CN105798881B - 助力外骨骼装配体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力外骨骼装配体，包括：一对足踏板，其上设置有压力传感器；一对支撑块；一对杆端关节轴承，其内圈与支撑块螺纹连接；两组腿部组件，其包括：小腿调节螺杆；小腿组件；大腿组件；腰部组件，其上设置有一第一通孔；两组髋关节组件，其包括：第一旋转轴，其插入第一通孔中；旋转支架，其与第一旋转轴固定连接，旋转支架与大腿组件的顶部枢接；两组电机，其分别与两根第一旋转轴连接；两组减速机，其分别与两组电机连接，两组减速机的输出轴上分别设置有一角度传感器；控制器，其与四个压力传感器、两个角度传感器和两组减速机均连接。本发明适用于不同高度的人群，且能实现不同模式的自由切换。

Description

助力外骨骼装配体

技术领域

本发明涉及助力机械设备领域。更具体地说，本发明涉及一种助力外骨骼装配体。

背景技术

所谓“外骨骼”，最初概念来源于生物学，是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构，比如昆虫身上能够起到帮助行动以及保护身体不受伤害作用的外骨骼。人类受此启发便开始了机械外骨骼技术的仿生研究。通过能源装置提供外动力，机械传动系统及控制测试系统，保证人体各种动作于机械之间的协调性。外骨骼系统将机械和人体实现完美的融合，从而帮助人体完成各种动作和提升效率。

可穿戴式的下肢外骨骼技术已越来越受到学术界和工业界的关注。机械外骨骼装置既可用作康复辅助下肢残障人士行走，也可用作负载行走时的助力装置，在民用及军用领域均有较好的应用前景。目前，国内关于机械外骨骼装置都是应用于军事、医疗和科研技术领域，而用于军事领域的装置的技术也都是保密的，并且造价昂贵，限制了其在民用领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种助力外骨骼装配体，其可应用于快递和医疗技术领域，使用时方便穿戴和脱下；能根据人的身高调节大腿组件和小腿组件的高度，以适用于不同高度的人群；能实现行走、上下楼梯和蹲下起立等不同模式的自由切换。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种助力外骨骼装配体，包括：

一对足踏板，其左右对称设置，所述足踏板上与人体的前脚掌和后脚跟相对的位置处各设置有一压力传感器，所述足踏板与人体的脚部可拆卸地连接；

一对支撑块，其左右对称设置，所述支撑块与所述足踏板的外侧可拆卸地连接，所述支撑块上设置有一螺纹孔；

一对杆端关节轴承，其左右对称设置，杆端关节轴承的内圈与支撑块上的螺纹孔螺纹连接，且当一对足踏板运动至水平方向时，两个杆端关节轴承的内圈运动至水平方向，并在一条直线上；

两组腿部组件，其左右对称设置，所述腿部组件包括：

小腿调节螺杆，其两端设置有外螺纹，所述小腿调节螺杆的一端与杆端关节轴承的外圈螺纹连接；

小腿组件，其为一伸缩杆，所述小腿组件的底部设置有一螺纹孔，且通过该螺纹孔与所述小腿调节螺杆的另一端螺纹连接，所述小腿组件与所述小腿调节螺杆在一条直线上；

大腿组件，其为一伸缩杆，所述大腿组件的底部与所述小腿组件的顶部枢接，所述大腿组件带动所述小腿组件前后摆动；

腰部组件，其环人体的腰部设置，所述腰部组件上与人体的髋关节相对的位置处分别设置有一第一通孔，所述腰部组件与人体的腰部可拆卸地连接；

两组髋关节组件，其左右对称设置，所述髋关节组件包括：

第一旋转轴，其与所述第一通孔相配，所述第一旋转轴插入所述第一通孔中；

旋转支架，其与所述第一旋转轴固定连接，所述旋转支架与所述大腿组件的顶部枢接，以使所述大腿组件能左右摆动；

两组电机，其分别与两根第一旋转轴连接，用于驱动两根第一旋转轴旋转，以带动旋转支架和大腿组件前后摆动；

两组减速机，其分别与两组电机连接，两组减速机的输出轴上分别设置有一角度传感器；

控制器，其与四个压力传感器、两个角度传感器和两组减速机均连接，所述控制器设置为：接收四个压力传感器和两个角度传感器的信号，并控制两组减速机的运行。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述足踏板与人体的脚部可拆卸地连接的具体方式为：

所述足踏板的内侧和外侧分别设置有一卡扣，所述卡扣与所述足踏板可拆卸地连接，所述卡扣上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述小腿组件包括：

小腿下，所述小腿下的下部为圆柱体形，所述小腿下的上部沿竖直方向设置有第一齿条，所述小腿下的底部设置有一螺纹孔，且通过该螺纹孔与所述小腿调节螺杆的另一端螺纹连接；

小腿上，所述小腿上的中部为圆柱体形，所述小腿上的下部沿竖直方向设置有第二齿条，所述第二齿条与所述第一齿条相配，所述第二齿条上的齿选择性地与不同的第一齿条上的齿相啮合，使小腿组件具有不同的长度，以形成伸缩杆，所述小腿上的顶部与所述大腿组件的底部枢接；

