[发明专利]基于3-RPR并联机构的仿生膝关节下肢外骨骼结构体

摘要

本发明公开了基于3‑RPR并联机构的仿生膝关节下肢外骨骼结构体，其包括有髋关节组件、膝关节组件、踝关节组件和脚板以外，还设有大腿、小腿。髋关节组件的连接件安装在膝关节组件的连接件上，膝关节组件的两根丝杠安装在踝关节组件的踝关节的转动轴上。踝关节组件的连接件上安装有脚板。大腿与小腿通过膝关节轴连接，小腿的下端在踝关节骨架内运动。小腿的伸长与内屈运动受限于踝关节的双轴。本发明为3‑RPR并联机构能够随时根据康复机器人系统的控制需求的设定而变化，这就使得外骨骼在跟随人体运动的过程中，解决在脚板自重量下，踝关节跟随会出现偏摆现象，从而降低了对人体膝关节和踝关节的伤害。

主权项

一种基于3‑RPR并联机构的仿生膝关节下肢外骨骼结构体，所述的下肢外骨骼结构体包括有髋关节组件(2)、膝关节组件(1)和踝关节组件(3)；在所述下肢外骨骼的末端连接有脚板组件(4)；膝关节组件(1)包括有膝关节A驱动部分(12)、膝关节B驱动部分(13)和膝关节固定装配部分；髋关节组件(2)包括有髋关节驱动部分和髋关节固定装配部分；其特征在于：还设有大腿(6)和小腿(5)；踝关节组件(3)由踝关节骨架、转动轴、从动轴、以及安装在转动轴上的轴连接件和安装在踝关节轴上的轴连接件组成；踝关节骨架包括有CA支架(3A)、CB支架(3B)、CA夹板(3E)、CB夹板(3F)、CA滑块(3C)和CB滑块(3D)，CA夹板(3E)与CB夹板(3F)平行放置，且两者之间固定有CB支架(3B)；CB支架(3B)的下端固定在CA支座(3G)的上端；CA滑块(3C)和CB滑块(3D)用于小腿(5)在其上移动；CA支架(3A)的上端设有上连板(3A1)，CA支架(3A)的下端设有CA下支臂(3A2)和CB下支臂(3A3)，CA下支臂(3A2)与CB下支臂(3A3)之间是U形槽(3A4)；上连板(3A1)上固定有用于采集踝关节与小腿之间滑动距离的光纤传感头(34)；CA下支臂(3A2)的内面板上固定有CA滑块(3C)，CA下支臂(3A2)的外面板上固定有CA夹板(3E)的上端；CB下支臂(3A3)的内面板上固定有CB滑块(3D)，CB下支臂(3A3)的外面板上固定有CB夹板(3F)的上端；CA滑块(3C)为U形结构件；CA滑块(3C)的一竖板上设有CA半圆台(3C1)，CA半圆台(3C1)置于EA竖板(5A)的EA导轨槽(5A3)中；CA滑块(3C)的另一竖板上设有CB半圆台(3C2)，CB半圆台(3C2)置于EA竖板(5A)的EB导轨槽(5A4)中；CB滑块(3D)为U形结构件；CB滑块(3D)的一竖板上设有CC半圆台(3D1)，CC半圆台(3D1)置于EB竖板(5B)的EC导轨槽(5B3)中；CB滑块(3D)的另一竖板上设有CD半圆台(3D2)，CD半圆台(3D2)置于EB竖板5B的(ED)导轨槽(5B4)中；踝关节转动轴上的轴连接件包括有CC支座(3I)和CE支座(3N)；CE支座(3N)上设有固定面板(3N1)和用于踝关节转动轴(32)穿过的CA通孔(3N2)；CC支座(3I)为形状，CC支座(3I)的上竖板(3I1)固定在CB支架(3B)的下端，CC支座(3I)的下竖板(3I2)固定在CE支座(3N)的固定面板(3N1)上；踝关节转动轴(32)的一端顺次穿过CA滚珠轴承(35)、CB滚珠轴承(36)、CE支座(3N)上的CA通孔(3N2)、CC滚珠轴承(37)和CD滚珠轴承(38)后，在螺纹端部连接一螺母；CA滚珠轴承(35)和CB滚珠轴承(36)安装在膝关节A丝杠(12A)下端的沉头腔中；CC滚珠轴承(37)和CD滚珠轴承(38)安装在膝关节B丝杠(13A)下端的沉头腔中；踝关节从动轴上的轴连接件包括有CA支座(3G)、CB支座(3H)和CA端盖(3P)；踝关节轴(33)转动的角度通过踝关节编码器(31)获取；踝关节轴(33)的一端安装有踝关节编码器(31)，踝关