[发明专利]一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体

摘要

本发明公开了一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，其由髋关节组件、膝关节组件和踝关节组件构成。髋关节组件的A连接件安装在膝关节组件的A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A连接件上安装有脚板。本发明设计的膝关节组件在虚拟点处具有平动和转动两个自由度，且运动时没有被机械结构所限制。本发明的膝关节并非简单的转动铰链或球铰，其运动是根据仿生运动原理来实现的，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，减小了外骨骼对膝关节不协调的作用力，从而降低了对人体膝关节的伤害。

主权项

一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，在所述下肢外骨骼的末端连接有脚板组件(4)；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)；其特征在于：膝关节组件(1)包括有膝关节A驱动部分、膝关节B驱动部分和膝关节固定装配部分；膝关节组件(1)在虚拟点处具有平动和转动两个自由度，且运动时没有被机械结构所限制；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；在髋关节直流伺服电机(21)的驱动下，带动髋关节滑套(23)沿髋关节丝杠(25)运动，实现髋关节滑套(23)远离或者靠近膝关节A连接件(1A)上端；膝关节A连接件(1A)绕BB转动轴(27)转动的角度的大小通过BB编码器(27A)采集；踝关节组件(3)包括有踝关节基座(3A)、踝关节A连接件(3B)、踝关节B连接件(3C)、踝关节C连接件(3D)、小腿连接件(3E)、踝关节转动轴(31)、踝关节编码器(31A)、CA滚珠轴承(31B)、CB滚珠轴承(31C)、CC滚珠轴承(31D)、CD滚珠轴承(31E)和CA挡圈(31F)；踝关节转动轴(31)的一端固定安装踝关节编码器(31A)，踝关节转动轴(31)的另一端上套接有四个滚珠轴(31B、31C、31D、31E)及CA挡圈(31F)；踝关节A连接件(3B)上设有CA竖板(3B1)和横板(3B2)；CA竖板(3B1)与踝关节基座(3A)的外凸安装板(3A2)通过螺钉固定；横板(3B2)插入踝关节B连接件(3C)的凹槽(3C1)内，且通孔螺钉固定；踝关节B连接件(3C)上设有凹槽(3C1)、CA支撑板(3C2)、CB支撑板(3C3)和竖板(3C4)，CA支撑板(3C2)与CB支撑板(3C3)相对设置在竖板(3C4)的一侧面，且CA支撑板(3C2)与CB支撑板(3C3)之间有凹槽(3C1)；踝关节C连接件(3D)上设有挡板(3D 