CN115533871A - 储能式越野助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种储能式越野助力外骨骼，包括储能模块、减速器、第一传动部件、第二传动部件、动力与控制模块、大腿固定件、小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件；所述减速器、动力与控制模块间通过第一传动部件连接，所述储能模块、减速器间通过第二传动部件连接；所述动力与控制模块能够通过减速器驱动储能模块使小腿固定件绕所述大腿固定件旋转；所述小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件依次可转动连接。本发明采用全新的储能模块设计，所述储能模块体积小，储能单元个数可根据用户需求调节；用于储存腿部肌肉做负功时释放的能量并于腿部肌肉做正功时释放能量，能够减少外骨骼能量损耗，获得更长的续航时间。

Description

储能式越野助力外骨骼

技术领域

本发明涉及下肢外骨骼机器人技术领域，具体地，涉及一种储能式越野助力外骨骼。

背景技术

由于爬山等越野活动是一项吃力甚至伤身体的运动，爬山时负重比较大，不利于中老年人保护膝关节。据分析，上山时，膝关节负重基本上就是自身的体重，下山时，除了自身的体重外，膝关节还要负担向下时的冲击力，更加磨损膝关节。因此发明一种助力越野的膝关节外骨骼就可以减少膝盖损伤，提升越野能力，让旅游爱好者更自在，花更多的精力来欣赏风景。由于现存外骨骼系统存在续航短的问题，所以本发明提出一种储能式越野助力外骨骼。

专利文献CN110478199A公开了一种助力式膝关节外骨骼，包括穿戴组件、助力组件以及动力装置，穿戴组件包括绑定于腰部的腰部穿戴件、绑定于大腿上的大腿穿戴件以及绑定于小腿上的小腿穿戴件，动力装置与腰部穿戴件相连；助力组件包括用于拉动小腿穿戴件的鲍登线芯和用于引导鲍登线芯拉伸的鲍登线套，鲍登线套的顶端固定于动力装置上，鲍登线套的底端固定于大腿穿戴件上，鲍登线芯的两端分别与动力装置的输出端和小腿穿戴件相连。则在穿戴使用时，动力装置带动鲍登线芯拉动小腿穿戴件，以对膝关节的伸展运动起到助力作用。该发明提供的助力式膝关节外骨骼，降低了对人体正常行走步态的影响和限制。但仍未解决如何节省能量，增加续航的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种储能式越野助力外骨骼。

根据本发明提供的一种储能式越野助力外骨骼，包括储能模块、减速器、第一传动部件、第二传动部件、动力与控制模块，大腿固定件、小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件；

所述减速器、动力与控制模块均安装在大腿固定件上；所述减速器、动力与控制模块间通过第一传动部件连接，所述储能模块、减速器间通过第二传动部件连接；所述大腿固定件与小腿固定件通过储能模块连接；

