用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节及机器人制造技术

本发明专利技术公开了用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节及机器人，髋关节包括髋关节单元、腰部转接件和大腿转接件；腰部转接件第一端与腰部组件固定连接；腰部转接件第二端与髋关节单元外侧固定连接；髋关节单元输出端能够转动，与大腿转接件第一端抱紧连接；大腿转接件第二端与大腿组件销轴连接。本发明专利技术所设计髋关节为无源重力补偿关节，采用液压弹簧能量转换原理，不需要机电、液压、气动驱动，未含有电子控制系统组件，可以高可靠、无限续航长时工作；基于液压弹簧与凸轮的集成化设计，可以在运动过程中的任意角度输出合适的辅助转矩，且不产生突变或冲击，具备超大转矩的柔顺输出能力，具有小型化、轻量化的优点。

【技术实现步骤摘要】
用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节及机器人
本专利技术属于重载下肢助力外骨骼机器人
，特别涉及用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节及机器人。
技术介绍
人体行走步态研究表明：在平地行走过程中，髋关节角度呈正弦曲线周期变化，髋关节力矩有正值和负值；髋关节功率有正功及负功，且在行走周期内平均功率为正值，这说明人体髋关节在行走中主要起主动作用。然而针对重载下肢助力外骨骼，负重一般在50kg以上，主要助力机理是通过刚性结构将负载重量分散传递至地面，并在膝关节处提供主动行走助力。其突出问题是外骨骼本体结构自重过大、髋部成为主要承力部位，穿戴者髋关节需提供较大关节力矩和瞬时功率，克服外骨骼自身重力做功才可带动外骨骼随动。因此对于重载下肢助力外骨骼，在髋部引入重力补偿机构是十分必要的。目前，在现有下肢助力外骨骼中，髋关节主要以主动有源的直驱机构为主，采用电机、气动、液压等驱动方式，此类方案主要利用传感器感知人体运动意图，并通过控制程序驱动执行机构输出辅助转矩，虽能一定程度实现助力，但存在自重大、可靠性低、成本高、续航短的缺点。为解决上述问题，无源被动髋关节设计方案开始出现。例如在背部布置弹簧，通过拉动钢丝绳驱动髋关节处的滑轮输出助力转矩实现重力平衡，此方案原理简单，但存在体积大、效率低，难以柔顺助力的缺点。综上所述，一种应用于重载下肢助力外骨骼、高度集成、可实现柔顺重力补偿的无源髋关节仍是空白。
技术实现思路
本专利技术提出用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节，包括：髋关节单元、腰部转接件和大腿转接件；所述腰部转接件第一端设置有若干个固定孔位，用于与腰部组件固定连接；所述腰部转接件第二端与髋关节单元外侧固定连接；所述髋关节单元输出端能够转动，所述髋关节单元输出端与所述大腿转接件第一端抱紧连接；所述大腿转接件第二端用于与大腿组件销轴连接。进一步地，所述髋关节单元包括液压弹簧、直线导轨、凸轮从动件、凸轮随动轴承、下壳体、输出轴、凸轮和上壳体；所述上壳体第一端与下壳体第一端之间设有夹紧机构，所述夹紧机构与所述液压弹簧第二端固定连接；所述液压弹簧第二端设置有伸缩杆，所述凸轮从动件第一端紧靠伸缩杆端面；所述凸轮随动轴承通过销轴转动固定所述凸轮从动件第二端；所述凸轮随动轴承紧靠所述凸轮侧表面；所述下壳体第一端设置有直线导轨；所述凸轮从动件底部设置在所述直线导轨内，所述凸轮从动件能够沿所述直线导轨内滑动；所述凸轮套设在所述输出轴上，所述凸轮与所述输出轴第一端固定连接，所述凸轮与所述输出轴能够沿输出轴轴线转动；所述输出轴第二端伸出壳体，所述输出轴第二端与大腿转接件连接。进一步地，所述输出轴两端设置有轴承，所述输出轴通过两端轴承固定在下壳体上。进一步地，所述直线导轨与所述液压弹簧轴线方向相同。进一步地，所述直线导轨内设置有滑块，所述滑块能够所述直线导轨滑动；所述凸轮从动件底部与滑块固定连接。进一步地，所述凸轮随动轴承与凸轮能够发生相对运动。进一步地，当凸轮从动件处于直线导轨第一端时，所述液压弹簧伸缩杆被压缩至最短；当凸轮从动件处于直线导轨第二端时，所述液压弹簧伸缩杆伸长至最长；当所述液压弹簧伸缩杆被压缩至最短时，所述凸轮与凸轮随动轴承紧靠处距凸轮圆心距离最长；当所述液压弹簧伸缩杆伸长至最长时，所述凸轮与凸轮随动轴承紧靠处距凸轮圆心距离最短。进一步地，所述上壳体内部设置有限位块，限位块能够限制凸轮转动。进一步地，所述腰部转接件第二端与上壳体外侧固定连接。本专利技术还设计一种机器人，所述机器人包括如上所述的用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节。本专利技术所设计的用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节为无源重力补偿关节，采用液压弹簧能量转换原理，基于液压弹簧与凸轮的集成化设计，不需要机电、液压、气动驱动，未含有控制器、传感器、驱动器等电子控制系统组件，可以高可靠、无限续航长时工作；通过基于生物力学分析的凸轮轮廓计算和设计，可以在运动过程中的任意角度输出合适的辅助转矩，且不产生突变或冲击，具备超大转矩的柔顺输出能力，具有小型化、轻量化的优点。附图说明图1示出了本专利技术实施例的用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节立体结构图；图2示出了本专利技术实施例的用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节剖视图；图3示出了本专利技术实施例的用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节内部结构图；图4示出了本专利技术实施例的一种用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节膝关节组件的原理示意图；图5示出了本专利技术实施例的使用无源重力补偿髋关节的下肢助力外骨骼立体图。图中：001、腰部组件；002、无源重力补偿髋关节；003、膝关节组件；004、踝关节组件；210、髋关节单元；211、液压弹簧；212、直线导轨；213、凸轮从动件；214、凸轮随动轴承；215、下壳体；216、输出轴；217、凸轮；218、上壳体；220、腰部转接件；230、大腿转接件。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。本专利技术提供了用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节，如图1所示，所述无源重力补偿髋关节包括：髋关节单元210、腰部转接件220和大腿转接件230。本专利技术所设计的无源重力补偿髋关节，不仅可以应用于外骨骼中腿部结构，也可以应用于机器人下肢结构、足式机器人腿部结构。无源重力补偿髋关节对称布置于腰部组件两侧，所述腰部转接件220第一端设置有若干个固定孔位，与腰部组件001通过螺钉固定连接。所述腰部转接件220第二端与髋关节单元210外壳固定连接。所述髋关节单元210设置有输出端，输出端能够转动，所述髋关节单元210输出端与所述大腿转接件230第一端抱紧连接；所述大腿转接件230第二端用于与大腿组件003销轴连接。在传递辅助转矩的同时，满足大腿内外翻的自由度要求。如图2、图3所示，所述髋关节单元210包括液压弹簧211、直线导轨212、凸轮从动件213、凸轮随动轴承214、下壳体215、输出轴216、凸轮217和上壳体218。髋关节单元210壳体包括上壳体218和下壳体215。所述上壳体218第一端与下壳体215第一端之间设有夹紧机构，所述夹紧机构与所述液压弹簧211第二端固定连接。优选的，上壳体218第一端与下壳体215第一端之间设置有螺纹，所述液压弹簧211通过螺纹固定在壳体的第一端。所述液压弹簧211第二端设置有伸缩杆，液压弹簧211具有弹力，当伸缩杆受到一定压力时，伸缩杆收缩；当伸缩杆受到压力减少时，弹力能够将伸缩杆伸长。伸缩杆远离液压弹簧2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节，其特征在于，所述无源重力补偿髋关节包括：髋关节单元(210)、腰部转接件(220)和大腿转接件(230)；/n所述腰部转接件(220)第一端设置有若干个固定孔位，用于与腰部组件(001)固定连接；/n所述腰部转接件(220)第二端与髋关节单元(210)外侧固定连接；/n所述髋关节单元(210)输出端能够转动，所述髋关节单元(210)输出端与所述大腿转接件(230)第一端抱紧连接；/n所述大腿转接件(230)第二端用于与大腿组件(003)销轴连接。/n

