CN111096873B - 一种轻便的拉索驱动助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻便的拉索驱动助力设备，包括动力系统，传动系统，人机连接系统及控制系统；动力系统包括背部护壳，固定于背部护壳或其设有的延伸部的拉索驱动动力装置；背部护壳与人机连接系统固定联接，且连接于穿戴者的腰部或背部；拉索驱动动力装置通过设有的拉索与传动系统传动联接。本发明拉索驱动轻便助力设备结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而可以支持穿戴者在使用本发明设备时动作更为灵活、敏捷、舒适。

Description

一种轻便的拉索驱动助力设备

技术领域

本发明涉及穿戴设备，更具体地说是指一种轻便的拉索驱动助力设备。

背景技术

人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量的情况，可穿戴外骨骼机器人是满足这一类应用的装置，尤其是带有动力的下肢助力外骨骼机器人。但现有技术中这类装置通常比较笨重，如专利200680006514.1、专利200780027195.7均披露了这类技术，采用该技术的装置用户穿戴体验不佳。

现有技术中，有专门针对膝关节进行助力的装置，这类装置针对上述笨重设备进行大幅度裁剪，从而可以大大减轻设备重量，专利US9532894B2披露了一种膝关节助力的技术，其采用较为轻便的助力装置实现对穿戴者下肢的助力，用户穿戴体验有较大改善。但是，这类技术也存在较为明显的缺陷：其动力装置放置在膝关节处，动力装置包含的电机、减速机及相关传动机构会带来重量，动力装置的重量增加穿戴者腿部重量和惯量。还有，此类装置髋关节不带有助力，穿戴者在抬腿时或上楼时会感觉不适，造成长时间穿戴体验不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种轻便的拉索驱动助力设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轻便的拉索驱动助力设备，包括动力系统，传动系统，人机连接系统及控制系统；所述动力系统包括背部护壳，固定于背部护壳或其设有的延伸部的拉索驱动动力装置；所述背部护壳与人机连接系统固定联接，且设于穿戴者的腰部或背部；所述拉索驱动动力装置通过设有的拉索与传动系统传动联接。

其进一步技术方案为：所述传动系统包括髋关节传动机构、膝关节传动机构、大腿杆和小腿杆；所述髋关节传动机构包括髋腰连接段、髋腿连接段及髋关节轴；所述髋腰连接段和髋腿连接段通过髋关节轴旋转联接，且可相对自由转动；所述膝关节传动机构包括膝关节轴，膝关节传动轮；所述膝关节轴固定于大腿杆，以使大腿杆和膝关节传动轮旋转联接；所述小腿杆与膝关节传动轮传动联接；所述髋腰连接段与人机联接系统固定联接；所述髋腿连接段与大腿杆固定联接。

其进一步技术方案为：所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、腰部连接段、大腿绑带、小腿绑带；所述背部绑带与所述背部护壳固定，并与穿戴者的背部或腰部固定；所述大腿绑带、小腿绑带分别与所述大腿杆、小腿杆固定，且大腿绑带、小腿绑带分别与穿戴者的大腿、小腿固定；所述腰部连接段联接所述髋腰连接段或/和腰部绑带，所述腰部绑带固定在穿戴者腰部。

其进一步技术方案为：所述拉索外侧设有拉索套管，且拉索套管包括第一拉索套管及第二拉索套管；所述拉索驱动动力装置或背部护壳上设有背部拉索套管固定头，且所述第一拉索套管一端与背部拉索套管固定头固定联接；所述髋腰连接段设有髋第一拉索套管固定头，且所述第一拉索套管另一端与髋第一拉索套管固定头固定联接；

所述髋腿连接段上带有髋第二拉索套管固定头，所述第二拉索套管一端与髋第二拉索套管固定头固定联接；所述大腿杆下端设有大腿杆下端拉索套管固定头，所述第二拉索套管另一端端与大腿杆下端拉索套管固定头固定联接。

所述拉索上端固定在所述拉索驱动动力装置上，穿过所述第一拉索套管，且绕经所述髋关节惰轮，之后穿过所述第二拉索套管，连接所述膝关节传动轮；所述第二拉索套管在所述拉索张紧时为所述髋关节传动机构和膝关节传动机构之间提供轴向刚性支撑。

其进一步技术方案为：所述髋关节传动机构包括至少一个惰轮，且旋转联接于髋腰连接段或髋腿连接段的外侧；所述拉索驱动动力装置驱动所述拉索放出或收回，所述拉索的动力输入端与拉索驱动动力装置的动力输出端联接，并且绕经所述惰轮，其动力输出端与所述膝关节传动轮或小腿杆联接；当拉索收紧时，所述髋关节传动机构和膝关节传动机构均受到拉索的拉力而产生转矩。

其进一步技术方案为：所述惰轮包括设置于髋腰连接段的至少一个主惰轮，及设置于髋腿连接段至少一个行星惰轮；所述主惰轮、行星惰轮外侧均设有用于缠绕拉索的凹槽；当髋腰连接段和髋腿连接段相对转动时，所述行星惰轮绕着主惰轮转动；所述拉索绕过所述主惰轮和行星惰轮，并与膝关节传动轮或小腿杆联接。

