CN115781639A - 一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效快速基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置，本发明提供一种高效快速基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置，包括驱动执行器和分别设置在驱动执行器两侧的第一驱动杆和第二驱动杆；驱动执行器包括定子外壳和可相对定子外壳旋转的转子转轴；第一驱动杆随定子外壳转动；第二驱动杆随转子转轴转动；第一驱动杆一侧连接匹配人体一侧腿部的第一驱动末端；第二驱动杆一侧连接匹配人体另一侧腿部的第二驱动末端；驱动执行器工作时，定子外壳和转子转轴在一定角度内往复旋转，驱动第一驱动杆、第二驱动杆带动人体两侧腿部发生相对往复摆动。

Description

一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置

技术领域

本发明属于人体外骨骼行走助力领域，尤其涉及一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置。

背景技术

助力行走外骨骼能够为使用者的起身和行走提供助力，通常被使用在医疗复健，工业安全和户外旅游领域的行走及跑步场景中。该类装置能够对使用者起到延长步行时间，增强步行能力和节约体力的作用。

现有的下半身人体助力装置，驱动装置普遍安装在胯部两侧或背部。在动力方面，多采用驱动电机或液压驱动。其中，在驱动电机的安装位置和选型上，多采用体积和重量较大的盘式电机，安装在下肢各个关节处，如左右两侧髋关节和膝关节。在液压驱动方案中，大多采用背负的形式将液压驱动器固定在背部。

采用上述现有技术制造的下肢助力外骨骼主要存在以下几点不足：

1.多个驱动电机会增加助力外骨骼的整体重量和功耗，所以需要携带容量更大的电源，进而进一步增大了整体的重量，并导致功耗也同时增加。非常不环保，且无法兼顾续航和轻便的穿戴体验。

2.多个驱动电机会导致整个助力外骨骼系统更难控制，增加了系统的不稳定性

3.液压/气压驱动的方案设备相比驱动电机更加沉重，其自身质量就会给使用者的腰部、背部增加极大的负担，只有在重载时才能体现其助力优势。

4.液压或气动的人工肌肉直接暴露在自然环境下，容易锈蚀发生故障。

因此，不论是现有多驱动电机方案还是液压/气压驱动方案，其设计的助力外骨骼都体积庞大，难以单人独立完成穿戴，且在不穿戴时难以收纳。

发明内容

本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种相较于现有设计，重量功耗更低，更易于控制的基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置。

本发明的技术方案：本发明提供一种高效快速基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置，包括驱动执行器和分别设置在所述驱动执行器两侧的第一驱动杆和第二驱动杆；所述驱动执行器包括定子外壳和可相对所述定子外壳旋转的转子转轴；

所述第一驱动杆随所述定子外壳转动；所述第二驱动杆随所述转子转轴转动；

所述第一驱动杆一侧连接匹配人体一侧腿部的第一驱动末端；所述第二驱动杆一侧连接匹配所述人体另一侧腿部的第二驱动末端；

所述驱动执行器工作时，所述定子外壳和转子转轴在一定角度内往复旋转，驱动所述第一驱动杆、第二驱动杆带动人体两侧腿部发生相对往复摆动。

进一步的，所述第一驱动杆首端连接所述定子外壳，末端连接贴合人体一侧腿部的第一驱动末端；

所述第二驱动杆首端连接所述转子转轴，末端连接贴合所述人体另一侧腿部的第二驱动末端。

进一步的，所述第一驱动杆及第二驱动杆上均连接有固定接头；所述固定接头连接人体，为所述行走外骨骼提供支撑、固定作用；所述第一驱动杆及第二驱动杆以对应的所述固定接头为旋转中心。

