一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼制造技术

一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼，涉及一种助力外骨骼。大腿连杆上端通过髋关节结构与腰部结构连接，小腿连杆下端通过踝关节结构与足底连接架连接，压力鞋固定在足底连接架底部，双稳态柔性铰链两端将大腿连杆下端与对应的小腿连杆上端连接固定，双稳态柔性铰链为柱壳状且其中间位置两侧对称设有开口，其采用反对称铺层的复合材料制成，铺层角θ取30

【技术实现步骤摘要】
一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼


[0001]本专利技术涉及一种助力外骨骼，尤其是一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼，属于外骨骼机器人


技术介绍

[0002]助力外骨骼是一种可穿戴在人体外面，增强人体负重能力，提升使用者人体机能的装置，其在地震救援、工业生产、医疗康复等领域具有广阔的应用前景。
[0003]助力外骨骼在人体站立和屈膝两种使用情形下，要求其膝关节具有较高的纵向刚度和较低的横向刚度，较高的纵向刚度使助力外骨骼膝关节能在人体站立时更好地辅助人体承载，较低的横向刚度使助力外骨骼膝关节能在人体屈膝时容易弯曲。目前的助力外骨骼大多采用刚性铰链作为膝关节连接大腿部件与小腿部件，实现人体膝关节的屈伸运动，然而传统的刚性铰链存在质量重、机械摩擦、结构复杂、成本高等问题。因此，设计一种柔性铰链作为膝关节，同时满足承载和变形要求的助力外骨骼，对解决传统刚性铰链作为膝关节存在的弊端具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为解决
技术介绍
存在的不足，本专利技术提供一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼，它采用双稳态柔性铰链作为膝关节，站立时通过纵向的高刚度辅助人体承载，屈膝时通过横向的低刚度容易弯曲变形，结合膝盖助力器的弹性支撑产生助力效果，具有刚性铰链难以比拟的优势。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼，包括腰部结构、两个双稳态柔性铰链、两根大腿连杆、两根小腿连杆、两个膝盖助力器、两个足底连接架及两个压力鞋，所述两根大腿连杆上端分别通过髋关节结构与所述腰部结构连接，所述两根小腿连杆下端分别通过踝关节结构与所述两个足底连接架连接，所述髋关节结构及所述踝关节结构均为铰接结构，所述两个压力鞋分别固定在两个足底连接架底部，所述双稳态柔性铰链两端分别将大腿连杆下端与对应的小腿连杆上端连接固定，双稳态柔性铰链整体为柱壳状且其中间位置两侧对称设有开口，其采用反对称铺层的复合材料制成，铺层角θ取30
°
～60
°
，具有伸直与弯曲两种稳定构型，所述两种稳定构型之间能够进行跳变，所述两个膝盖助力器分别设置在对应的双稳态柔性铰链后方，膝盖助力器为可弯折的弹性板状构件，膝盖助力器及对应的双稳态柔性铰链分别设置穿孔且二者通过绑带夹设定位在人体膝盖部位前后两侧。
[0006]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用双稳态柔性铰链作为膝关节，使用中具有两种助力状态，当人体站立时通过双稳态柔性铰链纵向的高刚度辅助人体承载，当人体屈膝时通过双稳态柔性铰链横向的低刚度能容易地发生弯曲变形，且膝盖助力器的弹性支撑在人体膝盖弯曲后产生助力效果，基于人体工程学和仿生学机理，安置于人体膝关节前侧，相比于传统安置于人体膝关节侧面的刚性铰链，具有良好的贴合度，通过调
节开口的形状尺寸以及复合材料的铺层等参数，便于调控双稳态柔性铰链的变形能力和承载能力，具有刚性铰链难以比拟的优势。
附图说明
[0007]图1是本专利技术的助力外骨骼的整体结构轴测图；
[0008]图2是本专利技术的双稳态柔性铰链的平面展开示意图；
[0009]图3是本专利技术的双稳态柔性铰链的铺层方式示意图；
[0010]图4是本专利技术的双稳态柔性铰链的跳变转换示意图；
[0011]图5是本专利技术的不同开口形状的双稳态柔性铰链的平面展开示意图。
具体实施方式
[0012]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，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做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。
