[发明专利]主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有助力功能的外骨骼结构，尤其是一种能提高人体行走距离的外骨骼，具体地说是一种主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼。

背景技术

外骨骼是指为生物提供保护和支持的坚硬外部，原指昆虫或甲壳类动物身体外表的骨骼，具有支撑和保护作用。外骨骼机器人是指套在人体外面的机器人，外骨骼机器人技术是融合了传感、控制、信息、移动计算、能源、材料、机械，为操作者提供一种可穿戴机械机构的综合技术。可穿戴下肢外骨骼机器人能为士兵提供助力，有效提高单兵携行和作战能力;也可用于下肢病人康复,为其校正或提供助力,其军用和民用价值日益突出。

下肢外骨骼机器人通过腰带、大腿套及脚套和人体接触固定。背架上的负重通过外骨骼下肢传递到地面。

目前国内外的研究多集中在主动式，即髋关节、膝关节、踝关节等均需外力驱动，这些下肢外骨骼机器人研究较少考虑充分利用人体新陈代谢产生的能量以及在机动条件下的续航能力等，因此，设计一种采用主被动结合方式、将能够很好地克服主动式下肢外骨骼机器人的不足、具有重要的军用和民用价值的下肢外骨骼机器人具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有的下肢外骨骼机器人存在驱动复杂，能耗高的问题，设计一种仅需一台膝关节驱动电机再配以相关的助力弹簧就能实现助力的主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼。

本发明的技术方案是：

一种主被动式结合增力型柔性下肢外骨骼，它包括足1、小腿3、大腿5和背架7，小腿3通过踝关节18与足1可转动相连，其特征是所述的小腿3的下端连接有踝关节压板9，踝关节压板9与足部助力用踝关节弹簧2相抵，踝关节弹簧2安装在弹簧座201中，弹簧座201与足1固定连接；所述的小腿3的上端通过膝关节19与大腿5的下端铰接相连，膝关节19的铰轴固定在小脚3的上端并与电机4的输出轴固定连接，电机4固定安装在大腿5的下端上；所述的大腿5的上端通过髋关节6与背架7相连，所述的髋关节6由屈/伸运动机构、回旋运动机构和外展/内收运动机构组成，所述的屈/伸运动机构由轴套601、屈/伸运动轴11和髋关节弹簧13，轴套601连接有同步运动的髋关节弹簧压板10，髋关节弹簧压板10与安装在髋关节弹簧套筒12中的髋关节弹簧挡板16相抵，髋关节弹簧挡板16与髋关节弹簧13相抵，髋关节弹簧套筒12与屈/伸运动轴11固定相连；所述的回旋运动机构包括髋关节回旋运动轴14和髋关节回旋轴套15，髋关节回旋轴套15套装在髋关节回旋运动轴14上，髋关节回旋运动轴14与屈/伸运动轴11固定相连；所述的外展/内收运动机构包括外展/内收运动轴20和外展/内收轴套17，外展/内收轴套17与背架7固定相连，外展/内收运动轴20活动插装在外展/内收轴套17中并与髋关节回旋轴套15固定相连。

所述的膝关节19上安装有扭矩传感器。

所述的小腿3和大腿5的长度可调。

所述的踝关节18和膝关节19均为轴套结构。

所述的背架7上连接有为电池充电的太阳能装置8。

本发明的有益效果：

1)本发明采用主被动结合的技术方案，减轻了系统的质量，减少了驱动装置的控制，降低了系统运算的难度，提高了信号处理的效率，同时保证了较小的冗余度。

2)本发明踝关节和髋关节设计了由弹簧构成的驱动器，该驱动器不消耗能量，能够在步行周期中，关节伸运动时吸收人体步态所产生的能量，并在关节屈运动时将能量完全释放，降低了能量消耗。

3）本发明采用主被动式结合的技术方案，既起到了助力的效果，又减轻减小了能量损耗，提高了外骨骼实用价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的踝关节部分结构示意图。

图3为本发明的膝关节结构示意图。

图4为本发明的髋关节屈/伸运动部分结构示意图。

图5为本发明的髋关节回旋运动部分结构示意图。

图6为本发明的髋关节外展/内收运动部分结构示意图。

图中：1-足，2-踝关节弹簧，3-小腿，4-电机，5-大腿，6-髋关节，7-背架，8-太阳能装置，9-踝关节弹簧压板，10-髋关节弹簧压，11-髋关节屈/伸运动轴，12-髋关节弹簧套筒，13-髋关节弹簧，14-髋关节回旋运动轴，15-髋关节回旋运动轴套，16-髋关节弹簧挡板，17-背架连接板，18-踝关节，19-膝关节，20-外展/内收运动轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。