CN103142332B - 一种助力型外骨骼用背架髋部两级联结装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于外骨骼的背架和髋部之间的联结装置，其特征在于，在外骨骼的背架和髋部之间设置腰部护板作为中间连接装置，在背架与腰部护板之间左右对称设置一级阻尼器，实现一级联结，在腰部护板与左右髋部结构之间对称设置二级阻尼器，实现二级联结。本发明可以约束背架、右髋构件和左髋构件三者的平动和转动自由度，实现稳定可靠的连接，使背架上的负重可以顺利地向下肢结构传递，增强负重的稳定性；并且通过阻尼器的拉伸作用，可以释放一定的转动自由度范围，不仅可以有效降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，还可以实现外骨骼左右两侧的解耦，有效提高人机运动的协调性。
Description
技术领域
本发明涉及机械结构的设计，尤其涉及一种用于助力型外骨骼的实现背架和髋部稳定连接且能可靠承载的两级联结装置。
背景技术
振动现象是每件机械产品的自然现象，如机翼因颤振而折断，钢结构因共振而坍塌等，此谓不利因素；又如振动输送机、振动球磨机等，为有利因素。在振动成为机械不利因素的场合，减振和隔振有越来越高的要求，所以弹性阻尼系统的设计同样是机械设计的必要步骤。
对于人机携行系统中的外骨骼结构而言，其主要功能在代替人体承受垂向载荷，因此外骨骼和人体之间必须通过连接装置紧紧连接在一起。这样在人机携行期间，负重随人体运动的速度和加速度会造成振动和冲击现象。当人机携行行走时，在支撑相和摆动相的周期运动中，人机质心有一个上下起伏的运动特征，在起或沉的阶段，负重都会由加速度引起动载荷，并随人机质心曲线反复作用于外骨骼，随着行走速度的增加，步频的加快和步幅的增大，此动载荷作用周期的频率也会增加，幅值会变大，造成对外骨骼的振动冲击。
同时在人机行走运动期间，摆动提供侧相对于支撑侧会出现吊胯现象，即单脚支撑时，负重由该侧支撑，另一侧的运动则不能受到限制，否则会影响人机运动之间的协调性，这就要求背架和髋部之间的连接装置既要能够垂向支撑力，两侧之间的运动自由度又不能相互制约。
通过对外骨骼可能受到的振动和冲击作用的分析，以及对人机间协调性的影响，要求外骨骼的背架和髋部结构之间的设计既要能满足承载要求，又要能实现左右髋部的解耦，满足人机运动协调性的要求。
在目前的外骨骼机械结构的研究中，重点集中在下肢承载机构的设计和强度、刚度分析，而往往忽略了背架和髋部之间的问题，且从公布的研究成果来看，通常将背架、左右髋部连接为一个整体，能够实现人体直立、静态条件下的承载，但对于诸如行走等运动姿态的承载则没有解决，且人机之间的协调运动没有实现。
本发明提出一种新的用于助力型外骨骼的实现背架和髋部稳定连接且能可靠承载的两级联结装置，在背架和髋部之间设置腰部护板作为中间连接装置，且共用一根中间轴，同时在背架与护板、护板与髋部结构之间对称设置阻尼器，分别将三者进行可靠连接，并且通过阻尼器的拉伸作用，可以增强负重的稳定性，有效降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，可以实现外骨骼左右两侧的解耦，有效提高人机运动的协调性。
发明内容
本发明的目的是设计一种应用于外骨骼背架和髋部联结的一种新型装置，在阻尼器的作用下增强负重的稳定性，有效降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，实现外骨骼左右两侧的解耦，有效提高人机运动的协调性。
实现本发明目的所采用的技术方案是：
