CN111096875B - 一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备，包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板旋转联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度。采用本发明柔性承力腰背机构所述轻便助力设备更加贴身，可以适配不同身材的穿戴者，且可以支持穿戴者运动时腰部及下肢自然施展各种动作，有利于穿戴者灵活调整质心，穿戴稳定高、节省助力装置功耗。

Description

一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备

技术领域

本发明涉及可穿戴设备及外骨骼，更具体地说是指一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备。

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均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。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。此外，此类装置自身重量全部需要穿戴者来承担，长时间穿戴会增加穿戴者负担，体验不好。

现有技术中，外骨骼装置腰背机构多采用全刚性机构，如专利200680006514.1、专利200780027195.7披露的均为刚性腰背，其在使用时不贴身、不舒适。专利CN104398322披露了一种柔性背部机构，采用两根钢索来控制腰背的刚性，实现复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性承力腰背机构，包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板旋转联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度。

进一步技术方案：所述主腰板与背板的转动方向的转动轴以及各个相邻所述背板之间的转动方向的转动轴为垂直于穿戴者的冠状面或垂直于穿戴者的矢状面。

进一步技术方案：所述背板与主腰板联接的为第一背板；所述第一背板与主腰板旋转的两侧均设有限位部，以限制第一背板相对于主腰板的转动。

进一步技术方案：其中，相邻所述背板在转动方向上设有第二限位部；所述第二限位部包括前限位与后限位；所述前限位与后限位限制相邻背板的在穿戴者前后方向上的转动角度。

进一步技术方案：所述主腰板与背板内部于竖直方向均设有空腔，且相互联通以形成通腔；所述设有长形弹性体；所述长形弹性体贯通通腔，以使主腰板与背板之间及背板与背板之间具有回复力。

进一步技术方案：所述主腰板及背板内部的空腔偏置于旋转中心；所述长形弹性体于通腔内内处于弯曲状态，且长形弹性体的回复力使得背板位于相应限位处。

进一步技术方案：还包括活动腰板；所述主腰板两端均旋转联接有活动腰板；所述活动腰板与主腰板旋转联接，以适应不同腰围的穿戴者。

一种助力支架，包括髋关节机构、膝关节机构、大腿杆、小腿杆和足部机构；所述髋关节机构上端与所述腰板固定联接，下端与大腿杆旋转联接；所述膝关节机构设有膝关节转轮，其与所述大腿杆下端旋转联接；所述小腿杆上端传动联接所述膝关节转轮，下端联接所述足部机构；还包括上述的腰背机构。

一种轻便助力设备，包括动力系统，上述的助力支架，及人机连接系统；所述动力系统包括拉索驱动动力装置及设于拉索驱动动力装置动力输出端的拉索；所述拉索驱动动力装置通过拉索与助力支架传动联接。

进一步技术方案：所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带；所述背部绑带、腰部绑带与所述腰背机构固定，所述大腿绑带、小腿绑带分别与所述大腿杆、小腿杆固定；

所述拉索驱动动力装置固定于腰背机构；所述髋关节机构设有髋关节惰轮，所述拉索绕过所述髋关节惰轮，并动力输出端固定于膝关节转轮或小腿杆。

进一步技术方案：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和动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器和/或膝关节角度传感器和/或髋关节角度传感器、足底压力传感器及主控单元；

所述拉索张力传感器设置于所述拉索驱动动力装置或其延伸结构上，用以测量所述拉索的张力大小，所述膝关节角度传感器和髋关节角度传感器分别置于所述膝关节机构和髋关节机构内，分别可以测量大腿杆与小腿杆相对角度以及腰部连接段与大腿杆的相对角度；

所述足底压力传感器设置于穿戴者足底，用以检测穿戴者是否触地；

所述主控单元均与拉索张力传感器、或膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、足底压力传感器电性连接。

