CN105943316B - 一种具有回力结构的人体下肢外骨骼 - Google Patents

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Abstract

一种具有回力结构的人体下肢外骨骼，属于涉及人体仿生外骨骼技术领域。本发明通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，在腰部、髋关节、大腿、小腿以及脚踝部位分别增加回力结构，使得基于本发明提供的具有回力结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感。本发明可广泛用于各种“助力”、“助残”、“健康矫正”领域。

Description

一种具有回力结构的人体下肢外骨骼
技术领域
本发明涉及人体仿生外骨骼技术领域，具体涉及人体下肢外骨骼。
背景技术
外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。人体外骨骼也称机器人外骨骼，是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”。外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为的人提供一种可穿戴的机械结构的综合技术。
人体外骨骼的研究最早起源于军事应用中的单兵负重需求，即助力方面的需求。随着科技进步和人民生活水平的提高，各种“助力”、“助残”、“健康矫正”的人体外骨骼研究开始兴起。
从功能上区分，人体外骨骼主要涉及“助力”、“助残”、“健康矫正”等几大类型；从有无动力上区分，主要分为“主动型”人体外骨骼(这种机器人能够为穿戴者提供行走的动力)和“被动型”人体外骨骼(这种机器人不能够为穿戴者提供行走的动力，其动作被动跟随人的动作而动作)。
人体下肢外骨骼，通常包括用于人体下肢运动的仿形机械结构和用于将仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件。其中，用于人体下肢运动的仿形机械结构包括下肢结构和髋部结构。所述下肢结构包括左腿结构与右腿结构，所述左腿结构与右腿结构均包括仿人体大腿结构、小腿结构和足部结构，所述大腿结构与小腿结构通过膝关节转轴相连，所述小腿结构与足部结构通过踝关节转轴相连；所述髋部结构与左腿结构、右腿结构分别通过髋关节转轴相连。所述耦合组件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件、足部耦合部件。
现有的人体下肢外骨骼在个关节部位通常采用转轴连接结构，这在主动型下肢外骨骼中更加灵活，但如果被动型下肢外骨骼依然采用这样的结构，则会给穿戴者加重负荷；另外，现有的人体下肢外骨骼在关节缓冲方面也有待于改进。
发明内容
本发明提供一种具有回力结构的人体下肢外骨骼，通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，增加回力结构，使得基于本发明提供的具有回力结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感。
本发明的技术方案是：
一种具有回力结构的人体下肢外骨骼，包括人体下肢仿形机械结构和用于将人体下肢仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件；所述人体下肢仿形机械结构包括下肢仿形结构和髋部仿形结构；所述下肢仿形结构包括左腿仿形结构与右腿仿形结构，所述左腿仿形结构与右腿仿形结构均包括大腿仿形结构、小腿仿形结构和足部仿形结构；所述大腿仿形结构与小腿仿形结构通过膝关节转轴相连，所述小腿仿形结构与足部仿形结构通过踝关节转轴相连；所述髋部仿形结构与左腿仿形结构、右腿仿形结构分别通过左、右髋关节转轴相连；所述耦合组件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件和足部耦合部件。其中所述左、右髋关节转轴中分别设置有一个髋关节外摆回力弹簧028；所述踝关节转轴中设置有脚踝回力弹簧041。
所述髋部仿形结构为左右对称结构；左髋部仿形结构由左背部连接板020、左背部伸缩件025、左侧过渡连接板019和左侧前连接板018顺序连接而成，右髋部仿形结构由右背部连接板001、右背部伸缩件021、右侧过渡连接板002和右侧前连接板003顺序连接而成；左背部连接板020与右背部连接板001之间以转轴方式连接，且左背部连接板020与右背部连接板001之间的转轴中设置有背部上侧回力弹簧026和背部下侧回力弹簧023，使得左、右背部连接板020、001之间具有沿转轴在前后方向上具有相应的自由度和回力功能；其中左、右背部伸缩件025、021能够根据人体腰部宽度分别与左背部连接板020和右背部连接板001进行伸缩调节；左、右侧过渡连接板019、002分别与左、右侧前连接板018、003之间通过转轴方式连接，使得下肢仿形结构沿转轴在左右方向上具有相应的自由度；左、右侧前连接板018、003分别与左、右侧大腿仿形结构通过左、右髋关节转轴连接。
