下肢助力外骨骼

一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节的制作

目前，对于人体下肢助力外骨骼机器人来讲，髋关节的设计是非常重要的一个环节。目前已有的髋关节设计大多是以串联结构为主，采用电机直接驱动或者液压缸直接驱动，这种设计方式虽然有一定的助力效果，但是对整个系统来说，起到的助力效果相对较小，而且采用主动驱动会增加外骨骼机器人的体积和重量，会引起更多不必要的做功，同时运动范围受限；也有一些外骨骼机器人的髋关节采用被动驱动，没有任何动力源，完全由穿戴者带动，这无疑会增加人体体能的消耗，虽然整个系统起到一定的助力效果，但是人体需要克服外骨骼的自身重力做功，还会影响运动能力。

技术实现要素：

本发明为解决现有下肢助力外骨骼机器人上的髋关节采用被动驱动，没有任何动力源，完全由穿戴者带动，导致人体体能的消耗增加的问题，而提出一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节。

本发明的一种用于下肢助力外骨骼机器人上的被动平衡髋关节，所述髋关节包括髋关节转轴座、上滑轮轴、下滑轮轴、上滑轮、下滑轮、钢丝、导向滑轮、钢丝固定件、导向滑轮座、弹簧下压板、一组平衡弹簧和弹簧上压板；

髋关节转轴座包括髋关节转轴和两个连接板，每个连接板的上方设有两个滑轮轴孔，每个连接板的下方设有一个腿髋连接轴孔，两个连接板平行设置，两个连接板对称设置在髋关节转轴的两侧，且两个连接板与髋关节转轴制成一体，上滑轮轴与下滑轮轴上下平行设置在两个连接板之间，上滑轮轴和下滑轮轴分别固装在相应的滑轮轴孔中，上滑轮通过轴承安装在上滑轮轴上，下滑轮通过轴承安装在下滑轮轴上，钢丝的下端先绕过下滑轮再绕过上滑轮后与钢丝固定件连接，钢丝的上端绕过导向滑轮后与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的下端与弹簧下压板连接，一组平衡弹簧的上端与弹簧上压板连接，导向滑轮固装在导向滑轮座中。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的髋关节为被动平衡关节，髋关节采用了平衡弹簧进行重力平衡，平衡弹簧在背部的弹簧的弹性势能与外骨骼的下肢重力势能相互平衡，达到人体不用克服外骨骼重力就可以在髋关节自由运动的效果，减少了不必要的能量消耗，利用钢丝实现了空间上的重力平衡，利用平衡弹簧进行重力平衡使得本发明结构简单、体积小、质量轻，满足了轻型化的设计标准。由于平衡弹簧的平衡作用，使得弹簧的弹性势能始终和外骨骼下肢的重力是能平衡。不管人体运动到任何姿态，都不需要人体出力维持姿态，不需要人体克服运动到外骨骼下肢的重力做功。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是髋关节转轴座C1的立体图；

图3是下肢助力外骨骼机器人的后视图(即本发明的髋关节与腰部B、背部A和大腿E连接的位置关系示意图)；

图4是图3的右视图。

图中：背部A、腰部B、弹簧调节板J、膝关节D、大腿E、小腿F、足部关节轴承G、足部H、腿髋连接轴I、膝关节连接轴K、绑腿塑料板L。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括髋关节转轴座C1、上滑轮轴C2、下滑轮轴C3、上滑轮C4、下滑轮C5、钢丝C6、导向滑轮C7、钢丝固定件C8、导向滑轮座C9、弹簧下压板C10、一组平衡弹簧C11和弹簧上压板C12；

