CN115026800A - 一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法及助力器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，包括在人体髋关节两侧分别设置可驱动两侧大腿相对胯部做前后交替运动的旋转机构；旋转机构包括位于髋关节侧的旋转基座和可带动腿部相对旋转基座摆动的驱动杆；髋关节两侧的驱动杆在同一个驱动执行器作用下，带动大腿实现相对胯部的交替摆动。以单个驱动执行器控制左右两腿.降低了成本,功耗,重量，提高了整体助力性能，控制起来也极为方便。其中，旋转基座与驱动执行器刚性连接；驱动执行器悬空设置在人体一侧；相对旋转基座旋转的驱动杆产生的助力直接作用于两腿，使两腿分开与合并,与胯部无关；因此胯部只需要承担部分的助力装置重量，不会存在局部省力,全局费力的情况。

Description

一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法及助力器

技术领域

本发明涉及人体外骨骼行走助力领域，尤其涉及一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法。

背景技术

现有的下半身人体助力装置，普遍安装在胯部或者腰部。在动力方面，多采用驱动电极或液压驱动。其中，驱动电机的设计上，均采用在人体大腿两侧设置驱动装置，驱动人体左右腿交替运动。

如申请号为CN202010364008.1、申请名称为一种助力行走及辅助支撑机构，包括左腿、右腿、足部、腰部穿戴模块和辅助支撑伸缩杆，左腿和右腿上分别安装有足部；左腿和右腿分别包括髋关节连接件、大腿支撑杆、大腿绳驱动机构、膝关节连接件、小腿支撑杆、小腿绳驱动机构、踝关节连接件和减震模块，髋关节连接件与腰部穿戴模块连接；大腿支撑杆与髋关节连接件连接且二者能相对转动。

采用上述每个关节一个驱动执行器的方案, 的确可以提供更灵活的助力方式,比如为站起身提供助力, 对于医疗和工业用户的确有帮助. 但对于旅游或者户外, 使用者需要大量行走或者跑步的场景中, 这种灵活性并无必要, 反而会因为重量和成本成为掣肘因素。

由于驱动执行器是决定人体助力装置成本和重量的主要因素. 使用两套独立的驱动执行器意味着该装置更贵的价格, 更大的自重, 更高的功耗, 为了达到同样的续航需要更大的电池. 而装置本身更重, 又会加重人体体能消耗. 同时也增加了控制上的难度。

同时，由于助力装置安装在腰部或者胯部, 当驱动执行器给大腿提供力的同时,大腿也会给驱动执行器输出反向作用力，由于驱动执行器固定在腰背部，因此，势必会对腰部或者胯部施加反向作用力, 腰部或者胯部肌肉群需要承受上述的反作用力。

因此，虽然使用者抬腿动作是轻松了, 但是腰部和胯部的肌肉群却需要花更大的力气. 会造成局部省力, 全局费力的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题：在于解决现有问题，提供一种基于单驱动执行器，减弱驱动执行器给大腿提供力时，对腰胯施加反作用力的的轻量化人体助力方法。

本发明提供如下技术方案：一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，包括用于驱动人体左腿的左驱动机构、用于驱动人体右腿的右驱动机构，以及用于为所述左驱动机构和右驱动机构输送动力的驱动执行器;

所述驱动执行器为左驱动机构输送扭矩，并将所述左驱动机构驱动人体左腿时受到的反作用力输送至右驱动机构，作为所述右驱动机构驱动人体右腿的动力。

进一步的，所述驱动执行器扭矩输出端连接所述左驱动机构，为所述左驱动机构输送扭矩，所述驱动执行器机体固定在所述右驱动机构上，将所述左驱动机构驱动人体左腿时受到的反作用力输送至右驱动机构，作为所述右驱动机构驱动人体右腿的动力。

本发明还公开了一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力器，包括左驱动机构、右驱动机构和驱动执行器；