进一步的，所述固定接头固定在人体髋关节周围。

进一步的，还包括匹配人体的腰带；所述固定接头通过腰带固定在人体髋关节周围。

进一步的，所述第一驱动杆包括第一转臂和第一曲杆；所述第二驱动杆包括第二转臂和第二曲杆；

所述第一转臂首端连接所述定子外壳；所述第一曲杆末端设有连接匹配人体一侧腿部的第一驱动末端；

所述第二转臂首端连接所述转子转轴；所述第二曲杆末端设有连接匹配人体一侧腿部的第二驱动末端。

进一步的，所述第一转臂和第一曲杆铰接；所述第二转臂和第二曲杆铰接。

进一步的，所述第一曲杆与所述第一驱动末端具有一定范围的相对位移空间；

所述第二曲杆与所述第二驱动末端具有一定范围的相对位移空间。

进一步的，所述第一曲杆与所述第一驱动末端之间设有衔接块；所述第一曲杆与所述衔接块一侧通过球形铰链连接；所述第一驱动末端与所述衔接块另一侧滑动连接；

所述第二曲杆与所述第二驱动末端之间设有衔接块；所述第二曲杆与所述衔接块一侧通过球形铰链连接；所述第二驱动末端与所述衔接块另一侧滑动连接。

进一步的，所述第一驱动末端、第二驱动末端为匹配人体腿部的弧形板。

进一步的，所述弧形板在所述人体腿部前方或后方。

进一步的，所述驱动执行器相对水平设置在人体腰腹部后方或前方。

所述第一驱动杆及第二驱动杆分别与所述驱动执行器两侧刚性连接；所述驱动执行器在使用时，悬空设置在人体周边。

进一步的，所述第一驱动杆与所述定子外壳间夹角可调；所述第二驱动杆与所述转子转轴间夹角可调。

进一步的，所述定子外壳设置在套筒内；所述套筒一侧设有可供所述外壳相对所述套筒往复运动的开口；所述定子外壳在所述套筒内深度可调；

所述第一驱动杆通过所述套筒连接所述定子外壳；所述第一驱动杆与所述定子外壳间夹角可调。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.行走时，传统的双驱动电机方案会将反作用力作用于腰背部支撑，使用体验较差。本发明中，使用单一驱动电机的驱动力直接作用于迈出的腿上，反作用力直接作用于与地面接触的支撑腿上，因此着力点被转移到了地面。通过把着力点转移到了地面，解决了现有装置人体腰背受反作用力的问题；

2.相较于现有的双驱动，本发明减少了一个驱动执行器降低了成本,功耗,重量，提高了整体助力性能，控制起来也极为方便。驱动装置旋转基座与驱动执行器刚性连接；驱动执行器悬空设置在人体一侧；相对旋转基座旋转的驱动杆产生的助力直接作用于两腿，使两腿分开与合并,与胯部无关；因此胯部只需要承担部分的助力装置重量，不会存在局部省力,全局费力的情况。

3.设有多种调节方式，包括可以通过调节第一驱动杆、第二驱动杆与电机的夹角、调节腰带松紧以及调节电机与套筒之间的伸缩距离，可适用于不同体型使用者，来适配不同体型的使用者。

4.通过护腿处的球形关节和滑块提升了人机工效，增加了穿戴的舒适度。本发明只包括驱动执行器、第一、第二驱动杆，整体结构简单，构件少，可动关节多，可以折叠实现小空间收纳；本发明工作原理简单易上手，学习成本低，可以单人高效使用。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明中驱动执行器的具体结构示意图；

图4为本发明中第一驱动杆的具体结构示意图；

图5为本发明中第二驱动杆的具体结构示意图；

图6为本发明的使用状态示意图；

图7为本发明中第一曲杆与第一驱动末端的连接结构示意图；

图8为本发明中通过调节驱动执行器与设置在驱动执行器两侧的驱动杆角度调节腰围尺寸的示意图；

图9为本发明中通过调节定子外壳插入套筒深度调节腰围尺寸的示意图；

图10为本发明实施例中右脚着地，左脚抬起的状态示意图；

图11为本发明实施例中左脚着地，右脚抬起的状态示意图。

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置，如图1-9所述，包括驱动执行器3和分别设置在驱动执行器3两侧的第一驱动杆1和第二驱动杆2；驱动执行器3包括定子外壳31和可相对定子外壳31旋转的转子转轴32；

第一驱动杆1首端连接定子外壳31，末端连接贴合人体一侧腿部的第一驱动末端41；第二驱动杆2首端连接转子转轴32，末端连接贴合人体另一侧腿部的第二驱动末端42。

第一驱动杆1包括第一转臂11和第一曲杆12；第二驱动杆2包括第二转臂21和第二曲杆22；

第一转臂11首端连接定子外壳31；第一曲杆12末端设有连接匹配人体一侧腿部的第一驱动末端41；

第二转臂21首端连接转子转轴32；第二曲杆22末端设有连接匹配人体一侧腿部的第二驱动末端42。

第一转臂11和第一曲杆12铰接；第二转臂21和第二曲杆22铰接。第一曲杆12与第一驱动末端41具有一定范围的相对位移空间；第二曲杆22与第二驱动末端42具有一定范围的相对位移空间。

第一曲杆12与第一驱动末端41之间设有衔接块40；第一曲杆12与衔接块40一侧通过球形铰链连接；第一驱动末端41与衔接块40另一侧滑动连接；

第二曲杆22与第二驱动末端42之间设有衔接块40；第二曲杆22与衔接块40一侧通过球形铰链连接；第二驱动末端42与衔接块40另一侧滑动连接。

驱动执行器3工作时，定子外壳31和转子转轴32在一定角度内往复旋转，第一驱动杆1随定子外壳31转动；第二驱动杆2随转子转轴32转动，带动人体两侧腿部发生相对往复摆动。