其进一步技术方案为：所述主惰轮的旋转中心重合或偏心于髋关节轴的轴心，以调节拉索张紧时对髋关节传动机构产生的扭矩的大小及方向。

其进一步技术方案为：所述动力系统，传动系统，人机连接系统均为二个，且对称设置；其中，二个拉索驱动动力装置左右交叉放置，位于左侧的拉索驱动动力装置控制位于右侧的传动系统，位于右侧的拉索驱动动力装置控制位于左侧的传动系统。

其进一步技术方案为：还包括传感控制系统、和能源系统；所述能源系统为电池，其为所述传感控制系统、动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、大腿惯性传感器、小腿惯性传感器、足底压力传感器，及主控单元；

所述拉索张力传感器其置于所述拉索驱动动力装置或其设有的延伸结构，用于检测拉索的受力；

所述膝关节角度传感器设置于膝关节传动机构的膝关节轴，用于测量大腿杆与小腿杆相对角度；

所述髋关节角度传感器置于髋关节传动机构的髋关节轴，用于测量腰部连接段与大腿杆的相对角度；

所述大腿惯性传感器设置于大腿杆，用于测量大腿杆相对地面的运动角速度及加速度；

所述小腿惯性传感器设置于小腿杆，用于测量小腿杆相对地面的运动角速度及加速度；

所述足底压力传感器设置于穿戴者足底，用于测量穿戴者足底压力；

所述拉索张力传感器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、大腿惯性传感器、小腿惯性传感器、足底压力传感器均与主控单元电性连接。

其进一步技术方案为：所述足底压力传感器包括气鞋垫及气压传感器；

所述气鞋垫设于鞋底上表面；所述气压传感器设置于气鞋垫内；所述气鞋垫受到穿戴者的足部挤压，其内部气压产生变化，所述气压传感器感知气压变化，进而检测穿戴者足底对鞋底的压力。

其进一步技术方案为：还包括与气鞋垫相互联通的气囊；所述气囊通过设有的导气管与气鞋垫密封联通。

其进一步技术方案为：所述拉索驱动助力装置包括动力件，联接动力件动力输出端的减速机构，联接减速机构输出端的拉索驱动机构，以及编码器机构；所述动力件的动力通过减速机构减速后，再通过拉索驱动机构将动力输出；拉索驱动机构的动力输出端与拉索的动力输入端联接。

其进一步技术方案为：所述控制单元不断采集所述传感控制系统的数据，根据所述足底压力传感器压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器相关传感值是否达到设定门限，以判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态或是处于摆动状态；

当判断穿戴者下肢处于触地支撑状态，则根据传感控制系统所感知穿戴者姿态并设定给力目标值，驱动所述动力系统收紧拉索以提供扭矩，以使拉索张力传感器测量值达到设定值，从而使穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器及髋关节角度传感器的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统根据放出拉索，使得所述编码器机构测量值达到设定值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本实施例的拉索驱动轻便助力设备结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而可以支持穿戴者在使用本发明设备时动作更为灵活、敏捷、舒适。本发明轻便助力设备的动力系统和传动系统通过柔性的拉索套管相连以传递动力，可以适配不同身形的穿戴者，且可以支持穿戴者运动时腰部及下肢自然施展各种动作，穿戴体验好。

本发明拉索驱动助力设备通过采用精简后的谐波减速器，将动力件通过精简的谐波减速器传递至拉索驱动机构，达到减轻动力设备重量、提高能量密度的目的。基于拉索驱动动力设备的动力系统，采用拉索传动的方式输出动力，从而可以将拉索驱动动力装置上移至穿戴者腰部附近，减轻腿部惯量，达到提高穿戴灵活性、机动性的目的。基于动力系统的轻便助力设备，集成有电机旋转编码器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、拉索张力传感器(也即髋关节和膝关节扭矩传感器)、多个惯性传感器，能同时对电机转动角度、大小腿相对转动角度、腰部和大腿相对转动角度以及大小腿相对扭矩情况进行测量，有助于助力设备控制系统提升外骨骼动力性能，提高协调性和舒适性。还有，本发明制造成本低、可靠性高。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备实施例整体侧面结构的示意图；

图2为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备实施例背部结构示意图；

图3为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备实施例侧面结构示意图；

图4为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备的拉索驱动动力装置正视示意图；

图5为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备的髋关节传动机构结构示意图；

图6为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备的拉索在髋关节传动机构产生扭矩与髋腰连接段及髋腿连接段相对位置关系示意图；

