CN108992313B - 一种软性下肢助力外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种软性下肢助力外骨骼，包括腰部穿戴服、腿部穿戴服、脚部穿戴服、绑带、控制装置、电源装置、传动装置和检测装置；所述控制装置包括电机单元和主动轮，所述脚部穿戴服包括脚面穿戴服和脚踝穿戴服，所述传动装置包括第一传动部和第二传动部。本发明的所述第一传动部与所述脚面穿戴服固定连接，所述第二传动部与所述脚踝穿戴服固定连接，所述电机单元收进所述第一传动部的同时能够放出所述第二传动部，辅助脚踝关节的背屈运动；所述电机单元放出所述第一传动部的同时能够收进所述第二传动部，辅助脚踝关节的跖屈运动，避免了现有技术中的软性下肢外骨骼无法有效满足患有足部偏瘫或足部功能损伤的使用者的助力需求问题。

Description

一种软性下肢助力外骨骼
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种软性下肢助力外骨骼。
背景技术
软性下肢助力外骨骼是针对下肢运动功能障碍人群而设计的可穿戴式助力装置，可矫正和改善异常步态，较好地实现与人体运动的匹配。其中，传动装置的主要任务是执行下肢助力外骨骼下达的操作指令，辅助下肢运动，实现人体的正常行走。由于下肢行走是连贯性的复杂周期动作，涉及髋关节、大腿部、小腿部、踝关节和足部等多个人体部位的联动，传动装置在这一过程中应能够对下肢步态进行实时监测，进而对人体关键部位或关节施加合理辅力，同时根据下肢运动及时调整辅力，以保障人体下肢的安全活动。
现有技术通常将传动装置与下肢穿戴装置结合，针对特定部位或关节进行牵引辅助，以实现人体的正常行走。例如公开号为CN106726359A的中国发明专利申请揭示了一种柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其通过驱动装置对牵引带施加辅力，进而实现相应侧的踝关节背屈运动，能够有效避免脚尖拖地引发的摔倒。然而，在人体运动力学的数据中，以体重79KG，身高175cm的男性为例，脚踝关节实现跖屈需要的力矩最高可达1867N，而脚踝关节背屈运动需要的最大力矩仅为67N，可见脚踝关节的跖屈运动对正常行走非常重要，上述发明专利申请的外骨骼装置无法有效助力脚踝关节的跖屈运动。
公开号为CN107259661A的中国发明专利申请揭示了一种穿戴式下肢柔性助力外衣，其通过鲍登线单元辅助髋关节的前屈运动和踝关节的跖屈运动，实现对下肢行走过程的助力。然而，该发明专利申请中采用包括丝杠电机的驱动机构来带动鲍登线单元运动，驱动机构体积和重量较大，使用者的负荷较重，且无法辅助脚踝关节的背屈运动，针对脚踝功能弱化的使用者而言，容易产生助力效果不佳的问题。
因此，有必要开发一种新型的软性下肢助力外骨骼，以解决现有技术中的柔性可穿戴装置对脚踝功能弱化的使用者助力效果不佳的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软性下肢助力外骨骼，通过第一传动部辅助脚踝关节的背屈运动，第二传动部辅助脚踝关节的跖屈运动，避免了现有技术的柔性下肢外骨骼对脚踝功能弱化的使用者助力效果不佳的问题。
为实现上述目的，本发明的所述软性下肢助力外骨骼，包括腰部穿戴服、腿部穿戴服、脚部穿戴服、绑带、控制装置、电源装置、传动装置和检测装置，所述控制装置通过所述绑带穿戴在使用者的后腰部，所述电源装置通过所述绑带穿戴在使用者的腹部，所述传动装置的近端固定在所述控制装置内部，所述传动装置的远端与所述脚部穿戴服固定连接，所述检测装置用于获取使用者的步态信息，所述控制装置包括处理单元和驱动单元，所述处理单元用于根据所述步态信息向所述驱动单元发送运动指令。其中，所述驱动单元包括电机单元和主动轮，所述脚部穿戴服包括脚面穿戴服和脚踝穿戴服，所述传动装置包括第一传动部和第二传动部；所述电机单元用于带动所述主动轮顺时针旋转或逆时针旋转；所述第一传动部的远端与所述脚面穿戴服固定连接，所述第一传动部的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第一传动部的一部分沿所述主动轮的外径逆时针旋绕；所述第二传动部的远端与所述脚踝穿戴服固定连接，所述第二传动部的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第二传动部的一部分沿所述主动轮的外径顺时针旋绕。
本发明所述软性下肢助力外骨骼的有益效果在于：对于脚踝关节功能弱化的使用者来说，以脚跟为定点，脚尖抬起的时刻以及以足尖为定点，脚跟抬起的时刻均需要下肢穿戴装置来辅助脚踝关节使力，以实现脚踝关节的背屈运动和跖屈运动。所述软性下肢助力外骨骼设置有远端与所述脚面穿戴服固定连接的所述第一传动部以及远端与所述脚踝穿戴服固定连接的所述第二传动部，所述第一传动部的一端和所述第二传动部的一端均固定在所述主动轮上，并沿相反方向旋绕，使得所述电机单元带动所述主动轮顺时针旋转时能够在收进所述第一传动部的同时放出所述第二传动部，以辅助脚踝关节的背屈运动；另一方面，所述电机单元带动所述主动轮逆时针旋转时能够在放出所述第一传动部的同时收进所述第二传动部，以辅助脚踝关节的跖屈运动，避免了现有技术中的柔性下肢外骨骼无法有效满足患有足部偏瘫或足部功能损伤的使用者的助力需求问题。
