CN113119071A - 带扭矩传感器的拉索驱动机构及其轻便助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了带扭矩传感器的拉索驱动机构及其轻便助力设备。该拉索驱动机构包括拉索、拉索驱动装置、一个或多个关节机构及扭矩传感器，所述关节机构包括上臂、下臂、转轴及滑轮，所述上臂和下臂基于转轴旋转联接，所述滑轮固定在转轴、上臂或下臂上且可相对上臂和下臂自由转动；所述拉索驱动装置包括动力基座和动力输出端，所述动力输出端相对动力基座可转动；所述动力基座与最上端关节机构的上臂刚性或柔性传动联接，所述扭矩传感器固定在其中一关节机构的下臂上。本发明实施例既可以很好地实现从背部向腰部及腿部传递动力，又可以很好地适应人体下肢多样运动带来的匹配性问题。

Description

带扭矩传感器的拉索驱动机构及其轻便助力设备

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼技术领域，尤其涉及带扭矩传感器的拉索驱动机构及其轻便助力设备。

背景技术

在日常的工作和生活中，常常遇到希望增强人体腿部力量的情况。为了满足人们的需求，可穿戴外骨骼或者类似的机器设备应运而生，例如一些带有动力的下肢助力外骨骼机器人。

现有技术中此类型的装置设备普遍存在比较笨重的问题(例如专利申请号200680006514.1和专利申请号200780027195.7等所揭露的助力设备)。过于笨重的装置会导致用户的穿戴体验不佳。

为了解决装置过于笨重的问题，现有技术中有一些专门针对膝关节等局部的关节位置进行助力的装置(例如专利号US9532894B2披露的膝关节助力的技术方案)。由于是对局部关节进行助力。因此，可以进行大幅度裁剪，从而极大的减轻了设备的重量，通过较为轻便的助力装置实现对穿戴者下肢的助力，有效的改善了用户的穿戴体验。

但是，由于结构被裁减，这类技术方案只能将动力装置等放置在膝关节处。动力装置包含的电机、减速机及相关传动机构等的重量会极大的增加穿戴者腿部重量和惯量，对穿戴者下肢运动会带来较大阻力和不便。而且，在髋关节没有助力的情况下，穿戴者在抬腿时或上楼时会感觉较为沉重，长时间穿戴时体验不佳。

为了避免动力装置所导致的问题，现有技术中还有一些将动力系统设置在穿戴者腰部的技术方案。但是这些技术方案中存在人体匹配性与动力传递的矛盾。另外，还有一些技术方案利用拉索套管联接背部动力系统和髋关节，用可以形变的拉索套管来适应人体髋部和腰部相对位置变动的同时传递动力，但是这样也会造成动力传递效率较低，拉索寿命的大幅下降，可靠性低等的问题。

一些技术方案也提出使用具有特殊结构的髋部机构，解决了拉索传动效率和寿命问题。但是这样的髋部机构设置有多个滑轮，较为复杂，且难以实现多个拉索并联传力。

此外，如何简便测量动力装置向关节施加的扭矩也是一个难题，传统的盘式扭矩传感器比较复杂，在拉索一侧增加惰轮测量拉索张力的方案会导致体积较大，不精简。

发明内容

本发明实施例提出带扭矩传感器的拉索驱动机构及其轻便助力设备，旨在解决现有助力设备所存在的一种或者多种问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提出一种带扭矩传感器的拉索驱动机构。该拉索驱动机构包括拉索、拉索驱动装置、一个或多个关节机构及扭矩传感器，所述关节机构包括上臂、下臂、转轴及滑轮，所述上臂和下臂基于转轴旋转联接，所述滑轮固定在转轴、上臂或下臂上且可相对上臂和下臂自由转动；所述拉索驱动装置包括动力基座和动力输出端，所述动力输出端相对动力基座可转动；所述动力基座与最上端关节机构刚性或柔性传动联接，所述扭矩传感器固定在其中一关节机构的下臂上；所述拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端切出后，再依次切入、绕经并切出所述一个或多个关节机构的滑轮，所述拉索末端固定在所述扭矩传感器上；所述拉索驱动装置收紧拉索时，所述拉索绕经所述滑轮时在所述一个或多个关节机构上臂和下臂之间产生旋转力矩并驱动所述上臂和下臂转动，所述扭矩传感器感知拉索的张力。

本发明实施例第二方面提出了一种轻便助力设备。该轻便助力设备包括如上所述的拉索驱动机构和腰背机构：所述腰背机构包括腰部绑带、背板和腰杆，所述腰部绑带环绕设置于穿戴者腰部，所述背板固定在所述腰部绑带上；所述腰杆一端与所述背板传动联接，所述腰杆另一端与最上端关节机构的上臂传动联接；所述腰杆与所述背板的联接处可上下滑动以适应不同腰高，所述腰杆长度可调节以适应不同腰宽，所述腰杆与最上端关节机构的上臂的联接处可前后调节，以适应不同腰深。

本发明与现有技术相比的有益效果是：基于所述拉索驱动机构所实现的轻便助力设备既可以很好地实现从背部向腰部及腿部传递动力，又可以很好地适应人体下肢多样运动带来的匹配性问题。另外，重量较大的动力系统被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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例1提供的带扭矩传感器的拉索驱动机构的透视示意图；

