CN109318213A - 一种腿部支撑外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种腿部支撑外骨骼，包括坐垫板模块、支撑角度调节模块、人体运动意图感应控制模块和脚部模块，坐垫板模块通过曲面设计的坐垫板和缓冲组件，能够最大贴合人体腿部，缓冲组件可根据不同挡位的坐姿自适应的调整坐垫板的倾斜度，提高坐姿的稳定性；支撑角度调节模块通过运动意图感应控制支撑角度，智能识别坐姿状态并自动支撑，通过传感器采集肢体角度、压力等信息，由微处理器控制推拉电磁铁的运动，进而控制机构运动，在非工作模式下，外骨骼自由转动最小角度为35°，满足人体正常活动的需要，不会干涉穿戴者的行走、上楼梯等动作，灵活性高。

Description

一种腿部支撑外骨骼

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种一种腿部支撑外骨骼。

背景技术

蹲、跪姿势是许多工业如造船焊接、汽车装配、机械修理及农业等常见的一种不良作业姿势。长期在这些姿势下劳作，肌肉容易产生疲劳，久而久之发生上损伤和疾患。腿部支撑外骨骼可以在人体下蹲时对人体起到支撑的作用，减少腿部肌肉疲劳。现有一种结合步进电机和丝杠来调节外骨骼关节角度的外骨骼座椅，并能够自动控制。但行走时，需要电机一直工作，适应人体膝关节的变化，既影响了人体行走的灵活性，同时增大了能耗。另外有一种在关节处加有阻尼器的外骨骼座椅，其阻尼器的阻尼会影响到穿戴者的行走。

因此现有的可穿戴腿部支撑外骨骼主要存在的问题是，外骨骼座椅在行走和蹲下两种状态下对人的适应性较差，行走或上楼梯时，外骨骼对人体的干涉问题；蹲下时，外骨骼对人体蹲姿高度的自适应问题。因此有必要对现有技术的腿部支撑外骨骼进行改进。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种腿部支撑外骨骼，能够满足随行性和随坐性的要求，具有灵活性高、无阻力的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种腿部支撑外骨骼，包括坐垫板模块、支撑角度调节模块、人体运动意图感应控制模块和脚部模块；

所述坐垫板模块包括符合人体工学的坐垫板7、缓冲组件及调长组件，坐垫板7呈弧线形，坐垫板7上固定有用于固定穿戴者的大腿的大腿绑带6，坐垫板7与位于其底部的转动底板11阻尼转动连接，坐垫板7与转动底板11之间设有缓冲组件，转动底板11与第一连杆3滑动连接，二者之间设有调长组件，调长组件与长度可调节的柔性带2固结，柔性带2与腰封1连接；

所述支撑角度调节模块包括第一连杆3，第一连杆3端部铰接于第二连杆5，二者可相对旋转，支撑杆4分别铰接于第一连杆3和棘爪离合组件的滑块28，彼此间可相对旋转，滑块28与棘轨19固定连接，棘轨19和导向滑块26固定连接，滑块28内置有直线轴承29，直线轴承29与导向管31直接接触，通过轴承盖30固定直线轴承29和滑块28，导向管31两端***底座25的圆孔内，底座25固结在第二连杆5上，两个阶梯形状的侧嵌入块27分别***第二连杆5的左右侧面的长条形孔内，并与固定座20固定连接，固定座20固定在第二连杆5内部，固定座20尺寸大于第二连杆5的侧面长条形孔尺寸，从而限制嵌入块27和固定座20在第二连杆5的位置，棘爪21通过其中间圆孔与固定座20铰接，棘爪21一端圆柱体和中间连杆22一端圆孔进行铰接，中间连杆22与推拉电磁铁23的铁芯铰接，推拉电磁铁23固结在电磁铁连接座24上，电磁铁连接座24固结在在固定座20上；

所述人体运动意图感应控制模块包括设置在第一连杆3U形槽内的倾角传感器42和设置在脚底板32的足底压力传感器44，倾角传感器42和足底压力传感器44均微处理器43电连接，微处理器43、延时继电器40、推拉电磁铁23依次电连接，以上元器件均通过锂电池41供电；

