一種可穿戴式助力外骨骼下肢機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種助力機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種可穿戴式助力外骨骼下肢機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)常需要背負(fù)重物進(jìn)行長距離行走或作戰(zhàn)，過重的負(fù)載常會(huì)對(duì)士兵身體造成一定的傷害，在這種背景下，需要開發(fā)一款能在戰(zhàn)場環(huán)境中增強(qiáng)士兵速度、力量以及耐力的外骨骼裝備；在科考、消防營救等領(lǐng)域，科考人員及消防營救人員常常需要長距離行走、背負(fù)重物、運(yùn)送傷員、野外作戰(zhàn)、登山探險(xiǎn)等，傳統(tǒng)的輪式交通工具難以在這些特殊場合發(fā)揮作用。除此之外，外骨骼也可以被用于倉庫的貨物裝卸，以減輕搬運(yùn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。外骨骼與人的組合能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，擁有極好的靈活性，可以完成一些復(fù)雜的裝卸的工作，如為戰(zhàn)斗機(jī)裝卸導(dǎo)彈等，這是其他的裝卸設(shè)備難以比擬的。外骨骼在這些領(lǐng)域的應(yīng)用將對(duì)這些領(lǐng)域起到非常積極的作用。另外，老齡化正在全球蔓延，外骨骼的出現(xiàn)不僅可以幫助一些老年人解決體力較差、行走不變的問題，也可以幫助一些喪失行動(dòng)能力的人恢復(fù)部分的行動(dòng)能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可穿戴式助力外骨骼下肢機(jī)構(gòu)。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)作來完成行走，共有7個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各有3個(gè)自由度，分別是屈/伸運(yùn)動(dòng)，外展/內(nèi)收，旋內(nèi)/旋外運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)有1個(gè)的屈/伸運(yùn)動(dòng)的自由度。本實(shí)用新型機(jī)構(gòu)簡單、穿戴方便、長度可調(diào)性、適合不同身高體重的人穿戴和外骨骼各關(guān)節(jié)活動(dòng)自如等特點(diǎn)。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下:一種可穿戴式助力外骨骼下肢機(jī)構(gòu)，包括:腰部、左腿、右腿、液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制器、電源模塊；其中，所述左腿和右腿分別與腰部鉸接，并對(duì)稱設(shè)置在腰部兩側(cè)；液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別與左腿和右腿相連，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)控制器相連；電源模塊對(duì)液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電；
[0005]所述腰部包括:傾角傳感器、負(fù)重板、兩個(gè)底板、第二連接板、第一多維力傳感器、腰部綁帶；其中，兩個(gè)底板分別安裝在負(fù)重板的兩側(cè)；傾角傳感器固定聯(lián)接在負(fù)重板上；第二連接板固定聯(lián)接在負(fù)重板上；第一多維力傳感器固定連接在第二連接板上；腰部綁帶固定連接在第一多維力傳感器上；所述第一多維力傳感器與實(shí)時(shí)控制器相連；
[0006]所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括:蓄能器、第一電液伺服閥、第二電液伺服閥、配油盤、伺服閥放大板、液壓栗站；其中，蓄能器固定聯(lián)接在第一連接板上；第一電液伺服閥、第二電液伺服閥均與配油盤固定聯(lián)接；配油盤與第一連接板固定聯(lián)接；蓄能器和配油盤的進(jìn)油口均與液壓栗站出油口連接；第一電液伺服閥的進(jìn)油口、第二電液伺服閥的進(jìn)油口均與配油盤進(jìn)油口相連，第一電液伺服閥的出油口與配油盤的第一出油口相連，第二電液伺服閥的出油口與配油盤的第二出油口相連；伺服閥放大板與底板固定連接；伺服閥放大板與實(shí)時(shí)控制器相連。
[0007]所述右腿和左腿結(jié)構(gòu)相同，包括:髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)、腳掌、第一連接板；其中，髖關(guān)節(jié)固定聯(lián)接在底板上；髖關(guān)節(jié)與大腿固定聯(lián)接；大腿和小腿均與膝關(guān)節(jié)鉸接；小腿與踝關(guān)節(jié)固定聯(lián)接；踝關(guān)節(jié)與腳掌通過球鉸鏈連接；液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固定聯(lián)接在第一連接板上，第一連接板固定聯(lián)接在髖關(guān)節(jié)上。