进一步技术方案：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。

进一步技术方案：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。

进一步技术方案：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：

本发明拉索驱动动力装置通过采用精简结构设计，重量轻、能量密度高。基于拉索驱动动力装置的动力系统，采用拉索传动的方式输出动力，将动力装置上移至穿戴者腰部附近，减轻腿部惯量，提高穿戴者运动灵活性、机动性。采用柔性承力腰背机构一方面可以负荷重物，一方面可以适配穿戴者腰背扭动，使得穿戴者背负重物运动时容易调整质心、稳定性好，其内嵌的弹性体可以使得柔性腰背具备可恢复性，减小负重时所述柔性腰背与穿戴者背部之间的压力。基于所述柔性承力腰背机构的轻便助力设备，集成传感器多，能同时感知穿戴者运动姿态和动力系统状况，从而可以智能地针对穿戴者运动姿态控制所述动力系统拉紧或放松拉索。拉紧拉索时为穿戴者提供助力支持，放松拉索时允许穿戴者下肢自由摆动，本发明简化助力装置控制、提升穿戴者体验、降低成本并提高系统可靠性。

本发明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，从而穿戴者在使用本发明装置时动作更为灵活、敏捷、舒适。采用本发明柔性承力腰背机构所述轻便助力设备更加贴身，可以适配不同身材的穿戴者，且可以支持穿戴者运动时腰部及下肢自然施展各种动作，有利于穿戴者灵活调整质心，穿戴稳定高、节省助力装置功耗。

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为本发明一种柔性承力腰背机构实施例侧视示意图；

图2为本发明一种柔性承力腰背机构实施例正视示意图；

图3为本发明一种柔性承力腰背机构的第五背板与第六背板旋转联接侧视示意图；

图4为本发明一种柔性承力腰背机构的第五背板与第六背板旋转联接A-A剖面示意图；

图5为本发明一种柔性承力腰背机构的主腰板与活动腰部旋转联接俯视示意图；

图6为本发明一轻便助力设备的穿戴使用示意图；

图7为本发明轻便助力设备的动力系统实施例示意图；

图8为本发明轻便助力设备的动力系统B-B剖面示意图；

图9为本发明轻便助力设备的髋关节机构示意图；

图10为本发明轻便助力设备的膝关节机构示意图；

图11为本发明轻便助力设备的足底压力传感器一实施例的结构示意图；

图12为本发明轻便助力设备的足底压力传感器另一实施例的结构示意图。

附图标记如下：

1—动力系统；1A—电机；1A1—定子外壳；1A11—定子环状凸起；1A111—定子中心通孔；1A12—定子凹腔；1A2—转子；1A21—转子环状凸起；1A211—转子中心通孔；1A3—定子线圈；1A4—电机轴承；1B—减速机构；1B1—钢轮；1B11—钢轮连接板；1B2—旋转轮；1B21—旋转轮连接板；1B3—减速发生器；1C—拉索驱动机构；1C1—承力轴承；1C2—拉索驱动轮；1C21—拉索驱动轮凹槽；1D—编码器机构；1D1—中心梁；1D11—中心梁锁紧螺丝；1D2—第一磁体；1D3—第一磁场感应电路；1E—拉索；1E1—拉索固定端；1E2—第一拉索套管；1E3—第一拉索套管上端固定端；

2—助力支架；2A—腰背机构；2A1—主腰板；2A11—第一轴线；2A12—第一轴线左限位；2A13—第一轴线右限位；2A14—腰后延伸板；2A2—活动腰板；2A21—第二轴线；2A3—第一背板；2A31—第三轴线；2A4—第二背板；2A41—第四轴线；2A5—第三背板；2A51—第五轴线；2A6—第四背板；2A61—第六轴线；2A7—第五背板；2A71—第七轴线；2A72—第七旋转通孔；2A73—第七轴销；2A74—第七竖直空腔；2A75—前限位；2A76—后限位；2A8—第六背板；2A82—第八旋转通孔；2A84—第八竖直空腔；2A9—长形弹片；2B—髋关节机构；2B1—髋腰连接段；2B2—髋腿连接段；2B3—髋关节轴；2B4—主惰轮；2B5—行星惰轮；2B6—髋第一拉索套管固定头；2B7—髋第二拉索套管固定头；2C—膝关节机构；2C1—膝关节传动轮；2C2—膝关节轴；2D—大腿杆；2D1—第二拉索套管；2D2—大腿杆下端拉索套管固定头；2E—小腿杆；2F—足部机构；