所述脚部模块包括脚连接环39，以脚连接环39作为中介杆，脚连接环39铰接于脚底板32与环铰块38，绑带***脚底板32侧面的长条形孔内，进而绑在穿戴者脚部，脚底板32与限位环33固定连接，脚连接环39套在限位环33的阶梯外圆上与其转动连接，地面支撑组件由伸缩方管构成，内方管35***外方管36里面，内方管35里设有第二V形弹簧片37，第二V形弹簧片37的圆柱体卡在内方管35和外方管36的圆孔内，内方管35与环铰块38固定连接。

所述缓冲组件包括固定于转动底板11上的四个圆形的缓冲槽，缓冲槽外部套有缓冲盖9，每个缓冲槽内放置缓冲弹簧10，缓冲盖9与缓冲弹簧10直接接触，并可相对缓冲槽滑动，坐垫板连接件8在铰接处两侧分别与缓冲盖9接触。随缓冲盖9的滑动，坐垫板7相对转动底板11转动。

所述调长组件包括内圆管15和外圆管17，内圆管15套入外圆管17内形成伸缩管，第一V形弹簧片16圆柱端***内圆管15、外圆管17的侧面孔内限制其伸缩运动，外圆管17固结在第一连杆3上，内圆管外套14套在内圆管15端部固定，内圆管外套14与侧固定块12固定连接，侧固定块12固结在转动底板11侧面，转动底板11通过其侧面开设的螺纹孔与导向块13固定连接，导向块13卡在第一连杆3侧面与其滑动连接，侧固定块12在侧面与第一连杆3相接触。

所述大腿绑带6采用带魔术贴的松紧带，固定在坐垫板7上长条形槽内。

所述坐垫板7固定连接到坐垫板连接件8，坐垫板连接件8铰接于转动底板11，两者可以相对转动。

所述内圆管外套14上开有长条形槽，长条形槽内固结有长度可调节的柔性带2。

所述内方管35与地面接触的位置套有橡胶脚垫34。

本发明的有益效果是：

本发明坐垫板模块通过曲面设计的坐垫板和缓冲组件，能够最大贴合人体腿部；缓冲组件可根据不同挡位的坐姿自适应的调整坐垫板的倾斜度，提高坐姿的稳定性；支撑角度调节模块，通过运动意图感应控制支撑角度，智能识别坐姿状态并自动支撑，通过传感器采集肢体角度、压力等信息，由微处理器控制推拉电磁铁的运动，进而控制机构运动，并在断电下能够自锁支撑，间断式供电工作以减少电池能量的损耗，根据棘轨设计提供七挡坐姿角度以适应不同工况的需要。在非工作模式下，外骨骼自由转动最小角度为35°，满足人体正常活动的需要，不会干涉穿戴者的行走、上楼梯等动作，灵活性高。

附图说明

图1是本发明实施例多挡位高度可调的腿部支撑外骨骼的结构示意图；

图2是本发明实施例的坐垫板模块的结构示意图；

图3是本发明实施例的坐垫板模块的***结构示意图；

图4是本发明实施例的坐垫板模块的功能示意图；

图5是本发明实施例的支撑角度调节模块的结构示意图；

图6是本发明实施例的支撑角度调节模块的***结构示意图；

图7是本发明实施例的棘爪安装结构示意图；

图8是本发明实施例的棘轨安装结构示意图；

图9(1)和(2)是本发明实施例的棘爪离合组件的功能示意图；

图10是本发明实施例的电控组件的安装结构示意图；

图11是本发明实施例的脚部模块的结构示意图。

本发明包含 1-腰封，2-柔性带，3-第一连杆，4-支撑杆，5-第二连杆，6-大腿绑带，7-坐垫板，8-坐垫板连接件，9-缓冲盖，10-缓冲弹簧，11-转动底板，12-侧固定块，13-导向块，14-内管外套，15-内圆管，16-第一V形弹簧片，17-外圆管，18-限位套，19-棘轨，20-固定座，21-棘爪，22-中间连杆，23-推拉电磁铁，24-电磁铁连接座，25-底座，26-导向滑块，27-侧嵌入块，28-滑块，29-直线轴承，30-轴承盖，31-导向管，32-脚底板，33-限位环，34-橡胶脚垫，35-内方管，36-外方管，37-第二V形弹簧片，38-环铰块，39-脚连接环，40-延时继电器40，41-锂电池，42-倾角传感器，43-微处理器，44-足底压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种腿部支撑外骨骼的结构，主要包括坐垫板模块、支撑角度调节模块、人体运动意图感应控制模块和脚部模块。