所述左、右髋关节转轴分别包括左、右髋关节滑移支撑件024、022，左、右髋部旋转轴结构件017、004；其中左、右髋关节滑移支撑件024、022分别与左、右侧前连接板018、003通过卡槽方式固定；左、右髋部旋转轴结构件017、004一端分别伸入左、右髋关节滑移支撑件024、022的圆柱形腔体中并通过端盖27螺纹固定，左、右髋部旋转轴结构件017、004的另一端分别与左、右侧大腿仿形结构以转轴方式连接，且分别具有一个大腿前后摆动幅度限位块029，使得腿部以下部位具有相应前后摆动的自由度；在左、右髋关节滑移支撑件024、022与左、右髋部旋转轴结构件017、004之间设置有髋关节外摆回力弹簧028，使得腿部以下部位具有相应左右摆动的自由度和回力功能。
所述左、右侧大腿仿形结构包括左、右大腿伸缩套件016、005，左、右大腿杆件015、006；其中，左、右大腿杆件015、006上部具有一个大腿弹簧限位环031，左、右大腿杆件015、006位于大腿弹簧限位环031以上的部分分别套一个大腿回力弹簧030后伸入左、右大腿伸缩套件016、005中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能。
所述左、右侧小腿仿形结构包括左、右小腿伸缩套件014、007，左、右小腿杆件013、008；其中，左、右小腿杆件013、008上部具有一个小腿弹簧限位环033，左、右小腿杆件013、008位于小腿弹簧限位环033以上的部分分别套一个小腿回力弹簧032后伸入左、右小腿伸缩套件014、007中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能；其中，左、右小腿伸缩套件014、007与左、右大腿杆件015、006之间以转轴方式连接。
所述足部仿形结构包括左、右踝关节底座038与分别固定于左、右踝关节底座038侧面的左、右脚底板012、009；所述左、右踝关节底座038上分别具有一个左、右踝关节转轴安装工位；所述左、右踝关节转轴034上部与左、右小腿杆件013、008之间采用踝关节连接销钉040以旋转轴方式连接且设置有脚踝回力弹簧041，使得足部仿形结构前后行走时具有相应的自由度和回力功能；所述左、右踝关节转轴034下部分别伸入左、右踝关节底座038的安装工位并采用脚踝旋转轴链接销钉039固定。
本发明的有益效果是：本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼，通过改进现有人体下肢外骨骼的关节转轴结构，在腰部、髋关节、大腿、小腿以及脚踝部位分别增加回力结构，使得基于本发明提供的具有回力结构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负荷和增加穿戴者的舒适感。本发明可广泛用于各种“助力”、“助残”、“健康矫正”领域。
附图说明
图1是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼整体结构示意图。
图2是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼髋部仿形结构示意图。
图3是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼髋关节转轴结构示意图(正视图)。
图4是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼髋关节转轴结构示意图(侧视图)。
图5是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼大腿仿形结构示意图。
图6是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼小腿仿形结构示意图。
图7是本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼足部仿形结构及踝关节转轴结构示意图。
图1至图7中附图标记：右背部连接板001、右侧过渡连接板002、右侧前连接板003、右髋部旋转轴结构004、右大腿伸缩套件005、右大腿杆件006、右小腿伸缩套件007、右小腿杆件008、右脚底板009、右背部耦合压块010、左背部耦合压块011、左脚底板012、左小腿杆件013、左小腿伸缩套件014、左大腿杆件015、左大腿伸缩套件016、左髋部旋转轴结构017、左侧前连接板018、左侧过渡连接板019、左背部连接板020、右背部伸缩件021、右髋关节滑移支撑件022、背部下侧回力弹簧023、左髋关节滑移支撑件024、左背部伸缩件025、背部上侧回力弹簧026、端盖027、髋关节外摆回力弹簧028、髋关节摆动限位滑块029、大腿回力弹簧030、大腿弹簧限位环031、小腿回力弹簧032、小腿弹簧限位环033、踝关节旋转轴034、踝关节垫片035、脚跟部位的鞋帮耦合部件036、脚掌部位的鞋帮耦合部件037、踝关节底座038、脚踝旋转轴链接销钉039、踝关节连接销钉040、脚踝回力弹簧041。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种具有回力结构的人体下肢外骨骼，包括人体下肢仿形机械结构和用于将人体下肢仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件；所述人体下肢仿形机械结构包括下肢仿形结构和髋部仿形结构；所述下肢仿形结构包括左腿仿形结构与右腿仿形结构，所述左腿仿形结构与右腿仿形结构均包括大腿仿形结构、小腿仿形结构和足部仿形结构；所述大腿仿形结构与小腿仿形结构通过膝关节转轴相连，所述小腿仿形结构与足部仿形结构通过踝关节转轴相连；所述髋部仿形结构与左腿仿形结构、右腿仿形结构分别通过左、右髋关节转轴相连；所述耦合组件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件和足部耦合部件。其中所述左、右髋关节转轴中分别设置有一个髋关节外摆回力弹簧；所述踝关节转轴中设置有脚踝回力弹簧。