一种助力型外骨骼用背架髋部两级联结装置，在人机携行系统的外骨骼结构中用于背架和髋部构件间的缓冲联接，保证外载荷的传递和人机运动协调，设置腰部护板100，腰部护板上设置有两级联接装置，其一用于与背架200联接，包括：一级阻尼器201的一端设置在腰部护板100上，其另一端与背架200的左边联接；一级阻尼器202对称设置，与背架200的右边联接；另一联接装置用于与髋部构件联接，包括：二级阻尼器301的一端设置在腰部护板100上，其另一端与左髋构件300联接，另一二级阻尼器302对称设置，与右髋构件400联接；腰部护板100中部设置中心轴120，背架200、左髋构件300和右髋构件400套接在中心轴120上。
腰部护板100中部设置中心轴120，背架200、左髋构件300和右髋构件400套接在中心轴120上，并可绕中心轴120小幅度旋转。
采用如上的结构，在外骨骼的背架和髋部之间设置腰部护板作为中间连接装置，且通过三者共用一根中间轴初步实现三个平动方向和两个转动方向的自由度约束；为了使腰部护板和背架能够在人机运动过程中始终位于中间位置，同时在背架与腰部护板之间左右对称设置一级阻尼器，实现一级联结，在护板与髋部结构之间对称设置二级阻尼器，实现二级联结，并同时将三者可靠连接为耦合结构。
通过这种在助力型外骨骼的背架和左右髋部以及腰部护板之间设置两级联结装置的方式，可以约束三者的平动和转动自由度，实现稳定可靠的连接，使背架上的负重可以顺利地向下肢结构传递，增强负重的稳定性；并且通过阻尼器的拉伸作用，可以释放一定的转动自由度范围，不仅可以有效降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，还可以实现外骨骼左右两侧的解耦，有效提高人机运动的协调性。
附图说明
图1是外骨骼背架和髋部联结装置的主视图。
图2是图1A-A剖视图。
图3是图1B-B剖视图。
图4是腰部护板主视图。
图5是图4A-A剖视图。
图6是一级阻尼器正剖视图。
图7是图6俯视图。
图8是二级阻尼器正剖视图。
图9是图8俯视图。
具体实施方式
结合图1(为表达方便，图1采用了不规则的阶梯剖视)可以看到，在外骨骼结构中设置腰部护板100，通过中间轴120将背架200和左右髋部结构300和400以及腰部护板100连接在一起，限制了三个平动自由度和两个转动自由度，只剩下腰部护板相对于左右髋部结构的以中间轴为旋转轴线的转动自由度，以及背架相对于腰部护板的以中间轴为旋转轴线的转动自由度，负重的垂向分量可通过中间轴向下传递。
如图6所示，一级阻尼器主要由关节轴承1、轴承座2、拉杆3、端挡4、拉伸筒5、碟簧6、端挡7、螺母8、轴承座9构成，关节轴承通过过盈配合分别安装于轴承座2和轴承座9内。
为了限制背架、左右髋部结构和腰部护板之间的相对转动自由度，在背架和左右髋部结构之间设置两级联结装置，其中背架与腰部护板之间为一级联结装置，腰部护板与左右髋部结构之间为二级联结装置。在一级联结装置中以中间轴为对称平面，左右对称设置两个一级阻尼器201和202。各阻尼器的一端通过销轴进行连接，销轴采用轴用挡圈进行轴向的固定，为防止阻尼器沿着安装轴作轴向串动，在阻尼器关节轴承的两个端面各设置一个锥套。
如图3所示，阻尼器的主要工作部件为拉伸筒内的成对安装的碟簧，可起到吸振缓冲的作用；同时，碟簧的压缩力直接作用于背架，可使负重相对于中间轴只能做微小的转动。阻尼器的两端设置有关节轴承，两端的轴承座与阻尼器端板之间为螺纹连接，可任意调节两个轴承中心之间的距离，实现阻尼器的准确安装；同时可通过关节轴承的转动克服阻尼器两端安装轴线之间不平行的问题。