优选的，所述第一传动部包括第一鲍登线、第一近端安装部和第一远端连接部，所述第一鲍登线包括第一内线和套在所述第一内线外部的第一外管，所述第一外管的近端通过所述第一近端安装部与所述控制装置固定连接，所述第一内线的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第一内线的一部分沿所述主动轮的外径逆时针旋绕，所述第一内线的一部分从所述第一外管的远端延伸出来以形成第一延伸部，所述第一延伸部的远端通过所述第一远端连接部与所述脚面穿戴服固定连接。其有益效果在于：所述电机单元带动所述主动轮进行顺时针或逆时针旋转，通过改变所述第一延伸部的长度实时调整了所述第一内线对所述脚面穿戴服拉力的大小，有效辅助了脚踝关节的背屈运动。
优选的，所述第二传动部包括第二鲍登线、第二近端安装部和第二远端连接部，所述第二鲍登线包括第二内线和套在所述第二内线外部的第二外管，所述第二外管的近端通过所述第二近端安装部与所述控制装置固定连接，所述第二内线的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第二内线的一部分沿所述主动轮的外径顺时针旋绕，所述第二内线的一部分从所述第二外管的远端延伸出来以形成第二延伸部，所述第二延伸部的远端通过所述第二远端连接部与所述脚面穿戴服固定连接。其有益效果在于：所述电机单元带动所述主动轮进行顺时针或逆时针旋转，通过改变所述第二延伸部的长度实时调整了所述第二内线对所述脚踝穿戴服拉力的大小，有效辅助了脚踝关节的跖屈运动。
进一步优选的，所述第一远端连接部包括第一过载保护装置，当所述第一内线承受的拉力大于等于第一拉力阈值，所述第一过载保护装置能够使所述第一内线无法通过所述第一远端连接部对所述脚面穿戴服产生作用，所述第一拉力阈值为50-100N。其有益效果在于：防止使用者由于所述软性下肢助力外骨骼助力不当发生摔倒等意外情况，保障使用者的安全。
进一步优选的，所述第二远端连接部包括第二过载保护装置，当所述第二内线承受的拉力大于等于第二拉力阈值，所述第二过载保护装置能够使所述第二内线无法通过所述第二远端连接部对所述脚踝穿戴服产生作用，所述第二过载保护装置与所述第一过载保护装置具有相同结构，所述第二拉力阈值为80-350N。其有益效果在于：防止使用者由于所述软性下肢助力外骨骼助力不当发生摔倒等意外情况，保障使用者的安全。
更进一步优选的，所述第一远端连接部包括钩型部，所述第一过载保护装置包括活动部、盖合部、形变部和调节部，所述钩型部的远端与所述脚面穿戴服连接，所述第一内线与所述活动部固定连接，所述盖合部与所述钩型部固定连接，所述调节部贯穿所述钩型部，所述调节部通过所述形变部将所述活动部与所述盖合部的内壁压紧，所述第一内线拉动所述活动部，所述形变部产生形变，使所述第一内线与所述钩型部脱离。其有益效果在于：所述第一过载保护装置结构简单，且所述形变部和所述调节部便于使用者根据自身情况调节适当的过载极值，防止因拉力过大造成损伤。
进一步优选的，所述第一传动部包括第一负荷传感装置，所述第一负荷传感装置固定连接在所述第一外管的远端，所述第一内线的一部分从所述第一负荷传感装置的远端延伸出来以形成所述第一延伸部。其有益效果在于：所述第一负荷传感装置安装在所述第一外管的远端且所述第一内线从所述第一负荷传感装置内部延伸出来，能够实时准确地反馈所述第一内线对所述脚面穿戴服的作用力情况。
进一步优选的，所述第一负荷传感装置获取所述第一内线的实时受力信息，并将所述实时受力信息反馈给所述处理单元，所述处理单元参考所述步态信息对所述实时受力信息进行数据处理和数据分析，向所述电机单元发送调整指令。其有益效果在于：有助于所述处理模块调节所述第一内线以适当的拉力牵引所述脚面穿戴装置，辅助穿戴者的正常行走。
进一步优选的，所述实时受力信息为所述第一内线承受的张力值大于等于第一张力阈值，所述处理单元向所述电机单元发送停止指令，所述电机单元停止运行，所述第一张力阈值为15N-80N。其有益效果在于：若所述第一内线受到的力值过大，会使脚踝关节过度背屈，影响穿戴者的正常行走，此时停止所述电机单元的运行，能够保障穿戴者的安全。
进一步优选的，所述第一张力阈值小于所述第一拉力阈值，所述第一拉力阈值与所述第一张力阈值之差为10-50N。其有益效果在于：便于所述第一负荷传感装置或所述处理单元失效时，通过所述第一过载保护装置也能对穿戴者提供保护。
优选的，所述第二传动部包括第二负荷传感装置，所述第二负荷传感装置固定连接在所述第二外管的远端，所述第二内线的一部分从所述第二负荷传感装置内部延伸出来以形成所述第二延伸部。其有益效果在于：所述第二负荷传感装置安装在所述第二外管的远端且所述第二内线从所述第二负荷传感装置内部延伸出来，能够实时准确地反馈所述第二内线对所述脚踝穿戴服的作用力情况。
进一步优选的，所述第二负荷传感装置获取所述第二内线的实时受力信息，并将所述实时受力信息反馈给所述处理单元，所述处理单元参考所述步态信息对所述实时受力信息进行数据处理和数据分析后，向所述电机单元发送调整指令，所述第二负荷传感装置的结构与所述第一负荷传感装置的结构相同。其有益效果在于：有助于所述处理模块调节所述第二内线以适当的拉力牵引所述脚踝穿戴装置，辅助穿戴者的正常行走。
进一步优选的，所述实时受力信息为所述第二内线承受的张力值大于等于第二张力阈值，所述处理单元向所述电机单元发送停止指令，所述电机单元停止运行，所述第二张力阈值为50N-300N。其有益效果在于：若所述第二内线受到的力值过大，会使脚踝关节过度跖屈，影响穿戴者的正常行走，此时停止所述电机单元的运行，能够保障穿戴者的安全。
进一步优选的，所述第二张力阈值小于所述第二拉力阈值，所述第二拉力阈值与所述第二张力阈值之差为10-50N。其有益效果在于：便于所述第二负荷传感装置或所述处理单元失效时，通过所述第二过载保护装置也能对穿戴者提供保护。
