[發明專利]一種生物耦合式髖關節助力外骨骼

有效

• 申請號: 202110356926.4
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113183120B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 劉福才;徐繼龍;邢濟湲
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 何圣斐;李洪福

本發明涉及一種生物耦合式髖關節助力外骨骼，包括外骨骼主體、腿部綁帶組件、腰部綁帶和電控背包；所述外骨骼主體部分下部兩側分別是由三條RRPS支鏈組成的并聯機構，其下側通過腿部綁帶組件綁定在人體大腿上，其上側通過腰部綁帶綁定在人體腰部上；在腿部綁帶組件和腰部綁帶之間人體的髖骨、髖關節和大腿骨組成了一條虛擬約束支鏈，該虛擬約束支鏈與三條RRPS支鏈一起構成了一組具有三個轉動自由度的并聯機構，該并聯機構的轉動中心與人體髖關節中心完全一致，避免了人機旋轉中心不一致造成的損傷；三條支鏈中的P副采用多級伸縮結構，增大了人腿的活動范圍；整機結構采用仿生學設計理念，使得穿戴者行動起來更加便捷。

技術領域

本發明涉及可穿戴外骨骼技術領域，尤其涉及一種生物耦合式髖關節助力外骨骼。

背景技術

穿戴式助力外骨骼用于為人體關節動作提供助力，輔助人體運動，其在輔助醫療、單兵軍事作戰、重體力勞作等領域有著廣泛的應用前景。

髖關節作為連接人體腰部和下肢的重要關節，對人體行走、跑步、彈跳等動作起著決定性的影響；然而，髖關節在長時間過度受力下極易造成損傷，因此，通過穿戴式助力外骨骼減小髖關節的運動負荷，使之保持在合理的受力范圍是維護髖關節健康的有效方法。

現階段，髖關節助力外骨骼的機械結構一般為串聯式，此種構型雖然簡單、易控制，但外骨骼的回轉中心很難與人體髖關節中心保持一致，極易產生人機交互力，并且這種人機交互力無法進行有效消除，長期使用會導致髖關節損壞。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種生物耦合式髖關節助力外骨骼，其轉動中心與人體髖關節中心完全一致，避免了人機旋轉中心不一致造成的損傷，同時具有增大腿部活動范圍，穿戴后行動更加便捷等特點。

本發明采用的技術方案如下：

本發明所提出的一種生物耦合式髖關節助力外骨骼，包括外骨骼主體、腿部綁帶組件、腰部綁帶和電控背包；所述腿部綁帶組件分別連接在外骨骼主體下端的左右兩側，所述腰部綁帶一端與外骨骼主體的上端內側連接，另一端通過公母扣與電控背包連接；

所述外骨骼主體包括上罩、安裝板、下罩、支鏈組件、連接板、電機、減速器、蝸桿和護板；所述電機和減速器裝配后分別對稱設置在安裝板上部的左右兩側，所述蝸桿分別連接在減速器的輸出軸上，所述支鏈組件分別對稱設置在安裝板下部的左右兩側，且所述支鏈組件的頂部分別與蝸桿對應傳動連接，所述上罩和下罩分別罩設在安裝板的上方和下方，所述連接板分別對稱設置在兩側支鏈組件的底部，所述腿部綁帶組件分別對稱連接在兩側連接板的內側；所述護板連接在上罩的內側外表面。

進一步的，所述支鏈組件由三條RRPS支鏈組成，其中，R為轉動副，P為移動副，S為球副，且第一個R副為驅動副，三條支鏈頂部的安裝位置分別位于等腰三角形的三個頂點處，依次為內側支鏈、中間支鏈和外側支鏈，所述內側支鏈與外側支鏈關于等腰三角形頂角的角平分線對稱布置。

進一步的，所述內側支鏈的第一條轉動軸線與等腰三角形的底邊重合，第二條轉動軸線與第一條轉動軸線垂直且平行于等腰三角形的對稱面，P副的運動軸線與第二條轉動軸線垂直且過S副的中心；中間支鏈的第一條轉動軸線與等腰三角形頂角的角平分線重合，第二條轉動軸線與第一條轉動軸線垂直且平行于等腰三角形的底邊，且中間支鏈P副的運動軸線與第二條轉動軸線垂直且過S副的中心。

進一步的，所述支鏈包括軸承座、渦輪、主動軸、L型連桿、U型架、從動軸、一級導套、二級導套、導桿、萬向鉸鏈和轉軸；所述主動軸通過軸承安裝在軸承座中，所述軸承座與安裝板下部固定連接，所述渦輪通過頂絲安裝在主動軸中較長的一段臺階軸處，并通過螺母進行固定；所述L型連桿一端通過頂絲安裝在主動軸中較短的一段臺階軸處，另一端通過從動軸與U型架連接；所述一級導套通過頂絲安裝在U型架的外端面底部，所述二級導套置于一級導套內部且僅在其內部來回移動，所述導桿置于二級導套內部且僅在其內部來回移動；所述萬向鉸鏈一端與導桿底端相連接，另一端與轉軸相連接。