如图2所示，本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼中，所述髋部仿形结构为左右对称结构；左髋部仿形结构由左背部连接板020、左背部伸缩件025、左侧过渡连接板019和左侧前连接板018顺序连接而成，右髋部仿形结构由右背部连接板001、右背部伸缩件021、右侧过渡连接板002和右侧前连接板003顺序连接而成；左背部连接板020与右背部连接板001之间以转轴方式连接，且左背部连接板020与右背部连接板001之间的转轴中设置有背部上侧回力弹簧026和背部下侧回力弹簧023，使得左、右背部连接板020、001之间具有沿转轴在前后方向上具有相应的自由度和回力功能；其中左、右背部伸缩件025、021能够根据人体腰部宽度分别与左背部连接板020和右背部连接板001进行伸缩调节；左、右侧过渡连接板019、002分别与左、右侧前连接板018、003之间通过转轴方式连接，使得下肢仿形结构沿转轴在左右方向上具有相应的自由度；左、右侧前连接板018、003分别与左、右侧大腿仿形结构通过左、右髋关节转轴连接。
如图3、4所示，本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼中，所述左、右髋关节转轴分别包括左、右髋关节滑移支撑件024、022，左、右髋部旋转轴结构件017、004；其中左、右髋关节滑移支撑件024、022分别与左、右侧前连接板018、003通过卡槽方式固定；左、右髋部旋转轴结构件017、004一端分别伸入左、右髋关节滑移支撑件024、022的圆柱形腔体中并通过端盖27螺纹固定，左、右髋部旋转轴结构件017、004的另一端分别与左、右侧大腿仿形结构以转轴方式连接，且分别具有一个大腿前后摆动幅度限位块029，使得腿部以下部位具有相应前后摆动的自由度；在左、右髋关节滑移支撑件024、022与左、右髋部旋转轴结构件017、004之间设置有髋关节外摆回力弹簧028，使得腿部以下部位具有相应左右摆动的自由度和回力功能。
如图5所示，本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼中，所述左、右侧大腿仿形结构包括左、右大腿伸缩套件016、005，左、右大腿杆件015、006；其中，左、右大腿杆件015、006上部具有一个大腿弹簧限位环031，左、右大腿杆件015、006位于大腿弹簧限位环031以上的部分分别套一个大腿回力弹簧030后伸入左、右大腿伸缩套件016、005中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能。
如图6所示，本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼中，所述左、右侧小腿仿形结构包括左、右小腿伸缩套件014、007，左、右小腿杆件013、008；其中，左、右小腿杆件013、008上部具有一个小腿弹簧限位环033，左、右小腿杆件013、008位于小腿弹簧限位环033以上的部分分别套一个小腿回力弹簧032后伸入左、右小腿伸缩套件014、007中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能；其中，左、右小腿伸缩套件014、007与左、右大腿杆件015、006之间以转轴方式连接。
如图7所示，本发明提供的具有回力结构的人体下肢外骨骼中，所述足部仿形结构包括左、右踝关节底座038与分别固定于左、右踝关节底座038侧面的左、右脚底板012、009；所述左、右踝关节底座038上分别具有一个左、右踝关节转轴安装工位；所述左、右踝关节转轴034上部与左、右小腿杆件013、008之间采用踝关节连接销钉040以旋转轴方式连接且设置有脚踝回力弹簧041，使得足部仿形结构前后行走时具有相应的自由度和回力功能；所述左、右踝关节转轴034下部分别伸入左、右踝关节底座038的安装工位并采用脚踝旋转轴链接销钉039固定。
此外，所述腰部耦合部件为两段腰带，两段腰带的一端分别通过左、右背部耦合压块011、010分别固定于左、右背部连接板020、001上；所述足部耦合部件包括分别设置于左、右脚底板012、009脚跟部位的鞋帮耦合部件036和脚掌部位的鞋帮耦合部件037。

Claims (7)