1)；所述挡板(3D1)的中部设有CD通孔(3D2)，该CD通孔(3D2)用于踝关节转动轴(31)的一端穿过，穿过CD通孔(3D2)后的踝关节转动轴(31)上安装有踝关节编码器(31A)；所述挡板(3D1)的外沿四周设有CA凸爪(3D3)、CB凸爪(3D4)、CC凸爪(3D5)和CD凸爪(3D6)，其中CA凸爪(3D3)与CB凸爪(3D4)的结构相同，CC凸爪(3D5)与CD凸爪(3D6)的结构相同；CA凸爪(3D3)用于与膝关节B丝杠(15B)的AX凸台(15B4)固定；CB凸爪(3D4)用于与膝关节B丝杠(15B)的AY凸台(15B5)固定；CC凸爪(3D5)和CD凸爪(3D6)用于固定踝关节编码器(31A)；小腿连接件(3E)上安装有CA支架(3E1)和CB支架(3E2)，CA支架(3E1)上安装有CC支架(3E3)，CB支架(3E2)上安装有CD支架(3E4)；所述的膝关节A驱动部分由膝关节A直流伺服电机(11A)、膝关节A电机座(12A)、膝关节A滑套(13A)、膝关节A丝杠套(14A)、膝关节A丝杠(15A)构成；膝关节A丝杠(15A)的连接端(15A1)上设有AA轴承通孔(15A2)、AB轴承通孔(15A3)；AA轴承通孔(15A2)用于放置CA滚珠轴承(31B)；AB轴承通孔(15A3)用于放置CB滚珠轴承(31C)；膝关节A直流伺服电机(11A)的机壳固定在膝关节A电机座(12A)上，膝关节A直流伺服电机座(12A)固定在膝关节A滑套(13A)的一端，膝关节A滑套(13A)的另一端与膝关节A丝杠套(14A)的一端固定，膝关节A丝杠套(14A)的连接端(14A1)固定在AA转动轴(16)上，膝关节A丝杠(15A)的连接端(15A1)通过CA滚珠轴承(31B)、CB滚珠轴承(31C)与踝关节转动轴(31)实现连接，膝关节A丝杠(15A)的另一端穿过膝关节A电机座(12A)、膝关节A滑套(13A)后置入膝关节A丝杠套(14A)内；所述膝关节A丝杠套(14A)的连接端(14A1)上设有AA通孔(14A2)，该AA通孔(14A2)用于放置AA转动轴(16)；所述膝关节A丝杠(15A)的连接端(15A1)上设有AA轴承通孔(15A2)、AB轴承通孔(15A3)；该AA轴承通孔(15A2)用于放置CA滚珠轴承(31B)，该AB轴承通孔(15A3)用于放置CB滚珠轴承(31C)；所述膝关节B驱动部分由膝关节B直流伺服电机(11B)、膝关节B电机座(12B)、膝关节B滑套(13B)、膝关节B丝杠套(14B)、膝关节B丝杠(15B)构成；膝关节B丝杠(15B)的连接端(15B1)上设有AC轴承通孔(15B2)、AD轴承通孔(15B3)、AX凸台(15B4)、AY凸台(15B5)；AC轴承通孔(15B2)用于放置CC滚珠轴承(31D)；AD轴承通孔(15B3)用于放置CD滚珠轴承(31E)；AX凸台(15B4)用于安装膝关节F连接件(1F)的AE凸爪(1F3)；AY凸台(15B5)用于安装膝关节F连接件(1F)的AF凸爪(1F4)；膝关节B直流伺服电机(11B)的机壳固定在膝关节B电机座(12B)上，膝关节B电机座(12B)固定在膝关节B滑套(13B)的一端，膝关节B滑套(13B)的另一端与膝关节B丝杠套(14B)的一端固定，膝关节B丝杠套(14B)的连接端(14B1)固定在AB转动轴(17)上，膝关节B丝杠(15B)的连接端(15B1)通过CC滚珠轴承(31D)、CD滚珠轴承(31E)与踝关节转动轴(31)实现连接，膝关节B丝杠(15B)的另一端穿过膝关节B电机座(12B)、膝关节B滑套(13B)后置入膝关节B丝杠套(14B)内；所述膝关节B丝杠套(14B)的连接端(14B1)上设有AB通孔(14B2)，该AB通孔(14B2)用于放置AB转动轴(17)；所述膝关节B丝杠(15B)的连接端(15B1)上设有AC轴承通孔(15B2)、AD轴承通孔(15B3)；该AC轴承通孔(15B2)用于放置CC滚珠轴承(31D)，该AD轴承通孔(15B3)用于放置CD滚珠轴承(31E)；所述的膝关节固定装配部分包括有AA转动轴(16)、AB转动轴(17)、AA编码器(161)、AB编码器(171)、AA滚珠轴承(162)、AB滚珠轴承(163)、AC滚珠轴承(172)、AD滚珠轴承(173)、膝关节A连接件(1A)、膝关节B连接件(1B)、膝关节C连接件(1C)、膝关节D连接件(1D)、膝关节E连接件(1E)、膝关节F连接件(1F)、膝关节G连接件(1G)、膝关节H连接件(1H)、膝关节I连接件(1I)、膝关节J连接件(1J)、膝关节K连接件(1K)和膝关节L连接件(1L)；膝关节A连接件(1A)上设有A面板(1A2)、B面板(1A3)、C面板(1A4)、D面板(1A5)，A面板(1A2)上设有通孔，C面板(1A4)上设有AE通孔(1A1)；膝关节A连接件(1A)的C面板(1A4)上设有AE通孔(1A1)，该AE通孔(1A1)用于放置髋关节J连接件(2J)的凸起；与AE通孔(1A1)相对面的膝关节A连接件(1A)的A面板(1A2)上也设有一通孔，该通孔用于放置髋关节G连接件(2G)的凸起；膝关节B连接件(1B)上设有AE轴承通孔(1B1)、半弧形凸台(1B6)、AA支臂(1B2)、AB支臂(1B3)和AA凸台(1B5)；AA支臂(1B2)与AB支臂(1B3)之间是AA凹槽(1B4)，该AA凹槽(1B4)用于放置膝关节A连接件(1A)；该AE轴承通孔(1B1)用于放置AB滚珠轴承(163)；该AA凸台(1B5)与膝关节G连接件(1G)上的AB凸台(1G2)对齐，通过螺钉实现膝关节B连接件(1B)与膝关节G连接件(1G)的固定；该半弧形凸台(1B6)上通过螺钉固定有膝关节E连接件(1E)的AA凸爪(1E3)、AB凸爪(1E4)；膝关节C连接件(1C)包括有AA固定块(1C1)、AB固定块(1C2)、AC固定块(1C3)、AD固定块(1C4)和大腿贴合板(1C5)，所述大腿贴合板(1C5)上设有AA位移调节臂(1C51)、AB位移调节臂(1C52)、AC位移调节臂(1C53)和AD位移调节臂(1C54)；AA固定块(1C1)与AB固定块(1C2)通过螺钉固定在膝关节A连接件(1A)的D面板(1A5)上；AC固定块(1C3)与AD固定块(1C4)通过螺钉固定在膝关节A连接件(1A)的B面板(1A3)上；AA位移调节臂(1C51)安装在AA固定块(1C1)上，AB位移调节臂(1C52)安装在AB固定块(1C2)上，AC位移调节臂(1C53)安装在AC固定块(1C3)上，AD位移调节臂(1C54)安装在AD固定块(1C4)上；膝关节D连接件(1D)上设有AH轴承通孔(1D1)、AC支臂(1D2)、AD支臂(1D3)和AG凸台(1D5)，AC支臂(1D2)与AD支臂(1D3)之间是AB凹槽(1D4)，该AB凹槽(1D4)用于放置膝关节A连接件(1A)；AG凸台(1D5)与膝关节H连接件(1H)上的AD凸台(1H2)对齐，且通过螺钉实现膝关节D连接件(1D)与膝关节H连接件(1H)固定；膝关节E连接件(1E)上设有AA挡板(1E1)；所述AA挡板(1E1)的中部设有AA通孔(1E2)，该AA通孔(1E2)用于AA转动轴(16)的一端穿过，穿过AA通孔(1E2)后的AA转动轴(16)上安装有AA编码器(161)；所述AA挡板(1E1)的外沿四周设有四个凸爪，即AA凸爪(1E3)、AB凸爪(1E4)、AC凸爪(1E5)和AD凸爪(1E6)，其中AA凸爪(1E3)与AB凸爪(1E4)的结构相同，AC凸爪(1E5