CN104758099B - 基于重力平衡的下肢助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

基于重力平衡的下肢助力外骨骼，两个腰部对称设置在背部的两侧，腰部板通过连接元件与背部固连，上大腿板通过髋关节轴与腰部板铰接，小腿板通过膝关节轴与下大腿板铰接，上关节轴承与腰部下板铰接，连杆铰接在膝关节轴上，每个上大腿板的上下端分别安装一个大腿捆绑扣，每个小腿板的上下端分别安装一个小腿捆绑扣，第一钢丝绳的一端设置在腰部上板的里侧且与腰部上板固定连接、另一端从第一钢丝固定板的第一小孔中拉出，绕过大腿滑轮组后与大腿连接轮固接，第二钢丝绳的一端设置在小腿的里侧且与连杆固定连接、另一端从第二钢丝固定板的第二小孔中拉出，绕过小腿滑轮组后与小腿连接轮固接。本发明用于助老助残，医疗康复等。

Description

基于重力平衡的下肢助力外骨骼

技术领域

本发明涉及一种用于助力行走的下肢外骨骼，具体涉及一种利用重力平衡原理的下肢助力外骨骼。

背景技术

目前，外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如助老助残，医疗康复，工业生产，地震救援，单兵作战等领域。一般的助力外骨骼具有以下特点：可以检测人体的运动意图；和人体类似的关节自由度和关节转动空间；具有必要的关节主动驱动以辅助出力；自带控制系统和能源系统；具有一定的安全防护机制。

助力外骨骼按照动力传递的目的，可分为两种情况：外骨骼带动人体运动和人体带动外骨骼运动，其主要区别体现在“人-机”连接信息交互装置的设计和系统控制策略的制定上。

对于助老助残或医疗康复领域，外骨骼的目的是辅助人体自身肌肉的运动，以达到帮助老人抬腿，或帮助病人做肌肉功能恢复训练等目的。需要外骨骼设定好各关节的运动规划，或检测人体的肌电信号、肢体运动方向等方法判断人体的运动意图，带动穿戴者运动，或者减小穿戴者运动所需要的消耗，此时人体和外骨骼之间需要动力的传递，因此“人-机”之间紧密固连；

对于工业生产，地震救援或单兵作战等应用领域，面对的是正常的健康工人或消防战士，外骨骼的目的不是辅助人体自身肌肉的运动，而是增强放大人体的出力效果，此时，人机连接机制的设计中，“人-机”之间需要传递的不是动力，而仅仅是检测到的人体运动信息。此时，“人-机”之间的捆绑连接是一种弹性连接，传递的是微小的交互力信息。

在关节的自由度设计方面，人体下肢中的髋关节，踝关节可以近似为球面低副，具有3个自由度；膝关节可以近似为转动副，具有1个自由度；脚掌在蹬地的时候，脚掌前段具有一定的弯曲，也应视为转动副；人体的腰部，在行走的过程中，可以左右侧向弯曲，向前弯腰，或上体转动，因此，腰部也具有3个自由度。因此，针对下肢助力外骨骼机器人，若完全按照人体的运动特点来进行仿生学设计，共需19个自由度，对于结构设计，驱动设计较为复杂，信息监测系统及控制系统也较为困难。因此，必须要简化处理，设计的自由度可分为主动驱动自由度，被动自由度，辅助自由度。以往的相关发明专利中，大多数是对髋关节，膝关节，踝关节进行高副低化，对腰部的自由度考虑的较少。一般的下肢助力机器人，都是重点考虑人体的主要处理环节，只在髋关节的伸展/弯曲、膝关节的伸展/弯曲、踝关节的伸展/弯曲3个自由度上施加驱动。常用的驱动方式有电机驱动，液压驱动，人工肌肉气动驱动等方式。

现有的外骨骼设计基本上都采取电机或者液压对髋关节，膝关节进行独立控制，实现外骨骼机构的高自由度，高适应性。但是不同的人群对外骨骼的需求有所不同，所以高适应性会带来的功能浪费，不能很好的降低成本。

发明内容

本发明为解决现有外骨骼重量较大，结构较为复杂，且由动力装置驱动，成本比较高，需要能源的问题，而提供一种基于重力平衡的下肢助力外骨骼。

本发明的基于重力平衡的下肢助力外骨骼包括背部、两个腰部、两个大腿、两个小腿、两个连杆机构，两个髋关节轴、两个膝关节轴、两根第一钢丝绳、两根第二钢丝绳、四个大腿捆绑扣和四个小腿捆绑扣，

