專利名稱：一種助力型外骨骼用背架髖部兩級聯結裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及機械結構的設計，尤其涉及一種用于助力型外骨骼的實現背架和髖部穩定連接且能可靠承載的兩級聯結裝置。
背景技術：
振動現象是每件機械產品的自然現象，如機翼因顫振而折斷，鋼結構因共振而坍塌等，此謂不利因素；又如振動輸送機、振動球磨機等，為有利因素。在振動成為機械不利因素的場合，減振和隔振有越來越高的要求，所以彈性阻尼系統的設計同樣是機械設計的必要步驟。對于人機攜行系統中的外骨骼結構而言，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。這樣在人機攜行期間，負重隨人體運動的速度和加速度會造成振動和沖擊現象。當人機攜行行走時，在支撐相和擺動相的周期運動中，人機質心有一個上下起伏的運動特征，在起或沉的階段，負重都會由加速度引起動載荷，并隨人機質心曲線反復作用于外骨骼，隨著行走速度的增加，步頻的加快和步幅的增大，此動載荷作用周期的頻率也會增加，幅值會變大，造成對外骨骼的振動沖擊。同時在人機行走運動期間，擺動提供側相對于支撐側會出現吊胯現象，即單腳支撐時，負重由該側支撐，另一側的運動則不能受到限制，否則會影響人機運動之間的協調性，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，兩側之間的運動自由度又不能相互制約。通過對外骨骼可能受到的振動和沖擊作用的分析，以及對人機間協調性的影響，要求外骨骼的背架和髖部結構之間的設計既要能滿足承載要求，又要能實現左右髖部的解耦，滿足人機運動協調性的要求。在目前的外骨骼機械結構的研究中，重點集中在下肢承載機構的設計和強度、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整體，能夠實現人體直立、靜態條件下的承載，但對于諸如行走等運動姿態的承載則沒有解決，且人機之間的協調運動沒有實現。本發明提出一種新的用于助力型外骨骼的實現背架和髖部穩定連接且能可靠承載的兩級聯結裝置，在背架和髖部之間設置腰部護板作為中間連接裝置，且共用一根中間軸，同時在背架與護板、護板與髖部結構之間對稱設置阻尼器，分別將三者進行可靠連接，并且通過阻尼器的拉伸作用，可以增強負重的穩定性，有效降低負重在人機運動期間對外骨骼造成的沖擊載荷，可以實現外骨骼左右兩側的解耦，有效提高人機運動的協調性。

發明內容
本發明的目的是設計一種應用于外骨骼背架和髖部聯結的一種新型裝置，在阻尼器的作用下增強負重的穩定性，有效降低負重在人機運動期間對外骨骼造成的沖擊載荷，實現外骨骼左右兩側的解耦，有效 提高人機運動的協調性。
實現本發明目的所采用的技術方案是:一種助力型外骨骼用背架髖部兩級聯結裝置，在人機攜行系統的外骨骼結構中用于背架和髖部構件間的緩沖聯接，保證外載荷的傳遞和人機運動協調，設置腰部護板100，腰部護板上設置有兩級聯接裝置，其一用于與背架200聯接，包括:一級阻尼器201的一端設置在腰部護板100上，其另一端與背架200的左邊聯接；一級阻尼器202對稱設置，與背架200的右邊聯接；另一聯接裝置用于與髖部構件聯接，包括:二級阻尼器301的一端設置在腰部護板100上，其另一端與左髖構件300聯接，另一二級阻尼器302對稱設置，與右髖構件400聯接；腰部護板100中部設置中心軸120，背架200、左髖構件300和右髖構件400套接在中心軸120上。