本發(fā)明涉及助力外骨骼，具體涉及一種基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、下肢外骨骼機(jī)器人是一種人體可穿戴式設(shè)備，穿戴在人的肢體上，在人體靜止或運(yùn)動時可以提供助力或者輔助支撐等，增強(qiáng)人運(yùn)動能力的機(jī)器人系統(tǒng)；可以運(yùn)用機(jī)械機(jī)構(gòu)和傳感器等信息采集系統(tǒng)為人體提供輔助和實(shí)時助力，幫助穿戴者完成超負(fù)荷狀態(tài)下的動作和任務(wù)。外骨骼應(yīng)用分為軍用和民用兩類。軍用主要用來提高士兵的負(fù)重運(yùn)送能力，有利于士兵邊境或者高寒巡邏和特殊環(huán)境下作業(yè)；民用主要用來消防、醫(yī)療康復(fù)和助老助殘等場景中，輔助行走或提升負(fù)重能力。

2、目前在外骨骼機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，普及率尚低。下肢外骨骼機(jī)器人包括有源助力型和無源輔助型。有源助力外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)包括液壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及柔性人工肌肉驅(qū)動等，這類外骨骼機(jī)械本體一般負(fù)載笨重、便攜性差、對人體負(fù)載感大，人機(jī)耦合性差，穿戴有偏離，重心不匹配，不能滿足人機(jī)交互的準(zhǔn)確性和同步。

3、在已公布多個專利和現(xiàn)實(shí)樣機(jī)中，下肢有源外骨骼機(jī)器人由髖關(guān)節(jié)組件、膝關(guān)節(jié)組件和踝關(guān)節(jié)組件組成及連接件組成，關(guān)節(jié)處使用伺服電機(jī)、諧波減速器和編碼器等集成設(shè)計(jì)，通過人機(jī)綁縛件為穿戴者提供助力，為穿戴者行走助力，站立時支撐鎖定的功能。由于整套外骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整機(jī)較重，機(jī)構(gòu)穿戴不方便。

4、無源輔助外骨骼的應(yīng)用在下肢輔助康復(fù)較多。由于其結(jié)構(gòu)主要包括簡潔性，能夠滿足下肢康復(fù)患者和老年人初級需求；但缺少源動力支持，所以下肢無源外骨骼應(yīng)用受限，對于有更高助力需求的穿戴者，無法提供幫助。無源助力外骨骼作為下肢外骨骼機(jī)器人的主要組成，其系統(tǒng)一般包括助力關(guān)節(jié)、機(jī)械系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等。其中機(jī)械機(jī)構(gòu)和助力關(guān)節(jié)搭建是核心點(diǎn)也是難點(diǎn)。

5、傳統(tǒng)的膝關(guān)節(jié)外骨骼在關(guān)節(jié)處需求有獨(dú)立的動力源提供動力或者儲能關(guān)節(jié)助力，由于動力源和關(guān)節(jié)復(fù)雜布置，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)負(fù)載笨重，穿戴不方便，或無源助力介入效果不佳。鑒于此，提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，包括：腳踏組件、腿部機(jī)構(gòu)、助力偏置組件和儲能組件；其中，所述腳踏組件與腿部機(jī)構(gòu)通過踝關(guān)節(jié)連接；所述腿部機(jī)構(gòu)的大腿組件與小腿組件通過膝關(guān)節(jié)連接；

3、所述膝關(guān)節(jié)連接所述助力偏置組件，所述助力偏置組件連接所述儲能組件的一端，所述儲能組件的另一端連接所述腳踏組件。

4、可選實(shí)施例中，所述大腿組件中的第一大腿連桿與第二大腿連桿伸縮連接，且所述第一大腿連桿與第二大腿連桿通過鎖緊組件鎖緊固定。

5、可選實(shí)施例中，所述小腿組件中的第一小腿連桿與第二小腿連桿伸縮連接，且所述第一小腿連桿與第二小腿連桿通過第二鎖緊件鎖緊固定。

6、可選實(shí)施例中，所述膝關(guān)節(jié)包括基座件、輸出法蘭件、第一軸承，所述基座件與輸出法蘭件通過所述第一軸承轉(zhuǎn)動連接；

7、所述基座件與所述第二大腿連桿連接，所述輸出法蘭件與所述第一小腿連桿連接；

8、所述基座件上設(shè)置有多個弧形排列的第一安裝孔。

9、可選實(shí)施例中，所述助力偏置組件包括軸承座、第二軸承和軸銷，所述第二軸承安裝在所述軸承座上，所述軸銷安裝在所述第二軸承的內(nèi)圈中。

10、可選實(shí)施例中，所述軸承座上設(shè)置有多個弧形排列的第二安裝孔，所述弧形排列的第二安裝孔的數(shù)量少于所述第一安裝孔的數(shù)量，且相鄰的所述第一安裝孔之間的距離等于相鄰的所述第二安裝孔之間的距離，多個所述第一安裝孔的排列圓弧的半徑等于多個所述第二安裝孔的排列圓弧的半徑。

11、可選實(shí)施例中，所述儲能組件包括彈性件、上端固定件，和下端固定件，所述上端固定件，和下端固定件分別連接在所述彈性件的兩端；所述上端固定件連接所述軸銷。

12、可選實(shí)施例中，所述腳踏組件中的彈性鞋底為y型后開口型，所述彈性鞋底前端一體，所述彈性鞋底的后端分上、下兩層，后端的所述上、下兩層張開后所述彈性鞋底整體呈y型。