第一驱动杆1及第二驱动杆2上均连接有固定接头6；固定接头6通过腰带5固定在人体髋关节周围。为行走外骨骼提供支撑、固定作用；固定接头6固定在人体髋关节周围。第一驱动杆1及第二驱动杆2以对应的固定接头6为旋转中心。

第一驱动末端41、第二驱动末端42为匹配人体腿部的弧形板。如图6所示，本实施例中，弧形板在人体腿部前方，驱动执行器3相对水平设置在人体腰腹部后方。

如图6所示，腰带5穿戴在使用者腰部位置。驱动执行器3位于腰部后方。固定接头因设置在人体两侧，包括右固定接头61和左固定接头62；

右固定接头61与腰带5右翼连接；左固定接头62与腰带5左翼连接。第一驱动末端41与使用者右大腿捆绑；第二驱动末端42与使用者左大腿捆绑。

如图3所述，驱动执行器3由定子外壳31，转子转轴32、套筒33和右连接轴34组成。驱动执行器3可以驱动转子转轴32可相对定子外壳31旋转。套筒33与定子外壳31之间有轴向轨道，右连接轴34和第一驱动杆1连接；转子转轴32和第二驱动杆2连接。驱动执行器3可采用旋转电机。

其中，第二驱动杆2和第一驱动杆1呈对称设计。

左固定接头62安装在第二转臂21和第二曲杆22之间的铰链上，左固定接头62采用球形滑动轴承。第二驱动末端42和第二曲杆22通过另一个球形关节连接。

如图7所示，衔接块40为整个机构提供了一个关键的自由度，让整个机构能够配合人体舒适运行。原因是由于两侧的固定接头6在穿戴时往往不能精确的与人体的左右髋关节耦合，因此在行走过程中，左右两侧大腿的转动和第二驱动杆2、第一驱动杆1的转动是不同心的，进而导致第一驱动杆1及第二驱动杆2末端的第一驱动末端41、第二驱动末端42会有相对于大腿上固定位置的滑动趋势。

这种滑动趋势最终会表现为第一驱动末端41、第二驱动末端42对使用者左、右大腿的压迫感，影响穿戴舒适度。

因此，设置在驱动杆与驱动末端间设置衔接块40，其中衔接块40一侧与所述驱动杆的曲杆通过球形铰链连接；另一侧与驱动末端滑动连接；使驱动末端与大腿之间存在一定的相对运动空间，化解了滑动趋势和压迫感，提升了穿戴舒适度。

图8是腰围尺寸调整图，第一驱动杆1与套筒33转轴连接，第二驱动杆2与转子转轴32转轴连接。这两处转轴可以被放松或锁紧，使驱动执行器3与设置在驱动执行器3两侧的第一、第二驱动杆之间能以任意角度固定。通过增大/缩小驱动执行器3与驱动杆的夹角θ，可以增大/缩小两侧左右固定接头61的距离，配合可以调节松紧的腰带，可以适配不同腰围的使用者。

图9展示了另一种调节第一驱动杆1与第二驱动杆2之间宽度以适配不同体型人群的方式。定子外壳31和套筒33之间可以通过导轨做轴向的伸缩运动，在调整好伸缩长度后可以固定其相对位置，从而达到加宽或缩窄第一驱动杆1与第二驱动杆2之间距离的作用。

图6是使用者穿戴本发明时的站立姿态图。

整套机构通过两侧的固定接头6连接在腰带5的左右两翼，该腰带5和使用者腰部始终保持固定静止状态。

此时驱动执行器3的转子转轴32和定子外壳31处于平衡状态，两者处于同一角度，其角度差为0。站立姿态下，使用者的左右脚都能处于着地状态；驱动执行器3位于使用者腰部后方或前方，其中驱动执行器3相对地面处于水平状态。

图10是使用者穿戴本发明时左脚抬起的姿态图。此时驱动执行器3的转子转轴32发生相对于定子外壳31的正向转动。对应地，第二驱动杆2也发生相对于第一驱动杆1的正向转动。此姿态下：使用者的右腿91处于着地状态并且与地面保持相对静止；第一驱动杆1因与右腿91捆绑相对于地面也处于静止状态。这种状态下，第二驱动杆2将受到驱动执行器3产生的反作用力而被抬起，从而带动使用者的左腿92抬起。

图11是使用者穿戴本发明时右脚抬起的姿态图。此时驱动执行器3的转子转轴32发生相对于定子外壳31的反向转动。对应地，第二驱动杆2也发生相对于第一驱动杆1的反向转动。此姿态下：使用者的左腿92处于着地状态并且与地面保持相对静止；第二驱动杆2因与左腿92捆绑相对于地面也处于静止状态。这种状态下，第一驱动杆1将受到驱动执行器3产生的反作用力而被抬起，从而带动使用者的左腿91抬起。