腰部護板100中部設置中心軸120，背架200、左髖構件300和右髖構件400套接在中心軸120上，并可繞中心軸120小幅度旋轉。采用如上的結構，在外骨骼的背架和髖部之間設置腰部護板作為中間連接裝置，且通過三者共用一根中間軸初步實現三個平動方向和兩個轉動方向的自由度約束；為了使腰部護板和背架能夠在人機運動過程中始終位于中間位置，同時在背架與腰部護板之間左右對稱設置一級阻尼器，實現一級聯結，在護板與髖部結構之間對稱設置二級阻尼器，實現二級聯結，并同時將三者可靠連接為耦合結構。通過這種在助力型外骨骼的背架和左右髖部以及腰部護板之間設置兩級聯結裝置的方式，可以約束三者的平動和轉動自由度，實現穩定可靠的連接，使背架上的負重可以順利地向下肢結構傳遞，增強負重的穩定性；并且通過阻尼器的拉伸作用，可以釋放一定的轉動自由度范圍，不僅可以有效降低負重在人機運動期間對外骨骼造成的沖擊載荷，還可以實現外骨豁左右兩側的解I禹，有效提聞人機運動的協調性。


圖1是外骨骼背架和髖部聯結裝置的主視圖。

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。
具體實施例方式結合圖1 (為表達方便，圖1采用了不規則的階梯剖視)可以看到，在外骨骼結構中設置腰部護板100，通過中間軸120將背架200和左右髖部結構300和400以及腰部護板100連接在一起，限制了三個平動自由度和兩個轉動自由度，只剩下腰部護板相對于左右髖部結構的以中間軸為旋轉軸線的轉動自由度，以及背架相對于腰部護板的以中間軸為旋轉軸線的轉動自由度，負重的垂向分量可通過中間軸向下傳遞。
為了限制背架、左右髖部結構和腰部護板之間的相對轉動自由度，在背架和左右髖部結構之間設置兩級聯結裝置，其中背架與腰部護板之間為一級聯結裝置，腰部護板與左右髖部結構之間為二級聯結裝置。在一級聯結裝置中以中間軸為對稱平面，左右對稱設置兩個一級阻尼器201和202。各阻尼器的一端通過銷軸進行連接，銷軸采用軸用擋圈進行軸向的固定，為防止阻尼器沿著安裝軸作軸向串動，在阻尼器關節軸承的兩個端面各設置一個錐套。如圖3所示，阻尼器的主要工作部件為拉伸筒內的成對安裝的碟簧，可起到吸振緩沖的作用；同時，碟簧的壓縮力直接作用于背架，可使負重相對于中間軸只能做微小的轉動。阻尼器的兩端設置有關節軸承，兩端的軸承座與阻尼器端板之間為螺紋連接，可任意調節兩個軸承中心之間的距離，實現阻尼器的準確安裝；同時可通過關節軸承的轉動克服阻尼器兩端安裝軸線之間不平行的問題。在腰部護板與左右髖部結構之間的二級聯結裝置中，仍以中間軸為對稱平面，左右對稱設置兩個二級阻尼器301和302。左側阻尼器的一端與左髖部結構通過銷軸進行連接，左側阻尼器的另一端與腰部護板上的左側安裝座通過銷軸進行連接。右側阻尼器的一端與右髖部結構通過銷軸進行連接，右側阻尼器的另一端與腰部護板上的右側安裝座通過銷軸進行連接。銷軸采用軸用擋圈進行軸向的固定，在阻尼器關節軸承的兩個端面各設置一個錐套，以防止阻尼器沿著安裝軸作軸向串動。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械結構與一級阻尼器相同。實施例一采用圖1和圖2的結構。在外骨骼背架和左右髖部結構之間設置腰部護板，通過中間軸將背架和左右髖部結構以及腰部護板連接在一起。在背架和左右髖部結構之間設置兩級聯結裝置，其中背架與腰部護板之間為一級聯結裝置，腰部護板與左右髖部結構之間為二級聯結裝置。