节轴(33)的另一端套接有CE滚珠轴承(39A)、CB支座(3H)和CF滚珠轴承(39B)；CB支座(3H)的上端面上设有用于螺纹固定CA紧顶钉(3H2)的CA销孔(3H3)，CA紧顶钉(3H2)穿过踝关节轴(33)上的通孔后螺纹固定在CA销孔(3H3)中，CB支座(3H)的轴向中部设有用于踝关节轴(33)穿过的CA中心通孔(3H1)；为了使踝关节轴(33)与CB支座(3H)的固定，踝关节轴(33)上设有用于螺纹固定CA紧顶钉(3H2)的螺纹盲孔；CA紧顶钉(3H2)的一端穿过CB支座(3H)上的CA销孔(3H3)后螺纹固定在踝关节轴(33)的螺纹盲孔中；CA支座(3G)为“H”形状，CA支座(3G)上设有CA立板(3G1)、CB立板(3G2)，CA立板(3G1)与CB立板(3G2)之间是CA横板(3G3)，在CA横板(3G3)的下方放置有CB支座(3H)，CA横板(3G3)的上端固定在CB支架(3B)的下端；CA立板(3G1)的下端设有用于安装CE滚珠轴承(39A)的CA轴承通孔(3G11)，CB立板(3G2)的下端设有用于安装CF滚珠轴承(39B)的CB轴承通孔(3G21)；大腿(6)为四个面板组成的矩形空腔(61)结构体，所述矩形空腔(61)内固定有第一内连接体(6C)和第二内连接体(6D)；第一内连接体(6C)和FA连接体(6A)通过螺钉与螺母配合固定在固定在大腿(6)中部；第二内连接体(6D)和FB连接体(6B)通过螺钉与螺母配合固定在固定在大腿(6)下端的末端；FB连接体(6B)的下端连接有膝关节连接体(16)，膝关节连接体(16)上设有AA竖板(16A)、AB竖板(16B)和AA横板(16C)，AA横板(16C)置于平行放置的AA竖板(16A)与AB竖板(16B)之间；AA竖板(16A)的下端设有用于安装A滚珠轴承(14)的AA通孔(16A1)；AB竖板(16B)的下端设有用于安装B滚珠轴承(15)的AB通孔(16B1)；A滚珠轴承(14)与B滚珠轴承(15)套接在膝关节轴(11)上，且A滚珠轴承(14)与B滚珠轴承(15)之间固定的是小腿(5)的上端；所述小腿(5)的上端绕膝关节轴(11)运动；膝关节轴(11)转过的角度由膝关节编码器(11A)采集；小腿(5)由2根具有导轨槽的竖板(5A、5B)平行放置，且底部固定有底板(5C)构成；小腿(5)的上端通过螺钉固定在膝关节轴(11)上，且小腿(5)上端绕膝关节轴(11)转动；EA竖板(5A)的上端端部设有用于膝关节轴(11)穿过的EA通孔(5A1)，EA竖板(5A)的窄面板上对称设有EA导轨槽(5A3)和EB导轨槽(5A4)，EA导轨槽(5A3)中用于放置CA滑块(3C)的CA半圆台(3C1)，EB导轨槽(5A4)中用于放置CA滑块(3C)的CB半圆台(3C2)；CA滑块(3C)通过半圆台(3C1、3C2)活动抱接安装在EA竖板(5A)的宽面板的外侧；EB竖板(5B)的上端端部设有用于膝关节轴(11)穿过的EB通孔(5B1)，EB竖板(5B)的窄面板上对称设有EC导轨槽(5B3)和ED导轨槽(5B4)，EC导轨槽(5B3)中用于放置CB滑块(3D)的CC半圆台(3D1)，ED导轨槽(5B4)中用于放置CB滑块(3D)的CD半圆台(3D2)；CB滑块(3D)通过半圆台(3D1、3D2)活动抱接安装在EB竖板(5B)的宽面板的外侧；致使小腿(5)在对称放置的CA滑块(3C)、CB滑块(3D)中作上下滑动；小腿(5)在膝关节A驱动部分(12)和膝关节B驱动部分(13)协作驱动下，以及滑块(3C、3D)与导轨槽(5A3、5B3)的配合，实现小腿(5)与踝关节骨架为柔性连接；为了限制小腿(5)的伸长或内屈运动，在小腿(5)的上端设置有通过EA支架(52)固定有限位行程开关(51)；所述EA支架(52)为L形结构件，限位行程开关(51)固定在EA支架(52)的一端，EA支架(52)的另一端固定在膝关节连接体(16)的AA竖板(16A)上。