主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼的制作方法
【專利摘要】一種主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，它包括足（1）、小腿（3）、大腿（5）和背架（7），小腿（3）通過踝關節(jié)（18）與足（1）可轉動相連，其特征是所述的小腿（3）的下端連接有踝關節(jié)壓板（9），踝關節(jié)壓板（9）與足部助力用踝關節(jié)彈簧（2）相抵，踢關節(jié)彈簧（2）安裝在彈簧座（201）中，彈簧座（201）與足（1）固定連接；所述的小腿（3）的上端通過膝關節(jié)（19）與大腿（5）的下端鉸接相連；所述的大腿（5）的上端通過髖關節(jié)（6）與背架（7）相連。本發(fā)明結構簡單，控制方便。
【專利說明】主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有助力功能的外骨骼結構，尤其是一種能提高人體行走距離的外骨骼，具體地說是一種主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼。
【背景技術】
[0002]外骨骼是指為生物提供保護和支持的堅硬外部，原指昆蟲或甲殼類動物身體外表的骨骼，具有支撐和保護作用。外骨骼機器人是指套在人體外面的機器人，外骨骼機器人技術是融合了傳感、控制、信息、移動計算、能源、材料、機械，為操作者提供一種可穿戴機械機構的綜合技術?？纱┐飨轮夤趋罊C器人能為士兵提供助力，有效提高單兵攜行和作戰(zhàn)能力；也可用于下肢病人康復，為其校正或提供助力，其軍用和民用價值日益突出。
[0003]下肢外骨骼機器人通過腰帶、大腿套及腳套和人體接觸固定。背架上的負重通過外骨骼下肢傳遞到地面。
[0004]目前國內(nèi)外的研究多集中在主動式，即髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)等均需外力驅動，這些下肢外骨骼機器人研究較少考慮充分利用人體新陳代謝產(chǎn)生的能量以及在機動條件下的續(xù)航能力等，因此，設計一種采用主被動結合方式、將能夠很好地克服主動式下肢外骨骼機器人的不足、具有重要的軍用和民用價值的下肢外骨骼機器人具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的 是針對現(xiàn)有的下肢外骨骼機器人存在驅動復雜，能耗高的問題，設計一種僅需一臺膝關節(jié)驅動電機再配以相關的助力彈簧就能實現(xiàn)助力的主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
一種主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，它包括足1、小腿3、大腿5和背架7，小腿3通過踝關節(jié)18與足I可轉動相連，其特征是所述的小腿3的下端連接有踝關節(jié)壓板9，踝關節(jié)壓板9與足部助力用踝關節(jié)彈簧2相抵，踝關節(jié)彈簧2安裝在彈簧座201中，彈簧座201與足I固定連接；所述的小腿3的上端通過膝關節(jié)19與大腿5的下端鉸接相連，膝關節(jié)19的鉸軸固定在小腳3的上端并與電機4的輸出軸固定連接，電機4固定安裝在大腿5的下端上；所述的大腿5的上端通過髖關節(jié)6與背架7相連，所述的髖關節(jié)6由屈/伸運動機構、回旋運動機構和外展/內(nèi)收運動機構組成，所述的屈/伸運動機構由軸套601、屈/伸運動軸11和髖關節(jié)彈簧13，軸套601連接有同步運動的髖關節(jié)彈簧壓板10，髖關節(jié)彈簧壓板10與安裝在髖關節(jié)彈簧套筒12中的髖關節(jié)彈簧擋板16相抵，髖關節(jié)彈簧擋板16與髖關節(jié)彈簧13相抵，髖關節(jié)彈簧套筒12與屈/伸運動軸11固定相連；所述的回旋運動機構包括髖關節(jié)回旋運動軸14和髖關節(jié)回旋軸套15，髖關節(jié)回旋軸套15套裝在髖關節(jié)回旋運動軸14上，髖關節(jié)回旋運動軸14與屈/伸運動軸11固定相連；所述的外展/內(nèi)收運動機構包括外展/內(nèi)收運動軸20和外展/內(nèi)收軸套17，外展/內(nèi)收軸套17與背架7固定相連，外展/內(nèi)收運動軸20活動插裝在外展/內(nèi)收軸套17中并與髖關節(jié)回旋軸套15固定相連。[0007]所述的膝關節(jié)19上安裝有扭矩傳感器。
[0008]所述的小腿3和大腿5的長度可調(diào)。
[0009]所述的踝關節(jié)18和膝關節(jié)19均為軸套結構。
[0010]所述的背架7上連接有為電池充電的太陽能裝置8。
[0011]本發(fā)明的有益效果:
I)本發(fā)明采用主被動結合的技術方案，減輕了系統(tǒng)的質(zhì)量，減少了驅動裝置的控制，降低了系統(tǒng)運算的難度，提高了信號處理的效率，同時保證了較小的冗余度。