图7为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备的膝关节传动机构结构示意图；

图8为本发明一种轻便的拉索驱动助力设备的拉索驱动动力装置实施例剖面结构示意图；

图9为本发明一种轻便拉索驱动助力设备所述足底压力传感器一实施例示意图；

图10为本发明一种轻便拉索驱动助力设备所述足底压力传感器另一实施例示意图。

附图标记如下：

1—动力件；11—定子外壳；111—定子环状凸起；1111—定子中心通孔；112—定子凹腔；12—转子；121—转子环状凸起；1211—转子中心通孔；13—定子线圈；14—电机轴承；

2—减速机构；21—钢轮；211—钢轮连接板；22—旋转轮；221—旋转轮连接板；23—减速发生器；

3—拉索驱动机构；31—承力轴承；32—拉索驱动轮；321—拉索驱动轮凹槽；

4—编码器机构；41—中心梁；411—中心梁锁紧螺丝；42—第一磁体；43—第一磁场感应电路；

1001—动力系统；1001A—拉索驱动动力装置；1001AL—左侧拉索驱动动力装置；1001AR—右侧拉索驱动动力装置；1001B—背部护壳；1000B1—背壳拉索套管固定头；1001C—拉索；1001CL—左侧拉索；1001CR—右侧拉索；1001C1—拉索上端；1001D—拉索套管；1001D1—第一拉索套管；1001D1L—左侧第一拉索套管；1001D1R—右侧第一拉索套管；1001D2—第二拉索套管；1002—传动系统；1002A—髋关节传动机构；1002A1—髋腰连接段；1002A2—髋腿连接段；1002A3—髋关节轴；1002A4—主惰轮；1002A5—行星惰轮；1002A6—髋第一拉索套管固定头；1002A7—髋第二拉索套管固定头；1002B—膝关节传动机构；1002B1—膝关节传动轮；1002B2—膝关节轴；1002C—大腿杆；1002C1—大腿杆下端拉索套管固定头；1002D—小腿杆；1002D1—小腿转接杆；1002D11—伸展限位；1002D2—小腿护杆；1003—人机连接系统；1003A—背部绑带；1003B—腰部绑带；1003C—腰部连接段；1003D—大腿上绑带；1003E—大腿下绑带；1003F—小腿上绑带；1003G—小腿护壳；1003H—小腿下绑带；1003J—第二腰部绑带；1004—传感控制系统；1004A—拉索张力传感器；1004B—膝关节角度传感器；1004B1—第二磁体；1004B2—第二磁场感应电路；1004C—髋关节角度传感器；1004C1—第三磁体；1004C2—第三磁场感应电路；1004D—大腿惯性传感器；1004E—小腿惯性传感器；1004F—足底压力传感器；1004F1—气鞋垫；1004F2—导气管；1004F3—气囊；1004F4—气压传感器；1004F5—传感器导线；1004G—主控单元；1005—能源系统。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1至图10为本发明实施例的图纸。

一种轻便的拉索驱动助力设备，如图1至图3所示，包括动力系统1001、传动系统1002、人机连接系统1003、传感控制系统1004及能源系统1005。动力系统1001固定在穿戴者腰部或背部附近，所述传动系统1002通过人机连接系统1003固定在穿戴者下肢或腰部上，所述能源系统1005为动力系统1001及传感控制系统1004供电。所述传感控制系统1004采集受力数据，进而判断穿戴者运动姿态，且根据收集的数据控制所述动力系统1001收回或放出拉索1001C。

所述动力系统1001包括拉索驱动动力装置1001A、拉索1001C、拉索套管1001D及背部护壳1001B。拉索驱动动力装置1001A带有电机1和减速机构2，所述减速机构2动力输出端传动联接拉索驱动轮32。所述拉索1001C上端与所述拉索驱动轮32固定在一起且绕于其之上。所述拉索驱动动力装置1001A内电机1转动会带动所述拉索驱动轮32转动，从而带动绕于其上的所述拉索1001C伸出或收回。拉索驱动动力装置1001A固定于所述背部护壳1001B上。

拉索套管1001D包括第一拉索套管1001D1和第二拉索套管1001D2，所述第一拉索套管1001D1连接动力系统1001和传动系统1002，所述第二拉索套管1001D2连接髋关节传动机构1002A与膝关节传动机构1002B。背部护壳1001B带有背壳拉索套管固定头1001B1，所述第一拉索套管1001D1上端固定在所述背壳拉索套管固定头1001B1上。拉索1001C穿过所述第一拉索套管1001D1与所述传动系统1002相连。背部护壳1001B通过背部绑带1003B固定在穿戴者腰背部。

所述传动系统1002包括髋关节传动机构1002A、膝关节传动机构1002B、大腿杆1002C及小腿杆1002D。髋关节传动机构1002A包括髋腰连接段1002A1、髋腿连接段1002A2以及髋关节轴1002A3，所述髋腰连接段1002A1与所述髋腿连接段1002A2通过所述髋关节轴1002A3旋转连接。膝关节传动机构1002B包括膝关节传动轮1002B1及膝关节轴1002B2，所述膝关节传动轮1002B1与小腿杆1002D传动联接固定联接。所述膝关节轴1002B2固定在所述大腿杆1002C下端，所述大腿杆1002C下端与所述膝关节传动轮1002B1通过膝关节轴1002B2旋转连接，所述小腿杆1002D包括小腿转接杆1002D1及小腿护杆1002D2，其传动联接其固定联接。