所述左驱动机构包括左旋转基座和相对所述左旋转基座摆动的左驱动杆；

所述右驱动机构包括右旋转基座和相对所述右旋转基座摆动的右驱动杆；

所述驱动执行器包括连接左驱动杆的左传动揽和连接右驱动杆的右传动揽、连通左驱动杆和右驱动杆的辅助传动揽以及带动所述左传动揽和右传动揽运动的驱动机；

所述驱动机拉动左传动揽，带动所述左驱动杆相对左旋转基座摆动；所述左驱动杆摆动中，通过辅助传动揽带动右驱动杆沿与所述左驱动杆反方向摆动；

所述驱动装置拉动右传动揽，带动所述右驱动杆相对右旋转基座摆动；所述右驱动杆摆动中，通过辅助传动揽带动左驱动杆沿与所述右驱动杆反方向摆动。

进一步的，所述左传动揽和辅助传动揽关于左驱动杆的连接点分设于所述左驱动杆摇摆方向两侧；

所述右传动揽和辅助传动揽关于右驱动杆的连接点分设于所述右驱动杆摇摆方向两侧。

进一步的，所述驱动机包括滚珠丝杠、沿所述滚珠丝杠往复运动的滑台以及驱动所述滚珠丝杠自转的驱动器；

所述滑台左侧连接所述左传动揽，右侧连接所述右传动揽。

进一步的，还包括刚性支架；所述刚性支架两侧分别固设有左旋转基座和右旋转基座；所述驱动执行器固设在所述刚性支架上。

进一步的，旋转基座通过缠绕人体的弹性带，固定在胯部；所述旋转基座包括左旋转基座和右旋转基座。

进一步的，所述旋转基座可相对所述弹性带摆动。

进一步的，所述旋转基座与所述弹性带通过旋转球头连接。

进一步的，所述左驱动杆及右驱动杆通过柔性绑带固定连接大腿。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1.以单个驱动执行器控制左右两腿，将驱动执行器的作用力及反作用力直接作用在双腿，解决了现有装置，人体腰背受反作用力的问题；同时，相较于现有的双驱动，本发明减少了一个驱动执行器降低了成本,功耗,重量，提高了整体助力性能，控制起来也极为方便。

2.使用左右驱动杆通过辅助传动揽联动，一侧驱动杆摆动，即可带动另一侧驱动杆沿反方向摆动；

在此作用下，在驱动器驱动滑台向右侧滑动时，滑动的滑台通过牵引左传动揽，带动左驱动杆摆动；此时，即驱动器通过左传动揽对左驱动杆施加作用力；

关于反作用力，由左驱动杆通过辅助传动揽，将反作用力传送至右驱动杆，实现了将驱动执行器的作用力及反作用力直接作用在双腿的技术效果。

3.驱动装置旋转基座与驱动执行器刚性连接；驱动执行器悬空设置在人体一侧；相对旋转基座旋转的驱动杆产生的助力直接作用于两腿，使两腿分开与合并,与胯部无关；因此胯部只需要承担部分的助力装置重量，不会存在局部省力,全局费力的情况。

附图说明

图1为本发明的受力原理图；

图2为本发明的使用状态受力分析图；

图3为本发明的基本结构示意图；

图4为本发明的人体使用状态示意图；

图5为人体行走受力分析图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明中的技术方案进行更加清楚，完整地描述。

如图1-2所示, 本发明提供了一种方法, 该方法包括用于驱动人体左腿的左驱动机构11、用于驱动人体右腿的右驱动机构12，以及用于为左驱动机构11和右驱动机构12输送动力的驱动执行器10;

驱动执行器10为左驱动机构11输送扭矩，并将左驱动机构11驱动人体左腿时受到的反作用力输送至右驱动机构12，作为右驱动机构12驱动人体右腿的动力。

驱动执行器10扭矩输出端连接左驱动机构11，为左驱动机构11输送扭矩，驱动执行器10机体固定在右驱动机构12上，将左驱动机构11驱动人体左腿时受到的反作用力输送至右驱动机构12，作为右驱动机构12驱动人体右腿的动力。

