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CN117379281A - 一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置 - Google Patents

一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置 Download PDF

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CN117379281A
CN117379281A CN202311517127.6A CN202311517127A CN117379281A CN 117379281 A CN117379281 A CN 117379281A CN 202311517127 A CN202311517127 A CN 202311517127A CN 117379281 A CN117379281 A CN 117379281A
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何文斌
石勇信
明五一
李一浩
马军
都金光
曹阳
段留洋
许亚鹏
刘琨
郑伊扬
石永胜
王世锋
李茹
刘盼
李顺阳
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Zhengzhou University of Light Industry
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Abstract

一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，包括腰部支撑架、两个腿部摆动组件和控制箱，腰部支撑架的两端均向下弯折并固定安装有胯部连接座，左侧的腿部摆动组件的上端与左侧的胯部连接座铰接，右侧的腿部摆动组件的上端与右侧的胯部连接座铰接，控制箱安装在腰部支撑架的外侧，腰部支撑架的内侧设有腰部约束绑带，控制箱内设置有充电储能装置、嵌入式单片机和动力装置，两个腿部摆动组件的下端均安装有多功能外骨骼鞋，多功能外骨骼鞋的底部设置有小型发电装置和压力传感器。本发明能够对穿戴者运动姿态进行主动调整，防止穿戴者因失去平衡而跌倒造成二次伤害，并且具有发电功能，可有效延长连续使用时长。

Description

一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置
技术领域
本发明属于康复医疗设备技术领域，具体的说，涉及一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置。
背景技术
随着我国科学技术的不断发展与经济水平的显著提高，国民在消费领域尤其是医疗器械领域的消费需求变的越来越多元化，对医疗器械辅助患者康复的能力、佩戴舒适度、器械外观设计以及功能多样性等方面的需求相比以往的产品都出现了不同程度的提高。在康复外骨骼领域，传统的下肢康复外骨骼类的医疗器械大多缺少风险规避功能，需要依靠患者手中的拐杖等物品来保持自身的平衡，降低意外发生的概率。但当患者在进行康复训练时受伤部位受到意外冲击后，当事人很难采取有效措施来规避因失去平衡而造成的二次伤害，故在患者的下肢康复治疗训练中，对拥有及时检测力量冲击并帮助患者保持平衡以避免二次伤害的下肢康复外骨骼的需求也在不断增加。
申请号“CN202011080389.7”公开了一种轻量化下肢康复外骨骼，其特征在于利用轻量化下肢康复外骨骼的腰部连接架内设置的凹槽来收纳可伸出支撑架，当穿戴者的身体处于感受到疲劳或其他需要休息的情况时，支撑架伸出凹槽，此时支撑架呈现为垂直于地面的状态。当人体调整为坐姿时，配合腰部连接架对人体进行支撑。
申请号“CN202310336935.6”公开了一种双下肢互换结构和下肢康复外骨骼机器人，其特征在于在面对患者左侧肢体失能或右侧肢体失能的不同情况时，由于拆装机构相同，可以通过互换患侧腿组件和第一腿组件的位置，并对应翻转腿固定组件，从而快速切换双下肢互换结构的左下肢康复功能和右下肢康复功能。
申请号“CN202310617546.0”公开了一种自动穿戴式下肢外骨骼装置和使用方法，其特征在于利用自动穿戴式下肢外骨骼装置的电控以及机械结构，通过控制腰部支架和腿部支架中的绑带运动，实现了康复患者在不借助他人帮助的情况下自行佩戴和去除该装置的需求，使患者可以在环境条件允许的情况下自行决定康复训练的起止时间，大大提高康复患者穿戴的便利性以及康复训练的随机性。
申请号“CN202310448762.7”公开了一种基于调整步态姿势治疗膝关节炎的装置与控制方法，其特征在于通过控制系统中的传感器模块和运动监测模块对穿戴者的步态姿势进行实时的监测，分析上述两个模块所收集的运动数据判断出穿戴者的步态姿势所存在的问题，控制下肢外骨骼装置实现内八外八步态进行康复训练，调整步态轨迹，提高患者康复训练的主动性。
从现有专利来看，大多数的下肢康复外骨骼都只适用于佩戴者进行康复训练时受伤部位不承受较大载荷的情况，无法避免因患者出现注意力不集中或其他意外事件使腿部受伤部位突然承受较大载荷，从而导致佩戴者因疼痛而失去平衡导致二次受伤的情况。申请号“CN202310448762.7”虽然针对膝关节炎患者设计了步态纠正的外骨骼装置，但并没有建立在无辅助扶手情况下对患者的保护系统，因此在患者进行康复训练时膝关节若受到较大冲击极易导致其因剧痛而失去平衡，从而造成对患者的二次伤害。申请号“CN202011080389.7”虽然拥有使穿戴者随时休息的功能，但此功能需要穿戴者主动控制实现，并不能帮助穿戴者在失去平衡时辅助穿戴者恢复平衡从而达到风险规避的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，本发明能够对穿戴者运动姿态进行主动调整，防止穿戴者因失去平衡而跌倒造成二次伤害，并且具有发电功能，可有效延长连续使用时长。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，包括腰部支撑架、两个腿部摆动组件和控制箱，腰部支撑架为与人体腰部相适配且前侧敞口的C型架，腰部支撑架的两端均向下弯折并固定安装有胯部连接座，两个腿部摆动组件结构相同且左右对称设置，左侧的腿部摆动组件的上端与左侧的胯部连接座铰接，右侧的腿部摆动组件的上端与右侧的胯部连接座铰接，控制箱安装在腰部支撑架的外侧，腰部支撑架的内侧设有腰部约束绑带，控制箱内设置有充电储能装置、嵌入式单片机和控制两个腿部摆动组件工作状态的动力装置，两个腿部摆动组件的下端均安装有多功能外骨骼鞋，多功能外骨骼鞋的底部设置有小型发电装置和压力传感器，小型发电装置提供电源给充电储能装置，充电储能装置分别与嵌入式单片机和动力装置电性连接，嵌入式单片机分别与动力装置和压力传感器信号连接。
