CN110251892A - 一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明属于下肢外骨骼机器人领域，公开了一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其通过设置n‑1个尼龙细绳和n个弹簧元件，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n‑1，实现运动过程中的刚度变化，运动到不同阶段时不同的尼龙细绳绷直，从而使相应的弹簧元件不能继续拉伸，改变弹簧元件的总刚度，有效地储存能量，但是尼龙细绳不限制弹簧元件的回复，从而使得弹簧元件能在回复时提供助力，最终达到减小人体在行走、蹲起过程中代谢消耗的目的。

Description

一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼
技术领域
本发明属于下肢外骨骼机器人领域，更具体地，涉及一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼。
背景技术
外骨骼是一种可穿戴的辅助性机械系统，能够提高穿戴者的运动能力。下肢外骨骼机器人在医疗方面主要用于下肢运动功能障碍患者的康复训练，在军事方面主要用于提高士兵的单兵作战能力和携带能力，在应急救灾方面主要用于提高消防救灾人员在复杂地形的救灾能力、体力和耐力。因此，下肢外骨骼机器人近年来备受关注。
下肢外骨骼机器人根据有无外部动力源可分为主动式和被动式外骨骼。其中主动式下肢外骨骼机器人，包含动力源、驱动部件、控制系统、传感器、电池等，主要用于康复训练和需要负重的士兵，但存在结构复杂、控制困难、续航能力不足、自身较为笨重等缺点。被动式下肢外骨骼机器人没有动力源，仅依靠弹性元件实现能量的充分利用，其结构相对简单，质量相对较小，易于携带，不存在续航能力的问题。
目前，大多数下肢外骨骼机器人为刚性结构，不仅影响穿戴舒适度，而且在一定程度上会限制穿戴者的运动。此外，一旦出现意外，刚性外骨骼容易对穿戴者造成二次伤害。因此，柔性可穿戴的被动下肢外骨骼机器人，在具有正常运动能力的人群中具有广阔的应用前景。
中国发明专利申请号201711270428.8，该技术公开了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，通过随关节角度触发的拉绳离合器，使得拉伸弹簧实现对髋关节机械能的分时调控，辅助髋关节的运动，但其弹簧组件为恒定刚度，在运动过程中其阻力效果可能会大于助力效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，结合人体下肢运动的特点，设计了适用于柔性下肢外骨骼的弹簧储能结构，并通过尼龙绳的限制，在运动过程中改变弹簧组件的整体刚度，以降低运动过程中的阻力，达到减小人体在行走、蹲起过程中代谢消耗的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，包括腰部组件、右腿模块和左腿模块，其中：
右腿模块和左腿模块均分别包括：变刚度弹簧组件、钢丝绳组件和下肢绑带组件；
变刚度弹簧组件包括n-1个尼龙细绳和n个弹簧元件，n-1个尼龙细绳依次命名为第一尼龙细绳至第n-1尼龙细绳，n个弹簧元件分别命名为第一弹簧元件至第n弹簧元件且依次串联，n≥2；其中，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n-1；
钢丝绳组件包括钢丝绳，第一弹簧元件首端连接腰部组件，第n弹簧元件尾端连接钢丝绳上端，钢丝绳下端在穿戴时固定于下肢足部。
进一步地，腰部组件包括第一柔性绑带和第一连接扣；其中，第一柔性绑带在背部下方左右对称设置有两个连接孔，每个连接孔内设有一个第一连接扣；第一连接扣在沿矢状轴移动和绕矢状轴旋转两个方向均可活动；第一弹簧元件首端通过第一连接扣连接第一柔性绑带。
进一步地，钢丝绳组件还包括第一钢丝绳夹紧元件、第二钢丝绳夹紧元件和第二连接扣；钢丝绳通过自身上端弯曲形成的钢丝环与第二弹簧元件尾端连接，并且由第一钢丝绳夹紧元件固定夹紧；钢丝绳通过自身下端弯曲形成的钢丝环与第二连接扣连接，并由第二钢丝绳夹紧元件固定夹紧；第二连接扣用于与使用者穿戴的鞋或鞋套连接。
进一步地，还包括下肢绑带组件，用于引导钢丝绳缠绕于使用者的对应下肢。