所述髋关节传动机构1002A还包括2个惰轮——主惰轮1002A4及行星惰轮1002A5。所述主惰轮1002A4设置于所述髋腰连接段1002A1之上，所述行星惰轮设置于所述腰腿连接段1002A2之上。髋腰连接段1002A1之上带有髋第一拉索套管固定头1002A6，所述腰腿连接段1002A2之上带有髋第二拉索套管固定头1002A7，所述大腿杆1002C下端带有大腿杆下端拉索套管固定头1002C1。从背部动力系统1001来的第一拉索套管1001D1的下端固定在所述第一拉索套管固定头1002A6内，所述第二拉索套管1001D2上端固定在髋第二拉索套管固定头1002A7内，下端固定在所述大腿杆下端拉索套管固定头1002A6内。

所述髋关节传动机构1002A还包括2个惰轮——主惰轮1002A4及行星惰轮1002A5。所述主惰轮1002A4设置于所述髋腰连接段1002A1之上，所述行星惰轮设置于所述腰腿连接段1002A2之上。髋腰连接段1002A1之上带有髋第一拉索套管固定头1002A6，所述腰腿连接段1002A2之上带有髋第二拉索套管固定头1002A7，所述大腿杆1002C下端带有大腿杆下端拉索套管固定头1002C1。从背部动力系统1001来的第一拉索套管1001D1的下端固定在所述第一拉索套管固定头1002A6内，所述第二拉索套管1001D2上端固定在髋第二拉索套管固定头1002A7内，下端固定在所述大腿杆下端拉索套管固定头1002A6内。

所述拉索1001C源自所述动力系统1001，穿过第一拉索套管1001D1后分别绕过主惰轮1002A4和行星惰轮1002A5，再穿过第二拉索套管1001D2，之后绕于膝关节传动轮1002B1之上，其下端固定在所述膝关节传动轮1002B1之上。

传动系统工作原理如下：当拉索1001C处于松弛状态时，所述髋关节传动机构1002A和膝关节传动机构1002B均处于自由转动状态。当拉索1001C处于张紧状态时，所述髋关节传动机构1002A和膝关节传动机构1002B均产生扭矩。所述膝关节传动轮1002B1越大，所述拉索1001C张紧时在所述膝关节传动机构1002B上产生的扭矩越大；当所述拉索1001C张紧时，所述髋关节主惰轮大小1002A4、其相对髋关节轴1002A3偏心位移L以及所述髋腰连接段1002A1与所述髋腿连接段1002A2相对角度均影响其在所述髋关节传动机构1002A产生的扭矩的大小。

人机连接系统1003包括背部绑带1003A、腰部绑带1003B、腰部连接段1003C、大腿上绑带1003D、大腿下绑带1003E、小腿上绑带1003F、小腿护壳1003G、小腿下绑带1003H以及第二腰部绑带1003J。背部绑带1003A将所述动力系统1001固定在穿戴者腰背，所述第二腰部绑带1003E进一步将所述动力系统1001紧贴于穿戴者腰背。腰部绑带1003B与腰部连接段1003C上端固定联接，所述腰部连接段1003C下端与所述髋腿连接段1002A2联接，所述腰部绑带1003B环绕于穿戴者腰部，从而通过所述腰部连接段1003C将所述传动系统1002悬挂起来。

大腿上绑带1003D、大腿下绑带1003E与大腿杆1002C联接，所述小腿护壳1003E与所述小腿护杆1002D2传动联接，所述小腿上绑带1003F、小腿下绑带1003H与小腿护壳1003G联接；在穿戴使用时，大腿上绑带1003D、大腿下绑带1003E、小腿上绑带1003F、小腿护壳1003G以及小腿下绑带1003H分别与人体大腿及小腿相对位置固定，从而将所述传动系统固定于穿戴者下肢上。

为提高穿戴者舒适性，人机连接系统1003均采用柔性材料，如布、皮革、聚氨酯、芳纶、涤纶、尼龙等；为传递动力，所述传动系统1002采用刚性材料，如铝合金、碳纤维、钛合金、镁合金等。

传动系统1002和人机连接系统1003通过所述腰部连接段1003C联接，所述腰部连接段1003C具备半柔半刚的特性，其采用较厚的柔性材料，使得其在矢状面(图3所示正面)具有较强刚性，可以传递髋关节扭矩。而在冠状面(图2所示正面)较为柔软，可以支持穿戴者腿部外展和扭动，舒适性较好。腰部连接段1003C向上连接柔性的所述腰部绑带1003A，向下连接刚性的髋关节传动机构1002A，其刚柔相间的特性使得其在悬挂所述传动机构1002的同时支持穿戴者灵活动作。

