一种可穿戴式助行机器人机构装置论文和设计-石志新

全文摘要

本实用新型涉及一种可穿戴式助行机器人机构装置。目前绝大多数助行机构存在以下不足：自由度与人体下肢匹配度不足，不能最大限度地拓展人的活动范围，而且单侧腿均为串联结构，稳定性较差。本实用新型涉及一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：腰部背板与腰部基座固定连接，第一移动副与连杆通过第四转动副连接,连杆与腰部连杆一端分别固定在第三转动副外表面上，腰部连杆与上大腿连杆通过第二转动副连接，下大腿连杆套接在上大腿连杆内，下大腿连杆与上小腿连杆通过第一转动副连接，下小腿连杆套接在上小腿连杆内，上球副与下球副通过第二移动副连接。本装置结构紧凑且可降低成本，其稳定性与安全性较一般的串联机构有显著增强。

主设计要求

1.一种可穿戴式助行机器人机构装置，包括腰带(1)、腰部背板(2)、腰部基座(3)、第一移动副(4)、第一连接件(5)、第一可开合圆环(6)、上球副(7)、第二移动副(8)、下球副(9)、第二可开合圆环(10)、第二连接件(11)、脚板(12)、下小腿连杆(13)、上小腿连杆(14)、第一转动副(15)、下大腿连杆(16)、上大腿连杆(17)、腰部连杆(18)、第二转动副(19)、第三转动副(20)、连杆(21)、第四转动副(22)；其特征在于：腰带(1)与腰部背板(2)固定连接，腰部背板(2)与腰部基座(3)固定连接，腰带(1)系于穿戴者腰部，第一移动副(4)与连杆(21)通过第四转动副(22)连接,第四转动副(22)的转动轴与第一移动副(4)一侧固定连接，连杆(21)与腰部连杆(18)一端分别固定在第三转动副(20)外表面上，第三转动副(20)的转动轴与腰部基座(3)一侧固定连接，腰部连杆(18)与上大腿连杆(17)通过第二转动副(19)连接，第二转动副(19)转动轴与腰部连杆(18)一侧固定连接，下大腿连杆(16)套接在上大腿连杆(17)内，下大腿连杆(16)与上小腿连杆(14)通过第一转动副(15)连接，下小腿连杆(13)套接在上小腿连杆(14)内，第一可开合圆环(6)通过第一连接件(5)与下小腿连杆(13)固定连接，第一可开合圆环(6)底部安装有三个上球副(7)，第二可开合圆环(10)顶部安装有三个下球副(9)，上球副(7)与下球副(9)通过第二移动副(8)连接，构成3-SPS并联机构，第二可开合圆环(10)与脚板(12)通过两侧对称的第二连接件(11)相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式助行机器人机构装置，其特征在于：第一移动副(4)为伸缩杆结构。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴式助行机器人机构装置，其特征在于：第一移动副(4)、第三转动副(20)、连杆(21)和第四转动副(22)组成四边形机构。

4.根据权利要求1所述的一种可穿戴式助行机器人机构装置，其特征在于：第三转动副(20)和第四转动副(22)轴线沿矢状轴方向，第二转动副(19)轴线沿额状轴方向，两者正交垂直。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴式助行机器人机构装置，其特征在于：下小腿连杆(13)、上小腿连杆(14)、下大腿连杆(16)和上大腿连杆(17)上设有可调节长度的安装孔。

6.根据权利要求1所述的一种可穿戴式助行机器人机构装置，其特征在于：将踝关节置于3-SPS并联机构内，根据踝关节处的结构特性，可构成3SPS\/S并联机构，相当于添加了一条天然的恰约束支链，使其具有三个转动自由度。

7.根据权利要求1所述的一种可穿戴式助行机器人机构装置，其特征在于：SPS支链可由UPS、PSS、RSS、RUS等支链替代。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及助行机器人技术领域，尤其是一种可穿戴式助行机器人机构装置。

