一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节制造技术

本发明专利技术属于机器人技术领域，涉及一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，包括对称设置的左、右侧髋关节；右侧髋关节包括内收/外展组件、内旋/外旋组件、前屈/后伸组件、上层远程转动中心机构组件和下层远程转动中心机构组件；内旋/外旋组件通过上层远程转动中心机构组件和下层远程转动中心机构组件驱动前屈/后伸组件做内旋或外旋转动；前屈/后伸组件驱动大腿杆件做前屈或后伸运动。本发明专利技术外骨骼髋关节实现了同时具有前屈/后伸、内收/外展和内旋/外旋三个自由度的主动运动辅助，提高了运动灵活性，三个转轴均交汇于人体髋关节中心，无运动偏差，提高了穿戴舒适性。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节
本专利技术属于机器人
，涉及一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节。
技术介绍
下肢外骨骼是一种与人体下肢结构相似的可穿戴仿生机器人，能够辅助穿戴者实现下肢康复、助力行走以及增强负重等功能，在康复、民用和军事等领域有着广泛的应用前景。根据人体关节的运动机理研究，髋关节是由髋骨的髋臼、股骨头和韧带构成，属于典型的球窝关节，能够围绕三个转动轴作前屈/后伸、内收/外展和内旋/外旋运动，具有灵活性好、运动范围大等特点。通过对现有下肢外骨骼进行分析后可以发现，在髋关节设计中，大多仅有前屈/后伸单个主动运动自由度，部分具有内收/外展的主动或被动自由度，因此这类下肢外骨骼对人体髋关节的运动辅助能力较差。另外，在三自由度外骨骼髋关节结构中，通常采用简单的顺序式串联结构设计，存在内旋/外旋转动轴线与前屈/后伸、内收/外展转动轴线不相交问题，导致外骨骼与人体之间出现运动位姿偏差。因此，如何克服传统外骨骼髋关节的自由度少、驱动数量不足、存在轴线偏差等缺陷，实现具有三个主动旋转自由度、消除转动轴线偏差的仿生外骨骼髋关节设计，是下肢外骨骼机器人开发过程中的一个关键难题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其具有三个主动旋转自由度，且三个运动轴完全交汇于人体髋关节中心的拟人化仿生外骨骼髋关节，可以实现符合人体髋关节运动范围要求的主动式前屈/后伸、内收/外展和内旋/外旋的运动辅助，并且消除运动偏差以提高外骨骼的穿戴舒适性。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特殊之处在于，包括对称设置的左侧髋关节、右侧髋关节；所述右侧髋关节包括内收/外展组件、内旋/外旋组件、前屈/后伸组件、上层远程转动中心机构组件和下层远程转动中心机构组件；左侧髋关节、右侧髋关节的内收/外展组件相互连接构成髋关节固定结构，其内收/外展组件的输出端与内旋/外旋组件连接，且内旋/外旋组件位于内收/外展组件的后方，内旋/外旋组件的输出端与上层远程转动中心机构组件连接，前屈/后伸组件与上层远程转动中心机构组件和下层远程转动中心机构组件的输出杆连接，前屈/后伸组件的输出端与大腿杆件连接。所述内收/外展组件驱动内旋/外旋组件、前屈/后伸组件、上层远程转动中心机构组件和下层远程转动中心机构组件产生外展或内展转动；内旋/外旋组件通过上层远程转动中心机构组件和下层远程转动中心机构组件驱动前屈/后伸组件做内旋或外旋转动；前屈/后伸组件驱动大腿杆件做前屈或后伸运动。进一步地，上述内收/外展组件包括内收/外展驱动固定座、内收/外展辅助固定座、内收/外展驱动单元，内收/外展驱动单元固定在内收/外展驱动固定座、内收/外展辅助固定座上，内收/外展驱动单元的动力输出端与内收/外展输出运动端盖连接，内收/外展输出运动端盖通过轴承支座连接。进一步地，上述内旋/外旋组件包括内旋/外旋驱动单元，内旋/外旋驱动单元固定在内旋/外旋辅助固定座上，内旋/外旋辅助固定座与内收/外展输出运动端盖连接；内旋/外旋驱动单元包括内旋/外旋输出运动端盖。进一步地，上述内旋/外旋组件还包括固定座支撑杆，内旋/外旋辅助固定座通过固定座支撑杆与内收/外展输出运动端盖连接。进一步地，上述前屈/后伸组件包括屈伸运动输出端盖、前屈/后伸驱动固定座、辅助固定座、前屈/后伸驱动单元；前屈/后伸驱动单元固定在前屈/后伸驱动固定座、辅助固定座上，前屈/后伸驱动单元的输出端为屈伸运动输出端盖，屈伸运动输出端盖与大腿杆件连接。进一步地，上述上层远程转动中心机构组件包括传动杆、上纵向长曲杆、上纵向短曲杆、上水平长曲杆、上水平短曲杆；所述下层远程转动中心机构组件包括下纵向长曲杆、下纵向短曲杆、下水平长曲杆、下水平短曲杆；传动杆的一端与内旋/外旋输出运动端盖铰接，传动杆的另一端与上纵向短曲杆铰接；上纵向短曲杆、下纵向短曲杆的一端分别铰接在轴承支座上下两侧，上水平长曲杆、下水平长曲杆的一端分别与上纵向短曲杆、下纵向短曲杆的另一端铰接，上水平长曲杆、下水平长曲杆的另一端分别铰接在前屈/后伸驱动固定座的上下两侧；上纵向长曲杆、下纵向长曲杆的一端分别铰接在内收/外展输出运动端盖的上下两侧，上纵向长曲杆、下纵向长曲杆的另一端分别与上水平短曲杆、下水平短曲杆的一端铰接，上水平短曲杆、下水平短曲杆的另一端分别铰接在辅助固定座的上下两侧；所述上纵向长曲杆、下纵向长曲杆的中部分别与上水平长曲杆、下水平长曲杆的中部铰接。