本發(fā)明涉及一種下肢助力機械外骨骼。

背景技術(shù)：

目前，為了減輕人體勞動強度及提高工作效率，機械化已成為必要手段，然而現(xiàn)有部分機械化裝備受一些外部條件限制，不能有效解決人高負重運動的問題；現(xiàn)有外骨骼技術(shù)大多采用液壓驅(qū)動，成本昂貴，不易推廣使用。申請?zhí)枮?01511019542.4的中國專利公開的結(jié)構(gòu)中，彈簧儲能彈跳外骨骼的驅(qū)動方式為電機通過絲杠螺母副帶動繩索傳動，繩索另一端連接在腿部的彈簧鉤壓件，使彈簧壓縮儲能，達到一定程度后由回程戳桿觸發(fā)釋放彈性勢能，達到助力效果，該設(shè)計傳動過于復雜，且效率較低，在完成人體行走時等下肢動作穩(wěn)定性較差，造成一定的局限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種下肢助力機械外骨骼，它能夠增強人的高負重且靈活運動能力，具有低成本、使用方便、維護簡單的特點。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種下肢助力機械外骨骼，它包括：

背部支架；

大腿部分，所述大腿部分的頂部通過髖關(guān)節(jié)與背部支架鉸接；

小腿部分，所述小腿部分的頂部通過膝關(guān)節(jié)與大腿部分的底部鉸接；

膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動所述膝關(guān)節(jié)動作，從而通過膝關(guān)節(jié)使小腿部分相對于大腿部分轉(zhuǎn)動；

腳掌，所述腳掌通過踝關(guān)節(jié)與所述小腿部分的底部連接。

進一步提供了一種踝關(guān)節(jié)與腳掌的連接結(jié)構(gòu)，所述踝關(guān)節(jié)為能夠儲存和釋放彈性勢能的彈性體結(jié)構(gòu)，所述踝關(guān)節(jié)的頂部與所述小腿部分固定連接，所述踝關(guān)節(jié)的底部與所述腳掌固定連接。

進一步，所述腳掌也為能夠儲存和釋放彈性勢能的彈性體結(jié)構(gòu)。

進一步提供了一種膝關(guān)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)，所述膝關(guān)節(jié)具有支架和轉(zhuǎn)動體，所述轉(zhuǎn)動體可旋轉(zhuǎn)地支承在支架上，所述支架與大腿部分的底部固定連接，所述轉(zhuǎn)動體與所述小腿部分的頂部固定連接，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動轉(zhuǎn)動體在支架上轉(zhuǎn)動。

進一步為了保證小腿部分彎曲和伸直時的極限位置在人腿的正?；顒臃秶鷥?nèi)，提高本外骨骼對人的保護功能，所述轉(zhuǎn)動體和支架之間設(shè)置有限制轉(zhuǎn)動體在支架上的轉(zhuǎn)動角度范圍的轉(zhuǎn)動角度限位結(jié)構(gòu)。

進一步提供了一種膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)包括卷筒、纜繩、轉(zhuǎn)向輪和卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件，卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，所述纜繩卷繞在卷筒上，纜繩的牽引端通過轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向后與所述轉(zhuǎn)動體相連接。

進一步提供了一種卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件的具體結(jié)構(gòu)，所述卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件包括電機和減速機，所述電機的輸出軸與減速機的動力輸入軸相連接，所述減速機的動力輸出軸與卷筒傳動連接。

進一步提供了另外一種踝關(guān)節(jié)與腳掌的連接結(jié)構(gòu)，所述腳掌通過踝關(guān)節(jié)與所述小腿部分的底部鉸接，并且它還包括驅(qū)動所述踝關(guān)節(jié)動作從而通過踝關(guān)節(jié)使腳掌相對于小腿部分轉(zhuǎn)動的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)；其中，所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)和所述膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相同，所述踝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)的支架為踝關(guān)節(jié)支架，踝關(guān)節(jié)支架與小腿部分的頂部固定連接，所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動體為踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動體，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動體與所述腳掌固定連接。