髋关节转轴座C1包括髋关节转轴C1-1和两个连接板C1-2，每个连接板C1-2的上方设有两个滑轮轴孔C1-2-1，每个连接板C1-2的下方设有一个腿髋连接轴孔C1-2-2，两个连接板C1-2平行设置，两个连接板C1-2对称设置在髋关节转轴C1-1的两侧，且两个连接板C1-2与髋关节转轴C1-1制成一体，上滑轮轴C2与下滑轮轴C3上下平行设置在两个连接板C1-2之间，上滑轮轴C2和下滑轮轴C3分别固装在相应的滑轮轴孔C1-2-1中，上滑轮C4通过轴承安装在上滑轮轴C2上，下滑轮C5通过轴承安装在下滑轮轴C3上，钢丝C6的下端先绕过下滑轮C5再绕过上滑轮C4后与钢丝固定件C8连接，钢丝C6的上端绕过导向滑轮C7后与弹簧下压板C10连接，一组平衡弹簧C11的下端与弹簧下压板C10连接，一组平衡弹簧C11的上端与弹簧上压板C12连接，导向滑轮C7固装在导向滑轮座C9中。

使用时，见图3和图4，本发明的髋关节C需要两个，两个髋关节C对称设置在腰部B的两侧，且两个髋关节C与腰部B上的两个腰髋连接件B4一一对应，髋关节C上的髋关节转轴C1-1与腰部B上的腰髋连接件B3铰接，髋关节C上的弹簧上压板C12与弹簧调节板J通过连接元件连接，弹簧调节板J位于背部支撑件A1的上端，弹簧调节板J与背部支撑件A1通过连接元件连接，导向滑轮座C9与腰部B上的腰部固定板B2固连；两个大腿E与两个髋关节C一一对应，大腿E的上端通过腿髋连接轴I与髋关节C上的连接板C1-2铰接，髋关节C上的钢丝固定件C8固装在大腿E的外壁上。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式为一组平衡弹簧C11的数量为两个，且该两个平衡弹簧C11平行设置。该两个平衡弹簧C11并联起来平衡一侧的外骨骼下肢重力势能。弹簧调节板J通过调节背部支撑件A1的安装位置，来改变平衡弹簧C11的挂点，以改变平衡弹簧C11的伸长量、原长和刚度，从而达到在外骨骼下肢的重力势能变化的情况下，还能达到弹簧弹性势能与外骨骼重力势能平衡的效果。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式为钢丝C6外部设置有护套。钢丝C6与护套组合在一起成为鲍登线。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

工作原理：在大腿E绕髋关节C屈伸自由度旋转的时候，平衡弹簧C11的伸长量会发生变化，即平衡弹簧C11的长度会发生变化，通过计算设计，并进行合理的结构设计，可以达到不管下肢怎么旋转，下肢的重力势能都会和长度变化的弹簧的弹性势能保持势能的守恒，达到重力平衡的效果，使人体不用克服外骨骼的重力做功

一种外骨骼机器人的自锁关节的制作方法

近年来，针对老年人和下肢有运动障碍的病人进行康复训练的外骨骼机器人得到了应用和推广，它突破传统康复训练方法，将机器人主动控制技术和假肢“助走”功能结合，佩戴于肢体残疾人身上进行步态康复训练。传统的外骨骼机器人通常用于对身体存在残疾或者骨折病人的康复训练，存在使用功能单一的缺陷。

公开号为CN102670377A的中国发明专利公开了“一种外骨骼可穿戴式下肢康复训练机器人装置”，其仅仅是一种人体腰部以下的部位进行康复训练的医疗康复装置，且脚踏板无法适应人体在行走过程中脚掌与脚跟会形成周期性的扭转的特性，从而导致患者使用非常不舒适且存在康复效果不佳的问题；同时也存在结构复杂笨重的缺陷。授权公告号为CN101810533B的中国发明专利公开了“助行外骨骼康复机器人”，其虽然能够实现辅助行走的功能，但是同样存在机构复杂，制造成本较高的缺陷。