进一步地，下肢绑带组件包括大腿绑带、膝盖绑带以及小腿绑带，各绑带表面均设置有钢丝绳导轨，用于引导钢丝绳的绕线路径。
进一步地，穿戴时，变刚度弹簧组件放置在使用者臀部，钢丝绳从第n弹簧元件的尾端出发，依次穿过大腿绑带的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带的钢丝绳导轨并从小腿内侧绕过。
进一步地，穿戴时，变刚度弹簧组件放置在使用者腰部，钢丝绳从第n弹簧元件的尾端出发，依次穿过大腿绑带的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带的钢丝绳导轨并从小腿内侧经过。
进一步地，右腿模块和左腿模块的结构对称。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明提供的方案在运动到不同阶段时不同的尼龙细绳绷直，从而使相应的弹簧元件不能继续拉伸，改变弹簧元件的总刚度，有效地储存能量；但是尼龙细绳不限制弹簧元件的回复，从而使得弹簧元件能在回复时(例如从下蹲状态下起立时)提供助力，最终达到减小人体在行走、蹲起过程中代谢消耗的目的。
2)本发明整体无刚性结构，结构简单，成本低，重量轻。
3)本发明结合人体下肢的运动特点，利用钢丝绳在人体下肢绕线路径长度的变化，使得变刚度弹簧组件实现储存以及释放能量。
4)本发明设计的变刚度弹簧方案，在下肢运动幅度较小时变刚度弹簧组件刚度较小，易于人体开始动作；在下肢运动幅度较大时变刚度弹簧组件刚度较大，利于储存能量。
附图说明
图1为本发明优选实施例的基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼的整体结构示意图；
图2为图1中腰部组件的结构示意图；
图3为图1中右腿模块的结构示意图；
图4为图3中变刚度弹簧组件的结构示意图；
图5为图3中右腿钢丝绳组件和下肢绑带组件结构示意图。
图6为本发明优选实施例的人体穿戴柔性下肢外骨骼的一种穿戴方式；
图7为本发明优选实施例的人体穿戴柔性下肢外骨骼的另一种穿戴方式。
图8为本发明优选实施例的一种双弹簧变刚度弹簧组件的原理图；
图9为本发明第二实施例的一种三弹簧变刚度弹簧组件的原理图；
图10的(1)和(2)分别为本发明优选实施例的柔性下肢外骨骼踝关节的两种连接方式示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-腰部组件，200-右腿模块，300-左腿模块，101-第一柔性绑带，102-第一连接扣，210-变刚度弹簧组件，220-钢丝绳组件，230-下肢绑带组件，211-尼龙细绳，212-第一弹簧元件，213-第二弹簧元件，221-第一钢丝绳夹紧元件，222-钢丝绳，223-第二钢丝绳夹紧元件，224-第二连接扣，231-大腿绑带，232-膝盖绑带，233-小腿绑带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明优选实施例提供的一种柔性被动下肢外骨骼包括腰部组件100、右腿模块200、左腿模块300，取n＝2，其中：
所述腰部组件100包括第一柔性绑带101和第一连接扣102，如图2所示。其中，所述第一柔性绑带101在背部下方左右对称设置有两个连接孔，第一柔性绑带101通过连接孔与所述第一连接扣102连接。第一连接扣102具有两组，并且在沿矢状轴移动和绕矢状轴旋转两个方向均有一定的活动能力，以便所述腰部组件100有灵活的适应能力。
所述右腿模块200和所述左腿模块300左右对称，结构相同。以下只针对右腿模块200的结构进行说明。
所述右腿模块200包括变刚度弹簧组件210、钢丝绳组件220和下肢绑带组件230，如图3所示。
所述变刚度弹簧组件210包括第一尼龙细绳211、第一弹簧元件212和第二弹簧元件213，如图4所示。其中，所述第一弹簧元件212通过上端圆环与第一连接扣102连接，通过下端圆环与所述第二弹簧元件213的上端圆环连接。所述第一尼龙细绳211两端分别固定连接于第一连接扣102和第一弹簧元件212的下端圆环，且第一尼龙细绳211预留一定松弛预留量。可以理解，本实施例的第一弹簧元件212上端即首端，上下左右是相对于人体自然直立时的方位而言，如果变刚度弹簧组件210横放于腰间，则内部各弹簧没有上下关系。此外，本实施例中第一尼龙细绳211的首端和第一弹簧元件212的首端是通过连接第一连接扣102的方式，间接地保持相对固定，也可以直接将第一尼龙细绳211的首端固定在第一弹簧元件212的首端，从而直接使二者相对固定。
