[发明专利]一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备

说明书

本发明公开一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，使用三个约束三个旋转自由度的多连杆机构作为主要支链，与两个辅助驱动支链。主支链与辅助驱动支链均与腰部托架和腿部托架相连。其中主支链为两组重合于一点的相邻平行四边形机构构成，由虚拟垂直于纸面的转轴1，以及与转轴1相交的转轴2、转轴3，共同组成绕相交点旋转的解耦三自由度旋转机构。对于主支链其他两个自由度则有另外的两个UPS结构形式的辅助驱动之链进行约束。本发明通过腰部托架与腿部托架分别安装于人体的腰部与腿部，使用者可以根据需要，采用推拉和背负两种使用方式，减小功能驱动系统的负载对使用者的影响，避免了负重因素对能源系统的体积和重量的限制。

技术领域

本发明涉及一种人体穿戴髋关节外骨骼机构，具体来说，是一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，可以实现绕关节旋转中心进行运动解耦的三自由度旋转。

背景技术

随着中国社会老龄化的加剧、人类疾病以及意外事故的问题，人的运动受到影响，可穿戴外骨骼机构可以对人体康复以及辅助运动提供帮助。可穿戴式助力设备以及康复设备的应用尤为受到重视。

人体髋关节作为一种重要运动关节，在损伤后或者无法提供足够力量时，将极大影响人的正常行动。因为人体髋关节具有三自由度旋转运动，且串联机构刚性较差，无法绕人体髋关节转动中心进行旋转，本发明将针对该种运动提供一种纯旋转的三自由度并联机构。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，使用三个约束三个旋转自由度的多连杆机构作为主支链，该支链具有约束支链与驱动支链双重功能，另设计有两条支链作为无约束的驱动支链，该机构由此三个驱动与三自由度约束可实现人体髋关节可穿戴式助力设备绕髋关节进行三自由度旋转运动。

本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，包括一条主支链与两条辅助驱动支链、腰部托架、腿部托架、腰部连接架与腿部连接架。

所述主支链包含两套相对于y轴对称的平行四杆结构；y轴正向同人体右向；两套平行四杆结构相对的顶点铰接形成转动副；同时远离y轴的一条连杆分别作为腰部连杆与腿部连杆；腰部连杆与腿部连杆分别用来连接腰部托架与腿部托架。腰部连杆与腿部连杆轴线交于一点，作为主支链的旋转中心，位于沿人体前后方向设定的一条虚拟转轴上。

上述主支链中，腰部连杆与腿部连杆的输出端上通过轴承分别套接有腰部连接头与腿部连接头；结合主支链的结构设计，使主支链具有竖直方向的移动自由度腰部连杆与腿部连杆、轴线的绕旋转自由度。上述腰部连接头和腿部连接头侧壁分别通过腰部连接架5和腿部连接架，与腰部托架和腿部托架连接固定；腰部连接架与腿部连接架均由相互铰接且铰接轴平行于y轴的支架构成；由此使主支链具有平行于四杆结构各转动副的转动自由度；最终可实现主支链的虚拟转轴空间位置调整。

所述两个辅助驱动支链分别位于人体前部与后部；辅助驱动支链由两段连杆构成，两段连杆间形成P副；其中内层连杆端部安装有虎克铰，通过虎克铰与腰部托架相连，形成U副；外层连杆端部安装球铰，通过球铰与腿部托架铰接，形成S副。

使用时，先将腰部托架设置于人体胯部位置，通过绑带固定；将腿部托架设置于人体大腿上，随后根据人体髋关节相对腰部托架的位置，对腿部托架位置进行调节，使得人体髋关节中心位于主支链的虚拟转轴上，此时将腿部托架与人体大腿间通过绑带固定。最终通过各个驱动电机联动，驱动人体大腿绕髋关节的三自由度旋转运动。

本发明的优点在于：

1、本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，真正实现了三自由解耦旋转运动，符合人体髋关节解剖学运动情况；

2、本发明具备RCM三自由度旋转的人体髋关节可穿戴式助力设备，通过虚拟转轴可以实现在人体与外骨骼机构非干涉情况下的机构旋转运动，即RCM远距离虚拟旋转中心的方式进行工作。