CN111409060A - 能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其包括：髋关节、膝关节以及设置于所述髋关节和膝关节处的锁止机构；所述锁止机构包括：关节锁止单元和直线驱动器，所述关节锁止单元包括：固定座、锁止销以及弹性件，所述锁止销装配于所述固定座中，其一端形成锁止端，并自所述固定座中伸出，另一端设置有凸台，所述弹性件设置于所述固定座和凸台之间；所述直线驱动器包括：能够伸出的圆杆，所述圆杆一端能够与所述锁止销的另一端相抵靠，并驱动所述锁止销进行锁止动作，所述髋关节和膝关节上还开设有与所述锁止销相配合的锁止孔。本发明能够解决大负重下，穿戴者在站立休息时，如何最大程度减少外骨骼与人组成的系统总体能耗问题。

Description

能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼

技术领域

本发明涉及穿戴技术领域，尤其涉及一种能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼。

背景技术

针对背部大负重助力领域，穿戴者可能是工厂搬运工人、可能是军人。当穿戴者长时间行走后，如果需要休息，穿戴者要么寻地休息要么原地站立休息，而地形环境较为复杂时，寻地休息有时较为困难.同时，穿戴者大负重时，坐下与起身动作都较为困难。那么如何在穿戴者原地站立时最大可能的减少能耗，是亟待解决的问题。

目前，对于大部分可穿戴主动助力外骨骼机器人，穿戴者若需要维持站立态，髋关节、膝关节的驱动电机则需要较大输出扭矩来维持这一状态才能使得穿戴者低能耗休息，这也使得外骨骼整体续航时间变短，对驱动电机的输出扭矩值需求较高。而那些可穿戴关节被动助力外骨骼机器人，也只是将负重重量传导至地面，在关节处仍然需要穿戴者提供扭矩来维持系统平衡，这也使得穿戴者还是需要一定能量消耗。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，以克服现有技术中存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明提供一种能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其包括：髋关节、膝关节以及设置于所述髋关节和膝关节处的锁止机构；

所述锁止机构包括：关节锁止单元和直线驱动器，所述关节锁止单元包括：固定座、锁止销以及弹性件，所述锁止销装配于所述固定座中，其一端形成锁止端，并自所述固定座中伸出，另一端设置有凸台，所述弹性件设置于所述固定座和凸台之间；所述直线驱动器包括：能够伸出的圆杆，所述圆杆一端能够与所述锁止销的另一端相抵靠，并驱动所述锁止销进行锁止动作，所述髋关节和膝关节上还开设有与所述锁止销相配合的锁止孔。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述弹性件为弹簧，其套装于所述锁止销上，其一端所述固定座相接触，另一端与所述凸台相接触。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述固定座的一侧凸伸设置有螺丝孔，所述固定座通过螺丝锁附于所在髋关节的大腿杆及所在的膝关节的小腿杆上。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述直线驱动器通过固定环和螺丝固定于所在髋关节的大腿杆及所在的膝关节的小腿杆上。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述圆杆具有丝杆结构。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述下肢负重助力外骨骼还包括主控电池盒中集成有外骨骼的第一控制电路板，所述锁止机构还包括节点板盒，所述节点板盒中集成有第二控制电路板，所述第二控制电路板与第一控制电路板信号传输，所述第一控制电路板由状态激活开关控制发送信号至所述第二控制电路板，所述第二控制电路板控制所述圆杆的伸出动作。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述下肢负重助力外骨骼还包括手动开关组件，其包括：路径盖、锁止把手、拉索钢绳、拉索套管上接头、拉索套管下接头，所述路径盖设置于连接至所述髋关节的腰部圆管上，所述锁止把手沿所述路径盖所限定的路径滑动地设置于所述路径盖中，所述拉索钢绳一端通过所述拉索套管上接头与所述锁止把手相连接，另一端通过所述拉索套管下接头与所述圆杆另一端相连接。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述下肢负重助力外骨骼还包括负重平台，所述负重平台通过螺丝与髋关节的腰部圆管固定连接。

作为本发明的下肢负重助力外骨骼的改进，所述膝关节具有膝上限位面与膝下限位面，所述下肢负重助力外骨骼在站立状态时，所述膝上限位面与膝下限位面相抵靠。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够解决大负重下，穿戴者在站立休息时，如何最大程度减少外骨骼与人组成的系统总体能耗问题。