3—人机连接系统；3A—背部绑带；3B—腰部绑带；3C—大腿绑带；3D—小腿绑带；3E—足部绑带

4—传感控制系统；4A—拉索张力传感器；4A1—力感应梁；4A2—力感应片；4A3—施力惰轮；4B—膝关节角度传感器；4B1—第二磁体；4B2—第二磁场感应电路；4C—髋关节角度传感器；4C1—第三磁体；4C2—第三磁场感应电路；4D—大腿惯性传感器；4E—小腿惯性传感器；4F—足底压力传感器；4F1—气鞋垫；4F2—导气管；4F3—气囊；4F4—气压传感器；4F5—传感器导线；4G—主控单元；

5—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12为本发明实施例的图纸。

一种柔性承力腰背机构实施例：

一种柔性承力腰背机构2A，如图1、图2所示，包括主腰板2A1、活动腰板2A2以及若干背板。本实施例采用6个背板，分别为第一背板2A3、第二背板2A4、第三背板2A5、第四背板2A6、第五背板2A7、第六背板2A8。所述主腰板2A1为C字形结构，贴合设置于穿戴者后腰部，其与所述第一背板2A3通过第一轴线2A11旋转联接，所述第一轴线2A11垂直于冠状面。所述第一背板2A3至第六背板2A8分别通过所述第三轴线2A31、第四轴线2A41、第五轴线2A51、第六轴线2A61、第七轴线2A71顺次旋转联接，所述第三轴线2A31至第七轴线2A71垂直于矢状面。所述第一背板2A3至第六背板2A8设置于穿戴者脊柱对应位置，通过背部绑带与穿戴者脊柱耦合。

主腰板2A1中部上端与背板转动联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板2A1相对于背板具有多个转动自由度。当穿戴者向前弯曲或向后伸展背部时，所述第一背板2A3至第六背板2A8分别基于所述第三轴线2A31至第七轴线2A71相互转动，从而可以跟随穿戴者背部向前弯曲或向后伸展。当穿戴者背部向左右扭动时，所述主腰板2A1和所述第一背板2A3之间基于所述第一轴线2A11转动，从而可以跟随穿戴者背部向左或向右扭动，使得所述腰部机构带有柔性。

于其他实施例中，第一轴线2A11垂直于穿戴者的矢状面，穿戴者向前弯曲或向后伸展背部。第三轴线2A31至第七轴线2A71垂直于冠状面，穿戴者背部向左右扭动。

于其他实施例中，主腰板2A1与背板、第一背板2A3至第六背板2A8均可以采用万向球联接，以使获得更多自由度。

于其他实施例中，第一轴线2A11垂直于穿戴者的矢状面后冠状面，第三轴线2A31至第七轴线2A71间隔垂直于矢状面或冠状面。如第三轴线2A31、第五轴线2A51、第七轴线2A71垂直于矢状面，第四轴线2A41、第六轴线2A61垂直于冠状面，以使获得更多转动自由度。

第一轴线2A11、第三轴线2A31至第七轴线2A71的旋转方向上均带有限位，限制所述主腰板2A1和所述第一背板2A3之间、以及第一背板2A3至第六背板2A8各个背板之间相互转动的角度范围。

如图2所示，主腰板2A1和所述第一背板2A3之间旋转联接设有左限位2A12和右限位2A13。第一限位部包括左限位2A12和右限位2A13。左限位2A12和右限位2A13限制了第一背板2A3相对于主腰板2A1在左右方向上的转动角度。

图3所示为第五背板2A7、第六背板2A8旋转联接限位示例。第五背板2A7、第六背板2A8旋转联接设有前限位2A75和后限位2A76，限制第五背板2A7、第六背板2A8在前后旋转运动上的角度。当负载重物设置于所述第一背板2A3至第六背板2A8之上时，在其重力作用下，所述各个旋转联接分别旋转至左/右限位和前/后限位处，此时所述腰背机构刚性增加，不再继续弯曲，负载重量传递至主腰板2A1。

