CN105686927A - 可折叠便携式下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种可折叠便携式下肢外骨骼，它包括背架（1）和大腿组件（17），其特征是所述的大腿组件（17）主要由大腿上调杆（7）、大腿下调杆（8）、捆绑装置（9）和大腿驱动缸（11）组成，大腿驱动缸（11）与大腿上调杆（7）相连；大腿上调杆（7）和大腿下调杆（8）插接相连，捆绑装置（9）安装在大腿上调杆（7）上，所述的大腿下调杆（8）呈弧形结构以便小腿组件（18）中的小腿上调杆（10）能转动收折；大腿上调杆（7）与髋关节组件（16）相连处能绕垂直轴回转的同时，还能作绕额状轴的回转摆动，髋关节组件（16）能作绕矢状轴的回转摆动。本发明实现了人体外骨骼的收叠运输，具有体积小运输投送方便的优点。

Description

可折叠便携式下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及一种助力技术，尤其是一种野外行军作战助力技术，具体地说是一种可折叠便携式下肢外骨骼。

背景技术

众所周知，外骨骼机器人是一种可穿戴机械装置，它既可以通过检测人体运动信息，跟随人体运动，进而替人体承受负载，减轻人体负重感；又可以通过步态规划，让机器人带着人体运动，进行康复训练。因而外骨骼机器人在军事作战、灾害救援及康复治疗等领域具有广阔的应用前景。尤其是在军事、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，且对运动者的身体素质要求很高，而通过使用外骨骼机器人可以提供充足的力量和耐力来增强长距离行走和负重等能力，从而大大降低完成一些特殊任务的难度。因此对于外骨骼的研究尤为重要。

目前国内外的外骨骼多集中于考量其负载性能，但是对于其便携性能考量较少，据申请人所知，现有的外骨骼装置大多不能折叠，造成体积较大，运输和投送不便，因此，设计一种能够折叠的便携式下肢外骨骼具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有的外骨骼设备中的大腿部分均为直杆形式及受关节部件运动自由度影响造成折叠不便或折叠体积过大的问题，设计一种折叠体积小、运输、氢送方便的可折叠便携式下肢外骨骼。

本发明的技术方案是：

一种可折叠便携式下肢外骨骼，它包括背架1、髋关节组件16、大腿组件17、小腿组件18和踝关节组件14，所述的髋关节组件16安装在背架1上，大腿组件17上端与髋关节组件16相连，下端与小腿组件18的上端相连，小腿组件18的下端与踝关节组件19相连，踝关节组件19连接有鞋底15其特征是所述的大腿组件17主要由大腿上调杆7、大腿下调杆8、捆绑装置9和大腿驱动缸11组成，大腿驱动缸11的上端与大腿上调杆7的上端相连，下端与小腿组件18相连；大腿上调杆7和大腿下调杆8插接相连并通过紧固件固定实现大腿部的长度调节，捆绑装置9安装在大腿上调杆7上以便与使用者大腿相连，所述的大腿下调杆8呈弧形结构以便小腿组件18中的小腿上调杆10能绕连接大腿组件17和小腿组件18的膝关节转动收折；大腿上调杆7与髋关节组件16相连处能绕垂直轴回转实现旋内/旋外运动（左右转向）的同时，还能作绕额状轴摆动实现前后跨步功能，髋关节组件16能作绕矢状轴的回转摆动实现侧抬腿。

所述的髋关节组件16主要由背负连块2、外展内收板3、髋部连扳4、横向调节板5和纵向调节板6组成，背负连块2用于与背架1固定相连，髋部连扳4与背负连块2固定相连，横向调节板5一端插入髋部连扳4中并通过紧固件固定，调节横向调节板5插入髋部连扳4的深度即能调节髋关节组件16的宽度使之与使用者的体宽相适应，横向调节板5的另一端与外展内收板3的内收端铰接相接相连，以便使外展内收板3作绕矢状轴的回转摆动进而实现外骨骼装置的侧抬腿功能，外展内收板3的外展端与纵向调节板6的一端插接相连，并通过紧固件实现纵向调节板6在外展内收板3外展端的固定以便使髋关节组件16能与使用者的体厚相匹配，纵向调节板6的另一端与大腿通过旋转副相连，实现大腿的抬起落下运动，同时在髋关节下侧另有一水平旋转副实现行走转向。

所述的小腿组件18主要由小腿上调杆10、小腿驱动缸12和小腿下调杆13组成，小腿上调杆10和小腿下调杆13插接相连并通过紧固件固定以适应使用者小腿的长度需要，小腿上调杆10通过膝关节与大腿组件铰接相连，在小腿上调杆10上安装有捆绑装置9，小腿下调杆13的下端固定在踝关节组件14上，小腿驱动缸12的上端与小腿上调杆10相连，小腿驱动缸12的下端也安装在踝关节组件14上。