进一步优选的，所述第一负荷传感装置包括负荷传感器、传感器安装部和固定部，所述负荷传感器固定连接在所述传感器安装部的内部，所述传感器安装部固定连接在所述固定部的内部，所述第一外管的远端与所述固定部固定连接，所述第一内线的一部分依次穿过所述负荷传感器的内部、所述传感器安装部的底部以及所述固定部的底部并延伸出来以形成所述第一延伸部。其有益效果在于：所述传感器安装部和所述固定部有助于保护所述负荷传感器。
更进一步优选的，所述第一负荷传感装置包括U型部和紧固部，所述腿部穿戴服包括小腿穿戴服，所述U型部的底部与所述固定部固定连接，所述第一外管的远端穿过所述U型部的底部与所述固定部固定连接，所述紧固部通过销连接的方式将所述第一外管与所述U型部固定连接，所述U型部与所述小腿穿戴服固定连接。其有益效果在于：使得所述第一外管通过所述U型部和所述紧固部与所述小腿部穿戴装置相对固定，避免由于所述第一传动部的晃动对使用者行走过程造成的干扰，同时保证了所述负荷传感器测量的受力情况的准确性。
优选的，所述驱动单元包括位置反馈单元，所述位置反馈单元与所述电机单元联动，所述位置反馈单元用于向所述处理单元反馈所述主动轮的旋转角度信息。其有益效果在于：便于所述处理单元实时准确地通过所述驱动单元调节所述第一传动部和所述第二传动部的运动。
进一步优选的，所述位置反馈单元包括电位计和编码器，所述电机单元包括驱动器和电机，所述驱动单元包括被动轮、被动轮传动齿和传动带，所述编码器、所述电机、所述被动轮、所述被动轮传动齿、所述电位计以及所述主动轮六者之间联动，所述电位计和所述编码器用于向所述控制部反馈所述主动轮的旋转角度信息，所述处理单元对所述旋转角度信息进行数据处理和数据分析，通过所述驱动器带动所述电机运行。其有益效果在于：系列联动设置便于所述处理单元实时准确地通过所述电机单元调节所述第一传动部和所述第二传动部的运动。
优选的，所述控制装置安装在盒体中，所述盒体包括主安装座和主外壳，所述主动轮、所述主动轮传动齿、所述被动轮、所述被动轮传动齿和传送带安装在所述主安装座内部，所述电机、所述编码器和所述电位计安装在所述主外壳内部，所述主安装座的内表面设置有限位部，所述主动轮的内侧面设置有至少一个限位螺钉，所述限位部与所述限位螺钉处于同一平面，当所述主动轮的旋转角度等于角度阈值，所述限位部与所述限位螺钉接触，使所述主动轮停止旋转。其有益效果在于：避免由于所述驱动电机过度收进或放出所述第一或第二传动部对使用者正常行走造成的干扰。
优选的，所述控制装置安装在盒体中，所述盒体包括侧盖、主安装座和主外壳，所述主动轮和所述被动轮安装在所述侧盖内部，所述主动轮传动齿、所述被动轮传动齿和传送带与所述主安装座固定连接，所述电机、所述编码器和所述电位计安装在所述主外壳内部，所述主安装座设置有弹性卡座和至少两个导向柱，所述侧盖设置有卡头和至少两个导向孔，所述导向柱的位置与所述导向孔的位置对应，所述导向柱和所述导向孔用于使所述主动轮与所述主动传动齿啮合，以及使所述被动轮与所述被动轮传动齿啮合，所述弹性卡座的位置与所述卡头的位置对应，所述弹性卡座和所述卡头用于使所述侧盖和所述主安装座相对固定。其有益效果在于：便于更换所述第一内线或所述第二内线。
进一步优选的，所述主安装座设置有至少一个限位部，所述主动轮的外侧面设置有至少一个限位螺钉，当所述主动轮的旋转角度等于角度阈值，所述限位部与所述限位螺钉接触，使所述主动轮停止旋转。其有益效果在于：避免由于所述驱动电机过度收进或放出所述第一或第二传动部对使用者正常行走造成的干扰。
优选的，所述检测装置包括腰部惯性传感器、小腿部惯性传感器、脚面惯性传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，所述脚部穿戴服包括脚底穿戴服，所述腰部惯性传感器固定在使用者的后腰部位，所述小腿部惯性传感器固定在所述腿部穿戴服的外侧面，所述脚面惯性传感器固定在所述脚面穿戴服的脚面部位，所述第一压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚尖位置，所述第二压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚掌位置，所述第三压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚跟位置。其有益效果在于：一方面，位于腰部、小腿部和脚面的惯性传感器实时监测使用者行走过程中的髋关节、膝关节和脚踝关节的倾角信息；另一方面，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述第三压力传感器所在的位置对压力变化的反应敏感，能够准确获取足底的压力信号，将压力信号和惯性传感器信号同时作为步态信息，能够提高步态识别的准确性和识别效率。
附图说明
图1为本发明的软性下肢助力外骨骼的穿戴示意图；
图2为本发明的驱动单元的结构爆炸图；
图3a为本发明的第一传动部的示意图；
图3b为图3a所示的第一传动部的结构爆炸图；
图4a为本发明的第一远端连接部的爆炸结构示意图；
图4b为本发明的第一远端连接部、第一内线以及脚面穿戴服之间的装配示意图；
图5a为本发明盒体的结构示意图；
图5b为本发明的主动轮在盒体上的装配示意图；
图6为本发明的侧盖的结构示意图；
图7a为本发明的主安装座的结构示意图；
图7b为图7a所示的主安装座的正视图；
图8为图6所示的卡头与图7a所示的弹性卡座的装配示意图；
图9为本发明的压力传感器组在脚底的分布示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种软性下肢助力外骨骼，包括腰部穿戴服、腿部穿戴服、脚部穿戴服、绑带、控制装置、电源装置、传动装置和检测装置，所述检测装置用于获取使用者的步态信息。所述传动装置的近端与所述控制装置固定连接，所述传动装置的远端与所述脚部穿戴服固定连接。