[0013]如图1～图4所示，一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼，包括腰部结构5、两个双稳态柔性铰链1、两根大腿连杆2、两根小腿连杆3、两个膝盖助力器4、两个足底连接架6以及两个压力鞋7。
[0014]参照图1所示，所述两根大腿连杆2上端分别通过髋关节结构9与所述腰部结构5连接，腰部结构5前端可固定设置载物台8方便运送重物等情况下的物品承载，所述两根小腿连杆3下端分别通过踝关节结构10与所述两个足底连接架6连接，所述髋关节结构9及所述踝关节结构10均为如合页连接的铰接结构，使大腿连杆2与腰部结构5之间以及小腿连杆3与足底连接架6之间能够相对转动。所述两个压力鞋7分别固定在两个足底连接架6底部，压力鞋7与足底连接架6可通过直角固定器进行螺栓连接固定。所述双稳态柔性铰链1两端分别将大腿连杆2下端与对应的小腿连杆3上端连接固定，双稳态柔性铰链1整体为柱壳状且其中间位置两侧对称设有开口。此外，助力外骨骼的固定连接均采用螺栓连接，方便进行安装拆卸，以便于某一部件的损坏更换。
[0015]参照图2所示，双稳态柔性铰链1通过平面展开描述，纵向长度L在200mm
‑
300mm之间，本具体实施方式中取250mm，横截面初始半径R1在45.0mm
‑
60.0mm之间，本具体实施方式中取47.5mm，横截面圆弧对应的圆心角β在120
°‑
180
°
之间，本具体实施方式中取150
°
，开口在本具体实施方式中以圆弧形开口为例，开口长度a及开口宽度b在30mm
‑
60mm，具体的a和b均取40mm，a和b相等，便于设计和加工。此外，参照图5所示，开口也可设计为抛物线形、正态曲线形、余弦曲线形、梯形或指数函数形等形状，也能够满足双稳态柔性铰链1的弯曲需求，同样应落入本专利技术的保护范围。
[0016]参照图3所示，双稳态柔性铰链1采用反对称铺层的复合材料制成，铺层角θ取30
°
～60
°
，本具体实施方式中θ取45
°
，有助于简化设计和施工的工作量，优选的，本具体实施方式中复合材料采用碳纤维增强环氧树脂基单层预浸料，在圆柱刚性模具下通过热压罐工艺制备，单层厚度t取0.125mm，铺层数n宜选择在4
‑
12层之间，因为铺层数量增大时虽然能够提高纵向承载能力，但对横向承载力也会增大影响弯曲，本具体实施方式中取8层。
[0017]此外，通过调整纵向长度L、横截面初始半径R1、横截面圆弧对应的圆心角β、开口长度a和开口宽度b等参数，能够调控双稳态柔性铰链1的纵向和横向刚度，采用不同的开口形状时也可调控其纵向和横向承载性能。
[0018]参照图4所示，双稳态柔性铰链1具有伸直与弯曲两种稳定构型，所述两种稳定构型之间能够进行跳变。
[0019]回看图1所示，所述两个膝盖助力器4分别设置在对应的双稳态柔性铰链1后方，膝盖助力器4为可弯折的弹性板状构件，比如膝盖助力器4中间位置可弯折并加装有助力弹簧，在膝盖助力器4弯折状态下所述助力弹簧为其提供弹性恢复力，膝盖助力器4及对应的双稳态柔性铰链1分别设置穿孔且二者通过绑带夹设定位在人体膝盖部位前后两侧，在人体屈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双稳态柔性铰链的助力外骨骼，包括腰部结构(5)、两根大腿连杆(2)、两根小腿连杆(3)、两个足底连接架(6)及两个压力鞋(7)，所述两根大腿连杆(2)上端分别通过髋关节结构(9)与所述腰部结构(5)连接，所述两根小腿连杆(3)下端分别通过踝关节结构(10)与所述两个足底连接架(6)连接，所述髋关节结构(9)及所述踝关节结构(10)均为铰接结构，所述两个压力鞋(7)分别固定在两个足底连接架(6)底部，其特征在于：所述助力外骨骼还包括两个双稳态柔性铰链(1)以及两个膝盖助力器(4)，所述双稳态柔性铰链(1)两端分别将大腿连杆(2)下端与对应的小腿连杆(3)上端连接固定，双稳态柔性铰链(1)整体为柱壳状且其中间位置两侧对称设有开口，其采用反对称铺层的复合材料制成，铺层角θ取30
°
～60
°
，具有伸直与弯曲两种稳定构型，所述两种稳定构型之间能够进行跳变，所述两个膝盖助力器(4)分别设置在对应的双稳态柔性铰链(...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴福洪，李桐，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：