小腿调节套筒，其与所述第一齿条和所述第二齿条相啮合的部位的外部曲面相贴合，以固定所述小腿下和小腿上。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述小腿下的下部和所述小腿上的中部的外径与所述小腿调节套筒的内径相等；所述小腿调节套筒上套设有一蝶形螺母，该蝶形螺母上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述大腿组件包括：

大腿下，所述大腿下的底部与所述小腿组件的顶部枢接，所述大腿下的中部为圆柱体形，所述大腿下的上部沿竖直方向设置有第三齿条；

大腿上，所述大腿上的中部为圆柱体形，所述大腿上的下部沿竖直方向设置有第四齿条，所述第四齿条与所述第三齿条相配，所述第四齿条选择性地与不同的第三齿条上的齿相啮合，使大腿组件具有不同的长度，以形成伸缩杆，所述大腿上的顶部与所述旋转支架枢接；

大腿调节套筒，其与所述第三齿条和所述第四齿条相啮合的部位的外部曲线相贴合，以固定所述大腿上和大腿下。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述大腿下的中部和所述大腿上的中部的外径与所述大腿调节套筒的内径相等；所述大腿调节套筒上套设有一蝶形螺母，该蝶形螺母上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述旋转支架包括：

旋转支架本体，其包括三块一体成型的连接板，其中两块连接板相互平行，另一块连接板设置在两块相互平行的连接板之间，且与两块相互平行的连接板固定并垂直连接，位于中部的连接板的外侧壁上设置有所述第一旋转轴，所述旋转支架本体与所述第一旋转轴一体成型，相互平行的两块连接板上分别设置有一个第二通孔，两个所述第二通孔相对设置；

旋转座，其插设在两块相互平行的连接板之间，且由两块相互平行的连接板限制所述旋转座的前后运动，所述旋转座上设置有一个第三通孔，所述第三通孔的中心线与两个所述第二通孔的中心线重合，所述旋转座的底部设置有一螺纹孔，且通过该螺纹孔与所述大腿组件的顶部螺纹连接；

第二旋转轴，其穿设在两个第二通孔和第三通孔中，所述第二旋转轴的外径与所述第二通孔和所述第三通孔的直径相等；所述旋转支架通过所述旋转座和所述第二旋转轴与所述大腿组件的顶部枢接。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述腰部组件由七块一体成型的方形板组成，相邻的两块方形板相互垂直，位于两端的方形板上分别设置有一个所述第一通孔，所述旋转支架位于腰部组件的内侧，位于中部的一块方形板上设置有两个系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带，以使所述腰部组件与人体的腰部可拆卸地连接。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，还包括：

锁止机构，其包括：

锁止上，其上设置有一第四通孔，所述锁止上与所述大腿组件的下部可拆卸地连接；

锁止下，其位于所述锁止上的下方，所述锁止下包括：

壳体，所述壳体内部中空，所述壳体与所述小腿组件的上部可拆卸地连接，所述壳体的顶部设置有第五通孔；

锁止轴，其设置在所述壳体内，当所述大腿组件和所述小腿组件运动至竖直方向时，所述锁止轴为竖直方向，且所述锁止轴能向上或向下穿过所述第五通孔和所述第四通孔；

推拉式电磁铁，其与所述锁止轴连接，用于沿竖直方向推拉所述锁止轴，所述推拉式电磁铁与控制器连接。

优选的是，所述的助力外骨骼装配体中，所述壳体包括：

壳体一，其为凸字形，所述壳体一与所述小腿组件的上部可拆卸地连接，且所述壳体一的凸出部分向外；

壳体二，其为凹字形，所述壳体二内部中空，所述壳体一的突出部分插设在所述壳体二的凹陷部分中，所述壳体二与所述壳体一可拆卸地连接，所述壳体二的顶部设置有所述第五通孔。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明在与人体的脚部、小腿部、大腿部和腰部相对应的位置处均设置有系带孔，通过使用系带孔中的纤维绑带，使人方便穿戴和脱下，提高了工作效率。

本发明各个组件之间均可拆卸地连接，方便携带，也方便更换零件，避免一处损坏，更换整个装配体。

本发明中的小腿组件和大腿组件均为伸缩杆形式，其能根据人的身高调节大腿组件和小腿组件的高度，以适用于不同高度的人群。

本发明采用控制器进行控制，响应速度快，控制精准，能实现行走、上下楼梯和蹲下起立等不同模式的自由切换，从而实现助力外骨骼装配体与人行动的一致性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的助力外骨骼装配体的结构示意图；