为增强大腿杆1002C及小腿杆1002D与穿戴者下肢固定的牢固度，且能够支持向穿戴者传递扭矩，所述大腿上绑带1003D后半段(相对穿戴者)、大腿下绑带1003E前半段(相对于穿戴者)、小腿护壳1003G均采用硬质材料如硬塑料、碳纤维或金属制作，以便拉索1001C张紧时向穿戴者人体传递打直力矩时保持较大的接触面积，人体感觉较为舒适。

所述能源系统1005为电池，其为所述传感控制系统1004、动力系统1001供电。传感控制系统1004包括拉索张力传感器1004A、膝关节角度传感器1004B、髋关节角度传感器1004C、大腿惯性传感器1004D和小腿惯性传感器1004E、足底压力传感器1004F及主控单元1004G。

拉索张力传感器1004A如图3所述，其置于所述拉索驱动动力装置1001A附近，固定在所述拉索驱动动力装置1001A延伸结构钢轮连接板211上，当拉索1001C张紧时会向其施加一个力F，其内力感测装置将能够感测此力大小。膝关节角度传感器1004B和髋关节角度传感器1004C分别置于所述膝关节轴1002B2和髋关节轴1002A3内，分别可以测量大腿杆1002C与小腿杆1002D相对角度以及腰部连接段1003C与大腿杆1002C的相对角度。大腿惯性传感器1004D和小腿惯性传感器1004E分别设置于大腿杆1002C及小腿杆1002D上，感测所述大腿杆1002C及小腿杆1002D对地运动的角速度及加速度。足底压力传感器1004F设置于穿戴者足底，通过测量压力的方式来感测穿戴者是否触地。当穿戴者触地时，其感受到压力，从而可以判断穿戴者是否触地。

传感控制系统1004包括拉索张力传感器1004A、膝关节角度传感器1004B、髋关节角度传感器1004C、大腿惯性传感器1004D和小腿惯性传感器1004E、足底压力传感器1004F均与主控单元1004G电性联接。

所述主控单元1004G包括处理器、存储器及通信接口，其电连接动力系统1001以及各个传感器1004A-1004G，对采集到的传感器数据进行采集处理，并控制所述动力系统1001内电机转动，从而通过所述传动机构1002给穿戴者施加助力扭矩。

所述主控单元1004G设置于背部护壳1001B之上，在拉索驱动动力装置1001A附近，以减少动力电缆的长度，节省空间和重量。

如图2至图3所示，所述拉索驱动动力装置1001A、拉索1001C、拉索套管1001D均包括左右两侧，且对称设置。所述左右两个拉索驱动动力装置1001AL和1001AR均设置于背部护壳1001B之上，所述左右两个拉索驱动动力装置1001AL和1001AR交叉设置，即左侧拉索驱动动力装置1001AL向右伸出右侧拉索1001CR和右侧第一拉索套管1001D1R，联接右侧传动系统；右侧拉索驱动动力装置1001AR向左伸出左侧拉索1001CL和左侧第一拉索套管1001D1L，联接左侧传动系统。其目的在于增大所述拉索和第一拉索套管转弯半径，减小所述拉索在所述第一拉索套管内的摩擦力。

图4所示为所述动力系统1001实施例，所述拉索驱动动力装置1001A动力输出端传动联接拉索驱动轮32，所述拉索1001C的上端1001C1固定在所述拉索驱动轮32上，所述拉索张力传感器1004A、背壳拉索套管固定头1000B1均固定在动力装置1001A延伸部分——钢轮连接板211上，所述第一拉索套管上端固定在所述背壳拉索套管固定头1000B1内，所述拉索1001C绕过所述拉索驱动轮32及拉索张力传感器1004A，并穿入所述第一拉索套管连接所述传动系统1002。

图5所示为所述髋关节传动机构1002A实施例，所述髋关节传动机构包括髋腰连接段1002A1、髋腿连接段1002A2及髋关节轴1002A3(图中虚线圆圈所示)，所述髋腰连接段1002A1与髋腿连接段1002A2通过所述髋关节轴1002A3旋转联接。髋腰连接段1002A1带有髋第一拉索套管固定头1002A6和主惰轮1002A4，所述髋腿连接段1002A2带有髋第二拉索套管固定头1002A7和行星惰轮1002A5，所述第一拉索套管1001D1下端固定在髋第一拉索套管固定头1002A6内，所述第二拉索套管1001D2上端固定在髋第二拉索套管固定头1002A7内，所述拉索1001C自所述第一拉索套管1001D1下端引出，绕过所述主惰轮1002A4和行星惰轮1002A5，穿入所述第二拉索套管1001D2上端，连接所述膝关节传动机构。

所述主惰轮1002A4轴心偏置于所述髋关节轴1002A3轴心，当所述髋腿连接段1002A2处于图4中A位置时，所述拉索1001C穿过所述髋关节轴1002A3的轴心，所述拉索1001C张紧时不在髋关节传动机构1002A产生扭矩。当所述髋腿连接段1002A2处于图4中B位置时，所述拉索1001C张紧时，在髋关节传动机构1002A产生较大的扭矩，使得所述髋腿连接段1002A2相对于髋腰连接段1002A1伸展，直到所述所述髋腿连接段1002A2回到A位置。调整所述主惰轮1002A4轴心相对于所述髋关节轴1002A3轴心位置可以改变所述拉索1001C张紧时在髋关节传动机构产生的扭矩大小，甚至方向。