图2为本发明实施例1提供的第一拉索绕经髋滑轮的透视示意图；

图3为本发明实施例2提供的带扭矩传感器的拉索驱动机构的透视示意图；

图4为图3中的A-A剖面示意图；

图5为本发明实施例1提供的扭矩传感器与拉索配合使用示意图；

图6为本发明实施例3提供的轻便助力设备的侧视示意图；

图7为本发明实施例3提供的轻便助力设备的髋腰部分的右侧后视图；

图8为本发明实施例3提供的轻便助力设备的小腿杆与足踝机构配合使用示意图；

图9为本发明实施例3提供的轻便助力设备的足踝机构的侧视示意图；

图10为本发明实施例4提供的轻便助力设备的侧视示意图；

图11为本发明实施例5提供的轻便助力设备的侧视示意图。

附图标记如下：

11—拉索驱动装置；111—动力基座；1111—动力滑槽；112—动力输出端；113—第一拉索固定点；114—第二拉索固定点；12—拉索；121—第一拉索；122—第二拉索；123—第一拉索润滑管；1231—润滑管第一固定端；1232—润滑管第二固定端；124—第二拉索润滑管；1241—润滑管第三固定端；1242—润滑管第四固定端；13—髋关节机构；131—髋上臂；132—髋下臂；133—髋滑轮；1331—第一轮槽；1332—第二轮槽；1333—轮槽转换缺口；1334—轮槽转换固定块；1335—第一髋滑轮；1336—第二髋滑轮；134—髋转轴；14—膝关节机构；141—膝上臂；142—膝下臂；143—膝滑轮；144—膝转轴；16—大腿杆；17—小腿杆；171—C型滑块；172—小腿杆内收外展轴；181—第一扭矩传感器；182—第二扭矩传感器；183—传感器固定端；184—悬臂梁；185—应变片；186—传感器输出端；F1—拉索拉力方向；

21—动力固定板；22—背板；221—上背板；222—下背板；223—背板铰链；2221—第一调节滑槽；223—背板铰链；23—腰杆；231—腰杆上段；2311—第二调节滑槽；2312—腰宽腰高固定块；2313—动力吊带；232—腰杆中段；233—腰杆下段；2331—腰深调节滑槽；234—腰杆第一旋转轴；235—腰杆第二旋转轴；

31—踝上支架；311—C型滑槽；312—下延伸部；32—踝下支架；321—薄底板；322—上延伸板；33—踝旋转轴；34—踝水平旋转轴线；

41—腰部绑带；411—腰部上绑带；412—腰部下绑带；42—髋腰连接带；43—大腿上连接；431—大腿上绑带；432—大腿上护壳；44—大腿下连接；441—大腿下绑带，442—大腿下护壳；45—踝部绑带；46—足部绑带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将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作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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

本发明实施例提供的一种带扭矩传感器的拉索驱动机构，包括拉索、拉索驱动装置、一个或多个关节机构及扭矩传感器，所述关节机构包括上臂、下臂、转轴及滑轮，所述上臂和下臂基于转轴旋转联接，所述滑轮固定在转轴、上臂或下臂上且可相对上臂和下臂自由转动；所述拉索驱动装置包括动力基座和动力输出端，所述动力输出端相对动力基座可转动，带动拉索以输出动力；所述动力基座与最上端关节机构的上臂刚性或柔性传动联接，所述扭矩传感器固定在其中一关节机构的下臂上。所述拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端切出后，再依次切入、绕经并切出所述一个或多个关节机构的滑轮，所述拉索末端固定在所述扭矩传感器上；所述拉索驱动装置收紧拉索时，所述拉索绕经所述滑轮时在所述一个或多个关节机构上臂和下臂之间产生旋转力矩并驱动所述上臂和下臂转动，所述扭矩传感器感知拉索的张力。

如图1所示，其为本发明实施例1提供的一种带扭矩传感器的拉索驱动机构的透视示意图。所述带扭矩传感器的拉索驱动机构包括拉索12(参照图5，本实施例1拉索12即第一拉索121)、拉索驱动装置11(结合图6所示)、髋关节机构13、膝关节机构14和扭矩传感器181(本实施例1也可称为第一扭矩传感器181)。所述髋关节机构13包括髋上臂131、髋下臂132、髋转轴134及髋滑轮133，所述髋上臂131和髋下臂132基于髋转轴134旋转联接，即所述髋上臂131和髋下臂132之间为转动联接，可以各自绕髋转轴134旋转，所述髋滑轮133固定于所述髋转轴134上且可相对于髋上臂131和髋下臂132自由转动。所述膝关节机构14与髋关节机构13结构类似，所述膝关节机构14包括膝上臂141、膝下臂142、膝转轴144及膝滑轮143，所述膝上臂141和膝下臂142基于膝转轴144旋转联接，即所述膝上臂141和膝下臂142之间为转动联接，可以各自绕膝转轴144旋转。所述膝滑轮143固定于所述膝转轴144上且可相对于膝上臂141和膝下臂142自由转动。

