CN213946450U - 外骨骼 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种外骨骼，包括腰带组件、背部支撑件、腰部连接支架、驱动机构、大腿支架组件和控制机构；背部支撑件固定安装于腰带组件，两个腰部连接支架分别铰接于背部支撑件的两侧，两个腰部连接支架还分别与两个驱动机构固定连接；两个大腿支架组件分别与两个驱动机构连接，驱动机构包括电机，电机用于驱动大腿支架组件转动；控制机构安装于背部支撑件内，用于控制电机转动。本实用新型提供的外骨骼可以调节两个腰部连接支架张开的幅度与使用者身材适应，从而使两个腰部连接支架另一端固定的驱动机构位于使用者髋部处，避免对使用者髋部造成挤压或拉扯。外骨骼尺寸调节灵活，能够适应不同使用者的身材，增强使用者舒适度。

Description

外骨骼

技术领域

本实用新型涉及穿戴设备技术领域，尤其涉及一种外骨骼。

背景技术

外骨骼是一种增强穿戴者的物理能力的设备，可以运用于多种领域，例如在医疗领域辅助老年人、患者行走，在抢险救灾领域增强救灾人员的负重能力等。但是，目前的外骨骼大多采用电机或液压驱动，具有体积大，质量重，肢体关节惯量大，关节自由度活动范围不高等缺陷。

实用新型内容

本实用新型提供一种外骨骼，用以解决现有技术中外骨骼体积庞大、关节自由度低、不够灵活的缺陷。

本实用新型提供一种外骨骼，包括腰带组件、背部支撑件、腰部连接支架、驱动机构、大腿支架组件和控制机构；所述背部支撑件固定安装于所述腰带组件，两个所述腰部连接支架分别铰接于所述背部支撑件的两侧，两个所述腰部连接支架还分别与两个所述驱动机构固定连接；两个所述大腿支架组件分别与两个所述驱动机构连接，所述驱动机构包括电机，所述电机用于驱动所述大腿支架组件转动；所述控制机构安装于所述背部支撑件内，用于控制所述电机转动。

根据本实用新型提供的外骨骼，所述驱动机构还包括行星减速器和力矩输出轴，所述电机与所述行星减速器连接，所述力矩输出轴固定连接于所述行星减速器的外圈，所述大腿支架组件连接于所述力矩输出轴。

根据本实用新型提供的外骨骼，所述大腿支架组件与所述力矩输出轴铰接，所述大腿支架组件与所述力矩输出轴铰接的转动方向与所述行星减速器的转动方向垂直。

根据本实用新型提供的外骨骼，所述力矩输出轴沿所述行星减速器的径向延伸，所述力矩输出轴的末端设有圆柱部，所述圆柱部设有轴向通孔；所述驱动机构还包括第一轴销，所述第一轴销可转动插设于所述轴向通孔，所述大腿支架组件通过所述第一轴销铰接于所述力矩输出轴。

根据本实用新型提供的外骨骼，所述驱动机构还包括限位件，所述限位件用于限制所述力矩输出轴的转动范围。

根据本实用新型提供的外骨骼，所述控制机构包括控制器和两个伺服驱动器，所述控制器与两个所述伺服驱动器分别连接，两个所述伺服驱动器与两个所述电机分别连接，所述控制器用于生成控制命令，从而控制所述伺服驱动器对应地驱动所述电机。

根据本实用新型提供的外骨骼，还包括多个姿态传感器，所述背部支撑件和两个所述驱动机构内均安装有至少一个所述姿态传感器，多个所述姿态传感器与所述控制器连接。

根据本实用新型提供的外骨骼，所述大腿支架组件包括大腿连接件、大腿支撑杆和大腿固定件，所述大腿连接件连接于所述驱动机构，所述大腿支撑杆固定连接于所述大腿连接件，所述大腿固定件固定连接于所述大腿支撑杆；所述大腿固定件为圆环结构，用于套设固定于使用者的大腿。