本发明实施例中，所述腿部穿戴服包括大腿部穿戴服和小腿部穿戴服，所述脚部穿戴服包括脚面穿戴服、脚踝穿戴服和脚底穿戴服，所述传动装置包括第一传动部和第二传动部。
本发明实施例中，所述控制装置包括处理单元和驱动单元，所述驱动单元包括电机单元和主动轮，所述处理单元用于根据所述步态信息向所述电机单元发送运动指令。
本发明实施例中，近端为靠近所述控制装置的一端，远端为远离所述控制装置的一端。
图1为本发明一些实施例的软性下肢助力外骨骼的穿戴示意图。参照图1，软性下肢助力外骨骼1包括绑带11、电源装置12、腰部穿戴服13、大腿部穿戴服14、小腿部穿戴服15、脚部穿戴服16、控制装置17、传动装置18和检测装置(图中未标示)。其中，所述脚部穿戴服16包括脚踝穿戴服161、脚底穿戴服162和脚面穿戴服163，所述传动装置18包括第一传动部181和第二传动部182。
所述控制装置17通过所述绑带11穿戴在使用者的后腰部，所述电源装置12通过所述绑带11穿戴在使用者的腹部，所述第一传动部181的远端与所述脚面穿戴服163固定连接，所述第二传动部182的远端与所述脚踝穿戴服161连接。
本发明一些实施例中，所述驱动单元包括位置反馈单元，所述位置反馈单元与所述电机单元联动，所述位置反馈单元用于向所述处理单元反馈所述主动轮的旋转角度信息。
本发明一些实施例中，所述位置反馈单元包括电位计和编码器，所述电机单元包括驱动器和电机，所述驱动单元包括被动轮和传动带，所述编码器、所述电机、所述被动轮、所述电位计以及所述主动轮五者之间联动，所述电位计和所述编码器用于向所述控制部反馈所述主动轮的旋转角度信息，所述处理单元对所述旋转角度信息进行数据处理和数据分析，通过所述驱动器带动所述电机运行。本发明另一些实施例中，所述电机为伺服电机。
图2为本发明一些实施例的驱动单元的结构爆炸图。参照图2，驱动单元2包括主动轮21、主动轮传动齿22、被动轮23、被动轮传动齿24、传动带25、伺服电机26、电位计27、编码器(图中未标示)和驱动器(图中未标示)。所述第一传动部181的近端固定在所述主动轮21的侧面，所述第一传动部181的一部分逆时针旋绕在所述主动轮21的外径上；所述第二传动部182的近端固定在所述主动轮21的侧面，所述第二传动部182的一部分顺时针旋绕在所述主动轮21的外径上。
参照图1和图2，所述伺服电机26逆时针旋转，通过所述主动轮传动齿22带动所述主动轮21逆时针旋转，所述第二传动部182沿所述主动轮21的外径进行旋绕的同时放出所述第一传动部181，所述第二传动部182向上拉扯所述脚踝穿戴服161，同时所述第一传动部181拉扯所述脚面穿戴服163的力逐渐减小，有助于使用者抬起脚跟行走。所述伺服电机26顺时针旋转，通过所述主动轮传动齿22带动所述主动轮21顺时针旋转，所述第一传动部181沿所述主动轮21的外径进行旋绕的同时放出所述第二传动部182，所述第一传动部181向上拉扯所述脚面穿戴服163，同时所述第二传动部182拉扯所述脚踝穿戴服162的力逐渐减小，有助于使用者足尖离地。
参照图1和图2，所述编码器(图中未标示)安装在所述伺服电机26的尾端，所述伺服电机26通过所述主动轮传动齿22带动所述主动轮21旋转，所述主动轮21通过所述传动带25带动所述被动轮23旋转，所述被动轮23通过所述被动轮传动齿24带动所述电位计27旋转。
本发明一些实施例中，所述驱动单元包括主动轮固定片和被动轮固定片。所述主动轮固定片将所述主动轮固定在所述主动传动齿上，防止所述主动轮轴向脱离；所述被动轮固定片将所述被动轮固定在所述被动传动齿上，防止所述被动轮轴向脱离。
本发明一些实施例中，所述第一传动部包括第一鲍登线和第一远端连接部，所述第一鲍登线包括第一内线单元和第一外管单元，所述第一外管单元套在所述第一内线单元外部，所述第一内线单元能够相对所述第一外管单元自由滑动。所述第一外管单元的近端与所述控制装置固定连接，所述第一内线单元的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第一内线单元的一部分沿所述主动轮的外径逆时针旋绕，所述第一内线单元的一部分从所述第一外管单元的远端延伸出来以形成第一延伸部，所述第一延伸部的远端通过所述第一远端连接部与所述脚面穿戴服固定连接。
图3a为所述第一传动部的结构示意图，图3b为图3a所示的第一传动部的结构爆炸图。
参照图1、图3a和图3b，第一传动部3包括第一内线单元31、第一外管单元32和第一远端连接部34。其中，所述第一内线单元31包括第一内线固定头311和第一内线312，所述第一外管单元包括第一外管固定头321和第二外管322。所述第一外管322套在所述第一内线312外部，所述第一内线312能够相对所述第一外管322自由滑动。所述第一外管固定头321与所述第一外管322的近端固定连接，所述第一外管固定头321与所述控制装置17固定连接，所述第一内线312的远端从所述第一外管322的远端延伸出来，所述第一内线312的远端通过所述第一远端连接部34与所述脚面穿戴服163连接。
参照图2和图3a，所述第一内线固定头311固定在所述主动轮21的侧面，所述第一内线312的一部分逆时针旋绕在所述主动轮21的外径上。
本发明一些实施例中，所述第二传动部与所述第一传动部具有相同的结构，所述第二传动部包括第二鲍登线和第二远端连接部，所述第二鲍登线包括第二内线单元和第二外管单元，所述第二外管单元套在所述第二内线单元外部，所述第二内线单元能够相对所述第二外管单元自由滑动，所述第二外管单元的近端与所述控制装置固定连接，所述第二内线单元的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第二内线单元的一部分沿所述主动轮的外径顺时针旋绕，所述第二内线单元的一部分从所述第二外管单元的远端延伸出来以形成第二延伸部，所述第二延伸部的远端通过所述第二远端连接部与所述脚踝穿戴服固定连接。