所述动力与控制模块能够通过减速器驱动储能模块使小腿固定件绕所述大腿固定件旋转；

所述小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件依次可转动连接。

优选的，所述小腿固定件包括小腿第一固定件与小腿第二固定件；

所述大腿固定件与小腿第一固定件的端部通过储能模块连接；

所述小腿第二固定件安装在小腿第一固定件上，且小腿第二固定件能够沿小腿第一固定件的长度方向滑动；

所述小腿第二固定件的端部与所述踝关节固定件转动连接。

优选的，踝关节固定件包括踝关节第一固定件、踝关节第二固定件；

所述踝关节第一固定件与所述小腿第二固定件可转动连接，所述踝关节第一固定件与足部固定件通过踝关节第二固定件活动连接。

优选的，所述储能模块包括储能盖、直齿内齿轮以及一个或多个储能单元；

所述多个储能单元叠放布置，所述储能盖设置在顶层储能单元上，所述直齿内齿轮内嵌在底层储能单元内。

优选的，所述储能单元包括储能外壳、动力输出轴以及多个弹簧；

所述动力输出轴设置在所述储能外壳中心，所述多个弹簧沿所述动力输出轴周向分布，所述弹簧的两端分别与储能外壳、动力输出轴固连。

优选的，储能模块还包括有第一编码器，所述第一编码器安装在所述储能盖上。

优选的，所述动力与控制模块包括电机、第二编码器、驱动电路板、控制电路板以及电源；

所述电机、第二编码器、驱动电路板、控制电路板依次叠放布置，且所述电机、第二编码器、驱动电路板均与所述控制电路板电连接。

优选的，所述第一传动部件包括第一传动齿轮与第二传动齿轮；

所述第一传动齿轮安装在所述电机的输出轴上，第二传动齿轮35安装在所述减速器的顶端，且所述第一传动齿轮与第二传动齿轮相互啮合。

优选的，第二传动部件包括第三传动齿轮、第四传动齿轮、第五传动齿轮以及第六传动齿轮；

所述第六传动齿轮安装在所述减速器所具有的输出轴上；

所述第四传动齿轮与第五传动齿轮同轴固连，所述第五传动齿轮与所述直齿内齿轮相啮合，第四传动齿轮与第三传动齿轮相啮合，所述第三传动齿轮与所述第六传动齿轮相啮合。

优选的，所述第一传动部件与第二传动部件均为传动带结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用全新的储能模块设计，所述储能模块体积小，储能单元个数可根据用户需求调节；用于储存腿部肌肉做负功时释放的能量并于腿部肌肉做正功时释放能量，能够减少外骨骼能量损耗，获得更长的续航时间。

2、本发明以弹簧作为储能机构，结构简单，储能模块储存能量可通过储能盖上的第一编码器与第二编码器记录的数值来计算，根据此数据，能够较为精准的调节电机运动情况，进一步达到减少耗电，增长续航的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为储能模块细节示意图；

图3为动力与控制模块细节示意图；

图4为第一传动部件细节示意图；

图5为第二传动部件细节示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种储能式越野助力外骨骼，如图1所示，包括储能模块4、减速器3、第一传动部件、第二传动部件、动力与控制模块2，大腿固定件1、小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件9；

所述减速器3、动力与控制模块2均安装在大腿固定件1上；所述减速器3、动力与控制模块2间通过第一传动部件连接，所述储能模块4、减速器3间通过第二传动部件连接；所述大腿固定件1与小腿固定件通过储能模块4连接；所述动力与控制模块2能够通过减速器3驱动储能模块4使小腿固定件绕所述大腿固定件1旋转；所述小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件9依次可转动连接，便于踝关节与足部能够自由转动来保持身体平衡。在一个优选例中，所述动力与控制模块2、减速器3、储能模块4并列布置。

所述小腿固定件包括小腿第一固定件5与小腿第二固定件6；所述大腿固定件1与小腿第一固定件5的端部通过储能模块4连接；所述小腿第二固定件6安装在小腿第一固定件5上，且小腿第二固定件6能够沿小腿第一固定件5的长度方向滑动，所述小腿第一固定件5与小腿第二固定件6可以伸缩，以调节小腿固定件长度，来适应不同身材高度的使用者。所述小腿第二固定件6的端部与所述踝关节固定件转动连接。优选的，小腿第二固定件6与踝关节固定件铰链，以提供足部俯仰自由度。在一个优选例中，大腿固定件1、小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件9与使用者的肢体固定连接时均可选用有弹性且透气吸汗的绑带，优选的，所述大腿固定件1上设置有通孔，利用通孔，能更方便的使用弹性绑带固定在大腿上固定在大腿上；所述小腿第一固定件5通过弹性绑带固定在小腿上侧，所述小腿第二固定件6通过弹性绑带固定在小腿下侧。

踝关节固定件包括踝关节第一固定件7、踝关节第二固定件8；所述踝关节第一固定件7与所述小腿第二固定件6可转动连接，所述踝关节第一固定件7与足部固定件9通过踝关节第二固定件8活动连接，优选的，踝关节第二固定件8与足部固定件9铰链，以提供足部横滚自由度。所述足部固定件9固定于鞋子，用于支撑整个外骨骼重量。

如图2所示，所述储能模块4包括储能盖41、直齿内齿轮45以及一个或多个储能单元，可根据使用者实际情况来确定储能单元个数。所述多个储能单元叠放布置，所述储能盖41设置在顶层储能单元上。优选的，储能盖41通过螺栓固定在顶层储能单元上。所述直齿内齿轮45内嵌在所述底层储能单元内，优选的，所述直齿内齿轮45外壁固连在储能单元内壁，传输来自减速器3的驱动力给储能外壳42。所述储能模块4还包括有第一编码器，所述第一编码器安装在所述储能盖41上，可用于检测动力输出轴44与储能外壳42相对角位移。所述储能模块4用于储存腿部肌肉做负功时释放的能量并于腿部肌肉做正功时释放能量。