左侧的腿部摆动组件包括大腿支撑杆和小腿支撑杆，大腿支撑杆的上端与左侧的胯部连接座通过第一铰链连接，大腿支撑杆的下端一体成型有中心线沿左右方向水平设置的圆环座，小腿支撑杆的上端一体成型有凸轴，凸轴匹配转动安装在圆环座中，凸轴的左侧面与圆环座的左侧面齐平，圆环座的左侧面前侧中上部沿前后方向水平设置有第一限位挡块，凸轴的左侧面中部沿前后方向水平设置有位于第一限位挡块下方的第二限位挡块，第一限位挡块的后端向后延伸至圆环座内圈并与第二限位挡块的前端上下搭接，第一限位挡块的后端部和第二限位挡块的前端部均开设有上下通透的安装孔，大腿支撑杆内侧安装有大腿约束绑带，小腿支撑杆内侧安装有小腿约束绑带，小腿支撑杆的左侧面下侧部沿竖向开设有下侧和左侧敞口的滑槽，滑槽的槽底开设有若干个左右通透且上下间隔设置的第一限位孔，滑槽内匹配滑动设有小腿调节板，小腿调节板上开设有若干个左右通透且上下间隔设置的第二限位孔，至少一个第二限位孔与相应的一个第一限位孔左右对应，小腿调节板通过至少一根穿过左右对应的第二限位孔和第一限位孔的销钉与小腿支撑杆固定连接。
动力装置包括钢丝托板、齿轮组牵拉机构和气动牵拉机构，钢丝托板沿前后方向水平设置在控制箱内中部，控制箱的前侧板内壁中部和后侧板内壁中部均固定安装有竖向设置的滑轨座，钢丝托板的前侧边竖向滑动连接在前侧的滑轨座上，钢丝托板的后侧边竖向滑动连接在前侧的滑轨座上，齿轮组牵拉机构固定安装在控制箱内右上部，气动牵拉机构固定安装在控制箱内左上部，齿轮组牵拉机构和气动牵拉机构均与钢丝托板的上表面连接并带动钢丝托板竖向滑动，钢丝托板上连接有左牵拉钢丝和右牵拉钢丝，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝的结构相同且左右对称设置；
左牵拉钢丝的一端固定连接在钢丝托板的下表面左侧部，左牵拉钢丝从钢丝托板的下表面向下延伸到控制箱内下部向左水平弯折，左牵拉钢丝再穿过控制箱的左侧板并沿竖向敷设在腰部支撑架的左侧部、左侧的胯部连接座和左侧的大腿支撑杆的外侧，左牵拉钢丝的另一端穿过左侧的第一限位挡块上的安装孔后固定在左侧的第二限位挡块上的安装孔中，左牵拉钢丝的外部包裹有钢丝外壳，钢丝外壳通过若干个外壳支架固定在控制箱、腰部支撑架的左侧部、左侧的胯部连接座和左侧的大腿支撑杆上，钢丝外壳的下端固定连接在左侧的第一限位挡块上。
齿轮组牵拉机构包括固定支架、发条、无刷电机、舵机和移动架，固定支架为前后通透且下侧敞口的U型板，固定支架、发条和无刷电机自右向左依次间隔设置在控制箱内右上部，固定支架和发条固定安装在控制箱内顶面右侧部，无刷电机固定安装在控制箱内右侧壁上部，无刷电机的电机轴左端同轴传动连接发条右侧的动力输入轴右端，无刷电机固定安装在固定支架内左下侧部，移动架为左侧、右侧和下侧均敞口的C型板，移动架的顶部左右两侧沿前后方向设有导槽，固定支架的左右两侧板下侧边分别设有向内弯折且对应卡设在两条导槽中的水平折边，移动架的顶板上表面中部沿前后方向固定安装有齿条，舵机的电机轴上固定安装有与齿条啮合传动连接的主动齿轮，移动架的前后两侧板之间转动安装有沿前后方向水平设置的轮轴，轮轴的前侧部固定套装有第一锥齿轮，轮轴的后侧部固定套装有第一线盘，第一线盘上缠绕固定有第一拉线钢丝，第一拉线钢丝从第一线盘上伸出后向左下倾斜延伸至钢丝托板的上方，第一拉线钢丝再竖直向下弯折并固定连接在钢丝托板的上表面右侧部，第一拉线钢丝的转向处外部包裹有第一转向外壳，第一转向外壳通过若干个外壳支架固定在控制箱内后侧壁上，发条左侧的动力输出轴左端固定安装有与第一锥齿轮啮合传动连接的第二锥齿轮，发条左侧的动力输出轴上还固定安装有棘轮，移动架的后侧板右侧边上侧部一体成型有沿前后方向设置且与棘轮相适配的卡条，嵌入式单片机分别与无刷电机和舵机信号连接，充电储能装置分别与无刷电机和舵机电性连接；
当主动齿轮驱动齿条向前移动至前极限位置时，卡条的前端与棘轮的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮与第二锥齿轮分离，第一拉线钢丝处于松弛状态；
当主动齿轮驱动齿条向后移动至后极限位置时，卡条的前端与棘轮的上部齿槽分离，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动连接，第一拉线钢丝完全收紧，钢丝托板向上移动至滑轨座的上极限位置，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝均拉紧并将两侧的小腿支撑杆拉紧，使两侧的小腿支撑杆分别与两侧对应的大腿支撑杆处于同一条直线上。
气动牵拉机构包括压缩气瓶、换向阀和旋转气缸，压缩气瓶通过气瓶架固定安装在控制箱内左上部，换向阀固定安装在控制箱内顶面左侧部，旋转气缸固定安装在控制箱内后侧壁左上部且位于压缩气瓶的右侧，压缩气瓶通过气体管路与旋转气缸连接，换向阀设置在气体管路上，旋转气缸的旋转轴沿前后方向设置在其前侧，旋转气缸的旋转轴前端同轴固定安装有第二线盘，第二线盘上缠绕固定有第二拉线钢丝，第二拉线钢丝从第二线盘上伸出后向右水平延伸至钢丝托板的上方，第二拉线钢丝再竖直向下弯折并固定连接在钢丝托板的上表面左侧部，第二拉线钢丝的转向处外部包裹有第二转向外壳，第二转向外壳通过若干个外壳支架固定在控制箱内后侧壁上，嵌入式单片机与换向阀信号连接；
旋转气缸达到正转极限位置时，第二拉线钢丝完全收紧，钢丝托板向上移动至滑轨座的上极限位置，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝均拉紧并将两侧的小腿支撑杆拉紧，使两侧的小腿支撑杆分别与两侧对应的大腿支撑杆处于同一条直线上；
旋转气缸达到反转极限位置时，第二拉线钢丝处于松弛极限状态。
左侧的多功能外骨骼鞋包括鞋体，鞋体的左侧固定连接有踝关节连接块，踝关节连接块与小腿调节板的下端部通过第二铰链连接，鞋体上部设置有脚绑带，小型发电装置和压力传感器均固定嵌设在鞋体底部。
小型发电装置为平面滑动式摩擦纳米发电机，充电储能装置由可充电电池和充电控制器组成，小型发电装置通过充电控制器提供电源给可充电电池。
