CN105643598A - 基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，包括髋关节机构、连接在所述髋关节机构末端上的膝关节机构、连接在所述膝关节机构末端的踝关节机构、设置在所述髋关节机构上的髋关节电机机构、设置在所述髋关节机构上的冲量电机机构。髋关节机构包括髋关节机构右、髋关节机构左，膝关节机构包括膝关节机构右、膝关节机构左，踝关节机构包括踝关节机构右、踝关节机构左，髋关节电机机构包括髋关节电机机构右、髋关节电机机构左，冲量电机机构包括冲量电机机构右、冲量电机机构左、背板。本发明的节能半被动下肢外骨骼主动自由度少，被动驱动自由度多，需要的驱动能量少，有效减小运动关节的质量和惯量，降低功耗。

Description

基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，属于机器人应用领域。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴于使用者外侧的机械系统，它通过安装在各关节的驱动器，辅以角位移传感器以及关节力矩传感器，辅助使用者与外骨骼进行协调运动，实现助力、助行和康复治疗的功能。

当前，随着人类现代化社会的发，老龄化已逐渐成为一个社会化问题并且越来越严重。据统计，目前全世界60岁以上老年人口总数已超过6亿，其中有60多个国家的老年人口达到或已超过其人口总数的10％，步入了老龄化社会行列。我国作为人口大国也不例外，并且老龄化的趋势日益严重。由于老年人普遍存在体力不支，行走不便，力量、耐力不足等状况，使老龄化给家庭和社会都带来了巨大的压力和负担。因此，针对老年人的这种行走困难、吃力的状况，研究开发一种舒适的、提供助力的外骨骼，使其能够帮助老年人行走和负重，将会在一定程度上缓解老龄化的社会压力，具有重要的社会和经济价值。

目前，虽然传统轮式交通工具是远行与负重的主要方式，但是很多场合并不适用。比如在军事、科考、消防营救等领域，士兵、科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作业、登山探险等，这些特殊形式的运动无法借助传统的交通工具完成。基于军事、科考、消防等领域的需求，研制出穿戴式外骨骼机构十分有必要性。这种机构能为穿戴者提供充足的力量和耐力来增强的长距离行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。

在康复医疗方面，穿戴外骨骼也可以帮助残疾人或年老体弱者像健康的年轻人那样快速行走，上下楼梯等。这将大大减轻老龄化和下肢伤残带来的家庭和社会压力，也为医护人员带来了福音。综上可见，外骨骼机器人由于其自身的军事和商业应用价值，已成为近年来国内外学者的一个重点研究方向。

本专利设计的本套机构相比于现有机构，其主动自由度少，被动驱动自由度多，需要的驱动能量少，膝关节采用板簧结构，即能够使摆动相时步态比较自然，又能在支撑相时起到支撑关节的作用，在髋关节处机构采用位于髋关节与大腿杆之间的平衡拉簧机构，同时也在腰部使用板簧结构，一方面可以实现髋关节质心平衡，另一方面还可以起到缓冲、能量的存储和释放功能，最后在大腿杆采用冲量机构，起到在关键位姿时冲量机构实施能量补偿。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够双套索驱动关节，通过髋关节板簧平衡机构和拉簧平衡机构实现机构的平衡和缓冲，通过膝关节板簧支撑机构实现膝关节储能、释能及预紧作用，同时添加冲量机构和弹性鞋底大幅度提高使用者使用舒适度，实现机构节能、舒适、高效、轻量化的节能半被动下肢外骨骼。

技术方案：

本发明公开了一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，包括髋关节机构、连接在所述髋关节机构下侧末端上的膝关节机构、连接在所述膝关节机构下侧末端的踝关节机构、设置在所述髋关节机构上的髋关节电机机构、设置在所述髋关节机构上的冲量电机机构，所述髋关节机构包括髋关节机构右和髋关节机构左，所述膝关节机构包括膝关节机构右和膝关节机构左，所述踝关节机包括踝关节机构右和踝关节机构左，所述髋关节电机机构包括髋关节电机机构右和髋关节电机机构左，所述冲量电机机构包括冲量电机机构右、冲量电机机构左和背板；其中，

所述髋关节机构左和髋关节机构右之间通过髋关节调节板左、髋关节调节板右连接，所述髋关节电机机构左固定在髋关节机构左上，髋关节机构左通过膝关节轴左与膝关节机构左连接，膝关节机构左通过踝关节球头轴承左与踝关节机构左连接；所述髋关节电机机构右固定在髋关节机构右上，髋关节机构右通过膝关节轴右与膝关节机构右连接，膝关节机构右通过踝关节球头轴承右与踝关节机构右连接；所述背板固定于髋关节调节板右上，冲量电机机构左和冲量电机机构右分别固定于背板的左右两端。