)与AD凸爪(1E6)的结构相同；AA凸爪(1E3)和AB凸爪(1E4)用于与膝关节B连接件(1B)的半弧形凸台(1B6)固定；AC凸爪(1E5)和AD凸爪(1E6)用于固定AA编码器(161)；膝关节F连接件(1F)上设有AB挡板(1F1)；所述AB挡板(1F1)的中部设有AB通孔(1F2)，该AB通孔(1F2)用于AB转动轴(17)的一端穿过，穿过AB通孔(1F2)后的AB转动轴(17)上安装有AB编码器(171)；所述AB挡板(1F1)的外沿四周设有四个凸爪，即AE凸爪(1F3)、AF凸爪(1F4)、AG凸爪(1F5)和AH凸爪(1F6)，其中AE凸爪(1F3)与AF凸爪(1F4)的结构相同，AG凸爪(1F5)与AH凸爪(1F6)的结构相同；AE凸爪(1F3)用于与膝关节H连接件(1H)的AE凸台(1H3)固定；AF凸爪(1F4)用于与膝关节H连接件(1H)的AF凸台(1H4)固定；AG凸爪(1F5)和AH凸爪(1F6)用于固定AB编码器(171)；膝关节G连接件(1G)上设有AF轴承通孔(1G1)和AB凸台(1G2)，AF轴承通孔(1G1)用于放置AA滚珠轴承(162)，AB凸台(1G2)与膝关节B连接件(1B)上的AA凸台(1B5)对齐，通过螺钉实现膝关节B连接件(1B)与膝关节G连接件(1G)的固定；膝关节H连接件(1H)上设有AG轴承通孔(1H1)上、AD凸台(1H2)、AE凸台(1H3)和AF凸台(1H4)，且AE凸台(1H3)和AF凸台(1H4)设置在同一面；AE凸台(1H3)上通过螺钉固定有膝关节F连接件(1F)的AE凸爪(1F3)；AF凸台(1H4)上通过螺钉固定有膝关节F连接件(1F)的AF凸爪(1F4)；AG轴承通孔(1H1)用于放置AD滚珠轴承(173)；AD凸台(1H2)用于与膝关节D连接件(1D)上的AG凸台(1D5)对齐，且通过螺钉实现膝关节H连接件(1H)与膝关节D连接件(1D)固定；膝关节I连接件(1I)上设有AC凸台(1I1)，通过在该AC凸台(1I1)的螺纹孔中放置螺钉，实现膝关节I连接件(1I)与膝关节L连接件(1L)的一端的固定；膝关节J连接件(1J)上设有AA凸耳(1J1)、AB凸耳(1J2)，且膝关节J连接件(1J)套接在膝关节B滑套(13B)上；膝关节K连接件(1K)上设有AC凸耳(1K1)、AD凸耳(1K2)、外凸起(1K3)；外凸起(1K3)上螺纹连接有限位钉(1M)；AC凸耳(1K1)与AA凸耳(1J1)对齐后通过螺钉与螺母配合固定；AD凸耳(1K2)与AB凸耳(1J2)对齐后通过螺钉与螺母配合固定；膝关节K连接件(1K)套接在膝关节B滑套(13B)上；膝关节L连接件(1L)上设有AE支臂(1L1)、AF支臂(1L2)和悬臂(1L4)；AE支臂(1L1)与AF支臂(1L2)之间是AC凹槽(1L3)，该AC凹槽(1L3)用于放置膝关节A连接件(1A)，即AE支臂(1L1)通过螺钉固定在膝关节A连接件(1A)的D面板(1A5)上，AF支臂(1L2)通过螺钉固定在膝关节A连接件(1A)的B面板(1A3)上；所述悬臂(1L4)上开有限位孔(1L41)，该限位孔(1L41)用于限位钉(1M)在其内运动；所述悬臂(1L4)的一端为连接端(1L42)，该连接端(1L42)通过螺钉固定在膝关节I连接件(1I)的AC凸台上；所述的髋关节驱动部分由髋关节直流伺服电机(21)、髋关节电机座(22)、髋关节滑套(23)、髋关节丝杠套(24)、髋关节丝杠(25)构成；髋关节直流伺服电机(21)的