本发明一些实施例中，所述第二线单元包括第二内线固定头和第二内线，所述第二外管单元包括第二外管固定头和第二外管。所述第二外管套在所述第二内线外部，所述第二内线能够相对所述第二外管自由滑动。所述第二外管固定头与所述第二外管的近端固定连接，所述第二外管固定头与所述控制装置固定连接，所述第二内线的远端从所述第二外管的远端延伸出来，所述第二内线的远端通过所述第二远端连接部与所述脚踝穿戴服连接。
本发明一些实施例中，所述第一远端连接部包括钩型部和第一过载保护装置，当所述第一内线承受的拉力大于等于第一拉力阈值，所述第一过载保护装置能够使所述第一内线与所述钩型部脱离，所述第一拉力阈值设定为70N。本发明另一些实施例中，所述第一拉力阈值的设定范围为50-100N。
本发明一些实施例中，所述第一过载保护装置包括活动部、盖合部、形变部和调节部。
图4a为本发明一些实施例的第一远端连接部的爆炸结构示意图。图4b为图4a所示的第一远端连接部与第一内线以及脚面穿戴服之间的装配示意图。
参照图4a和图4b，第一远端连接部4包括盖合部41、活动部42、形变部43、钩型部44、调节部45、卡合部46、安装螺钉47、安装螺钉48和安装螺钉49，所述钩型部44的远端与所述脚面穿戴服141连接，所述活动部42具有中心圆孔，所述第一内线312穿过所述中心圆孔并与所述活动部固定；所述盖合部41通过所述安装螺钉47和所述安装螺钉48与所述钩型部44固定连接，所述形变部43通过所述安装螺钉49与所述钩型部44固定连接，所述调节部45贯穿所述钩型部44，所述调节部45通过所述形变部43将所述活动部42与所述盖合部41的内壁压紧，所述第一内线312拉动所述活动部42，所述形变部43产生形变，使所述第一内线312和所述活动部42与所述钩型部44脱离。
所述调节部45与所述形变部43之间留有一定的空隙，调节所述调节部45能够改变空隙的大小，以调整使所述第一内线312和所述活动部42脱离所述钩型部44所需的拉力大小。
所述第一内线312和所述活动部42脱离后，将所述安装螺钉47和所述安装螺钉48从所述钩型部44上拆下，将所述第一内线312和所述活动部42放回原始位置，再将所述盖合部41安装在所述钩型部44上即可。
所述卡合部46的一端安装在所述钩型部44的竖直部位上，另一端与所述钩型部44弯曲部位的顶端内侧接触，防止所述脚面穿戴服141脱出所述钩型部44。
本发明一些实施例中，所述形变部43为弹簧片，所述弹簧片的材料为65Mn钢，所述调节部45为调节螺钉。所述盖合部41的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(AcrylonitrileButadiene Styrene，ABS)树脂或聚甲醛(Polyformaldehyde，POM)树脂中的任意一种。
本发明一些实施例中，所述第二远端连接部包括第二钩型部和第二过载保护装置，所述第二内线通过所述第二过载保护装置与所述第二钩型部固定连接，所述第二钩型部与所述脚踝穿戴服固定连接，当所述第二内线承受的拉力大于等于第二拉力阈值，所述第二过载保护装置能够使所述第二内线与所述第二钩型部分离，所述第二过载保护装置与所述第一过载保护装置的结构相同，所述第二拉力阈值为200N。本发明另一些实施例中，所述第二拉力阈值的设定范围为80-350N。
本发明一些实施例中，所述第一传动部包括第一负荷传感装置，所述第一负荷传感装置固定连接在所述第一外管的远端，所述第一内线的一部分从所述第一负荷传感装置的远端延伸出来，以形成所述第一延伸部。
参照图1、图3a和图3b，所述第一负荷传感装置33包括紧固部331、U型部332、负荷传感器333、传感器安装部335和固定部334，所述负荷传感器333固定连接在所述传感器安装部335的内部，所述传感器安装部335固定连接在所述固定部334的内部，所述第一内线312的一部分依次穿过所述负荷传感器333的内部、所述传感器安装部335的底部以及所述固定部334的底部并延伸出来。所述U型部332的底部与所述固定部334固定连接，所述第一外管322的远端穿过所述U型部332的底部与所述固定部334固定连接，所述紧固部331通过销连接的方式将所述第一外管322与所述U型部332固定连接，所述U型部332与所述小腿穿戴服15固定连接。
本发明一些实施例中，所述第一负荷传感装置获取所述第一内线的实时受力信息，并将所述实时受力信息反馈给所述处理单元，所述处理单元参考所述步态信息对所述实时受力信息进行数据处理和数据分析，向所述电机单元发送调整指令，所述电机单元运行并带动所述主动轮顺时针旋转或逆时针旋转。
本发明一些实施例中，所述实时受力信息为所述第一内线承受的张力值大于等于第一张力阈值，所述处理单元向所述电机单元发送停止指令，所述电机单元停止运行，所述第一张力阈值设定为60N，所述第一拉力阈值设定为70N，所述第一拉力阈值与所述第一张力阈值的差值为10N。本发明另一些实施例中，所述第一张力阈值设定为15N-80N，所述第一拉力阈值与所述第一张力阈值的差值为10-50N。
本发明一些实施例中，所述第二传动部包括第二负荷传感装置，所述第二负荷传感装置固定连接在所述第二外管的远端，所述第二内线的一部分从所述第二负荷传感装置内部延伸出来以形成所述第二延伸部。所述第二负荷传感装置获取所述第二内线实时受力信息，并将所述实时受力信息反馈给所述处理单元，所述处理单元参考所述步态信息对所述实时受力信息进行数据处理和数据分析，向所述电机单元发送所述调整指令，所述第二负荷传感装置的结构与所述第一负荷传感装置的结构相同。