本发明的优选方案中，所述下肢外骨骼中髋关节机构左通过其中的髋关节调节板左、髋关节调节板右和髋关节机构右连接，髋关节电机机构左通过螺栓直接固定在髋关节机构左上，髋关节机构左通过膝关节轴左与膝关节机构左连接，膝关节机构左通过踝关节球头轴承左与踝关节机构左连接，髋关节电机机构右通过螺栓直接固定在髋关节机构右上，髋关节机构右通过膝关节轴右与膝关节机构右连接，膝关节机构右通过踝关节球头轴承右与踝关节机构右连接，冲量电机机构中的背板直接固定于髋关节调节板右上，冲量电机机构左和冲量电机机构右直接固定于背板上。

本发明的优选方案中，在外骨骼中左右大腿连接杆处添加了冲量机构，所述机构包括髋关节大腿杆右髋关节大腿杆滑块缓冲右，髋关节大腿杆滑块右，髋关节大腿杆滑杆一右，髋关节大腿杆滑杆二右，髋关节大腿杆左，髋关节大腿杆滑块缓冲左，髋关节大腿杆滑块左，髋关节大腿杆滑杆一左，髋关节大腿杆滑杆二左，在电机的作用下冲量机构可以在机构支撑相结束时提供机构一个沿大腿杆斜向上的作用力，使得机构可以获得一定的势能和向前的作用力，从而使得使用者在行走的过程中更省力更舒适。

本发明的优选方案中，在外骨骼髋关节处中使用板簧平衡机构，所述机构包括髋关节调节板右，髋关节调节板轴右，髋关节连接板右，髋关节扭簧挡板右，髋关节扭簧右，髋关节扭簧底板右，髋关节调节板左，髋关节调节板轴左，髋关节连接板左，髋关节扭簧挡板左，髋关节扭簧左，髋关节扭簧底板左，在板簧平衡机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构左右平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构的重力势能和弹性势能的相互转换的效果。

本发明的优选方案中，在外骨骼膝关节处中使用板簧支撑机构，所述机构包括髋关节大腿杆右，膝关节轴右，膝关节输出杆右，膝关节扭簧右，膝关节扭簧挡板右，髋关节大腿杆左，膝关节轴左，膝关节输出杆左，膝关节扭簧左，膝关节扭簧挡板左，由于板簧支撑机构髋关节大腿杆右，膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左，膝关节输出杆左中斜角的原因，板簧支撑机构原先就有一定的预紧力，使得髋关节大腿杆右与膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左与膝关节输出杆左不受外力时保持竖直关系，并且在机构支撑相时提供一定的辅助作用，此外板簧支撑机构在人体行走的不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构在摆动相过程中储能和释放能量的作用。

本发明的进一步改进方案中，机构髋关节处机构采用位于髋关节与大腿杆之间的平衡拉簧机构，所述机构包括髋关节连接板右，拉伸弹簧右，髋关节大腿杆右，髋关节弹簧杆右，髋关节连接板左，拉伸弹簧左，髋关节大腿杆左，髋关节弹簧杆左，在平衡拉簧机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构前后平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以向大腿提供向上的牵引力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)传统外骨骼机构在行走的过程中的势能变化都是靠人提供力来克服，会大大消耗人的体力同时加重关节的磨损。本发明通过在外骨骼中左右大腿连接杆处添加了冲量机构，在电机的作用下冲量机构可以在机构支撑相结束时提供机构一个沿大腿杆斜向上的作用力，使得机构可以获得一定的势能和向前的作用力，从而使得在行走的过程中使用者更省力更舒适，同时也能减少关节的磨损。

(2)传统的外骨骼机器人在髋关节处不加平衡缓冲机构或者添加的机构结构复杂，体积笨重。本发明首次在外骨骼髋关节处中使用板簧平衡机构，机构简单，体积小，在板簧平衡机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构左右平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构的重力势能和弹性势能的相互转换的效果，从而达到节能的目的。

(3)本发明中，在外骨骼机器人膝关节处设计了欠驱动机构，在膝关节处设计了板簧支撑机构，由于板簧支撑机构髋关节大腿杆右，膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左和膝关节输出杆左中设计的安装斜角的原因，板簧支撑机构原先就有一定的预紧力，使得髋关节大腿杆右与膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左与膝关节输出杆左在不受外力时始终保持竖直关系，并且在机构支撑相时提供一定的辅助作用，此外板簧支撑机构在人体行走的不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构在摆动相过程中能量储存和释放的作用。

(4)本发明中，在机构髋关节处机构采用位于髋关节与大腿杆之间的平衡拉簧机构，在平衡拉簧机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构前后平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以向大腿提供向上的牵引力。