机壳固定在髋关节电机座(22)上，髋关节电机座(22)固定在髋关节滑套(23)的一端，髋关节滑套(23)的另一端与髋关节丝杠套(24)的一端固定，髋关节丝杠套的连接端(241)通过BA螺钉(28)与髋关节B连接件(2B)固定，髋关节丝杠的连接端(251)通过BA滚珠轴承(261)、BB滚珠轴承(262)安装在BA转动轴(26)上，髋关节丝杠(25)的另一端穿过髋关节电机座(22)、髋关节滑套(23)后置入髋关节丝杠套(24)内；所述髋关节丝杠套的连接端(241)的轴承通孔里设有一对滚珠轴承；所述髋关节丝杠的连接端(251)上设有BC通孔(252)，该BC通孔(252)用于放置BA转动轴(26)；BA转动轴(26)与髋关节丝杠的连接端(251)通过销钉固定；所述髋关节固定装配部分包括有BA转动轴(26)、BB转动轴(27)、BA编码器(26A)、BB编码器(27A)、髋关节A连接件(2A)、髋关节B连接件(2B)、髋关节C连接件(2C)、髋关节D连接件(2D)、髋关节E连接件(2E)、髋关节F连接件(2F)、髋关节G连接件(2G)、髋关节H连接件(2H)、髋关节I连接件(2I)和髋关节J连接件(2J)；髋关节H连接件(2H)与髋关节I连接件(2I)的结构相同；BA转动轴(26)上套接有BA滚珠轴承(261)和BB滚珠轴承(262)；BB转动轴(27)上套接有BC滚珠轴承(271)和BD滚珠轴承(272)；髋关节A连接件(2A)上设有BE支臂(2A1)、BF支臂(2A2)和U形夹(2A3)；U形夹(2A3)用于方便人体穿戴；BE支臂(2A1)上设有BA开口孔(2A11)，该BA开口孔(2A11)用于放置髋关节J连接件(2J)的BB圆形凸起(2J5)；BF支臂(2A2)上设有BB开口孔(2A21)，该BB开口孔(2A21)用于放置髋关节G连接件(2G)的BA圆形凸起(2G7)；髋关节B连接件(2B)上设有BA支臂(2B1)、BB支臂(2B2)、BC支臂(2B3)、BD支臂(2B4)和BA横板(2B5)；所述BA横板(2B5)的上方是相对设置的BC支臂(2B3)与BD支臂(2B4)；所述BA横板(2B5)的下方是相对设置的BA支臂(2B1)与BB支臂(2B2)；BA支臂(2B1)与BB支臂(2B2)固定在髋关节A连接件(2A)上；BC支臂(2B3)与BD支臂(2B4)形成的凹槽用于放置髋关节丝杠套(24)的连接端(241)，且通过BA螺钉(28)实现髋关节丝杠套(24)的连接端(241)与髋关节B连接件(2B)固定；髋关节丝杠套(24)的一端与髋关节滑套(23)的另一端固定；髋关节C连接件(2C)上设有BG支臂(2C2)和BA轴承通孔(2C1)；所述BA轴承通孔(2C1)内安装有BB滚珠轴承(262)；髋关节D连接件(2D)上设有BH支臂(2D2)和BB轴承通孔(2D1)；所述BB轴承通孔(2D1)内安装有BA滚珠轴承(261)；髋关节D连接件(2D)的一面板上设有BA凸台(2D3)和BB凸台(2D4)，BA凸台(2D3)通过螺钉与髋关节E连接件(2E)上的BA凸爪(2E3)固定，BB凸台(2D4)通过螺钉与髋关节E连接件(2E)上的BB凸爪(2E4)固定；髋关节E连接件(2E)上设有BA挡板(2E1)；所述BA挡板(2E1)的中部设有BA通孔(2E2)，该BA通孔(2E2)用于BA转动轴(26)的一端穿过，穿过BA通孔(2E2)后的BA转动轴(26)上安装有BA编码器(26A)；所述BA挡板(2E1)的外沿四周设有四个凸爪，即BA凸