每个腰部包括腰部上板、腿部外摆关节、第一钢丝固定板和腰部下板，腰部上板与腰部下板通过腿部外摆关节铰接，腰部上板上设有两个长孔，第一钢丝固定板与腰部下板固连在一起，

每个大腿包括大腿连接轮、上大腿板、大腿滑轮座、大腿滑轮组、大腿弹簧保护壳、大腿弹簧座、下大腿板和大腿弹簧，上大腿板与下大腿板通过连接元件连接，下大腿板上设有长槽，大腿弹簧的下端与大腿弹簧座固连，大腿弹簧的上端与大腿连接轮固连，大腿弹簧设置在上大腿板的外侧，且大腿弹簧座固装在上大腿板上，大腿弹簧保护壳扣合设置在大径大腿弹簧上，大腿弹簧保护壳与上大腿板固连，大腿滑轮组设置在大腿连接轮的上方，且大腿滑轮组与大腿滑轮座铰接，大腿滑轮座与大腿板固连，

每个小腿包括小腿板、小腿滑轮座、小腿滑轮组、小腿弹簧保护壳、小腿弹簧座、膝关节轴、小腿弹簧和小腿连接轮，小腿弹簧设置在小腿板的外侧，小腿弹簧的上端与小腿连接轮固连，小腿弹簧的下端与小腿弹簧座固连，弹簧座固装在小腿板上，小腿弹簧保护壳扣合设置在小腿弹簧上，小腿弹簧保护壳与小腿板固连，小腿滑轮组设置在小腿连接轮的上方，且小腿滑轮组与小腿滑轮座铰接，小腿滑轮座与小腿板固连，

每个连杆机构包括上关节轴承、长轴、下关节轴承、连杆和第二钢丝固定板，长轴的上下端分别与上关节轴承和下关节轴承固连，连杆与下关节轴承铰接，第二钢丝固定板与连杆固连在一起，

两个腰部对称设置在背部的两侧，且第一钢丝固定板位于腰部上板的外侧，腰部上板通过连接元件与背部固连，两个大腿与两个腰部一一对应，大腿弹簧保护壳位于上大腿板的外侧，上大腿板通过髋关节轴与腰部下板铰接，两个小腿与两个大腿一一对应，小腿板通过膝关节轴与下大腿板铰接，两个连杆机构与两个大腿一一对应，上关节轴承与腰部下板铰接，连杆铰接在膝关节轴上，每个上大腿板的上下端分别安装一个大腿捆绑扣，每个小腿板的上下端分别安装一个小腿捆绑扣，两根第一钢丝绳与两个大腿一一对应，第一钢丝绳的一端设置在腰部上板的里侧且与腰部上板固定连接，第一钢丝绳的另一端从第一钢丝固定板的第一小孔中拉出，绕过大腿滑轮组后与大腿连接轮固接，两根第二钢丝绳与两个小腿一一对应，第二钢丝绳的一端设置在小腿的里侧且与连杆固定连接，第二钢丝绳的另一端从第二钢丝固定板的第二小孔中拉出，绕过小腿滑轮组后与小腿连接轮固接。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

一、本发明采用重力平衡原理，完全跟随人体的运动，由人主观控制，在不包含任何动力源和控制装置的情况下达到了助力的效果，助力的原理为减小人体运动过程中的多余消耗(克服重力做功的消耗)。本发明是一种利用能量守恒定律的下肢助力外骨骼，能够有效地平衡掉重力在行走过程中做的功，从而达到辅助穿戴者行走的目的。

二、本发明的每条腿有三个自由度，分别为大腿的外摆自由度，大腿的前后摆自由度，膝关节的转动自由度，对人体的其他自由度没有限制，极大地减小了外骨骼设计的要求，穿戴者可以通过调节腰部的高度和大腿的长度从而使之适应穿戴者，使行走更加舒适的目的。穿上即可达到助力的效果，并不需要多余的操作。

三、本发明能够调整大腿长度和腰部的高度从而达到适应不同穿戴者的效果。该外骨骼完全被动，不会影响穿戴者的主观运动，利用弹簧的弹性势能平衡掉重力势能的变化，从而达到消除重力对人行走的影响。

四、本发明的结构十分轻便，各个尺寸非常小，整体重量很小，便于携带和穿戴。

五、利用紧凑简单的大腿捆绑扣H和小腿捆绑扣J能够很好地捆绑外骨骼和穿戴者。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是腰部B、大腿C、小腿D、连杆机构E的连接关系示意图(去掉大腿弹簧保护壳C5和小腿弹簧保护壳D4)；

