一种髋部调节装置及负载机动型外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及负载机动型外骨骼驱动技术手领域，尤其涉及一种髋部调节装置及负载机动型外骨骼机器人。

背景技术

目前，负载机动型外骨骼驱动方式一般为液压驱动，相对轻载机动外骨骼重量大，与人体匹配度调节不便，而外骨骼髋部尺寸不合适会造成穿戴者强烈的不舒适感，人机动作灵活度差，降低外骨骼的助力效率。目前现有的外骨骼机器人髋部调节装置由于自身重量大、调节方式繁琐等原因，外骨骼需要在不穿戴的情况下根据穿戴者的髋部尺寸进行调节，然后穿戴者再进行试穿，一般需要进行多次调节才能符合穿戴者的要求，带来一定程度的不便。

本发明涉及一种负重助力外骨骼髋部调节装置，通过该装置穿戴者可以在穿戴外骨骼进行快速调节，匹配人体的髋部尺寸，人增强了外骨骼的调节便捷性，优化整机的性能，提高外骨骼的运动助力效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种髋部调节装置及负载机动型外骨骼机器人，解决髋部尺寸调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种髋部调节装置，包括左髋构件和右髋构件，所述左髋构件和右髋构件通过调节杆和与所述调节杆相配合的铰链连接在一起；所述调节杆的一端安装在所述左髋构件上，另一端螺纹插接在所述铰链上；所述铰链远离所述调节杆的一端铰接在背板上，所述背板上通过对称铰接的铰链安装在所述右髋构件上；所述铰链上设置有用于调节调节杆长度的调节联动圆筒。

优选的，所述调节杆通过内轴承和外轴承安装在轴承座上，所述轴承座安装在所述左髋构件上。

优选的，所述调节联动圆筒通过锁死装置安装在所述铰链上。

优选的，所述铰链上开设有供所述调节杆移动的中心空腔，中心空腔的长度长于调节杆的长度。

优选的，所述调节联动圆筒的内侧壁上设置有内螺纹，所述调节杆的外侧壁上设置有与所述调节联动圆筒的内螺纹相配合的外螺纹。

优选的，所述铰链横截面为矩形，与其对应连接的右髋构件上的通孔为矩形孔。

优选的，所述铰链开设有与所述锁死装置相匹配的槽口。

优选的，所述背板上设置有供所述铰链铰接用的铰接轴。

优选的，所述调节杆与所述左髋构件连接的一端设置有凸环，所述内轴承和外轴承分别安装在所述凸环的左右两侧。

优选的，所述中心空腔的长度长于所述调节杆的长度。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

该发明提供的髋部调节装置通过调节杆在铰链内的移动移动实现快速调节，且可通过调节联动圆筒和锁死装置的配合，实现固定调节，即髋部调节装置结构简捷紧凑，适应不同体型的穿戴者，增强了外骨骼的匹配性。另外，穿戴者不需要脱下外骨骼就可调节，调节方式简便，对促进负重助力外骨骼髋部调节装置便捷性、适应性设计有积极的意义。总之，通过该装置穿戴者可以在穿戴外骨骼进行快速调节，匹配人体的髋部尺寸，人增强了外骨骼的调节便捷性，优化整机的性能，提高外骨骼的运动助力效率。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例提供的髋部调节装置爆炸图；

图2为本发明实施例提供的髋部调节装置局部剖视图。

附图标记说明：1、左髋构件；2、轴承座；3、外轴承；4、内轴承；5、调节杆；6、调节联动圆筒；7、铰链；8、背板；9、右髋构件；10、锁死装置。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

详见图1-2所示，一种髋部调节装置，包括左髋构件1和右髋构件9，所述左髋构件1和右髋构件9通过调节杆5和与所述调节杆5相配合的铰链7连接在一起。所述调节杆5的一端安装在所述左髋构件1上，另一端螺纹插接在所述铰链7上。所述调节杆5通过内轴承4和外轴承3安装在轴承座2上，所述调节杆5与所述左髋构件1连接的一端一体成型有凸环，所述内轴承4和外轴承3分别安装在所述凸环的左右两侧。所述轴承座2安装在所述左髋构件1上，内外轴承可以保证调节杆5旋转的稳定性。

所述铰链7远离所述调节杆5的一端铰接在背板8上，所述背板8上通过对称铰接的铰链7安装在所述右髋构件9上，所述背板8上安装有供所述铰链7铰接用的铰接轴，即背板8上左右对称铰接有铰链7，左侧铰链7连接有右髋构件9，右侧铰链7连接有调节杆5。所述铰链7横截面为矩形，与其对应连接的右髋构件9上的通孔为矩形孔。