进一步地，上述传动杆的两端分别通过铰链销和轴承与内旋/外旋输出运动端盖上纵向短曲杆铰接。进一步地，上述上水平长曲杆、上纵向短曲杆的铰接点与下水平长曲杆与下纵向短曲杆铰接点穿入一根销轴；上纵向长曲杆、上水平短曲杆的铰接点与下纵向长曲杆、下水平短曲杆的铰接点穿入一根销轴；上纵向长曲杆、上水平长曲杆的铰接点与下纵向长曲杆、下水平长曲杆铰接点穿入一根销轴。进一步地，上述上水平短曲杆与下水平短曲杆之间设有辅助固定轴；上水平长曲杆与下水平长曲杆之间设有辅助固定轴。进一步地，上述内收/外展驱动单元、内旋/外旋驱动单元、前屈/后伸驱动单元为伺服电机。本专利技术的优点：1)本专利技术外骨骼髋关节实现了同时具有前屈/后伸、内收/外展和内旋/外旋三个自由度的主动运动辅助，提高了运动灵活性；2)相较于传统的前屈/后伸和内收/外展运动轴线交汇于人体髋关节，而内旋/外旋转动轴线为偏置，通过三自由度串联远程虚拟转动中心机构实现了三转轴均交汇于人体髋关节，贴合人体髋关节运动，提高了穿戴舒适性；3)远程虚拟转动中心机构的传动比为1，从而等价于直接连接驱动，能够简化运动控制；4)采用了上下双层远程虚拟转动中心机构，有效提高了整体结构刚度；5)前屈/后伸、内收/外展两个驱动位于双层远程虚拟转动中心机构之间，而内旋/外旋的驱动位于内收/外展驱动后方，提高了整体结构紧凑性，在运动范围内无干涉产生。附图说明图1是仿生三轴交汇式髋关节外骨骼机构简图；图2是髋关节外骨骼人体穿戴示意图；图3是右侧髋关节外骨骼整体结构示意图；图4是右侧髋关节外骨骼结构分解示意图；图5是髋关节外骨骼在外展状态的示意图；图6是髋关节外骨骼在前屈状态的示意图；图7是髋关节外骨骼在外旋状态的示意图。其中：1、内收/外展组件；11、内收/外展输出运动端盖；12、内收/外展驱动固定座；13、轴承支座；14、内收/外展辅助固定座；15、内收/外展驱动单元；2、内旋/外旋组件；21、内旋/外旋输出运动端盖；22、内旋/外旋驱动固定座；23、内旋/外旋驱动单元；24、内旋/外旋辅助固定座；25、辅助支撑杆；26、固定座支撑杆；3、前屈/后伸组件；31、屈伸运动输出端盖；32、前屈/后伸驱动固定座；33、辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特征在于：/n包括对称设置的左侧髋关节、右侧髋关节；/n所述右侧髋关节包括内收/外展组件(1)、内旋/外旋组件(2)、前屈/后伸组件(3)、上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)；/n左侧髋关节、右侧髋关节的内收/外展组件(1)相互连接构成髋关节固定结构，其内收/外展组件(1)的输出端与内旋/外旋组件(2)连接，且内旋/外旋组件(2)位于内收/外展组件(1)的后方，内旋/外旋组件(2)的输出端与上层远程转动中心机构组件(4)连接，前屈/后伸组件(3)与上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)的输出杆连接，前屈/后伸组件(3)的输出端与大腿杆件连接；/n所述内收/外展组件(1)驱动内旋/外旋组件(2)、前屈/后伸组件(3)、上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)产生外展或内展转动；内旋/外旋组件(2)通过上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)驱动前屈/后伸组件(3)做内旋或外旋转动；前屈/后伸组件(3)驱动大腿杆件做前屈或后伸运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特征在于：
包括对称设置的左侧髋关节、右侧髋关节；
所述右侧髋关节包括内收/外展组件(1)、内旋/外旋组件(2)、前屈/后伸组件(3)、上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)；
左侧髋关节、右侧髋关节的内收/外展组件(1)相互连接构成髋关节固定结构，其内收/外展组件(1)的输出端与内旋/外旋组件(2)连接，且内旋/外旋组件(2)位于内收/外展组件(1)的后方，内旋/外旋组件(2)的输出端与上层远程转动中心机构组件(4)连接，前屈/后伸组件(3)与上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)的输出杆连接，前屈/后伸组件(3)的输出端与大腿杆件连接；
所述内收/外展组件(1)驱动内旋/外旋组件(2)、前屈/后伸组件(3)、上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)产生外展或内展转动；内旋/外旋组件(2)通过上层远程转动中心机构组件(4)和下层远程转动中心机构组件(5)驱动前屈/后伸组件(3)做内旋或外旋转动；前屈/后伸组件(3)驱动大腿杆件做前屈或后伸运动。


