第一旋转轴线所呈夹角中远离所述背板1的夹角为锐角；第三旋转轴线与第二旋转轴线相互垂直；因此该仿生结构下，使得髋部关节运动过程中协调性更强；同时，由于第一旋转轴线与水平平面的夹角大于0°小于90°，也使得穿戴者在使用过程中，腰部或背部的下坠感大大减少，可进一步协调穿戴者的动作。

在一些实施例中，所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、第三旋转轴线向靠近人体方向的延长线交汇于一点。以进一步减小穿戴者腰部和背部的下坠感，进而使穿戴者动作时更协调。

在一些实施例中，如图2所示，所述驱动电机5上安装有减速器52和力矩传感器51，具体为：

所述力矩传感器51设有用于与所述第二法兰盘21固定连接的内圈螺纹孔，以及用于与所述减速器52输出端连接的外圈螺纹孔；

所述减速器52与所述第一法兰盘41固定连接，所述减速器52的输入端与所述驱动电机5的输出端连接。

在一些实施例中，所述第一髋部连接杆3、第二髋部连接杆4为曲杆。

实施例2

在实施例1的基础上，在一些实施例中，所述驱动单元包括驱动电机5；所述驱动电机5的转轴与所述大腿支架2端部固定连接；所述驱动电机5连接有第三编码器，所述第三编码器用于检测所述驱动电机5转动的第三角度值；

所述第三编码器的输出端连接有第三控制单元，所述第三控制单元配置用于：

接收所述第三角度值；

判断所述第三角度值超出第三设定范围时，控制所述驱动电机5回转至初始状态；所述初始状态时，所述第三角度值为0。

具体的，所述第三设定范围为：-15°至20°；所述初始状态时，人体处于自然站立状态，此时第三角度值为0。

例如：当穿戴者在进行幅度较大的抬腿动作，第三编码器检测到驱动电机5的转轴随之转动的第三角度值例如为25°，此时第三控制单元判断25°超过第三设定范围，第三控制单元控制驱动电机5主动回转至初始状态，以使人体恢复至自然站立状态，避免穿戴者抬腿或迈步幅度较大而造成危险。

例如，当穿戴者进行后退，第三编码器检测到驱动电机5的转轴随之转动的第三角度值例如为-16度时，此时第三控制单元判断-16°超过第三设定范围，第三控制单元控制驱动电机5主动回转至初始状态。

在一些实施例中，所述第三控制单元还配置用于：

响应于外部前进信号，控制所述驱动电机5正转第一设定角度；

响应于外部后退信号，控制所述驱动电机5反转第二设定角度。

具体的，所述驱动电机5正转时，带动大腿支架2向前运动，所述第一设定角度可根据实际需求进行设置，例如第一设定角度可设置为5°；

具体的，所述驱动电机5反转时，带动大腿支架2向后运动，所述第二设定角度可根据实际需求进行设置，例如第二设定角度可设定值5°。

在一些实施例中，还可在大腿支架下方依次安装膝关节支架和踝关节支架，在膝关节支架和踝关节支架上设置三维力传感器，并设置第四控制单元判断穿戴者的状态；例如第四控制单元判断所接收到力的方向为前进方向时，则向第三控制单元发送所述前进信号；当判断所接收到力的方向为后退方向时，则向第三控制单元发送所述后退信号。

实施例3

在实施例1的基础上，一些实施例中，如图3所示，所述背板1上固定安装有第一转轴11，所述第一髋部连接杆3的第一端与所述第一转轴11可转动连接，所述第一旋转轴线为所述第一转轴11的中轴线；

所述第一髋部连接杆3上且对应第一转轴11安装有第一编码器12，所述第一编码器12用于检测所述第一髋部连接杆3转动的第一角度值θ

所述第一控制单元配置用于：

s11：接收所述第一角度值θ

s12：根据公式(一)计算第一夹角θ

θ

其中，θ

s13：判断所述第一夹角θ

具体的，所述第一编码器12具有第一编码器主体12-1和第一编码器轴12-2；所述第一编码器主体12-1固定安装在所述第一髋部连接杆3上，所述第一编码器轴12-2与所述第一转轴11固定连接。

在本实施例中，所述第一方向为对称设置的两个第一转轴11的连线；

具体的，当人体处于自然站立状态时，θ

具体的，所述θ

具体的，所述第一阈值范围可根据实际情况进行设置，例如第一阈值范围为73°至105°。

例如：第一转轴11转动的第一角度值θ

在一些实施例中，所述第一报警单元为安装在背板1上的第一蜂鸣器。

实施例4

在实施例3的基础上，一些实施例中，如图4所示，所述第一髋部连接杆3的第二端可转动安装有第二转轴31，所述第二髋部连接杆4的第一端与所述第二转轴31固定连接，所述第二旋转轴线为所述第二转轴31的中轴线；