所述铰链7上安装有用于调节调节杆5长度的调节联动圆筒6。所述铰链7上开设有供所述调节杆5移动的中心空腔，所述中心空腔的长度长于所述调节杆5的长度，保证调节杆5可以随意调节长度。所述调节联动圆筒6通过锁死装置10安装在所述铰链7上，锁死装置10在本次实施例中采用的是顶紧螺栓，通过旋转顶紧螺栓，实现调节联动圆筒6在铰链7上是活动还是固定不动。所述铰链7开设有与所述锁死装置10相匹配的槽口，锁死装置10提高了髋部调节限位便捷性。所述调节联动圆筒6的内侧壁上安装有内螺纹，所述调节杆5的外侧壁上安装有与所述调节联动圆筒6的内螺纹相配合的外螺纹。

本发明的使用过程如下：

需要调节髋部尺寸的时候，通过松开锁死装置10，正反转旋转调节杆5，调整左右髋结构之间的尺寸，使得尺寸进行精确调节，更好地与人体匹配，提高了穿戴舒适度和动作灵活度。当达到合适的尺寸之后，停止旋转，用锁死装置10锁死调节杆5相对于铰链7的位置，实现固定，完成调节。改进了传统调节方式繁琐，费时耗力，以及调节方式无法实现穿戴者穿戴外骨骼的情况下实时连续调节的问题；实现更好的人机匹配性，保障了外骨骼的助力效果，且结构简单，重量轻，降低成本。

本发明实施例还提供一种负载机动型外骨骼机器人，负载机动型外骨骼机器人至少包括膝关节外骨骼、液压驱动系统以及髋部调节装置。液压驱动系统用于为膝关节外骨骼和髋部调节装置提供助力。髋部调节装置为本发明实施例提供的髋部调节装置。

上述液压驱动系统可以包括供液单元、第一液压缸、第一控制阀单元、第二液压缸和第二控制阀单元。其中，供液单元用于输出液压油，以驱动第一液压缸和第二液压缸。第一控制阀单元用于控制由供液单元供给至第一液压缸的液压油的流量。当穿戴者站立时，第一控制阀单元控制第一液压缸处于伸出状态。当穿戴者行走时，第一控制阀单元控制第一液压缸处于伸/曲循环状态。第二控制阀单元用于控制由供液单元供给至第二液压缸的液压油的流量。当穿戴者站立时，第二控制阀单元控制第二液压缸处于伸出状态。当穿戴者行走时，第二控制阀单元控制第二液压缸处于伸/曲循环状态。

与现有技术相比，将本发明提供的液压驱动系统应用于外骨骼，且外骨骼至少包括髋关节、膝关节和踝关节时，可以将第一液压缸与膝关节外骨骼动力连接，利用第一液压缸的伸/缩驱动膝关节的伸/曲。将第二液压缸与髋部调节装置动力连接，利用第二液压缸的伸/缩驱动髋部调节装置的伸/曲。

由于在人体正常行走时，髋、膝、踝关节主要在矢状面内运动，其中，踝关节所需力矩小，能量消耗主要产生于髋、膝关节。因此，本发明提供的液压驱动系统针对所需力矩小的踝关节不设计驱动。也就是说，外骨骼下肢设计为单腿双自由度(应理解，此处的双自由度包括膝关节自由度和髋关节自由度)的驱动方式，在符合人体骨骼运动特征的同时，最大限度降低液压驱动系统的能量消耗，以达到外骨骼与人体运动的巧妙融合。

当穿戴者站立时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆伸出，进而使膝关节处于直立状态，以为穿戴者的膝关节提供助力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，供液单元还可以向第二液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第二液压缸所具有的活塞杆伸出，进而使髋部调节装置处于伸直状态，以为穿戴者的髋关节提供助力。

从以上应用过程可知，利用供液单元、第一控制阀单元和第一液压缸可以为膝关节提供满足其需求的驱动力，同时，利用供液单元、第二控制阀单元和第二液压缸可以为髋部调节装置提供满足其需求的驱动力。基于此，可以实现对外骨骼的助力。另外，第一液压缸和第二液压缸共用一个供液单元，从整体上简化液压驱动系统的情况下，可以减小液压驱动系统的体积，以及减轻液压驱动系统的重量。