進一步，所述大腿部分和/或所述小腿部分為可調(diào)節(jié)長度的結(jié)構(gòu)。

進一步，所述小腿部分包括上部和下部，上部與下部插接，并且上部和下部之間設(shè)置有調(diào)節(jié)上部插入下部的深度從而調(diào)節(jié)整體長度的調(diào)節(jié)機構(gòu)。

進一步，所述調(diào)節(jié)機構(gòu)包括彈性元件、銷以及設(shè)置在下部上的多個銷孔，所述上部設(shè)置有盲孔，所述彈性元件和銷容置在盲孔內(nèi)，并且彈性元件的一端與盲孔的底壁相抵，彈性元件的另一端與銷相抵，銷與所述銷孔相插接配合。

進一步，所述腳掌通過踝關(guān)節(jié)與所述小腿部分的底部鉸接，并且它還包括驅(qū)動所述踝關(guān)節(jié)動作從而通過踝關(guān)節(jié)使腳掌相對于小腿部分轉(zhuǎn)動的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)。

采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下的有益效果：

1、本發(fā)明通過驅(qū)動部件帶動纜繩，在需要加力時，利用電機提供的動力，使關(guān)節(jié)伸展，當關(guān)節(jié)需要彎曲時，電機反轉(zhuǎn)，放松纜繩，靠人力驅(qū)動，僅需克服外骨骼的重力，電機處于空載運行，大大節(jié)省了電力消耗；

2、彈性體結(jié)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)的使用，利用材料的特殊性能，通過儲存和釋放彈性勢能完成腳掌的動作，提高能量利用率；

3、利用外力驅(qū)動的踝關(guān)節(jié)，利用與膝關(guān)節(jié)相同的驅(qū)動方式，使腳掌活動更加靈活；

4、本發(fā)明的外骨骼系統(tǒng)利用純機械驅(qū)動形式，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用范圍廣，制造和使用成本低等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的踝關(guān)節(jié)為彈性體結(jié)構(gòu)時下肢助力機械外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的踝關(guān)節(jié)為外力驅(qū)動時下肢助力機械外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的小腿部分的長度調(diào)節(jié)圖；

圖4是本發(fā)明的膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

實施例一

如圖1、3、4所示，一種下肢助力機械外骨骼，它包括：

背部支架1；

大腿部分3，所述大腿部分3的頂部通過髖關(guān)節(jié)2與背部支架1鉸接；

小腿部分，所述小腿部分的頂部通過膝關(guān)節(jié)5與大腿部分3的底部鉸接；

膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動所述膝關(guān)節(jié)5動作，從而通過膝關(guān)節(jié)5使小腿部分相對于大腿部分3轉(zhuǎn)動；

腳掌9，所述腳掌9通過踝關(guān)節(jié)與所述小腿部分的底部連接。

如圖1所示，所述踝關(guān)節(jié)為能夠儲存和釋放彈性勢能的彈性體結(jié)構(gòu)踝關(guān)節(jié)8，所述踝關(guān)節(jié)的頂部與所述小腿部分固定連接，所述踝關(guān)節(jié)的底部與所述腳掌9固定連接。

其中，所述背部支架的下部可設(shè)計成U型框，橫梁設(shè)計成套接或鉸接形式，兩端裝有關(guān)節(jié)軸承與大腿部分3的上端連接，立支架設(shè)計成倒U型，下端焊接在U型框上，上端橫梁設(shè)計成套接或鉸接形式。

如圖1所示，所述腳掌9為能夠儲存和釋放彈性勢能的彈性體結(jié)構(gòu)腳掌。本實施例的彈性體結(jié)構(gòu)踝關(guān)節(jié)8和腳掌9能夠在一定范圍內(nèi)發(fā)生彈性形變，并由弓形彈性材料制成，優(yōu)選的，所述彈性體結(jié)構(gòu)踝關(guān)節(jié)8和腳掌9為彈簧鋼，在下肢下落支撐期間，將動能和重力勢能轉(zhuǎn)化為材料本身彈性勢能；在上升期間，將儲存的彈性勢能釋放，重新轉(zhuǎn)化為前進的動能和抬升的動力。本實施例的所述腳掌設(shè)計成鞋底形狀，用彈性抗磨材料制成，在鞋底的前中后三個位置均設(shè)有綁扎帶，用于固定人的腳，使之與人腳完美契合。