根据本实用新型提供的外骨骼，还设有辅助力调节按钮，所述辅助力调节按钮用于控制所述外骨骼提供的辅助力的大小。

根据本实用新型提供的外骨骼，还包括腰部支撑板，所述腰部支撑板固定连接于所述腰带组件和所述背部支撑件之间。

本实用新型提供的外骨骼，其腰部连接支架铰接于背部支撑件两侧，通过转动腰部连接支架可以调节两个腰部连接支架张开的幅度与使用者身材适应，从而使两个腰部连接支架另一端固定的驱动机构位于使用者髋部处，避免对使用者髋部造成挤压或拉扯。因此，本实用新型提供的外骨骼尺寸调节方式灵活，能够适应不同使用者的身材，增强使用者舒适度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供的外骨骼的正面结构示意图；

图2是本实用新型提供的外骨骼的背面结构示意图；

图3是本实用新型提供的外骨骼的侧视图；

图4是本实用新型提供的外骨骼的背部支撑件和驱动机构部分的剖视结构示意图；

图5是本实用新型提供的外骨骼的背部支撑件的侧面剖视图；

图6是本实用新型提供的外骨骼的部分俯视结构示意图；

图7是本实用新型提供的外骨骼的腰带组件的拆分结构示意图。

附图标记：1：腰带组件；11：腰带；12：内衬；13：连接套； 14：腰部支撑板；2：背部支撑件；21：第一固定件；22：第二轴销；23：背部姿态传感器；24：控制器；25：伺服驱动器；26：电池；3：腰部连接支架；31：第二固定件；32：模式切换按钮；33：开关按钮；34：辅助力调节按钮； 35：走线槽；4：驱动机构；41：外壳；42：电机；43：行星减速器；44：力矩输出轴；45：第一轴销；46：髋部姿态传感器； 47：限位件；5：大腿支架组件；51：大腿连接件；52：大腿支撑杆；53：大腿固定件。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种外骨骼，包括腰带组件1、背部支撑件2、腰部连接支架3、驱动机构4、大腿支架组件5和控制机构。背部支撑件2固定安装于腰带组件1，两个腰部连接支架3分别铰接于背部支撑件2的两侧，两个腰部连接支架3还分别与两个驱动机构4固定连接。两个大腿支架组件5分别与两个驱动机构4连接，驱动机构4包括电机42，电机42用于驱动大腿支架组件5转动。控制机构安装于背部支撑件2内，用于控制电机42转动。

具体的，腰带组件1两端设有卡扣，卡扣可用于调节腰带组件1长度。使用者穿戴外骨骼时，腰带组件1环绕固定于使用者腰部，调节卡扣使腰带组件1适应使用者身材。

其中，背部支撑件2固定于腰带组件1后方外侧，为设有空腔的壳体，其内部安装有控制外骨骼运动的控制组件。使用者穿戴外骨骼时，背部支撑件2位于使用者后背，可以对使用者后背起到一定的支撑作用。

其中，腰部连接支架3为圆弧形杆状支架，其圆弧曲线类似于人体侧腰曲线，两个腰部连接支架3一左一右的铰接于背部支撑件2两侧。具体的，如图4所示，背部支撑件2的壳体包括底板和外壳，底板贴合固定于腰带组件1后方外侧，在底板的一侧固定有一上一下同轴设置的两个第一固定件21，两个第一固定件21上设有同轴的开口相对的沉孔。腰部连接支架3的一端设有第二固定件31，第二固定件31上设有通孔。第二轴销22贯穿第二固定件31的通孔并插设于两个第一固定件21的沉孔，从而使第二固定件31可转动地固定于两个第一固定件21之间。背部支撑件2的外壳通过螺丝固定于底板上，外壳侧壁设有供腰部连接支架3通过的避让空间。另一个腰部连接支架3以相同方式铰接于背部支撑件2的另一侧。

腰部连接支架3的另一端与驱动机构4刚性固定连接，使驱动机构4大致固定于使用者髋部处。使用者穿戴外骨骼时，可以转动腰部连接支架3与背部支撑件2的铰接处，调节两个腰部连接支架3张开的幅度，从而使驱动机构4与使用者髋部位置适应。