当穿戴者行走且处于伸腿状态时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆伸出，同时在第一液压缸所具有的活塞杆的推动下，第一液压缸的有杆腔内的液压油回流至供液单元。基于此，膝关节外骨骼随穿戴者膝关节的伸直而逐渐伸直，为穿戴者膝关节的伸直提供驱动力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，供液单元向第二液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第二液压缸所具有的活塞杆伸出。基于此，髋部调节装置随穿戴者髋关节的伸直而逐渐伸直，为穿戴者髋关节的伸直提供驱动力。

当穿戴者行走且处于曲腿状态时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的有杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆缩回，同时在第一液压缸所具有的活塞杆的推动下，第一液压缸的无杆腔内的液压油回流至供液单元。基于此，膝关节外骨骼随穿戴者膝关节的收回而逐渐缩回，为穿戴者膝关节的缩回提供驱动力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，第二液压缸所具有的活塞杆缩回。基于此，髋部调节装置随穿戴者髋关节的收回而逐渐缩回，为穿戴者髋关节的缩回提供驱动力。

从以上应用过程可知，本发明提供的液压驱动系统在穿戴者行走时，可以驱动膝关节外骨骼和髋部调节装置随穿戴者的行走状态呈伸/曲循环状态，以提高外骨骼运动的灵活度。

作为一种可能的实现方式，第一液压缸和第二液压缸均具有压力阈值。液压驱动系统还包括安全阀，设置在供液单元的出口处。当第一液压缸和第二液压缸的实测压力大于或等于压力阈值时，利用所述安全阀溢流。

作为一种可能的实现方式，液压驱动系统还包括压力信号测量单元，压力信号测量单元用于测量第一液压缸和第二液压缸所具有的无杆腔和有杆腔之间的压差信号。通信单元，通信单元用于接收第一液压缸的压差信号以及第二液压缸的压差信号。处理单元，在接收由通信单元发送的第一液压缸的压差信号以及第二液压缸的压差信号的情况下，生成第一控制信号和第二控制信号。通信单元还用于向第一控制阀单元发送第一控制信号，第一控制阀单元用于根据第一控制信号控制进入第一液压缸内的液压油的流量。通信单元还用于向第二控制阀单元发送第二控制信号，第二控制阀单元用于根据第二控制信号控制进入第二液压缸内的液压油的流量。

作为一种可能的实现方式，第一控制阀单元包括第一电磁阀和第二电磁阀；第一电磁阀和第二电磁阀均设置在供液单元和第一液压缸之间。第一电磁阀和第二电磁阀并联。第二控制阀单元包括第三电磁阀和第四电磁阀。第三电磁阀和第四电磁阀均设置在供液单元和第二液压缸之间。第三电磁阀和第四电磁阀并联。当穿戴者站立时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于伸出状态。第三电磁阀打开以驱动第二液压缸处于伸出状态。第二电磁阀和第四电磁阀关闭。当穿戴者行走且曲腿时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于曲回状态。第三电磁阀打开以使第二液压缸处于曲回状态。第二电磁阀和第四电磁阀打开。

当穿戴者行走且伸腿时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于伸出状态；第三电磁阀打开以驱动第二液压缸处于伸出状态；第二电磁阀和第四电磁阀打开。

作为一种可能的实现方式，供液单元包括油箱，与油箱连通的电机泵，电机泵将液压油从油箱吸出以供给至第一液压缸和第二液压缸。油箱还用于回收第一液压缸和第二液压缸溢出的液压油。

作为一种可能的实现方式，供液单元还包括过滤器，过滤器设置在油箱和电机泵之间，和/或，过滤器设置在电机泵与第一控制阀单元和第二控制阀单元之间。

作为一种可能的实现方式，液压驱动系统还包括一体式壳体，一体式壳体上至少集成有第一液压缸、第一控制阀单元、第二液压缸和第二控制阀单元。

为了确保髋部调节装置活动自由度，本发明实施例提供的液压驱动系统还包括油管销，第二液压缸可以通过油管销可转动的安装在一体式壳体上，油管销内部设置有通道，与一体式壳体内部的通道一起构成管路。也就是说，油管销一方面可以作为安装第二液压缸的安装件使用，另一方面可以作为管路的一部分使用。基于此，可以实现一个构件两种用途的目的，以从整体上简化液压驱动系统的结构、减小液压驱动系统的体积以及减轻液压驱动系统的重量。

具体的，油管销包括油管销本体、密封盖、有杆腔连接孔和无杆腔连接孔。油管销可转动的安装在一体式壳体后，第二液压缸所具有的有杆腔与有杆腔连接孔连通，第二液压缸所具有的无杆腔与无杆腔连接孔连通。也就是说，通过有杆腔连接孔和无杆腔连接孔在第二液压缸和第二控制阀单元之间形成进油回路和回油回路。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。