图3是下大腿板C7与上大腿板C2的连接放大图；

图4是本发明的重力平衡原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式包括背部A、两个腰部B、两个大腿C、两个小腿D、两个连杆机构E，两个髋关节轴F、两个膝关节轴G、两根第一钢丝绳R1、两根第二钢丝绳R2、四个大腿捆绑扣H和四个小腿捆绑扣J，

每个腰部B包括腰部上板B1、腿部外摆关节B2、第一钢丝固定板B5和腰部下板B6，腰部上板B1与腰部下板B6通过腿部外摆关节B2铰接，腰部上板B1上设有两个长孔B1-1，长孔B1-1可以起到调节腰部B与背部A固连位置的作用，使之适应不同的穿戴者，第一钢丝固定板B5与腰部下板B6固连在一起，

每个大腿C包括大腿连接轮C1、上大腿板C2、大腿滑轮座C3、大腿滑轮组C4、大腿弹簧保护壳C5、大腿弹簧座C6、下大腿板C7和大腿弹簧C8，上大腿板C2与下大腿板C7通过连接元件连接，下大腿板C7上设有长槽C7-1，长槽C7-1用于调节上大腿板C2与下大腿板C7连接的位置(如图3所示)，从而达到调节外骨骼大腿长度以适应不同穿戴者的目的，大腿弹簧C8的下端与大腿弹簧座C6固连，大腿弹簧C8的上端与大腿连接轮C1固连，大腿弹簧C8设置在上大腿板C2的外侧，且大腿弹簧座C6固装在上大腿板C2上，大腿弹簧保护壳C5扣合设置在大径大腿弹簧C8上，大腿弹簧保护壳C5与上大腿板C2固连，大腿滑轮组C4设置在大腿连接轮C1的上方，且大腿滑轮组C4与大腿滑轮座C3铰接，大腿滑轮座C3与大腿板C2固连，

每个小腿D包括小腿板D1、小腿滑轮座D2、小腿滑轮组D3、小腿弹簧保护壳D4、小腿弹簧座D5、膝关节轴D6、小腿弹簧D7和小腿连接轮D8，小腿弹簧D7设置在小腿板D1的外侧，小腿弹簧D7的上端与小腿连接轮D8固连，小腿弹簧D7的下端与小腿弹簧座D5固连，弹簧座D5固装在小腿板D1上，小腿弹簧保护壳D4扣合设置在小腿弹簧D7上，小腿弹簧保护壳D4与小腿板D1固连，小腿滑轮组D3设置在小腿连接轮D8的上方，且小腿滑轮组D3与小腿滑轮座D2铰接，小腿滑轮座D2与小腿板D1固连，

每个连杆机构E包括上关节轴承E1、长轴E2、下关节轴承E3、连杆E4和第二钢丝固定板E5，长轴E2的上下端分别与上关节轴承E1和下关节轴承E3固连，连杆E4与关节轴承E3铰接，第二钢丝固定板E5与连杆E4固连在一起，

两个腰部B对称设置在背部A的两侧，且第一钢丝固定板B5位于腰部上板B1的外侧，腰部上板B1通过连接元件与背部A固连，两个大腿C与两个腰部B一一对应，大腿弹簧保护壳C5位于上大腿板C2的外侧，上大腿板C2通过髋关节轴F与腰部下板B6铰接，两个小腿D与两个大腿C一一对应，小腿板D1通过膝关节轴G与下大腿板C7铰接，两个连杆机构E与两个大腿C一一对应，上关节轴承E1与腰部下板B6铰接，连杆E4铰接在膝关节轴G上，每个上大腿板C2的上下端分别安装一个大腿捆绑扣H，每个小腿板D1的上下端分别安装一个小腿捆绑扣J，两根第一钢丝绳R1与两个大腿C一一对应，第一钢丝绳R1的一端设置在腰部上板B1的里侧且与腰部上板B1固定连接，第一钢丝绳R1的另一端从第一钢丝固定板B5的第一小孔B5-1中拉出，绕过大腿滑轮组C4后与大腿连接轮C1固接，两根第二钢丝绳R2与两个小腿D一一对应，第二钢丝绳R2的一端设置在小腿D的里侧且与连杆E4固定连接，第二钢丝绳R2的另一端从第二钢丝固定板E5的第二小孔E5-1中拉出，绕过小腿滑轮组D3后与小腿连接轮D8固接。大腿捆绑扣H和小腿捆绑扣J用于捆绑外骨骼和穿戴者的腿。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的第一钢丝绳R1的长度与大腿弹簧C8的伸长量相等。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的第二钢丝绳R2的长度与大腿弹簧C8的伸长量相等。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的大腿弹簧C8由大径弹簧和小径弹簧组成，大径弹簧套装在小径弹簧上，大径弹簧和小径弹簧的下端均与大腿弹簧座C6固连，大径弹簧和小径弹簧的上端均与大腿连接轮C1固连。这样设置为增加弹簧的弹力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的大径弹簧与小径弹簧的长度相同。这样设置使得弹力分布均匀。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的腿部外摆关节B2由上关节块B2-1、关节轴B2-2和下关节块B2-2组成，上关节块B2-1和下关节块B2-2通过关节轴B3铰接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的两个长孔B1-1沿同一直线设置。长孔B1-1可以起到调节腰部B与背部A固连位置的作用，使之适应不同的穿戴者。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的长槽C7-1的数量为两个，两个长槽C7-1平行设置。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