充电控制器内置有充电算法，充电算法实时对发电装置产生的电流和电压进行检测，通过充电控制器实现对发电装置产生电能的调整，根据当前可充电电池电荷状态(SOC)将输入可充电电池的充电电流和充电电压调整成为符合可充电电池所需的状态；
所述的可充电电池为放电平台电压为3.7V的锂电池，将其通过串并联排列的方式组成可充电电池组；
所述的单个锂电池其充满电时的电压为4.2V，其所组成的电池组充满电且在空载状态下的电压为25.2V；
所述的可充电电池电荷状态(SOC)的计算公式为：
其中，E为当前电池的剩余电量；C为可充电电池的额定容量；
所述的可充电电池组一共有三种充电状态，即涓流充电、恒流充电和恒压充电；
当可充电电池组当前的电压小于18V时，可充电电池组要先进行预充电，此时可充电电池组处于涓流充电状态，此时的充电电流公式为：
I充＝λ1C (2)
其中，λ1为涓流充电的充电倍率，λ1的范围为0.04-0.06；C为可充电电池的额定容量；
当可充电电池组的电压通过涓流充电提升至18V及以上时，充电状态调整至恒流充电，此时的充电电流公式为：
I充＝λ2C (3)
其中，λ2为恒流充电的充电倍率，λ2的范围为0.1-0.2；C为可充电电池的额定容量；
当可充电电池组的电压上升到25.2V时，电池组容量已达到85％以上，此时恒流充电结束，开始恒压充电阶段；电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，并在可充电电池电荷状态(SOC)达到100％时终止充电，此时的充电电流公式为：
I充＝λ3C (4)
其中，λ3为恒压充电的充电倍率，λ3的范围为0.03-0.07；C为可充电电池的额定容量。
康复外骨骼装置通过将压力传感器布置在多功能外骨骼鞋的鞋底来收集穿戴者在进行康复训练时的压力信息，当多功能外骨骼鞋的鞋底压力大于预设的压力阈值时，则判断穿戴者处于超重状态，此时穿戴者有失去平衡进而跌倒的风险，下肢康复外骨骼将工作状态切换为保护状态，嵌入式单片机控制动力装置工作，从而达到辅助穿戴者保持身体平衡的目的，嵌入式单片机内预设的压力阈值F的计算公式为：
F＝μ1F外骨骼+μ2F穿戴者 (5)
其中，μ1为该下肢康复外骨骼装置处于超重状态时的压力系数，μ2为穿戴者处于超重状态时的压力系数，μ1的范围为1.1～1.5，μ2的范围为1.0～1.5；F外骨骼为该下肢康复外骨骼装置的重量；F穿戴者为穿戴者自身的重量；
多功能外骨骼鞋的鞋底所承受实时压力F实时的计算公式为：
F实时＝S·P实时 (6)
其中，P实时为压力传感器实时检测到的压强；S为多功能外骨骼鞋鞋底的面积；
所述的超重状态即为穿戴者重心加速向下的状态，此状态可作为穿戴者失去平衡的判断条件。
腰部约束绑带、大腿约束绑带、小腿约束绑带和脚绑带均采用尼龙材质制成。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明具有两种工作状态，分别为保护状态和自由康复运动状态，具体工作流程包括以下步骤：
第一步、嵌入式单片机自检
在每次穿戴者开机时，嵌入式单片机都会进行自检以确保该下肢康复外骨骼装置可以正常工作，避免因设备出现故障导致穿戴者受到伤害；
第二步、嵌入式单片机判断压力异常
当穿戴者穿戴该下肢康复外骨骼装置进行康复训练时，由于失去平衡或其它特殊原因会对腿部突然施加比较大的力，压力传感器实时检测当前压力并传给嵌入式单片机，当嵌入式单片机判断当前压力大于预设的压力阈值F时，嵌入式单片机开始转变该下肢康复外骨骼装置的工作状态；
第三步、检测当前电压值Q
嵌入式单片机检测此时可充电电池的电压，当可充电电池的电压大于预设的阈值电压Q1时，嵌入式单片机默认控制齿轮组牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换；
当可充电电池的电压小于预设的阈值电压Q1时，嵌入式单片机控制气动牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换；
第四步、该下肢康复外骨骼装置进入保护状态
在嵌入式单片机根据当前电压值选择了齿轮组牵拉机构或气动牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换后，齿轮组牵拉机构或气动牵拉机构将钢丝托板向上拉到滑轨座上极限位置，则钢丝托板带动左牵拉钢丝和右牵拉钢丝向上收缩拉紧，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝分别将两侧的小腿支撑杆拉紧，从而对该下肢康复外骨骼装置进行姿态调整，直至使两侧的小腿支撑杆分别与两侧对应的大腿支撑杆处于同一条直线上，此时穿戴者处于直立姿态且在该下肢康复外骨骼装置作用下膝关节无法弯曲，从而使穿戴者双脚承受相同的压力，达到保护穿戴者腿部受伤部位、辅助穿戴者恢复平衡的效果，使穿戴者避免因失去平衡而导致二次伤害的情况发生；
第五步、穿戴者根据自身情况判断是否继续进行康复训练
穿戴者在休息一段时间后判断自身的身体条件是否能继续进行康复训练，当穿戴者保持一段时间的直立状态且腿部无明显痛感时，穿戴者通过配备的专用遥控器控制嵌入单片机将该下肢康复外骨骼装置的工作状态恢复到自由康复运动状态，即控制齿轮组牵拉机构或气动牵拉机构反向动作，使钢丝托板处于无约束状态，则左牵拉钢丝和右牵拉钢丝均处于无约束状态，两侧的小腿支撑杆便恢复正常活动，穿戴者可以根据自身需要在一定动作幅度内进行康复训练，当穿戴者判断自身的身体条件不能继续进行康复训练时，可自行解除康复外骨骼的约束，结束此次康复训练。