(5)传统的外骨骼机器人直接将驱动部件安装于机器人的运动关节，机构整体笨重，功耗大。本发明能实现驱动电机与外骨骼关节的分离，驱动部件可以置于远离外骨骼运动范围的电机支架，有效减小运动关节的质量和惯量，降低功耗，有利于改善系统的控制性能和安全性能。

(6)本发明结构简单，质量轻，并且机构对环境的适应性强，可以适用于各种地形场合，使得本发明可以运用于军事、民用等各个领域和众多场合。

附图说明

图1为本发明的整体结构件示意图一；

图2为本发明的整体结构件示意图二；

图3为本发明的整体结构件示意图三；

图4为本发明的髋关节轴侧图；

图5为本发明的髋关节右正视图；

图6为本发明的髋关节右侧视图；

图7为本发明的髋关节左正视图；

图8为本发明的髋关节左侧视图；

图9本发明的膝关节右正视图；

图10本发明的冲量机构爆炸图；

图11本发明的膝关节板簧支撑机构；

图12本发明的膝关节左侧视图；

图13本发明的踝关节右正视图

图14本发明的踝关节右侧视图；

图15本发明的踝关节左正视图；

图16本发明的踝关节左侧视图；

图17本发明的冲量电机机构右轴测图；

图18本发明的冲量电机机构左轴测图；

图19本发明的髋关节电机机构右轴测图；

图20本发明的髋关节电机机构左轴测图；

图中：髋关节机构1、膝关节机构2、踝关节机构3、髋关节电机机构4、冲量电机机构5、髋关节机构右11、髋关节机构左12、膝关节机构右21、膝关节机构左22、踝关节机构右31、踝关节机构左32、髋关节电机机构右41、髋关节电机机构左51、冲量电机机构右51、冲量电机机构左51、背板53、髋关节调节板右1101、髋关节调节板轴右1102、髋关节连接板右1103、髋关节套索预紧右1104、髋关节套索盘右1105、髋关节输出杆右1106、髋关节外摆连接件轴右1107、髋关节外摆连接件右1108、拉伸弹簧右1109、髋关节大腿杆右1110、髋关节大腿杆滑块缓冲右1111、髋关节大腿杆滑块右1112、髋关节大腿杆滑杆一右1113、髋关节大腿杆滑杆二右1114、髋关节弹簧杆右1115、髋关节扭簧挡板右1116、髋关节扭簧右1117、髋关节扭簧底板右1118、髋关节腰部护垫右1119、髋关节套索盘固定件一右1120、髋关节套索盘固定件二右1121、髋关节调节板左1201、髋关节调节板轴左1202、髋关节连接板左1203、髋关节套索预紧左1204、髋关节套索盘左1205、髋关节输出杆左1206、髋关节外摆连接件轴左1207、髋关节外摆连接件左1208、拉伸弹簧左1209、髋关节大腿杆左1210、髋关节大腿杆滑块缓冲左1211、髋关节大腿杆滑块左1212、髋关节大腿杆滑杆一左1213、髋关节大腿杆滑杆二左1214、髋关节弹簧杆左1215、髋关节扭簧挡板左1216、髋关节扭簧左1217、髋关节扭簧底板左1218、髋关节腰部护垫左1219、髋关节套索盘固定件一左1220、髋关节套索盘固定件二左1221、膝关节轴右2101、膝关节输出杆右2102、膝关节输出杆下右2103、膝关节扭簧右2104、膝关节扭簧挡板右2105、膝关节轴左2201、膝关节输出杆左2202、膝关节输出杆下左2203、膝关节扭簧左2204、膝关节扭簧挡板左2205、踝关节球头轴承右3101、踝关节球头轴承轴右3102、踝关节支撑座右3103、踝关节连接板右3104、踝关节后脚板右3105、踝关节前脚板右3106、踝关节软板右3107、踝关节弹性板右3108、踝关节球头轴承左3201、踝关节球头轴承轴左3202、踝关节支撑座左3203、踝关节连接板左3204、踝关节后脚板左3205、踝关节前脚板左3206、踝关节软板左3207、踝关节弹性板左3208、髋关节电机编码器右4101、髋关节电机右4102、髋关节电机支架圆盘右4103、髋关节电机法兰右4104、髋关节电机减速器右4105、髋关节电机套索盘右4106、髋关节电机套索固定件一右4107、髋关节电机套索固定件二右4108、髋关节电机支架右4109、髋关节电机调节螺栓一右4110、髋关节电机套索一右4111、髋关节电机调节螺栓二右4112、髋关节电机套索二右4113、髋关节电机编码器左4201、髋关节电机左4202、髋关节电机支架圆盘左4202、髋关节电机法兰左4204、髋关节电机减速器左4205、髋关节电机套索盘左4206、髋关节电机套索固定件一左4207、髋关节电机套索固定件二左4208、髋关节电机支架左4209、髋关节电机调节螺栓一左4210、髋关节电机套索一左4211、髋关节电机调节螺栓二左4212、髋关节电机套索二左4213、冲量电机编码器右5101、冲量电机右5102、冲量电机支架圆盘右5103、冲量电机法兰右5104、冲量电机减速器右5105、冲量电机套索盘右5106、冲量电机套索固定件一右5107、冲量电机支架右5108、冲量电机调节螺栓右5109、冲量电机套索右5110、冲量电机编码器左5201、冲量电机左5202、冲量电机支架圆盘左5203、冲量电机法兰左5204、冲量电机减速器左5205、冲量电机套索盘左5206、冲量电机套索固定件一左5207、冲量电机支架左5208、冲量电机调节螺栓左5209、冲量电机套索左5210。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1至图20所示，本发明是一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，包括髋关节机构1、连接在所述髋关节机构1末端上的膝关节机构2、连接在所述膝关节机构2末端的踝关节机构3、设置在所述髋关节机构1上的髋关节电机机构4、设置在所述髋关节机构1上的冲量电机机构5。髋关节机构1包括髋关节机构右11、髋关节机构左12，膝关节机构2包括膝关节机构右21、膝关节机构左22，踝关节机3包括踝关节机构右31、踝关节机构左32，髋关节电机机4包括髋关节电机机构右41、髋关节电机机构左51，冲量电机机构5包括冲量电机机构右51、冲量电机机构左51、背板53。