所述拉索驱动装置11包括动力基座111和动力输出端112，所述动力输出端112相对动力基座111可转动，带动第一拉索121以输出动力。所述髋下臂132和膝上臂141传动联接；所述髋上臂131与所述动力基座111刚性或柔性传动联接；所述第一扭矩传感器181固定在所述膝下臂142上；所述第一拉索121上端固定于所述动力输出端112上，绕经动力输出端112，再切入并绕经所述髋滑轮133后切出，再切入并绕经所述膝滑轮143后切出，固定于所述膝下臂142上的第一扭矩传感器181上。所述动力基座111一般设置在穿戴者后腰部，髋上臂131在髋部外侧。

所述第一拉索121上端可固定于所述动力输出端112的第一拉索固定点113上，绕经动力输出端112，再逆时针切入并绕经所述髋滑轮133后切出，再向下顺时针切入并绕经所述膝滑轮143后切出，固定于所述膝下臂142上的第一扭矩传感器181上。

参照图6所示，所述髋上臂131通过第一拉索润滑管123与所述动力基座111固联，所述第一拉索润滑管123为鲍登线或刹车线，其外壳带有螺旋状刚性弹性片，其内部带有润滑的特氟龙管，一方面可以承载所述拉索轴向拉力，一方面可以润滑所述拉索与其内壁，减小摩擦力。所述髋下臂132通过大腿杆16与所述膝上臂141联接；所述膝下臂142与小腿杆17上端固联。

通过上述第一拉索121沿不同绕经方向的设置，在拉索驱动机构的实际运行过程中，所述拉索驱动装置11可以收紧所述第一拉索121。在所述第一拉索121的带动下，令所述髋滑轮133顺时针转动、所述膝滑轮143逆时针转动，可以相应的带动所述髋上臂131相对于大腿杆16逆时针转动，大腿杆16相对于小腿杆17伸展，实现将拉索驱动装置11的动力输出至髋关节机构13及膝关节机构14的目标；通过改变髋滑轮133和膝滑轮143，可以实现第一拉索121拉力不改变情况下改变所述拉索驱动装置11对于所述髋关节机构13及膝关节机构14施加的力矩。

所述第一拉索121固定在所述第一扭矩传感器181上，由于所述膝滑轮143可以自由转动，所述第一扭矩传感器181可以准确测量所述第一拉索121的张力，通过所述髋滑轮133和膝滑轮143的半径可以计算出所述第一拉索121同时对于所述髋关节机构13和膝关节机构14施加的扭矩，所述第一拉索力传感器181简单可靠、成本低。

如图1所示，所述第一拉索121在所述动力输出端112和所述髋滑轮133之间段套有拉索润滑管123(本实施例1中也可称为第一拉索润滑管123)，所述第一拉索润滑管123上端通过润滑管第一固定端1231固定在所述动力基座111上，下端通过润滑管第二固定端1232固定在所述髋上臂131上，所述第一拉索润滑管123带有螺旋状刚性外壳，可以弯曲，同时传递轴向压力。一般而言，所述拉索驱动装置11设置于穿戴者后腰部，所述髋滑轮133设置于穿戴者髋部外侧。所述第一拉索润滑管123为弧形结构，以实现联接所述拉索驱动装置11和髋关节机构13时引导所述第一拉索121匹配人体腰部形状，所述第一拉索润滑管123带有柔性，可以轴向传递所述第一拉索121的拉力。

在采用第一拉索润滑管123以后，具有柔性传递拉索拉力、传递动力效率高，匹配穿戴者腰部形状、对拉索的磨损小，可靠性好等优势。通过第一拉索润滑管123可以减少所述第一拉索121张紧时与弯曲形态的髋上臂131之间的摩擦，提高第一拉索121传动效率及增加了第一拉索121的耐用性和可靠性。

图2为本发明实施例1提供的第一拉索121绕经髋滑轮133的透视示意图。如图1所示，所述第一拉索121绕经髋滑轮133时，髋上臂131与髋下臂132之间的相对角度会随着人体运动而改变，所述第一拉索121切入切出所述髋滑轮133时可能会干涉，图2所示为此问题的解决办法。如图2所示，所述髋滑轮133带有两个轮槽：第一轮槽1331和第二轮槽1332，所述第一轮槽1331和第二轮槽1332还带有共同的轮槽转换缺口1333；所述第一拉索121从第一轮槽1331切入，从轮槽转换缺口1333处转入第二轮槽1332后再沿所述第二轮槽1332切出。在所述轮槽转换缺口1333处设有轮槽转换固定块1334，用于压紧所述第一拉索121以防止其在轮槽转换缺口1333处滑动。

采用图2所示结构可以避免所述第一拉索121切入切出所述髋滑轮133时出现干涉，简化了所述拉索驱动机构，更便于装配、维修，可靠性更高。

以下结合图1至图2，详细描述本发明实施例提供的拉索驱动机构的工作原理。

如图1所示，在第一拉索121处于张紧状态时，所述第一拉索121在所述髋滑轮133上包角会随着所述髋上臂131和髋下臂132相对转动(即穿戴者前后摆动大腿)而相应的发生变化。当髋下臂132相对于髋上臂131逆时针转动时，第一拉索121在所述髋滑轮133上包角增加，反之则包角减小。

另外，所述髋滑轮133可以相对所述髋上臂131独立的转动，所述第一拉索121可以带动所述髋滑轮133转动，而不影响所述髋上臂131和髋下臂132相对转动。

当第一拉索121被动力输出端112收紧而处于张紧状态时，所述第一拉索121可以对所述髋上臂131和髋下臂132施加力矩。如图1所示，当第一拉索121张紧时，髋下臂132相对髋上臂131有顺时针方向旋转的力矩。