其它相邻之间的背板的结构与第五背板2A7、第六背板2A8之间的结构相同，在此不做重复。

如图1、图2所示，所述柔性承力腰背机构2A还包括长形弹性体2A9。所述主腰板2A1、第一背板2A3至第六背板2A8内部在竖直方向均带有空腔，所述主腰板2A1和各个背板2A3至2A8内所述空腔上下连通，形成通腔。所述长形弹性体2A9贯通于通腔，即设置于主腰板2A1和各个背板2A3至2A8内部空腔内，所述腰背机构2A各个旋转联接在所述长形弹性体2A9作用下具备可回复性。

图3、图4分别为所述第五背板2A7与第六背板2A8之间旋转联接侧视图以及正视剖面图。所述第五背板2A7带有第七旋转通孔2A72，所述第六背板2A8带有第八旋转通孔2A82。所述第七轴销2A73穿过所述通孔2A72和2A82，使得所述第五背板2A7和第六背板2A8形成旋转联接。所述第五背板2A7和所述第六背板2A8分别带有竖立方向空腔2A74和2A84，其衔接形成上下贯通的通腔。所述空腔2A74和2A84均偏置于所述第七轴线2A71，并设置在所述第七轴销2A73的后方，以使长形弹性体2A9不影响转动。

所述长形弹性体2A9为玻璃纤维管，贯通嵌入所述空腔2A74和2A84内，并延伸至整个通腔。所述长形弹性体2A9使得所述第五背板2A7和第六背板2A8旋转联接具有回复性。

其中，第一背板2A3与第二背板2A4之间的结构、第二背板2A4与第三背板2A5之间的结构、第三背板2A5与第四背板2A6之间的结构、第四背板2A6与第五背板2A7之间的结构，和第五背板2A7与第六背板2A8之间的结构相同。

图5所示为主腰板2A1和活动腰板2A2联接俯视示意图。所述主腰板2A1和所述活动腰板2A2分别沿着左侧竖直轴线2A12L和右侧竖直轴线2A12R旋转联接。主腰板2A1和所述活动腰板2A2联接的相对角度可以变化，这样其可以适应腰围尺寸不同的穿戴者使用。

一种助力支架实施例如图6所示。

助力支架2包括柔性承力腰背机构2A、髋关节机构2B、膝关节机构2C、大腿杆2D、小腿杆2E和足部机构2F。所述柔性承力腰背机构2A如上所述。

所述髋关节机构2B包括髋腰连接段2B1、髋腿连接段2B2以及髋关节轴2B3。所述髋腰连接段2B1与所述髋腿连接段2B2通过所述髋关节轴2B3旋转连接。

膝关节机构2C包括膝关节传动轮2C1及膝关节轴2C2，所述膝关节传动轮2C1与所述大腿杆2D下端通过膝关节轴2C2旋转联接，所述小腿杆2E上端与膝关节传动轮2C1传动联接，其下端传动联接所述足部机构2F。足部机构2F带有刚性支架，所述刚性支架上端旋转联接所述小腿杆2E，下端支撑到地面。

所述髋腰连接段2B1上端与所述活动腰板2A2固定联接，其联接固定位可以沿着活动腰板2A2调整，以适应不同腰围穿戴者。

当助力支架2腰背机构上带有负载时，所述负载可以沿着腰背机构2A、髋关节机构2B、大腿杆2D、膝关节机构2C、小腿杆2E以及足部机构2F直接将载荷重量卸放到地面，以使负载不通过人体，从而可以减轻穿戴者背负重物的负担。

本发明轻便助力设备实施例如图6所示。

所述轻便助力设备包括动力系统1、助力支架2、人机连接系统3、传感控制系统4以及能源系统5。所述动力系统1及能源系统5固定在所述腰背机构2A上，所述人机连接系统3联接穿戴者和助力支架2，所述传感控制系统4感知与穿戴者动作并控制所述动力系统1施加力矩。