进一步，通过髋关节调节板轴右1102连接作用，髋关节调节板右1101连接到髋关节连接板右1103并且彼此间可以相对转动，髋关节套索预紧右1104通过螺栓固定在髋关节连接板右1103的螺纹孔位置。

进一步，通过髋关节套索盘右1105连接作用，髋关节连接板右1103连接到髋关节输出杆右1106并且彼此间可以相对转动，通过髋关节外摆连接件轴右1107连接作用，髋关节输出杆右1106另一端连接到髋关节外摆连接件右1108并且可以相对转动，所述的髋关节外摆连接件右1108安装在髋关节大腿杆右1110的孔中，并且可以根据不同使用者调节高度，利用髋关节大腿杆右1110上的螺钉进行预紧。髋关节套索盘固定件一右1120、髋关节套索盘固定件二右1121安装在髋关节套索盘右1105端面槽中。

进一步，髋关节大腿杆滑杆一右1113、髋关节大腿杆滑杆二右1114安装在髋关节大腿杆右1110后面凸起孔中并通过螺栓预紧，髋关节大腿杆滑块缓冲右1111固定于滑杆与髋关节大腿杆右1110固定端的上端面，髋关节大腿杆滑块右1112安装在髋关节大腿杆滑杆一右1113、髋关节大腿杆滑杆二右1114上，并且可以沿滑杆轴向运动。

进一步，髋关节扭簧挡板右1116固定于髋关节连接板右1103上端凸起处并形成导槽，髋关节扭簧底板右1118固定于髋关节调节板右1101上端，髋关节扭簧右1117一端固定于所述髋关节扭簧底板右1118上，另一端插于髋关节扭簧挡板右1116与髋关节连接板右1103形成的导槽中，由此共同组成板簧平衡机构，在板簧平衡机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构左右平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构的重力势能和弹性势能的相互转换的效果，从而达到节能的目的。

进一步，髋关节弹簧杆右1115一端固定于髋关节连接板右1103侧面，另一端与拉伸弹簧右1109固定，拉伸弹簧右1109另一端与髋关节大腿杆右1110前面中间的凸起孔固定，由此组成平衡拉簧机构，在平衡拉簧机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构前后平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以向大腿提供向上的牵引力。

进一步，通过膝关节轴右2101连接作用，髋关节大腿杆右1110末端连接到膝关节输出杆右2102并且两者可以相对转动，膝关节输出杆下右2103插入所述膝关节输出杆右2102末端光孔中，并且可以根据不同使用者调节高度，利用膝关节输出杆右2102上的螺钉进行预紧。

进一步，膝关节扭簧挡板右2105固定于膝关节输出杆右2102上端凸起处并形成导槽，膝关节扭簧右2104一端固定于髋关节大腿杆右1110下端凸起处，另一端插于膝关节扭簧挡板右2105与膝关节输出杆右2102上端凸起形成的导槽中，由此共同组成板簧支撑机构，由于板簧支撑机构中髋关节大腿杆右和膝关节输出杆右中设计的安装斜角的原因，板簧支撑机构原先就有一定的预紧力，使得髋关节大腿杆右与膝关节输出杆右在不受外力时始终保持竖直关系，并且在机构支撑相时提供一定的辅助作用，此外板簧支撑机构在人体行走的不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构在摆动相过程中能量储存和释放的作用。

