CN115446802B - 新型穿戴式下肢外骨骼机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型穿戴式下肢外骨骼机构，包括上肢穿戴部件、大腿并联机构、小腿并联机构、足端穿戴部件及柔性膝关节；上肢穿戴部件设置于所述大腿并联机构上方，所述大腿并联机构设置于所述小腿并联机构上方，所述小腿并联机构设置于所述足端穿戴部件上方，所述柔性膝关节设置于所述大腿并联机构和小腿并联机构之间；该机构可使穿戴者负重能力强且机构自由度满足人体下肢自由度数目，适应不同身材穿戴者使用，能保证穿戴者长时间运动，且在运动过程中保证人机关节运动的对应性和一致性。

Description

新型穿戴式下肢外骨骼机构

技术领域

本发明具体涉及一种新型穿戴式下肢外骨骼机构。

背景技术

目前，下肢外骨骼主要应用于增大负重、助力行走或康复训练，按结构可分为固定式和可携式，按机构可分为串联式、并联式和混联式等。不同类型的外骨骼不仅可以实现人体下肢运动功能康复或帮助穿戴者长时间工作降低疲劳之外，还能根据工作情况来设计实现主动运动和被动跟随两种状态。下肢外骨骼在采用运动学同构设计基础上，可穿戴于人体并与人同步运动，在动态步行移动中跟随检测人体运动信息或者主动提供驱动力矩，减轻穿戴者的疲劳。市场上也有很多类似的产品来针对不同的用户需求。申请号为200910088396.9的发明设计了一种双下肢共12自由度的外骨骼机构，该外骨骼典型特点是通过电机与被动关节的配合实现运动自由度，电机完成穿戴者对应的矢状面内运动，且外骨骼具有较准确的信息检测与助力的双重功能，能够较好的与人体运动协调一致，保证动态步行中机构和下肢关节运动的对应性和一致性，但该装置整体重量较大，且由于续航问题不能长时间穿戴，此外该专利存在自由度少于人体下肢自由度的问题。申请号为201310034245.1的发明揭示了一种由电动推杆驱动的下肢外骨骼的设计概念。单腿共4自由度，其中髋关节和膝关节的屈伸运动由电动推杆提供动力，该穿戴式下肢外骨骼助行机器人在步行期间髋部关节运动与人体运动一致性好，人机膝关节同轴性和位置偏差小，脚踝关节结构紧凑，但该装置依旧存在机构自由度较少和续航问题，也面临串联机构刚度小负重小的不足。因此从机构自由度和续航能力角度出发，设计一款刚度大负重能力强的可穿戴式外骨骼尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型穿戴式下肢外骨骼机构，该新型穿戴式下肢外骨骼机构可以很好地解决上述问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种新型穿戴式下肢外骨骼机构，该新型穿戴式下肢外骨骼机构包括上肢穿戴部件、大腿并联机构、小腿并联机构、足端穿戴部件及柔性膝关节；上肢穿戴部件设置于所述大腿并联机构上方，所述大腿并联机构设置于所述小腿并联机构上方，所述小腿并联机构设置于所述足端穿戴部件上方，所述柔性膝关节设置于所述大腿并联机构和小腿并联机构之间；上肢穿戴部件包括穿戴结构、系扣装置、调节环与负重装置；大腿并联机构包括大腿前侧链、大腿后侧链、大腿侧链与小腿环，所述大腿侧链包括大腿侧链上段、大腿侧链中段与大腿侧链下段；小腿并联机构包括小腿前侧链、小腿后侧链、小腿侧链与大腿环；足端穿戴部件包括刚性可调部件、柔性部件、后摆板件，扭簧与足端连接口；柔性膝关节包括弹性中间物与连接轴。

该新型穿戴式下肢外骨骼机构具有的优点如下：

可使穿戴者负重能力强且机构自由度满足人体下肢自由度数目，适应不同身材穿戴者使用，能保证穿戴者长时间运动，且在运动过程中保证人机关节运动的对应性和一致性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的结构示意图。