图7、图8所示为所述动力系统1实施例。图7所示为所述动力系统1正视示意图，图8所示为图7所示动力系统B-B剖面示意。所述动力系统1包括电机1A、联接电机动力输出端的减速机构1B、联接减速机构输出端的拉索驱动机构1C、编码器机构1D以及拉索1E。所述电机1A的动力通过减速机构1B减速后，再通过拉索驱动机构1C驱动与其联接的拉索1E伸出或收回。

其中，所述电机1A包括定子外壳1A1、转子1A2、定子线圈1A3和电机轴承1A4。所述定子外壳1A1为薄壁凹型结构，带有定子凹腔1A12，其中心带有定子环状凸起1A11，所述定子环状凸起1A11内带有定子中心通孔1A111。所述定子线圈1A3为环状结构，固定在所述定子凹腔1A12内。所述转子1A2亦为薄壁凹型结构，其中心亦带有转子环状凸起1A21，所述转子环状凸起1A21中心带有转子中心通孔1A211。电机轴承1A4内圈与所述定子环状凸起1A11外缘配合，外圈与转子中心通孔1A211联接。转子1A2为动力件1A的动力输出端，旋转于定子线圈1A3外侧。转子环状凸起1A21旋转联接于定子环状凸起1A11的外侧。

所述减速机构1B为谐波减速机，包括钢轮1B1，与钢轮1B1旋转联接的旋转轮1B2，及与旋转轮1B2传动联接的减速发生器1B3。钢轮1B1为圆环结构，所述减速发生器1B3和旋转轮1B2在钢轮1B1内侧旋转运动。所述旋转轮1B2为凹腔结构，其凹腔端口设置于减速发生器1B3的外侧与钢轮1B1内壁之间。所述减速发生器1B3为减速机构1B动力输入端，其旋转会带动旋转轮1B2减速旋转。电机转子1A2传动联接所述减速发生器1B3，所述电机定子外壳1A1通过钢轮连接板1B11联接钢轮1B1。旋转轮1B2通过设有的旋转轮连接板1B21与拉索驱动机构3传动联接。旋转轮1B2在钢轮1B1内腔旋转运动，其中，旋转轮1B2的外表面与钢轮1B1的内壁通过齿啮合联接。钢轮1B1通过螺栓固定在设有的钢轮连接板1B11上，且钢轮连接板1B11通过螺栓与定子外壳1A1固定联接。钢轮连接板1B11向外伸出，所述拉索张力传感器4A和所述第一拉索套管固定端1E3设置于其上。

所述拉索驱动机构1C包括承力轴承1C1和拉索驱动轮1C2，所述承力轴承1C1内圈与钢轮连接板1B11联接，外圈与拉索驱动轮1C2联接，所述拉索驱动轮1C2与旋转轮连接板1B21联接，所述旋转轮连接板1B21与旋转轮1B2联接。旋转轮1B2的动力通过旋转轮连接板1B21传递至拉索驱动轮1C2，以使拉索驱动轮1C2相对于钢轮1B1转动。

所述拉索1E一端带有圆柱状拉索固定端1E1，其固定在所述拉索驱动轮1C2上，所述拉索驱动轮1C2的转动会带动所述拉索1E1伸出或收回。拉索1E1另一端通过所述第一拉索套管1E2与所述助力支架传动联接，所述第一拉索套管上端固定端1E3固定在所述钢轮连接板1B11上。

所述动力系统1工作过程如下：所述电机转子1A2在电力驱动下相对定子外壳1A1转动，即相对钢轮1B1转动，从而带动减速发生器1B3相对钢轮1B1转动，进而带动旋转轮1B2相对钢轮1B1减速转动，再带动旋转轮连接板1B21、拉索驱动轮1C2转动；拉索1E固定在拉索驱动轮1C2的拉索驱动轮凹槽1C21内，其在拉索驱动轮1C2的转动下伸展或收缩。

