一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构制造技术

本发明专利技术公开了一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，该连接机构通过在外骨骼小腿及足部位置设置移动副来约束人体脚部及小腿，并在外骨骼腰部设置平面副来约束人体腰部，通过两个移动副以及一个平面副即可实现外骨骼与人体的连接，简化机构组成。替代传统的绑带式连接，可以适应人体与机器人外骨骼之间的关节对准误差与肢体长度误差，有效减小人机之间的约束力，提高外骨骼机器人的穿戴舒适度。

【技术实现步骤摘要】
一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构
本专利技术属于外骨骼机器人设计
，具体涉及一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构。
技术介绍
外骨骼机器人对帮助中风、偏瘫病人的康复具有重要的意义。当前人体与外骨骼机器人之间主要采用绑带式连接方式，由于人体下肢的刚柔耦合生物特性以及不同个体间的肢体长度差异，使得人体和外骨骼之间在运动学上并不完全匹配，在运动过程中会产生关节对准误差。而依靠连接部分的弹性变形以及肢体表面组织的变形来适应误差，势必会增加人机之间的约束力，让穿戴者产生不适感，甚至对患者造成二次伤害。面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构可使外骨骼机器人适应关节对准误差，减小人机约束力。该方面的研究近年来也引起了学者越来越多的重视。专利“一种具有人-机运动相容性的下肢康复训练机器人机构(专利号CN201110196558.8)”提出在人机连接环节中增加连接关节，设计出一种人机连接机构，如图1所示。机构中，在外骨骼机构与人体大腿之间增加了移动副4和胡克铰5，在外骨骼机构与人体小腿之间增加了移动副6、移动副7、球副8。移动副4和移动副6分别沿外骨骼机构的大、小腿构件移动，移动副7沿垂直于外骨骼机构小腿构件的导路移动。胡克铰5的两条正交回转轴线均垂直于人体大腿，且其中一条轴线平行于关节2的回转轴线。采用这种结构可降低外骨骼机器人与人体关节对准要求，提高穿戴舒适性。但这种结构相对复杂，不易实现。因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的人机柔顺连接机构，简化机构组成，可以适应人体与机器人外骨骼之间的关节对准误差与肢体长度误差，有效减小人机之间的约束力，提高人体舒适度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，简化机构组成，可以适应人体与机器人外骨骼之间的关节对准误差与肢体长度误差，有效减小人机之间的约束力，提高人体舒适度。根据本专利技术的目的提出的一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，人机柔顺连接机构至少在人体脚部、小腿以及腰部设置约束，所述人机柔顺连接机构包括：第一移动副：所述第一移动副设置在人体脚部与外骨骼足部之间，使人体脚部与外骨骼足部之间仅能在矢状面内沿脚部长度方向保持相对滑动；第二移动副：所述第二移动副设置在人体小腿与外骨骼小腿之间，使人体小腿仅能沿外骨骼小腿的长度方向保持相对滑动；平面副：在人体腰部与外骨骼腰部之间设置平面副约束，人体腰部能在额状面内相对于外骨骼腰部进行平动以及转动；至少第二移动副与人体小腿间为滚动接触形式，所述第二移动副包括滚轮，人体小腿与滚轮外缘相切，人体小腿沿外骨骼小腿长度方向相对滑动时，所述滚轮以其转轴为基准正转或反转。优选的，所述第二移动副一端固定连接于外骨骼小腿上，所述第二移动副整体呈一环形机构，人体小腿套设于该环形机构内侧，所述环形机构的直径可调。优选的，所述第二移动副包括与人体小腿滚动接触的内环部分以及调节围成环形机构尺寸大小的外环部分；外环部分包括固定板，对称设置于固定板两侧的连接板，以及铰连接于连接边上的调节板，两调节板末端连接固定，所述固定板、连接板及调节板依次连接围成所述环形机构；所述内环部分包括所述滚轮，所述滚轮转动设置于滚轮座上，所述滚轮座通过一支架连接支撑在外环部分上，至少部分滚轮座与所述支架铰连接，使得滚轮座能够在环形机构所在平面内摆动，确保滚轮与人体小腿有效接触；所述支架通过一弹性机构连接固定于外环部分上，在外力作用下弹性机构受力压缩或复位，支架沿环形机构的径向往复移动调节内环部分的尺寸。优选的，所述固定板上设置有一螺杆，所述连接板通过该螺杆与所述固定板螺旋连接，且可通过转动螺杆调节连接位置。优选的，两调节板间锁紧固定，其中一调节板上设置有间距调节件，所述间距调节件上设置有若干锁孔，另一调节板上设置有锁扣件，锁扣件与不同锁孔配合调节外环部分尺寸。优选的，所述滚轮座为至少设置于外环部分内部四周的四组，每组至少包括一个滚轮，每个支架至少可连接固定一组滚轮座。优选的，所述第一移动副为绑带，所述绑带沿脚部长度方向均匀分布于外骨骼足部上。优选的，腰部的平面副包括腰部固定板，所述腰部固定板为弧形结构，并与人体腰部贴合；所述腰部固定板与外骨骼腰部上分别设置有一组移动导轨，静置状态下，两组移动导轨相互垂直，两组移动导轨上对应设置有移动滑块，两移动滑块间通过一转动机构转动连接，所述腰部固定板能够在额状面内上下、左右滑动以及转动。优选的，所述转动机构包括相互配合的销轴与连接于所述销轴上的轴承，所述销轴与所述轴承分别设置于两移动滑块上。优选的，所述腰部固定板内部弧面上均匀分布有球面滚珠，所述滚珠随人体腰部扭动任意转动。与现有技术相比，本专利技术公开的面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构的优点是：该连接机构通过在外骨骼小腿及足部位置设置移动副来约束人体脚部及小腿，并在外骨骼腰部设置平面副来约束人体腰部，通过两个移动副以及一个平面副即可实现外骨骼与人体的连接，简化机构组成。此外，至少外骨骼小腿部分的移动副包括滚轮，使得人体小腿与该移动副间为滚动摩擦接触形式，可以适应人体与机器人外骨骼之间的关节对准误差与肢体长度误差，有效减小人机之间的约束力，提高外骨骼机器人的穿戴舒适度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术中下肢康复训练机器人的结构示意图。图2为本专利技术公开的外骨骼机器人的结构示意图。图3为本专利技术公开的人机柔顺连接机构的结构简图。图4为腿部人机连接机构的结构示意图。图5为腰部人机连接机构的结构示意图。图6为实施例2的结构示意图。图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：1、外骨骼机器人2、脚部约束3、小腿约束4、腰部约束5、人体下肢31、固定板32、连接板33、调节板34、间距调节件35、锁扣件36、滚轮37、滚轮座38、支架39、弹性机构40、螺杆41、腰部固定板42、第一移动导轨43、第一滑块44、第二移动导轨45、第二滑块46、销轴47、轴承48、导轨固定板61、短支架62、滚轮座架具体实施方式正如
技术介绍
部分所述，当前人体与外骨骼机器人之间主要采用绑带式连接方式，由于人体下肢的刚柔耦合生物特性以及不同个体间的肢体长度差异，使得人体和外骨骼之间在运动学上并不完全匹配，在运动过程中会产生关节对准误差。而依靠连接部分的弹性变形以及肢体表面组织的变形来适应误差，势必会增加人机之间的约束力，让穿戴者产生不适感，甚至对患者造成二次伤害。本专利技术针对现有技术中的不足，提供了一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，简化机构组成，可以适应人体与机器人外骨骼之间的关节对准误差与肢体长度误差，有效减小人机之间的约束力，提高人体舒适度。下面将通过具体实施方式对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请一并参见图2与图3，如图所示，图3所示为人机柔顺连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，其特征在于，人机柔顺连接机构至少在人体脚部、小腿以及腰部设置约束，所述人机柔顺连接机构包括：第一移动副：所述第一移动副设置在人体脚部与外骨骼足部之间，使人体脚部与外骨骼足部之间仅能在矢状面内沿脚部长度方向保持相对滑动；第二移动副：所述第二移动副设置在人体小腿与外骨骼小腿之间，使人体小腿仅能沿外骨骼小腿的长度方向保持相对滑动；平面副：在人体腰部与外骨骼腰部之间设置平面副约束，人体腰部能在额状面内相对于外骨骼腰部进行平动以及转动；至少第二移动副与人体小腿间为滚动接触形式，所述第二移动副包括滚轮，人体小腿与滚轮外缘相切，人体小腿沿外骨骼小腿长度方向相对滑动时，所述滚轮以其转轴为基准正转或反转。