进一步，踝关节支撑座右3103通过螺栓固定于踝关节连接板右3104侧面，踝关节球头轴承右3101球头一端通过踝关节球头轴承轴右3102安装在踝关节支撑座右3103与踝关节连接板右3104形成的间隙中，并且可以绕踝关节球头轴承右3101转动，踝关节后脚板右3105固定于踝关节连接板右3104另一侧底部，踝关节后脚板右3105与踝关节前脚板右3106通过踝关节弹性板右3108连接在一起，踝关节软板右3107固定于踝关节弹性板右3108上，在脚底板处使用分段式弹性机构，脚底板分为前脚板和后脚板并且通过弹性板连接，由于弹性板具有一定的弹性，使得分段式弹性机构在行走过程中起到一定的足弓的作用，达到了能量储存和释放，在行走的过程中使用者会感觉更舒适且机构会更节能。

进一步，在电机机构中，髋关节电机右4102一端固定髋关节电机编码器右4101，另一端通过髋关节电机法兰右4104固定于髋关节电机减速器右4105上，髋关节电机套索盘右4106固定于髋关节电机减速器右4105输出端，髋关节电机套索固定件一右4107，髋关节电机套索固定件二右4108固定于髋关节电机套索盘右4106槽中，髋关节电机支架圆盘右4103固定在髋关节电机法兰右4104电机端，髋关节电机支架右4109通过螺栓固定在髋关节电机法兰右4104底端，髋关节电机调节螺栓一右4110和髋关节电机调节螺栓二右4112固定在髋关节电机支架右4109末端螺纹孔中，髋关节电机支架右4109安装在髋关节连接板右1103上端后侧面。

进一步，髋关节电机套索一右4111一端穿过髋关节电机调节螺栓一右4110和髋关节电机套索固定件一右4107并沿髋关节电机套索盘右4106导槽固定于髋关节电机套索固定件一右4107与髋关节电机套索盘右4106孔中，髋关节电机套索一右4111另一端穿过髋关节套索预紧右1104并沿髋关节套索盘右1105导槽固定于髋关节套索盘右1105与髋关节套索盘固定件一右1120孔中；髋关节电机套索二右4113一端穿过髋关节电机调节螺栓二右4112和髋关节电机套索固定件二右4108并沿髋关节电机套索盘右4106导槽固定于髋关节电机套索固定件二右4108与髋关节电机套索盘右4106孔中，髋关节电机套索二右4113另一端穿过髋关节套索预紧右1104并沿髋关节套索盘右1105导槽固定于髋关节套索盘右1105与髋关节套索盘固定件二右1121孔中。

进一步，通过髋关节调节板轴左1202连接作用，髋关节调节板左1201连接到髋关节连接板左1203并且彼此间可以相对转动，髋关节套索预紧左1204通过螺栓固定在髋关节连接板左1203的螺纹孔位置。

进一步，通过髋关节套索盘左1205连接作用，髋关节连接板左1203连接到髋关节输出杆左1206并且彼此间可以相对转动，通过髋关节外摆连接件轴左1207连接作用，髋关节输出杆左1206另一端连接到髋关节外摆连接件左1208并且可以相对转动，所述的髋关节外摆连接件左1208安装在髋关节大腿杆左1210的孔中，并且可以根据不同使用者调节高度，利用髋关节大腿杆左1210上的螺钉进行预紧。髋关节套索盘固定件一左1220、髋关节套索盘固定件二左1221安装在髋关节套索盘左1205端面槽中。

进一步，髋关节大腿杆滑杆一左1213、髋关节大腿杆滑杆二左1214安装在髋关节大腿杆左1210后面凸起孔中并通过螺栓预紧，髋关节大腿杆滑块缓冲左1211固定于滑杆与髋关节大腿杆左1210固定端的上端面，髋关节大腿杆滑块左1212安装在髋关节大腿杆滑杆一左1213、髋关节大腿杆滑杆二左1214上，并且可以沿滑杆轴向运动。

进一步，髋关节扭簧挡板左1216固定于髋关节连接板左1203上端凸起处并形成导槽，髋关节扭簧底板左1218固定于髋关节调节板左1201上端，髋关节扭簧左1217一端固定于所述髋关节扭簧底板左1218上，另一端插于髋关节扭簧挡板左1216与髋关节连接板左1203形成的导槽中，由此共同组成板簧平衡机构，在板簧平衡机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构左右平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构的重力势能和弹性势能的相互转换的效果，从而达到节能的目的。

