專利名稱：一種助力型外骨骼用背架髖部兩級聯(lián)結(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其涉及一種用于助力型外骨骼的實(shí)現(xiàn)背架和髖部穩(wěn)定連接且能可靠承載的兩級聯(lián)結(jié)裝置。
背景技術(shù)：
振動(dòng)現(xiàn)象是每件機(jī)械產(chǎn)品的自然現(xiàn)象，如機(jī)翼因顫振而折斷，鋼結(jié)構(gòu)因共振而坍塌等，此謂不利因素；又如振動(dòng)輸送機(jī)、振動(dòng)球磨機(jī)等，為有利因素。在振動(dòng)成為機(jī)械不利因素的場合，減振和隔振有越來越高的要求，所以彈性阻尼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同樣是機(jī)械設(shè)計(jì)的必要步驟。對于人機(jī)攜行系統(tǒng)中的外骨骼結(jié)構(gòu)而言，其主要功能在代替人體承受垂向載荷，因此外骨骼和人體之間必須通過連接裝置緊緊連接在一起。這樣在人機(jī)攜行期間，負(fù)重隨人體運(yùn)動(dòng)的速度和加速度會(huì)造成振動(dòng)和沖擊現(xiàn)象。當(dāng)人機(jī)攜行行走時(shí)，在支撐相和擺動(dòng)相的周期運(yùn)動(dòng)中，人機(jī)質(zhì)心有一個(gè)上下起伏的運(yùn)動(dòng)特征，在起或沉的階段，負(fù)重都會(huì)由加速度引起動(dòng)載荷，并隨人機(jī)質(zhì)心曲線反復(fù)作用于外骨骼，隨著行走速度的增加，步頻的加快和步幅的增大，此動(dòng)載荷作用周期的頻率也會(huì)增加，幅值會(huì)變大，造成對外骨骼的振動(dòng)沖擊。同時(shí)在人機(jī)行走運(yùn)動(dòng)期間，擺動(dòng)提供側(cè)相對于支撐側(cè)會(huì)出現(xiàn)吊胯現(xiàn)象，即單腳支撐時(shí)，負(fù)重由該側(cè)支撐，另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)則不能受到限制，否則會(huì)影響人機(jī)運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)調(diào)性，這就要求背架和髖部之間的連接裝置既要能夠垂向支撐力，兩側(cè)之間的運(yùn)動(dòng)自由度又不能相互制約。通過對外骨骼可能受到的振動(dòng)和沖擊作用的分析，以及對人機(jī)間協(xié)調(diào)性的影響，要求外骨骼的背架和髖部結(jié)構(gòu)之間的設(shè)計(jì)既要能滿足承載要求，又要能實(shí)現(xiàn)左右髖部的解耦，滿足人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性的要求。在目前的外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究中，重點(diǎn)集中在下肢承載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、剛度分析，而往往忽略了背架和髖部之間的問題，且從公布的研究成果來看，通常將背架、左右髖部連接為一個(gè)整體，能夠?qū)崿F(xiàn)人體直立、靜態(tài)條件下的承載，但對于諸如行走等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的承載則沒有解決，且人機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)沒有實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提出一種新的用于助力型外骨骼的實(shí)現(xiàn)背架和髖部穩(wěn)定連接且能可靠承載的兩級聯(lián)結(jié)裝置，在背架和髖部之間設(shè)置腰部護(hù)板作為中間連接裝置，且共用一根中間軸，同時(shí)在背架與護(hù)板、護(hù)板與髖部結(jié)構(gòu)之間對稱設(shè)置阻尼器，分別將三者進(jìn)行可靠連接，并且通過阻尼器的拉伸作用，可以增強(qiáng)負(fù)重的穩(wěn)定性，有效降低負(fù)重在人機(jī)運(yùn)動(dòng)期間對外骨骼造成的沖擊載荷，可以實(shí)現(xiàn)外骨骼左右兩側(cè)的解耦，有效提高人機(jī)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于外骨骼背架和髖部聯(lián)結(jié)的一種新型裝置，在阻尼器的作用下增強(qiáng)負(fù)重的穩(wěn)定性，有效降低負(fù)重在人機(jī)運(yùn)動(dòng)期間對外骨骼造成的沖擊載荷，實(shí)現(xiàn)外骨骼左右兩側(cè)的解耦，有效 