齿轮组牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换具体操作是：在可充电电池的电压大于预设的阈值电压Q1且该下肢康复外骨骼装置处于自由康复运动状态时，旋转气缸保持反转极限位置，第二拉线钢丝处于松弛极限状态，该下肢康复外骨骼装置的工作状态无法通过气动牵拉机构控制，同时嵌入式单片机控制舵机工作，舵机通过主动齿轮驱动齿条向前移动至前极限位置，卡条的前端与棘轮的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮与第二锥齿轮分离，第一拉线钢丝处于松弛状态，则轮轴处于无约束状态，钢丝托板也处于无约束状态，那么，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝均处于无约束状态，穿戴者穿戴好该下肢康复外骨骼装置即可进行正常康复运动；多功能外骨骼鞋底部的压力传感器实时将所监测的压力数据传递给嵌入式单片机，嵌入式单片机识别到当前压力达到或超出预设的压力阈值时判断该下肢康复外骨骼装置需要切换为保护状态，则舵机通过主动齿轮反向驱动齿条向后移动至后极限位置，卡条的前端与棘轮的上部齿槽分离，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动连接，发条的动力输出轴通过第二锥齿轮与第一锥齿轮的啮合作用驱动轮轴旋转，将第一拉线钢丝收卷到第一线盘上并收紧，第一拉线钢丝将钢丝托板向上拉到滑轨座上极限位置，钢丝托板带动左牵拉钢丝和右牵拉钢丝向上收缩拉紧，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝分别将两侧的小腿支撑杆拉紧，使两侧的小腿支撑杆分别与两侧对应的大腿支撑杆处于同一条直线上，穿戴者双腿绷直并保持腿部压力最小的姿势；
在可充电电池的电压大于预设的阈值电压Q1且该下肢康复外骨骼装置再次切换为自由康复运动状态时，嵌入式单片机控制无刷电机转动将发条拧紧，使发条恢复其因该下肢康复外骨骼装置工作状态切换而损失的机械能，当嵌入式单片机检测到无刷电机的输出功率在一个规律的范围波动时，即为发条储存机械能的上限，发条内部的簧片因收紧到最大形变量使得卡槽限制簧片的转动，此时嵌入式单片机控制无刷电机停止工作。气动牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换具体操作是：在可充电电池的电压小于预设的阈值电压Q1时，嵌入式单片机控制舵机工作，舵机通过主动齿轮驱动齿条向前移动至前极限位置，卡条的前端与棘轮的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮与第二锥齿轮分离，第一拉线钢丝处于松弛状态，则轮轴处于无约束状态，此时该下肢康复外骨骼装置的工作状态无法通过齿轮组牵拉机构控制，嵌入式单片机通过控制用电量更小的换向阀使旋转气缸达到正转极限位置或反转极限位置，实现在低电量条件下控制该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换。
控制箱内的可充电电池为整体装置提供电能，当可充电电池电量不足时，可以打开控制箱后盖取出可充电电池进行充电，同时在多功能外骨骼鞋的鞋底设置有小型发电装置，小型发电装置为平面滑动式摩擦纳米发电机，穿戴者进行康复训练时，通过小型发电装置对可充电电池自行进行充电，有效延长该下肢康复外骨骼装置的连续使用时长。
为实现不同身高使用者的需求，胯部连接座有长短不一的多种型号可供选择，通过调整胯部连接座即可实现穿戴者大腿部分的适配，同时还可以调节小腿调节板在相应小腿支撑杆的滑槽内位置以适应穿戴者身高，再通过至少一根穿过左右对应的第二限位孔和第一限位孔的销钉将小腿调节板与小腿支撑杆固定连接。
综上所述，本发明能够对穿戴者运动姿态进行主动调整，防止穿戴者因失去平衡而跌倒造成二次伤害，并且具有发电功能，可有效延长连续使用时长。
附图说明
图1是本发明处于保护工作状态时的轴测图。
图2是本发明处于保护工作状态时的左视图。
图3是本发明处于自由康复运动状态时的轴测图。
图4是本发明处于自由康复运动状态时的左视图。
图5是本发明的控制箱内部结构示意图。
图6是本发明的齿轮组牵拉机构的轴测图。
图7是本发明的齿轮组牵拉机构的主视图。
图8是本发明转换为自由康复运动状态时齿轮组牵拉机构的结构示意图。
图9本发明转换为保护状态时齿轮组牵拉机构的结构示意图。
图10是本发明的控制原理框图。
图11是本发明的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-图11所示，一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，包括腰部支撑架1、两个腿部摆动组件和控制箱2，腰部支撑架1为与人体腰部相适配且前侧敞口的C型架，腰部支撑架1的两端均向下弯折并固定安装有胯部连接座3，两个腿部摆动组件结构相同且左右对称设置，左侧的腿部摆动组件的上端与左侧的胯部连接座3铰接，右侧的腿部摆动组件的上端与右侧的胯部连接座3铰接，控制箱2安装在腰部支撑架1的外侧，腰部支撑架1的内侧设有腰部约束绑带4，控制箱2内设置有充电储能装置、嵌入式单片机5和控制两个腿部摆动组件工作状态的动力装置，两个腿部摆动组件的下端均安装有多功能外骨骼鞋，多功能外骨骼鞋的底部设置有小型发电装置6和压力传感器7，小型发电装置6提供电源给充电储能装置，充电储能装置分别与嵌入式单片机5和动力装置电性连接，嵌入式单片机5分别与动力装置和压力传感器7信号连接。
左侧的腿部摆动组件包括大腿支撑杆8和小腿支撑杆9，大腿支撑杆8的上端与左侧的胯部连接座3通过第一铰链连接，大腿支撑杆8的下端一体成型有中心线沿左右方向水平设置的圆环座10，小腿支撑杆9的上端一体成型有凸轴11，凸轴11匹配转动安装在圆环座10中，凸轴11的左侧面与圆环座10的左侧面齐平，圆环座10的左侧面前侧中上部沿前后方向水平设置有第一限位挡块12，凸轴11的左侧面中部沿前后方向水平设置有位于第一限位挡块12下方的第二限位挡块13，第一限位挡块12的后端向后延伸至圆环座10内圈并与第二限位挡块13的前端上下搭接，第一限位挡块12的后端部和第二限位挡块13的前端部均开设有上下通透的安装孔，大腿支撑杆8内侧安装有大腿约束绑带14，小腿支撑杆9内侧安装有小腿约束绑带15，小腿支撑杆9的左侧面下侧部沿竖向开设有下侧和左侧敞口的滑槽16，滑槽16的槽底开设有若干个左右通透且上下间隔设置的第一限位孔17，滑槽16内匹配滑动设有小腿调节板53，小腿调节板上开设有若干个左右通透且上下间隔设置的第二限位孔18，至少一个第二限位孔18与相应的一个第一限位孔17左右对应，小腿调节板通过至少一根穿过左右对应的第二限位孔18和第一限位孔17的销钉与小腿支撑杆9固定连接。
动力装置包括钢丝托板19、齿轮组牵拉机构和气动牵拉机构，钢丝托板19沿前后方向水平设置在控制箱2内中部，控制箱2的前侧板内壁中部和后侧板内壁中部均固定安装有竖向设置的滑轨座20，钢丝托板19的前侧边竖向滑动连接在前侧的滑轨座20上，钢丝托板19的后侧边竖向滑动连接在前侧的滑轨座20上，齿轮组牵拉机构固定安装在控制箱2内右上部，气动牵拉机构固定安装在控制箱2内左上部，齿轮组牵拉机构和气动牵拉机构均与钢丝托板19的上表面连接并带动钢丝托板19竖向滑动，钢丝托板19上连接有左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22，左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22的结构相同且左右对称设置；