综上所述，赋予驱动执行器3一个交替正负转动，就可以实现左右两腿交替地抬起和着地，从而实现使用者的行走。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (15)

1.一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力装置，其特征在于：包括驱动执行器(3)和分别设置在所述驱动执行器(3)两侧的第一驱动杆(1)和第二驱动杆(2)；所述驱动执行器(3)包括定子外壳(31)和可相对所述定子外壳(31)旋转的转子转轴(32)；

所述第一驱动杆(1)随所述定子外壳(31)转动；所述第二驱动杆(2)随所述转子转轴(32)转动；

所述第一驱动杆(1)一侧连接匹配人体一侧腿部的第一驱动末端(41)；所述第二驱动杆(2)一侧连接匹配所述人体另一侧腿部的第二驱动末端(42)；

所述驱动执行器(3)工作时，所述定子外壳(31)和转子转轴(32)在一定角度内往复旋转，驱动所述第一驱动杆(1)、第二驱动杆(2)带动人体两侧腿部发生相对往复摆动。

2.根据权利要求1所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一驱动杆(1)首端连接所述定子外壳(31)，末端连接贴合人体一侧腿部的第一驱动末端(41)；所述第二驱动杆(2)首端连接所述转子转轴(32)，末端连接贴合所述人体另一侧腿部的第二驱动末端(42)。

3.根据权利要求2述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一驱动杆(1)及第二驱动杆(2)上均连接有固定接头(6)；所述固定接头(6)连接人体，为所述行走外骨骼提供支撑、固定作用；所述第一驱动杆(1)及第二驱动杆(2)以对应的所述固定接头(6)为旋转中心。

4.根据权利要求3述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述固定接头(6)固定在人体髋关节周围。

5.根据权利要求4述的轻量化人体助力装置，其特征在于：还包括匹配人体的腰带(5)；所述固定接头(6)通过腰带(5)固定在人体髋关节周围。

6.根据权利要求2或3所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一驱动杆(1)包括第一转臂(11)和第一曲杆(12)；所述第二驱动杆(2)包括第二转臂(21)和第二曲杆(22)；

所述第一转臂(11)首端连接所述定子外壳(31)；所述第一曲杆(12)末端设有连接匹配人体一侧腿部的第一驱动末端(41)；

所述第二转臂(21)首端连接所述转子转轴(32)；所述第二曲杆(22)末端设有连接匹配人体一侧腿部的第二驱动末端(42)。

7.根据权利要求6所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一转臂(11)和第一曲杆(12)铰接；所述第二转臂(21)和第二曲杆(22)铰接。

8.根据权利要求6所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一曲杆(12)与所述第一驱动末端(41)具有一定范围的相对位移空间；

所述第二曲杆(22)与所述第二驱动末端(42)具有一定范围的相对位移空间。

9.根据权利要求8所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一曲杆(12)与所述第一驱动末端(41)之间设有衔接块(40)；所述第一曲杆(12)与所述衔接块(40)一侧通过球形铰链连接；所述第一驱动末端(41)与所述衔接块(40)另一侧滑动连接；

所述第二曲杆(22)与所述第二驱动末端(42)之间设有衔接块(40)；所述第二曲杆(22)与所述衔接块(40)一侧通过球形铰链连接；所述第二驱动末端(42)与所述衔接块(40)另一侧滑动连接。

10.根据权利要求9所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一驱动末端(41)、第二驱动末端(42)为匹配人体腿部的弧形板。

11.根据权利要求7-10中任一所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述弧形板在所述人体腿部前方或后方。

12.根据权利要求7-10中任一所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述驱动执行器(3)相对水平设置在人体腰腹部后方或前方。

13.根据权利要求12所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一驱动杆及第二驱动杆分别与所述驱动执行器两侧刚性连接；所述驱动执行器在使用时，悬空设置在人体周边。

14.根据权利要求4所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述第一驱动杆(1)与所述定子外壳(31)间夹角可调；所述第二驱动杆(2)与所述转子转轴(32)间夹角可调。

15.根据权利要求4或13所述的轻量化人体助力装置，其特征在于：所述定子外壳(31)设置在套筒(33)内；所述套筒(13)一侧设有可供所述外壳(12)相对所述套筒(13)往复运动的开口；所述定子外壳(31)在所述套筒(33)内深度可调；

所述第一驱动杆(1)通过所述套筒(33)连接所述定子外壳(31)；所述第一驱动杆(1)与所述定子外壳(31)间夹角可调。

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