图2为本发明所述的大腿上的结构示意图；

图3为本发明所述的大腿下的结构示意图；

图4为本发明所述的支撑块的结构示意图；

图5为本发明所述的杆端关节轴承的外圈的结构示意图；

图6为本发明所述的小腿调节螺杆的结构示意图；

图7为本发明所述的小腿下的结构示意图；

图8为本发明所述的小腿上的结构示意图；

图9为本发明所述的小腿调节套筒的结构示意图；

图10为本发明所述的腰部组件的结构示意图；

图11为本发明所述的旋转支架本体的结构示意图；

图12为本发明所述的旋转座的结构示意图；

图13为本发明所述的锁止上的结构示意图；

图14为本发明所述的锁止机构的结构示意图；

图15为本发明所述的被动控制逻辑图；

图16为本发明所述的自动控制逻辑图；

图17为本发明所述的左脚站立期压力变化趋势图；

图18为本发明所述的矢状面观察步态周期各时相身体位置图；

图19为本发明所述的小腿组件的结构示意图；

图20为本发明所述的壳体一的结构示意图；

图21为本发明所述的壳体二的结构示意图；

图22为本发明所述的小腿上、大腿下和锁止机构连接处的结构示意图；

图23为本发明所述的旋转支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1至图23所示，本发明提供一种助力外骨骼装配体，包括：

一对足踏板100，其左右对称设置，所述足踏板100上与人体的前脚掌和后脚跟相对的位置处各设置有一压力传感器，所述足踏板100与人体的脚部可拆卸地连接；压力传感器用于感受前脚掌和后脚跟处的压力，并转化成输出信号传递至控制器。本发明中的左右和前后是根据人的左右和前后来定义。

一对支撑块101，其左右对称设置，所述支撑块101与所述足踏板100的外侧可拆卸地连接，所述支撑块101上设置有一螺纹孔；

一对杆端关节轴承102，其左右对称设置，杆端关节轴承102的内圈与支撑块101上的螺纹孔螺纹连接，且当一对足踏板100运动至水平方向时，两个杆端关节轴承102的内圈运动至水平方向，并在一条直线上；本发明采用的是SQ10C型弯杆开球头杆端关节轴承，根据使用需要，也可采用别的型号。

两组腿部组件，其左右对称设置，所述腿部组件包括：

小腿调节螺杆103，其两端设置有外螺纹，所述小腿调节螺杆103的一端与杆端关节轴承的外圈105螺纹连接；小腿调节螺杆103是个整体加工件，两端是被削除之后攻螺纹，中间是形似六角螺母的部分，方便杆端关节轴承102的外圈与小腿调节螺杆103的拧紧与连接，便于手工调节。

小腿组件110，其为一伸缩杆，所述小腿组件110的底部设置有一螺纹孔，且通过小腿组件110的底部的螺纹孔与所述小腿调节螺杆103的另一端螺纹连接，所述小腿组件110与所述小腿调节螺杆103在一条直线上；小腿组件110为伸缩杆形式，这样方便调节小腿组件110的长度。

大腿组件120，其为一伸缩杆，所述大腿组件120的底部与所述小腿组件110的顶部枢接，所述大腿组件120带动所述小腿组件110前后摆动；大腿组件120为伸缩杆形式，这样方便调节大腿组件120的长度。

腰部组件130，其环人体的腰部设置，所述腰部组件130上与人体的髋关节相对的位置处分别设置有一第一通孔131，所述腰部组件130与人体的腰部可拆卸地连接；

两组髋关节组件140，其左右对称设置，所述髋关节组件140包括：

第一旋转轴141，其与所述第一通孔131相配，所述第一旋转轴141插入所述第一通孔131中；

旋转支架142，其与所述第一旋转轴141固定连接，所述旋转支架142与所述大腿组件120的顶部枢接，以使所述大腿组件120能左右摆动；

两组电机，其分别与两根第一旋转轴141连接，用于驱动两根第一旋转轴141旋转，以带动旋转支架142和大腿组件120前后摆动；

两组减速机，其分别与两组电机连接，两组减速机的输出轴上分别设置有一角度传感器；实际应用中采用的是涡轮蜗杆减速机，减速机两侧都可以输出，减速机的输出轴的一侧连接第一旋转轴141，另一侧连接角度传感器，当旋转支架142和大腿组件120前后摆动时，会带动第一旋转轴141转动，这样减速机的输出轴上的角度传感器能感受到角度变化，从而间接感受到大腿组件120的角度变化。实际使用中，角度传感器取双腿之间竖直平面为起点，大腿组件120向后运动定义为负增长，大腿组件120向前运动定义为正增长，也可根据使用需要采取别的实施样态。