所述编码器机构1D包括中心梁1D1、第一磁体1D2和第一磁场感应电路1D3。所述中心梁1D1靠近电机1A的一端与所述定子中心通孔1A111配合，且穿过所述减速发生器1B3设有的内孔，并延伸至旋转轮1B2内腔，由中心梁锁紧螺丝1D11与电机定子外壳1A1联接，中心梁1D1远离电机1A的一端带有第一磁场感应电路1D3。所述第一磁体1D2联接在所述减速发生器1B3远离电机1A的一侧，与所述第一磁场感应电路1D3靠近。

所述编码器机构1D的工作过程如下：

当所述转子1A2相对定子外壳1A1、定子线圈1A3转动，带动减速发生器1B3相对定子外壳1A1转动，即带动减速发生器1B3、第一磁体1D2相对中心梁1D1转动，进而带动第一磁体1D2相对第一磁场感应电路1D3旋转，所述第一磁场感应电路1D3通过感应第一磁体1D2的相对转动角度从而测量电机转子1A2相对电机定子线圈1A3的旋转角度。

图9所示为所述髋关节机构2B实施例，所述髋关节机构2B包括髋腰连接段2B1、髋腿连接段2B2及髋关节轴2B3(图中虚线圆圈所示)，所述髋腰连接段2B1与髋腿连接段2B2通过所述髋关节轴2B3旋转联接。髋腰连接段2B1带有髋第一拉索套管固定头2B6和主惰轮2B4，所述髋腿连接段2B2带有髋第二拉索套管固定头2B7和行星惰轮2B5，所述第一拉索套管1E2下端固定在髋第一拉索套管固定头2B6内，所述第二拉索套管2D1上端固定在髋第二拉索套管固定头2B7内，所述拉索1E自所述第一拉索套管1D1下端引出，绕过所述主惰轮2B4和行星惰轮2B5，穿入所述第二拉索套管1D2上端，连接所述膝关节机构2C。

图10所示为所述膝关节机构2C实施例，所述膝关节机构2C包括膝关节传动轮2C1和膝关节轴2C2，所述大腿杆2D和膝关节传动轮2C1通过所述膝关节轴2C2旋转连接，所述小腿杆2E和所述膝关节传动轮2C1固连。大腿杆2D下端带有大腿杆下端拉索套管固定头2B7，所述拉索1E自所述第二拉索套管2D1下端引出，绕于所述膝关节传动轮2C1，并固定在所述膝关节传动轮2C1上；当拉索1E处于松弛状态，所述大腿杆2D和膝关节传动轮2C1及小腿杆2E可以相对自由转动，当拉索1E张紧时，所述大腿杆2D和所述膝关节传动轮2C1及小腿杆2E相对伸展，直至机械限位阻止其继续伸展。

所述拉索1E源自所述动力系统1，穿过第一拉索套管1E2后分别绕过髋关节机构2B1内主惰轮2B4和行星惰轮2B5，再穿过第二拉索套管2D1，之后绕于膝关节传动轮2C1之上，其下端固定在所述膝关节传动轮2C1之上。

动力系统通过拉索1E和第一拉索套管1E2和第二拉索套管2D1驱动所述助力支架：当拉索1E处于松弛状态时，所述髋关节机构2B和膝关节机构2C均处于自由转动状态；当拉索1E处于张紧状态时，所述髋关节机构2B和膝关节机构2C均产生扭矩，所述扭矩的大小和方向分别与髋关节机构2B内部结构以及膝关节传动轮2C1设置的大小有关。

如图6所示，所述人机连接系统3包括背部绑带3A、腰部绑带3B、大腿上绑带3C、小腿上绑带3D以及足部绑带3E，所述背部绑带3A及腰部绑带3B将所述腰背机构2A及动力系统1固定在穿戴者腰背，所述大腿绑带3C与大腿杆2D联接，所述小腿绑带3D与小腿杆2E联接，所述足部绑带3E与足部机构2F联接；在穿戴使用时，大腿绑带3C、小腿绑带3D、足部绑带3E分别与人体大腿、小腿及足部相对位置固定，从而将所述助力支架2固定于穿戴者下肢上。