所述的踝关节组件14包括小腿支撑件1′，小腿支撑件1′的下端枢装在伸展弯曲轴2′上，伸展弯曲轴2′支承在伸展弯曲架3′上，伸展弯曲架3′在液压缸的驱动下带动整个脚踝装置绕伸展弯曲轴2′运动，伸展弯曲架3′固定在内收外展架5′上，内收外展架5′枢装在内收外展轴6′上，内收外展轴6′固定安装在支架7′上，支架7′通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板9′上，鞋底旋转平板9′固定安装在鞋底板11′上，鞋底板11′上设有脚面固定件10′。

在支架7′上、内收外展架5′的两侧设有防止内收外展架5′过度转动的限位挡板8′。

所述的鞋底旋转平板9′设有供支架7′底部的限位销插入的弧形安全限位导向槽13′。

所述的鞋底板11′安装有柔性缓冲垫12′。

本发明的脚部与小腿通过踝关节连接，小腿与大腿通过膝关节连接，大腿与腰带通过髋关节连接；载物架通过机械结构稳固地挂靠在背架上，液压系统设置在载物架下方，与液压执行器连接。髋关节，大腿，小腿上各设置了液压执行器的连接端。踝关节采用旋转副连接方式，由转动杆、圆柱形转动套组成，并通过连接件与脚部连接杆连接，完成小腿与脚部的连接。髋关节与大腿通过旋转副相连，实现大腿的抬起落下运动，同时在髋关节下侧另有一水平旋转副实现行走转向。

本发明的有益效果：

1.本发明在进行运动学与动力学分析的基础之上采用单腿多缸驱动，有效地提高了该装置的负重能力。

2.本发明的踝关节布置了3个自由度，增强了装备对路况的适应性，有效提高外骨骼助力机器人助力效果。

3.每个运动自由度上都设计了相应的安全限位模块儿，切实保证人体运动的安全。

4.捆绑装置在上下和前后方向上设有缓冲弹簧，提高了可穿戴适应性，减小了振动与冲击。

5.髋关节的伸展/弯曲、旋内/旋外自由度成上下布置，可在脱下时折叠装箱,方便携带。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的踝关节组件14运动模块的局部示意图。

图3是本发明的髋关节组件16运动模块的局部示意图。

图4是本发明的膝关节的局部示意图。

图5是本发明的体型调节模块示意图。

图6是本发明的身高调节模块示意图；其中图6（a）为大腿长度调节示意图；图6（b）为小腿长度调节示意图。

图7是本发明捆绑装置的结构示意图。

图8是本发明折叠状态示意图。

图9是图2的踝关节爆炸结构示意图。

图10是人体参考平面和轴系示意图。

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1-10所示。

一种液压驱动的可折叠便携式下肢外骨骼，它主要由背架1、背负连块2、外展内收板3、髋部连扳4、横向调节板5、纵向调节板6，大腿上调杆7、大腿下调杆8组成、捆绑装置9、小腿上调杆10、大腿驱动缸11、小腿驱动缸12、小腿下调杆13、踝关节14和鞋底15。如图1所示，背架1通过背负连块2连接到髋关节上，髋关节由外展内收板3、髋部连扳4、横向调节板5、纵向调节板6组成，如图3所示，髋关节为可调式结构，可以根据穿戴者体型胖瘦进行调节，如图5所示；髋关节与大腿部分通过转动副链接，转动副的转动轴为髋关节伸展/弯曲轴，即人体额状面与横切面的交线（又称额状轴，如图10）；大腿部分由大腿上调杆7和大腿下调杆8组成，大腿上的动力由大腿驱动缸11提供，大腿下调杆8上装有捆绑装置9（图7，与现有技术相同），捆绑装置9的作用是将外骨骼装置连接到人体上；小腿部分由小腿上调杆10和小腿下调杆13组成，小腿上的动力由小腿驱动缸12提供，小腿下调杆与外骨骼踝关节14通过转动副链接，鞋底15处于整个外骨骼的最下端，负责支撑起整个装置及所背负重量。脚部与小腿通过踝关节连接（图2、9），小腿与大腿通过膝关节连接（图4，与现有技术相同），大腿与腰带通过髋关节（图3）连接；载物架通过机械结构稳固地挂靠在背架1上，液压系统设置在载物架下方，与液压执行器连接。髋关节，大腿，小腿上各设置了液压执行器的连接端。踝关节采用旋转副连接方式，由转动杆、圆柱形转动套组成，并通过连接件与脚部连接杆连接，完成小腿与脚部的连接，如图9。大腿靠近膝关节处采用弧形设计，避免该装置折叠时因液压驱动缸的存在而造成干涉，弧形设计使折叠效果更优。髋关节与大腿通过旋转副相连，实现大腿的抬起落下运动，同时在髋关节下侧另有一水平旋转副实现行走转向。两个大腿液压驱动装置和两个小腿液压驱动装置为整个外骨骼装置提供动力，分别通过改变部件各个部分的相对角度来实现外骨骼机器人协调人体下肢按照正常的行走轨迹进行运动，转向功能则通过髋关节以及踝关节的旋内/旋外自由度来实现。