如图3-4所示，本发明还公开了一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力器，包括左驱动机构11、右驱动机构12以及刚性支架3；刚性支架3两侧分别固设左旋转基座50和右旋转基座60；驱动执行器10固设在刚性支架3上。

左驱动机构11包括左旋转基座50和相对左旋转基座50摆动的左驱动杆51；

右驱动机构12包括右旋转基座60和相对右旋转基座60摆动的右驱动杆61；

驱动执行器10包括连接左驱动杆51的左传动揽21和连接右驱动杆61的右传动揽22、连通左驱动杆51和右驱动杆61的辅助传动揽23以及带动左传动揽21和右传动揽22运动的驱动机13；

其中，左传动揽21和辅助传动揽23关于左驱动杆51的连接点分设于左驱动杆51摇摆方向两侧；

右传动揽22和辅助传动揽23关于右驱动杆61的连接点分设于右驱动杆61摇摆方向两侧。

驱动机13拉动左传动揽21，带动左驱动杆51相对左旋转基座50摆动；左驱动杆51摆动中，通过辅助传动揽23带动右驱动杆61沿与左驱动杆51反方向摆动；

驱动装置10拉动右传动揽22，带动右驱动杆61相对右旋转基座60摆动；右驱动杆61摆动中，通过辅助传动揽23带动左驱动杆51沿与右驱动杆61反方向摆动。

本发明的驱动机13包括滚珠丝杠132、沿滚珠丝杠132往复运动的滑台133以及驱动滚珠丝杠132自转的驱动器131；

滑台133左侧连接左传动揽21，右侧连接右传动揽22。

其中，旋转基座通过缠绕人体的弹性绳71，固定在胯部；旋转基座包括左旋转基座50和右旋转基座60；旋转基座与弹性带71通过旋转球头连接，因此旋转基座可与弹性带71间发生相对转动，使得人体穿戴本装置后，可自由下蹲。即下蹲过程中，弹性带71与人体腰部相对静止，旋转基座与弹性带71间发生相对转动。

左驱动杆51及右驱动杆61通过柔性绑带6固定连接大腿。

如图5中A及B所示，人体在正常走路的过程中, 通过肌肉收缩和放松, 对左侧大腿91和右侧大腿92骨骼施加旋转力矩, 实现行走动作。

如图5C所示，传统外骨骼通过左右两侧安装两个驱动控制器实现助力。

具体来说，以5C为例的现有设备，是通过齿轮或轴传输等形式，将提供旋转力的动力输出机构固定在背部或腰部，通过连接大腿的腿部驱动杆绕动力输出机构旋转，实现行走；其中，腿部驱动杆对人体腿部施加转动力矩, 实现行走动作，但会对动力输出机构形成反作用力矩, 施加在在背部或者腰部。

与现有技术相比，本发明 是使用单个驱动控制器驱动左驱动机构和右驱动机构；使用左右驱动杆通过辅助传动揽23联动，一侧驱动杆摆动，即可带动另一侧驱动杆沿反方向摆动；

在此作用下，在驱动器131驱动滑台向右侧滑动时，滑动的滑台通过牵引左传动揽，带动左驱动杆51摆动；此时，即驱动器131通过左传动揽21对左驱动杆51施加作用力；

关于反作用力，由左驱动杆51通过辅助传动揽23，将反作用力传送至右驱动杆61，实现了将驱动执行器的作用力及反作用力直接作用在双腿的技术效果。

本发明中，还可以通过发力意图传感器获取人体发力意图, 如力传感器获得； 通过中央处理器使用数学模型对发力意图传感器进行模式识别, 并转换为电机的驱动信号,并通过的机械结构, 传到到大腿上, 进行助力。

