CN112936227A - 机械式助力型下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机械式助力型下肢外骨骼，其包括护腰组件和自适应腿骨骼活动组件，其中，两个所述自适应腿骨骼活动组件分别连接在所述护腰组件两侧的底端，且两个所述自适应腿骨骼活动组件相对称设置，所述自适应腿骨骼活动组件包括髋关节连接件二、股骨杆、护腿一、胫骨骼组件以及气动弹簧组件，所述髋关节连接件二的顶端可转动连接在所述护腰组件一侧的底端。本发明装置为了增加户外使用率，使用了纯机械结构，助力源来源于使用者日常活动中的多余势能，储存在装置的储能元件中在下一个动作时释放起到助力作用，此外为了不同使用人群，结构设计采用模块化设计，只需更换个别组件就可以实现不同的需求。

Description

机械式助力型下肢外骨骼

技术领域

本发明具体涉及机械下肢外骨骼领域，具体是机械式助力型下肢外骨骼。

背景技术

目前，大多数国家的科研机构对外骨骼机器人的研究都处于基础起步阶段，比较领先的国家主要是美国和日本；法国、俄罗斯、韩国等也在外骨骼机器人技术上有所建树；而我国对外骨骼机器人领域的探索比较晚，但随着外骨骼机器欠在社会上的需求量不断增大，我国国家自然科学基金、863和科技支撑计划等也逐渐开展了相应的研究；2004年，海军航空学院开展了关于外骨骼技术的研究，并于2006年首次推出了第一-代外骨骼机器人，之后又展示了第二代外骨骼机器人；该装备以电池为能量来源，通过安置于足底的压力传感器收集步态信息，然后通过h微处理器得发出信息驱动电动机输出动力，从而实现了穿戴者的负重行走四。

除此之外，哈尔滨工业大学开展了关于康复训练的外骨骼机器人的研究:上海大学和浙江大学也分别研制出了不同用途的下肢外骨骼机器人:清华大学、陆军第二炮兵学院、中科院合肥智能研究所、东南大学、海军航空工程学院、南京理工大学、上海大学、浙江大学、哈尔滨工业大学东南大学、中口学技术大学等科研单位也逐渐开始了外将机出技术的研5E。

总体来说，现如今的外骨骼机器人有以下几个问题：

1.续航问题：大多需外接电源，适合室内特种作业不适合户外无充电装置的情况；

2.成本高昂：无论国内国外设备价格都在万元以上，大部分家庭现有的经济水平难以接受这样高昂的额外支出；

3.重量大便携度不高：装置重量偏高在无能源驱动情况下无法运作，整体框架偏大在不使用时存储运输不方便；

4.安全性：电机驱动有一定的风险性，老人无相应的知识。在遇到突发情况时易对人身造成伤害。

发明内容

为此，本发明提出机械式助力型下肢外骨骼以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：机械式助力型下肢外骨骼，其包括护腰组件和自适应腿骨骼活动组件，其中，两个所述自适应腿骨骼活动组件分别连接在所述护腰组件两侧的底端，且两个所述自适应腿骨骼活动组件相对称设置，其特征在于：所述自适应腿骨骼活动组件包括髋关节连接件二、股骨杆、护腿一、胫骨骼组件以及气动弹簧组件，所述髋关节连接件二的顶端可转动连接在所述护腰组件一侧的底端，所述髋关节连接件二的底端固定连接有所述股骨杆的一端，所述股骨杆的另一端固定连接有股骨护腿固定件，且所述股骨护腿固定件的内侧固定有所述护腿一，所述股骨护腿固定件的底端固定有股骨杆气弹簧座一，所述股骨杆气弹簧座一的底端固定有膝关节连接件二，所述膝关节连接件二远离所述股骨杆气弹簧座一的一端采用膝关节轴盖转动连接膝关节连接件一的顶端，所述膝关节连接件一的底端连接有所述胫骨骼组件，且所述胫骨骼组件采用所述气动弹簧组件活动连接所述股骨杆气弹簧座一。