本发明一些实施例中，所述实时受力信息为所述第二内线承受的张力值大于等于第二张力阈值，所述处理单元向所述电机单元发送停止指令，所述电机单元停止运行，所述第二张力阈值设定为100N，所述第二拉力阈值设定为110N，所述第二拉力阈值与所述第二张力阈值的差值为10N。本发明另一些实施例中，所述第二张力阈值设定为50N-300N，所述第二拉力阈值与所述第二张力阈值的差值为10-50N。
本发明一些实施例中，所述控制装置安装在盒体中，所述盒体包括主安装座和主外壳，所述主动轮和所述主动轮传动齿安装在所述主安装座内部，所述主安装座的内表面设置有限位部，所述主动轮的内侧面设置有至少一个限位螺钉。
图5a为本发明一些实施例的盒体的结构示意图。图5b为图5a中的主动轮在盒体上的装配示意图。参照图5a和图5b，盒体51包括主安装座511和主外壳512，主动轮53、主动轮固定片54、主动轮传动齿57、被动轮55、被动轮固定片56和被动轮传动齿(图中未标示)安装在所述主安装座511内部，电机52通过所述主动轮传动齿57带动所述主动轮53旋转。所述主安装座511的内表面安装有限位部58，所述主动轮传动齿57安装在所述主安装座511的内部，所述主动轮53上设置有限位螺钉59，所述主动轮53沿X方向与所述主动轮传动齿57啮合后，所述限位部58与所述限位螺钉59处于同一平面，当所述主动轮53的旋转角度等于角度阈值，所述限位部58与所述限位螺钉59接触，使所述主动轮53停止旋转。
本发明一些实施例中，所述主动轮53的外径为60mm，所述角度阈值为300度。
本发明一些实施例中，所述盒体包括侧盖、主安装座和主外壳。所述侧盖、所述主安装座和所述主外壳之间为可拆卸设计。所述主动轮和所述被动轮安装在所述侧盖内部，所述主动轮传动齿、所述被动轮传动齿和所述传送带与所述主安装座固定连接，所述电机、所述编码器和所述电位计安装在所述主外壳内部，所述主安装座设置有弹性卡座和至少两个导向柱，所述侧盖设置有卡头和至少两个导向孔。
图6为本发明一些实施例的侧盖的结构示意图。图7a为本发明一些实施例的主安装座的结构示意图，图7b为图7a所示的安装座的主视图。
参照图6、图7a和图7b，侧盖61内部安装有主动轮62和被动轮63，所述侧盖61设置有对称分布的四个导向孔66、卡头65和四个对称分布的固定螺钉67，所述主动轮62的外侧面安装有限位螺钉64，包括第一限位螺钉641和第二限位螺钉642。主动轮传动齿72、被动轮传动齿(图中未标示)和传送带73与主安装座71固定连接，所述主安装座设置有弹性卡座77和四个对称分布的导向柱74。四个所述导向柱74的位置与四个所述导向孔66的位置对应，所述导向柱74和所述导向孔66用于使所述主动轮62与所述主动传动齿72啮合，以及使所述被动轮63与所述被动轮传动齿啮合(图中未标示)，所述弹性卡座77的位置与所述卡头65的位置对应，所述弹性卡座77和所述卡头65用于使所述侧盖61和所述主安装座71相对固定。所述主安装座71设置有四个对称分布的固定螺母75，所述固定螺母75与所述固定螺钉67之间通过螺纹连接的方式将所述侧盖61与所述主安装座71固定。
所述主安装座71上设置有限位部78，包括第一限位部781和第二限位部782，所述主动轮62沿Y方向与所述主动轮传动齿72啮合后，所述限位部78与所述限位螺钉64处于同一平面，当所述主动轮62的旋转角度等于角度阈值，所述第二限位部782与所述第一限位螺钉641接触，或者所述第一限位部781与所述第二限位螺钉642接触，均能够使所述主动轮62停止旋转。
图8为图6所示的卡头与图7所示的弹性卡座的装配示意图。参照图6-图8，所述主安装座71上设置有卡槽76，所述弹性卡座77的一端安装有弹簧79，所述卡头65与所述弹性卡座77结合后，向所述弹性卡座77施加一个沿着所述卡槽76方向的力以克服所述弹簧79的弹力，使所述弹性卡座77在所述卡槽76内直线滑动并与所述卡头65分离，此时可将所述侧盖61与所述主外壳71分离；撤销向所述弹性卡座77施加的力后，由于所述弹簧79的弹力使所述弹性卡座77沿着所述主安装座71上的所述卡槽76滑动并停止在初始位置。
本发明一些实施例中，所述检测装置包括腰部惯性传感器、小腿部惯性传感器、脚面惯性传感器和压力传感器组，所述压力传感器组包括第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，所述腰部惯性传感器固定在使用者的后腰部位，所述小腿部惯性传感器固定在所述小腿部穿戴服的外侧面，所述脚面惯性传感器固定在所述脚面穿戴服的脚面部位。所述第一压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚尖位置，所述第二压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚掌位置，所述第三压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚跟位置。
图9为本发明一些实施例的压力传感器组在脚底的分布示意图。参照图9，所述第一压力传感器用于检测第一位置91处的压力变化，所述第一位置91为靠近使用者第一趾骨根部的位置，所述第二压力传感器用于检测第二位置92处的压力变化，所述第二位置92为使用者第五趾骨根部的位置，所述第三压力传感器用于检测第三位置93处的压力变化，所述第三位置93为使用者足跟部的位置。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (22)

