CN103892943B - 主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼 - Google Patents
主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼 Download PDFInfo
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Abstract
一种主被动式结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）通过踝关节（18）与足（1）可转动相连，其特征是所述的小腿（3）的下端连接有踝关节压板（9），踝关节压板（9）与足部助力用踝关节弹簧（2）相抵，踢关节弹簧（2）安装在弹簧座（201）中，弹簧座（201）与足（1）固定连接；所述的小腿（3）的上端通过膝关节（19）与大腿（5）的下端铰接相连；所述的大腿（5）的上端通过髋关节（6）与背架（7）相连。本发明结构简单，控制方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有助力功能的外骨骼结构，尤其是一种能提高人体行走距离的外骨骼，具体地说是一种主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼。
背景技术
外骨骼是指为生物提供保护和支持的坚硬外部，原指昆虫或甲壳类动物身体外表的骨骼，具有支撑和保护作用。外骨骼机器人是指套在人体外面的机器人，外骨骼机器人技术是融合了传感、控制、信息、移动计算、能源、材料、机械，为操作者提供一种可穿戴机械机构的综合技术。可穿戴下肢外骨骼机器人能为士兵提供助力，有效提高单兵携行和作战能力;也可用于下肢病人康复,为其校正或提供助力,其军用和民用价值日益突出。
下肢外骨骼机器人通过腰带、大腿套及脚套和人体接触固定。背架上的负重通过外骨骼下肢传递到地面。
目前国内外的研究多集中在主动式，即髋关节、膝关节、踝关节等均需外力驱动，这些下肢外骨骼机器人研究较少考虑充分利用人体新陈代谢产生的能量以及在机动条件下的续航能力等，因此，设计一种采用主被动结合方式、将能够很好地克服主动式下肢外骨骼机器人的不足、具有重要的军用和民用价值的下肢外骨骼机器人具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有的下肢外骨骼机器人存在驱动复杂，能耗高的问题，设计一种仅需一台膝关节驱动电机再配以相关的助力弹簧就能实现助力的主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼。
本发明的技术方案是：
一种主被动式结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通过踝关节18与足1可转动相连，其特征是所述的小腿3的下端连接有踝关节压板9，踝关节压板9与足部助力用踝关节弹簧2相抵，踝关节弹簧2安装在弹簧座201中，弹簧座201与足1固定连接；所述的小腿3的上端通过膝关节19与大腿5的下端铰接相连，膝关节19的铰轴固定在小脚3的上端并与电机4的输出轴固定连接，电机4固定安装在大腿5的下端上；所述的大腿5的上端通过髋关节6与背架7相连，所述的髋关节6由屈/伸运动机构、回旋运动机构和外展/内收运动机构组成，所述的屈/伸运动机构由轴套601、屈/伸运动轴11和髋关节弹簧13，轴套601连接有同步运动的髋关节弹簧压板10，髋关节弹簧压板10与安装在髋关节弹簧套筒12中的髋关节弹簧挡板16相抵，髋关节弹簧挡板16与髋关节弹簧13相抵，髋关节弹簧套筒12与屈/伸运动轴11固定相连；所述的回旋运动机构包括髋关节回旋运动轴14和髋关节回旋轴套15，髋关节回旋轴套15套装在髋关节回旋运动轴14上，髋关节回旋运动轴14与屈/伸运动轴11固定相连；所述的外展/内收运动机构包括外展/内收运动轴20和外展/内收轴套17，外展/内收轴套17与背架7固定相连，外展/内收运动轴20活动插装在外展/内收轴套17中并与髋关节回旋轴套15固定相连。
所述的膝关节19上安装有扭矩传感器。
所述的小腿3和大腿5的长度可调。
所述的踝关节18和膝关节19均为轴套结构。
所述的背架7上连接有为电池充电的太阳能装置8。
本发明的有益效果：
1)本发明采用主被动结合的技术方案，减轻了系统的质量，减少了驱动装置的控制，降低了系统运算的难度，提高了信号处理的效率，同时保证了较小的冗余度。
2)本发明踝关节和髋关节设计了由弹簧构成的驱动器，该驱动器不消耗能量，能够在步行周期中，关节伸运动时吸收人体步态所产生的能量，并在关节屈运动时将能量完全释放，降低了能量消耗。
3）本发明采用主被动式结合的技术方案，既起到了助力的效果，又减轻减小了能量损耗，提高了外骨骼实用价值。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的踝关节部分结构示意图。
图3为本发明的膝关节结构示意图。
图4为本发明的髋关节屈\伸运动部分结构示意图。
图5为本发明的髋关节回旋运动部分结构示意图。
图6为本发明的髋关节外展\内收运动部分结构示意图。
图中：1-足，2-踝关节弹簧，3-小腿，4-电机，5-大腿，6-髋关节，7-背架，8-太阳能装置，9-踝关节弹簧压板，10-髋关节弹簧压，11-髋关节屈\伸运动轴，12-髋关节弹簧套筒，13-髋关节弹簧，14-髋关节回旋运动轴，15-髋关节回旋运动轴套，16-髋关节弹簧挡板，17-背架连接板，18-踝关节，19-膝关节，20-外展/内收运动轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-6所示。