图5所示为所述钢丝绳组件220和所述下肢绑带组件230的结构，其中：所述钢丝绳组件220包括第一钢丝绳夹紧元件221、钢丝绳222、第二钢丝绳夹紧元件223和第二连接扣224。其中，所述钢丝绳222穿过第二弹簧元件213的下端圆环，通过弯曲形成的钢丝环与所述第二弹簧元件213连接，并且由所述第一钢丝绳夹紧元件221固定夹紧。所述钢丝绳在另一端通过弯曲形成的钢丝环与所述第二连接扣224连接，由所述第二钢丝绳夹紧元件223固定夹紧。第二连接扣224另一端与运动鞋的尾环或专门的鞋套连接。其中，所述运动鞋的尾环或专门的鞋套如图10所示。
所述下肢绑带组件230包括大腿绑带231、膝盖绑带232以及小腿绑带233，所述各绑带表面均设置有钢丝绳导轨，以便引导钢丝绳的绕线路径。
图6为本发明的一种穿戴方式。变刚度弹簧组件210和钢丝绳组件220构成了围绕人体下肢的路径，所述路径上端通过变刚度弹簧组件210的第一弹簧元件212与腰部组件100的第一连接扣102连接，所述路径下端通过钢丝绳组件220的第二连接扣224与运动鞋的尾环或专门的鞋套连接，其中：
变刚度弹簧组件210放置在臀部，钢丝绳组件220的钢丝绳222从变刚度弹簧组件210的第二弹簧元件213的下端圆环出发，穿过大腿绑带231的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带232的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带233的钢丝绳导轨并从小腿内侧绕过。实验表明，所述路径长度在人下蹲、行走等运动过程中会发生较大变化。
图7所示为本发明的另一种穿戴方式，与图6所述穿戴方式的不同在于变刚度弹簧组件位置和钢丝绳路径，其中
变刚度弹簧组件210放置在腰部，钢丝绳组件220中的钢丝绳222从大腿外侧出发，穿过大腿绑带231的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带232的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带233的钢丝绳导轨并从小腿内侧经过。
图8和图9所示为本发明的变刚度弹簧组件210的两种结构方案，双弹簧和三弹簧(即n＝2和n＝3)，但不限于这两种结构，下面仅对图8所示的双弹簧结构方案进行说明，n≥3的情况可由图8和图9的变化情况类推，不再赘述。
本发明的变刚度弹簧组件210在变形量较小时，总刚度较小；变形量较大时，总刚度较大。以人体下蹲过程为例，所述变刚度弹簧组件210的储能过程包含如下步骤：
(1)初始时刻，人处于站立姿态，变刚度弹簧组件210由第一弹簧元件212和第二弹簧元件213串联，总刚度为总长为L0＝l10+l20，储存能量为E0＝0；k1、k2分别是第一弹簧元件212和第二弹簧元件213的刚度，l10、l20分别是第一弹簧元件212和第二弹簧元件213的初始长度。
(2)下肢运动至某一姿态，变刚度弹簧组件以总刚度k伸长至总长为L1＝l11+l21，第一弹簧元件212的伸长长度为l11，第二弹簧元件213的伸长长度为l21，总储存能量当继续伸长至尼龙细绳211绷直时，由于尼龙细绳211限制了第一弹簧元件212的最大拉伸长度l11，随后总刚度k变为k′＝k2；
(3)下肢继续运动至最终姿态，变刚度弹簧组件以总刚度k′＝k2伸长，其中第一弹簧元件212的伸长长度保持l11不变，变刚度弹簧组件总长为L2＝l11+l22，储存能量
上述储能过程所基于的人体工程学运动特性如下：当人处于前半程时，下肢关节紧张，关节主要平衡重力矩，下蹲缓慢，所述路径长度的伸长量较小，尼龙细绳211的松弛预留量逐渐减小，第一弹簧元件212和第二弹簧元件213共同拉伸，总刚度较小，变刚度弹簧组件210对前半程的下蹲过程几乎无影响；
当人处于后半程时，下肢关节放松，主要依靠重力下降，下蹲迅速，所述路径长度的伸长量较大，尼龙细绳211拉直，且第一弹簧元件212的形变量维持不变，仅第二弹簧元件213继续拉伸，总刚度变为k′＝k2，整体刚度较大，变刚度弹簧组件210吸收后半程释放的大部分重力势能。
当人从下蹲状态起身时，变刚度弹簧组件释放储存的弹性势能，为人的起身动作提供助力，达到助力效果。
