[發明專利]一種具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備

有效

• 申請號: 201710112731.9
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106926220B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 丁希侖;張偉;張武翔;石狄
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

本發明公開一種具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備，使用三個約束三個旋轉自由度的多連桿機構作為主要支鏈，與兩個輔助驅動支鏈。主支鏈與輔助驅動支鏈均與腰部托架和腿部托架相連。其中主支鏈為兩組重合于一點的相鄰平行四邊形機構構成，由虛擬垂直于紙面的轉軸1，以及與轉軸1相交的轉軸2、轉軸3，共同組成繞相交點旋轉的解耦三自由度旋轉機構。對于主支鏈其他兩個自由度則有另外的兩個UPS結構形式的輔助驅動之鏈進行約束。本發明通過腰部托架與腿部托架分別安裝于人體的腰部與腿部，使用者可以根據需要，采用推拉和背負兩種使用方式，減小功能驅動系統的負載對使用者的影響，避免了負重因素對能源系統的體積和重量的限制。

技術領域

本發明涉及一種人體穿戴髖關節外骨骼機構，具體來說，是一種具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備，可以實現繞關節旋轉中心進行運動解耦的三自由度旋轉。

背景技術

隨著中國社會老齡化的加劇、人類疾病以及意外事故的問題，人的運動受到影響，可穿戴外骨骼機構可以對人體康復以及輔助運動提供幫助。可穿戴式助力設備以及康復設備的應用尤為受到重視。

人體髖關節作為一種重要運動關節，在損傷后或者無法提供足夠力量時，將極大影響人的正常行動。因為人體髖關節具有三自由度旋轉運動，且串聯機構剛性較差，無法繞人體髖關節轉動中心進行旋轉，本發明將針對該種運動提供一種純旋轉的三自由度并聯機構。

發明內容

針對上述問題，本發明提出一種具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備，使用三個約束三個旋轉自由度的多連桿機構作為主支鏈，該支鏈具有約束支鏈與驅動支鏈雙重功能，另設計有兩條支鏈作為無約束的驅動支鏈，該機構由此三個驅動與三自由度約束可實現人體髖關節可穿戴式助力設備繞髖關節進行三自由度旋轉運動。

本發明具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備，包括一條主支鏈與兩條輔助驅動支鏈、腰部托架、腿部托架、腰部連接架與腿部連接架。

所述主支鏈包含兩套相對于y軸對稱的平行四桿結構；y軸正向同人體右向；兩套平行四桿結構相對的頂點鉸接形成轉動副；同時遠離y軸的一條連桿分別作為腰部連桿與腿部連桿；腰部連桿與腿部連桿分別用來連接腰部托架與腿部托架。腰部連桿與腿部連桿軸線交于一點，作為主支鏈的旋轉中心，位于沿人體前后方向設定的一條虛擬轉軸上。

上述主支鏈中，腰部連桿與腿部連桿的輸出端上通過軸承分別套接有腰部連接頭與腿部連接頭；結合主支鏈的結構設計，使主支鏈具有豎直方向的移動自由度腰部連桿與腿部連桿、軸線的繞旋轉自由度。上述腰部連接頭和腿部連接頭側壁分別通過腰部連接架5和腿部連接架，與腰部托架和腿部托架連接固定；腰部連接架與腿部連接架均由相互鉸接且鉸接軸平行于y軸的支架構成；由此使主支鏈具有平行于四桿結構各轉動副的轉動自由度；最終可實現主支鏈的虛擬轉軸空間位置調整。

所述兩個輔助驅動支鏈分別位于人體前部與后部；輔助驅動支鏈由兩段連桿構成，兩段連桿間形成P副；其中內層連桿端部安裝有虎克鉸，通過虎克鉸與腰部托架相連，形成U副；外層連桿端部安裝球鉸，通過球鉸與腿部托架鉸接，形成S副。

使用時，先將腰部托架設置于人體胯部位置，通過綁帶固定；將腿部托架設置于人體大腿上，隨后根據人體髖關節相對腰部托架的位置，對腿部托架位置進行調節，使得人體髖關節中心位于主支鏈的虛擬轉軸上，此時將腿部托架與人體大腿間通過綁帶固定。最終通過各個驅動電機聯動，驅動人體大腿繞髖關節的三自由度旋轉運動。

本發明的優點在于：

1、本發明具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備，真正實現了三自由解耦旋轉運動，符合人體髖關節解剖學運動情況；

2、本發明具備RCM三自由度旋轉的人體髖關節可穿戴式助力設備，通過虛擬轉軸可以實現在人體與外骨骼機構非干涉情況下的機構旋轉運動，即RCM遠距離虛擬旋轉中心的方式進行工作。