图3为本发明实施例2提供的带扭矩传感器的拉索驱动机构的透视示意图。所述关节机构包括髋关节机构13，所述髋关节机构13包括髋上臂131、髋下臂132、髋转轴134及髋滑轮133，所述髋上臂131和髋下臂132基于髋转轴134旋转联接，即所述髋转轴134与髋下臂132固联，所述髋上臂131固定在髋转轴134上，且髋下臂132相对于髋上臂131可以自由转动；所述髋滑轮133固定于所述髋转轴134上且可以相对于髋上臂131和髋下臂132自由转动。

所述拉索包括第一拉索121和第二拉索122，所述扭矩传感器包括第一扭矩传感器181和第二扭矩传感器182，所述第一扭矩传感器181和第二扭矩传感器182均固定于所述髋下臂132上；所述第一拉索121上端固定于所述动力输出端112上的第一拉索固定点113，绕经动力输出端112，再切入并绕经所述髋滑轮133后切出，固定于所述髋下臂132上的第一扭矩传感器181上；所述第二拉索122上端固定于所述动力输出端112上的第一拉索固定点114，以与第一拉索121相反方向绕经动力输出端112，再以与第一拉索121相反方向切入并绕经所述髋滑轮133后切出，固定于所述髋下臂132上的第二扭矩传感器182上。

本实施例中，所述第一拉索和第二拉索外均可套设润滑管，分别为第一拉索润滑管123、第二拉索润滑管124，两端分别固定在所述动力基座111和髋上臂131上，所述第一拉索润滑管123和第二拉索润滑管124带有柔性，可以分别轴向传递所述第一拉索121和第二拉索122的拉力。具体的，所述第一拉索润滑管123上端通过润滑管第一固定端1231固定在所述动力基座111上，下端通过润滑管第二固定端1232固定在所述髋上臂131上。所述第二拉索润滑管124上端通过润滑管第三固定端1241固定在所述动力基座111上，下端通过润滑管第四固定端1242固定在所述髋上臂131上。关于本实施例2中的第一拉索润滑管123与第二拉索润滑管124的其他方面，如结构和作用等等，均可参照实施例1中关于第一拉索润滑管123的描述。

如图4所示，所述髋滑轮133包括第一髋滑轮1335和第二髋滑轮1336；所述第一髋滑轮1335和第二髋滑轮1336均固定在髋转轴134上且均可相对于髋上臂131和髋下臂132自由转动；所述第一拉索121上端固定于所述动力输出端112上，绕经动力输出端112，并从所述第一拉索润滑管123中伸出后切入并绕经所述第一髋滑轮1335后切出，固定于所述髋下臂132上的第一扭矩传感器181上；所述第二拉索122上端固定于所述动力输出端112上，以与第一拉索121相反方向绕经动力输出端112，从所述第二拉索润滑管124中伸出后再切入并绕经所述第二髋滑轮1336后切出，固定于所述髋下臂132上的第二扭矩传感器182上。

所述第一扭矩传感器181、第二扭矩传感器182可分别测量出所述第一拉索121、第二拉索122的拉力，从而可以分别计算出所述第一拉索121、第二拉索122向髋关节机构13施加的扭矩。

采用图3、图4的双拉索结构，所述拉索驱动装置11可以双向驱动所述髋关节机构13，从而可以提供伸髋力矩(图3所示髋下臂132相对髋上臂131顺时针转动)和曲髋力矩(图3所示髋下臂132相对髋上臂131逆时针转动)，本实施例2在实现双向驱动的同时还可以准确测量出每一个方向的扭矩，传感器简单可靠；本实施例2采用拉索润滑管轴向承载拉索张力，拉索润滑管带有柔性，可以很好地适配所述拉索驱动装置11和所述髋上臂132之间位置变动，这样非常有利于把所述拉索驱动装置11设置于穿戴者后腰处，且对于穿戴者腰围腰形适应性好；本实施例2采用两条拉索实现双向传动，且可以避免一条拉索传动时需要张紧的问题，对于拉索长度蠕变适应性好，简化了安装和维护的工作。

本实施例2中，结合图10所示，所述关节机构还包括膝关节机构14，与实施例1相比，所述膝关节机构14结构更简单，腿部机构更加轻便，所述膝关节机构14包括膝上臂141、膝下臂142以及膝转轴144，不包括膝滑轮143；所述膝上臂141和膝下臂142基于膝转轴144旋转联接。采用所述实施例2的结构，可以帮助穿戴者在行走时向前摆动大腿(曲髋)、向后伸展大腿(伸髋)力矩以协助穿戴者向前推动躯干前进，减轻行走时大腿肌肉负担，同时伸髋力传递到膝关节会产生伸膝非直接助力，帮助穿戴者支撑身体重量，用于帮助体弱者、行动不便者以及负重长距离行走领域。所述髋上臂131通过腰杆与所述动力基座111固联，所述髋下臂132通过大腿杆16与所述膝上臂141联接；所述大腿杆16为刚体，将所述髋下臂132和膝上臂141刚性联接在一起，用以传递力及扭矩。所述腰杆15为非必要机构，其可以由带有铰链的多个杆体联接组成，也可以为柔性杆体，所述动力基座111和所述髋上臂131不需要一定为刚性联接。在实施例2中，所述膝下臂141与小腿杆17上端固联。本实施例2中，所述关节机构也可不带膝关节机构14，结合图11所示，即所述髋上臂131通过腰杆与所述动力基座111固联，所述髋下臂132与大腿杆16联接，大腿杆16下端不连接其他部件。