更重要的是，传统的外骨骼机器人为了保证使用者的身体姿态，通常会关节部位(例如膝盖、髋关节)采用大量的复杂的转轴机构或者价格昂贵的传感仪来检测人体姿态，以通过伺服机构等机械结构来调整外骨骼之间的相对位置关系。显然，上述现有技术存在结构复杂，成本较高的缺陷；并且在外骨骼机器人意外掉电时，上述机电一体化机构无法完成校正动作，导致外骨骼机器人存在坍塌、倾覆的风险。

有鉴于此，有必要对现有技术中的外骨骼机器人的自锁关节予以改进，以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于公开一种外骨骼机器人的自锁关节，用以简化结构，降低制造成本，提高装配该自锁关节的外骨骼机器人使用的可靠性与安全性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种外骨骼机器人的自锁关节，包括：呈圆柱状且内部中空的外壳，以及相对于外壳转动的枢转部；所述外壳的圆弧面上开设有弧形开口，在所述弧形开口的两侧分布对称设置且被外壳收容的固定块、驱动弹簧、滑块、止回弹块、止回基座、复位弹簧、磁性件及继电器；所述外壳的圆形端部的内部开设有用于夹持滑块的两个平行布置的滑槽；所述止回弹块与止回基座铰接，枢转部与位于自锁关节下方的支撑杆连接，支撑杆从弧形开口处伸出外壳的外侧；所述固定块通过驱动弹簧连接滑块，所述复位弹簧设置在止回弹块与止回基座之间，以向止回弹块提供径向弹力；向继电器短暂通电以形成磁极并吸引磁件，以带动止回弹块以枢转部为轴转动，使滑块在驱动弹簧的驱动下沿滑槽滑动并夹紧支撑杆；当停止向继电器通电后，继电器消磁，以使止回弹块在复位弹簧的驱动下复位，以限制滑块在滑槽内的滑动并通过止回弹块夹紧支撑杆。

作为本实用新型的进一步改进，所述滑块面向弧形开口的侧面包覆缓冲层。

作为本实用新型的进一步改进，所述缓冲层为毛毡或者橡胶。

作为本实用新型的进一步改进，所述弧形开口的圆心角为20～270度。

作为本实用新型的进一步改进，所述弧形开口的圆心角为90度～180度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过本实用新型，外骨骼机器人在主电源系统意外掉电后，可通过该自锁关节对支撑杆进行自锁，提高了该外骨骼机器人的安全性与可靠性，并实现了简化结构并降低制造成本的目的，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型外骨骼机器人的自锁关节的立体图；

图2为沿图1中所出的外骨骼机器人的自锁关节中的弧形开口处的横截面示意图；

图3为图2中标号为A处的放大图；

图4为滑块夹持支撑杆时沿图3中视角B方向的结构示意图；

图5为装配有外骨骼机器人的自锁关节的一种外骨骼机器人的立体图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

请参图1至图5所示出的本实用新型一种外骨骼机器人的自锁关节的一种具体实施方式。

参图5所示，该外骨骼机器人的自锁关节40安装于外骨骼机器人中能够相对转动的关节点。具体的，在图5中可在该外骨骼机器人的髋关节及膝关节处分别安装一个自锁关节40，用以实现在该外骨骼机器人的主电源系统意外断电后，通过该自锁关节40的自锁功保持腿部呈直立状态，从而确保整个外骨骼机器人不发生倾覆，提高外骨骼机器人使用的安全性与可靠性。

具体的，在本实施方式中，该外骨骼机器人的自锁关节40，包括：呈圆柱状且内部中空的外壳401，以及相对于外壳401转动的枢转部427，枢转部427设置于外壳401的内部。外壳401与位于上方的支撑杆501固定连接或者呈一体式结构，枢转部427中设置有转轴426。转轴426的延伸方向与外壳401的圆弧面的延伸方向平行设置，并与支撑杆501保持垂直状态。