[0012]2)本發(fā)明踝關節(jié)和髖關節(jié)設計了由彈簧構成的驅動器，該驅動器不消耗能量，能夠在步行周期中，關節(jié)伸運動時吸收人體步態(tài)所產(chǎn)生的能量，并在關節(jié)屈運動時將能量完全釋放，降低了能量消耗。
[0013]3)本發(fā)明采用主被動式結合的技術方案，既起到了助力的效果，又減輕減小了能量損耗，提高了外骨骼實用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的踝關節(jié)部分結構示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的膝關節(jié)結構示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明的髖關節(jié)屈\伸運動部分結構示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明的髖關節(jié)回旋運動部分結構示意圖。
[0019]圖6為本發(fā)明的髖關節(jié)外展\內(nèi)收運動部分結構示意圖。
[0020]圖中:1-足，2-踝關節(jié)彈簧，3-小腿，4-電機，5-大腿，6_髖關節(jié)，7_背架，8_太陽能裝置，9-踝關節(jié)彈簧壓板，10-髖關節(jié)彈簧壓，11-髖關節(jié)屈\伸運動軸，12-髖關節(jié)彈簧套筒，13-髖關節(jié)彈簧，14-髖關節(jié)回旋運動軸，15-髖關節(jié)回旋運動軸套，16-髖關節(jié)彈簧擋板，17-背架連接板，18-踝關節(jié)，19-膝關節(jié)，20-外展/內(nèi)收運動軸。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0022]如圖1-6所示。
[0023]一種主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，它包括足1、小腿3、大腿5和背架7，小腿3、大腿5的長度可調(diào)，足1、小腿3、大腿5與人體的連接方式與現(xiàn)有的外骨骼相同，如圖1所示，背架I上安裝有為背負的電池充電的太陽能裝置8，小腿3通過踝關節(jié)18與足I可轉動相連，所述的小腿3的下端連接有踝關節(jié)壓板9，踝關節(jié)壓板9與足部助力用踝關節(jié)彈簧2相抵，踝關節(jié)彈簧2安裝在彈簧座201中，彈簧座201與足I (足底板)固定連接，如圖2所示。所述的小腿3的上端通過軸、套結構的膝關節(jié)19與大腿5的下端鉸接相連，膝關節(jié)19上安裝有扭矩傳感器，膝關節(jié)19的鉸軸固定在小腿3的上端并與電機4的輸出軸固定連接，電機4固定安裝在大腿5的下端上，當電機4在控制信號的控制下轉動時帶動小腿3的上端作相對于大腿的轉動，從而使膝關節(jié)呈彎曲狀態(tài)，實現(xiàn)助力跨步運動。所述的大腿5的上端通過髖關節(jié)6與背架7相連，所述的髖關節(jié)6由屈/伸運動機構(圖4)、回旋運動機構(圖5)和外展/內(nèi)收運動機構(圖6)組成，所述的屈/伸運動機構由軸套601、屈/伸運動軸11和髖關節(jié)彈簧13，如圖4，軸套601連接有同步運動的髖關節(jié)彈簧壓板10，髖關節(jié)彈簧壓板10與安裝在髖關節(jié)彈簧套筒12中的髖關節(jié)彈簧擋板16相抵，髖關節(jié)彈簧擋板16與13髖關節(jié)彈簧相抵，髖關節(jié)彈簧套筒12通過一個與屈/伸運動軸11固定相連的過渡板21實現(xiàn)與屈/伸運動軸11的相連，過渡板21上設有多個固定孔，髖關節(jié)彈簧套筒12在過渡板上的安裝角度可調(diào)，以滿足不同體型人員的需要，同時調(diào)節(jié)彈簧的預壓力。所述的回旋運動機構包括髖關節(jié)回旋運動軸14和髖關節(jié)回旋軸套15，如圖5，髖關節(jié)回旋軸套15套裝在髖關節(jié)回旋運動軸14上，髖關節(jié)回旋運動軸14與屈/伸運動軸11固定相連。所述的外展/內(nèi)收運動機構包括外展/內(nèi)收運動軸20和外展/內(nèi)收軸套17，如圖6所示，外展/內(nèi)收軸套17與背架7固定相連，外展/內(nèi)收運動軸20活動插裝在外展/內(nèi)收軸套17中并與髖關節(jié)回旋軸套15固定相連。
[0024]本發(fā)明的動作過程及原理如下:
本發(fā)明根據(jù)人體膝關節(jié)處傳感器檢測到人體膝關節(jié)扭矩信號及足底壓力傳感器測得的壓力信號，經(jīng)處理器處理后，電機根據(jù)處理后的信息，驅動外骨骼膝關節(jié)旋轉，跟隨人體膝關節(jié)同步運動，帶動小腿運動，給人助力(膝關節(jié)為主動關節(jié))。