在一級聯結裝置中左右對稱各設置一個一級阻尼器；左側阻尼器的兩端分別與腰部護板上的左安裝座和背架左側安裝孔通過銷軸進行連接，銷軸采用軸用擋圈進行軸向的固定，在阻尼器關節軸承的兩個端面各設置一個錐套限制阻尼器的軸向串動；右側阻尼器的安裝方式與左側阻尼器相同。腰部護板與左右髖部結構之間為二級聯結裝置，左右對稱各設置一個二級阻尼器；左側阻尼器的兩端分別與左髖部結構和腰部護板上的左側安裝座通過銷軸進行連接，右側阻尼器的兩端分別與右髖部結構和腰部護板上的右側安裝座通過銷軸進行連接；銷軸采用軸用擋圈進行軸向的固定，在阻尼器關節軸承的兩個端面各設置一個錐套限制阻尼器的軸向串動。實施例二采用圖1和圖2的結構。在外骨骼的背架和左右髖部之間設置腰部護板作為中間連接裝置，三者共用中心軸進行連接。腰部護板的主體為護板，采用高強度鋁合金2A12材料制造；為保證與人體腰部貼和，護板兩端為大圓角過渡，為減輕重量，護板上開有六個條形孔。為實現與阻尼器的連接，護板上設有四個安裝座，上層兩個用于與一級阻尼器的連接，下層兩個用于與二級阻尼器的連接；安裝座采用高強度鋁合金2A12制造，與護板之間采用焊接的方式進行連接。
權利要求
1.一種助力型外骨骼用背架髖部兩級聯結裝置，在人機攜行系統的外骨骼結構中用于背架和髖部構件間的緩沖聯接，保證外載荷的傳遞和人機運動協調，其特征在于，設置腰部護板(100)，腰部護板上設置有兩級聯接裝置，其一用于與背架(200)聯接，包括:一級阻尼器(201)的一端設置在腰部護板(100)上，其另一端與背架(200)的左邊聯接；一級阻尼器(202)對稱設置，與背架(200)的右邊聯接；另一聯接裝置用于與髖部構件聯接，包括:二級阻尼器(301)的一端設置在腰部護板(100)上，其另一端與左髖構件(300)聯接，另一二級阻尼器(302)對稱設置，與右髖構件(400)聯接；腰部護板(100)中部設置中心軸(120)，背架(200)、左髖構件(300)和右髖構件(400)套接在中心軸上。
2.根據權利要求1所述的助力型外骨骼用背架髖部兩級聯結裝置，其特征在于，所述腰部護板(100)中部設置中心軸(120)，背架(200)、左髖構件(300)和右髖構件(400)套接在中心軸(120)上，并可繞中心軸(120)小幅度旋轉。
3.根據權利要求1所述的助力型外骨骼用背架髖部兩級聯結裝置，其特征在于，所述一級阻尼器主要由關節軸承(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)構成，關節軸承通過過盈配合分別安裝于軸承座I和軸承座2內。
全文摘要
本發明公開了一種應用于外骨骼的背架和髖部之間的聯結裝置，其特征在于，在外骨骼的背架和髖部之間設置腰部護板作為中間連接裝置，在背架與腰部護板之間左右對稱設置一級阻尼器，實現一級聯結，在腰部護板與左右髖部結構之間對稱設置二級阻尼器，實現二級聯結。本發明可以約束背架、右髖構件和左髖構件三者的平動和轉動自由度，實現穩定可靠的連接，使背架上的負重可以順利地向下肢結構傳遞，增強負重的穩定性；并且通過阻尼器的拉伸作用，可以釋放一定的轉動自由度范圍，不僅可以有效降低負重在人機運動期間對外骨骼造成的沖擊載荷，還可以實現外骨骼左右兩側的解耦，有效提高人機運動的協調性。
文檔編號A61F2/60GK103142332SQ20131005859
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月25日 優先權日2013年2月25日
發明者劉放, 程文明, 周宏 , 張則強, 朱家元, 吳曉 申請人:西南交通大學