图2示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的结构示意图。

图3示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的上肢穿戴部件的结构示意图。

图4示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的上肢穿戴部件和大腿并联机构处的结构示意图。

图5示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的上肢穿戴部件和大腿并联机构处的结构示意图。

图6示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的小腿并联机构处的结构示意图。

图7示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的大腿侧链下段处的结构示意图。

图8示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的足端穿戴机构的结构示意图。

图9示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的弹性关节的结构示意图。

图10示意性地示出了根据本申请一个实施例的新型穿戴式下肢外骨骼机构的弹性关节的结构示意图。

其中：1、上肢穿戴部件；101、穿戴结构；102、系扣装置；103、调节环；104、负重装置；2、大腿并联机构；201、大腿前侧链；202、大腿后侧链；203、大腿侧链；204、小腿环；2031、大腿侧链上段；2032、大腿侧链中段；2033、大腿侧链下段；3、小腿并联机构；301、小腿前侧链；302、小腿后侧链；303、小腿侧链；304、大腿环；4、足端穿戴部件；401、刚性可调部件；402、柔性部件；403、后摆板件；404、扭簧；405、足端连接口；5、弹性膝关节；501、弹性中间物；502、连接轴。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

根据本申请的一个实施例，提供一种新型穿戴式下肢外骨骼机构，如图1-10所示，上肢穿戴部件1，大腿并联机构2，小腿并联机构3，足端穿戴部件4，柔性膝关节5及各连接件；穿戴外骨骼采用无源驱动，双下肢共十四个自由度，单下肢各七个自由度，分别为：髋部三自由度，完成髋关节外展内收、屈伸和内外侧旋转运动，通过大腿后链和大腿前链杆件连接小腿环和上肢穿戴部件，采用万向节连接，分别位于身体前侧、后侧，小腿环连接小腿侧链；膝部关节一个自由度，位于侧链与人体膝关节同轴线处，对应人体膝关节的屈伸运动；脚踝部三自由度，完成脚踝背曲跖屈、内收外展和内翻外翻，通过小腿后链和小腿前链连接大腿环和足端部件，采用万向节连接，分别位于脚踝内外侧、跟部；大腿环连接大腿侧链。

前述的上肢穿戴部件，通过背带贴附穿戴者躯干，背带和可调装置处留有系扣装置，便于穿戴及调整以适应不同体型；通过背带可将穿戴者紧贴于髋部装置前侧，外骨骼背部留有负重装置可用于背运，髋部穿戴结构前面装有万向节。