13、可選實(shí)施例中，所述彈性鞋底的后端上層與第一支架固定連接，所述彈性鞋底的后端下層與第二支架固定連接，所述第一支架與所述第二支架鉸接；

14、所述第一支架與硬質(zhì)結(jié)構(gòu)組件中的u型固定件連接，所述u型固定件連接所述踝關(guān)節(jié)。

15、可選實(shí)施例中，所述第二支架與固定座固定連接，所述固定座與勢能采集組件中的導(dǎo)向柱連接，所述導(dǎo)向柱滑動連接在l型件的通孔中，所述l型件轉(zhuǎn)動連接在所述u型固定件上，所述導(dǎo)向柱的上端固定連接y型固定件，所述y型固定件連接所述下端固定件。

16、本發(fā)明的有益效果在于：該輔助機(jī)構(gòu)首先滿足腳踏輔助單元與儲能組件快速儲能和釋放能量功能，其次本體結(jié)構(gòu)具有仿人型結(jié)構(gòu)形式，仿人型膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)處具備可調(diào)節(jié)偏置位置的助力偏置組件，可滿足不同穿戴者關(guān)節(jié)助力功能；最后，在穿戴外觀負(fù)重行走同時回收重力勢能儲能并為關(guān)節(jié)助力，同時滿足輕量化，實(shí)現(xiàn)了無源助力。

技術(shù)特征：

1.一種基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括：腳踏組件(1)、腿部機(jī)構(gòu)(2)、助力偏置組件(3)和儲能組件(4)；其中，所述腳踏組件(1)與腿部機(jī)構(gòu)(2)通過踝關(guān)節(jié)(11)連接；所述腿部機(jī)構(gòu)(2)的大腿組件(21)與小腿組件(22)通過膝關(guān)節(jié)(23)連接；

2.如權(quán)利要求2所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述大腿組件(21)中的第一大腿連桿(211)與第二大腿連桿(213)伸縮連接，且所述第一大腿連桿(211)與第二大腿連桿(213)通過鎖緊組件(212)鎖緊固定。

3.如權(quán)利要求2所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述小腿組件(22)中的第一小腿連桿(221)與第二小腿連桿(223)伸縮連接，且所述第一小腿連桿(221)與第二小腿連桿(223)通過第二鎖緊件(222)鎖緊固定。

4.如權(quán)利要求3所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述膝關(guān)節(jié)(23)包括基座件(231)、輸出法蘭件(232)、第一軸承(233)，所述基座件(231)與輸出法蘭件(232)通過所述第一軸承(233)轉(zhuǎn)動連接；

5.如權(quán)利要求4所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述助力偏置組件(3)包括軸承座(31)、第二軸承(32)和軸銷(33)，所述第二軸承(32)安裝在所述軸承座(31)上，所述軸銷(33)安裝在所述第二軸承(32)的內(nèi)圈中。

6.如權(quán)利要求5所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述軸承座(31)上設(shè)置有多個弧形排列的第二安裝孔，所述弧形排列的第二安裝孔的數(shù)量少于所述第一安裝孔的數(shù)量，且相鄰的所述第一安裝孔之間的距離等于相鄰的所述第二安裝孔之間的距離，多個所述第一安裝孔的排列圓弧的半徑等于多個所述第二安裝孔的排列圓弧的半徑。

7.如權(quán)利要求5所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述儲能組件(4)包括彈性件(41)、上端固定件(42)，和下端固定件(43)，所述上端固定件(42)，和下端固定件(43)分別連接在所述彈性件(41)的兩端；所述上端固定件(42)連接所述軸銷(33)。

8.如權(quán)利要求7所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述腳踏組件(1)中的彈性鞋底(12)為y型后開口型，所述彈性鞋底(12)前端一體，所述彈性鞋底(12)的后端分上、下兩層，后端的所述上、下兩層張開后所述彈性鞋底(12)整體呈y型。

9.如權(quán)利要求8所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述彈性鞋底(12)的后端上層與第一支架(132)固定連接，所述彈性鞋底(12)的后端下層與第二支架(133)固定連接，所述第一支架(132)與所述第二支架(133)鉸接；

10.如權(quán)利要求9所述的基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述第二支架(133)與固定座(134)固定連接，所述固定座(134)與勢能采集組件(14)中的導(dǎo)向柱(142)連接，所述導(dǎo)向柱(142)滑動連接在l型件(141)的通孔中，所述l型件(141)轉(zhuǎn)動連接在所述u型固定件(131)上，所述導(dǎo)向柱(142)的上端固定連接y型固定件(143)，所述y型固定件(143)連接所述下端固定件(43)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及助力外骨骼技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于勢能回收的可穿戴腳踏輔助機(jī)構(gòu)。包括：腳踏組件、腿部機(jī)構(gòu)、助力偏置組件和儲能組件；其中，所述腳踏組件與腿部機(jī)構(gòu)通過踝關(guān)節(jié)連接；所述腿部機(jī)構(gòu)的大腿組件與小腿組件通過膝關(guān)節(jié)連接；所述膝關(guān)節(jié)連接所述助力偏置組件，所述助力偏置組件連接所述儲能組件的一端，所述儲能組件的另一端連接所述腳踏組件。有益效果在于：該輔助機(jī)構(gòu)首先滿足腳踏輔助單元與儲能組件快速儲能和釋放能量功能，其次本體結(jié)構(gòu)具有仿人型結(jié)構(gòu)形式，仿人型膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)處具備可調(diào)節(jié)偏置位置的助力偏置組件，可滿足不同穿戴者關(guān)節(jié)助力功能；最后，在穿戴外觀負(fù)重行走同時回收重力勢能儲能并為關(guān)節(jié)助力，實(shí)現(xiàn)了無源助力。

技術(shù)研發(fā)人員：陳曉,祖媛媛,張笑,曹淑婷,王惜亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國人民解放軍軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9