背景技术

近年来，可穿戴式助行机器人在人体助力领域逐渐得到了广泛的认识，依据人体仿生学原理进行设计，主要应用在行动不便的病人、残疾人康复或医疗辅助等领域，多用来帮助残疾人的辅助行走及为正常人提供人体助力，具有辅助下肢运动，增强下肢机能等功能，具有良好的发展前景。申请号为200410053695.6的发明和申请号为200420081797.4的实用新型设计了一种双下肢共8自由度的机构。单下肢4自由度布位的构型方式相对于简化的人体单下肢7自由度，其自由度数较少；中国专利公告号101589983公开了一种“穿戴式下肢外骨骼装置”，该外骨骼装置双下肢共12个转动自由度，单下肢各6个自由度，分别为髋关节2个自由度，膝关节1个自由度，踝关节3个自由度。但是限于该装置单侧腿为串联6自由度结构，易由于惯性、脚力失衡等因素而导致机构失稳，稳定性较差。总的来说，目前绝大多数助行机构存在以下不足：自由度与人体下肢匹配度不足，不能最大限度地拓展人的活动范围，而且单侧腿均为串联结构，稳定性较差。

因此，需要设计出能较好匹配人体各关节自由度，同时具有较好的稳定性和安全性的机构。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型的目的是要克服现有机构装置的不足而提供的一种新型执行机构。本装置采用串并混联结构，集串联机构与并联机构的优点于一体，在满足人体下肢各关节的活动范围的同时，其稳定性、安全性较一般的串联结构有显著增强。

(二)技术方案

本实用新型的技术方案：一种可穿戴式助行机器人机构装置，包括腰带、腰部背板、腰部基座、第一移动副、第一连接件、第一可开合圆环、上球副、第二移动副、下球副、第二可开合圆环、第二连接件、脚板、下小腿连杆、上小腿连杆、第一转动副、下大腿连杆、上大腿连杆、腰部连杆、第二转动副、第三转动副、连杆、第四转动副；其中：腰带与腰部背板固定连接，腰部背板与腰部基座固定连接，腰带系于穿戴者腰部，第一移动副与连杆通过第四转动副连接,第四转动副的转动轴与第一移动副一侧固定连接，连杆与腰部连杆一端分别固定在第三转动副外表面上，第三转动副的转动轴与腰部基座一侧固定连接，腰部连杆与上大腿连杆通过第二转动副连接，第二转动副转动轴与腰部连杆一侧固定连接，下大腿连杆套接在上大腿连杆内，下大腿连杆与上小腿连杆通过第一转动副连接，下小腿连杆套接在上小腿连杆内，第一可开合圆环通过第一连接件与下小腿连杆固定连接，第一可开合圆环底部安装有三个上球副，第二可开合圆环顶部安装有三个下球副，上球副与下球副通过第二移动副连接，构成3-SPS并联机构，第二可开合圆环与脚板通过两侧对称的第二连接件相连。

一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：第一移动副为伸缩杆结构。

一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：第一移动副、第三转动副、连杆和第四转动副组成四边形机构。

一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：第三转动副和第四转动副轴线沿矢状轴方向，第二转动副轴线沿额状轴方向，两者正交垂直。

一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：下小腿连杆、上小腿连杆、下大腿连杆和上大腿连杆上设有可调节长度的安装孔。

一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：将踝关节置于3-SPS并联机构内，根据踝关节处的结构特性，可构成3SPS\/S并联机构，相当于添加了一条天然的恰约束支链，使其具有三个转动自由度。

一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：SPS支链可由UPS、PSS、RSS、RUS等支链替代。

(三)有益效果

本实用新型的优点在于：本实用新型为一种可穿戴式助行机器人机构装置，该机构有12个转动自由度，单下肢各6个自由度，可较好地拟合人体下肢正常步态行走时各关节的运动；髋关节的外展和内收运动由1个四边形机构实现，其最大特点及优势是只需使用1个驱动副便可实现其外展和内收运动，结构紧凑且可降低成本；踝关节处采用3-SPS机构通过3个驱动副来实现三个方向的转动，此种串并混联机构集串联机构与并联机构的优点于一体，在满足各转动副转动范围的情况下，其稳定性与安全性较一般的串联机构有显著增强。