[0025]在行走過程中，踝關節(jié)做伸運動時，壓縮彈簧，抵消一部分重力作用，彈簧吸收人體步態(tài)的能量；踝關節(jié)做屈運動時，彈簧伸長，釋放能量，給人助力。在行走過程中，髖關節(jié)做伸運動時，壓縮彈簧，彈簧吸收人體步態(tài)的能量；髖關節(jié)做屈運動時，彈簧伸長，釋放能量，給人助力。(踝關節(jié)、髖關節(jié)為被動關節(jié))
背負在后背的太陽能裝置，主要是為了克服缺乏高效能源，解決續(xù)航能力差的問題。在天晴時，使用者在戶外作業(yè)，可以邊使用邊給外骨骼充電，有效提高外骨骼續(xù)航能力，提高了外骨骼實用價值。
[0026]本發(fā)明的動作過程如下:
當電機4啟動帶動膝關節(jié)19轉動，小腿3上端向前運動，小腿3下端的踝關節(jié)彈簧壓板9同步運動向下壓迫踝關節(jié)彈簧2實現(xiàn)儲能，當膝關節(jié)19復位時，踝關節(jié)彈簧2所儲的能力釋放實現(xiàn)提步助力。小腿3帶動大腿5前進時，大腿5上端的屈/伸運動套筒601繞軸11轉動，同時套筒601帶動與其相連的髖關節(jié)彈簧壓板10轉動而壓迫髖關節(jié)彈簧13，實現(xiàn)儲能，屈/伸運動機構運動結 束后，髖關節(jié)彈簧13所儲能量釋放實現(xiàn)髖關節(jié)屈伸運動助力。當大腿作回轉運動時則通過屈/伸回轉軸11實現(xiàn)大腿繞髖關節(jié)回旋軸套15的整體轉動，當大腿5需作外展/內(nèi)收運動時則外展/內(nèi)收運動軸20繞軸套17轉動實現(xiàn)外展或內(nèi)收。
[0027]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
【權利要求】
1.一種主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，它包括足(I)、小腿(3)、大腿(5)和背架(7)，小腿(3)通過踝關節(jié)(18)與足(I)可轉動相連，其特征是所述的小腿(3)的下端連接有踝關節(jié)壓板(9)，踝關節(jié)壓板(9)與足部助力用踝關節(jié)彈簧(2)相抵，踝關節(jié)彈簧(2)安裝在彈簧座(201)中，彈簧座(201)與足(I)固定連接；所述的小腿(3)的上端通過膝關節(jié)(19)與大腿(5)的下端鉸接相連，膝關節(jié)(19)的鉸軸固定在小腿(3)的上端并與電機(4)的輸出軸固定連接，電機(4)固定安裝在大腿(5)的下端上；所述的大腿(5)的上端通過髖關節(jié)(6)與背架(7)相連，所述的髖關節(jié)(6)由屈/伸運動機構、回旋運動機構和外展/內(nèi)收運動機構組成，所述的屈/伸運動機構由軸套(601)、屈/伸運動軸(11)和髖關節(jié)彈簧(13)組成，軸套(601)固定在大腿(5)的上端并套裝在屈/伸運動軸(11)上，軸套(601)連接有同步運動的髖關節(jié)彈簧壓板(10)，髖關節(jié)彈簧壓板(10)與安裝在髖關節(jié)彈簧套筒(12)中的髖關節(jié)彈簧擋板(16 )相抵，髖關節(jié)彈簧擋板(16 )與髖關節(jié)彈簧(13 )相抵，髖關節(jié)彈簧套筒(12)與屈/伸運動軸(11)固定相連；所述的回旋運動機構包括髖關節(jié)回旋運動軸(14)和髖關節(jié)回旋軸套(15)，髖關節(jié)回旋軸套(15)套裝在髖關節(jié)回旋運動軸(14)上，髖關節(jié)回旋運動軸(14)與屈/伸運動軸(11)固定相連；所述的外展/內(nèi)收運動機構包括外展/內(nèi)收運動軸(20)和外展/內(nèi)收軸套(17)，外展/內(nèi)收軸套(17)與背架(7)固定相連，外展/內(nèi)收運動軸(20)活動插裝在外展/內(nèi)收軸套(17)中并與髖關節(jié)回旋軸套(15)固定相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的膝關節(jié)(19)上安裝有扭矩傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的小腿(3)和大腿(5)的長度可調(diào)。
4.根據(jù)權利要求1所述的主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的踝關節(jié)(18)和膝關節(jié)(19)均為軸套結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的主被動式結合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的背架(7)上連接有為電池充電的太陽能裝置(8)。
【文檔編號】A61F2/60GK103892943SQ201410102016
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權日:2014年3月19日
【發(fā)明者】宋勝利, 譚志濤, 張興龍, 白攀峰 申請人:中國人民解放軍理工大學