大腿支架组件5一端与驱动机构4连接，另一端固定于使用者腿部。驱动机构4中包括电机42，电机42驱动大腿支架组件5转动，其转动平面与人体行走时大腿摆动平面平行。从而使用者穿戴外骨骼时，电机42驱动大腿支架组件5随使用者大腿摆动，为使用者步行提供辅助力。

本实用新型提供的外骨骼，其腰部连接支架3铰接于背部支撑件2两侧，通过转动腰部连接支架3，可以调节两个腰部连接支架3张开的幅度与使用者身材适应，从而使两个腰部连接支架3另一端固定的驱动机构4位于使用者髋部处，避免对使用者髋部造成挤压或拉扯。因此，本实用新型提供的外骨骼尺寸调节方式灵活，能够适应不同使用者的身材，增强使用者舒适度。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例提供一种外骨骼，其驱动机构4还包括行星减速器43和力矩输出轴44。电机42与行星减速器43连接，力矩输出轴44固定连接于行星减速器43的外圈，大腿支架组件5连接于力矩输出轴44。

其中，驱动机构4包括外壳41，电机42和行星减速器43同轴连接并一同安装于外壳41内。如图2和图3所示，外壳41为盘形壳体，其盘面平面与使用者行走时大腿绕髋关节摆动的平面平行。电机42安装于外壳41内，其转轴与外壳41的盘面平面垂直。电机42转轴带动行星减速器43转动，行星减速器43所在平面与外壳41的盘面平面平行。即，行星减速器43的外圈所在平面与使用者行走时大腿绕髋关节摆动的平面平行。力矩输出轴44固定于行星减速器43的外圈，则力矩输出轴44随行星减速器43外圈的转动类似于使用者行走时大腿的摆动。

可选的，力矩输出轴44固定于行星减速器43外圈并垂直于行星减速器43所在平面，向使用者髋关节外侧延伸，即力矩输出轴44与电机42的转轴平行。大腿支架组件5连接于力矩输出轴44并垂直于力矩输出轴44，随力矩输出轴44绕电机42转轴摆动。外壳41的盘面外表面上开有弧形凹槽，用于容纳力矩输出轴44的摆动。

或者，力矩输出轴44固定于行星减速器43外圈边沿并沿行星减速器43的径向向外延伸。即力矩输出轴44与电机42的转轴垂直，力矩输出轴44相对于行星减速器43的延伸方向与人体大腿相对于人体髋关节的延伸方向类似。大腿支架组件5连接于力矩输出轴44并沿力矩输出轴44的延伸方向延伸。外壳41的侧面外表面上开有弧形凹槽，用于容纳力矩输出轴44的摆动。

进一步的，大腿支架组件5与力矩输出轴44的连接方式为铰接，大腿支架组件5与力矩输出轴44铰接的转动方向与行星减速器43的转动方向垂直。即，大腿支架组件5与驱动机构4可转动连接，且其转动平面与大腿支架组件5受驱动机构4驱动从而模拟人体行走时大腿摆动平面垂直。因此，在使用者穿戴外骨骼时，通过大腿支架组件5与力矩输出轴44的铰接，可以调节大腿支架组件5向髋关节内侧闭拢或向髋关节外侧张开的幅度，从而使大腿支架组件5适应使用者行走过程中可能出现的大腿向外张开或向内合拢的姿势变化，提高了外骨骼的关节自由度，增强了使用者的舒适度。

具体的，如图4所示，在一个实施例中，力矩输出轴44为向行星减速器43径向延伸的轴。在力矩输出轴44的末端设有圆柱部，圆柱部轴线与行星减速器43所在平面重合。圆柱部设有轴向通孔，第一轴销45贯穿圆柱部的通孔并插设于大腿支架组件5。从而，大腿支架组件5通过第一轴销45铰接于圆柱部。

在另一个实施例中，力矩输出轴44固定于行星减速器43外圈并垂直于行星减速器43所在平面，其末端同样设有圆柱部。圆柱部轴线与行星减速器43所在平面重合，大腿支架组件5通过第一轴销45铰接于圆柱部。