[0008]所述髖關(guān)節(jié)包括:第一液壓缸、髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件、髖關(guān)節(jié)連接件、髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座、伸長桿、方端蓋、球窩；其中，第一液壓缸一端與底板鉸接，另一端與髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件鉸接；髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件與髖關(guān)節(jié)連接件鉸接；髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置在旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座上；旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座與伸長桿通過球窩聯(lián)接；髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器與實(shí)時(shí)控制器相連；
[0009]所述球窩包括:銷釘、軸承、球頭；其中，球頭設(shè)置在銷釘上，在球頭兩側(cè)設(shè)置有一對(duì)軸承；銷釘與伸長桿之間設(shè)置有一對(duì)軸承，方端蓋與伸長桿固定聯(lián)接，銷釘通過一對(duì)方端蓋對(duì)其進(jìn)行軸向限位；球頭固定在旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座中，銷釘繞球頭旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度受球窩聯(lián)接的孔徑大小限制。
[0010]所述大腿包括:大腿骨、第二液壓缸；其中，大腿骨與伸長桿固定連接，第二液壓缸的一端與大腿骨鉸接，另一端與小腿鉸接；第二液壓缸與大腿骨鉸接。
[0011]所述膝關(guān)節(jié)包括:膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器；其中，大腿骨與小腿鉸接，膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置在大腿骨與小腿鉸接處；膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器與實(shí)時(shí)控制器相連。
[0012]所述小腿包括:小腿骨、第二多維力傳感器、支撐板、小腿綁帶；其中，支撐板固定聯(lián)接在小腿骨上，第二多維力傳感器固定聯(lián)接在支撐板上；小腿綁帶固定在第二多維力傳感器上；第二多維力傳感器與實(shí)時(shí)控制器相連。
[0013]所述踝關(guān)節(jié)包括:踝關(guān)節(jié)球鉸鏈、踝關(guān)節(jié)小腿骨連接件；其中，踝關(guān)節(jié)小腿骨連接件一端與小腿骨固定連接，另一端與踝關(guān)節(jié)球鉸鏈連接。
[0014]所述腳掌包括:腳底板、腳掌綁帶、腳底壓力傳感器；其中，腳底板與球鉸鏈固定連接；腳掌綁帶固定在腳底板上；腳底壓力傳感器分別粘接在腳底板的腳尖、腳中、腳跟三處；腳底壓力傳感器與實(shí)時(shí)控制器相連。
[0015]本實(shí)用新型與【背景技術(shù)】相比，具有的有益效果是:本實(shí)用新型主要針對(duì)在長時(shí)間負(fù)重作業(yè)環(huán)境下輔助或者增強(qiáng)人們的步行能力。其動(dòng)力系統(tǒng)采用具有體積小、質(zhì)量輕、布局靈活、機(jī)構(gòu)緊湊，而且能夠輸出較大力或扭矩、動(dòng)作響應(yīng)靈敏，易于控制等特點(diǎn)的液壓驅(qū)動(dòng)方式。傳感器系統(tǒng)主要分布在腰部、小腿、液壓缸、腳底等位置來實(shí)現(xiàn)較有效、可靠的人-機(jī)交互。設(shè)置柔性機(jī)構(gòu)，采用擬人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可穿戴式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適應(yīng)人體生理結(jié)構(gòu)，通過與人體下肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的耦合實(shí)現(xiàn)與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)具有安全性的設(shè)計(jì)，通過選擇合適材料不但足以負(fù)擔(dān)重物，也可以應(yīng)付一定范圍內(nèi)的沖擊載荷；軟限位和硬限位等共同實(shí)現(xiàn)碰撞前的預(yù)防和碰撞后的保護(hù)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型的整體形狀結(jié)構(gòu)示意圖:
[0017]圖2是本實(shí)用新型的腰部放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本實(shí)用新型的髖關(guān)節(jié)放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本實(shí)用新型的液壓控制單元放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5是本實(shí)用新型的大腿放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6是本實(shí)用新型的小腿放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖中，腰部1、液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2、髖關(guān)節(jié)3、大腿4、膝關(guān)節(jié)5、小腿6、踝關(guān)節(jié)7、腳掌8、第一連接板9、傾角傳感器10、負(fù)重板11、底板12、第二連接板13、第一多維力傳感器14、腰部綁帶15、蓄能器16、第一電液伺服閥17