图9中有n＝3个弹簧元件和n-1＝2个尼龙细绳，弹簧元件刚度分别为k1、k2、k3，初始长度分别为l10、l20、l30，最大拉伸长度分别为l11、l22、l33，第一阶段拉伸长度分别为l11、l21、l31，第二阶段拉伸长度分别为l11、l22、l32，第三阶段拉伸长度分别为l11、l22、l33，l33不受尼龙细绳限制，其余结构和原理可参照优选实施例，不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，包括腰部组件(100)、右腿模块(200)和左腿模块(300)，其中：
右腿模块(200)和左腿模块(300)均分别包括：变刚度弹簧组件(210)、钢丝绳组件(220)和下肢绑带组件(230)；
变刚度弹簧组件(210)包括n-1个尼龙细绳和n个弹簧元件，n-1个尼龙细绳依次命名为第一尼龙细绳(211)至第n-1尼龙细绳，n个弹簧元件分别命名为第一弹簧元件(212)至第n弹簧元件且依次串联，n≥2；其中，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n-1；
钢丝绳组件(220)包括钢丝绳(222)，第一弹簧元件(212)首端连接腰部组件(100)，第n弹簧元件尾端连接钢丝绳(222)上端，钢丝绳(222)下端在穿戴时固定于下肢足部。
2.如权利要求1所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，腰部组件(100)包括第一柔性绑带(101)和第一连接扣(102)；其中，第一柔性绑带(101)在背部下方左右对称设置有两个连接孔，每个连接孔内设有一个第一连接扣(102)；第一连接扣(102)在沿矢状轴移动和绕矢状轴旋转两个方向均可活动；第一弹簧元件(212)首端通过第一连接扣102连接第一柔性绑带(101)。
3.如权利要求2所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，钢丝绳组件(220)还包括第一钢丝绳夹紧元件(221)、第二钢丝绳夹紧元件(223)和第二连接扣(224)；钢丝绳(222)通过自身上端弯曲形成的钢丝环与第二弹簧元件(213)尾端连接，并且由第一钢丝绳夹紧元件(221)固定夹紧；钢丝绳(222)通过自身下端弯曲形成的钢丝环与第二连接扣(224)连接，并由第二钢丝绳夹紧元件(223)固定夹紧；第二连接扣(224)用于与使用者穿戴的鞋或鞋套连接。
4.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，还包括下肢绑带组件(230)，用于引导钢丝绳(222)缠绕于使用者的对应下肢。
5.如权利要求4所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，下肢绑带组件(230)包括大腿绑带(231)、膝盖绑带(232)以及小腿绑带(233)，各绑带表面均设置有钢丝绳导轨，用于引导钢丝绳的绕线路径。
6.如权利要求5所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，穿戴时，变刚度弹簧组件(210)放置在使用者臀部，钢丝绳(222)从第n弹簧元件的尾端出发，依次穿过大腿绑带(231)的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带(232)的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带233的钢丝绳导轨并从小腿内侧绕过。
7.如权利要求5所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，穿戴时，变刚度弹簧组件(210)放置在使用者腰部，钢丝绳(222)从第n弹簧元件的尾端出发，依次穿过大腿绑带(231)的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带(232)的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带(233)的钢丝绳导轨并从小腿内侧经过。
8.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，右腿模块(200)和左腿模块(300)的结构对称。
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