前述大腿侧链带有长度调节结构，可根据使用者腿部长度进行调整，运动链之间有弹簧，可根据不同穿戴者身高进行伸缩。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的上肢穿戴部件1包括穿戴结构101、系扣装置102、调节环103与负重装置104。大腿并联机构2部分包含大腿前侧链201、大腿后侧链202、大腿侧链203与小腿环204，其中大腿侧链203包括大腿侧链上段2031、大腿侧链中段2032与大腿侧链下段2033。小腿并联机构3部分包含小腿前侧链301、小腿后侧链302、小腿侧链303与大腿环304。足端穿戴部件4用于穿戴者足部穿戴，支持长度调节。足端穿戴部件4由刚性可调部件401、柔性部件402、后摆板件403，扭簧404与足端连接口405。柔性膝关节5包括弹性中间物501与连接轴502。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的穿戴结构101由柔性材料和刚性部件共同组成，柔性材料用于固联并贴合人体，其前部有系扣装置102，可用于穿戴者调节贴身程度；刚性部件位于穿戴结构101下部，与负重装置104与调节环103共同组成位于髋部的环形结构，可用于力的传递。负重装置104采用铝合金制成，与穿戴结构固定连接。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的负重装置104位于穿戴者背部与穿戴结构101固定连接；调节环103位于穿戴结构101下部，二者通过转轴和轴承连接，保证二者装配关系并进行力的传递，调节环103前端有系扣装置102，调节环可在水平面内的开合进而达到穿戴者调节贴合人体的目的；调节环103留有竖直向下的通孔，用于连接大腿前侧链201；穿戴结构101通过两侧转轴与轴承和大腿侧链上段2031连接，可实现大腿侧链上段2031实现矢状面内的摆动，配合大腿并联机构2中大腿前侧链缩短/大腿前后侧链伸长完成髋关节屈伸运动。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的上肢穿戴部件1采用同人体解剖学相同曲线设计采用了外伸杆件，能有效避免各运动链之间干涉；外伸杆件固定于穿戴结构101下部并用于连接大腿后侧链202；穿戴结构101手臂活动空间大，保障穿戴者进行背运或搬运的负重工作。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的小腿环204位于穿戴者膝盖下方，通过大腿前侧链201、大腿后侧链202和大腿侧链203连接上肢穿戴部件1；大腿前侧链201连接穿戴结构101与小腿环204；大腿后侧链202连接穿戴结构101外伸杆件与小腿环204；小腿环204连接与小腿侧链303。大腿前侧链201、大腿后侧链202均由上下杆件组成，杆件之间安装有弹簧能实现上下杆件轴向伸缩与相对旋转。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的大腿环304位于穿戴者膝盖上方，通过小腿前侧链301、小腿后侧链302和小腿侧链303连接足端连接口405与刚性可调结构401后部；小腿前侧链301通过万向节连接内侧足端连接口405，小腿后侧链302通过万向节连接外侧足端连接口405；大腿环304连接与大腿侧链203。大腿前侧链201、小腿后侧链302均由上下杆件组成，杆件之间安装有弹簧能实现上下杆件轴向伸缩与相对旋转。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的刚性可调部件401由环形件和板条件组成通过螺钉连接固定；足端连接口405固定连接刚性可调部件401上部；后摆板件403通过轴与轴承连接足端连接口405；两侧的板条件和后摆板件403之间通过螺栓连接并贯穿鞋底柔性部件402，底柔性部件402可围绕螺栓转动；扭簧404一端连接扣于足端连接口405，一端通过螺母固定于后摆板件403。后摆板件403可实现围绕足端连接口405和刚性可调部件401连接处转动的运动，从而实现足端穿戴部件4长度方向的调节。在扭簧404的作用下对后摆板件403产生力矩，使后部柔性部件402紧贴于穿戴者脚跟，能保证使用者双脚与该部位始终固定，通过面进行约束，从而实现足端穿戴部件4长度方向的调节。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的两个弹性中间物501通过连接轴502相连接；其中两个弹性中间物501又分别通过螺母与大腿侧链下段2033和小腿侧链303连接固定，完成力与力矩的传递进而实现大腿侧链下段2033和小腿侧链303的相对转动，对应人体膝关节的屈伸运动。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的大腿环与小腿环为保证穿戴便利在前侧有开口，内侧为弹性材料保证使用者穿戴便利与使用安全；开口处利用快拆接口能快速绑护与拆卸并能承载一定矢状面内的力。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的大腿侧链203包括大腿侧链203包括大腿侧链上段2031、大腿侧链中段2032、大腿侧链下段2033。大腿侧链203通过轴承连接穿戴结构101并能实现矢状面内的转动；大腿侧链中段2032通过转轴连接大腿侧链上段2031，能实现额状面内的转动进而实现髋关节外展、内收运动；大腿侧链中段2032与大腿侧链下段2033相连接，二者内装有弹簧支持高度调节来实现杆件轴向伸缩与相对旋转。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的佩戴者穿戴外骨骼的约束分别位于上肢穿戴部件1、大腿环304、小腿环204和足端穿戴部件4处，该装置全身共有28个关节，在足端穿戴部件4内侧、外侧和调节环103前部分别采用了万向节，其余关节采用铰链连接，内部安装有轴承。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构的工作原理如下：

如图4至6所示，该装置能实现单下肢7自由度，髋部自由度为3，其具体实现方式为：穿戴结构101通过两侧转轴与轴承和大腿侧链上段2031连接，可实现大腿侧链上段2031实现矢状面内的摆动，配合大腿并联机构2中大腿前侧链缩短/大腿前后侧链伸长完成髋关节屈伸运动；大腿侧链中段2032通过转轴连接大腿侧链上段2031实额状面内的转动，配合大腿侧链203的缩短与大腿前侧链201、大腿后侧链202的伸长进而实现髋关节外展、内收运动；利用各运动链之间能进行相对旋转并配合大腿前侧链的伸长与大腿后侧链的缩短，进而实现髋关节内外侧旋转运动。

如图7所示，本发明专利能实现单下肢7自由度，膝关节自由度为1其具体实现方式为：大腿侧链下段2033和小腿侧链303的相对转动，即柔性膝关节5的转动，配合大腿前侧链201与小腿前侧链301的伸长，大腿后侧链202、小腿后侧链302和大腿侧链203的伸长，进而实现膝关节的屈伸运动。