图11所示为本发明所述足底压力传感器4F一个实施例。所述足底压力传感器4F包括气鞋垫4F1、导气管4F2、气囊4F3、气压传感器4F4以及传感器导线4F5，所述气鞋垫4F1、导气管4F2、气囊4F3相互导通且密封在一起，所述气压传感器4F4设置于所述气囊4F3内，传感器导线4F5与其电连接，所述传感器导线4F5穿过气囊4F3壁与所述主控单元4G电连接，所述传感器导线4F5与气囊4F3壁填充胶以保持密封。气鞋垫4F1较薄且柔软，难以容纳所述气压传感器4F4，采用导气管引出到气囊4F3的方式解决上述问题、简便易行，所述气囊4F3设置于所述左立板2F11L或右立板2F11R上；当穿戴者足部踩在所述气鞋垫4F1之上时，所述气鞋垫4F1内部气压增加，与其连通的所述气囊4F3内部气压也增加，其内所述气压传感器4F4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。

图12为足底压力传感器4F另一实施例，与图11不同，所述气压传感器4F4直接放置于所述气鞋垫4F1的脚腰内，所述传感器导线4F5电连接所述气压传感器4F4，其与所述气鞋垫4F1壁填充胶以保持密封。此实施例适用于所述气压传感器4F4比较轻薄的情况

所述能源系统5为动力电池组，其为所述传感控制系统4、动力系统1供电。传感控制系统4包括拉索张力传感器4A、膝关节角度传感器4B、髋关节角度传感器4C、大腿惯性传感器4D和小腿惯性传感器4E、足底压力传感器4F及主控单元4G。拉索张力传感器4A如图8、图9所示，其置于固定在所述动力系统1延伸结构钢轮连接板1B11上，当拉索1E张紧时会向施力惰轮4A3其施加一个力F，其内力感应片4A2能够感测此力大小。膝关节角度传感器4B和髋关节角度传感器4C分别置于所述膝关节机构2B和髋关节机构2C，分别可以测量大腿杆2D与小腿杆2E相对角度以及所述活动腰板2A2与大腿杆2D的相对角度。大腿惯性传感器4D和小腿惯性传感器4E分别设置于大腿杆2D及小腿杆2E上，感测所述大腿杆2D及小腿杆2E对地运动的角速度及加速度。足底压力传感器4F设置于穿戴者足底，用以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。

所述主控单元4G包括处理器、存储器及通信接口，其电连接动力系统1以及各个传感器4A-4G，对采集到的穿戴者运动姿态信息进行计算分析处理，并控制所述动力系统1内电机转动，收回或放出拉索1E，通过所述助力支架2给穿戴者施加助力扭矩。

所述主控单元4G设置于与主腰板2A1固联的腰后延伸板2A14上，在动力系统1附近，以减少动力电缆的长度，节省空间和重量。

所述轻便助力设备工作原理如下：所述控制单元4G不断采集所述传感器4A-4F的数据，根据所述足底压力传感器4F压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器4E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4A-4F所感知穿戴者姿态设定给力目标值，驱动所述动力系统1收紧拉索1E以提供扭矩，使拉索张力传感器4A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4B及髋关节角度传感器4C的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统1根据放出拉索1E，使得所述编码器机构1D测量值达到设定值。

本发明所述轻便助力设备可以单腿使用，也可以双腿使用，双腿使用时另一侧腿的结构类似，不再赘述。

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装置时动作更为灵活、敏捷、舒适。采用本发明柔性承力腰背机构所述轻便助力设备更加贴身，可以适配不同身材的穿戴者，且可以支持穿戴者运动时腰部及下肢自然施展各种动作，有利于穿戴者灵活调整质心，穿戴稳定高、节省助力装置功耗。

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 (6)

1.一种轻便助力设备，其特征在于，包括助力支架、动力系统、人机连接系统、传感控制系统以及能源系统；所述动力系统及能源系统固定在所述助力支架上，所述人机连接系统联接穿戴者和助力支架，所述传感控制系统感知与穿戴者动作并控制所述动力系统施加力矩；