1.一种软性下肢助力外骨骼，包括腰部穿戴服、腿部穿戴服、脚部穿戴服、绑带、控制装置、电源装置、传动装置和检测装置，所述控制装置通过所述绑带穿戴在使用者的后腰部，所述电源装置通过所述绑带穿戴在使用者的腹部，所述传动装置的近端与所述控制装置固定连接，所述传动装置的远端与所述脚部穿戴服固定连接，所述检测装置用于获取使用者的步态信息，所述控制装置包括处理单元和驱动单元，所述处理单元用于根据所述步态信息向所述驱动单元发送运动指令，其特征在于，所述驱动单元包括电机单元、主动轮传动齿和主动轮，所述脚部穿戴服包括脚面穿戴服和脚踝穿戴服，所述传动装置包括第一传动部和第二传动部；
所述电机单元通过所述主动轮传动齿带动所述主动轮顺时针旋转或逆时针旋转；
所述第一传动部的远端与所述脚面穿戴服固定连接，所述第一传动部的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第一传动部的一部分沿所述主动轮的外径逆时针旋绕；
所述第二传动部的远端与所述脚踝穿戴服固定连接，所述第二传动部的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第二传动部的一部分沿所述主动轮的外径顺时针旋绕。
2.如权利要求1所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一传动部包括第一鲍登线和第一远端连接部，所述第一鲍登线包括第一内线和第一外管，所述第一外管套在所述第一内线外部，所述第一内线能够相对所述第一外管自由滑动，所述第一外管的近端与所述控制装置固定连接，所述第一内线的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第一内线的一部分沿所述主动轮的外径逆时针旋绕，所述第一内线的一部分从所述第一外管的远端延伸出来以形成第一延伸部，所述第一延伸部的远端通过所述第一远端连接部与所述脚面穿戴服固定连接。
3.如权利要求2所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第二传动部包括第二鲍登线和第二远端连接部，所述第二鲍登线包括第二内线和第二外管，所述第二外管套在所述第二内线外部，所述第二内线能够相对所述第二外管自由滑动，所述第二外管的近端与所述控制装置固定连接，所述第二内线的近端固定在所述主动轮的侧面，所述第二内线的一部分沿所述主动轮的外径顺时针旋绕，所述第二内线的一部分从所述第二外管的远端延伸出来以形成第二延伸部，所述第二延伸部的远端通过所述第二远端连接部与所述脚踝穿戴服固定连接。
4.如权利要求3所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一远端连接部包括钩型部和第一过载保护装置，所述第一内线通过所述第一过载保护装置与所述钩型部固定连接，所述钩型部与所述脚面穿戴服固定连接，当所述第一内线承受的拉力大于等于第一拉力阈值，所述第一过载保护装置能够使所述第一内线与所述钩型部分离，所述第一拉力阈值为50N-100N。
5.如权利要求4所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第二远端连接部包括第二钩型部和第二过载保护装置，所述第二内线通过所述第二过载保护装置与所述第二钩型部固定连接，所述第二钩型部与所述脚踝穿戴服固定连接，当所述第二内线承受的拉力大于等于第二拉力阈值，所述第二过载保护装置能够使所述第二内线与所述第二钩型部分离，所述第二过载保护装置与所述第一过载保护装置的结构相同，所述第二拉力阈值为80-350N。
6.如权利要求4所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一过载保护装置包括活动部、盖合部、形变部和调节部，所述第一内线与所述活动部固定连接，所述盖合部与所述钩型部固定连接，所述调节部贯穿所述钩型部，所述调节部通过所述形变部将所述活动部与所述盖合部的内壁压紧，所述第一内线拉动所述活动部，所述形变部产生形变，使所述第一内线与所述钩型部脱离。
7.如权利要求5所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一传动部包括第一负荷传感装置，所述第一负荷传感装置固定连接在所述第一外管的远端，所述第一内线的一部分从所述第一负荷传感装置的远端延伸出来，以形成所述第一延伸部。
8.如权利要求7所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一负荷传感装置获取所述第一内线的实时受力信息，并将所述实时受力信息反馈给所述处理单元，所述处理单元参考所述步态信息对所述实时受力信息进行数据处理和数据分析，向所述电机单元发送调整指令，所述电机单元运行并带动所述主动轮顺时针旋转或逆时针旋转。
9.如权利要求8所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述实时受力信息为所述第一内线承受的张力值大于等于第一张力阈值，所述处理单元向所述电机单元发送停止指令，所述电机单元停止运行，所述第一张力阈值为15N-80N。
10.如权利要求9所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一张力阈值小于所述第一拉力阈值，所述第一拉力阈值与所述第一张力阈值之差为10-50N。
11.如权利要求7所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第二传动部包括第二负荷传感装置，所述第二负荷传感装置固定连接在所述第二外管的远端，所述第二内线的一部分从所述第二负荷传感装置内部延伸出来以形成所述第二延伸部。