1.一种具有回力结构的人体下肢外骨骼，包括人体下肢仿形机械结构和用于将人体下肢仿形机械结构与人体耦合在一起的耦合组件；所述人体下肢仿形机械结构包括下肢仿形结构和髋部仿形结构；所述下肢仿形结构包括左腿仿形结构与右腿仿形结构，所述左腿仿形结构与右腿仿形结构均包括大腿仿形结构、小腿仿形结构和足部仿形结构；所述大腿仿形结构与小腿仿形结构通过膝关节转轴相连，所述小腿仿形结构与足部仿形结构通过踝关节转轴相连；所述髋部仿形结构与左腿仿形结构、右腿仿形结构分别通过左、右髋关节转轴相连；所述耦合组件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件和足部耦合部件；其中所述左、右髋关节转轴中分别设置有一个髋关节外摆回力弹簧(028)；所述踝关节转轴中设置有脚踝回力弹簧(041)；
其特征在于：所述髋部仿形结构为左右对称结构；左髋部仿形结构由左背部连接板(020)、左背部伸缩件(025)、左侧过渡连接板(019)和左侧前连接板(018)顺序连接而成，右髋部仿形结构由右背部连接板(001)、右背部伸缩件(021)、右侧过渡连接板(002)和右侧前连接板(003)顺序连接而成；左背部连接板(020)与右背部连接板(001)之间以转轴方式连接，且左背部连接板(020)与右背部连接板(001)之间的转轴中设置有背部上侧回力弹簧(026)和背部下侧回力弹簧(023)，使得左、右背部连接板(020、001)之间具有沿转轴在前后方向上具有相应的自由度和回力功能；其中左、右背部伸缩件(025、021)能够根据人体腰部宽度分别与左背部连接板(020)和右背部连接板(001)进行伸缩调节；左、右侧过渡连接板(019、002)分别与左、右侧前连接板(018、003)之间通过转轴方式连接，使得下肢仿形结构沿转轴在左右方向上具有相应的自由度；左、右侧前连接板(018、003)分别与左、右侧大腿仿形结构通过左、右髋关节转轴连接。
2.根据权利要求1所述的具有回力结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述左、右髋关节转轴分别包括左、右髋关节滑移支撑件(024、022)，左、右髋部旋转轴结构件(017、004)；其中左、右髋关节滑移支撑件(024、022)分别与左、右侧前连接板(018、003)通过卡槽方式固定；左、右髋部旋转轴结构件(017、004)一端分别伸入左、右髋关节滑移支撑件(024、022)的圆柱形腔体中并通过端盖(27)螺纹固定，左、右髋部旋转轴结构件(017、004)的另一端分别与左、右侧大腿仿形结构以转轴方式连接，且分别具有一个大腿前后摆动幅度限位块(029)，使得腿部以下部位具有相应前后摆动的自由度；在左、右髋关节滑移支撑件(024、022)与左、右髋部旋转轴结构件(017、004)之间设置有髋关节外摆回力弹簧(028)，使得腿部以下部位具有相应左右摆动的自由度和回力功能。
3.根据权利要求1或2所述的具有回力结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述左、右侧大腿仿形结构包括左、右大腿伸缩套件(016、005)，左、右大腿杆件(015、006)；其中，左、右大腿杆件(015、006)上部具有一个大腿弹簧限位环(031)，左、右大腿杆件(015、006)位于大腿弹簧限位环(031)以上的部分分别套一个大腿回力弹簧(030)后伸入左、右大腿伸缩套件(016、005)中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能。
4.根据权利要求1或2所述的具有回力结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述左、右侧小腿仿形结构包括左、右小腿伸缩套件(014、007)，左、右小腿杆件(013、008)；其中，左、右小腿杆件(013、008)上部具有一个小腿弹簧限位环(033)，左、右小腿杆件(013、008)位于小腿弹簧限位环(033)以上的部分分别套一个小腿回力弹簧(032)后伸入左、右小腿伸缩套件(014、007)中，使得整体人体下肢外骨骼具有相应上下缓冲重力的自由度和回力功能；其中，左、右小腿伸缩套件(014、007)与左、右大腿杆件(015、006)之间以转轴方式连接。
5.根据权利要求1或2所述的具有回力结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述足部仿形结构包括左、右踝关节底座(038)与分别固定于左、右踝关节底座(038)侧面的左、右脚底板(012、009)；所述左、右踝关节底座(038)上分别具有一个左、右踝关节转轴安装工位；所述左、右踝关节转轴(034)上部与左、右小腿杆件(013、008)之间采用踝关节连接销钉(040)以旋转轴方式连接且设置有脚踝回力弹簧(041)，使得足部仿形结构前后行走时具有相应的自由度和回力功能；所述左、右踝关节转轴(034)下部分别伸入左、右踝关节底座(038)的安装工位并采用脚踝旋转轴链接销钉(039)固定。
6.根据权利要求2所述的具有回力结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述腰部耦合部件为两段腰带，两段腰带的一端分别通过左、右背部耦合压块(011、010)分别固定于左、右背部连接板(020、001)上。
7.根据权利要求5所述的具有回力结构的人体下肢外骨骼，其特征在于：所述足部耦合部件包括分别设置于左、右脚底板(012、009)脚跟部位的鞋帮耦合部件(036)和脚掌部位的鞋帮耦合部件(037)。
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