本发明的重力平衡原理：见图4，

第一钢丝绳R1的一端连接在腰部上板B1的M1处，第一钢丝绳R1的另一端从第一小孔B5-1中拉出，绕过大腿滑轮组C4后与大腿连接轮C1固接(即第一钢丝绳R1与大腿连接轮C1的连接点为M2)，由于大腿弹簧C8的一端与大腿连接轮C1固连，大腿弹簧C8的另一端与大腿弹簧座C6固连(即大腿弹簧C8与大腿弹簧座C6的连接点为M3)；

第二钢丝绳R2的一端连接在连杆E4的N1处，第二钢丝绳R2的另一端从第二小孔E5-1中拉出，绕过小腿滑轮组D3后与小腿连接轮D8固接(即第二钢丝绳R2与小腿连接轮D8的连接点为N2)，由于小腿弹簧D7的一端与小腿连接轮D8固连，小腿弹簧D7的另一端与小腿弹簧座D5固连(即小腿弹簧D7与小腿弹簧座D5的连接点为N3)；

腰部上板B1、大腿C、长轴E2、连杆E4构成一个平行四边形机构(连杆机构)，使得连杆E4与腰部上板B1(腰部B在实际使用中基本保持竖直)始终保持平行。

当大腿B和小腿C摆动时，腿的重力势能发生变化，第一钢丝绳R1和第二钢丝绳R2在两腿之间的部分长度也发生变化，第一钢丝绳R1的总长度和第二钢丝绳R2的总长度是不变的，第一钢丝绳R1的总长度为R1-1加R1-2，第二钢丝绳R2的总长度为R2-1加R2-2。当髋关节P或者膝关节K的角度发生变化的时候，R1-1和R2-1就变短了，由于第一钢丝绳R1的总长度和第二钢丝绳R2的总长度是不变的，相应的R1-2和R2-2的部分就变长了，由于R1-2与大腿弹簧C8相连、R2-2与小腿弹簧D7相连，M2、M3和N2、N3的位置又没有变化，所以大腿弹簧C8和小腿弹簧D7的伸长量就变小了，从而导致弹簧的伸长量变化，弹簧的弹性势能改变，合理的设计参数即可以使得大腿重力势能的变化在任何情况下都等于弹簧弹性势能的变化，从而达到消除人体行走过程中重力对行走的影响。

Claims (8)

1.一种基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼包括背部(A)、两个腰部(B)、两个大腿(C)、两个小腿(D)、两个连杆机构(E)，两个髋关节轴(F)、两个膝关节轴(G)、两根第一钢丝绳(R1)、两根第二钢丝绳(R2)、四个大腿捆绑扣(H)和四个小腿捆绑扣(J)，

每个腰部(B)包括腰部上板(B1)、腿部外摆关节(B2)、第一钢丝固定板(B5)和腰部下板(B6)，腰部上板(B1)与腰部下板(B6)通过腿部外摆关节(B2)铰接，腰部上板(B1)上设有两个长孔(B1-1)，第一钢丝固定板(B5)与腰部下板(B6)固连在一起，

每个大腿(C)包括大腿连接轮(C1)、上大腿板(C2)、大腿滑轮座(C3)、大腿滑轮组(C4)、大腿弹簧保护壳(C5)、大腿弹簧座(C6)、下大腿板(C7)和大腿弹簧(C8)，上大腿板(C2)与下大腿板(C7)通过连接元件连接，下大腿板(C7)上设有长槽(C7-1)，大腿弹簧(C8)的下端与大腿弹簧座(C6)固连，大腿弹簧(C8)的上端与大腿连接轮(C1)固连，大腿弹簧(C8)设置在上大腿板(C2)的外侧，且大腿弹簧座(C6)固装在上大腿板(C2)上，大腿弹簧保护壳(C5)扣合设置在大径大腿弹簧(C8)上，大腿弹簧保护壳(C5)与上大腿板(C2)固连，大腿滑轮组(C4)设置在大腿连接轮(C1)的上方，且大腿滑轮组(C4)与大腿滑轮座(C3)铰接，大腿滑轮座(C3)与大腿板(C2)固连，