具体的，图5为本发明实施例提供的扭矩传感器与拉索配合使用示意图。其中，所述扭矩传感器181(即第一扭矩传感器181)具体设置于所述拉索12(即第一拉索121，对于第二扭矩传感器182与第二拉索配合方式可采用类似结构)的末端，所述扭矩传感器181带有传感器固定端183、悬臂梁184、应变片185以及传感器输出端186，所述传感器固定端183固定在髋下臂132或膝下臂142上，所述传感器固定端183与所述传感器输出端186通过悬臂梁184联接，所述传感器输出端186带有柱状凸起，所述拉索12末端带有环状结构套置于所述传感器输出端186柱状凸起上，所述拉索12张紧时会向所述扭矩传感器181施加拉力，拉力方向F1垂直于所述悬臂梁184，所述应变片185贴附于所述悬臂梁184两侧，所述拉索12张力导致所述悬臂梁184产生形变，所述形变为所述应变片185所感测，从而可以测量出所述拉索12的张力。上述结构适用于实施例1和实施例2。

基于所述扭矩传感器的检测结果，可以帮助精确控制拉索张力的大小，从而相应的控制所述轻便助力设备在所述髋关节机构13及膝关节机构14处向穿戴者提供助力力矩的大小。

应当说明的是，上述实施例1和实施例2所示的拉索驱动机构仅用于示例说明，而不用于限定本发明的技术方案。本领域技术人员可以根据本说明书揭露的实施例的原则，进行相应的调整、改变或者替换，以实现相同的目的。例如，可以改变拉索的缠绕方向，只要能够将拉索驱动结构的动力输出至髋关节及膝关节，令髋滑轮和膝转盘朝不同的方向转动以实现助力的效果即可。

图6为本发明基于实施例1的带扭矩传感器的拉索驱动机构实现的轻便助力设备的侧视示意图。虽然图6中只披露了右侧结构。但本领域技术人员基于本发明所揭露的技术方案，容易想到同时使用对称的左侧结构或者同时使用对称的左右两侧结构。为陈述简便，本文以右侧为例来说明其结构及运行机理。

如图6所示，本发明实施例3提供的轻便助力设备包括：拉索驱动机构、腰背机构、足踝机构、大腿杆系和小腿杆系。其中，所述拉索驱动机构如图1所示，所述腰背机构如图7所示，所述足踝机构如图9所示。

如图7所示，所述腰背机构包括腰部绑带41、背板22和腰杆23，所述腰部绑带41环绕设置于穿戴者腰部，所述背板22设置于穿戴者后腰附近，所述背板22固定在所述腰部绑带41上；所述腰杆23一端与所述背板22传动联接，所述腰杆23另一端与髋关节机构13的髋上臂131传动联接；所述腰杆23与所述背板22的联接处可上下滑动以适应不同腰高，所述腰杆23长度可调节以适应不同腰宽，所述腰杆23与髋关节机构13的髋上臂131的联接处可前后调节，以适应不同腰深。

所述腰部绑带41包括腰部上绑带411及腰部下绑带412。所述背板22包括上背板221和下背板222，其通过背板铰链223旋转联接，所述背板铰链223水平设置以使得所述上背板221和下背板222相对角度可以变动以适应不同穿戴者腰部形态。

所述腰背机构还包括动力固定板21，所述动力固定板21固定在所述腰部绑带41上，靠近穿戴者腰部两侧。

所述腰杆23包括腰杆上段231、腰杆中段232以及腰杆下段233，所述腰杆上段231水平设置于背板22附近，一端与所述背板22传动联接，另一端与腰杆中段232基于腰杆第一旋转轴234旋转联接，所述腰杆中段232竖直设置，其一端旋转联接所述腰杆上段231，另一端与腰杆下段233基于腰杆第二旋转轴235旋转联接，所述腰杆下段233水平设置，其从穿戴者后腰处延伸至髋部外侧附近，并与所述髋关节机构13(即所述髋关节机构13的髋上臂131)传动联接，所述腰杆第一旋转轴234、腰杆第二旋转轴235均为垂直于冠状面。

所述腰背机构可以很好地匹配人体腿部内收外展运动，其工作原理是：当穿戴者腿部外展或内收时，依次带动所述腰杆下段233、腰杆中段232以及腰杆上段231相对转动，实现所述腰板22与所述髋关节机构13之间相对位置的变动，从而不妨碍穿戴者内收外展运动；所述腰部绑带41为柔性材质，可以适配穿戴者不同尺寸、形态的腰部结构，所述背板22带有铰链223，其上背板221、下背板222相对角度可以根据穿戴者腰部形状而改变，从而可以实现与穿戴者腰部更好的适配。