如圖1、4所示，所述膝關(guān)節(jié)5具有支架和轉(zhuǎn)動體11，所述轉(zhuǎn)動體11可旋轉(zhuǎn)地支承在支架上，所述支架與大腿部分3的底部固定連接，所述轉(zhuǎn)動體11與所述小腿部分的頂部固定連接，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動轉(zhuǎn)動體11在支架上轉(zhuǎn)動。

如圖1、4所示，所述轉(zhuǎn)動體11和支架之間設(shè)置有限制轉(zhuǎn)動體11在支架上的轉(zhuǎn)動角度范圍的轉(zhuǎn)動角度限位結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動角度限位結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在轉(zhuǎn)動體11上的限位槽和設(shè)置在支架上的限位銷，所述限位銷滑動配合在限位槽內(nèi)。

如圖1、4所示，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)包括卷筒12、纜繩15、轉(zhuǎn)向輪4和卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件，卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件驅(qū)動卷筒12旋轉(zhuǎn)，所述纜繩15卷繞在卷筒12上，纜繩15的牽引端通過轉(zhuǎn)向輪4轉(zhuǎn)向后與所述轉(zhuǎn)動體11相連接；通過控制卷筒12上纏繞纜繩15的多少來控制膝關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)動的角度；其中，轉(zhuǎn)動體11可以設(shè)置成扇形結(jié)構(gòu)，纜繩15與轉(zhuǎn)動體11的扇形圓柱面連接。

如圖1所示，所述卷筒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件包括電機14和減速機13，所述電機14的輸出軸與減速機13的動力輸入軸相連接，所述減速機13的動力輸出軸與卷筒12傳動連接，從而實現(xiàn)電機14的扭矩傳遞到卷筒12，具體的，電機14采用程序控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的步態(tài)控制。所述電機14與減速機13都是標準件，無需另行設(shè)計或制造。

所述大腿部分和/或所述小腿部分為可調(diào)節(jié)長度的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，所述小腿部分包括上部6和下部7，上部6與下部7插接，并且上部6和下部7之間設(shè)置有調(diào)節(jié)上部6插入下部7的深度從而調(diào)節(jié)整體長度的調(diào)節(jié)機構(gòu)。

所述大腿部分的長度調(diào)節(jié)方式與小腿部分相同，只是將大腿上下兩部分句設(shè)計為矩形截面管，下部管內(nèi)用于安裝膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)。

如圖3所示，所述調(diào)節(jié)機構(gòu)包括彈性元件20、銷10以及設(shè)置在下部7上的多個銷孔19，所述上部6設(shè)置有盲孔，所述彈性元件20和銷10容置在盲孔內(nèi)，并且彈性元件20的一端與盲孔的底壁相抵，彈性元件20的另一端與銷相抵，銷10與所述銷孔19相插接配合。當需要調(diào)節(jié)時，可在銷10上施加壓力，彈性元件20受力壓縮，銷10移動，下部7便可沿著上部6移動，當移動到下一個銷孔19時，銷10在彈性元件20的作用下彈出，重新將小腿長度固定；可按此步驟直到調(diào)節(jié)到合適的位置為止。

實施例二

本實施例的結(jié)構(gòu)與實施例一的結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是：如圖2～4所示，所述踝關(guān)節(jié)為外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16，所述腳掌9通過外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16與所述小腿部分的底部鉸接，并且它還包括驅(qū)動所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16動作從而通過外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16使腳掌9相對于小腿部分轉(zhuǎn)動的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)；其中，所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16和所述膝關(guān)節(jié)5結(jié)構(gòu)相同，所述踝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16的支架為踝關(guān)節(jié)支架，踝關(guān)節(jié)支架與小腿部分的頂部固定連接，所述外力驅(qū)動型踝關(guān)節(jié)16的轉(zhuǎn)動體為踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動體18，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動體18與所述腳掌9固定連接；踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動體18的前后各設(shè)一個下位凸臺，與支架踝關(guān)節(jié)支架的外殼配合工作，用于限制腳掌9的轉(zhuǎn)動角度，其驅(qū)動方式與膝關(guān)節(jié)相同。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。