其中，所述助力支架包括髋关节机构、膝关节机构、大腿杆、小腿杆、足部机构及柔性承力腰背机构；所述髋关节机构上端与所述柔性承力腰背机构固定联接，下端与大腿杆旋转联接；所述膝关节机构设有膝关节转轮，且所述大腿杆下端旋转联接；所述小腿杆上端传动联接所述膝关节转轮，下端联接所述足部机构；

其中，所述柔性承力腰背机构包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板转动联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度；所述主腰板与背板内部于竖直方向均设有空腔，且相互联通以形成通腔；所述通腔内设有长形弹性体；所述长形弹性体贯通通腔，以使主腰板与背板之间、背板与背板之间具有回复力；所述主腰板及背板内部的空腔偏置于主腰板与背板的旋转中心或相邻背板的旋转中心；所述长形弹性体于通腔内处于弯曲状态，且长形弹性体的回复力使得背板位于相应限位处；所述背板与主腰板联接的为第一背板；主腰板和所述第一背板之间的旋转联接处设有第一限位部，所述第一限位部包括左限位和右限位，所述左限位和右限位用于限制所述第一背板相对于主腰板在左右方向上的转动角度；其中，相邻所述背板在转动方向上设有第二限位部；所述第二限位部包括前限位与后限位；所述前限位与后限位限制相邻背板的在穿戴者矢状面方向上的转动角度；

其中，所述动力系统包括电机、联接电机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、编码器机构以及拉索；所述电机的动力通过减速机构减速后，再通过所述拉索驱动机构驱动与其联接的拉索伸出或收回；

所述拉索驱动机构包括承力轴承和拉索驱动轮，所述承力轴承内圈与所述减速机构设置的钢轮连接板联接，外圈与所述拉索驱动轮联接，所述拉索驱动轮通过设置的旋转轮连接板联接于设置的旋转轮；以使所述旋转轮驱动所述拉索驱动轮相对于设置的钢轮转动；

所述拉索一端带有圆柱状拉索固定端，其固定在所述拉索驱动轮上，所述拉索驱动轮带动所述拉索伸出或收回，所述拉索另一端与所述助力支架传动联接；

所述编码器机构包括中心梁、第一磁体和第一磁场感应电路，所述中心梁靠近所述电机的一端与所述电机的定子中心通孔配合，且穿过所述减速机构的减速发生器设有的内孔，并延伸至所述旋转轮的内腔，所述中心梁与所述电机的电机定子外壳联接，所述第一磁体联接在所述减速发生器远离电机的一侧且与所述第一磁场感应电路靠近。

2.根据权利要求1所述的一种轻便助力设备，其特征在于，所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带；所述背部绑带、腰部绑带与所述腰背机构固定，所述大腿绑带、小腿绑带分别与所述大腿杆、小腿杆固定；

所述拉索驱动机构固定于腰背机构；所述髋关节机构设有髋关节惰轮，所述拉索绕过所述髋关节惰轮，并动力输出端固定于膝关节转轮或小腿杆。

3.根据权利要求1所述的一种轻便助力设备，其特征在于，

所述能源系统为电池，其为所述传感控制系统和动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器，和/或膝关节角度传感器，和/或髋关节角度传感器、足底压力传感器及主控单元；

所述拉索张力传感器设置于所述拉索驱动机构或其延伸结构上，用以测量所述拉索的张力大小；所述膝关节角度传感器和髋关节角度传感器分别置于所述膝关节机构和髋关节机构内，分别可以测量大腿杆与小腿杆相对角度以及腰部连接段与大腿杆的相对角度；

所述足底压力传感器设置于穿戴者足底，用以检测穿戴者是否触地；

所述主控单元均与拉索张力传感器、或膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、足底压力传感器电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种轻便助力设备，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。

5.根据权利要求4所述的一种轻便助力设备，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。

6.根据权利要求4所述一种轻便助力设备，其特征在于，还包括惯性传感器和编码器机构；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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