进一步，作为优选，所述胫骨骼组件包括胫骨杆、踝关节支撑件、胫腿护腿固定件、护腿二以及股骨杆气弹簧座二，所述胫骨杆的一端固定连接在所述膝关节连接件一的底端，所述胫骨杆的另一端固定连接有所述踝关节支撑件，所述胫骨杆外表面的上部固定套设有所述胫腿护腿固定件，且所述胫腿护腿固定件的内侧固定设置有所述护腿二，所述胫腿护腿固定件的顶端设置有固定套设在所述胫骨杆外表面上的所述股骨杆气弹簧座二。

进一步，作为优选，所述气动弹簧组件包括气弹簧座一、气弹簧座二、气弹簧粗杆和气弹簧细杆，所述气弹簧座一固定设置在所述股骨杆气弹簧座二的前侧，且所述气弹簧座一上转动连接有所述气弹簧粗杆的底端，所述气弹簧粗杆的内腔中滑动连接有所述气弹簧细杆的一端，所述气弹簧细杆的另一端转动连接在所述气弹簧座二，且所述气弹簧座二固定设置在所述股骨杆气弹簧座一的前侧。

进一步，作为优选，所述护腰组件包括护腰一、护腰二、护腰三、髋关节连接件一和髋关节轴盖，所述护腰一的两侧均固定设置有所述护腰二，且每个所述护腰二的底端均固定有所述护腰三，位于同一侧的所述护腰二和护腰三的外侧均固定有所述髋关节连接件一，每个所述髋关节连接件一的上部均设置有髋关节拉力弹簧固定件，每个所述髋关节连接件一的底端均采用所述髋关节轴盖转动连接有所述髋关节连接件二的顶端。

进一步，作为优选，位于所述髋关节连接件二两侧的部分所述髋关节轴盖上均套接有髋关节扭簧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明装置为了增加户外使用率，使用了纯机械结构，助力源来源于使用者日常活动中的多余势能，储存在装置的储能元件中在下一个动作时释放起到助力作用，此外为了不同使用人群，结构设计采用模块化设计，只需更换个别组件就可以实现不同的需求。

2.本发明装置中髋关节采用拉力弹簧和扭矩弹簧复合作用，通过MATLAB数据计算找到平衡点抵消运动时的重力势能。

3.本发明装置中膝关节的气动弹簧在压缩到最大限时刻让使用者悬空坐下，类似网络上的隐形椅子，便于特定场合短暂休息。

4.本发明装置中踝关节的结构不固定选择可更换结构，根据所换结构不同实现不同作用，如泄力装置可实现行走时避免撞击，并储存部分冲击力，或类似残奥会运动员那样C型假肢增加户外的奔跑能力。

附图说明

图1为机械式助力型下肢外骨骼的立体结构示意图；

图2为机械式助力型下肢外骨骼的正视结构示意图；

图3为图2中A部分的放大示意图；

图4为机械式助力型下肢外骨骼中护腰组件的结构示意图；

图5为机械式助力型下肢外骨骼的局部放大示意图；

图6为髋关节简画受力分析图；

图7为重力力矩仿真图；

图8为弹簧力矩仿真图；

图9为合力矩仿真图。

图中：1、护腰组件、101、护腰一；102、护腰二；103、护腰三；2、髋关节拉力弹簧固定件；3、护腿一；4、股骨护腿固定件；5、胫腿护腿固定件；6、踝关节支撑件；7、胫骨杆；8、气弹簧粗杆；9、气弹簧细杆；10、股骨杆；11、髋关节连接件二；12、护腿二；13、气弹簧座一；14、膝关节连接件一；15、气弹簧座二；16、股骨杆气弹簧座一；17、膝关节连接件二；18、膝关节轴盖；19、股骨杆气弹簧座二；20、髋关节扭簧；21、髋关节轴盖；22、髋关节连接件一。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例：请参阅附图1-5，本发明提供一种技术方案：机械式助力型下肢外骨骼，其包括护腰组件1和自适应腿骨骼活动组件，其中，两个自适应腿骨骼活动组件分别连接在护腰组件1两侧的底端，且两个自适应腿骨骼活动组件相对称设置，自适应腿骨骼活动组件包括髋关节连接件二11、股骨杆10、护腿一3、胫骨骼组件以及气动弹簧组件，髋关节连接件二11的顶端可转动连接在护腰组件1一侧的底端，髋关节连接件二11的底端固定连接有股骨杆10的一端，股骨杆10的另一端固定连接有股骨护腿固定件4，且股骨护腿固定件4的内侧固定有护腿一3，股骨护腿固定件4的底端固定有股骨杆气弹簧座一16，股骨杆气弹簧座一16的底端固定有膝关节连接件二17，膝关节连接件二17远离股骨杆气弹簧座一16的一端采用膝关节轴盖18转动连接膝关节连接件一14的顶端，膝关节连接件一14的底端连接有胫骨骼组件，且胫骨骼组件采用气动弹簧组件活动连接股骨杆气弹簧座一16。