外壳401的圆弧面上开设有弧形开口425，在所述弧形开口425的两侧分布对称设置且被外壳401收容的固定块413、驱动弹簧414、滑块420、止回弹块415、止回基座410、复位弹簧416、磁性件418及继电器K1(继电器K2)。位于该自锁关节40下方的支撑杆501与枢转部427呈一体式结构。枢转部427以转轴426为转动轴部，以实现支撑杆501在弧形开口425中相对于自锁关节40实现自由转动。该固定块413与止回基座410均设置于外壳401的内部并与外壳401固定设置。该磁性件418可选用铁或者镍制成。

同时，该弧形开口425的圆心角为20～270度，并进一步优选为90度～180度。弧形开口425的宽度大于该支撑杆501在弧形开口425中自由转动方向内的宽度，并在两侧形成约1mm的间隙，从而确保支撑杆501在弧形开口425中进行转动的灵活性。

参图2至图4所示，该外壳401的圆形端部的内部开设有用于夹持滑块420的两个平行布置的滑槽402。具体的，该滑槽402设置在如图1所示出的外壳401的两个平行布置的圆形端面的内部。

止回弹块415与止回基座410通过枢转部4151实现铰接，枢转部4151与位于自锁关节40下方的支撑杆501连接。支撑杆501从弧形开口425处伸出外壳401的外侧。固定块413通过驱动弹簧414连接滑块420。

具体的，该滑块420的横向两侧设置与滑槽402的横截面形状相配合的凸肋421，凸肋421可受控于驱动弹簧414在滑槽402中自由滑动。优选的，该凸肋421与滑槽402的横截面形状可为半圆形，也可为矩形或者其他形状，只要能够实现滑块420被外壳401所夹持并能够作圆弧形自由转动即可。

复位弹簧416设置在止回弹块415与止回基座410之间，以向止回弹块415提供径向弹力。该外骨骼机器人配置有两套电源系统，一套为主电源系统，另一套为备用电源系统。继电器K1(继电器K2)处于常闭状态，从而使得继电器K1的输出端419不形成磁性，从而无法吸引磁性件418。止回弹块415在复位弹簧416的作用下，径向向内张开，从而利用其表面所配置的斜面抵住止回弹块415沿滑槽402向支撑杆501的方向运动。

备用电源系统向继电器K1(继电器K2)短暂通电以形成磁极并吸引磁件418，以带动止回弹块415以枢转部4151为轴转动，使滑块420在驱动弹簧414的驱动下沿滑槽402滑动并夹紧支撑杆501；当停止向继电器通电后，继电器K1消磁，以使止回弹块415在复位弹簧416的驱动下复位，以限制止滑块420在滑槽402内的滑动并通过止回弹块415夹紧支撑杆501。

具体的，该主电源系统及备用电源系统可放置在如5所示的外骨骼机器人的背包中。

当主电源系统断电后，备用电源系统可在瞬间向继电器K1供电，使继电器K1的输出端419形成磁性，从而吸引磁性件418，从而克服复位弹簧416的弹力，以使止回弹块415沿着滑槽402向支撑杆501的方向运动。当滑块420越过止回弹块415的顶点后，备用电源系统停止向继电器K1的供电，从而使继电器K1的输出端419掉磁，使止回弹块415与磁性件418分离，并在复位弹簧416的驱动下，止回弹块415径向向内转动，以通过抵靠面4171顶住滑块420，滑块420顶住支撑杆501。

从而通过上述对称设置的固定块413、驱动弹簧414、滑块420、止回弹块415、止回基座410、复位弹簧416、磁性件418及继电器K1(继电器K2)，实现了在外骨骼机器人在主电源系统掉电后，通过该自锁关节40将支撑杆501夹紧，以防止外骨骼机器人的倾倒，从而提高了外骨骼机器人的安全性与可靠性。

在本实施方式中，该滑块420面向弧形开口425的侧面包覆缓冲层，该缓冲层为毛毡或者橡胶。缓冲层可包覆在抵靠面4171上，从而消除对称设置的两个滑块420相向运动并加紧支撑杆501时对支撑杆501所造成的冲击及噪音，进一步提高该外骨骼机器人的自锁关节40的舒适性及安全性。