图6所示为图5实施例中当所述拉索1001C以相同动力张紧时，在所述髋关节传动机构产生的扭矩随着所述髋腿连接段1002A2与髋腰连接段1002A1相对位置改变而变化曲线；采用这样的扭矩曲线可以使得穿戴者迈步触地时产生较大的打直扭矩，而在直立时，拉索1001C不产生大扭矩，使得髋关节在穿戴者行走时助力符合人体运动动力学。

图7所示为所述膝关节传动机构结构示意图，膝关节传动机构1002B包括膝关节传动轮1002B1和膝关节轴1002B2，所述大腿杆1002C、膝关节传动轮1002B1通过所述膝关节轴1002B2旋转连接，所述小腿转接杆1002D1和所述膝关节传动轮1002B1固连。大腿杆1002C下端带有大腿杆下端拉索套管固定头1002A7，所述拉索1001C自所述第二拉索套管1001D2下端引出，绕于所述膝关节传动轮1002B1，并固定在所述膝关节传动轮1002B1上；当拉索1001C处于松弛状态，所述大腿杆1002C和膝关节传动轮1002B1及小腿杆1002D可以相对自由转动，当拉索1001C张紧时，所述大腿杆1002C和所述膝关节传动轮1002B1及小腿杆1002D相对伸展，直至机械限位阻止其继续伸展。

图8所示为拉索驱动动力装置实施例。

所述拉索驱动助力装置包括动力件1、联接动力件动力输出端的减速机构2、联接减速机构输出端的拉索驱动机构3以及编码器机构4。所述动力件1的动力通过减速机构2减速后，再通过拉索驱动机构3将动力输出。

其中，所述动力件1为电机，包括定子外壳11、转子12、定子线圈13和电机轴承14。所述定子外壳11为薄壁碗状结构，带有定子凹腔112，其中心带有定子环状凸起111，所述定子环状凸起111内带有定子中心通孔1111。所述定子线圈13为环状结构，固定在所述定子凹腔内。所述转子12亦为薄壁碗状结构，其中心亦带有转子环状凸起121，所述转子环状凸起121中心带有转子中心通孔1211。电机轴承14内圈与所述定子环状凸起111外缘配合，外圈与转子中心通孔1211联接。转子12为动力件1的动力输出端，旋转于定子线圈13外侧。转子环状凸起121旋转联接于定子环状凸起111的外侧。

所述减速机构2为谐波减速机，包括钢轮21，与钢轮21旋转联接的旋转轮22，及与旋转轮22传动联接的减速发生器23。钢轮21为圆环结构，所述减速发生器23和旋转轮22在钢轮21内侧旋转运动。所述旋转轮22为凹腔结构，其凹腔端口设置于减速发生器23的外侧与钢轮21内壁之间。所述减速发生器23为减速机构2动力输入端，其旋转会带动旋转轮22减速旋转。电机转子12传动联接所述减速发生器23，所述电机定子外壳11通过钢轮连接板211联接钢轮21。旋转轮22通过设有的旋转轮连接板221与拉索驱动机构3传动联接。旋转轮22在钢轮21内腔旋转运动，其中，旋转轮22的外表面与钢轮21的内壁是滑动联接或不接触运动。钢轮21通过螺栓固定在设有的钢轮连接板211上，且钢轮连接板211通过螺栓与定子外壳11固定联接。钢轮连接板211向外伸出，所述拉索张力传感器1004A和所述背壳第一拉索套管固定头设置于其上。

所述拉索驱动机构3包括承力轴承31和拉索驱动轮32，所述承力轴承31内圈与钢轮连接板211联接，外圈与拉索驱动轮32联接，所述拉索驱动轮32与旋转轮连接板221联接，所述旋转轮连接板221与旋转轮22联接。旋转轮22的动力通过旋转轮连接板221传递至拉索驱动轮32，以使拉索驱动轮32相对于钢轮21转动。

拉索动力驱动装置1001A工作过程如下：所述电机转子12在电力驱动下相对定子外壳11转动，即相对钢轮21转动，从而带动减速发生器23相对钢轮21转动，进而带动旋转轮22相对钢轮21减速转动，再带动旋转轮连接板221、拉索驱动轮32转动；拉索1001C固定在拉索驱动轮32的拉索驱动轮凹槽321内，其在拉索驱动轮32的转动下伸展或收缩。

所述编码器机构4包括中心梁41、第一磁体42和第一磁场感应电路43。所述中心梁41靠近电机1的一端与所述定子中心通孔1111配合，且穿过所述减速发生器23设有的内孔，并延伸至旋转轮22内腔，由中心梁锁紧螺丝411与电机定子外壳11联接，中心梁41远离动力件1的一端带有第一磁场感应电路43。所述第一磁体42联接在所述减速发生器23远离电机1的一侧，与所述第一磁场感应电路43靠近。