提高人機(jī)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是:一種助力型外骨骼用背架髖部兩級聯(lián)結(jié)裝置，在人機(jī)攜行系統(tǒng)的外骨骼結(jié)構(gòu)中用于背架和髖部構(gòu)件間的緩沖聯(lián)接，保證外載荷的傳遞和人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，設(shè)置腰部護(hù)板100，腰部護(hù)板上設(shè)置有兩級聯(lián)接裝置，其一用于與背架200聯(lián)接，包括:一級阻尼器201的一端設(shè)置在腰部護(hù)板100上，其另一端與背架200的左邊聯(lián)接；一級阻尼器202對稱設(shè)置，與背架200的右邊聯(lián)接；另一聯(lián)接裝置用于與髖部構(gòu)件聯(lián)接，包括:二級阻尼器301的一端設(shè)置在腰部護(hù)板100上，其另一端與左髖構(gòu)件300聯(lián)接，另一二級阻尼器302對稱設(shè)置，與右髖構(gòu)件400聯(lián)接；腰部護(hù)板100中部設(shè)置中心軸120，背架200、左髖構(gòu)件300和右髖構(gòu)件400套接在中心軸120上。腰部護(hù)板100中部設(shè)置中心軸120，背架200、左髖構(gòu)件300和右髖構(gòu)件400套接在中心軸120上，并可繞中心軸120小幅度旋轉(zhuǎn)。采用如上的結(jié)構(gòu)，在外骨骼的背架和髖部之間設(shè)置腰部護(hù)板作為中間連接裝置，且通過三者共用一根中間軸初步實(shí)現(xiàn)三個(gè)平動(dòng)方向和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度約束；為了使腰部護(hù)板和背架能夠在人機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中始終位于中間位置，同時(shí)在背架與腰部護(hù)板之間左右對稱設(shè)置一級阻尼器，實(shí)現(xiàn)一級聯(lián)結(jié)，在護(hù)板與髖部結(jié)構(gòu)之間對稱設(shè)置二級阻尼器，實(shí)現(xiàn)二級聯(lián)結(jié)，并同時(shí)將三者可靠連接為耦合結(jié)構(gòu)。通過這種在助力型外骨骼的背架和左右髖部以及腰部護(hù)板之間設(shè)置兩級聯(lián)結(jié)裝置的方式，可以約束三者的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的連接，使背架上的負(fù)重可以順利地向下肢結(jié)構(gòu)傳遞，增強(qiáng)負(fù)重的穩(wěn)定性；并且通過阻尼器的拉伸作用，可以釋放一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度范圍，不僅可以有效降低負(fù)重在人機(jī)運(yùn)動(dòng)期間對外骨骼造成的沖擊載荷，還可以實(shí)現(xiàn)外骨豁左右兩側(cè)的解I禹，有效提聞人機(jī)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。


圖1是外骨骼背架和髖部聯(lián)結(jié)裝置的主視圖。

圖2是圖1A-A剖視圖。圖3是圖1B-B剖視圖。圖4是腰部護(hù)板主視圖。圖5是圖4A-A剖視圖。圖6是一級阻尼器正剖視圖。圖7是圖6俯視圖。圖8是二級阻尼器正剖視圖。圖9是圖8俯視圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1 (為表達(dá)方便，圖1采用了不規(guī)則的階梯剖視)可以看到，在外骨骼結(jié)構(gòu)中設(shè)置腰部護(hù)板100，通過中間軸120將背架200和左右髖部結(jié)構(gòu)300和400以及腰部護(hù)板100連接在一起，限制了三個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，只剩下腰部護(hù)板相對于左右髖部結(jié)構(gòu)的以中間軸為旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以及背架相對于腰部護(hù)板的以中間軸為旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，負(fù)重的垂向分量可通過中間軸向下傳遞。