、第二電液伺服閥18、配油盤19、第一液壓缸20、髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件21、髖關(guān)節(jié)連接件22、髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器23、旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座24、伸長桿25、方端蓋26、銷釘27、軸承28、球頭29、大腿骨30、第二液壓缸31、膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器32、小腿骨33、第二多維力傳感器34、支撐板35、伺服閥放大板36、小腿綁帶37、踝關(guān)節(jié)球鉸鏈38、踝關(guān)節(jié)小腿骨連接件39、腳底板40、腳掌綁帶41、腳底壓力傳感器42。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0024]如圖1所示，本實(shí)用新型包括:腰部1、左腿、右腿、液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2、實(shí)時(shí)控制器、電源模塊；其中，所述左腿和右腿分別與腰部1鉸接，并對(duì)稱設(shè)置在腰部1兩側(cè)；液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2分別與左腿和右腿相連，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2與實(shí)時(shí)控制器相連；電源模塊對(duì)液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2供電；
[0025]所述腰部1包括:傾角傳感器10、負(fù)重板11、兩個(gè)底板12、第二連接板13、第一多維力傳感器14、腰部綁帶15 ;其中，兩個(gè)底板12分別安裝在負(fù)重板11的兩側(cè)；傾角傳感器10固定聯(lián)接在負(fù)重板11上；第二連接板13固定聯(lián)接在負(fù)重板11上；第一多維力傳感器14固定連接在第二連接板13上；腰部綁帶15固定連接在第一多維力傳感器14上；所述第一多維力傳感器14與實(shí)時(shí)控制器相連；
[0026]所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2包括:蓄能器16、第一電液伺服閥17、第二電液伺服閥18、配油盤19、伺服閥放大板36、液壓栗站；其中，蓄能器16固定聯(lián)接在第一連接板9上；第一電液伺服閥17、第二電液伺服閥18均與配油盤19固定聯(lián)接；配油盤19與第一連接板9固定聯(lián)接；蓄能器16和配油盤19的進(jìn)油口均與液壓栗站出油口連接；第一電液伺服閥17的進(jìn)油口、第二電液伺服閥18的進(jìn)油口均與配油盤19進(jìn)油口相連，第一電液伺服閥17的出油口與配油盤19的第一出油口相連，第二電液伺服閥18的出油口與配油盤19的第二出油口相連；伺服閥放大板36與底板12固定連接；伺服閥放大板36與實(shí)時(shí)控制器相連。
[0027]所述右腿和左腿結(jié)構(gòu)相同，包括:髖關(guān)節(jié)3、大腿4、膝關(guān)節(jié)5、小腿6、踝關(guān)節(jié)7、腳掌8、第一連接板9 ;其中，髖關(guān)節(jié)3固定聯(lián)接在底板12上；髖關(guān)節(jié)3與大腿4固定聯(lián)接；大腿4和小腿6均與膝關(guān)節(jié)5鉸接；小腿6與踝關(guān)節(jié)7固定聯(lián)接；踝關(guān)節(jié)7與腳掌8通過球鉸鏈連接；液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2固定聯(lián)接在第一連接板9上，第一連接板9固定聯(lián)接在髖關(guān)節(jié)3上。
[0028]所述髖關(guān)節(jié)3包括:第一液壓缸20、髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件21、髖關(guān)節(jié)連接件22、髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器23、旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座24、伸長桿25、方端蓋26、球窩；其中，第一液壓缸20 一端與底板12鉸接，另一端與髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件21鉸接；髖關(guān)節(jié)液壓缸連接件21與髖關(guān)節(jié)連接件22鉸接；髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器23設(shè)置在旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座24上；旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座24與伸長桿25通過球窩聯(lián)接；髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器23與實(shí)時(shí)控制器相連；
[0029]所述球窩包括:銷釘27、軸承28、球頭29 ;其中，球頭29設(shè)置在銷釘27上，在球頭29兩側(cè)設(shè)置有一對(duì)軸承28 ;銷釘27與伸長桿25之間設(shè)置有一對(duì)軸承28，方端蓋26與伸長桿25固定聯(lián)接，銷釘27通過一對(duì)方端蓋26對(duì)其進(jìn)行軸向限位；球頭29固定在旋轉(zhuǎn)編碼器安裝座24中，銷釘27