左牵拉钢丝21的一端固定连接在钢丝托板19的下表面左侧部，左牵拉钢丝21从钢丝托板19的下表面向下延伸到控制箱2内下部向左水平弯折，左牵拉钢丝21再穿过控制箱2的左侧板并沿竖向敷设在腰部支撑架1的左侧部、左侧的胯部连接座3和左侧的大腿支撑杆8的外侧，左牵拉钢丝21的另一端穿过左侧的第一限位挡块12上的安装孔后固定在左侧的第二限位挡块13上的安装孔中，左牵拉钢丝21的外部包裹有钢丝外壳23，钢丝外壳23通过若干个外壳支架24固定在控制箱2、腰部支撑架1的左侧部、左侧的胯部连接座3和左侧的大腿支撑杆8上，钢丝外壳23的下端固定连接在左侧的第一限位挡块12上。
齿轮组牵拉机构包括固定支架25、发条26、无刷电机27、舵机28和移动架29，固定支架25为前后通透且下侧敞口的U型板，固定支架25、发条26和无刷电机27自右向左依次间隔设置在控制箱2内右上部，固定支架25和发条26固定安装在控制箱2内顶面右侧部，无刷电机27固定安装在控制箱2内右侧壁上部，无刷电机27的电机轴左端同轴传动连接发条26右侧的动力输入轴右端，无刷电机27固定安装在固定支架25内左下侧部，移动架29为左侧、右侧和下侧均敞口的C型板，移动架29的顶部左右两侧沿前后方向设有导槽30，固定支架25的左右两侧板下侧边分别设有向内弯折且对应卡设在两条导槽30中的水平折边31，移动架29的顶板上表面中部沿前后方向固定安装有齿条32，舵机28的电机轴上固定安装有与齿条32啮合传动连接的主动齿轮33，移动架29的前后两侧板之间转动安装有沿前后方向水平设置的轮轴34，轮轴34的前侧部固定套装有第一锥齿轮35，轮轴34的后侧部固定套装有第一线盘36，第一线盘36上缠绕固定有第一拉线钢丝37，第一拉线钢丝37从第一线盘36上伸出后向左下倾斜延伸至钢丝托板19的上方，第一拉线钢丝37再竖直向下弯折并固定连接在钢丝托板19的上表面右侧部，第一拉线钢丝37的转向处外部包裹有第一转向外壳38，第一转向外壳38通过若干个外壳支架24固定在控制箱2内后侧壁上，发条26左侧的动力输出轴左端固定安装有与第一锥齿轮35啮合传动连接的第二锥齿轮39，发条26左侧的动力输出轴上还固定安装有棘轮40，移动架29的后侧板右侧边上侧部一体成型有沿前后方向设置且与棘轮40相适配的卡条41，嵌入式单片机5分别与无刷电机27和舵机28信号连接，充电储能装置分别与无刷电机27和舵机28电性连接；
当主动齿轮33驱动齿条32向前移动至前极限位置时，卡条41的前端与棘轮40的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮35与第二锥齿轮39分离，第一拉线钢丝37处于松弛状态；
当主动齿轮33驱动齿条32向后移动至后极限位置时，卡条41的前端与棘轮40的上部齿槽分离，第一锥齿轮35与第二锥齿轮39啮合传动连接，第一拉线钢丝37完全收紧，钢丝托板19向上移动至滑轨座20的上极限位置，左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22均拉紧并将两侧的小腿支撑杆9拉紧，使两侧的小腿支撑杆9分别对应与两侧的大腿支撑杆8处于同一条直线上。
气动牵拉机构包括压缩气瓶42、换向阀43和旋转气缸44，压缩气瓶42通过气瓶架固定安装在控制箱2内左上部，换向阀43固定安装在控制箱2内顶面左侧部，旋转气缸44固定安装在控制箱2内后侧壁左上部且位于压缩气瓶42的右侧，压缩气瓶42通过气体管路45与旋转气缸44连接，换向阀43设置在气体管路45上，旋转气缸44的旋转轴沿前后方向设置在其前侧，旋转气缸44的旋转轴前端同轴固定安装有第二线盘46，第二线盘46上缠绕固定有第二拉线钢丝47，第二拉线钢丝47从第二线盘46上伸出后向右水平延伸至钢丝托板19的上方，第二拉线钢丝47再竖直向下弯折并固定连接在钢丝托板19的上表面左侧部，第二拉线钢丝47的转向处外部包裹有第二转向外壳48，第二转向外壳48通过若干个外壳支架24固定在控制箱2内后侧壁上，嵌入式单片机5与换向阀43信号连接；
旋转气缸44达到正转极限位置时，第二拉线钢丝47完全收紧，钢丝托板19向上移动至滑轨座20的上极限位置，左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22均拉紧并将两侧的小腿支撑杆9拉紧，使两侧的小腿支撑杆9分别对应与两侧的大腿支撑杆8处于同一条直线上；
旋转气缸44达到反转极限位置时，第二拉线钢丝47处于松弛极限状态。
左侧的多功能外骨骼鞋包括鞋体49，鞋体49的左侧固定连接有踝关节连接块50，踝关节连接块50与小腿调节板的下端部通过第二铰链连接，鞋体49上部设置有脚绑带51，小型发电装置6和压力传感器7均固定嵌设在鞋体49底部。
小型发电装置6为平面滑动式摩擦纳米发电机，充电储能装置由可充电电池52和充电控制器组成，小型发电装置6通过充电控制器提供电源给可充电电池。
充电控制器内置有充电算法，充电算法实时对发电装置产生的电流和电压进行检测，通过充电控制器实现对发电装置产生电能的调整，根据当前可充电电池电荷状态(SOC)将输入可充电电池的充电电流和充电电压调整成为符合可充电电池所需的状态；
所述的可充电电池为放电平台电压为3.7V的锂电池，将其通过串并联排列的方式组成可充电电池组；
所述的单个锂电池其充满电时的电压为4.2V，其所组成的电池组充满电且在空载状态下的电压为25.2V；
所述的可充电电池电荷状态(SOC)的计算公式为：
其中，E为当前电池的剩余电量；C为可充电电池的额定容量；
所述的可充电电池组一共有三种充电状态，即涓流充电、恒流充电和恒压充电；
当可充电电池组当前的电压小于18V时，可充电电池组要先进行预充电，此时可充电电池组处于涓流充电状态，此时的充电电流公式为：
I充＝λ1C (2)
其中，λ1为涓流充电的充电倍率，λ1的范围为0.04-0.06；C为可充电电池的额定容量；
当可充电电池组的电压通过涓流充电提升至18V及以上时，充电状态调整至恒流充电，此时的充电电流公式为：
I充＝λ2C (3)
其中，λ2为恒流充电的充电倍率，λ2的范围为0.1-0.2；C为可充电电池的额定容量；