具体地，本发明通过锁止机构，可使髋关节输出法兰与大腿杆的机械锁止，无需电池驱动电机或其他执行器；通过膝关节锁止单元，可使大腿杆与小腿杆的机械锁止，无需电池驱动电机或其他执行器；此时穿戴者只需要维持整体外骨骼与人的系统平衡，其总体能耗会大大减少。

当穿戴者需要解除站立态休息状态时，按动状态激活开关，即可实现以上动作的逆过程，以实现自锁状态解除。

当穿戴者需要站立态休息时，穿戴者可通过拉动手动开关组件中的锁止把手，沿着路径盖的路径，滑到路径另一端，拉动锁止把手滑动到路径另一端，也即意味着拉动拉索钢绳，拉索钢绳在手动开关组件内部的长度变长，则拉索钢绳会拉动钢绳下端顶柱往上顶出，顶出锁止销以完成激活功能。

当穿戴者需要解除站立态休息状态时，拉动手动开关组件中的锁止把手，沿着路径盖的路径，反向拉动，在弹簧的作用下锁止销弹回原位置，激活状态解除。

髋关节屈伸驱动执行器中的谐波减速器的柔轮机架与大腿杆通过螺丝固定。从而，髋关节输出法兰与大腿杆之间，当髋关节屈伸驱动执行器工作时，会产生相对旋转，也即带动髋关节旋转运动。

膝关节处其屈伸驱动执行器在主控电池盒中的锂电池组供电下，通过其主控控制屈伸驱动器的工作，从而控制大腿杆与小腿杆的相对旋转，也即膝关节的旋转运动。

此时膝关节锁止单元的状态是锁止动作的非激活状态，此时小腿直线驱动器处于不通电状态，由于其内部丝杆结构，所以其末端圆杆可实现直线状态自锁，也即锁止销在固定座、弹簧及小腿直线驱动器的作用下，保持静止。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼一实施例的立体示意图；

图2为图1中髋关节的立体放大示意图；

图3为图1中膝关节的立体放大示意图；

图4为图1中固定座的内部结构示意图；

图5为图1中膝关节另一角度的立体放大示意图；

图6为手动开关组件的立体示意图；

图7为图6中路径盖的内部机构示意图；

图8为带角度传感器盘式电机和谐波减速器的截面示意图；

图9为图1中锁止单元的锁止销伸出时的状态示意图；

图10为图1中下肢负重助力外骨骼的侧视图；

图11为手动开关组件中拉索钢绳与直线驱动器的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本发明提供一种能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其包括：髋关节、膝关节以及设置于髋关节和膝关节处的锁止机构。通过锁止机构能够解决大负重下，穿戴者在站立休息时，如何最大程度减少外骨骼与人组成的系统总体能耗问题。

其中，锁止机构包括：关节锁止单元和直线驱动器，关节锁止单元包括：固定座、锁止销以及弹性件，锁止销装配于固定座中，其一端形成锁止端，并自固定座中伸出，另一端设置有凸台，弹性件设置于固定座和凸台之间；直线驱动器包括：能够伸出的圆杆，圆杆一端能够与锁止销的另一端相抵靠，并驱动锁止销进行锁止动作，髋关节和膝关节上还开设有与锁止销相配合的锁止孔。

下面结合一具体的实施例，对本发明的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼的技术方案进行举例说明。

本实施例的下肢负重助力外骨骼包括：负重平台1、主控电池盒2、髋关节输出法兰3、屈伸驱动执行器4、大腿杆5、髋关节锁止单元6、大腿直线驱动器7、直线驱动器固定环8、大腿节点板盒9、膝关节锁止单元10、小腿直线驱动器11、小腿节点板盒12、小腿杆13、小腿绑缚板14、鞋底15、固定座16、弹簧17、锁止销18、膝上限位面19、膝下限位面20、手动开关组件21、路径盖22、锁止把手23、拉索套管上接头24、拉索钢绳25、拉索套管26、腰部圆管27、带角度传感器盘式电机28、谐波减速器29、锁止孔31、状态激活开关32、钢绳下端顶柱33、拉索套管下接头34。