為了限制背架、左右髖部結(jié)構(gòu)和腰部護(hù)板之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在背架和左右髖部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置兩級聯(lián)結(jié)裝置，其中背架與腰部護(hù)板之間為一級聯(lián)結(jié)裝置，腰部護(hù)板與左右髖部結(jié)構(gòu)之間為二級聯(lián)結(jié)裝置。在一級聯(lián)結(jié)裝置中以中間軸為對稱平面，左右對稱設(shè)置兩個(gè)一級阻尼器201和202。各阻尼器的一端通過銷軸進(jìn)行連接，銷軸采用軸用擋圈進(jìn)行軸向的固定，為防止阻尼器沿著安裝軸作軸向串動(dòng)，在阻尼器關(guān)節(jié)軸承的兩個(gè)端面各設(shè)置一個(gè)錐套。如圖3所示，阻尼器的主要工作部件為拉伸筒內(nèi)的成對安裝的碟簧，可起到吸振緩沖的作用；同時(shí)，碟簧的壓縮力直接作用于背架，可使負(fù)重相對于中間軸只能做微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。阻尼器的兩端設(shè)置有關(guān)節(jié)軸承，兩端的軸承座與阻尼器端板之間為螺紋連接，可任意調(diào)節(jié)兩個(gè)軸承中心之間的距離，實(shí)現(xiàn)阻尼器的準(zhǔn)確安裝；同時(shí)可通過關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)克服阻尼器兩端安裝軸線之間不平行的問題。在腰部護(hù)板與左右髖部結(jié)構(gòu)之間的二級聯(lián)結(jié)裝置中，仍以中間軸為對稱平面，左右對稱設(shè)置兩個(gè)二級阻尼器301和302。左側(cè)阻尼器的一端與左髖部結(jié)構(gòu)通過銷軸進(jìn)行連接，左側(cè)阻尼器的另一端與腰部護(hù)板上的左側(cè)安裝座通過銷軸進(jìn)行連接。右側(cè)阻尼器的一端與右髖部結(jié)構(gòu)通過銷軸進(jìn)行連接，右側(cè)阻尼器的另一端與腰部護(hù)板上的右側(cè)安裝座通過銷軸進(jìn)行連接。銷軸采用軸用擋圈進(jìn)行軸向的固定，在阻尼器關(guān)節(jié)軸承的兩個(gè)端面各設(shè)置一個(gè)錐套，以防止阻尼器沿著安裝軸作軸向串動(dòng)。如圖4所示:二級阻尼器與一級阻尼器相比，二級阻尼器的行程較短，安裝距也較短，但提供的支撐力一致；二級阻尼器的其余機(jī)械結(jié)構(gòu)與一級阻尼器相同。實(shí)施例一采用圖1和圖2的結(jié)構(gòu)。在外骨骼背架和左右髖部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置腰部護(hù)板，通過中間軸將背架和左右髖部結(jié)構(gòu)以及腰部護(hù)板連接在一起。在背架和左右髖部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置兩級聯(lián)結(jié)裝置，其中背架與腰部護(hù)板之間為一級聯(lián)結(jié)裝置，腰部護(hù)板與左右髖部結(jié)構(gòu)之間為二級聯(lián)結(jié)裝置。在一級聯(lián)結(jié)裝置中左右對稱各設(shè)置一個(gè)一級阻尼器；左側(cè)阻尼器的兩端分別與腰部護(hù)板上的左安裝座和背架左側(cè)安裝孔通過銷軸進(jìn)行連接，銷軸采用軸用擋圈進(jìn)行軸向的固定，在阻尼器關(guān)節(jié)軸承的兩個(gè)端面各設(shè)置一個(gè)錐套限制阻尼器的軸向串動(dòng)；右側(cè)阻尼器的安裝方式與左側(cè)阻尼器相同。腰部護(hù)板與左右髖部結(jié)構(gòu)之間為二級聯(lián)結(jié)裝置，左右對稱各設(shè)置一個(gè)二級阻尼器；左側(cè)阻尼器的兩端分別與左髖部結(jié)構(gòu)和腰部護(hù)板上的左側(cè)安裝座通過銷軸進(jìn)行連接，右側(cè)阻尼器的兩端分別與右髖部結(jié)構(gòu)和腰部護(hù)板上的右側(cè)安裝座通過銷軸進(jìn)行連接；銷軸采用軸用擋圈進(jìn)行軸向的固定，在阻尼器關(guān)節(jié)軸承的兩個(gè)端面各設(shè)置一個(gè)錐套限制阻尼器的軸向串動(dòng)。