本实施例中，胫骨骼组件包括胫骨杆7、踝关节支撑件6、胫腿护腿固定件5、护腿二12以及股骨杆气弹簧座二19，胫骨杆7的一端固定连接在膝关节连接件一14的底端，胫骨杆7的另一端固定连接有踝关节支撑件6，胫骨杆7外表面的上部固定套设有胫腿护腿固定件5，且胫腿护腿固定件5的内侧固定设置有护腿二12，胫腿护腿固定件5的顶端设置有固定套设在胫骨杆7外表面上的股骨杆气弹簧座二19。

本实施例中，气动弹簧组件包括气弹簧座一13、气弹簧座二15、气弹簧粗杆8和气弹簧细杆9，气弹簧座一13固定设置在股骨杆气弹簧座二19的前侧，且气弹簧座一13上转动连接有气弹簧粗杆8的底端，气弹簧粗杆8的内腔中滑动连接有气弹簧细杆9的一端，气弹簧细杆9的另一端转动连接在气弹簧座二15，且气弹簧座二15固定设置在股骨杆气弹簧座一16的前侧。

本实施例中，护腰组件1包括护腰一101、护腰二102、护腰三103、髋关节连接件一22和髋关节轴盖21，护腰一101的两侧均固定设置有护腰二102，且每个护腰二102的底端均固定有护腰三103，位于同一侧的护腰二102和护腰三103的外侧均固定有髋关节连接件一22，每个髋关节连接件一22的上部均设置有髋关节拉力弹簧固定件2，每个髋关节连接件一22的底端均采用髋关节轴盖21转动连接有髋关节连接件二11的顶端。

本实施例中，位于髋关节连接件二11两侧的部分髋关节轴盖21上均套接有髋关节扭簧20。

在具体实施时，请参阅附图6，髋关节为O点，扭簧产生一个逆方向的力矩M1；弹簧拉力作用于A点大小为F1，大腿重心在B点方向竖直向下大小为F2，膝盖及膝盖以下重力竖直向下施力点在C点大小为F3，大腿与竖直方向夹角为θ。

本发明装置全重70KG，一个下肢占重量的16％，大腿10％，膝盖以下6％。大腿长55cm，重心大腿2/3处。一侧下肢加外骨骼重量约为13.7＝11.3+2.5(kg)。45度时弹簧力矩和重力力矩平衡，90度时弹簧位于平衡点。发条要在0度时抵消掉弹簧力产生少许正力矩使站立时不受多余的力。

设重力力矩为M2

M2＝F2*L1*sinθ+F3*L2*sinθ

行走时重力产生逆向力矩，其力矩图如图7所示

弹簧力矩为M3

M3＝F1*L*sinθ(F1和弹簧长度L是变量)

L＝LOA*sin(π/2-θ/2)

F1＝K(L-L自由)

ΣM＝M1+M2+M3

拉力弹簧相对于髋关节产生一个正向力矩，其力矩大小与大腿骨与竖直方向夹角的关系，发条弹簧产生的力矩与夹角成线性关系，用于抵消站立状态时拉力弹簧的正向力矩。如图8所示。

