CN106806090B - 一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于外骨骼机器人设计技术领域，具体涉及一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构。
背景技术
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。
发明内容
有鉴于此，本发明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。
根据本发明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，本发明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发明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发明的一些实施例，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为本发明公开的外骨骼机器人的结构示意图。
图3为本发明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
正如背景技术部分所述，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。
本发明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发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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机构的结构简图。其中，外骨骼机器人1单侧下肢具有三个自由度，分别为髋、膝、踝在矢状面内的旋转自由度。人体结构简化为髋、踝各有三个旋转自由度，可在矢状面、额状面以及水平面内旋转，膝关节只有在矢状面内旋转自由度。
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，该人机柔顺连接机构包括：
第一移动副：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，形成脚部约束2。本实施例中，由于脚部沿移动方向的位移较小，因此对脚部约束的处理中，采用绑带的形式将人体脚部与外骨骼足部之间进行连接，其他实施例中也可采用小腿约束的形式约束脚部，具体结构形式视情况而定。
第二移动副：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，形成小腿约束3。至少第二移动副与小腿间为滚动接触形式，第二移动副包括滚轮，人体小腿与滚轮外缘相切，滚轮转轴与人体小腿长度方向垂直，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。
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，形成腰部约束4。
其中还可在大腿位置设置移动副，移动副形式与小腿位置结构相似，具体不做限制。
参见图4，第二移动副一端固定连接于外骨骼小腿上，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，环形机构的直径可调，适用于不同体型患者的需求。
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31，对称设置于固定板两侧的连接板32，以及铰连接于连接边32上的调节板33，两调节板33末端连接固定，固定板、连接板及调节板依次连接围成所述环形机构。
固定板31上设置有一螺杆40，连接板32通过该螺杆40与固定板31螺旋连接，且可通过转动螺杆调节连接位置。
两调节板间锁紧固定，其中一调节板上设置有间距调节件34，间距调节件34上设置有若干锁孔，另一调节板上设置有锁扣件35，锁扣件与不同锁孔配合调节外环部分尺寸。
具体的，螺杆40轴向固定于固定板31上，螺杆40两端分别加工有左旋、右旋螺纹，且分别与左右两个连接板32通过螺纹建立连接。连接板与调节板之间通过铰链连接。间距调节件34固定于右侧调节板上，锁扣件35固定于左侧调节板上。间距调节件34与锁扣件35之间通过锁扣的作用将两个调节板连接在一起，组成外环部分。通过旋转螺杆及调节间距调节件上的锁紧位置来调节外环的径向尺寸，以适应不同身型用户的小腿尺寸。
内环部分包括滚轮36，滚轮36通过一滚轮座37连接支撑在外环部分上，优选的，内环部分还包括一支架38，滚轮座37连接于支架38上，至少部分滚轮座铰连接于支架上，能够沿环形机构所在平面摆动。在本实施例中每个支架两端均连接一个滚轮座，每个滚轮座上设置一组滚轮，每组滚轮包括上下设置的两个滚轮，两个滚轮转动设置在滚轮座上，两端的滚轮座与支架铰连接，因此使得滚轮能够在环形机构所在平面摆动，确保滚轮与人体小腿有效接触，且减少压迫。
支架38通过一弹性机构39连接固定于外环部分上，弹性机构包括弹簧与弹簧轴，弹簧轴固定连接于调节板或连接板或固定板上，并贯穿支架，支架可在弹簧轴的导向下移动并压缩弹簧。在外力作用下弹性机构受力压缩或复位，支架带动滚轮座及其上的滚轮沿环形机构的径向往复移动调节内环部分的尺寸。
本实施例中优选采用对称设置的两个支架，每个支架两端均设置一个滚轮座，滚轮座为设置于外环部分内部四周的四组，具体数量不做限制。
具体的，滚轮36采用发泡橡胶作为材料，可以绕其转轴旋转，滚轮与转轴之间装有轴承，可为滑动轴承或滚动轴承。两排滚轮通过转轴安装在滚轮座37上，滚轮座37可以旋转，确保两排滚轮与人体小腿有效接触。两组滚轮座铰接安装在支架38的两端，支架38可以沿着弹性机构的轴向进行移动，弹性机构安装在支架38与调节板之间，使得人体小腿与连接机构发生相对滑动时，滚轮与小腿之间能够有效接触。
如图5所示，腰部的平面副包括腰部固定板41，腰部固定板41为弧形结构，并与人体腰部贴合；腰部固定板41与外骨骼腰部上分别设置有一组移动导轨，分别为第一移动导轨42、第一滑块43、第二移动导轨44、第二滑块45，静置状态下，两组移动导轨相互垂直，两移动滑块间通过一转动机构转动连接，腰部固定板能够在额状面内上下、左右滑动以及转动。
转动机构包括相互配合的销轴46与连接于销轴上的轴承47，销轴与轴承分别设置于两移动滑块上，通过两组移动导轨实现腰部固定板的水平移动与垂直移动，通过销轴与滑动轴承的配合实现腰部固定板的转动。
优选的，腰部固定板内部弧面上均匀分布有球面滚珠(未示出)，滚珠随人体腰部扭动任意转动。
具体的，人体腰部相对于外骨骼机器人在额状面内有3个自由度，包括两个移动自由度和一个转动自由度。一组平行布置的导轨(第一移动导轨)安装在外骨骼腰部上，一组平行布置的滑块(第一滑块)安装在滑块固定板(未示出)上，通过滑块与导轨之间的相对滑动实现1个移动自由度。一组平行布置的导轨(第二移动导轨)安装在腰部固定板41上，一组平行布置的滑块(第二滑块)安装在滑块固定板(未示出)上，通过滑块与导轨之间的相对滑动实现另一个方向上的移动自由度。销轴46与轴承47分别与两个滑块固定板相对固定，通过销轴与滑动轴承之间的相对转动实现腰部固定板与外骨骼腰部之间的一个转动自由度。腰部固定板采用热塑板的工艺制作而成，使其与人体腰部进行紧密贴合。
实施例2
如图6所示，其余与实施例1相同，不同之处在于，小腿连接机构为了能与人体腿部更好的接触，设计了另外的替代结构，将实施例1中的支架38分离成两段，分别为短支架61。短支架两端安装有滚轮座架62，用于对滚轮36进行轴向定位。整个机构共有16个滚轮与人体接触，包裹于人体小腿外侧，每侧的8个滚轮相互对称，呈两排分布。
综上，本发明公开了一种面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构，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。
小腿约束部分采用滚轮加弹簧的约束形式，摒弃传统绑带方式中绑带与腿部之间滑动摩擦的形式，采用滚轮与腿部之间滚动摩擦的形式，能够有效的减小腿部沿长度方向的受力情况。
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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
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；
所述面向外骨骼机器人的人机柔顺连接机构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，以减小人机之间的约束力，提高人体舒适度。
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，支架沿环形机构的径向往复移动调节内环部分的尺寸。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求3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，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。
6.根据权利要求3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。
7.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。
8.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，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。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求8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。
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