【技术特征摘要】
1.用于重载下肢助力外骨骼的无源重力补偿髋关节，其特征在于，所述无源重力补偿髋关节包括：髋关节单元(210)、腰部转接件(220)和大腿转接件(230)；
所述腰部转接件(220)第一端设置有若干个固定孔位，用于与腰部组件(001)固定连接；
所述腰部转接件(220)第二端与髋关节单元(210)外侧固定连接；
所述髋关节单元(210)输出端能够转动，所述髋关节单元(210)输出端与所述大腿转接件(230)第一端抱紧连接；
所述大腿转接件(230)第二端用于与大腿组件(003)销轴连接。


2.根据权利要求1所述的无源重力补偿髋关节，其特征在于，
所述髋关节单元(210)包括液压弹簧(211)、直线导轨(212)、凸轮从动件(213)、凸轮随动轴承(214)、下壳体(215)、输出轴(216)、凸轮(217)和上壳体(218)；
所述上壳体(218)第一端与下壳体(215)第一端之间设有夹紧机构，所述夹紧机构与所述液压弹簧(211)第二端固定连接；
所述液压弹簧(211)第二端设置有伸缩杆，所述凸轮从动件(213)第一端紧靠伸缩杆端面；
所述凸轮随动轴承(214)通过销轴转动固定所述凸轮从动件(213)第二端；
所述凸轮随动轴承(214)紧靠所述凸轮(217)侧表面；
所述下壳体(215)第一端设置有直线导轨(212)；
所述凸轮从动件(213)底部设置在所述直线导轨(212)内，所述凸轮从动件(213)能够沿所述直线导轨(212)内滑动；
所述凸轮(217)套设在所述输出轴(216)上，所述凸轮(217)与所述输出轴(216)第一端固定连接，所述凸轮(217)与所述输出轴(216)能够沿输出轴(216)轴线转动；
所述输出轴(216)第二端伸出壳体，所述输出轴(216)第二端与大腿转接件(230)连接。


3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓，于志远，赵哲，刘宏伟，祖媛媛，任鹏飞，王惜亮，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所，北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11