当可充电电池组的电压上升到25.2V时，电池组容量已达到85％以上，此时恒流充电结束，开始恒压充电阶段；电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，并在可充电电池电荷状态(SOC)达到100％时终止充电，此时的充电电流公式为：
I充＝λ3C (4)
其中，λ3为恒压充电的充电倍率，λ3的范围为0.03-0.07；C为可充电电池的额定容量。
康复外骨骼装置通过将压力传感器7布置在多功能外骨骼鞋的鞋底来收集穿戴者在进行康复训练时的压力信息，当多功能外骨骼鞋的鞋底压力大于预设的压力阈值时，则判断穿戴者处于超重状态，此时穿戴者有失去平衡进而跌倒的风险，下肢康复外骨骼将工作状态切换为保护状态，嵌入式单片机5控制动力装置工作，从而达到辅助穿戴者保持身体平衡的目的，嵌入式单片机5内预设的压力阈值F的计算公式为：
F＝μ1F外骨骼+μ2F穿戴者 (5)
其中，μ1为该下肢康复外骨骼装置处于超重状态时的压力系数，μ2为穿戴者处于超重状态时的压力系数，μ1的范围为1.1～1.5，μ2的范围为1.0～1.5；F外骨骼为该下肢康复外骨骼装置的重量；F穿戴者为穿戴者自身的重量；
多功能外骨骼鞋的鞋底所承受实时压力F实时的计算公式为：
F实时＝S·P实时 (6)
其中，P实时为压力传感器实时检测到的压强；S为多功能外骨骼鞋鞋底的面积；
所述的超重状态即为穿戴者重心加速向下的状态，此状态可作为穿戴者失去平衡的判断条件。
腰部约束绑带4、大腿约束绑带14、小腿约束绑带和脚绑带51均采用尼龙材质制成。
本发明具有两种工作状态，分别为保护状态和自由康复运动状态，具体工作流程包括以下步骤：
第一步、嵌入式单片机5自检
在每次穿戴者开机时，嵌入式单片机5都会进行自检以确保该下肢康复外骨骼装置可以正常工作，避免因设备出现故障导致穿戴者受到伤害；
第二步、嵌入式单片机5判断压力异常
当穿戴者穿戴该下肢康复外骨骼装置进行康复训练时，由于失去平衡或其它特殊原因会对腿部突然施加比较大的力，压力传感器7实时检测当前压力并传给嵌入式单片机5，当嵌入式单片机5判断当前压力大于预设的压力阈值F时，嵌入式单片机5开始转变该下肢康复外骨骼装置的工作状态；
第三步、检测当前电压值Q
嵌入式单片机5检测此时可充电电池的电压，当可充电电池的电压大于预设的阈值电压Q1时，嵌入式单片机5默认控制齿轮组牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换；
当可充电电池的电压小于预设的阈值电压Q1时，嵌入式单片机5控制气动牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换；
第四步、该下肢康复外骨骼装置进入保护状态
在嵌入式单片机5根据当前电压值选择了齿轮组牵拉机构或气动牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换后，齿轮组牵拉机构或气动牵拉机构将钢丝托板19向上拉到滑轨座20上极限位置，则钢丝托板19带动左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22向上收缩拉紧，左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22分别将两侧的小腿支撑杆9拉紧，从而对该下肢康复外骨骼装置进行姿态调整，直至使两侧的小腿支撑杆9分别与两侧对应的大腿支撑杆8处于同一条直线上，此时穿戴者处于直立姿态且在该下肢康复外骨骼装置作用下膝关节无法弯曲，从而使穿戴者双脚承受相同的压力，达到保护穿戴者腿部受伤部位、辅助穿戴者恢复平衡的效果，使穿戴者避免因失去平衡而导致二次伤害的情况发生；
第五步、穿戴者根据自身情况判断是否继续进行康复训练
穿戴者在休息一段时间后判断自身的身体条件是否能继续进行康复训练，当穿戴者保持一段时间的直立状态且腿部无明显痛感时，穿戴者通过配备的专用遥控器控制嵌入单片机将该下肢康复外骨骼装置的工作状态恢复到自由康复运动状态，即控制齿轮组牵拉机构或气动牵拉机构反向动作，使钢丝托板19处于无约束状态，则左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22均处于无约束状态，两侧的小腿支撑杆9便恢复正常活动，穿戴者可以根据自身需要在一定动作幅度内进行康复训练，当穿戴者判断自身的身体条件不能继续进行康复训练时，可自行解除康复外骨骼的约束，结束此次康复训练。
齿轮组牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换具体操作是：在可充电电池的电压大于预设的阈值电压Q1且该下肢康复外骨骼装置处于自由康复运动状态时，旋转气缸44保持反转极限位置，第二拉线钢丝47处于松弛极限状态，该下肢康复外骨骼装置的工作状态无法通过气动牵拉机构控制，同时嵌入式单片机5控制舵机28工作，舵机28通过主动齿轮33驱动齿条32向前移动至前极限位置，卡条41的前端与棘轮40的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮35与第二锥齿轮39分离，第一拉线钢丝37处于松弛状态，则轮轴34处于无约束状态，钢丝托板19也处于无约束状态，那么，左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22均处于无约束状态，穿戴者穿戴好该下肢康复外骨骼装置即可进行正常康复运动；多功能外骨骼鞋底部的压力传感器7实时将所监测的压力数据传递给嵌入式单片机5，嵌入式单片机5识别到当前压力达到或超出预设的压力阈值时判断该下肢康复外骨骼装置需要切换为保护状态，则舵机28通过主动齿轮33反向驱动齿条32向后移动至后极限位置，卡条41的前端与棘轮40的上部齿槽分离，第一锥齿轮35与第二锥齿轮39啮合传动连接，发条26的动力输出轴通过第二锥齿轮39与第一锥齿轮35的啮合作用驱动轮轴34旋转，将第一拉线钢丝37收卷到第一线盘36上并收紧，第一拉线钢丝37将钢丝托板19向上拉到滑轨座20上极限位置，钢丝托板19带动左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22向上收缩拉紧，左牵拉钢丝21和右牵拉钢丝22分别将两侧的小腿支撑杆9拉紧，使两侧的小腿支撑杆9分别对应与两侧的大腿支撑杆8处于同一条直线上，穿戴者双腿绷直并保持腿部压力最小的姿势；