12.如权利要求11所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第二负荷传感装置获取所述第二内线实时受力信息，并将所述实时受力信息反馈给所述处理单元，所述处理单元参考所述步态信息对所述实时受力信息进行数据处理和数据分析，向所述电机单元发送调整指令，所述第二负荷传感装置的结构与所述第一负荷传感装置的结构相同。
13.如权利要求12所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述实时受力信息为所述第二内线承受的张力值大于等于第二张力阈值，所述处理单元向所述电机单元发送停止指令，所述电机单元停止运行，所述第二张力阈值为50N-300N。
14.如权利要求13所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第二张力阈值小于所述第二拉力阈值，所述第二拉力阈值与所述第二张力阈值之差为10-50N。
15.如权利要求7所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一负荷传感装置包括负荷传感器、传感器安装部和固定部，所述负荷传感器固定连接在所述传感器安装部的内部，所述传感器安装部固定连接在所述固定部的内部，所述第一外管的远端与所述固定部固定连接，所述第一内线的一部分依次穿过所述负荷传感器的内部、所述传感器安装部的底部以及所述固定部的底部并延伸出来以形成所述第一延伸部。
16.如权利要求15所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述第一负荷传感装置包括U型部和紧固部，所述腿部穿戴服包括小腿穿戴服，所述U型部的底部与所述固定部固定连接，所述第一外管的远端穿过所述U型部的底部与所述固定部固定连接，所述紧固部通过销连接的方式将所述第一外管与所述U型部固定连接，所述U型部与所述小腿穿戴服固定连接。
17.如权利要求1所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述驱动单元包括位置反馈单元，所述位置反馈单元与所述电机单元联动，所述位置反馈单元用于向所述处理单元反馈所述主动轮的旋转角度信息。
18.如权利要求17所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述位置反馈单元包括电位计和编码器，所述电机单元包括驱动器和电机，所述驱动单元包括被动轮、被动轮传动齿和传动带，所述编码器、所述电机、所述被动轮、所述被动轮传动齿、所述电位计以及所述主动轮六者之间联动，所述电位计和所述编码器用于向所述控制部反馈所述主动轮的旋转角度信息，所述处理单元对所述旋转角度信息进行数据处理和数据分析，通过所述驱动器带动所述电机运行。
19.如权利要求18所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述控制装置安装在盒体中，所述盒体包括主安装座和主外壳，所述主动轮、所述主动轮传动齿、所述被动轮、所述被动轮传动齿和传送带安装在所述主安装座内部，所述电机、所述编码器和所述电位计安装在所述主外壳内部，所述主安装座的内表面设置有限位部，所述主动轮的内侧面设置有至少一个限位螺钉，所述限位部与所述限位螺钉处于同一平面，当所述主动轮的旋转角度等于角度阈值，所述限位部与所述限位螺钉接触，使所述主动轮停止旋转。
20.如权利要求18所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述控制装置安装在盒体中，所述盒体包括侧盖、主安装座和主外壳，所述主动轮和所述被动轮安装在所述侧盖内部，所述主动轮传动齿、所述被动轮传动齿和传送带与所述主安装座固定连接，所述电机、所述编码器和所述电位计安装在所述主外壳内部，所述主安装座设置有弹性卡座和至少两个导向柱，所述侧盖设置有卡头和至少两个导向孔，所述导向柱的位置与所述导向孔的位置对应，所述导向柱和所述导向孔用于使所述主动轮与所述主动传动齿啮合，以及使所述被动轮与所述被动轮传动齿啮合，所述弹性卡座的位置与所述卡头的位置对应，所述弹性卡座和所述卡头用于使所述侧盖和所述主安装座相对固定。
21.如权利要求20所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述主安装座设置有至少一个限位部，所述主动轮的外侧面设置有至少一个限位螺钉，当所述主动轮的旋转角度等于角度阈值，所述限位部与所述限位螺钉接触，使所述主动轮停止旋转。
22.如权利要求1所述的软性下肢助力外骨骼，其特征在于，所述检测装置包括腰部惯性传感器、小腿部惯性传感器、脚面惯性传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，所述脚部穿戴服包括脚底穿戴服，所述腰部惯性传感器固定在使用者的后腰部位，所述小腿部惯性传感器固定在所述腿部穿戴服的外侧面，所述脚面惯性传感器固定在所述脚面穿戴服的脚面部位，所述第一压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚尖位置，所述第二压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚掌位置，所述第三压力传感器固定在所述脚底穿戴服的脚跟位置。
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