【技术特征摘要】
1.一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，其特征在于，人机柔顺连接机构至少在人体脚部、小腿以及腰部设置约束，所述人机柔顺连接机构包括：第一移动副：所述第一移动副设置在人体脚部与外骨骼足部之间，使人体脚部与外骨骼足部之间仅能在矢状面内沿脚部长度方向保持相对滑动；第二移动副：所述第二移动副设置在人体小腿与外骨骼小腿之间，使人体小腿仅能沿外骨骼小腿的长度方向保持相对滑动；平面副：在人体腰部与外骨骼腰部之间设置平面副约束，人体腰部能在额状面内相对于外骨骼腰部进行平动以及转动；至少第二移动副与人体小腿间为滚动接触形式，所述第二移动副包括滚轮，人体小腿与滚轮外缘相切，人体小腿沿外骨骼小腿长度方向相对滑动时，所述滚轮以其转轴为基准正转或反转。2.根据权利要求1所述的面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，其特征在于，所述第二移动副一端固定连接于外骨骼小腿上，所述第二移动副整体呈一环形机构，人体小腿套设于该环形机构内侧，所述环形机构的直径可调。3.根据权利要求2所述的面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，其特征在于，所述第二移动副包括与人体小腿滚动接触的内环部分以及调节围成环形机构尺寸大小的外环部分；外环部分包括固定板，对称设置于固定板两侧的连接板，以及铰连接于连接边上的调节板，两调节板末端连接固定，所述固定板、连接板及调节板依次连接围成所述环形机构；所述内环部分包括所述滚轮，所述滚轮转动设置于滚轮座上，所述滚轮座通过一支架连接支撑在外环部分上，至少部分滚轮座与所述支架铰连接，使得滚轮座能够在环形机构所在平面内摆动，确保滚轮与人体小腿有效接触；所述支架通过一弹性机构连接固定于外环部分上，在外力作用下弹性机构受力压缩或复位...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娟，李伟达，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32