在可充电电池的电压大于预设的阈值电压Q1且该下肢康复外骨骼装置再次切换为自由康复运动状态时，嵌入式单片机5控制无刷电机27转动将发条26拧紧，使发条26恢复其因该下肢康复外骨骼装置工作状态切换而损失的机械能，当嵌入式单片机5检测到无刷电机27的输出功率在一个规律的范围波动时，即为发条26储存机械能的上限，发条26内部的簧片因收紧到最大形变量使得卡槽限制簧片的转动，此时嵌入式单片机5控制无刷电机27停止工作。气动牵拉机构进行该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换具体操作是：在可充电电池的电压小于预设的阈值电压Q1时，嵌入式单片机5控制舵机28工作，舵机28通过主动齿轮33驱动齿条32向前移动至前极限位置，卡条41的前端与棘轮40的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮35与第二锥齿轮39分离，第一拉线钢丝37处于松弛状态，则轮轴34处于无约束状态，此时该下肢康复外骨骼装置的工作状态无法通过齿轮组牵拉机构控制，嵌入式单片机5通过控制用电量更小的换向阀43使旋转气缸44达到正转极限位置或反转极限位置，实现在低电量条件下控制该下肢康复外骨骼装置工作状态的转换。
控制箱2内的可充电电池为整体装置提供电能，当可充电电池电量不足时，可以打开控制箱2后盖取出可充电电池进行充电，同时在多功能外骨骼鞋的鞋底设置有小型发电装置6，小型发电装置6为平面滑动式摩擦纳米发电机，穿戴者进行康复训练时，通过小型发电装置6对可充电电池自行进行充电，有效延长该下肢康复外骨骼装置的连续使用时长。
为实现不同身高使用者的需求，胯部连接座3有长短不一的多种型号可供选择，通过调整胯部连接座3即可实现穿戴者大腿部分的适配，同时还可以调节小腿调节板在相应小腿支撑杆9的滑槽16内位置以适应穿戴者身高，再通过至少一根穿过左右对应的第二限位孔18和第一限位孔17的销钉将小腿调节板与小腿支撑杆9固定连接。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：包括腰部支撑架、两个腿部摆动组件和控制箱，腰部支撑架为与人体腰部相适配且前侧敞口的C型架，腰部支撑架的两端均向下弯折并固定安装有胯部连接座，两个腿部摆动组件结构相同且左右对称设置，左侧的腿部摆动组件的上端与左侧的胯部连接座铰接，右侧的腿部摆动组件的上端与右侧的胯部连接座铰接，控制箱安装在腰部支撑架的外侧，腰部支撑架的内侧设有腰部约束绑带，控制箱内设置有充电储能装置、嵌入式单片机和控制两个腿部摆动组件工作状态的动力装置，两个腿部摆动组件的下端均安装有多功能外骨骼鞋，多功能外骨骼鞋的底部设置有小型发电装置和压力传感器，小型发电装置提供电源给充电储能装置，充电储能装置分别与嵌入式单片机和动力装置电性连接，嵌入式单片机分别与动力装置和压力传感器信号连接。
2.根据权利要求1所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：左侧的腿部摆动组件包括大腿支撑杆和小腿支撑杆，大腿支撑杆的上端与左侧的胯部连接座通过第一铰链连接，大腿支撑杆的下端一体成型有中心线沿左右方向水平设置的圆环座，小腿支撑杆的上端一体成型有凸轴，凸轴匹配转动安装在圆环座中，凸轴的左侧面与圆环座的左侧面齐平，圆环座的左侧面前侧中上部沿前后方向水平设置有第一限位挡块，凸轴的左侧面中部沿前后方向水平设置有位于第一限位挡块下方的第二限位挡块，第一限位挡块的后端向后延伸至圆环座内圈并与第二限位挡块的前端上下搭接，第一限位挡块的后端部和第二限位挡块的前端部均开设有上下通透的安装孔，大腿支撑杆内侧安装有大腿约束绑带，小腿支撑杆内侧安装有小腿约束绑带，小腿支撑杆的左侧面下侧部沿竖向开设有下侧和左侧敞口的滑槽，滑槽的槽底开设有若干个左右通透且上下间隔设置的第一限位孔，滑槽内匹配滑动设有小腿调节板，小腿调节板上开设有若干个左右通透且上下间隔设置的第二限位孔，至少一个第二限位孔与相应的一个第一限位孔左右对应，小腿调节板通过至少一根穿过左右对应的第二限位孔和第一限位孔的销钉与小腿支撑杆固定连接。
3.根据权利要求2所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：动力装置包括钢丝托板、齿轮组牵拉机构和气动牵拉机构，钢丝托板沿前后方向水平设置在控制箱内中部，控制箱的前侧板内壁中部和后侧板内壁中部均固定安装有竖向设置的滑轨座，钢丝托板的前侧边竖向滑动连接在前侧的滑轨座上，钢丝托板的后侧边竖向滑动连接在前侧的滑轨座上，齿轮组牵拉机构固定安装在控制箱内右上部，气动牵拉机构固定安装在控制箱内左上部，齿轮组牵拉机构和气动牵拉机构均与钢丝托板的上表面连接并带动钢丝托板竖向滑动，钢丝托板上连接有左牵拉钢丝和右牵拉钢丝，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝的结构相同且左右对称设置；
左牵拉钢丝的一端固定连接在钢丝托板的下表面左侧部，左牵拉钢丝从钢丝托板的下表面向下延伸到控制箱内下部向左水平弯折，左牵拉钢丝再穿过控制箱的左侧板并沿竖向敷设在腰部支撑架的左侧部、左侧的胯部连接座和左侧的大腿支撑杆的外侧，左牵拉钢丝的另一端穿过左侧的第一限位挡块上的安装孔后固定在左侧的第二限位挡块上的安装孔中，左牵拉钢丝的外部包裹有钢丝外壳，钢丝外壳通过若干个外壳支架固定在控制箱、腰部支撑架的左侧部、左侧的胯部连接座和左侧的大腿支撑杆上，钢丝外壳的下端固定连接在左侧的第一限位挡块上。
4.根据权利要求3所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：齿轮组牵拉机构包括固定支架、发条、无刷电机、舵机和移动架，固定支架为前后通透且下侧敞口的U型板，固定支架、发条和无刷电机自右向左依次间隔设置在控制箱内右上部，固定支架和发条固定安装在控制箱内顶面右侧部，无刷电机固定安装在控制箱内右侧壁上部，无刷电机的电机轴左端同轴传动连接发条右侧的动力输入轴右端，无刷电机固定安装在固定支架内左下侧部，移动架为左侧、右侧和下侧均敞口的C型板，移动架的顶部左右两侧沿前后方向设有导槽，固定支架的左右两侧板下侧边分别设有向内弯折且对应卡设在两条导槽中的水平折边，移动架的顶板上表面中部沿前后方向固定安装有齿条，舵机的电机轴上固定安装有与齿条啮合传动连接的主动齿轮，移动架的前后两侧板之间转动安装有沿前后方向水平设置的轮轴，轮轴的前侧部固定套装有第一锥齿轮，轮轴的后侧部固定套装有第一线盘，第一线盘上缠绕固定有第一拉线钢丝，第一拉线钢丝从第一线盘上伸出后向左下倾斜延伸至钢丝托板的上方，第一拉线钢丝再竖直向下弯折并固定连接在钢丝托板的上表面右侧部，第一拉线钢丝的转向处外部包裹有第一转向外壳，第一转向外壳通过若干个外壳支架固定在控制箱内后侧壁上，发条左侧的动力输出轴左端固定安装有与第一锥齿轮啮合传动连接的第二锥齿轮，发条左侧的动力输出轴上还固定安装有棘轮，移动架的后侧板右侧边上侧部一体成型有沿前后方向设置且与棘轮相适配的卡条，嵌入式单片机分别与无刷电机和舵机信号连接，充电储能装置分别与无刷电机和舵机电性连接；