所述编码器机构4的工作过程如下：

当所述转子12相对定子外壳11、定子线圈13转动，带动减速发生器23相对定子外壳11转动，即带动减速发生器23、第一磁体42相对中心梁41转动，进而带动第一磁体42相对第一磁场感应电路43旋转，所述第一磁场感应电路43通过感应第一磁体42的相对转动角度从而测量电机转子12相对电机定子线圈13的旋转角度。

所述足底压力传感器1004F构成如图9所示，所述足底压力传感器1004F包括气鞋垫1004F1、导气管1004F2、气囊1004F3、气压传感器1004F4以及传感器导线1004F5，所述气鞋垫1004F1、导气管1004F2、气囊1004F3相互导通且密封在一起，所述气压传感器1004F4设置于所述气囊1004F3内，传感器导线1004F5与其电连接，所述传感器导线1004F5穿过气囊1004F3壁与所述主控单元1004G电连接，所述传感器导线1004F5与气囊1004F3壁填充胶以保持密封；所述气鞋垫1004F1较薄且柔软，难以容纳所述气压传感器1004F4，采用导气管引出到气囊1004F3的方式解决上述问题、简便易行，所述气囊1004F3设置于穿戴者脚上；当穿戴者足部踩在所述气鞋垫1004F1之上时，所述气鞋垫1004F1内部气压增加，与其连通的所述气囊1004F3内部气压也增加，其内所述气压传感器1004F4则可以感知，从而可以感知穿戴者足底与地面之间压力的大小。

另一实施例，如图10所示，所述足底压力传感器1004F包括气鞋垫1004F1及气压传感器1004F4，所述气鞋垫1004F1设于鞋底上表面；所述气压传感器1004F4设置于气鞋垫1004F1内；所述气鞋垫1004F1受到穿戴者的足部挤压，其内部气压产生变化，所述气压传感器1004F4感知气压变化，进而检测穿戴者足底对鞋底的压力。气压传感器1004F4通过传感器导线1004F5与外电路连接。

所述轻便助力装置工作原理如下：所述控制单元1004G不断采集所述传感器1004A-1004F的数据，根据所述足底压力传感器1004F压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器1004D和/或1004E相关传感值是否达到设定门限，来判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态还是处于摆动状态；当判断穿戴者下肢处于触地状态，则根据传感器1004A-1004F所感知穿戴者姿态设定给力目标值，驱动所述动力系统1001收紧拉索1001C以提供扭矩，使拉索张力传感器1004A测量值达到设定值，从而帮助穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器1004B及髋关节角度传感器1004C的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统1001根据放出拉索1001C，使得所述编码器机构4测量值达到设定值。

为提高人体穿戴的舒适度，本实施例的大腿杆1002C、小腿杆1002D均向内弯曲或者采用贴合穿戴者腿部的壳体结构以更好贴合穿戴者腿部，所述大腿上绑带1003D后部、大腿下绑带1003E前部及小腿护壳1003G采用轻质硬质材料带有弧度以适应人体大小腿形状，穿戴体验佳。

本发明所述轻便助力装置可以单腿使用，也可以双腿使用，双腿使用时另一侧腿的结构拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而可以支持穿戴者在使用本发明设备时动作更为灵活、敏捷、舒适。本发明轻便助力设备的动力系统和传动系统通过柔性的拉索套管相连以传递动力，可以适配不同身形的穿戴者，且可以支持穿戴者运动时腰部及下肢自然施展各种动作，穿戴体验好。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种轻便的拉索驱动助力设备，包括动力系统，传动系统，人机连接系统及控制系统；其特征在于，所述动力系统包括背部护壳，固定于背部护壳或其设有的延伸部的拉索驱动动力装置；所述背部护壳与人机连接系统固定联接，且连接于穿戴者的腰部或背部；所述拉索驱动动力装置通过设有的拉索与传动系统传动联接；

所述传动系统包括髋关节传动机构、膝关节传动机构、大腿杆和小腿杆；所述髋关节传动机构包括髋腰连接段、髋腿连接段及髋关节轴；所述髋腰连接段和髋腿连接段通过髋关节轴旋转联接，且可相对自由转动；所述髋腰连接段与人机联接系统固定联接；所述髋腿连接段与大腿杆固定联接；

所述膝关节传动机构包括膝关节轴，与膝关节轴旋转联接的膝关节传动轮；所述膝关节轴固定于大腿杆，以使大腿杆和膝关节传动轮旋转联接；所述小腿杆与膝关节传动轮传动联接；

所述髋关节传动机构包括至少一个惰轮，且旋转联接于髋腰连接段或髋腿连接段的外侧；所述拉索驱动动力装置驱动所述拉索放出或收回，所述拉索的动力输入端与拉索驱动动力装置的动力输出端联接，并且绕经所述惰轮，其动力输出端与所述膝关节传动轮或小腿杆联接；当拉索收紧时，所述髋关节传动机构和膝关节传动机构均受到拉索的拉力而产生转矩；