在腰部护板与左右髋部结构之间的二级联结装置中，仍以中间轴为对称平面，左右对称设置两个二级阻尼器301和302。左侧阻尼器的一端与左髋部结构通过销轴进行连接，左侧阻尼器的另一端与腰部护板上的左侧安装座通过销轴进行连接。右侧阻尼器的一端与右髋部结构通过销轴进行连接，右侧阻尼器的另一端与腰部护板上的右侧安装座通过销轴进行连接。销轴采用轴用挡圈进行轴向的固定，在阻尼器关节轴承的两个端面各设置一个锥套，以防止阻尼器沿着安装轴作轴向串动。如图4所示：二级阻尼器与一级阻尼器相比，二级阻尼器的行程较短，安装距也较短，但提供的支撑力一致；二级阻尼器的其余机械结构与一级阻尼器相同。
实施例一
采用图1和图2的结构。在外骨骼背架和左右髋部结构之间设置腰部护板，通过中间轴将背架和左右髋部结构以及腰部护板连接在一起。在背架和左右髋部结构之间设置两级联结装置，其中背架与腰部护板之间为一级联结装置，腰部护板与左右髋部结构之间为二级联结装置。在一级联结装置中左右对称各设置一个一级阻尼器；左侧阻尼器的两端分别与腰部护板上的左安装座和背架左侧安装孔通过销轴进行连接，销轴采用轴用挡圈进行轴向的固定，在阻尼器关节轴承的两个端面各设置一个锥套限制阻尼器的轴向串动；右侧阻尼器的安装方式与左侧阻尼器相同。腰部护板与左右髋部结构之间为二级联结装置，左右对称各设置一个二级阻尼器；左侧阻尼器的两端分别与左髋部结构和腰部护板上的左侧安装座通过销轴进行连接，右侧阻尼器的两端分别与右髋部结构和腰部护板上的右侧安装座通过销轴进行连接；销轴采用轴用挡圈进行轴向的固定，在阻尼器关节轴承的两个端面各设置一个锥套限制阻尼器的轴向串动。
实施例二
采用图1和图2的结构。在外骨骼的背架和左右髋部之间设置腰部护板作为中间连接装置，三者共用中心轴进行连接。腰部护板的主体为护板，采用高强度铝合金2A12材料制造；为保证与人体腰部贴和，护板两端为大圆角过渡，为减轻重量，护板上开有六个条形孔。为实现与阻尼器的连接，护板上设有四个安装座，上层两个用于与一级阻尼器的连接，下层两个用于与二级阻尼器的连接；安装座采用高强度铝合金2A12制造，与护板之间采用焊接的方式进行连接。
Claims (3)
1.一种助力型外骨骼用背架髋部两级联结装置，在人机携行系统的外骨骼结构中用于背架和髋部构件间的缓冲联接，保证外载荷的传递和人机运动协调，其特征在于,设置腰部护板(100)，腰部护板上设置有两级联接装置，其一用于与背架(200)联接，包括：一级阻尼器(201)的一端设置在腰部护板(100)上，其另一端与背架(200)的左边联接；一级阻尼器(202)对称设置，与背架(200)的右边联接；另一联接装置用于与髋部构件联接，包括：二级阻尼器(301)的一端设置在腰部护板(100)上，其另一端与左髋构件(300)联接，另一二级阻尼器(302)对称设置，与右髋构件(400)联接；腰部护板(100)中部设置中心轴(120)，背架(200)、左髋构件(300)和右髋构件(400)套接在中心轴上。
2.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用背架髋部两级联结装置，其特征在于,所述腰部护板(100)中部设置中心轴(120)，背架(200)、左髋构件(300)和右髋构件(400)套接在中心轴(120)上，并可绕中心轴(120)小幅度旋转。
3.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用背架髋部两级联结装置，其特征在于,所述一级阻尼器主要由关节轴承(1)、轴承座(2)、拉杆(3)、端挡(4)、拉伸筒(5)、碟簧(6)、端挡(7)、螺母(8)、轴承座(9)构成，关节轴承通过过盈配合分别安装于轴承座(2)和轴承座(9)内。
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