当主动齿轮驱动齿条向前移动至前极限位置时，卡条的前端与棘轮的上部齿槽匹配卡接，第一锥齿轮与第二锥齿轮分离，第一拉线钢丝处于松弛状态；
当主动齿轮驱动齿条向后移动至后极限位置时，卡条的前端与棘轮的上部齿槽分离，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动连接，第一拉线钢丝完全收紧，钢丝托板向上移动至滑轨座的上极限位置，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝均拉紧并将两侧的小腿支撑杆拉紧，使两侧的小腿支撑杆分别与两侧对应的大腿支撑杆处于同一条直线上。
5.根据权利要求3所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：气动牵拉机构包括压缩气瓶、换向阀和旋转气缸，压缩气瓶通过气瓶架固定安装在控制箱内左上部，换向阀固定安装在控制箱内顶面左侧部，旋转气缸固定安装在控制箱内后侧壁左上部且位于压缩气瓶的右侧，压缩气瓶通过气体管路与旋转气缸连接，换向阀设置在气体管路上，旋转气缸的旋转轴沿前后方向设置在其前侧，旋转气缸的旋转轴前端同轴固定安装有第二线盘，第二线盘上缠绕固定有第二拉线钢丝，第二拉线钢丝从第二线盘上伸出后向右水平延伸至钢丝托板的上方，第二拉线钢丝再竖直向下弯折并固定连接在钢丝托板的上表面左侧部，第二拉线钢丝的转向处外部包裹有第二转向外壳，第二转向外壳通过若干个外壳支架固定在控制箱内后侧壁上，嵌入式单片机与换向阀信号连接；
旋转气缸达到正转极限位置时，第二拉线钢丝完全收紧，钢丝托板向上移动至滑轨座的上极限位置，左牵拉钢丝和右牵拉钢丝均拉紧并将两侧的小腿支撑杆拉紧，使两侧的小腿支撑杆分别与两侧对应的大腿支撑杆处于同一条直线上；
旋转气缸达到反转极限位置时，第二拉线钢丝处于松弛极限状态。
6.根据权利要求2所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：左侧的多功能外骨骼鞋包括鞋体，鞋体的左侧固定连接有踝关节连接块，踝关节连接块与小腿调节板的下端部通过第二铰链连接，鞋体上部设置有脚绑带，小型发电装置和压力传感器均固定嵌设在鞋体底部。
7.根据权利要求1-6任一项所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：小型发电装置为平面滑动式摩擦纳米发电机，充电储能装置由可充电电池和充电控制器组成，小型发电装置通过充电控制器提供电源给可充电电池。
8.根据权利要求7所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：充电控制器内置有充电算法，充电算法实时对发电装置产生的电流和电压进行检测，通过充电控制器实现对发电装置产生电能的调整，根据当前可充电电池电荷状态(SOC)将输入可充电电池的充电电流和充电电压调整成为符合可充电电池所需的状态；
所述的可充电电池为放电平台电压为3.7V的锂电池，将其通过串并联排列的方式组成可充电电池组；
所述的单个锂电池其充满电时的电压为4.2V，其所组成的电池组充满电且在空载状态下的电压为25.2V；
所述的可充电电池电荷状态(SOC)的计算公式为：
其中，E为当前电池的剩余电量；C为可充电电池的额定容量；
所述的可充电电池组一共有三种充电状态，即涓流充电、恒流充电和恒压充电；
当可充电电池组当前的电压小于18V时，可充电电池组要先进行预充电，此时可充电电池组处于涓流充电状态，此时的充电电流公式为：
I充＝λ1C (2)
其中，λ1为涓流充电的充电倍率，λ1的范围为0.04-0.06；C为可充电电池的额定容量；
当可充电电池组的电压通过涓流充电提升至18V及以上时，充电状态调整至恒流充电，此时的充电电流公式为：
I充＝λ2C (3)
其中，λ2为恒流充电的充电倍率，λ2的范围为0.1-0.2；C为可充电电池的额定容量；
当可充电电池组的电压上升到25.2V时，电池组容量已达到85％以上，此时恒流充电结束，开始恒压充电阶段；电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，并在可充电电池电荷状态(SOC)达到100％时终止充电，此时的充电电流公式为：
I充＝λ3C (4)
其中，λ3为恒压充电的充电倍率，λ3的范围为0.03-0.07；C为可充电电池的额定容量。
9.根据权利要求7所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：康复外骨骼装置通过将压力传感器布置在多功能外骨骼鞋的鞋底来收集穿戴者在进行康复训练时的压力信息，当多功能外骨骼鞋的鞋底压力大于预设的压力阈值时，则判断穿戴者处于超重状态，此时穿戴者有失去平衡进而跌倒的风险，下肢康复外骨骼将工作状态切换为保护状态，嵌入式单片机控制动力装置工作，从而达到辅助穿戴者保持身体平衡的目的，嵌入式单片机内预设的压力阈值F的计算公式为：
F＝μ1F外骨骼+μ2F穿戴者 (5)
其中，μ1为该下肢康复外骨骼装置处于超重状态时的压力系数，μ2为穿戴者处于超重状态时的压力系数，μ1的范围为1.1～1.5，μ2的范围为1.0～1.5；F外骨骼为该下肢康复外骨骼装置的重量；F穿戴者为穿戴者自身的重量；
多功能外骨骼鞋的鞋底所承受实时压力F实时的计算公式为：
F实时＝S·P实时 (6)
其中，P实时为压力传感器实时检测到的压强；S为多功能外骨骼鞋鞋底的面积；
所述的超重状态即为穿戴者重心加速向下的状态，此状态可作为穿戴者失去平衡的判断条件。
10.根据权利要求6所述的具有发电与储能功能的防跌倒下肢康复外骨骼装置，其特征在于：腰部约束绑带、大腿约束绑带、小腿约束绑带和脚绑带均采用尼龙材质制成。
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