如图8所示，本发明能实现单下肢7自由度，足端穿戴部件自由度为3，其具体实现方式为：大腿环304固定连接于大腿侧链203，刚性可调部件401为转动副，通过轴承与螺母连接小腿后链302，内侧外侧连接口405均安装万向节；通过万向节与转动副的作用与小腿运动支链伸长/缩短与相对旋转的特点，进而实现完成脚踝背屈、跖屈，脚踝内收、外展与脚踝内翻、外翻的运动。

根据本申请的一个实施例，该新型穿戴式下肢外骨骼机构如图1至8所示，本装置能实现负载和承载能力强的功能，其具体实现方式为：本机构采用全新设计并联机构，分为大腿并联机构2和小腿并联机构3，各运动联均采用铝合金，兼顾轻量化的同时保证了整个设备刚度大、承载能力强的特点。

根据本申请的一个实施例，小腿并联机构3的中小腿后链302为例，当小腿后链302的长度小于表示的临界长度时，弹簧将工作。在这种情况下，如果小腿后链302连杆刚度为k₂，则小腿后链302的刚度可以表示为：k_SPC＝k₂，/>但是，如果小腿后链302的长度大于临界长度，则弹簧将起作用，几何尺寸约束可以表示为：l₀＝x₀+a₀，l₀+Δl＝x₀+Δx+a₀+Δa，其中l₀、x₀和a₀是链的初始长度，其中l₀、x₀和a₀分别是支链、制动器和弹簧的初始长度，Δl、Δx和Δa分别是链条、制动器和弹簧的微小变形。如果弹簧的刚度是k_s，运动链的刚度是k，我们有k_sΔa＝kΔl。由于Δl＝Δx+Δa，因此k＝[(Δl-Δx)/Δl]*k_s。因此小腿后链302的刚度可以表示为：k_SPC＝k₂，/>k_SPC＝[(Δl_SPC-Δx₂)/Δl_SPC]*k_s2，对于小腿并联机构的小腿前侧链301，当小腿前侧链301的长度大于/>表示的临界长度时，弹簧不工作，当小腿前侧链301的长度小于临界长度时弹簧将工作。在这种情况下，如果小腿前侧链301运动链刚度为k₃，则小腿前侧链301的刚度可以表示为：k_SAC＝k₃，/>k_SAC＝[(Δl_SAC-Δx₃)/Δl_SAC]*k_s3，/>可以推导出整个运动链刚度与形变存在非线性关系，实现变刚度功能。此外弹簧可以在完整步态周期内将能量进行储存-释放-储存，且各运动支链具有伸缩功能，能根据不同穿戴者调节初始长度。

如图9至10所示，柔性膝关节5能实现储能，缓冲的功能，其具体实现方式为：采用重新设计的弹性部件，能承受扭矩和垂直方向上的力，其表面分别有和大腿侧链、小腿侧脸安装的螺纹孔，通过螺纹连接固定，弹性物之间有垫片进行轴向和周向固定。

本发明一种穿戴式下肢外骨骼装置，机构自由度为十四，单下肢各七自由度，构型通过上述机械部分实现，可以满足人体下肢运动自由度数目。采用运动学同构设计因此在人体运动时一致性好，各运动链内有弹簧，能在一个步态周期完成储能及释放的功能，从而实现助力的效果；上肢穿戴结构后部参考人体曲线设计，运动时贴合人体曲线，避免运动链之间互相干涉同时扩大运动空间；足端部件结构紧凑，满足自由度数目并能支持调节功能。本发明穿戴式下肢外骨骼装置可以保证较好的强度与刚度，变刚度机构可以帮助使用者达到助力的效果，弹性关节的可依据使用者情况更换中间弹性物，能帮助穿戴者长时间使用减少使用疲劳。另外，外骨骼还可以帮助下肢运动轻度障碍者正常行走，并逐步实现康复。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (3)

1.一种新型穿戴式下肢外骨骼机构，其特征在于：包括上肢穿戴部件、大腿并联机构、小腿并联机构、足端穿戴部件及柔性膝关节；

所述上肢穿戴部件设置于所述大腿并联机构上方，所述大腿并联机构设置于所述小腿并联机构上方，所述小腿并联机构设置于所述足端穿戴部件上方，所述柔性膝关节设置于所述大腿并联机构和小腿并联机构之间；

