本发明专利技术公开了一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，其由髋关节组件、膝关节组件和踝关节组件构成。髋关节组件的A连接件安装在膝关节组件的A连接件上，膝关节组件的两根丝杠安装在踝关节组件的踝关节的转动轴上。踝关节组件的A连接件上安装有脚板。本发明专利技术设计的膝关节组件在虚拟点处具有平动和转动两个自由度，且运动时没有被机械结构所限制。本发明专利技术的膝关节并非简单的转动铰链或球铰，其运动是根据仿生运动原理来实现的，能够随时根据康复机器人系统的控制需求的设定而变化，这就使得外骨骼在跟随人体运动的过程中，减小了外骨骼对膝关节不协调的作用力，从而降低了对人体膝关节的伤害。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种属于康复机器人系统的机械下肢装置，更特别地说，是指一种具 有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体。
技术介绍
康复机器人系统的下肢外骨骼的设计过程中最主要的任务是设计髋关节、膝关节 以及踝关节的结构，确定驱动器、传感器型号、位置及安装形式。通过对人体生理结构的研 究，髋关节为球窝关节，转动过程中旋转中心的变化不明显。踝关节虽然为复合关节，但其 在行走过程中转动角度小，因此旋转中心的变化也不明显。这两个部分的外骨骼关节被认 为可以简化为绕固定转轴转动的单一关节。而膝关节是双面关节，在行走过程中屈伸运动 的幅度较大（〇~60° )，收展运动和旋转运动的幅度较小。膝关节的屈伸运动时一种复合 的运动，能够分解为平移和转动，在膝关节屈伸运动幅度较大时，其旋转中心位移明显，对 于患有骨关节炎疾病的病人，膝关节旋转瞬心的变化更为剧烈且没有统一的规律。 如果把外骨骼关节简化为单一转轴，在运动过程中外骨骼小腿部分绕外骨骼膝关 节的固定转轴转动，人体膝关节与外骨骼关节的转动瞬心会发生偏离，不能保证随时重合， 使得人的下肢与外骨骼之间出现相对位移，并且在两者绑定的位置产生额外的力和力矩。 虽然两者间的相对运动被肌肉等软组织形变所补偿，但是作用力和作用力矩对康复过程产 生不良的影响，使病人下肢的运动和出力不自然，影响最终的康复效果，甚至有可能对病人 造成严重的二次伤害。所以有必要考虑使用一种新的膝关节构型来解决膝关节运动过程中 不对称问题。 由于单独膝关节外骨骼小腿部分的运动空间为一圆弧，运动过程中其瞬心位置固 定在外骨骼膝关节转轴的轴心上，无法做到随人体膝关节旋转瞬心的变化而变化，所以需 要新构型拥有一个可自由调整的膝关节旋转中心和一个允许生成复杂末端运动轨迹的工 作空间，使其能满足下肢运动时对工作空间的基本要求，又有足够的空间对轨迹进行调整。
技术实现思路
为了改善现有康复机器人系统中膝关节部位采用转动铰链或球铰来实现只能转 动，而不能平动的问题，本专利技术设计了一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体。该下肢外 骨骼为一平面的二自由度并联仿生机构，能够精确地模拟人的膝关节的运动。在膝关节组 件的虚拟点U处采用两套直线驱动器来驱动，驱动器由旋转电机和滚珠丝杠构成。两个驱 动器的上端分别连接在类似于大腿的膝关节A连接件的两个转轴上，下端同轴连接在踝关 节转动轴上下肢外骨骼小腿后部，从而构成了一个以膝关节为中心的并联仿生机构，该机 构可以通过带动小腿末端（即鞋板组件）按照人体标准步态运动，来精确地模拟人体膝关 节的复杂耦合运动，而不会给人以额外的作用力，减小对人体膝关节的伤害。 本专利技术的一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，在所述下肢外骨骼的末端连 接有脚板组件；所述的下肢外骨骼结构体包括有髋关节组件、膝关节组件和踝关节组件； 膝关节组件包括有膝关节A驱动部分、膝关节B驱动部分和膝关节固定装配部分；所述的膝 关节A驱动部分由膝关节A电机、膝关节A电机座、膝关节A滑套、膝关节A丝杠套、膝关节 A丝杠构成；所述的膝关节固定装配部分包括有AA转动轴、AB转动轴、AA编码器、AB编码 器、AA滚珠轴承、AB滚珠轴承、AC滚珠轴承、AD滚珠轴承、膝关节A连接件、膝关节B连接 件、膝关节C连接件、膝关节D连接件、膝关节E连接件、膝关节F连接件、膝关节G连接件、 膝关节H连接件、膝关节I连接件、膝关节J连接件、膝关节K连接件和膝关节L连接件；髋 关节组件包括有髋关节驱动部分和髋关节固定装配部分；所述的髋关节驱动部分由髋关节 电机、髋关节电机座、髋关节滑套、髋关节丝杠套、髋关节丝杠构成；所述髋关节固定装配部 分包括有BA转动轴、BB转动轴、BA编码器、BB编码器、髋关节A连接件、髋关节B连接件、 髋关节C连接件、髋关节D连接件、髋关节E连接件、髋关节F连接件、髋关节G连接件、髋 关节H连接件、髋关节I连接件和髋关节J连接件；踝关节组件包括有踝关苄基座、踝关节 A连接件、踝关节B连接件、踝关节C连接件、小腿连接件、踝关节转动轴、踝关节编码器、CA 滚珠轴承、CB滚珠轴承、CC滚珠轴承、CD滚珠轴承和CA挡圈。