折叠时，先将两小腿从装置后方绕膝关节旋转副（即膝关节伸展/弯曲自由度）转动到极限程度后，再将大小腿同时从装置前方绕髋关节伸展/弯曲自由度转动到图8所示位置，最后再将大小腿同时绕髋关节旋内/旋外自由度转动即可折叠成附图8所示效果。

详述如下：

如图1所示，本发明的外骨骼包括背架1、髋关节组件16、大腿组件17、小腿组件18和踝关节组件14，所述的髋关节组件16安装在背架1上，大腿组件17上端与髋关节组件16相连，下端与小腿组件18的上端相连，小腿组件18的下端与踝关节组件19相连，踝关节组件19连接有鞋底15。大腿组件17主要由大腿上调杆7、大腿下调杆8、捆绑装置9和大腿驱动缸11组成，大腿驱动缸11的上端与大腿上调杆7的上端相连，下端与小腿组件18；大腿上调杆7和大腿下调杆8插接相连并通过紧固件固定实现大腿部的长度调节，捆绑装置9安装在大腿上调杆7上以便与使用者大腿相连，所述的大腿下调杆8呈弧形结构以便小腿组件18中的小腿上调杆10能绕连接大腿组件17和小腿组件18的膝关节转动收折；大腿上调杆7与髋关节组件16相连处能绕垂直轴回转实现左右跨步的同时，还能作绕额状轴的回转摆动实现前后跨步，髋关节组件16能作绕矢状轴的回转摆动实现抬腿。如图3所示，髋关节组件16主要由背负连块2、外展内收板3、髋部连扳4、横向调节板5和纵向调节板6组成，背负连块2用于与背架1固定相连，髋部连扳4与背负连块2固定相连，横向调节板5一端插入髋部连扳4中并通过紧固件固定，调节横向调节板5插入髋部连扳4的深度即能调节髋关节组件16的宽度使之与使用者的体宽相适应，横向调节板5的另一端与外展内收板3的内收端铰接相接相连，以便使外展内收板3作绕矢状轴的回转摆动进而实现髋关节组件16绕矢状轴的回转摆动，外展内收板3的外展端与纵向调节板6的一端插接相连，并通过紧固件实现纵向调节板6在外展内收板3外展端的固定以便使髋关节组件16能与使用者的体厚相匹配（宽度和厚度调节后的状态如图5所示），纵向调节板6的另一端与大腿通过旋转副20相连（必要时，旋转副20也可通过电机进行驱动以进一步提升助力效果），实现大腿的抬起落下运动，同时在髋关节下侧另有一水平旋转副21实现行走转向。小腿组件18主要由小腿上调杆10、小腿驱动缸12和小腿下调杆13组成，小腿上调杆10和小腿下调杆13插接相连并通过紧固件固定以适应使用者小腿的长度需要，小腿上调杆10通过膝关节与大腿组件铰接相连，在小腿上调杆10上安装有捆绑装置9，小腿下调杆13的下端固定在踝关节组件14上，小腿驱动缸12的上端与小腿上调杆10相连，小腿驱动缸12的下端也安装在踝关节组件14上。

本发明的踝关节组件14如图2、9所示，它包括小腿支撑件1′，小腿支撑件1′的下端枢装在伸展弯曲轴2′上，伸展弯曲轴2′支承在伸展弯曲架3′上，伸展弯曲架3′在液压缸的驱动下带动整个脚踝装置绕伸展弯曲轴2′运动，伸展弯曲架3′固定在内收外展架5′上，内收外展架5′枢装在内收外展轴6′上，内收外展轴6′固定安装在支架7′上，支架7′通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板9′上，鞋底旋转平板9′固定安装在鞋底板11′上，鞋底板11′上设有脚面固定件10′。在支架7′上、内收外展架5′的两侧设有防止内收外展架5′过度转动的限位挡板8′。鞋底旋转平板9′设有供支架7′底部的限位销插入的弧形安全限位导向槽13′。所述的鞋底板11′安装有柔性缓冲垫12′，两者组成鞋底15。