所述第一髋部连接杆3上且对应所述第二转轴31安装有第二编码器32，所述第二编码器32用于检测所述第二转轴31转动的第二角度值θ

所述第二控制单元配置用于：

s21：接收所述第二角度值θ

s22：判断所述第二角度值θ

具体的，所述第二转轴31转动的第二角度值θ

具体的，所述第二编码器32具有第二编码器主体32-1和第二编码器轴32-2；所述第二编码器主体32-1固定安装在所述第一髋部连接杆3上，所述第二编码器轴32-2与所述第二转轴31固定连接。

具体的，所述第二阈值范围可根据实际情况进行设置，例如第二阈值范围θ

例如第二转轴31转动的第二角度值θ

在一些实施例中，所述第二报警单元为安装在背板1上的第二蜂鸣器。

实施例5

在实施例4的基础上，一些实施例中，如图5所示，所述背板1远离人体一侧安装有调节组件，所述调节组件包括：

第一调节座61，所述第一调节座61固定安装在所述背板1上；所述第一调节座61上设有第一滑动孔62；

调节板63，所述调节板63上设有第一安装孔64，所述第一安装孔64内安装有紧固件，所述紧固件可在所述第一滑动孔62内滑动并通过紧固螺母与所述第一滑动孔62固定连接；

其中，所述第一转轴11可转动安装在所述调节板63上。

具体的，所述第一转轴11设有两个且分别设置在所述调节板63两端。

具体的，所述调节板63倾斜设置且背板1所呈夹角中指向地面的角为锐角。

具体的，所述紧固件为快拆螺丝，所述快拆螺丝包括螺杆65-1、铰接于所述螺杆65-1一端的夹紧把手65-2、以及套设在所述螺杆65-1上的垫片65-3；所述夹紧把手65-2靠近所述螺杆65-1一端为偏心凸轮；使用时首先调节所述调节板63在所述第一调节座61上的位置，调节完成后将快拆螺丝依次插入至所述第一安装孔64、第一滑动孔62内并与所述紧固螺母66螺纹连接，连接完成后按压所述夹紧把手65-2，所述夹紧把手65-2上的偏心凸轮带动垫片65-3与所述调节板63紧固固定；当需要调节调节板63的位置时，向上掰动所述夹紧把手65-2，此时偏心凸轮施加在所述垫片65-3上的压力消失，可调节所述调节板63的位置，实现了快速拆装的作用。

具体的，所述背板1远离人体一侧上安装有第一固定板66，优选的，所述固定架66可采用亚克力板。

具体的，所述背板1顶部安装有第二固定板69，所述第二固定板69上用于安装电源模块等，所述第二固定板69与所述背板1之间安装有三角架，以提高结构强度。

在一些实施例中，如图6所示，所述背板1靠近人体一侧安装有靠垫13。

具体的，所述背板1沿平行于冠状面设置，所述背板1上沿竖直方向设置有第二滑动孔67，所述靠垫13上固定安装有第二调节座68，所述第二调节座68上设有用于与所述第二滑动孔67固定连接的第二安装孔。使用时可调节所述第二调节座68的安装位置，调节完成后通过紧固件将所述第二安装孔与第二调节孔67固定连接。

具体的，所述靠垫13与所述背板1之间安装有气囊7，所述第二调节座68上安装有弹簧，以起到缓冲的作用。所述气囊7通过绑带固定安装在所述靠垫13上，以减轻装置重量。

如图7所示，所述第一髋部连接杆3的结构具体为：

所述第一髋部连接杆3第一端设有两个第一安装板30-1，所述第一安装板30-1上设有用于与所述第一转轴11固定连接的第一连接孔30-2，两个所述第一安装板30-1分别设置于所述调节板63两侧；

所述第一髋部连接杆3第二端设有两个第二安装板30-3，所述第二安装板30-3上设有第二连接孔30-4，所述第二转轴31可转动安装在两个所述第二连接孔30-4内；

所述第一髋部连接杆3上设有第一减重孔30-5，以减轻装置重量。

如图8所示，所述第二髋部连接杆4的结构具体为：

所述第二髋部连接杆4第一端设置在两个所述第二安装板30-3之间且与所述第二转轴31固定连接。

所述第二髋部连接杆4上设有第二减重孔40-1，以减轻装置重量。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。