而当抬腿时，由于拉力弹簧提供正向的力矩抵消一部分腿部重力力矩。行走时，拉力弹簧的力矩和重力力矩抵消后，如图9中竖线左侧所示相对平缓(行走时夹角一般小于45度)。

经MATLAB仿真可以看出设计有一定的可行性，当老人正常行走时，腿部下落时多余的重力势能会在髋关节转化为弹簧的弹性势能储存起来，在迈腿时弹簧势能释放抵消腿部上升过程中的能量消耗从而达到助力效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.机械式助力型下肢外骨骼，其包括护腰组件(1)和自适应腿骨骼活动组件，其中，两个所述自适应腿骨骼活动组件分别连接在所述护腰组件(1)两侧的底端，且两个所述自适应腿骨骼活动组件相对称设置，其特征在于：所述自适应腿骨骼活动组件包括髋关节连接件二(11)、股骨杆(10)、护腿一(3)、胫骨骼组件以及气动弹簧组件，所述髋关节连接件二(11)的顶端可转动连接在所述护腰组件(1)一侧的底端，所述髋关节连接件二(11)的底端固定连接有所述股骨杆(10)的一端，所述股骨杆(10)的另一端固定连接有股骨护腿固定件(4)，且所述股骨护腿固定件(4)的内侧固定有所述护腿一(3)，所述股骨护腿固定件(4)的底端固定有股骨杆气弹簧座一(16)，所述股骨杆气弹簧座一(16)的底端固定有膝关节连接件二(17)，所述膝关节连接件二(17)远离所述股骨杆气弹簧座一(16)的一端采用膝关节轴盖(18)转动连接膝关节连接件一(14)的顶端，所述膝关节连接件一(14)的底端连接有所述胫骨骼组件，且所述胫骨骼组件采用所述气动弹簧组件活动连接所述股骨杆气弹簧座一(16)。

2.根据权利要求1所述的机械式助力型下肢外骨骼，其特征在于：所述胫骨骼组件包括胫骨杆(7)、踝关节支撑件(6)、胫腿护腿固定件(5)、护腿二(12)以及股骨杆气弹簧座二(19)，所述胫骨杆(7)的一端固定连接在所述膝关节连接件一(14)的底端，所述胫骨杆(7)的另一端固定连接有所述踝关节支撑件(6)，所述胫骨杆(7)外表面的上部固定套设有所述胫腿护腿固定件(5)，且所述胫腿护腿固定件(5)的内侧固定设置有所述护腿二(12)，所述胫腿护腿固定件(5)的顶端设置有固定套设在所述胫骨杆(7)外表面上的所述股骨杆气弹簧座二(19)。

3.根据权利要求2所述的机械式助力型下肢外骨骼，其特征在于：所述气动弹簧组件包括气弹簧座一(13)、气弹簧座二(15)、气弹簧粗杆(8)和气弹簧细杆(9)，所述气弹簧座一(13)固定设置在所述股骨杆气弹簧座二(19)的前侧，且所述气弹簧座一(13)上转动连接有所述气弹簧粗杆(8)的底端，所述气弹簧粗杆(8)的内腔中滑动连接有所述气弹簧细杆(9)的一端，所述气弹簧细杆(9)的另一端转动连接在所述气弹簧座二(15)，且所述气弹簧座二(15)固定设置在所述股骨杆气弹簧座一(16)的前侧。

4.根据权利要求1所述的机械式助力型下肢外骨骼，其特征在于：所述护腰组件(1)包括护腰一(101)、护腰二(102)、护腰三(103)、髋关节连接件一(22)和髋关节轴盖(21)，所述护腰一(101)的两侧均固定设置有所述护腰二(102)，且每个所述护腰二(102)的底端均固定有所述护腰三(103)，位于同一侧的所述护腰二(102)和护腰三(103)的外侧均固定有所述髋关节连接件一(22)，每个所述髋关节连接件一(22)的上部均设置有髋关节拉力弹簧固定件(2)，每个所述髋关节连接件一(22)的底端均采用所述髋关节轴盖(21)转动连接有所述髋关节连接件二(11)的顶端。

5.根据权利要求4所述的机械式助力型下肢外骨骼，其特征在于：位于所述髋关节连接件二(11)两侧的部分所述髋关节轴盖(21)上均套接有髋关节扭簧(20)。

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