如图1所示，为本发明外骨骼总体示意图。

其中，负重平台1下方通过螺丝固定了主控电池盒2，主控电池盒2中里包含了外骨骼系统控制电路板，以及为髋膝四个屈伸驱动执行器4工作提供能源的锂电池组。负重平台1通过螺丝与腰部圆管27连接。腰部圆管27通过螺丝与髋关节输出法兰3连接。以上为腰背部结构。

下面描述髋关节及膝关节的旋转运动工作原理：

髋关节输出法兰3作为髋关节屈伸驱动执行器4的面输出端，如图8，髋关节输出法兰3通过螺丝与谐波减速器29的刚轮机架连接，作为输出端。如图1，髋关节屈伸驱动执行器4中的谐波减速器29的柔轮机架与大腿杆5通过螺丝固定。从而，髋关节输出法兰3与大腿杆5之间，当髋关节屈伸驱动执行器4工作时，会产生相对旋转，也即带动髋关节旋转运动。

膝关节处的旋转运动与髋关节的旋转运动原理类似，其屈伸驱动执行器4在主控电池盒2中的锂电池组供电下，通过其主控控制屈伸驱动器4的工作，从而控制大腿杆5与小腿杆13的相对旋转，也即膝关节的旋转运动。

穿戴者腰部与腰部圆管27通过绑缚带绑定，穿戴者小腿通过绑缚带与绑缚板14也即外骨骼绑定，穿戴者脚部通过绑缚带与鞋底15绑定。当负重平台1上负载有重物时，外骨骼的髋关节与膝关节产生一定的扭矩，以减少穿戴者在行走或负重休息时的能耗。

下面针对站立态快速自锁的原理进行详细描述：

先针对膝关节的锁止机构进行描述。如图1、3，用于快速自锁的一组锁止机构包括：膝关节锁止单元10、小腿直线驱动器11、直线驱动器固定环8，小腿节点板盒12。膝关节锁止单元10通过螺丝固定于小腿杆13，小腿直线驱动器11也通过螺丝固定于小腿杆13，小腿直线驱动器11的末端圆杆伸出其本体可做直线运动，如图4，其末端圆杆伸出并顶到锁止销18下端面。小腿直线驱动器11的电源及控制线，连接到放置其旁边的小腿节点板盒12，小腿节点板盒12中包含锂电池组及控制电路板，此处控制电路板可与主控电池盒实现无线数据传输。

如图4，此时膝关节锁止单元10的状态是锁止动作的非激活状态，此时小腿直线驱动器11处于不通电状态，由于直线驱动器11的圆杆具有丝杆结构，其在轴向上可实现自锁，也即锁止销18在固定座16、弹簧17及小腿直线驱动器11的作用下，保持静止。

而髋关节的关节快速自锁结构与以上膝关节快速自锁结构类似。

下面对快速自锁的激发流程进行详细描述：

当穿戴者需要在站立态休息时，如图1和10站立态，此时膝关节如图5，膝上限位面19与膝下限位面20重合。如图10，如果此时穿戴者背部负重平台1上方负载大负重G，则会对穿戴者髋关节及膝关节产生一定扭矩，穿戴者如果保持站立态稳定，实现休息，外骨骼驱动执行器或者穿戴者本身仍需要做出一部分能耗以克服大负重G对髋膝关节的扭矩。

而本发明外骨骼，当穿戴者需要站立态休息时，穿戴者按下状态激活开关32，此时，主控电池盒2中的主控立即会发送信号到小腿节点板盒12与大腿节点板盒9，而小腿节点板盒12与大腿节点板盒9中的控制板控制大小腿直线驱动器7与11的末端圆杆往上顶出，其末端圆杆往上顶出后，可使锁止销18顶出，如图9。此时，弹簧17被压缩，锁止销末端插入到如图3的锁止孔31。完成锁止单元激活状态后，大腿与小腿的直线驱动器可断电，由于内部丝杆结构，直线驱动器末端圆杆可实现直线状态自锁，也即锁止销18无法退回。该状态下，通过髋关节锁止单元，可使髋关节输出法兰3与大腿杆5的机械锁止，无需电池驱动电机或其他执行器；通过膝关节锁止单元，可使大腿杆5与小腿杆13的机械锁止，无需电池驱动电机或其他执行器；此时穿戴者只需要维持整体外骨骼与人的系统平衡，其总体能耗会大大减少。