每个小腿(D)包括小腿板(D1)、小腿滑轮座(D2)、小腿滑轮组(D3)、小腿弹簧保护壳(D4)、小腿弹簧座(D5)、膝关节轴(D6)、小腿弹簧(D7)和小腿连接轮(D8)，小腿弹簧(D7)设置在小腿板(D1)的外侧，小腿弹簧(D7)的上端与小腿连接轮(D8)固连，小腿弹簧(D7)的下端与小腿弹簧座(D5)固连，弹簧座(D5)固装在小腿板(D1)上，小腿弹簧保护壳(D4)扣合设置在小腿弹簧(D7)上，小腿弹簧保护壳(D4)与小腿板(D1)固连，小腿滑轮组(D3)设置在小腿连接轮(D8)的上方，且小腿滑轮组(D3)与小腿滑轮座(D2)铰接，小腿滑轮座(D2)与小腿板(D1)固连，

每个连杆机构(E)包括上关节轴承(E1)、长轴(E2)、下关节轴承(E3)、连杆(E4)和第二钢丝固定板(E5)，长轴(E2)的上下端分别与上关节轴承(E1)和下关节轴承(E3)固连，连杆(E4)与下关节轴承(E3)铰接，第二钢丝固定板(E5)与连杆(E4)固连在一起，

两个腰部(B)对称设置在背部(A)的两侧，且第一钢丝固定板(B5)位于腰部上板(B1)的外侧，腰部上板(B1)通过连接元件与背部(A)固连，两个大腿(C)与两个腰部(B)一一对应，大腿弹簧保护壳(C5)位于上大腿板(C2)的外侧，上大腿板(C2)通过髋关节轴(F)与腰部下板(B6)铰接，两个小腿(D)与两个大腿(C)一一对应，小腿板(D1)通过膝关节轴(G)与下大腿板(C7)铰接，两个连杆机构(E)与两个大腿(C)一一对应，上关节轴承(E1)与腰部下板(B6)铰接，连杆(E4)铰接在膝关节轴(G)上，每个上大腿板(C2)的上下端分别安装一个大腿捆绑扣(H)，每个小腿板(D1)的上下端分别安装一个小腿捆绑扣(J)，两根第一钢丝绳(R1)与两个大腿(C)一一对应，第一钢丝绳(R1)的一端设置在腰部上板(B1)的里侧且与腰部上板(B1)固定连接，第一钢丝绳(R1)的另一端从第一钢丝固定板(B5)的第一小孔(B5-1)中拉出，绕过大腿滑轮组(C4)后与大腿连接轮(C1)固接，两根第二钢丝绳(R2)与两个小腿(D)一一对应，第二钢丝绳(R2)的一端设置在小腿(D)的里侧且与连杆(E4)固定连接，第二钢丝绳(R2)的另一端从第二钢丝固定板(E5)的第二小孔(E5-1)中拉出，绕过小腿滑轮组(D3)后与小腿连接轮(D8)固接。

2.根据权利要求1所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述第一钢丝绳(R1)的长度与大腿弹簧(C8)的伸长量相等。

3.根据权利要求2所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述第二钢丝绳(R2)的长度与大腿弹簧(C8)的伸长量相等。

4.根据权利要求1、2或3所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述大腿弹簧(C8)由大径弹簧和小径弹簧组成，大径弹簧套装在小径弹簧上，大径弹簧和小径弹簧的下端均与大腿弹簧座(C6)固连，大径弹簧和小径弹簧的上端均与大腿连接轮(C1)固连。

5.根据权利要求4所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述大径弹簧与小径弹簧的长度相同。

6.根据权利要求1或5所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述腿部外摆关节(B2)由上关节块(B2-1)、关节轴(B2-2)和下关节块(B2-2)组成，上关节块(B2-1)和下关节块(B2-2)通过关节轴(B3)铰接。

7.根据权利要求6所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述两个长孔(B1-1)沿同一直线设置。

8.根据权利要求7所述基于重力平衡的下肢助力外骨骼，其特征在于：所述长槽(C7-1)的数量为两个，两个长槽(C7-1)平行设置。