爪(2E3)、BB凸爪(2E4)、BC凸爪(2E5)和BD凸爪(2E6)，其中BA凸爪(2E3)与BB凸爪(2E4)的结构相同，BC凸爪(2E5)与BD凸爪(2E6)的结构相同；BA凸爪(2E3)用于与髋关节D连接件(2D)的BA凸台(2D3)固定；BB凸爪(2E4)用于与髋关节D连接件(2D)的BB凸台(2D4)固定；BC凸爪(2E5)和BD凸爪(2E6)用于固定BA编码器(26A)；髋关节F连接件(2F)上设有BB挡板(2F1)；所述BB挡板(2F1)的中部设有BB通孔(2F2)，该BB通孔(2F2)用于BB转动轴(27)的一端穿过，穿过BB通孔(2F2)后的BB转动轴(27)上安装有BB编码器(27A)；所述BB挡板(2F1)的外沿四周设有四个凸爪，即BE凸爪(2F3)、BF凸爪(2F4)、BG凸爪(2F5)和BH凸爪(2F6)，其中BE凸爪(2F3)与BF凸爪(2F4)的结构相同，BG凸爪(2F5)与BH凸爪(2F6)的结构相同；BE凸爪(2F3)用于与髋关节G连接件(2G)的BF凸台(2G5)固定；BF凸爪(2F4)用于与髋关节G连接件(2G)的BG凸台(2G6)固定；BG凸爪(2F5)和BH凸爪(2F6)用于固定BB编码器(27A)；髋关节G连接件(2G)上设有BC轴承通孔(2G1)、BC凸台(2G2)、BD凸台(2G3)、BE凸台(2G4)、BF凸台(2G5)和BG凸台(2G6)，其中BC凸台(2G2)、BD凸台(2G3)和BE凸台(2G4)设置在髋关节G连接件(2G)的一面板上，BF凸台(2G5)和BG凸台(2G6)设置在髋关节G连接件(2G)的另一面板上；所述BC轴承通孔(2G1)处设有BA圆形凸起(2G7)，该BA圆形凸起(2G7)置于髋关节A连接件(2A)的BB开口通孔(2A21)中；BF凸台(2G5)通过螺钉与髋关节F连接件(2F)的BE凸爪(2F3)固定；BG凸台(2G6)通过螺钉与髋关节F连接件(2F)的BF凸爪(2F4)固定；BC凸台(2G2)、BD凸台(2G3)和BE凸台(2G4)通过螺钉与髋关节A连接件(2A)的BF支臂(2A2)的内侧面固定；所述的BC轴承通孔(2G1)内安装有BC滚珠轴承(271)；髋关节H连接件(2H)为U形形状；髋关节H连接件(2H)上设有BC通孔(2H1)，所述BC通孔(2H1)内设有BA键(2H2)，BA键(2H2)卡合在BB转动轴(27)的键槽(273)内；BC通孔(2H1)用于放置BB转动轴(27)，且通过BA键(2H2)与键槽(273)的配合实现固定；髋关节I连接件(2I)为U形形状；髋关节I连接件(2I)上设有BD通孔(2I1)，所述BD通孔(2I1)内设有BB键(2I2)，BB键(2I2)卡合在BB转动轴(27)的键槽(273)内；BD通孔(2I1)用于放置BB转动轴(27)，且通过将BB键(2I2)与键槽(273)的配合实现固定；髋关节J连接件(2J)上设有BD轴承通孔(2J1)、BI凸台(2J2)、BJ凸台(2J3)、BH凸台(2J4)，其中BI凸台(2J2)、BJ凸台(2J3)和BH凸台(2J4)设置在髋关节J连接件(2J)的同一面板上，BI凸台(2J2)、BJ凸台(2J3)和BH凸台(2J4)通过螺钉与髋关节A连接件(2A)的BE支臂(2A1)的内侧面固定；所述的BD轴承通孔(2J1)内安装有BD滚珠轴承(272)；所述BC轴承通孔(2J1)处设有BB圆形凸起(2J5)，该BB圆形凸起(2J5)置于髋关节A连接件(2A)的BA开口通孔(2A11)中。