控制器，其与四个压力传感器、两个角度传感器和两组减速机均连接，所述控制器设置为：接收四个压力传感器和两个角度传感器的信号，并控制两组减速机的运行。

本发明在使用时，将人的脚与足踏板100、人的小腿与小腿组件110、人的大腿与大腿组件120，以及人的腰部与腰部组件130均可拆卸地连接，例如可通过设置绑带、粘贴部件、夹持部件或其他形式进行可拆卸地连接。人开始运动时，四个压力传感器会感受到左右两侧前脚掌和后脚跟处的压力，并转化成输出信号传递至控制器，同时，两个角度传感器会间接感受到大腿组件120角度的变化，并转化成输出信号传递至控制器，控制器通过分析四个压力传感器和两个角度传感器传递的信号，以及各自在短时间内的压力和角度的变化趋势，分别控制两组减速机运行，两组减速机降低转速，增加转矩后分别输出给与其相对应的两组电机，两组电机分别带动与其相对应的第一旋转轴141旋转，两根第一旋转轴141旋转时分别带动与其相对应的旋转支架142和大腿组件120前后摆动，因大腿组件120的底部与小腿组件110的顶部枢接，大腿组件120能带动与其相对应的小腿组件110前后摆动，进而小腿组件110能带动与其相对应的小腿调节螺杆103一起摆动，小腿调节螺杆103带动与其相对应的杆端关节轴承102转动，最终带动与其相对应的足踏板100运动。

人在行走、上下楼梯、蹲下起立或处于其他运动状态时，四个压力传感器和两个角度传感器接收到的信号不同，各自在短时间内的信号变化趋势也不同，通过控制器进行分析后，传输给减速机的指令不同，从而能使两组电机分别带动与其相对应的第一旋转轴141转动，进而左右大腿各自以一定的角度摆动，从而实现不同模式的自由切换。

所述的助力外骨骼装配体中，所述足踏板100与人体的脚部可拆卸地连接的具体方式为：

所述足踏板100的内侧和外侧分别设置有一卡扣104，所述卡扣与所述足踏板100可拆卸地连接，所述卡扣上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。将纤维绑带绑在人的脚上，即可实现足踏板100与人的脚的固定连接，需要脱下时，解开即可。

所述的助力外骨骼装配体中，所述小腿组件110包括：

小腿下111，所述小腿下111的下部为圆柱体形，所述小腿下111的上部沿竖直方向设置有第一齿条112，所述小腿下111的底部设置有一螺纹孔，且通过小腿下111的底部的螺纹孔与所述小腿调节螺杆103的另一端螺纹连接；

小腿上113，所述小腿上113的中部为圆柱体形，所述小腿上113的下部沿竖直方向设置有第二齿条114，所述第二齿条114与所述第一齿条112相配，所述第二齿条114上的齿选择性地与不同的第一齿条112上的齿相啮合，使小腿组件110具有不同的长度，以形成伸缩杆，所述小腿上113的顶部与所述大腿组件120的底部枢接；

小腿调节套筒115，其与所述第一齿条112和所述第二齿条114相啮合的部位的外部曲面相贴合，这样能将第一齿条112和第二齿条114相啮合的部位套住，以固定所述小腿下111和小腿上113。

所述的助力外骨骼装配体中，所述小腿下111的下部和所述小腿上113的中部的外径与所述小腿调节套筒115的内径相等，即将小腿调节套筒115设计成外部可具有其他形状，但内部具有圆柱形通孔的筒体，小腿调节套筒115即可套住第一齿条112和第二齿条114相啮合的部位，也可套住小腿下111的下部和小腿上113的中部，这样能使小腿下111和小腿上113的连接更稳定，也方便安装和拆下小腿下111和小腿上113；所述小腿调节套筒115上套设有一蝶形螺母，该蝶形螺母与小腿调节套筒115可拆卸地连接，可通过在小腿调节套筒115和蝶形螺母上设计相配的螺纹孔，通过在该螺纹孔中拧上螺母，即可实现小腿调节套筒115和蝶形螺母可拆卸地连接，小腿调节套筒115上的蝶形螺母上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。将纤维绑带绑在人的小腿上113，即可实现小腿组件110与人的小腿的固定连接，需要脱下时，解开即可。

所述的助力外骨骼装配体中，所述大腿组件120包括：

大腿下121，所述大腿下121的底部与所述小腿组件110的顶部枢接，所述大腿下121的中部为圆柱体形，所述大腿下121的上部沿竖直方向设置有第三齿条122；

大腿上123，所述大腿上123的中部为圆柱体形，所述大腿上123的下部沿竖直方向设置有第四齿条124，所述第四齿条124与所述第三齿条122相配，所述第四齿条124选择性地与不同的第三齿条122上的齿相啮合，使大腿组件120具有不同的长度，以形成伸缩杆，所述大腿上123的顶部与所述旋转支架142枢接；

大腿调节套筒，其与所述第三齿条122和所述第四齿条124相啮合的部位的外部曲线相贴合，这样能将第三齿条122和第四齿条124相啮合的部位套住，以固定所述大腿上123和大腿下121。大腿调节套筒的结构示意图也可用图9表示。