如图2所示，所述储能单元包括储能外壳42、动力输出轴44以及多个弹簧43；所述动力输出轴44设置在所述储能外壳42中心，所述多个弹簧43沿所述动力输出轴44周向分布，所述弹簧43的两端分别与储能外壳42、动力输出轴44固连，使用时，通过储能外壳42和动力输出轴44的角度差来改变弹簧43长度，进而达到储能效果；所述动力输出轴44与小腿第一固定件5固连，以驱动小腿固定件摆动；在一个优选例中，所述弹簧43的数量为3个；所述储能外壳42内层铝制，外层包胶，其上有螺孔用于与其他储能单元的外壳相固连；所述动力输出轴44上有也螺孔，与其他储能单元的动力输出轴相固连，具体的，所述储能单元通过长螺栓穿过所述螺孔与其他储能模块4叠放布置。

如图3所示，所述动力与控制模块2包括电机21、第二编码器22、驱动电路板23、控制电路板24以及电源，如图3所示；所述电机21、第二编码器22、驱动电路板23、控制电路板24依次叠放布置，且第一编码器、所述电机21、第二编码器22、驱动电路板23均与所述控制电路板24电连接。所述电源用于为电机21、第一编码器、第二编码器22、驱动电路板23、控制电路板24等需要供能的部件提供电能。具体的，所述第二编码器22位于电机21下方用以检测电机21转子位置，优选地，选用位置式第二编码器22，具有体积小、重量轻、使用方便、价格便宜等特点，所述驱动电路板23位于第二编码器22下方，优选地，选用铝柱来支撑，以方便散热；所述控制电路板24安置于驱动电路板23下方，用于对电机21以及驱动电路板23进行控制，使电机21与驱动电路板23执行控制命令，以达到使用者在登山时减少能量损耗，提高登山者的活动能力的目的。所述第一编码器用于对腿部状态检测，所述第二编码器22用于对电机21进行监控，再由控制电路板24将第一编码与第二编码器22的数据做计算，能够获得储能模块4的储能情况。在一个优选例中，所述第一编码器与第二编码器具有位置传感器功能。

在一个优选例中，如图4所示，所述第一传动部件包括第一传动齿轮34与第二传动齿轮35；所述第一传动齿轮34安装在所述电机21的输出轴上，第二传动齿轮35安装在所述减速器3的顶端，且所述第一传动齿轮34与第二传动齿轮35相互啮合。第二传动部件包括第三传动齿轮31、第四传动齿轮32、第五传动齿轮33以及第六传动齿轮36；所述第六传动齿轮36安装在所述减速器3所具有的输出轴上；所述第四传动齿轮32与第五传动齿轮33同轴固连，所述第五传动齿轮33与所述直齿内齿轮45相啮合，第四传动齿轮32与第三传动齿轮31相啮合，所述第三传动齿轮31与所述第六传动齿轮36相啮合，通过一系列齿轮传动，可将减速器3动力传递给储能外壳42，再由储能外壳42带动弹簧43，由弹簧43带动动力输出轴44，从而使小腿固定件摆动，在此过程中，弹簧43产生形变，实现储能。在另一个优选例中，所述第一传动部件与第二传动部件均为传动带结构。

本发明的工作原理如下：

使用者穿戴上该产品，上下楼梯迈动脚时，位于储能盖41上的第一编码器检测到使用者的关节活动状态，配合第二编码器22所记录的数据，控制系统会驱动电机21输出动力来辅助使用者，在膝关节处提供旋转扭矩，减轻膝关节负载。由于电机21采用无刷电机21，可以采用力控，所以用户可以调节外骨骼的辅助程度。人在上楼梯或者下楼梯时，不同步态下肌肉会分别做正功和负功，肌肉做正功时，需要提供额外扭矩来帮助膝关节减少负载，肌肉做负功时，储能模块4可以吸收这部分能量，等需要做正功时释放出来。