所述下背板222上带有竖直设置的第一调节滑槽2221，所述腰杆上段231带有水平设置的第二调节滑槽2311，所述第一调节滑槽2221和第二调节滑槽2311上同时设置有一腰宽腰高固定块2312，当锁紧所述腰宽腰高固定块2312时，所述下背板222和腰杆上段231相对位置并锁定形成刚性联接；所述腰杆下段233带有水平设置的腰深调节滑槽2331，通过所述腰深调节滑槽2331，所述腰杆下段233与所述髋上臂131之间联接位置可以水平调节后锁定形成刚性联接。

所述腰背机构可以方便地实现腰部三个尺寸调节，其工作原理是：当松开所述腰宽腰高固定块2312时，所述下背板222与所述腰杆上段231相对位置可以上下左右滑动，穿戴者从而可以方便地同时实现腰宽、腰高的调节；当松开所述腰杆下段233与髋上臂131之间的腰深固定块时，可以实现腰深的调节；因此，通过松开和拧紧这两个固定块，例如2颗螺丝，即可实现穿戴者腰高、腰宽及腰深三个维度的调节，简单方便。

所述大腿杆系包括：大腿杆16、大腿上连接43和大腿下连接44，其中，所述大腿上连接43、大腿下连接44均由硬质护壳和柔性绑带两部分构成。具体地，所述大腿上连接43包括大腿上护壳432和大腿上绑带431，所述大腿下连接44包括大腿下护壳442及大腿下绑带441，所述大腿上绑带431与所述大腿下绑带441分别与大腿上护壳432和大腿下护壳442环绕穿戴者大腿上部和下部，以实现大腿杆16与穿戴者大腿固定。所述大腿上护壳432、大腿下护壳442可以传递助力或承载设备重量。所述大腿上绑带431、大腿下绑带441则用于将护壳及对应的设备固定在穿戴者下肢对应的位置上。

除所述腰部绑带41以外，所述轻便助力设备还可以包括：踝部绑带45以及足部绑带46等，可分别用来将小腿杆17及足踝机构固定在所述穿戴者下肢对应的部位。上述大腿上连接、大腿下连接、踝部绑带45以及足部绑带46等作为人机联接系统，用来将对应的护壳及对应的设备固定在穿戴者下肢对应的位置上。

所述小腿杆系包括包括小腿杆17、C型滑块171和小腿杆内收外展轴172，所述小腿杆17下端与所述C型滑块171通过小腿杆内收外展轴172旋转联接。

如图8和图9所示，所述足踝机构包括上踝座31、下踝座32、踝旋转轴33，所述上踝座31包括C型滑槽311及两侧向下延伸的下延伸板312，所述下踝座32包括薄底板321及两侧向上延伸的上延伸板322，所述薄底板321与两侧上延伸板322固联，所述上延伸板322上端延伸至与穿戴者的脚踝附近的高度，所述薄底板321位于穿戴者的足底，可以设置于穿戴者鞋内，在穿戴者足部与鞋之间。所述上延伸板322与所述下延伸板312通过所述踝旋转轴33旋转联接，以适应人体足部相对于小腿的拓曲与背伸；所述C型滑块171设置于所述C型滑槽311内，其可以相对所述C型滑槽311基于垂直于地面的踝水平旋转轴线34旋转，以适应人体足部相对于小腿的水平旋转运动，所述C型滑槽311下方带有平面，以支撑所述C型滑块171。即所述C型滑块171下端与所述C型滑槽311下端相抵接，可以承载本发明助力设备自重及支撑穿戴者的反作用力，所述重力及作用力通过所述C型滑槽311传递到踝下支架32的薄底板上，最后，由穿戴者的鞋传递，泄放到地面。这样的结构设置可以使得所述小腿杆的力不需要经过穿戴者的人体自身，不会给穿戴者造成额外负担，同时，所述小腿C型滑块171与所述踝C型滑槽311之间的相对滑动旋转可以更好的适应人体运动时腿部左右旋转运动，具有提高穿戴舒适性和助力效果。所述C型滑槽311为带有凹槽结构的弧形，与穿戴者的小腿脚踝部分配合。

在本说明书中，以“固联”这样的术语表示两个连接的器件之间没有相对活动的自由度，两者之间为刚性连接。以“旋转联接”或者“转动联接”这样的术语表示两个连接的器件之间具有相对活动的自由度，可以发生相对的旋转运动。

如图1和图6所示，所述拉索驱动装置11和所述髋上臂131之间通过第一拉索润滑管123传动联接，所述第一拉索121设置于其内；所述动力基座111固定有水平设置的动力滑槽1111，所述动力固定板24竖直穿过所述动力滑槽1111，所述动力基座111可以相对于所述动力固定板24上下左右滑动。

采用上述机构，虽然所述第一拉索润滑管123长度不可调节，但所述拉索驱动装置11仍可以方便地适配人体腰部尺寸调节及人体下肢运动时其与所述髋关节机构13之间的位置及角度变化：所述拉索驱动装置11和腰部绑带41可以水平或竖直滑动，所述第一拉索润滑管123是柔性的，当腰杆23相对于背板22及髋上臂131前后上下左右调节时，所述拉索驱动装置11通过在腰部绑带41上下左右滑动及第一拉索润滑管123形变来适应调节带来的尺寸变化，其不需要单独再调节就可以实现与不同腰部尺码形态人体的自适应匹配，大大提升了不同穿戴者穿戴使用的方便性。