所述的助力外骨骼装配体中，所述大腿下121的中部和所述大腿上123的中部的外径与所述大腿调节套筒的内径相等，即将大腿调节套筒设计成外部可具有其他形状，但内部具有圆柱形通孔的筒体，大腿调节套筒即可套住第三齿条122和第四齿条124相啮合的部位，也可套住大腿下121的中部和大腿上123的中部，这样能使大腿下121和大腿上123的连接更稳定，也方便安装和拆下大腿下121和大腿上123；所述大腿调节套筒上套设有一蝶形螺母，该蝶形螺母与大腿调节套筒可拆卸地连接，可通过在大腿调节套筒和蝶形螺母上设计相配的螺纹孔，通过在该螺纹孔中拧上螺母，即可实现大腿调节套筒和蝶形螺母可拆卸地连接，大腿调节套筒上的蝶形螺母上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。将纤维绑带绑在人的大腿上123，即可实现大腿组件120与人的大腿的固定连接，需要脱下时，解开即可。

所述的助力外骨骼装配体中，所述旋转支架142包括：

旋转支架本体143，其包括三块一体成型的连接板，其中两块连接板相互平行，另一块连接板设置在两块相互平行的连接板之间，且与两块相互平行的连接板固定并垂直连接，位于中部的连接板的外侧壁上设置有所述第一旋转轴141，所述旋转支架本体143与所述第一旋转轴141一体成型，这样第一旋转轴141转动时，会带动旋转支架本体143转动，相互平行的两块连接板上分别设置有一个第二通孔144，两个所述第二通孔144相对设置；

旋转座145，其插设在两块相互平行的连接板之间，且由两块相互平行的连接板限制所述旋转座145的前后运动，使旋转座145只能左右运动，或在第一旋转轴141的带动下前后运动，例如，如图1和图12所示，将旋转座145的两侧面设计成平面，并与两块相互平行的连接板的内侧壁相贴合，即可限制旋转座145的前后运动，也可采取其他实施样态，所述旋转座145上设置有一个第三通孔146，所述第三通孔146的中心线与两个所述第二通孔144的中心线重合，所述旋转座145的底部设置有一螺纹孔，且通过旋转座145的底部的螺纹孔与所述大腿组件120的顶部螺纹连接；

第二旋转轴147，其穿设在两个第二通孔144和第三通孔146中，所述第二旋转轴147的外径与所述第二通孔144和所述第三通孔146的直径相等；所述旋转支架142通过所述旋转座145和所述第二旋转轴147与所述大腿组件120的顶部枢接。这样旋转座145能绕第二旋转轴147转动，从而人的大腿可带动大腿组件120沿人的左右方向运动，进而小腿组件110和足踏板100也发生相应的运动，最终实现人的腿左右方向运动。

所述的助力外骨骼装配体中，所述腰部组件130由七块一体成型的方形板132组成，相邻的两块方形板132相互垂直，位于两端的方形板132上分别设置有一个所述第一通孔131，所述旋转支架142位于腰部组件130的内侧，腰部组件130的外侧用于安装减速机、电机等，避免与人体直接接触，位于中部的一块方形板132上设置有两个系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带，以使所述腰部组件130与人体的腰部可拆卸地连接。

所述的助力外骨骼装配体中，还包括：

锁止机构150，其包括：

锁止上151，其上设置有一第四通孔155，所述锁止上151与所述大腿组件120的下部可拆卸地连接；

锁止下152，其位于所述锁止上151的下方，所述锁止下152包括：

壳体，所述壳体内部中空，所述壳体与所述小腿组件110的上部可拆卸地连接，所述壳体的顶部设置有第五通孔156；

锁止轴，其设置在所述壳体内，当所述大腿组件120和所述小腿组件110运动至竖直方向时，所述锁止轴为竖直方向，且所述锁止轴能向上或向下穿过所述第五通孔156和所述第四通孔155；

推拉式电磁铁，其与所述锁止轴连接，用于沿竖直方向推拉所述锁止轴，所述推拉式电磁铁与控制器连接。

人在站立时，四个压力传感器和两个角度传感器感受到的压力值和角度值稳定，控制器通过分析，控制推拉式电磁铁启动，推拉式电磁铁能推动锁止轴依次穿过第五通孔156和第四通孔155，使大腿组件120和小腿组件110间不能相互转动，此时膝盖不能弯曲。当人开始走动时，四个压力传感器和两个角度传感器感受到的压力值和角度值的变化，控制器通过分析，控制推拉式电磁铁停止运行，从而向下拉动锁止轴，使锁止轴回到壳体内，这样大腿组件120和小腿组件110间能相互转动，膝盖能弯曲。设置锁止机构150能使人在站立时，将压力传递至地上，尤其在人负重较高时，对人起到支撑，从而减轻人体负荷。

