CN114043457A

CN114043457A - 一种下肢可穿戴柔性助力装置

Info

Publication number: CN114043457A
Application number: CN202111366929.2A
Authority: CN
Inventors: 戴跃洪; 安冲杰; 王永生; 李照阳; 黄俊彬; 司峡溪; 曾超
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2022-02-15

Abstract

本发明公开了一种下肢可穿戴柔性助力装置，属于穿戴设备领域。该转置包括了腰带，左侧电机Ⅰ，左侧电机Ⅱ，右侧电机Ⅰ，右侧电机Ⅱ，电池，控制器，左侧提升拉线Ⅰ，左侧提升拉线Ⅱ，右侧提升拉线Ⅰ，右侧提升拉线Ⅱ，左侧第一固定带、左侧第二固定带，右侧第一固定带、右侧第二固定带。当对应电机工作时，对应提升拉线做拉伸运动，驱动人体对应关节运动，达到助力效果。本发明结构相对紧凑，优化助力装置的动力学结构，更符合人体运动力学，对人体步行干扰小，输出力臂大，扭矩强，助力效果好，可以高效节省体力，使人体步行状态更加自然，设备运行效率更高。

Description

一种下肢可穿戴柔性助力装置

技术领域

本发明涉及穿戴设备技术领域，具体涉及一种下肢可穿戴柔性助力装置。

背景技术

可穿戴柔性助力服辅助系统主要运用机械结构、传感信息、控制系统、新能源和新开发的材料等技术，构建人体的运动和作业辅助系统。目前，现有的外骨骼多数是刚性外骨骼，而刚性外骨骼一般机构复杂，质量较大，舒适性差、响应速度慢，对结构件要求较高，能源需求也较大。而可穿戴的柔性助力服助力系统，结构件较少，系统比较轻便、灵活，穿着舒适性与贴合性都比刚性外骨骼要好，因此可穿戴的柔性助力服更具优势。现有的可穿戴的柔性下肢助力机器人将驱动设备集中在腰背处，不仅布线复杂，而且在人体向前运动的时候，连接大腿和驱动电机的拉线向身后上方收缩，其髋关节向上屈曲的力臂较小，所需电机的功率较大，驱动效果并不理想。

本发明设计了一种下肢可穿戴柔性助力装置，将柔性绳传动技术和柔性穿戴引入到下肢助力领域，可以高效节省体力，使人体步行状态更加自然，设备运行效率更高。

发明内容

本发明设计了一种下肢可穿戴柔性助力装置，将柔性绳传动技术和柔性穿戴引入到下肢助力领域，以解决上述背景技术中描述的问题。

要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种下肢可穿戴柔性助力装置，包括腰带、左侧电机Ⅰ、左侧电机Ⅱ、右侧电机Ⅰ、右侧电机Ⅱ、电池、控制器、左侧提升拉线Ⅰ、左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅱ、左侧第一固定带、左侧第二固定带、右侧第一固定带、右侧第二固定带，所述腰带穿戴于人体的腰部，所述左侧电机Ⅰ、左侧电机Ⅱ、右侧电机Ⅰ、右侧电机Ⅱ分别设置于腰带的左前，左后，右前，右后四个部位；电池、控制器设置于腰带的前部，电池为控制器和各电机供电，控制器控制各电机的转动；所述左侧电机Ⅰ、左侧电机Ⅱ、右侧电机Ⅰ、右侧电机Ⅱ的输出端对应连接左侧提升拉线Ⅰ、左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅱ的一端，可实现拉线的伸缩；所述左侧提升拉线Ⅰ、左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅱ的另一端对应连接左侧第一固定带、左侧第二固定带、右侧第一固定带、右侧第二固定带；所述左侧第一固定带、左侧第二固定带、右侧第一固定带、右侧第二固定带分别穿戴于左侧大腿、左侧小腿、右侧大腿、右侧小腿；所述左侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅰ分别与左侧第一固定带、右侧第一固定带的连接点为对应的固定带前部，所述左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅱ分别与左侧第二固定带、右侧第二固定带的连接点为对应的固定带后部。

进一步的，根据人体动力学分析，所述左侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅰ与大腿的夹角大于15度，所述左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅱ与小腿的夹角大于18度。在该情况下，可实现系统装置结构紧凑，同时达到输出力矩要求。

本发明的结构将柔性绳传动技术和柔性穿戴引入到下肢助力领域，结构相对紧凑，优化助力装置的动力学结构，更符合人体运动力学，对人体步行干扰小，同等功率下，输出力臂大，扭矩强，助力效果好，可以高效节省体力，使人体步行状态更加自然，设备运行效率更高。