进一步的，驱动机构4还包括限位件47，限位件47用于限制力矩输出轴44的转动范围。

具体的，如图4所示，限位件47设于外壳41上，当力矩输出轴44摆动到最大幅度时受到限位件47的阻挡。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例提供的外骨骼，其控制机构包括控制器24和两个伺服驱动器25。如图5所示，控制器24和两个伺服驱动器25安装在背部支撑件2内，背部支撑件2内还安装有电池26。如图3所示，腰部连接支架3内设有走线槽35，电线布设于走线槽35内，两个伺服驱动器25分别通过两边的走线槽35与电机42连接。伺服驱动器25根据控制指令控制电机42转动指定角度，控制指令由控制器24生成，控制器24与两个伺服驱动器25连接。

进一步的，外骨骼还包括多个姿态传感器，其中，如图4所示，背部支撑件2的壳体内安装有背部姿态传感器23，背部姿态传感器23用于感知使用者行走时背部的姿态变化。两个驱动机构4内分别安装有至少一个髋部姿态传感器46，髋部姿态传感器46固定于电机42或行星减速器43上，感知电机42或行星减速器43摆动的角度。背部姿态传感器23和两个髋部姿态传感器46与控制器24连接，控制器24获取背部姿态传感器23和两个髋部姿态传感器46所检测的参数并根据此生成控制指令。通过设置姿态传感器，提高了外骨骼的智能化。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例提供的外骨骼，其大腿支架组件5包括大腿连接件51、大腿支撑杆52和大腿固定件53。其中，大腿连接件51用于与驱动机构4连接。

具体的，在一个实施例中，如图3或图4所示，驱动机构4包括电机42和行星减速器43，力矩输出轴44固设于行星减速器43，其末端设有圆柱部，圆柱部设有轴向通孔。大腿连接件51设有双耳结构，双耳间空隙用于容纳圆柱部，双耳上均设有与圆柱部上轴向通孔同轴的通孔。第一轴销45贯穿圆柱部通孔并插入双耳的通孔，从而使圆柱部卡入大腿连接件51的双耳之间，实现力矩输出轴44与大腿连接件51的铰接。其中，双耳中的一个通孔与第一轴销45为过盈配合，从而使第一轴销45固定卡入通孔中。双耳中的另一个通孔与第一轴销45为间隙配合或过渡配合，保证第一轴销45能顺利插入，该耳上还设有与通孔垂直的另一个通孔，用于安装顶丝，从而固定第一轴销45。在另一个实施例中，大腿连接件51直接与力矩输出轴44固定连接。

大腿支撑杆52的一端与大腿连接件51可拆卸地固定连接，可以根据使用者的大腿长度更换不同长度的大腿支撑杆52。大腿支撑杆52的另一端与大腿固定件53固定连接。可选的，大腿固定件53包括一段圆弧刚性件，刚性件两端连接有柔性的带，如布带或皮带，布带或皮带环绕固定于使用者大腿上并通过卡扣或魔术贴调整松紧程度，提升使用者的舒适度。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例提供的外骨骼，其腰带组件1包括腰带11和内衬12。如图2和图7所示，内衬12上设有连接套13，腰带11穿过连接套13而环绕固定于内衬12外，内衬12与使用者腰部贴合，提升使用者的佩戴舒适度。位于使用者背部的内衬12宽于腰带11，内衬12和腰带11之间还固定有腰部支撑板14。内衬12、腰部支撑板14、腰带11和背部支撑件2的底部通过螺钉依次固定连接。腰部支撑板14为背部支撑件2提供了安装基面，并且对使用者的背部提供了一定的支撑。

在上述实施例的基础上，本实用新型实施例提供的外骨骼还设有调节外骨骼工作状态的按钮。

如图6所示，腰部连接支架3上设有辅助力调节按钮34，用于调整驱动机构4所提供的辅助力的大小。具体的，辅助力调节按钮34可调节电机42的电流大小，电流越大，驱动机构4提供的辅助力越大。可选的，腰部连接支架3上还设有开关按钮33，用于控制外骨骼电流的通断，从而在不使用外骨骼时关闭外骨骼的控制机构和驱动机构4，节省电池26的电量。可选的，腰部连接支架3上还设有模式切换按钮32，用于切换外骨骼的工作模式。例如切换外骨骼工作模式为辅助患者康复的模式，此时限制电机42的最大转速。