所述的助力外骨骼装配体中，所述壳体包括：

壳体一153，其为凸字形，所述壳体一153与所述小腿组件110的上部可拆卸地连接，且所述壳体一153的凸出部分向外；

壳体二154，其为凹字形，所述壳体二154内部中空，所述壳体一153的突出部分插设在所述壳体二154的凹陷部分中，所述壳体二154与所述壳体一153可拆卸地连接，所述壳体二154的顶部设置有所述第五通孔156。安装时，先安装壳体一153，使壳体一153与小腿组件110的上部可拆卸地连接(例如，在壳体一153的中部或下部，以及小腿组件110的上部分别设置螺纹孔，通过拧入螺母，即可将壳体一153与小腿组件110的上部可拆卸地连接)，接着将壳体一153的突出部分插设在壳体二154的凹陷部分中，再将壳体一153与壳体二154可拆卸地连接(例如，在壳体一153与壳体二154的顶部和底部分别设置螺纹孔，通过拧入螺母，即可将壳体一153与壳体二154可拆卸地连接)，这样使得壳体一153和壳体二154方便安装和拆卸。

本发明的控制原理：

外骨骼的被动控制是相对于使用者角度而言的，即外骨骼的运动控制不考虑使用者的主观运动意图，其实质上是一种预设步态编程的控制方法。穿戴者的下肢完全按照系统设定的正常步态曲线进行运动，被动控制逻辑图，如图15所示。

外骨骼主动控制就是不需要额外的按钮或者人为辅助操作控制，仅凭穿戴者自身的身体运动意图就能控制外骨骼完成步行、上下楼梯以及蹲下起立等动作。人在运动过程中，人体重心都是在不断变化的，行走过程中重心首先从脚跟转移到前脚掌，然后从一只脚转移到另一只脚。重心变化是一种稳定可靠的信号。例如，由于重心的变化体现在地面对人体的作用力上，所以可以考虑使用足底的压力传感器来预测运动趋势，从而自助控制外骨骼的运动状态，自动控制逻辑图，如图16所示。

考虑到成本以及现阶段水平，我们结合以上两种控制逻辑，对主动控制进行部分类似被动控制的开环化处理，整体控制逻辑如下：

穿戴者→传感器→步态分类算法→运动预测器→电机启停

传感器：分别位于两个减速机的输出轴上的两个角度传感器和位于足踏板上的四个压力传感器。

步态分类算法：至少需要加入正常行走、上楼梯、下楼梯和蹲下起立四种。

运动预测器：

1、步态相位；

2、足底压力和大腿组件摆动角度；

3、时间。

考虑到该种控制逻辑在启动和停止上的缺陷，我们目前的解决方案是利用脚底压力传感器进行人为施加额外信号进行控制。可以采用跟正常运动步态不同的方式给足底压力传感器施压，例如右脚长踏，左腿后脚跟连踏两下，等等。通过不同的组合，可以人为输出很多种特殊的压力信号，即可实现多种人为命令操作。

控制的重点在对步态相位的分析，以左脚站立过程为例，左脚站立前期，左脚的后脚跟会先触地，紧接着左脚的后脚跟处压力传感器的压力信号迅速由零变大，随着左脚站立前期进入中期即整只脚触地，此时左脚的后脚跟处的压力信号会逐渐降低，然后保持在一个稳定的范围，当左脚进入站立后期即开始摆动时，左脚后脚跟处的压力信号会逐渐消失变为零，同时左脚前脚掌处的压力信号会变大，然后逐渐消失为零。左脚站立期压力变化趋势图，如图17所示。矢状面观察步态周期各时相身体位置，如图18所示。人体下肢步态分析，如表1所示。

表1人体下肢步态分析

支撑相是在步行中足与地面始终有接触的阶段，支撑相包括单支撑相和双支撑相，步行最大特点是双支撑相的双足支撑，此阶段的长短与步行速度有关。

依照图18对步态周期进行分解，从摆动初期作为起始状态：

step1：左腿保持不变，右腿弯曲抬起。

step2：左腿向后摆动，右腿向前迈出。

step3：左腿向后摆动到一个最大幅度，右腿逐渐伸直准备着地。

step4：左腿状态不变，右腿开始着地。

step5：左腿膝关节开始弯曲，右腿接近完全着地。

step6：左腿向前摆动，右腿完全着地，起支撑作用。

step7：左腿向前摆动，右腿后脚跟开始离地。

step8：左腿开始着地，右腿逐渐弯曲并抬高到只剩前脚跟着地。

现在命名左腿前脚掌处压力传感器为L1，左腿后脚跟处压力传感器为L2，右腿前脚掌处压力传感器为R1，右腿后脚跟处压力传感器为R2。每组电机正转为向前助力，每组电机反转为向后助力。角度传感器取图18上双腿之间竖直时的平面为起点，大腿组件向后运动定义为负增长，大腿组件向前运动定义为正增长。对步态周期中四个压力传感器和两个角度传感器的状态进行分析，结果如下：

step1：L1和L2数值增大，R1和R2数值逐渐下降至0，右侧角度传感器检测到角度正增长变化，此时认定为穿戴者开始准备行走。

step2：左侧角度传感器负增长，右侧角度传感器正增长，L1数值增大，L2数值减小，R1，R2数值均为0，此时控制器判断右腿向前迈出，控制器控制减速机运行，从而控制右侧电机正转(0.125s，45°)，左侧电机反转(0.125s，30°)。