一种主被动式结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的长度可调，足1、小腿3、大腿5与人体的连接方式与现有的外骨骼相同，如图1所示，背架1上安装有为背负的电池充电的太阳能装置8，小腿3通过踝关节18与足1可转动相连，所述的小腿3的下端连接有踝关节压板9，踝关节压板9与足部助力用踝关节弹簧2相抵，踝关节弹簧2安装在弹簧座201中，弹簧座201与足1（足底板）固定连接，如图2所示。所述的小腿3的上端通过轴、套结构的膝关节19与大腿5的下端铰接相连，膝关节19上安装有扭矩传感器，膝关节19的铰轴固定在小腿3的上端并与电机4的输出轴固定连接，电机4固定安装在大腿5的下端上，当电机4在控制信号的控制下转动时带动小腿3的上端作相对于大腿的转动，从而使膝关节呈弯曲状态，实现助力跨步运动。所述的大腿5的上端通过髋关节6与背架7相连，所述的髋关节6由屈/伸运动机构（图4）、回旋运动机构（图5）和外展/内收运动机构（图6）组成，所述的屈/伸运动机构由轴套601、屈/伸运动轴11和髋关节弹簧13，如图4，轴套601连接有同步运动的髋关节弹簧压板10，髋关节弹簧压板10与安装在髋关节弹簧套筒12中的髋关节弹簧挡板16相抵，髋关节弹簧挡板16与13髋关节弹簧相抵，髋关节弹簧套筒12通过一个与屈/伸运动轴11固定相连的过渡板21实现与屈/伸运动轴11的相连，过渡板21上设有多个固定孔，髋关节弹簧套筒12在过渡板上的安装角度可调，以满足不同体型人员的需要，同时调节弹簧的预压力。所述的回旋运动机构包括髋关节回旋运动轴14和髋关节回旋轴套15，如图5，髋关节回旋轴套15套装在髋关节回旋运动轴14上，髋关节回旋运动轴14与屈/伸运动轴11固定相连。所述的外展/内收运动机构包括外展/内收运动轴20和外展/内收轴套17，如图6所示，外展/内收轴套17与背架7固定相连，外展/内收运动轴20活动插装在外展/内收轴套17中并与髋关节回旋轴套15固定相连。
本发明的动作过程及原理如下：
本发明根据人体膝关节处传感器检测到人体膝关节扭矩信号及足底压力传感器测得的压力信号，经处理器处理后，电机根据处理后的信息，驱动外骨骼膝关节旋转，跟随人体膝关节同步运动，带动小腿运动，给人助力（膝关节为主动关节）。
在行走过程中，踝关节做伸运动时，压缩弹簧，抵消一部分重力作用，弹簧吸收人体步态的能量；踝关节做屈运动时，弹簧伸长，释放能量，给人助力。在行走过程中，髋关节做伸运动时，压缩弹簧，弹簧吸收人体步态的能量；髋关节做屈运动时，弹簧伸长，释放能量，给人助力。（踝关节、髋关节为被动关节）
背负在后背的太阳能装置，主要是为了克服缺乏高效能源，解决续航能力差的问题。在天晴时，使用者在户外作业，可以边使用边给外骨骼充电，有效提高外骨骼续航能力，提高了外骨骼实用价值。
本发明的动作过程如下：
当电机4启动带动膝关节19转动，小腿3上端向前运动，小腿3下端的踝关节弹簧压板9同步运动向下压迫踝关节弹簧2实现储能，当膝关节19复位时，踝关节弹簧2所储的能力释放实现提步助力。小腿3带动大腿5前进时，大腿5上端的屈/伸运动套筒601绕轴11转动，同时套筒601带动与其相连的髋关节弹簧压板10转动而压迫髋关节弹簧13，实现储能，屈/伸运动机构运动结束后，髋关节弹簧13所储能量释放实现髋关节屈伸运动助力。当大腿作回转运动时则通过屈/伸回转轴11实现大腿绕髋关节回旋轴套15的整体转动，当大腿5需作外展/内收运动时则外展/内收运动轴20绕轴套17转动实现外展或内收。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种主被动式结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）通过踝关节（18）与足（1）可转动相连，所述的小腿（3）的下端连接有踝关节压板（9），踝关节压板（9）与足部助力用踝关节弹簧（2）相抵，踝关节弹簧（2）安装在弹簧座（201）中，弹簧座（201）与足（1）固定连接；所述的小腿（3）的上端通过膝关节（19）与大腿（5）的下端铰接相连，膝关节（19）的铰轴固定在小腿（3）的上端并与电机（4）的输出轴固定连接，电机（4）固定安装在大腿（5）的下端上；所述的大腿（5）的上端通过髋关节（6）与背架（7）相连，其特征是所述的髋关节（6）由屈/伸运动机构、回旋运动机构和外展/内收运动机构组成，所述的屈/伸运动机构由轴套（601）、屈/伸运动轴（11）和髋关节弹簧（13）组成，轴套（601）固定在大腿（5）的上端并套装在屈/伸运动轴（11）上，轴套（601）连接有同步运动的髋关节弹簧压板（10），髋关节弹簧压板（10）与安装在髋关节弹簧套筒（12）中的髋关节弹簧挡板（16）相抵，髋关节弹簧挡板（16）与髋关节弹簧（13）相抵，髋关节弹簧套筒（12）与屈/伸运动轴（11）固定相连；所述的回旋运动机构包括髋关节回旋运动轴（14）和髋关节回旋轴套（15），髋关节回旋轴套（15）套装在髋关节回旋运动轴（14）上，髋关节回旋运动轴（14）与屈/伸运动轴（11）固定相连；所述的外展/内收运动机构包括外展/内收运动轴（20）和外展/内收轴套（17），外展/内收轴套（17）与背架（7）固定相连，外展/内收运动轴（20）活动插装在外展/内收轴套（17）中并与髋关节回旋轴套（15）固定相连。
2.根据权利要求1所述的主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的膝关节（19）上安装有扭矩传感器。
3.根据权利要求1所述的主被动式结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）的长度可调。
4.根据权利要求1所述的主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的踝关节（18）和膝关节（19）均为轴套结构。
5.根据权利要求1所述的主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼，其特征是所述的背架（7）上连接有为电池充电的太阳能装置（8）。
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