可选的，辅助力调节按钮34/开关按钮33/模式切换按钮32还可以设于驱动机构4的外壳41上。

根据上述实施例，本实用新型提供的外骨骼至少具有以下优点：

第一，固定于使用者腰部的腰带组件1为柔性材料，且可以调整长度。固定于使用者腿部的大腿固定件53包括圆弧刚性件和柔性的带，也可以调整带长。因此，外骨骼可以适应不同使用者的腰围和腿围，增强了佩戴舒适度。

第二，关节自由度高。腰部连接支架3与背部支撑件2铰接，从而可调节腰部连接支架3的张开幅度，使其与使用者髋部宽度适配。大腿支架组件5与驱动机构4铰接，使外骨骼能适应使用者大腿张开或闭拢的姿势变化，增强了外骨骼的灵活度，避免对使用者的姿势变化造成限制。

第三，智能度高。通过姿态传感器与控制器24的连接，能够使外骨骼感应使用者姿态变化的趋势并控制外骨骼跟随使用者运动。工作模式和辅助力大小可调节，适用于多种应用场景。

第四，轻量化。外骨骼上共设于三处转动连接，其中大腿支架组件5随使用者大腿摆动的转动通过电机42驱动，另外两处仅通过铰接实现，无需额外的驱动机构。在获得较高自由度的同时结构紧凑简洁，避免给使用者造成重量上的负担。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种外骨骼，其特征在于，包括：腰带组件、背部支撑件、腰部连接支架、驱动机构、大腿支架组件和控制机构；

所述背部支撑件固定安装于所述腰带组件，两个所述腰部连接支架分别铰接于所述背部支撑件的两侧，两个所述腰部连接支架还分别与两个所述驱动机构固定连接；

两个所述大腿支架组件分别与两个所述驱动机构连接，所述驱动机构包括电机，所述电机用于驱动所述大腿支架组件转动；

所述控制机构安装于所述背部支撑件内，用于控制所述电机转动。

2.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述驱动机构还包括行星减速器和力矩输出轴，所述电机与所述行星减速器连接，所述力矩输出轴固定连接于所述行星减速器的外圈，所述大腿支架组件连接于所述力矩输出轴。

3.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于，所述大腿支架组件与所述力矩输出轴铰接，所述大腿支架组件与所述力矩输出轴铰接的转动方向与所述行星减速器的转动方向垂直。

4.根据权利要求3所述的外骨骼，其特征在于，所述力矩输出轴沿所述行星减速器的径向延伸，所述力矩输出轴的末端设有圆柱部，所述圆柱部设有轴向通孔；

所述驱动机构还包括第一轴销，所述第一轴销可转动插设于所述轴向通孔，所述大腿支架组件通过所述第一轴销铰接于所述力矩输出轴。

5.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于，所述驱动机构还包括限位件，所述限位件用于限制所述力矩输出轴的转动范围。

6.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述控制机构包括控制器和两个伺服驱动器，所述控制器与两个所述伺服驱动器分别连接，两个所述伺服驱动器与两个所述电机分别连接，所述控制器用于生成控制命令，从而控制所述伺服驱动器对应地驱动所述电机。

7.根据权利要求6所述的外骨骼，其特征在于，还包括多个姿态传感器，所述背部支撑件和两个所述驱动机构内均安装有至少一个所述姿态传感器，多个所述姿态传感器与所述控制器连接。

8.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述大腿支架组件包括大腿连接件、大腿支撑杆和大腿固定件，所述大腿连接件连接于所述驱动机构，所述大腿支撑杆固定连接于所述大腿连接件，所述大腿固定件固定连接于所述大腿支撑杆；

所述大腿固定件为圆环结构，用于套设固定于使用者的大腿。

9.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，还设有辅助力调节按钮，所述辅助力调节按钮用于控制所述外骨骼提供的辅助力的大小。

10.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，还包括腰部支撑板，所述腰部支撑板固定连接于所述腰带组件和所述背部支撑件之间。

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