【附图说明】 图1是本专利技术具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的外部结构图。 图IA是本专利技术具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的右视图。 图IB是本专利技术具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的左视图。 图2是本专利技术中踝关节组件的结构图。 图2A是本专利技术中踝关节组件的分解图。 图2B是本专利技术中踝关节组件的转动轴与编码器、轴承之间的装配图。 图2C是本专利技术中踝关节组件的基座结构图。 图3是本专利技术中髋关节组件的分解图。 图3A是本专利技术髋关节组件中A、G、H、I连接件与BB转动轴的装配图。 图3B是本专利技术髋关节组件中A、G、H、I连接件与BB转动轴的灰度图。 图3C是本专利技术髋关节组件中A、G、H、I连接件与BB转动轴，且加载膝关节A连接 件的灰度图。 图3D是本专利技术髋关节组件中的E连接件的结构图。 图3E是本专利技术髋关节组件中的F连接件的结构图。 图3F是本专利技术髋关节组件中的C连接件的结构图。 图3G是本专利技术髋关节组件中的D连接件的结构图。 图3H是本专利技术髋关节组件中的G连接件的结构图。 图31是本专利技术髋关节组件中的J连接件的结构图。 图4是本专利技术中膝关节组件的结构图。 图4A是本专利技术中膝关节组件的分解图。 图4B是本专利技术膝关节组件中B、E、G连接件与AA转动轴的装配图。 图4C是本专利技术膝关节组件中B、E、G连接件与AA转动轴的灰度图。 图4D是本专利技术膝关节组件中D、F、H、I连接件与AB转动轴的装配图。 图4E是本专利技术膝关节组件中D、F、H、I连接件与AB转动轴的灰度图。 图4F是本专利技术膝关节组件中的膝关节A丝杠接头的结构图。 图4G是本专利技术膝关节组件中的膝关节B丝杠接头的结构图。 图4H是本专利技术膝关节组件中的E连接件的结构图。 图41是本专利技术膝关节组件中的F连接件的结构图。 图4J是本专利技术膝关节组件中的B连接件的结构图。 图4K是本专利技术膝关节组件中的膝关节G连接件的结构图。 图4L是本专利技术膝关节组件中的D连接件的结构图。 图4M是本专利技术膝关节组件中的H连接件的结构图。 图5是本专利技术的具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的内屈结构图。 图6是本专利技术的具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的外伸结构图。 图7是本专利技术的具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的步态示意图。 【具体实施方式】 下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。 参见图1、图1A、图IB所示，本专利技术设计了一种应用于康复机器人系统中的、且具 有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，其包括有髋关节组件2、膝关节组件1和踝关节组件3。 为了便于理解，在下肢外骨骼结构体的执行末端安装了脚板组件4。根据所述脚板组件4的 安装方向能够判断出图1所示为康复机器人系统中的右膝关节的下肢外骨骼结构体。本发 明下肢外骨骼结构体的坐标系定义是，以沿髋关节上的丝杠运动方向为X轴的，以沿膝关 节上的A连接件的竖直方向为Y轴的，在满足右手定则下构建坐标系0ΧΥ。将髋关节滑套 23向膝关节A连接件IA靠近为沿X轴的负方向（即-X轴），将髋关节滑套23远离膝关节 A连接件IA为沿X轴的正方向（即+X轴）。 