为防止所述拉索驱动装置11因重力导致的下坠，在所述腰杆上段231上固定有动力吊带2313，所述动力吊带2313与所述动力基座111固联。

如图6所示，所述拉索驱动装置11设置于穿戴者后腰部，与所述髋长臂131柔性传动联接；所述背板22、腰杆23、髋上臂131、髋下臂132、大腿杆16、小腿杆17、足踝机构依次传动联接形成从腰部到足底的支架机构，腰背机构、大腿杆16、小腿杆17以及足踝机构则分别固定在穿戴者对应的身体部位上；具体而言，所述腰背机构被固定设置于穿戴者的腰背，所述大腿杆16被固定设置于穿戴者的大腿，所述小腿杆17被固定设置于所述穿戴者的小腿，所述足踝机构则被固定设置于所述穿戴者的足部及踝部。

在本实施例中，以“传动联接”这样的术语表示两个组件之间可以实现动力传输，可以由其中的一个组件带动另一个组件运动。

以下结合图1和图6，详细描述本发明实施例3提供的轻便助力设备的工作原理。当所述拉索驱动装置11收紧第一拉索121时，所述髋关节机构13受到力矩，将腰背机构相对于大腿杆16向后转动(图6中为逆时针方向)。同时，所述膝关节机构14受到力矩将小腿杆17和大腿杆16伸直。上述的力矩可以通过硬质护壳及绑带传递给穿戴者，从而帮助穿戴者的腰部向后伸展和腿部伸展打直，以使得穿戴者可以站立起来或协助支撑体重。当所述拉索驱动装置11放松第一拉索121时，所述髋关节机构13及膝关节机构14均切换为自由转动状态，所述穿戴者的腰部及腿部可以自由伸展或弯曲，灵活运动。

在一些实施例中，请继续参阅图6，所述轻便助力设备还可以包括：髋腰连接带42。所述髋腰连接带42分别与腰部下绑带412与髋上臂131联接，用于防止所述拉索驱动装置11向髋关节机构13施加扭矩时所述髋关节机构13向人体后方移动，增加加力稳定性。

请参阅图10和图11，图10为本发明实施例4提供的轻便助力设备的侧视示意图，图11为本发明实施例5提供的轻便助力设备的侧视示意图。图10和图11均是基于本发明实施例2提供的拉索驱动机构实现的轻便助力设备。采用所述实施例4的轻便助力设备，可以帮助穿戴者在行走时向前摆动大腿(曲髋)、向后伸展大腿(伸髋)力矩以协助穿戴者向前推动躯干前进，减轻行走时大腿肌肉负担，同时伸髋力传递到膝关节会产生伸膝非直接助力，帮助穿戴者支撑身体重量，用于帮助体弱者、行动不便者以及负重长距离行走领域。与实施例4相比，所述实施例5不带膝关节机构14、小腿杆17及足踝机构，所述轻便助力设备更加轻便灵活，其功能与实施例4类似，可以产生曲髋和伸髋的助力，其功能区别是不带有非直接伸膝助力，适用于辅助体弱者或行动不便者。

综上所述，本发明实施例提供的轻便助力设备可以适配不同身形的穿戴者，且在施加助力的同时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。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，包括拉索、拉索驱动装置、一个或多个关节机构及扭矩传感器，所述关节机构包括上臂、下臂、转轴及滑轮，所述上臂和下臂基于转轴旋转联接，所述滑轮固定在转轴、上臂或下臂上且可相对上臂和下臂自由转动；所述拉索驱动装置包括动力基座和动力输出端，所述动力输出端相对动力基座可转动；所述动力基座与最上端关节机构的上臂刚性或柔性传动联接，所述扭矩传感器固定在其中一关节机构的下臂上；所述拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端切出后，再依次切入、绕经并切出所述一个或多个关节机构的滑轮，所述拉索末端固定在所述扭矩传感器上；所述拉索驱动装置收紧拉索时，所述拉索绕经所述滑轮时在所述一个或多个关节机构上臂和下臂之间产生旋转力矩并驱动所述上臂和下臂转动，所述扭矩传感器感知拉索的张力。

2.如权利要求1所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述关节机构包括髋关节机构和膝关节机构；所述髋关节机构包括髋上臂、髋下臂、髋转轴及髋滑轮，所述髋上臂和髋下臂基于髋转轴旋转联接，所述髋滑轮固定于所述髋转轴上且可相对于髋上臂和髋下臂自由转动；所述膝关节机构包括膝上臂、膝下臂、膝转轴及膝滑轮，所述膝上臂和膝下臂基于膝转轴旋转联接，所述膝滑轮固定于所述膝转轴上且可相对于膝上臂和膝下臂自由转动；所述髋下臂和膝上臂传动联接；所述髋上臂与所述动力基座固联；所述扭矩传感器固定在所述膝下臂上；所述拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端，再切入并绕经所述髋滑轮后切出，再切入并绕经所述膝滑轮后切出，固定于所述膝下臂上的扭矩传感器上。

3.如权利要求2所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端，再逆时针切入并绕经所述髋滑轮后切出，再向下顺时针切入并绕经所述膝滑轮后切出，固定于所述膝下臂上的扭矩传感器上。