从图1中可以看到，整体从上往下主要包括腰封1、柔性带2、以坐垫板7起到支撑作用的坐垫板模块、第一连杆3、以支撑杆4起到支撑作用的支撑角度调节模块、第二连杆5、以脚底板32连接脚部的脚部模块。其中腰封1材料为尼龙，连接穿戴者的腰部和肩部。柔性带一端与腰封1固定连接，另一端与坐垫板模块固定连接。

参见图2、图3，所述坐垫板模块包括符合人体工学的坐垫板7、缓冲组件及调长组件，坐垫板7呈弧线形，能贴合地支撑于穿戴者的腿部与臀部，坐垫板7上固定有用于固定穿戴者的大腿的大腿绑带6，所述大腿绑带6采用带魔术贴的松紧带，固定在坐垫板7上长条形槽内。所述坐垫板7固定连接到坐垫板连接件8，坐垫板连接件8铰接于转动底板11，两者可以相对转动。坐垫板7与位于其底部的转动底板11阻尼转动连接，形成坐姿状态下的缓冲调节，坐垫板7与转动底板11之间设有缓冲组件，转动底板11与第一连杆3滑动连接，二者之间设有调长组件，调长组件与长度可调节的柔性带2固结，柔性带2与腰封1连接。

所述缓冲组件包括固定于转动底板11上的四个圆形的缓冲槽，缓冲槽外部套有缓冲盖9，每个缓冲槽内放置缓冲弹簧10，缓冲盖9与缓冲弹簧10直接接触，并可相对缓冲槽滑动，坐垫板连接件8在铰接处两侧分别与缓冲盖9接触。随缓冲盖9的滑动，坐垫板7相对转动底板11转动。缓冲组件实现的功能如图4所示，F1和F2为大腿对坐垫板22两侧施加的力。F1＜F2时，坐垫板7前倾，F1＞F2时，坐垫板7后倾。穿戴者可控制身体重心实现坐垫板7的前后倾斜。当坐姿高度较高时，第一连杆3相对水平面倾斜较大，大腿易相对坐垫板7下滑，故可通过调整坐垫板7后倾，提高坐姿稳定性。反之同样道理。缓冲组件可实现坐垫板7相对转动底板倾斜角度在0°-20°。在穿戴者坐下时，人为改变坐垫板7倾斜度，以提高坐姿的平稳性。

所述调长组件包括内圆管15和外圆管17，内圆管15套进外圆管17形成伸缩管，第一V形弹簧片16圆柱端***内圆管15、外圆管17的侧面孔内限制其伸缩运动，通过对内圆管15和外圆管17的相对位置的调整，能改变坐垫板7相对第一连杆3的位置，以适应不同身高穿戴者的需要；外圆管17固结在第一连杆3上，内圆管外套14套在内圆管15端部固定，以限制其转动，所述内圆管外套14上开有长条形槽，长条形槽内固结有长度可调节的柔性带2。内圆管外套14通过螺纹孔与侧固定块12固定连接，侧固定块12固结在转动底板11侧面，由此改变转动底板11在第一连杆3上的位置，转动底板11通过其侧面开设的螺纹孔与导向块13固定连接，导向块13卡在第一连杆3侧面与其滑动连接，侧固定块12在侧面与第一连杆3相接触。

参见图5、图6，所述支撑角度调节模块包括第一连杆3、第二连杆5、支撑杆4与棘爪离合组件。第一连杆3端部铰接于第二连杆5，二者可相对旋转，支撑杆4分别铰接于第一连杆3和棘爪离合组件的滑块28，彼此间可相对旋转，滑块28与棘轨19固定连接，棘轨19和导向滑块26固定连接，滑块28内置有直线轴承29，直线轴承29与导向管31直接接触，通过轴承盖30固定直线轴承29和滑块28，导向管31两端***底座25的圆孔内，底座25固结在第二连杆5上，两个阶梯形状的侧嵌入块27分别***第二连杆5的左右侧面的长条形孔内，并与固定座20固定连接，固定座20固定在第二连杆5内部，固定座20尺寸大于第二连杆5的侧面长条形孔尺寸，从而限制嵌入块27和固定座20在第二连杆5的位置，棘爪21通过其中间圆孔与固定座20铰接，棘爪21一端圆柱体和中间连杆22一端圆孔进行铰接，如图7所示，中间连杆22与推拉电磁铁23的铁芯铰接，推拉电磁铁23固结在电磁铁连接座24上，电磁铁连接座24固结在在固定座20上。