除了上述所描述的目的、特征和优点外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型立体图。

图2是本实用新型第一可开合圆环和第二可开合圆环连接图。

图3是本实用新型第一移动副结构图。

附图标记：腰带1、腰部背板2、腰部基座3、第一移动副4、第一连接件5、第一可开合圆环6、上球副7、第二移动副8、下球副9、第二可开合圆环10、第二连接件11、脚板12、下小腿连杆13、上小腿连杆14、第一转动副15、下大腿连杆16、上大腿连杆17、腰部连杆18、第二转动副19、第三转动副20、连杆21、第四转动副22。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1、请参阅图1-图3，一种可穿戴式助行机器人机构装置，包括腰带1、腰部背板2、腰部基座3、第一移动副4、第一连接件5、第一可开合圆环6、上球副7、第二移动副8、下球副9、第二可开合圆环10、第二连接件11、脚板12、下小腿连杆13、上小腿连杆14、第一转动副15、下大腿连杆16、上大腿连杆17、腰部连杆18、第二转动副19、第三转动副20、连杆21、第四转动副22；其中：腰带1与腰部背板2固定连接，腰部背板2与腰部基座3固定连接，腰带1系于穿戴者腰部，第一移动副4与连杆21通过第四转动副22连接,第四转动副22的转动轴与腰部基座3固定连接，连杆21与腰部连杆18一端分别固定在第三转动副20外表面上，第三转动副20的转动轴与腰部基座3固定连接，腰部连杆18与上大腿连杆17通过第二转动副19连接，下大腿连杆16套接在上大腿连杆17内，下大腿连杆16与上小腿连杆14通过第一转动副15连接，下小腿连杆13套接在上小腿连杆14内，第一可开合圆环6通过第一连接件5与下小腿连杆13固定连接，第一可开合圆环6底部安装有三个上球副7，第二可开合圆环10顶部安装有三个下球副9，上球副7与下球副9通过第二移动副8连接，构成3-SPS并联机构，第二可开合圆环10与脚板12通过两侧对称的第二连接件11相连。

实施例2、请参阅图1和图3，一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：第一移动副4为伸缩杆结构，能自由收缩和拉长。其余同实施例1。

实施例3、请参阅图1，一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：第一移动副4、第三转动副20、连杆21和第四转动副22组成四边形机构，第一移动副4作为驱动副，从而实现髋关节的外展和内收运动。其余同实施例1。

实施例4、请参阅图1，一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：第三转动副20和第四转动副22轴线沿矢状轴方向，第二转动副19轴线沿额状轴方向，两者正交垂直。其余同实施例1。

实施例5、请参阅图1，一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：下小腿连杆13、上小腿连杆14、下大腿连杆16和上大腿连杆17上设有可调节长度的安装孔，通过螺钉固定，实现不同腿部长度，从而保证各关节的同轴性。其余同实施例1。

实施例6、请参阅图1和图2，一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：将踝关节置于3-SPS并联机构内，根据踝关节处的结构特性，可构成3SPS\/S并联机构，相当于添加了一条天然的恰约束支链，使其具有三个转动自由度。其余同实施例1。

实施例7、请参阅图1和图2，一种可穿戴式助行机器人机构装置，其中：SPS支链可由UPS、PSS、RSS、RUS等支链替代。其余同实施例1。

工作原理：

当左肢处于着地状态时，将第一移动副4置为驱动副，通过第四转动副22和第三转动副20便可实现右肢的外展和内收，同理可实现左肢的外展和内收；腰部连杆18一端与上大腿连杆17通过第二转动副19连接，可实现髋关节的屈伸，同理左侧亦可实现髋关节的屈伸；下大腿连杆16与上小腿连杆14通过第一转动副15连接，可实现膝关节的屈伸；上球副7与下球副9通过第二移动副8连接，构成3-SPS并联机构，穿戴者通过第一可开合圆环6和第二可开合圆环10，可将穿戴者踝关节置于圆环内，将三个第二移动副8置为驱动副，该机构便可实现三个方向的转动；脚部分别置于两侧脚板，具有良好的可穿戴性。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

设计图

一种可穿戴式助行机器人机构装置论文和设计

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主设计要求

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