当穿戴者需要解除站立态休息状态时，按动状态激活开关32，即可实现以上动作的逆过程，以实现自锁状态解除，在此不再重复描述。

如图6，为本发明另一手动锁止实施例。手动开关组件21由路径盖22、锁止把手23、拉索套管接头24、拉索套管26、拉索钢绳25组成。手动开关组件21可取代如图1实施例中的髋膝直线驱动器、大小腿节点板盒、状态激活开关32等。以手动实现状态激活与解除的功能。拉索套管接头24固定于手动开关组件21，另一端拉索套管接头可固定于如图11拉索套管下接头34，而拉索套管下接头34固定于大腿杆5或小腿杆13上端某处。拉索钢绳25藏于拉索套管26内，其一端与如图7中锁止把手23固定，一端与如图11钢绳下端柱33固定。拉索钢绳25可在拉索套管26内滑动，而拉索套管接头24、拉索套管下接头34与拉索套管26一体成型。

当穿戴者需要站立态休息时，穿戴者可通过拉动手动开关组件21中的锁止把手23，沿着路径盖22的路径，滑到路径另一端，如图7，为手动开关组件21的内部结构，拉动锁止把手23滑动到路径另一端，也即意味着拉动拉索钢绳25，拉索钢绳25在手动开关组件21内部的长度变长，则拉索钢绳25会拉动如图11钢绳下端顶柱33往上顶出，顶出锁止销18以完成与图1实施例中同样的状态激活功能。

当穿戴者需要解除站立态休息状态时，拉动手动开关组件21中的锁止把手23，沿着路径盖22的路径，反向拉动，在弹簧17的作用下锁止销18弹回原位置，激活状态解除。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述下肢负重助力外骨骼包括：髋关节、膝关节以及设置于所述髋关节和膝关节处的锁止机构；

所述锁止机构包括：关节锁止单元和直线驱动器，所述关节锁止单元包括：固定座、锁止销以及弹性件，所述锁止销装配于所述固定座中，其一端形成锁止端，并自所述固定座中伸出，另一端设置有凸台，所述弹性件设置于所述固定座和凸台之间；所述直线驱动器包括：能够伸出的圆杆，所述圆杆一端能够与所述锁止销的另一端相抵靠，并驱动所述锁止销进行锁止动作，所述髋关节和膝关节上还开设有与所述锁止销相配合的锁止孔。

2.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述弹性件为弹簧，其套装于所述锁止销上，其一端所述固定座相接触，另一端与所述凸台相接触。

3.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述固定座的一侧凸伸设置有螺丝孔，所述固定座通过螺丝锁附于所在髋关节的大腿杆及所在的膝关节的小腿杆上。

4.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述直线驱动器通过固定环和螺丝固定于所在髋关节的大腿杆及所在的膝关节的小腿杆上。

5.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述圆杆具有丝杆结构。

6.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述下肢负重助力外骨骼还包括主控电池盒中集成有外骨骼的第一控制电路板，所述锁止机构还包括节点板盒，所述节点板盒中集成有第二控制电路板，所述第二控制电路板与第一控制电路板信号传输，所述第一控制电路板由状态激活开关控制发送信号至所述第二控制电路板，所述第二控制电路板控制所述圆杆的伸出动作。

7.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述下肢负重助力外骨骼还包括手动开关组件，其包括：路径盖、锁止把手、拉索钢绳、拉索套管上接头、拉索套管下接头，所述路径盖设置于连接至所述髋关节的腰部圆管上，所述锁止把手沿所述路径盖所限定的路径滑动地设置于所述路径盖中，所述拉索钢绳一端通过所述拉索套管上接头与所述锁止把手相连接，另一端通过所述拉索套管下接头与所述圆杆另一端相连接。

8.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述下肢负重助力外骨骼还包括负重平台，所述负重平台通过螺丝与髋关节的腰部圆管固定连接。

9.根据权利要求1所述的能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼，其特征在于，所述膝关节具有膝上限位面与膝下限位面，所述下肢负重助力外骨骼在站立状态时，所述膝上限位面与膝下限位面相抵靠。

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