所述惰轮包括设置于髋腰连接段的至少一个主惰轮，及设置于髋腿连接段至少一个行星惰轮；当髋腰连接段和髋腿连接段相对转动时，所述行星惰轮绕着主惰轮转动；所述拉索绕过所述主惰轮和行星惰轮，并与膝关节传动轮或小腿杆联接；

所述主惰轮的旋转中心偏心于髋关节轴的轴心，以调节拉索张紧时对髋关节传动机构产生的扭矩的大小及方向；

所述动力系统，传动系统，人机连接系统均为二个，且对称设置；其中，二个拉索驱动动力装置左右交叉放置，位于左侧的拉索驱动动力装置控制位于右侧的传动系统，位于右侧的拉索驱动动力装置控制位于左侧的传动系统；

所述拉索外侧设有拉索套管，所述拉索源自所述动力系统，所述拉索穿过第一拉索套管后分别绕过主惰轮和行星惰轮，所述拉索驱动动力装置或背部护壳上设有背部拉索套管固定头，且所述第一拉索套管一端与背部拉索套管固定头固定联接；所述髋腰连接段设有髋第一拉索套管固定头，且所述第一拉索套管另一端与髋第一拉索套管固定头固定联接。

2.根据权利要求1所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，其特征在于，所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、腰部连接段、大腿绑带、小腿绑带；所述背部绑带与所述背部护壳固定，并与穿戴者的背部或腰部固定；所述大腿绑带、小腿绑带分别与所述大腿杆、小腿杆固定，且大腿绑带、小腿绑带分别与穿戴者的大腿、小腿固定；所述腰部连接段联接所述髋腰连接段或/和腰部绑带，所述腰部绑带固定在穿戴者腰部。

3.根据权利要求1所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，其特征在于，所述拉索套管包括第一拉索套管及第二拉索套管；所述髋腿连接段上带有髋第二拉索套管固定头，所述第二拉索套管一端与髋第二拉索套管固定头固定联接；所述大腿杆下端设有大腿杆下端拉索套管固定头，所述第二拉索套管另一端与大腿杆下端拉索套管固定头固定联接；所述拉索上端固定在所述拉索驱动动力装置上，穿过所述第一拉索套管，且分别绕过所述主惰轮和行星惰轮，之后穿过所述第二拉索套管，连接所述膝关节传动轮。

4.根据权利要求1所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，其特征在于，还包括传感控制系统及能源系统；所述能源系统为电池，其为所述传感控制系统、动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、大腿惯性传感器、小腿惯性传感器、足底压力传感器，及主控单元；所述拉索张力传感器其置于所述拉索驱动动力装置或其设有的延伸结构，用于检测拉索的受力；所述膝关节角度传感器设置于膝关节传动机构的膝关节轴，用于测量大腿杆与小腿杆相对角度；所述髋关节角度传感器置于髋关节传动机构的髋关节轴，用于测量腰部连接段与大腿杆的相对角度；所述大腿惯性传感器设置于大腿杆，用于测量大腿杆相对地面的运动角速度及加速度；所述小腿惯性传感器设置于小腿杆，用于测量小腿杆相对地面的运动角速度及加速度；所述足底压力传感器设置于穿戴者足底，用于测量穿戴者足底压力；所述拉索张力传感器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、大腿惯性传感器、小腿惯性传感器、足底压力传感器均与主控单元电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，其特征在于，所述足底压力传感器包括气鞋垫及气压传感器；所述气鞋垫设于鞋底上表面；所述气压传感器设置于气鞋垫内；所述气鞋垫受到穿戴者的足部挤压，其内部气压产生变化，所述气压传感器感知气压变化，进而检测穿戴者足底对鞋底的压力。

6.根据权利要求5所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，其特征在于，还包括与气鞋垫相互联通的气囊；所述气囊通过设有的导气管与气鞋垫密封联通。

7.根据权利要求6所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，其特征在于，所述拉索驱动助力装置包括动力件，联接动力件动力输出端的减速机构，联接减速机构输出端的拉索驱动机构，以及编码器机构；所述动力件的动力通过减速机构减速后，再通过拉索驱动机构将动力输出；拉索驱动机构的动力输出端与拉索的动力输入端联接。

8.根据权利要求7所述的一种轻便的拉索驱动助力设备，所述主控单元不断采集所述传感控制系统的数据，根据所述足底压力传感器压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器相关传感值是否达到设定门限，以判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态或是处于摆动状态；当判断穿戴者下肢处于触地支撑状态，则根据传感控制系统所感知穿戴者姿态并设定给力目标值，驱动所述动力系统收紧拉索以提供扭矩，以使拉索张力传感器测量值达到设定值，从而使穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器及髋关节角度传感器的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统根据放出拉索，使得所述编码器机构测量值达到设定值。

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