所述棘爪离合组件中的滑块28与棘轨19通过导向管31进行直线滑动，推拉电磁铁23中铁芯的直线运动带动中间连杆22，从而形成棘爪21与棘轨19的离合。棘轨19、滑块28、导向滑块26三者通过导向管31可进行直线滑动，具体连接如图8所示。

棘爪离合组件的执行过程如下：推拉电磁铁23中铁芯的直线往返运动，经中间连杆22实现棘爪21的往复转动，从而形成棘爪21与棘轨19的离合。选用的推拉电磁铁23，其具有铁芯吸入和恢复两个状态，供电时，铁芯吸入，在断电时，由内部弹簧实现铁芯的恢复。当棘轨19向下滑动，处在离合位置时，若推拉电磁铁23供电，铁芯吸入，带动棘爪21逆时针转动，棘爪21尖端嵌入棘轨19槽内，同时棘爪21另一端与固定座20接触，从而限制棘轨19的下滑，此时处于工作模式；工作模式下，若推拉电磁铁23断电，棘轨19向下滑动的趋势限制棘爪21的顺时针转动，从而实现自锁。当穿戴者站起时，棘轨21上滑，棘爪21顺时针转动，推拉电磁铁23内弹簧使铁芯恢复到初始状态，棘爪21回到初始位置，整体处于非工作模式。棘轨在工作状态下，可实现外骨骼40°-70°的支撑角度，具有7个挡位。离合状态下的结构示意如图9(1)、(2)所示。

支撑角度调节模块基于人体运动意图感应控制，自适应地实现坐姿模式。所述人体运动意图感应控制模块包括设置在第一连杆3U形槽内的倾角传感器42和设置在脚底板32的足底压力传感器44，倾角传感器42和足底压力传感器44均微处理器43电连接，微处理器43、延时继电器40、推拉电磁铁23依次电连接，以上元器件均通过锂电池41供电，如图10所示。

参见图11，所述脚部模块包括脚连接环39，以脚连接环39作为中介杆，脚连接环39铰接于脚底板32与环铰块38，绑带***脚底板32侧面的长条形孔内，进而绑在穿戴者脚部，脚底板32与限位环33固定连接，脚连接环39套在限位环33的阶梯外圆上与其转动连接，地面支撑组件由伸缩方管构成，内方管35***外方管36里面，内方管35里设有第二V形弹簧片37，第二V形弹簧片37的圆柱体卡在内方管35和外方管36的圆孔内，以固定两个方管的位置，根据不同的穿戴者的小腿长度，调节伸缩管的伸缩程度，内方管35与环铰块38固定连接。所述内方管35与地面接触的位置套有橡胶脚垫34。在行走时，脚连接环39将第二连杆5置空，避免第二连杆5与小腿的接触；在坐下时，脚连接环39将橡胶脚垫34导向地面，形成外骨骼对穿戴者的支撑。

所述微处理器43采用Arduino、STM32、51单片机等。微处理器43用于执行以下流程：第一连杆3的倾角传感器42采集人体矢状面的连杆角度和角加速度，分别对左右腿对应的连杆数据进行分析，当角度和角加速度满足坐姿条件，且足底压力传感器44采集的数据满足预设值，微处理器43发出若干秒的执行信号。支撑角度调节机构在执行信号下，形成角度锁定状态，并在执行信号结束后形成自锁。当使用者起立时，自锁机构失效，恢复非工作的行走模式。装置只在穿戴者每次坐下时对电磁铁供电若干秒，其它时间都不供电，减少电源的使用，实现了节能。

Claims (7)

1.一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，包括坐垫板模块、支撑角度调节模块、人体运动意图感应控制模块和脚部模块；

所述坐垫板模块包括符合人体工学的坐垫板(7)、缓冲组件及调长组件，坐垫板(7)呈弧线形，坐垫板(7)上固定有用于固定穿戴者的大腿的大腿绑带(6)，坐垫板(7)与位于其底部的转动底板(11)阻尼转动连接，坐垫板(7)与转动底板(11)之间设有缓冲组件，转动底板(11)与第一连杆(3)滑动连接，二者之间设有调长组件，调长组件与长度可调节的柔性带(2)固结，柔性带(2)与腰封(1)连接；