本发明具有成本低，结构稳定的特点，本方法以单个驱动执行器控制左右两腿.降低了成本, 功耗, 重量. 提高了整体助力性能. 控制起来也极为方便；其次，旋转基座与驱动执行器1刚性连接；驱动执行器1悬空设置在人体一侧；相对旋转基座旋转的驱动杆5产生的助力直接作用于两腿，使两腿分开与合并, 与胯部无关；因此胯部只需要承担部分的助力装置重量，不会存在局部省力, 全局费力的情况。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：包括用于驱动人体左腿的左驱动机构（11）、用于驱动人体右腿的右驱动机构（12），以及用于为所述左驱动机构（11）和右驱动机构（12）输送动力的驱动执行器（10）;

所述驱动执行器（10）为左驱动机构（11）输送扭矩，并将所述左驱动机构（11）驱动人体左腿时受到的反作用力输送至右驱动机构（12），作为所述右驱动机构（12）驱动人体右腿的动力。

2.根据权利要求2所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：所述驱动执行器（10）扭矩输出端连接所述左驱动机构（11），为所述左驱动机构（11）输送扭矩，所述驱动执行器（10）机体固定在所述右驱动机构（12）上，将所述左驱动机构（11）驱动人体左腿时受到的反作用力输送至右驱动机构（12），作为所述右驱动机构（12）驱动人体右腿的动力。

3.一种基于单驱动执行器的轻量化人体助力器，其特征在于：包括左驱动机构（11）、右驱动机构（12）和驱动执行器（10）；

所述左驱动机构（11）包括左旋转基座（50）和相对所述左旋转基座（50）摆动的左驱动杆（51）；

所述右驱动机构（12）包括右旋转基座（60）和相对所述右旋转基座（60）摆动的右驱动杆（61）；

所述驱动执行器（10）包括连接左驱动杆（51）的左传动揽（21）和连接右驱动杆（61）的右传动揽（22）、连通左驱动杆（51）和右驱动杆（61）的辅助传动揽（23）以及带动所述左传动揽（21）和右传动揽（22）运动的驱动机（13）；

所述驱动机（13）拉动左传动揽（21），带动所述左驱动杆（51）相对左旋转基座（50）摆动；所述左驱动杆（51）摆动中，通过辅助传动揽（23）带动右驱动杆（61）沿与所述左驱动杆（51）反方向摆动；

所述驱动装置（10）拉动右传动揽（22），带动所述右驱动杆（61）相对右旋转基座（60）摆动；所述右驱动杆（61）摆动中，通过辅助传动揽（23）带动左驱动杆（51）沿与所述右驱动杆（61）反方向摆动。

4.根据权利要求3所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：所述左传动揽（21）和辅助传动揽（23）关于左驱动杆（51）的连接点分设于所述左驱动杆（51）摇摆方向两侧；

所述右传动揽（22）和辅助传动揽（23）关于右驱动杆（61）的连接点分设于所述右驱动杆（61）摇摆方向两侧。

5.根据权利要求3或4所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：所述驱动机（13）包括滚珠丝杠（132）、沿所述滚珠丝杠（132）往复运动的滑台（133）以及驱动所述滚珠丝杠（132）自转的驱动器（131）；

所述滑台（133）左侧连接所述左传动揽（21），右侧连接所述右传动揽（22）。

6.根据权利要求5所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：还包括刚性支架（3）；所述刚性支架（3）两侧分别固设有左旋转基座（50）和右旋转基座（60）；所述驱动执行器（1）固设在所述刚性支架（3）上。

7.根据权利要求3或6所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：旋转基座通过缠绕人体的弹性带（71），固定在胯部；所述旋转基座包括左旋转基座（50）和右旋转基座（60）。

8.根据权利要求7所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：所述旋转基座可相对所述弹性带（71）摆动。

9.根据权利要求8所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：所述旋转基座与所述弹性带（71）通过旋转球头连接。

10.根据权利要求3或6或8中任一所述的基于单驱动执行器的轻量化人体助力方法，其特征在于：所述左驱动杆（51）及右驱动杆（61）通过柔性绑带（6）固定连接大腿。

Images