所述上肢穿戴部件包括穿戴结构、系扣装置、调节环与负重装置；

所述大腿并联机构包括大腿前侧链、大腿后侧链、大腿侧链与小腿环，所述大腿侧链包括大腿侧链上段、大腿侧链中段与大腿侧链下段；

所述小腿并联机构包括小腿前侧链、小腿后侧链、小腿侧链与大腿环；

所述足端穿戴部件包括刚性可调部件、柔性部件、后摆板件，扭簧与足端连接口；

所述柔性膝关节包括弹性中间物与连接轴；

所述穿戴结构由柔性材料和刚性部件共同组成，柔性材料用于固联并贴合人体，其前部有系扣装置，可用于穿戴者调节贴身程度；

所述刚性部件位于穿戴结构下部，与负重装置与调节环共同组成位于髋部的环形结构，用于力的传递，所述负重装置采用铝合金制成，并与穿戴结构固定连接；负重装置位于穿戴者背部与穿戴结构固定连接；调节环位于穿戴结构下部且二者通过转轴和轴承连接，保证二者装配关系并进行力的传递，调节环前端有系扣装置，调节环实现在水平面内的开合进而达到穿戴者调节贴合人体的目的；调节环留有竖直向下的通孔，用于连接大腿前侧链；穿戴结构通过两侧转轴与轴承和大腿侧链上段连接，并实现大腿侧链上段矢状面内的摆动，配合大腿并联机构中大腿前侧链缩短/大腿前侧链和大腿后侧链伸长完成髋关节屈伸运动；所述小腿环位于穿戴者膝盖下方，通过大腿前侧链、大腿后侧链和大腿侧链连接上肢穿戴部件；

所述大腿前侧链连接穿戴结构与小腿环；

所述大腿后侧链连接穿戴结构外伸杆件与小腿环；

所述小腿环与小腿侧链连接；

所述大腿前侧链、大腿后侧链均由上下杆件组成，杆件之间安装有弹簧用于实现上下杆件轴向伸缩与相对旋转；

所述大腿环位于穿戴者膝盖上方，通过小腿前侧链、小腿后侧链和小腿侧链连接足端连接口与刚性可调结构的后部；

所述小腿前侧链通过万向节连接内侧足端连接口，小腿后侧链通过万向节连接外侧足端连接口；

所述大腿环与大腿侧链连接；

所述小腿前侧链、小腿后侧链均由上下杆件组成，杆件之间安装有弹簧用于实现上下杆件轴向伸缩与相对旋转；

刚性可调部件由环形件和板条件组成并通过螺钉连接固定；

所述足端连接口固定连接刚性可调部件上部，所述后摆板件通过轴与轴承连接足端连接口；

两侧的板条件和后摆板件之间通过螺栓连接并贯穿鞋底柔性部件，鞋底柔性部件并实现围绕螺栓的转动；

所述扭簧一端连接于足端连接口，另一端通过螺母固定于后摆板件；

所述后摆板件用于实现围绕足端连接口和刚性可调部件连接处转动的运动，从而实现足端穿戴部件长度方向的调节，在扭簧的作用下对后摆板件产生力矩，使后部柔性部件紧贴于穿戴者脚跟；

所述大腿侧链包括大腿侧链上段、大腿侧链中段、大腿侧链下段；

所述大腿侧链通过轴承连接穿戴结构并用于实现矢状面内的转动；

所述大腿侧链中段通过转轴连接大腿侧链上段，用于实现额状面内的转动进而实现髋关节外展、内收运动；

所述大腿侧链中段与大腿侧链下段相连接，二者内装有弹簧支持高度调节来实现杆件轴向伸缩与相对旋转；

所述上肢穿戴部件、大腿环、小腿环和足端穿戴部件处分别设有佩戴者穿戴外骨骼的约束装置。

2.根据权利要求1所述的新型穿戴式下肢外骨骼机构，其特征在于：所述上肢穿戴部件采用同人体解剖学相同曲线设计采用了外伸杆件；

所述外伸杆件固定于穿戴结构下部并用于连接大腿后侧链。

3.根据权利要求1所述的新型穿戴式下肢外骨骼机构，其特征在于：两个所述弹性中间物通过连接轴相连接；

两个所述弹性中间物又分别通过螺母与大腿侧链下段和小腿侧链连接固定，完成力与力矩的传递进而实现大腿侧链下段和小腿侧链的相对转动，对应人体膝关节的屈伸运动。