2.根据权利要求1所述的一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特征在于：
所述内收/外展组件(1)包括内收/外展驱动固定座(12)、内收/外展辅助固定座(14)、内收/外展驱动单元(15)，内收/外展驱动单元(15)固定在内收/外展驱动固定座(12)、内收/外展辅助固定座(14)上，内收/外展驱动单元(15)的动力输出端与内收/外展输出运动端盖(11)连接，内收/外展输出运动端盖(11)通过轴承支座(13)连接。


3.根据权利要求2所述的一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特征在于：
所述内旋/外旋组件(2)包括内旋/外旋驱动单元(23)，内旋/外旋驱动单元(23)固定在内旋/外旋辅助固定座(24)上，内旋/外旋辅助固定座(24)与内收/外展输出运动端盖(11)连接；内旋/外旋驱动单元(23)包括内旋/外旋输出运动端盖(21)。


4.根据权利要求3所述的一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特征在于：
所述内旋/外旋组件(2)还包括固定座支撑杆(26)，内旋/外旋辅助固定座(24)通过固定座支撑杆(26)与内收/外展输出运动端盖(11)连接。


5.根据权利要求4所述的一种仿生三轴交汇式外骨骼机器人髋关节，其特征在于：
所述前屈/后伸组件(3)包括屈伸运动输出端盖(31)、前屈/后伸驱动固定座(32)、辅助固定座(33)、前屈/后伸驱动单元(34)；前屈/后伸驱动单元(34)固定在前屈/后伸驱动固定座(32)、辅助固定座(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴新宇，刘静帅，何勇，李金科，马跃，李锋，孙健铨，王大帅，曹武警，连鹏晨，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44