所述支撑角度调节模块包括第一连杆(3)，第一连杆(3)端部铰接于第二连杆(5)，二者可相对旋转，支撑杆(4)分别铰接于第一连杆(3)和棘爪离合组件的滑块(28)，彼此间可相对旋转，滑块(28)与棘轨(19)固定连接，棘轨(19)和导向滑块(26)固定连接，滑块(28)内置有直线轴承(29)，直线轴承(29)与导向管(31)直接接触，通过轴承盖(30)固定直线轴承(29)和滑块(28)，导向管(31)两端***底座(25)的圆孔内，底座(25)固结在第二连杆(5)上，两个阶梯形状的侧嵌入块(27)分别***第二连杆(5)的左右侧面的长条形孔内，并与固定座(20)固定连接，固定座(20)固定在第二连杆(5)内部，固定座(20)尺寸大于第二连杆(5)的侧面长条形孔尺寸，从而限制嵌入块(27)和固定座(20)在第二连杆(5)的位置，棘爪(21)通过其中间圆孔与固定座(20)铰接，棘爪(21)一端圆柱体和中间连杆(22)一端圆孔进行铰接，中间连杆(22)与推拉电磁铁(23)的铁芯铰接，推拉电磁铁(23)固结在电磁铁连接座(24)上，电磁铁连接座(24)固结在在固定座(20)上；

所述人体运动意图感应控制模块包括设置在第一连杆3U形槽内的倾角传感器(42)和设置在脚底板(32)的足底压力传感器(44)，倾角传感器(42)和足底压力传感器(44)均微处理器(43)电连接，微处理器(43)、延时继电器(40)、推拉电磁铁(23)依次电连接，以上元器件均通过锂电池(41)供电；

所述脚部模块包括脚连接环(39)，以脚连接环(39)作为中介杆，脚连接环(39)铰接于脚底板(32)与环铰块(38)，绑带***脚底板(32)侧面的长条形孔内，进而绑在穿戴者脚部，脚底板(32)与限位环(33)固定连接，脚连接环(39)套在限位环(33)的阶梯外圆上与其转动连接，地面支撑组件由伸缩方管构成，内方管(35)***外方管(36)里面，内方管(35)里设有第二V形弹簧片(37)，第二V形弹簧片(37)的圆柱体卡在内方管(35)和外方管(36)的圆孔内，内方管(35)与环铰块(38)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，所述缓冲组件包括固定于转动底板(11)上的四个圆形的缓冲槽，缓冲槽外部套有缓冲盖(9)，每个缓冲槽内放置缓冲弹簧(10)，缓冲盖(9)与缓冲弹簧(10)直接接触，并可相对缓冲槽滑动，坐垫板连接件(8)在铰接处两侧分别与缓冲盖(9)接触。随缓冲盖(9)的滑动，坐垫板(7)相对转动底板(11)转动。

3.根据权利要求1所述的一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，所述调长组件包括内圆管(15)和外圆管(17)，内圆管(15)套入外圆管(17)内形成伸缩管，第一V形弹簧片(16)圆柱端***内圆管(15)、外圆管(17)的侧面孔内限制其伸缩运动，外圆管(17)固结在第一连杆(3)上，内圆管外套(14)套在内圆管(15)端部固定，内圆管外套(14)与侧固定块(12)固定连接，侧固定块(12)固结在转动底板(11)侧面，转动底板(11)通过其侧面开设的螺纹孔与导向块(13)固定连接，导向块(13)卡在第一连杆(3)侧面与其滑动连接，侧固定块(12)在侧面与第一连杆(3)相接触。

4.根据权利要求1所述的一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，所述大腿绑带(6)采用带魔术贴的松紧带，固定在坐垫板(7)上长条形槽内。

5.根据权利要求1所述的一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，所述坐垫板(7)固定连接到坐垫板连接件(8)，坐垫板连接件(8)铰接于转动底板(11)，两者可以相对转动。

6.根据权利要求1所述的一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，所述内圆管外套(14)上开有长条形槽，长条形槽内固结有长度可调节的柔性带(2)。

7.根据权利要求1所述的一种腿部支撑外骨骼，其特征在于，所述内方管(35)与地面接触的位置套有橡胶脚垫(34)。