step3：右侧角度传感器数值基本保持不变，左侧角度传感器数值继续负增长，L1数值达到最大值后开始减小，L2数值为0，R1，R2数值均为零。控制器控制减速机运行，从而控制左侧电机继续反转(0.125s，15°)，右侧电机不运转。

step4：左侧角度传感器数值负增长到最大值，右侧角度传感器数值开始负增长，L1数值继续减小，L2数值为零，R1数值为零，R2开始感应到数值并逐渐增大。控制器控制减速机运行，从而控制右侧电机反转(0.125s，15°)，左侧电机不运转。

step5：右侧角度感器数值继续负增长，左侧角度传感器数值开始正增长，L1数值减小到0，L2数值为零，R1开始检测到压力，R2数值增长到最大值并开始保持。控制器控制减速机运行，从而控制左侧电机正转(0.125s，15°)，右侧电机反转(0.125s，30°)。

step6：左侧角度传感器数值继续正增长，右侧角度传感器数值负增长，L1，L2数值均为0，R1数值开始增大，R2数值开始减小，控制器控制减速机运行，从而控制左侧电机开始正转(0.125s，45°)，右侧电机不运转。

step7：左侧角度传感器数值正增长到最大值，右侧角度传感器数值继续负增长，L1数据为0，L2开始检测到数据并开始增大，R1数值保持不变，R2数值减小到0，控制器控制减速机运行，从而控制左侧电机反转(0.125s，30°)，右侧电机保持不变。

step8：左侧角度传感器数值开始负增长，右侧角度传感器数值开始正增长，L1开始检测到数据并且逐渐增大，L2数值达到最大值，R1数值减小到0，R2数值为0，控制器控制减速机运行，从而控制左侧电机反转(0.125s，15°)，右侧电机正转(0.125s，45°)。

以上为步行的一个全过程左右腿运动状态分析，以及四个压力传感器、两个角度传感器和电机运转分析。Step1-step8中左侧电机正、反转和右侧电机正、反转，以及其他运动状态下的电机转动的角度和时间，在具体使用过程中，也可以有别的实施样态。

依据以上分析方法，可以依次对上下楼梯和蹲下起立，以及其他运动状态的全过程进行拆解分析。

各种运动状态的控制原理相同，即四个压力传感器和两个角度传感器分别感受到左右两侧前脚掌和后脚跟处的压力，同时两个角度传感器感受到大腿组件角度的变化，压力传感器和角度传感器将四组压力值和两组角度值不间断地传递给控制器，控制器通过分析短时间内压力和角度的变化，确定人所处的运动状态，并控制减速机运行，从而控制左侧电机和右侧电机运行，最终发生一系列连锁运动。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种助力外骨骼装配体，其特征在于，包括：

一对足踏板，其左右对称设置，所述足踏板上与人体的前脚掌和后脚跟相对的位置处各设置有一压力传感器，所述足踏板与人体的脚部可拆卸地连接；

一对支撑块，其左右对称设置，所述支撑块与所述足踏板的外侧可拆卸地连接，所述支撑块上设置有一螺纹孔；

一对杆端关节轴承，其左右对称设置，杆端关节轴承的内圈与支撑块上的螺纹孔螺纹连接，且当一对足踏板运动至水平方向时，两个杆端关节轴承的内圈运动至水平方向，并在一条直线上；

两组腿部组件，其左右对称设置，所述腿部组件包括：

小腿调节螺杆，其两端设置有外螺纹，所述小腿调节螺杆的一端与杆端关节轴承的外圈螺纹连接；

小腿组件，其为一伸缩杆，所述小腿组件的底部设置有一螺纹孔，且通过该螺纹孔与所述小腿调节螺杆的另一端螺纹连接，所述小腿组件与所述小腿调节螺杆在一条直线上；

大腿组件，其为一伸缩杆，所述大腿组件的底部与所述小腿组件的顶部枢接，所述大腿组件带动所述小腿组件前后摆动；

腰部组件，其环人体的腰部设置，所述腰部组件上与人体的髋关节相对的位置处分别设置有一第一通孔，所述腰部组件与人体的腰部可拆卸地连接；

两组髋关节组件，其左右对称设置，所述髋关节组件包括：

第一旋转轴，其与所述第一通孔相配，所述第一旋转轴插入所述第一通孔中；

旋转支架，其与所述第一旋转轴固定连接，所述旋转支架与所述大腿组件的顶部枢接，以使所述大腿组件能左右摆动；

两组电机，其分别与两根第一旋转轴连接，用于驱动两根第一旋转轴旋转，以带动旋转支架和大腿组件前后摆动；

两组减速机，其分别与两组电机连接，两组减速机的输出轴上分别设置有一角度传感器；

控制器，其与四个压力传感器、两个角度传感器和两组减速机均连接，所述控制器设置为：接收四个压力传感器和两个角度传感器的信号，并控制两组减速机的运行；

其中，所述足踏板与人体的脚部可拆卸地连接的具体方式为：

所述足踏板的内侧和外侧分别设置有一卡扣，所述卡扣与所述足踏板可拆卸地连接，所述卡扣上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带；