實(shí)施例二采用圖1和圖2的結(jié)構(gòu)。在外骨骼的背架和左右髖部之間設(shè)置腰部護(hù)板作為中間連接裝置，三者共用中心軸進(jìn)行連接。腰部護(hù)板的主體為護(hù)板，采用高強(qiáng)度鋁合金2A12材料制造；為保證與人體腰部貼和，護(hù)板兩端為大圓角過渡，為減輕重量，護(hù)板上開有六個(gè)條形孔。為實(shí)現(xiàn)與阻尼器的連接，護(hù)板上設(shè)有四個(gè)安裝座，上層兩個(gè)用于與一級阻尼器的連接，下層兩個(gè)用于與二級阻尼器的連接；安裝座采用高強(qiáng)度鋁合金2A12制造，與護(hù)板之間采用焊接的方式進(jìn)行連接。
權(quán)利要求
1.一種助力型外骨骼用背架髖部兩級聯(lián)結(jié)裝置，在人機(jī)攜行系統(tǒng)的外骨骼結(jié)構(gòu)中用于背架和髖部構(gòu)件間的緩沖聯(lián)接，保證外載荷的傳遞和人機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，其特征在于，設(shè)置腰部護(hù)板(100)，腰部護(hù)板上設(shè)置有兩級聯(lián)接裝置，其一用于與背架(200)聯(lián)接，包括:一級阻尼器(201)的一端設(shè)置在腰部護(hù)板(100)上，其另一端與背架(200)的左邊聯(lián)接；一級阻尼器(202)對稱設(shè)置，與背架(200)的右邊聯(lián)接；另一聯(lián)接裝置用于與髖部構(gòu)件聯(lián)接，包括:二級阻尼器(301)的一端設(shè)置在腰部護(hù)板(100)上，其另一端與左髖構(gòu)件(300)聯(lián)接，另一二級阻尼器(302)對稱設(shè)置，與右髖構(gòu)件(400)聯(lián)接；腰部護(hù)板(100)中部設(shè)置中心軸(120)，背架(200)、左髖構(gòu)件(300)和右髖構(gòu)件(400)套接在中心軸上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的助力型外骨骼用背架髖部兩級聯(lián)結(jié)裝置，其特征在于，所述腰部護(hù)板(100)中部設(shè)置中心軸(120)，背架(200)、左髖構(gòu)件(300)和右髖構(gòu)件(400)套接在中心軸(120)上，并可繞中心軸(120)小幅度旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的助力型外骨骼用背架髖部兩級聯(lián)結(jié)裝置，其特征在于，所述一級阻尼器主要由關(guān)節(jié)軸承(I)、軸承座(2)、拉桿(3)、端擋(4)、拉伸筒(5)、碟簧(6)、端擋(7)、螺母(8) 、軸承座(9)構(gòu)成，關(guān)節(jié)軸承通過過盈配合分別安裝于軸承座I和軸承座2內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于外骨骼的背架和髖部之間的聯(lián)結(jié)裝置，其特征在于，在外骨骼的背架和髖部之間設(shè)置腰部護(hù)板作為中間連接裝置，在背架與腰部護(hù)板之間左右對稱設(shè)置一級阻尼器，實(shí)現(xiàn)一級聯(lián)結(jié)，在腰部護(hù)板與左右髖部結(jié)構(gòu)之間對稱設(shè)置二級阻尼器，實(shí)現(xiàn)二級聯(lián)結(jié)。本發(fā)明可以約束背架、右髖構(gòu)件和左髖構(gòu)件三者的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的連接，使背架上的負(fù)重可以順利地向下肢結(jié)構(gòu)傳遞，增強(qiáng)負(fù)重的穩(wěn)定性；并且通過阻尼器的拉伸作用，可以釋放一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度范圍，不僅可以有效降低負(fù)重在人機(jī)運(yùn)動(dòng)期間對外骨骼造成的沖擊載荷，還可以實(shí)現(xiàn)外骨骼左右兩側(cè)的解耦，有效提高人機(jī)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。
文檔編號(hào)A61F2/60GK103142332SQ20131005859
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者劉放, 程文明, 周宏 , 張則強(qiáng), 朱家元, 吳曉 申請人:西南交通大學(xué)