进一步，髋关节弹簧杆左1215一端固定于髋关节连接板左1203侧面，另一端与拉伸弹簧左1209固定，拉伸弹簧左1209另一端与髋关节大腿杆左1210前面中间的凸起孔固定，由此组成平衡拉簧机构，在平衡拉簧机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构前后平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以向大腿提供向上的牵引力。

进一步，通过膝关节轴左2201连接作用，髋关节大腿杆左1210末端连接到膝关节输出杆左2202并且两者可以相对转动，膝关节输出杆下左2203插入所述膝关节输出杆左2202末端光孔中，并且可以根据不同使用者调节高度，利用膝关节输出杆左2202上的螺钉进行预紧。

进一步，膝关节扭簧挡板左2205固定于膝关节输出杆左2202上端凸起处并形成导槽，膝关节扭簧左2204一端固定于髋关节大腿杆左1210下端凸起处，另一端插于膝关节扭簧挡板左2205与膝关节输出杆左2202上端凸起形成的导槽中，由此共同组成板簧支撑机构，由于板簧支撑机构中髋关节大腿杆右和膝关节输出杆右中设计的安装斜角的原因，板簧支撑机构原先就有一定的预紧力，使得髋关节大腿杆右与膝关节输出杆右在不受外力时始终保持竖直关系，并且在机构支撑相时提供一定的辅助作用，此外板簧支撑机构在人体行走的不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构在摆动相过程中能量储存和释放的作用。

进一步，踝关节支撑座左3203通过螺栓固定于踝关节连接板左3204侧面，踝关节球头轴承左3201球头一端通过踝关节球头轴承轴左3202安装在踝关节支撑座左3203与踝关节连接板左3204形成的间隙中，并且可以绕踝关节球头轴承左3201转动，踝关节后脚板左3205固定于踝关节连接板左3204另一侧底部，踝关节后脚板左3205与踝关节前脚板左3206通过踝关节弹性板左3208连接在一起，踝关节软板左3207固定于踝关节弹性板左3208上，在脚底板处使用分段式弹性机构，脚底板分为前脚板和后脚板并且通过弹性板连接，由于弹性板具有一定的弹性，使得分段式弹性机构在行走过程中起到一定的足弓的作用，达到了能量储存和释放，在行走的过程中使用者会感觉更舒适且机构会更节能。

进一步，在电机机构中，髋关节电机左4202一端固定髋关节电机编码器左4201，另一端通过髋关节电机法兰左4204固定于髋关节电机减速器左4205上，髋关节电机套索盘左4206固定于髋关节电机减速器左4205输出端，髋关节电机套索固定件一左4207，髋关节电机套索固定件二左4208固定于髋关节电机套索盘左4206槽中，髋关节电机支架圆盘左4203固定在髋关节电机法兰左4204电机端，髋关节电机支架左4209通过螺栓固定在髋关节电机法兰左4204底端，髋关节电机调节螺栓一左4210和髋关节电机调节螺栓二左4212固定在髋关节电机支架左4209末端螺纹孔中，髋关节电机支架左4209安装在髋关节连接板左1203上端后侧面。

进一步，髋关节电机套索一左4211一端穿过髋关节电机调节螺栓一左4210和髋关节电机套索固定件一左4207并沿髋关节电机套索盘左4206导槽固定于髋关节电机套索固定件一左4207与髋关节电机套索盘左4206孔中，髋关节电机套索一左4211另一端穿过髋关节套索预紧左1204并沿髋关节套索盘左1205导槽固定于髋关节套索盘左1205与髋关节套索盘固定件一左1220孔中；髋关节电机套索二左4213一端穿过髋关节电机调节螺栓二左4212和髋关节电机套索固定件二左4208并沿髋关节电机套索盘左4206导槽固定于髋关节电机套索固定件二左4208与髋关节电机套索盘左4206孔中，髋关节电机套索二左4213另一端穿过髋关节套索预紧左1204并沿髋关节套索盘左1205导槽固定于髋关节套索盘左1205与髋关节套索盘固定件二左1221孔中。

进一步，在电机机构中，冲量电机右5102一端固定冲量电机编码器右5101，另一端通过冲量电机法兰右5104固定于冲量电机减速器右5105上，冲量电机套索盘右5106固定于冲量电机减速器右5105输出端，冲量电机套索固定件右5107固定于冲量电机套索盘右5106槽中，冲量电机支架圆盘右5103固定在冲量电机法兰右5104电机端，冲量电机支架右5108通过螺栓固定在冲量电机法兰右5104底端，冲量电机调节螺栓右5109固定在冲量电机支架右4108末端螺纹孔中，冲量电机支架右5108安装在背板53右端。

进一步，冲量电机套索右5110一端穿过冲量电机调节螺栓右5109和冲量电机套索固定件右5107并沿冲量电机套索盘右5106导槽固定于冲量电机套索固定件右5107与冲量电机套索盘右5106孔中，冲量电机套索右5110另一端穿过髋关节大腿杆右1110后侧上端凸起固定在髋关节大腿杆滑块右1112上。