4.如权利要求2所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述髋滑轮带有第一轮槽及第二轮槽，所述第一轮槽和第二轮槽带有共同的轮槽转换缺口，所述拉索从所述第一轮槽切入，绕经第一轮槽后从轮槽转换缺口处绕出后导入第二轮槽，再绕经第二轮槽后切出。

5.如权利要求4所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述轮槽转换缺口处设有用于压紧所述拉索的轮槽转换固定块。

6.如权利要求2-5任一项所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，还包括套设在所述拉索外并可轴向传力的拉索润滑管，所述拉索润滑管带有柔性，所述髋上臂通过所述拉索润滑管与所述动力基座固联，所述髋下臂通过大腿杆与所述膝上臂联接；所述膝下臂与小腿杆上端固联。

7.如权利要求1所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述关节机构包括髋关节机构，所述髋关节机构包括髋上臂、髋下臂、髋转轴及髋滑轮，所述髋上臂和髋下臂基于髋转轴旋转联接，所述髋滑轮固定于所述髋转轴上且可以相对于髋上臂和髋下臂自由转动；所述拉索包括第一拉索和第二拉索，所述扭矩传感器包括第一扭矩传感器和第二扭矩传感器，所述第一扭矩传感器和第二扭矩传感器均固定于所述髋下臂上；所述第一拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端，再切入并绕经所述髋滑轮后切出，固定于所述髋下臂上的第一扭矩传感器上；所述第二拉索上端固定于所述动力输出端上，以与第一拉索相反方向绕经动力输出端，再以与第一拉索相反方向切入并绕经所述髋滑轮后切出，固定于所述髋下臂上的第二扭矩传感器上。

8.如权利要求7所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述髋滑轮包括第一髋滑轮和第二髋滑轮；所述第一髋滑轮和第二髋滑轮均固定在髋转轴上且均可相对于髋上臂和髋下臂自由转动；所述第一拉索上端固定于所述动力输出端上，绕经动力输出端，再切入并绕经所述第一髋滑轮后切出，固定于所述髋下臂上的第一扭矩传感器上；所述第二拉索上端固定于所述动力输出端上，以与第一拉索相反方向绕经动力输出端，再以与第一拉索相反方向切入并绕经所述第二髋滑轮后切出，固定于所述髋下臂上的第二扭矩传感器上。

9.如权利要求7或8所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述关节机构还包括膝关节机构，所述膝关节机构包括膝上臂、膝下臂以及膝转轴，所述膝上臂和膝下臂基于膝转轴旋转联接，所述髋下臂通过大腿杆与所述膝上臂联接，所述膝下臂与小腿杆上端固联。

10.如权利要求7所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述第一拉索外套有第一拉索润滑管，所述第二拉索外套设有第二拉索润滑管，所述第一拉索润滑管和第二拉索润滑管带有柔性，用于分别轴向承载第一拉索和第二拉索的张力。

11.如权利要求1所述带扭矩传感器的拉索驱动机构，其特征在于，所述扭矩传感器带有传感器固定端、悬臂梁、应变片以及传感器输出端，所述传感器固定端固定在下臂上，所述传感器固定端与所述传感器输出端通过悬臂梁联接，所述传感器输出端带有柱状凸起，所述拉索末端带有用于套置于所述柱状凸起上的环状结构，所述应变片贴附于所述悬臂梁两侧。

12.一种轻便助力设备，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的拉索驱动机构和腰背机构，所述腰背机构包括腰部绑带、背板和腰杆，所述腰部绑带环绕设置于穿戴者腰部，所述背板固定在所述腰部绑带上；所述腰杆一端与所述背板传动联接，所述腰杆另一端与最上端关节机构的上臂传动联接；所述腰杆与所述背板的联接处可上下滑动以适应不同腰高，所述腰杆长度可调节以适应不同腰宽，所述腰杆与最上端关节机构的上臂的联接处可前后调节，以适应不同腰深。

13.根据权利要求12所述轻便助力设备，其特征在于，所述轻便助力设备还包括大腿杆系和小腿杆系，所述大腿杆系包括：大腿杆、大腿上连接和大腿下连接，所述大腿上连接包括大腿上护壳和大腿上绑带，所述大腿下连接包括大腿下护壳及大腿下绑带，所述大腿上绑带与所述大腿下绑带分别与大腿上护壳和大腿下护壳环绕穿戴者大腿上部和下部，以实现大腿杆与穿戴者大腿固定；所述小腿杆系包括包括小腿杆、C型滑块和小腿杆内收外展轴，所述小腿杆下端与所述C型滑块通过小腿杆内收外展轴旋转联接。

14.根据权利要求13所述轻便助力设备，其特征在于，所述轻便助力设备还包括足踝机构，所述足踝机构包括上踝座、下踝座、踝旋转轴，所述上踝座包括C型滑槽及两侧向下延伸的下延伸板，所述下踝座包括薄底板及两侧向上延伸的上延伸板，所述上延伸板与所述下延伸板通过所述踝旋转轴旋转联接，以适应人体足部相对于小腿的拓曲与背伸；所述C型滑块设置于所述C型滑槽内，其可相对所述C型滑槽基于垂直于地面的踝水平旋转轴线旋转，以适应人体足部相对于小腿的水平旋转运动；所述C型滑槽下方带有平面，以支撑所述C型滑块。

Images