本发明中，信号传递的过程如下：控制电路板24通过读取储能盖41上的第一编码器和位于电机21后的第二编码器22，经过计算来获取储能模块4储能状态；通过第一编码器获取膝关节摆动情况。控制电路板24将各项数据进行处理后，输出控制信号控制电机21做出相应动作，以使膝关节摆动状态达到预期状态并决定储能模块4是储能还是蓄能。优选的，动力输出轴44处还设置有机械限位，用于防止储能模块4中弹簧43旋转过度，同时保护使用者免受设备故障带来的不良影响。

本发明针对现有辅助设备适用领域存在的问题，设计了一款储能式越野助力外骨骼，该项目的实施有助于推广相关产品的研发和应用，提高人的越野能力。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种储能式越野助力外骨骼，其特征在于，包括储能模块(4)、减速器(3)、第一传动部件、第二传动部件、动力与控制模块(2)，大腿固定件(1)、小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件(9)；

所述减速器(3)、动力与控制模块(2)均安装在大腿固定件(1)上；所述减速器(3)、动力与控制模块(2)间通过第一传动部件连接，所述储能模块(4)、减速器(3)间通过第二传动部件连接；所述大腿固定件(1)与小腿固定件通过储能模块(4)连接；

所述动力与控制模块(2)能够通过减速器(3)驱动储能模块(4)使小腿固定件绕所述大腿固定件(1)旋转；

所述小腿固定件、踝关节固定件以及足部固定件(9)依次可转动连接。

2.根据权利要求1所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，所述小腿固定件包括小腿第一固定件(5)与小腿第二固定件(6)；

所述大腿固定件(1)与小腿第一固定件(5)的端部通过储能模块(4)连接；

所述小腿第二固定件(6)安装在小腿第一固定件(5)上，且小腿第二固定件(6)能够沿小腿第一固定件(5)的长度方向滑动；

所述小腿第二固定件(6)的端部与所述踝关节固定件转动连接。

3.根据权利要求2所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，踝关节固定件包括踝关节第一固定件(7)、踝关节第二固定件(8)；

所述踝关节第一固定件(7)与所述小腿第二固定件(6)可转动连接，所述踝关节第一固定件(7)与足部固定件(9)通过踝关节第二固定件(8)活动连接。

4.根据权利要求1所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，所述储能模块(4)包括储能盖(41)、直齿内齿轮(45)以及一个或多个储能单元；

所述多个储能单元叠放布置，所述储能盖(41)设置在顶层储能单元上，所述直齿内齿轮(45)内嵌在底层储能单元内。

5.根据权利要求4所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，所述储能单元包括储能外壳(42)、动力输出轴(44)以及多个弹簧(43)；

所述动力输出轴(44)设置在所述储能外壳(42)中心，所述多个弹簧(43)沿所述动力输出轴(44)周向分布，所述弹簧(43)的两端分别与储能外壳(42)、动力输出轴(44)固连。

6.根据权利要求5所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，储能模块(4)还包括有第一编码器，所述第一编码器安装在所述储能盖(41)上。

7.根据权利要求1所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，所述动力与控制模块(2)包括电机(21)、第二编码器(22)、驱动电路板(23)、控制电路板(24)以及电源；

所述电机(21)、第二编码器(22)、驱动电路板(23)、控制电路板(24)依次叠放布置，且所述电机(21)、第二编码器(22)、驱动电路板(23)均与所述控制电路板(24)电连接。

8.根据权利要求7所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，所述第一传动部件包括第一传动齿轮(34)与第二传动齿轮(35)；

所述第一传动齿轮(34)安装在所述电机(21)的输出轴上，第二传动齿轮(35)安装在所述减速器(3)的顶端，且所述第一传动齿轮(34)与第二传动齿轮(35)相互啮合。

9.根据权利要求4所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，第二传动部件包括第三传动齿轮(31)、第四传动齿轮(32)、第五传动齿轮(33)以及第六传动齿轮(36)；

所述第六传动齿轮(36)安装在所述减速器(3)所具有的输出轴上；

所述第四传动齿轮(32)与第五传动齿轮(33)同轴固连，所述第五传动齿轮(33)与所述直齿内齿轮(45)相啮合，第四传动齿轮(32)与第三传动齿轮(31)相啮合，所述第三传动齿轮(31)与所述第六传动齿轮(36)相啮合。

10.根据权利要求1所述的储能式越野助力外骨骼，其特征在于，所述第一传动部件与第二传动部件均为传动带结构。

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