进一步，在电机机构中，冲量电机左5202一端固定冲量电机编码器左5201，另一端通过冲量电机法兰左5204固定于冲量电机减速器左5205上，冲量电机套索盘左5206固定于冲量电机减速器左5205输出端，冲量电机套索固定件左5207固定于冲量电机套索盘左5206槽中，冲量电机支架圆盘左5203固定在冲量电机法兰左5204电机端，冲量电机支架左5208通过螺栓固定在冲量电机法兰左5204底端，冲量电机调节螺栓左5209固定在冲量电机支架左4208末端螺纹孔中，冲量电机支架左5208安装在背板53右端。

进一步，冲量电机套索左5210一端穿过冲量电机调节螺栓左5209和冲量电机套索固定件左5207并沿冲量电机套索盘左5206导槽固定于冲量电机套索固定件左5207与冲量电机套索盘左5206孔中，冲量电机套索左5210另一端穿过髋关节大腿杆左1210后侧上端凸起固定在髋关节大腿杆滑块左1212上。

进一步，髋关节调节板右1101与髋关节调节板左1201通过螺栓连接，并且由于髋关节调节板右1101与髋关节调节板左1201上有通槽的存在，可以调节两者之间的距离，实现机构腰部宽度的调节试用于不同体型的使用者，背板53固定于髋关节调节板右1101上。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护。

Claims (9)

1.一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，包括髋关节机构(1)、连接在所述髋关节机构(1)下侧末端上的膝关节机构(2)、连接在所述膝关节机构(2)下侧末端的踝关节机构(3)、设置在所述髋关节机构(1)上的髋关节电机机构(4)、设置在所述髋关节机构(1)上的冲量电机机构(5)，所述髋关节机构(1)包括髋关节机构右(11)和髋关节机构左(12)，所述膝关节机构(2)包括膝关节机构右(21)和膝关节机构左(22)，所述踝关节机(3)包括踝关节机构右(31)和踝关节机构左(32)，所述髋关节电机机构(4)包括髋关节电机机构右(41)和髋关节电机机构左(51)，所述冲量电机机构(5)包括冲量电机机构右(51)、冲量电机机构左(51)和背板(53)；其中，

所述髋关节机构左(12)和髋关节机构右(11)之间通过髋关节调节板左(1201)、髋关节调节板右(1101)连接，所述髋关节电机机构左(42)固定在髋关节机构左(12)上，髋关节机构左(12)通过膝关节轴左(2201)与膝关节机构左(22)连接，膝关节机构左(22)通过踝关节球头轴承左(3201)与踝关节机构左(32)连接；所述髋关节电机机构右(41)固定在髋关节机构右(11)上，髋关节机构右(11)通过膝关节轴右(2101)与膝关节机构右(21)连接，膝关节机构右(21)通过踝关节球头轴承右(3101)与踝关节机构右(31)连接；所述背板(53)固定于髋关节调节板右(1101)上，冲量电机机构左(52)和冲量电机机构右(51)分别固定于背板(53)的左右两端。

2.根据权利要求1所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括设置在髋关节大腿杆右(1110)处的右冲量机构，所述右冲量机构包括分别固定在髋关节大腿杆右(1110)后侧的上端和下端的凸起安装块、分别设置在凸起安装块之间的髋关节大腿杆滑杆一右(1113)和髋关节大腿杆滑杆二右(1114)、设置在髋关节大腿杆滑杆一右(1113)和髋关节大腿杆滑杆二右(1114)上部的髋关节大腿杆滑块缓冲右(1111)以及设置在髋关节大腿杆滑杆一右(1113)和髋关节大腿杆滑杆二右(1114)中部的髋关节大腿杆滑块右(1112)，其中，所述髋关节大腿杆滑杆一右(1113)和髋关节大腿杆滑杆二右(1114)分别穿过髋关节大腿杆滑块缓冲右(1111)和髋关节大腿杆滑块右(1112)；所述设置在髋关节大腿杆滑杆一右(1113)和髋关节大腿杆滑杆二右(1114)预紧地固定在凸起安装块之间。

3.根据权利要求1所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括分别设置在髋关节大腿杆左(1210)处的左冲量机构，所述左冲量机构包括分别固定在髋关节大腿杆左(1210)后侧的上端和下端的凸起安装块、分别设置在凸起安装块之间的髋关节大腿杆滑杆一左(1213)和髋关节大腿杆滑杆二左(1214)、设置在髋关节大腿杆滑杆一左(1213)和髋关节大腿杆滑杆二左(1214)上部的髋关节大腿杆滑块缓冲左(1211)以及设置在髋关节大腿杆滑杆一左(1213)和髋关节大腿杆滑杆二左(1214)中部的髋关节大腿杆滑块左(1212)，其中，所述髋关节大腿杆滑杆一左(1213)和髋关节大腿杆滑杆二左(1214)分别穿过髋关节大腿杆滑块缓冲左(1211)和髋关节大腿杆滑块左(1212)；所述设置在髋关节大腿杆滑杆一左(1213)和髋关节大腿杆滑杆二左(1214)预紧地固定在凸起安装块之间。