膝关节组本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，在所述下肢外骨骼的末端连接有脚板组件(4)；其特征在于：所述的下肢外骨骼结构体包括有髋关节组件(2)、膝关节组件(1)和踝关节组件(3)；膝关节组件(1)包括有膝关节A驱动部分、膝关节B驱动部分和膝关节固定装配部分；髋关节组件(2)包括有髋关节驱动部分和髋关节固定装配部分；踝关节组件(3)包括有踝关节基座(3A)、踝关节A连接件(3B)、踝关节B连接件(3C)、踝关节C连接件(3D)、小腿连接件(3E)、踝关节转动轴(31)、踝关节编码器(31A)、CA滚珠轴承(31B)、CB滚珠轴承(31C)、CC滚珠轴承(31D)、CD滚珠轴承(31E)和CA挡圈(31F)；踝关节转动轴(31)的一端固定安装踝关节编码器(31A)，踝关节转动轴(31)的另一端上套接有四个滚珠轴(31B、31C、31D、31E)及CA挡圈(31F)；踝关节A连接件(3B)上设有CA竖板(3B1)和横板(3B2)；CA竖板(3B1)与踝关节基座(3A)的外凸安装板(3A2)通过螺钉固定；横板(3B2)插入踝关节B连接件(3C)的凹槽(3C1)内，且通孔螺钉固定；踝关节B连接件(3C)上设有凹槽(3C1)、CA支撑板(3C2)、CB支撑板(3C3)和竖板(3C4)，CA支撑板(3C2)与CB支撑板(3C3)相对设置在竖板(3C4)的一侧面，且CA支撑板(3C2)与CB支撑板(3C3)之间有凹槽(3C1)；踝关节C连接件(3D)上设有挡板(3D1)；所述挡板(3D1)的中部设有CD通孔(3D2)，该CD通孔(3D2)用于踝关节转动轴(31)的一端穿过，穿过CD通孔(3D2)后的踝关节转动轴(31)上安装有踝关节编码器(31A)；所述挡板(3D1)的外沿四周设有CA凸爪(3D3)、CB凸爪(3D4)、CC凸爪(3D5)和CD凸爪(3D6)，其中CA凸爪(3D3)与CB凸爪(3D4)的结构相同，CC凸爪(3D5)与CD凸爪(3D6)的结构相同；CA凸爪(3D3)用于与膝关节B丝杠(15B)的AX凸台(15B4)固定；CB凸爪(3D4)用于与膝关节B丝杠(15B)的AY凸台(15B5)固定；CC凸爪(3D5)和CD凸爪(3D6)用于固定踝关节编码器(31A)；小腿连接件(3E)上安装有CA支架(3E1)和CB支架(3E2)，CA支架(3E1)上安装有CC支架(3E3)，CB支架(3E2)上安装有CD支架(3E4)；所述的膝关节A驱动部分由膝关节A电机(11A)、膝关节A电机座(12A)、膝关节A滑套(13A)、膝关节A丝杠套(14A)、膝关节A丝杠(15A)构成；膝关节A丝杠(15A)的连接端(15A1)上设有AA轴承通孔(15A2)、AB轴承通孔(15A3)；AA轴承通孔(15A2)用于放置CA滚珠轴承(31B)；AB轴承通孔(15A3)用于放置CB滚珠轴承(31C)；膝关节A电机(11A)的机壳固定在膝关节A电机座(12A)上，膝关节A电机座(12A)固定在膝关节A滑套(13A)的一端，膝关节A滑套(13A)的另一端与膝关节A丝杠套(14A)的一端固定，膝关节A丝杠套(14A)的连接端(14A1)固定在AA转动轴(16)上，膝关节A丝杠(15A)的连接端(15A1)通过BA滚珠轴承(31B)、BB滚珠轴承(31C)与踝关节转动轴(31)实现连接，膝关节A丝杠(15A)的另一端穿过膝关节A电机座(12A)、膝关节A滑套(13A)后置入膝关节A丝杠套(14A)内；所述膝关节A丝杠套(14A)的连接端(14A1)上设有AA通孔(14A2)，该AA通孔(14A2)用于放置AA转动轴16；所述膝关节A丝杠(15A)的连接端(15A1)上设有AA轴承通孔(15A2)、AB轴承通孔(15A3)；该AA轴承通孔(15A2)用于放置CA滚珠轴承(31B)，该AB轴承通孔(15A3)用于放置CB滚珠轴承(31C)；所述膝关节B驱动部分由膝关节B电机(11B)、膝关节B电机座(12B)、膝关节B滑套(13B)、膝关节B丝杠套(14B)、膝关节B丝杠(15B)构成；膝关节B丝杠15B的连接端15B1上设有AC轴承通孔15B2、AD轴承通孔15B3、AX凸台15B4、AY凸台15B5；AC轴承通孔15B2用于放置CC滚珠轴承31D；AD轴承通孔15B3用于放置CD滚珠轴承31E；AX凸台15B4用于安装膝关节F连接件1F的AE凸爪1F3；AY凸台15B5用于安装膝关节F连接件1F的AF凸爪1F4；膝关节B电机11B的机壳固定在膝关节B电机座12B上，膝关节B电机座12B固定在膝关节B滑套13B的一端，膝关节B滑套13B的另一端与膝关节B丝杠套14B的一端固定，膝关节B丝杠套14B的连接端14B1固定在AB转动轴17上，膝关节B丝杠15B的连接端15B1...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王建华，徐颖俊，吕明星，廖超，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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