所述小腿组件包括：

小腿下，所述小腿下的下部为圆柱体形，所述小腿下的上部沿竖直方向设置有第一齿条，所述小腿下的底部设置有一螺纹孔，且通过该螺纹孔与所述小腿调节螺杆的另一端螺纹连接；

小腿上，所述小腿上的中部为圆柱体形，所述小腿上的下部沿竖直方向设置有第二齿条，所述第二齿条与所述第一齿条相配，所述第二齿条上的齿选择性地与不同的第一齿条上的齿相啮合，使小腿组件具有不同的长度，以形成伸缩杆，所述小腿上的顶部与所述大腿组件的底部枢接；

小腿调节套筒，其与所述第一齿条和所述第二齿条相啮合的部位的外部曲面相贴合，以固定所述小腿下和小腿上。

2.如权利要求1所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，所述小腿下的下部和所述小腿上的中部的外径与所述小腿调节套筒的内径相等；所述小腿调节套筒上套设有一蝶形螺母，该蝶形螺母上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。

3.如权利要求1所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，所述大腿组件包括：

大腿下，所述大腿下的底部与所述小腿组件的顶部枢接，所述大腿下的中部为圆柱体形，所述大腿下的上部沿竖直方向设置有第三齿条；

大腿上，所述大腿上的中部为圆柱体形，所述大腿上的下部沿竖直方向设置有第四齿条，所述第四齿条与所述第三齿条相配，所述第四齿条选择性地与不同的第三齿条上的齿相啮合，使大腿组件具有不同的长度，以形成伸缩杆，所述大腿上的顶部与所述旋转支架枢接；

大腿调节套筒，其与所述第三齿条和所述第四齿条相啮合的部位的外部曲线相贴合，以固定所述大腿上和大腿下。

4.如权利要求3所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，所述大腿下的中部和所述大腿上的中部的外径与所述大腿调节套筒的内径相等；所述大腿调节套筒上套设有一蝶形螺母，该蝶形螺母上设置有系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带。

5.如权利要求1所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，所述旋转支架包括：

旋转支架本体，其包括三块一体成型的连接板，其中两块连接板相互平行，另一块连接板设置在两块相互平行的连接板之间，且与两块相互平行的连接板固定并垂直连接，位于中部的连接板的外侧壁上设置有所述第一旋转轴，所述旋转支架本体与所述第一旋转轴一体成型，相互平行的两块连接板上分别设置有一个第二通孔，两个所述第二通孔相对设置；

旋转座，其插设在两块相互平行的连接板之间，且由两块相互平行的连接板限制所述旋转座的前后运动，所述旋转座上设置有一个第三通孔，所述第三通孔的中心线与两个所述第二通孔的中心线重合，所述旋转座的底部设置有一螺纹孔，且通过该螺纹孔与所述大腿组件的顶部螺纹连接；

第二旋转轴，其穿设在两个第二通孔和第三通孔中，所述第二旋转轴的外径与所述第二通孔和所述第三通孔的直径相等；所述旋转支架通过所述旋转座和所述第二旋转轴与所述大腿组件的顶部枢接。

6.如权利要求5所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，所述腰部组件由七块一体成型的方形板组成，相邻的两块方形板相互垂直，位于两端的方形板上分别设置有一个所述第一通孔，所述旋转支架位于腰部组件的内侧，位于中部的一块方形板上设置有两个系带孔，该系带孔中穿设有纤维绑带，以使所述腰部组件与人体的腰部可拆卸地连接。

7.如权利要求1所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，还包括：

锁止机构，其包括：

锁止上，其上设置有一第四通孔，所述锁止上与所述大腿组件的下部可拆卸地连接；

锁止下，其位于所述锁止上的下方，所述锁止下包括：

壳体，所述壳体内部中空，所述壳体与所述小腿组件的上部可拆卸地连接，所述壳体的顶部设置有第五通孔；

锁止轴，其设置在所述壳体内，当所述大腿组件和所述小腿组件运动至竖直方向时，所述锁止轴为竖直方向，且所述锁止轴能向上或向下穿过所述第五通孔和所述第四通孔；

推拉式电磁铁，其与所述锁止轴连接，用于沿竖直方向推拉所述锁止轴，所述推拉式电磁铁与控制器连接。

8.如权利要求7所述的助力外骨骼装配体，其特征在于，所述壳体包括：

壳体一，其为凸字形，所述壳体一与所述小腿组件的上部可拆卸地连接，且所述壳体一的凸出部分向外；

壳体二，其为凹字形，所述壳体二内部中空，所述壳体一的突出部分插设在所述壳体二的凹陷部分中，所述壳体二与所述壳体一可拆卸地连接，所述壳体二的顶部设置有所述第五通孔。