4.根据权利要求1所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括在髋关节处中使用的右板簧平衡机构，其包括髋关节调节板右(1101)、髋关节调节板轴右(1102)、髋关节连接板右(1103)、固定在髋关节连接板右(1103)上端并与髋关节连接板右(1103)之间形成导槽的髋关节扭簧挡板右(1116)、髋关节扭簧右(1117)、固定于髋关节调节板右(1101)上端的髋关节扭簧底板右(1118)，其中，所述髋关节调节板右(1101)通过髋关节调节板轴右(1102)与髋关节连接板右(1103)相互间能转动地连接；所述髋关节扭簧右(1117)的一端固定于髋关节扭簧底板右(1118)上，另一端设置髋关节扭簧挡板右(1116)与髋关节连接板右(1103)之间的导槽中。

5.根据权利要求1所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括在髋关节处中使用的右板簧平衡机构，其包括髋关节调节板左(1201)、髋关节调节板轴左(1202)、髋关节连接板左(1203)、固定在髋关节连接板左(1203)上端并与髋关节连接板左(1203)之间形成导槽的髋关节扭簧挡板左(1216)、髋关节扭簧左(1217)、固定于髋关节调节板左(1201)上端的髋关节扭簧底板左(1218)，其中，所述髋关节调节板左(1201)通过髋关节调节板轴左(1202)与髋关节连接板左(1203)相互间能转动地连接；所述髋关节扭簧左(1217)的一端固定于髋关节扭簧底板左(1218)上，另一端设置髋关节扭簧挡板左(1216)与髋关节连接板左(1203)之间的导槽中。

6.根据权利要求1所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括在膝关节处中使用的右板簧支撑机构，其包括髋关节大腿杆右(1110)、膝关节轴右(2101)、膝关节输出杆右(2102)、膝关节扭簧右(2104)、固定于膝关节输出杆右(2102)的上部侧边上并与膝关节输出杆右(2102)间形成导槽的膝关节扭簧挡板右(2105)，其中，所述髋关节大腿杆右(1110)的下部末端通过膝关节轴右(2101)与膝关节输出杆右(2102)相互间能转动地连接；所述膝关节扭簧右(2104)的一端固定于髋关节大腿杆右(1110)下部的侧边上，另一端插于膝关节扭簧挡板右(2105)与膝关节输出杆右(2102)之间的导槽中。

7.根据权利要求1所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括在膝关节处中使用的左板簧支撑机构，其包括髋关节大腿杆左(1210)、膝关节轴左(2201)、膝关节输出杆左(2202)、膝关节扭簧左(2204)、固定于膝关节输出杆左(2202)的上部侧边上并与膝关节输出杆左(2202)间形成导槽的膝关节扭簧挡板左(2205)，其中，所述髋关节大腿杆左(1210)的下部末端通过膝关节轴左(2201)与膝关节输出杆左(2202)相互间能转动地连接；所述膝关节扭簧左(2204)的一端固定于髋关节大腿杆左(1210)下部的侧边上，另一端插于膝关节扭簧挡板左(2205)与膝关节输出杆左(2202)之间的导槽中。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括设置在髋关节机构右(11)与髋关节大腿杆右(1110)之间的右平衡拉簧机构，其包括髋关节连接板右(1103)、拉伸弹簧右(1109)和髋关节弹簧杆右(1115)，其中，所述髋关节弹簧杆右(1115)的一端固定在髋关节连接板右(1103)的侧面，所述拉伸弹簧右(1109)的一端固定在髋关节弹簧杆右(1115)的另一端，所述拉伸弹簧右(1109)的另一端固定在所述髋关节大腿杆右(1110)的前侧的中部位置。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其特征在于，还包括设置在髋关节机构左(22)与髋关节大腿杆左(1210)之间的右平衡拉簧机构，其包括髋关节连接板左(1203)、拉伸弹簧左(1209)和髋关节弹簧杆左(1215)，其中，所述髋关节弹簧杆左(1215)的一端固定在髋关节连接板左(1203)的侧面，所述拉伸弹簧左(1209)的一端固定在髋关节弹簧杆左(1215)的另一端，所述拉伸弹簧左(1209)的另一端固定在所述髋关节大腿杆左(1210)的前侧的中部位置。