附图说明

图1是本发明一种下肢可穿戴柔性助力装置示意图。

其中1是腰带、2是右侧电机Ⅰ、3是左侧电机Ⅰ、4是左侧电机Ⅱ、5是右侧电机Ⅱ、6是电源、7是控制器、8右侧拉线Ⅰ、9左侧拉线Ⅰ、10是左侧拉线Ⅱ、11是右侧拉线Ⅱ、12是右侧第一固定带、13是左侧第一固定带、14是右侧第二固定带、15是左侧第二固定带。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方法作进一步描述：如图1所示，本发明提供了一种下肢可穿戴柔性助力装置，其特征在于，包括了腰带，左侧电机Ⅰ，左侧电机Ⅱ，右侧电机Ⅰ，右侧电机Ⅱ，电池，控制器，左侧提升拉线Ⅰ，左侧提升拉线Ⅱ，右侧提升拉线Ⅰ，右侧提升拉线Ⅱ，左侧第一固定带、左侧第二固定带，右侧第一固定带、右侧第二固定带共15个模块，通过电机控制提升拉线的拉伸运动实现下肢的抬腿，收腿运动，从而辅助下肢运动，整体结构符合人体动力学，对人体步行干扰小，可以高效节省体力，助力效果好，优化助力装置的动力分配。通过电机控制对应与之连接的提升拉线的拉伸运动实现下肢的抬腿，收腿运动，从而辅助下肢步进运动；所述结构腰带上搭载了一块锂电池，锂电池体积小，重量轻，使得整体重量小，结构紧凑，是整个机构能量的来源。所述腰带上搭载了四个电机，是整个机构的动力源，具有很重要的作用。所述各电机与固定带通过拉线连接，拉线作为传动机构，将电机的动力传输至固定带，从而带动下肢相应关节运动。所述腰带上搭载了控制器，与电池电机紧密连接，空间利用率高，减小整体机构体积，减小通信距离，为整体机构通讯稳定提供保障。所述各固定带选用透气性良好的高弹潜水布料，绑带材质柔软，可以很好地贴合大腿，小腿轮廓，材质抗拉强度大，可以承受拉线的拉力而不会发生显著形变。所述四个电机包括左侧电机Ⅰ，左侧电机Ⅱ，右侧电机Ⅰ，右侧电机Ⅱ分别分布于腰带左前，左后，右前，右后部位，为整体提供动力源。所述的左侧电机Ⅰ，左侧电机Ⅱ，右侧电机Ⅰ，右侧电机Ⅱ分别与左侧提升拉线Ⅰ，左侧提升拉线Ⅱ，右侧提升拉线Ⅰ，右侧提升拉线Ⅱ的一端相连接，拉线作为传动机构，传输与之相联的电机的动力。所述的左侧提升拉线Ⅰ，左侧提升拉线Ⅱ，右侧提升拉线Ⅰ，右侧提升拉线Ⅱ，其特征在于分别与左侧第一固定带、左侧第二固定带，右侧第一固定带、右侧第二固定带相连接，分别将左侧电机Ⅰ，左侧电机Ⅱ，右侧电机Ⅰ，右侧电机Ⅱ的动力传至与之相联的固定带。所述的左侧第一固定带、左侧第二固定带，右侧第一固定带、右侧第二固定带，其特征在于分别安装在下肢左大腿，下肢左小腿，下肢右大腿，下肢右小腿部位，通过以上固定带分别将左侧电机Ⅰ，左侧电机Ⅱ，右侧电机Ⅰ，右侧电机Ⅱ的动力传至左腿髋关节，左腿膝关节，右腿髋关节，右腿膝关节处，辅助下肢行进运动。

在行走过程中，以左腿为例，自用户开始迈步时为起点，一共会经历以下几个步态：①摆动前期：脚尖离地左腿髋关节上抬带动大腿上摆抬起，膝关节弯屈带动小腿后抬，至膝关节抬至最高位置。②摆动后期：膝关节从最高点向下运动，髋关节伸展，小腿前伸，直至脚跟落地。③支撑期，左脚着地的完整时期。右腿步态周期和左腿相同。电机驱动助力主要在于摆动期。

自左腿摆动前期始(右腿为支撑期)，左腿大腿逐渐上摆抬起，控制器生成指令，控制腰带左侧电机Ⅰ转动，通过拉线提升拉动大腿上的固定带，带动大腿上摆，使髋关节向上屈。同时，左侧电机Ⅱ带动小腿后摆，使膝关节后屈。至摆动后期，左侧电机Ⅰ继续带动髋关节上屈，左侧电机Ⅱ不再带动小腿后抬，小腿本身的重量可以满足其前身向下着地。当左腿进入支撑期，右腿便进入摆动期，换作右侧电机Ⅰ和右侧电机Ⅱ工作，助力右腿摆动。全程能量来源由腰带上的锂电池提供。

Claims

1.一种下肢可穿戴柔性助力装置，包括腰带、左侧电机Ⅰ、左侧电机Ⅱ、右侧电机Ⅰ、右侧电机Ⅱ、电池、控制器、左侧提升拉线Ⅰ、左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅱ、左侧第一固定带、左侧第二固定带、右侧第一固定带、右侧第二固定带，所述腰带穿戴于人体的腰部，所述左侧电机Ⅰ、左侧电机Ⅱ、右侧电机Ⅰ、右侧电机Ⅱ分别设置于腰带的左前，左后，右前，右后四个部位；电池、控制器设置于腰带的前部，电池为控制器和各电机供电，控制器控制各电机的转动；所述左侧电机Ⅰ、左侧电机Ⅱ、右侧电机Ⅰ、右侧电机Ⅱ的输出端对应连接左侧提升拉线Ⅰ、左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅱ的一端，可实现拉线的伸缩；所述左侧提升拉线Ⅰ、左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅱ的另一端对应连接左侧第一固定带、左侧第二固定带、右侧第一固定带、右侧第二固定带；所述左侧第一固定带、左侧第二固定带、右侧第一固定带、右侧第二固定带分别穿戴于左侧大腿、左侧小腿、右侧大腿、右侧小腿；所述左侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅰ分别与左侧第一固定带、右侧第一固定带的连接点为对应的固定带前部，所述左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅱ分别与左侧第二固定带、右侧第二固定带的连接点为对应的固定带后部。

2.如权利要求1所述的一种下肢可穿戴柔性助力装置，其特征在于所述左侧提升拉线Ⅰ、右侧提升拉线Ⅰ与大腿的夹角大于15度，所述左侧提升拉线Ⅱ、右侧提升拉线Ⅱ与小腿的夹角大于18度。