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 (7)

1.一种可折叠便携式下肢外骨骼，它包括背架（1）、髋关节组件（16）、大腿组件（17）、小腿组件（18）和踝关节组件（14），所述的髋关节组件（16）安装在背架（1）上，大腿组件（17）上端与髋关节组件（16）相连，下端与小腿组件（18）的上端相连，小腿组件（18）的下端与踝关节组件（19）相连，踝关节组件（19）连接有鞋底（15），其特征是所述的大腿组件（17）主要由大腿上调杆（7）、大腿下调杆（8）、捆绑装置（9）和大腿驱动缸（11）组成，大腿驱动缸（11）的上端与大腿上调杆（7）的上端相连，下端与小腿组件（18）相连；大腿上调杆（7）和大腿下调杆（8）插接相连并通过紧固件固定实现大腿部的长度调节，捆绑装置（9）安装在大腿上调杆（7）上以便与使用者大腿相连，所述的大腿下调杆（8）呈弧形结构以便小腿组件（18）中的小腿上调杆（10）能绕连接大腿组件（17）和小腿组件（18）的膝关节转动收折；大腿上调杆（7）与髋关节组件（16）相连处能绕垂直轴回转实现旋内/旋外运动即左右转向的同时，还能作绕额状轴的回转摆动实现前后跨步功能，髋关节组件（16）能作绕矢状轴的回转摆动实现侧抬腿。

2.根据权利要求1所述的可折叠便携式下肢外骨骼，其特征是所述的髋关节组件（16）主要由背负连块（2）、外展内收板（3）、髋部连扳（4）、横向调节板（5）和纵向调节板（6）组成，背负连块（2）用于与背架（1）固定相连，髋部连扳（4）与背负连块（2）固定相连，横向调节板（5）一端插入髋部连扳（4）中并通过紧固件固定，调节横向调节板（5）插入髋部连扳（4）的深度即能调节髋关节组件（16）的宽度使之与使用者的体宽相适应，横向调节板（5）的另一端与外展内收板（3）的内收端铰接相接相连，以便使外展内收板（3）作绕矢状轴的回转摆动进而实现外骨骼装置的侧抬腿功能，外展内收板（3）的外展端与纵向调节板（6）的一端插接相连，并通过紧固件实现纵向调节板（6）在外展内收板（3）外展端的固定以便使髋关节组件（16）能与使用者的体厚相匹配，纵向调节板（6）的另一端与大腿通过旋转副相连，实现大腿的抬起落下运动，同时在髋关节下侧另有一水平旋转副实现行走转向。

3.根据权利要求1所述的可折叠便携式下肢外骨骼，其特征是所述的小腿组件（18）主要由小腿上调杆（10）、小腿驱动缸（12）和小腿下调杆（13）组成，小腿上调杆（10）和小腿下调杆（13）插接相连并通过紧固件固定以适应使用者小腿的长度需要，小腿上调杆（10）通过膝关节与大腿组件铰接相连，在小腿上调杆（10）上安装有捆绑装置（9），小腿下调杆（13）的下端固定在踝关节组件（14）上，小腿驱动缸（12）的上端与小腿上调杆（10）相连，小腿驱动缸（12）的下端也安装在踝关节组件（14）上。

4.根据权利要求1所述的可折叠便携式下肢外骨骼，其特征是所述的踝关节组件（14）包括小腿支撑件（1′），小腿支撑件（1′）的下端枢装在伸展弯曲轴（2′）上，伸展弯曲轴（2′）支承在伸展弯曲架（3′）上，伸展弯曲架（3′）在液压缸的驱动下带动整个脚踝装置绕伸展弯曲轴（2′）运动，伸展弯曲架（3′）固定在内收外展架（5′）上，内收外展架（5′）枢装在内收外展轴（6′）上，内收外展轴（6′）固定安装在支架（7′）上，支架（7′）通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板（9′）上，鞋底旋转平板（9′）固定安装在鞋底板（11′）上，鞋底板（11′）上设有脚面固定件（10′）。

5.根据权利要求4所述的可折叠便携式下肢外骨骼，其特征是在支架（7′）上、内收外展架（5′）的两侧设有防止内收外展架（5′）过度转动的限位挡板（8′）。

6.根据权利要求4所述的可折叠便携式下肢外骨骼，其特征是所述的鞋底旋转平板（9′）设有供支架（7′）底部的限位销插入的弧形安全限位导向槽（13′）。

7.根据权利要求4所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的鞋底板（11′）安装有柔性缓冲垫（12′）。