一種輕便型模塊化助行外骨骼的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種下肢外骨骼，具體涉及一種輕便型模塊化助行外骨骼。
【背景技術】
[0002]對于當前社會數百萬由于腦卒中、脊髓損傷等導致下肢功能喪失的病患以及不斷增長的老齡人口，穿戴式下肢外骨骼以其良好的擬人性與人機交互特點被寄予極大期望，其應用需求日益迫切。目前已有的以助老助殘為目的的下肢助力外骨骼大多較為臃腫沉重，穿脫復雜，需依賴輔助人員，舒適性與穿戴感受較差，因而均停留在樣機試驗階段，難以真正推廣普及應用。而相對較為輕便的下肢外骨骼則多為被動輔助形式，助力效果十分有限，同時也不能應用于完全喪失下肢功能的殘疾病患。
【發明內容】
[0003]本發明為解決現有用于助老助殘的下肢外骨骼存在體積大、質量重、舒適度差、不能獨立穿戴的問題，而提供一種輕便型模塊化助行外骨骼。
[0004]本發明一種輕便型模塊化助行外骨骼，其特征在于:所述下肢外骨骼包括腰背模塊、兩個大腿模塊和兩個小腿模塊；
[0005]腰背模塊包括腰背內側殼、腰背外側殼、兩個內側板、兩個外側板、腰帶、兩個上插拔鎖扣和兩個肩帶，腰背內側殼與腰背外側殼前后平行設置，兩個內側板對稱設置在腰背內側殼的兩側，兩個外側板對稱設置在腰背外側殼的兩側，腰背內側殼、腰背外側殼、兩個內側板和兩個外側板形成一個空心腔體，腰帶設置在內側板的前端，且腰帶的兩端分別與其相對應的內側板固接，兩個上插拔鎖扣分別置于內側板與外側板組成的兩側腔體中，且上插拔鎖扣位于空心腔體的前端，兩個肩帶平行設置在腰背內側殼的前面且固裝在腰背內側殼上；
[0006]每個大腿模塊包括大腿基板、大腿外殼、兩個關節支撐殼體、兩個大腿捆綁帶和兩個關節驅動組件，每個關節驅動組件包括驅動電機、電機支撐法蘭、小錐齒輪、大錐齒輪、小繩輪、傳動鋼絲繩、大繩輪、大繩輪軸、輸出件、兩個小繩輪軸承和兩個大繩輪軸承，驅動電機固定在電機支撐法蘭上，電機支撐法蘭固定在大腿基板上，小錐齒輪與驅動電機的輸出軸鍵連接，大錐齒輪與小錐齒輪嚙合，大錐齒輪與小繩輪鍵連接，小繩輪的兩端分別支撐在相對應的小繩輪軸承中，傳動鋼絲繩的一端纏繞在小繩輪上，傳動鋼絲繩的另一端繞過大繩輪后再繞回小繩輪上并固定在小繩輪上，大繩輪與大繩輪軸鍵連接，大繩輪軸的兩端分別支撐在相對應的大繩輪軸承中，輸出件固裝在大繩輪上，兩個大腿捆綁帶上下正對設置且固定于大腿基板的內側端面上，兩個關節驅動組件上下反向設置在大腿基板的外側端面上，且兩個輸出件分別朝上、朝下，兩個關節支撐殼體對稱設置在大腿外殼的上下端并構成外殼體，外殼體扣合在大腿基板的外側端面上，兩個小繩輪軸承和兩個大繩輪軸承分別支撐在相應的大腿基板和關節支撐殼體上；
[0007]每個小腿模塊包括小腿基板、小腿外殼、小腿支撐桿、柔性鞋墊、小腿捆綁帶和下插拔鎖扣，小腿捆綁帶固定于小腿基板的內側端面上，小腿外殼扣合在小腿基板的外側端面上，下插拔鎖扣置于小腿外殼與小腿基板組成的空心腔體中，且下插拔鎖扣位于空心腔體的上端，小腿支撐桿的上端與小腿基板通過螺釘固連，小腿支撐桿的下端與柔性鞋墊固連；
[0008]兩個大腿模塊互為鏡像設置在腰背模塊的下面，兩個小腿模塊互為鏡像設置在兩個大腿模塊的下面，且大腿捆綁帶和小腿捆綁帶均位于里側，位于上方的輸出件與上插拔鎖扣相連，位于下方的輸出件與下插拔鎖扣相連。
[0009]本發明的技術方案具有以下有益效果:
[0010]—、本發明采用了模塊化設計與插拔卡扣式組裝的方法，使得下肢外骨骼整體分散為腰部、大腿(左右兩條)及小腿(左右兩條、含腳部)共五個模塊，零散的模塊十分利于攜帶，同時便于穿戴者坐著完成穿戴，同時插拔卡扣式組裝的方式使得穿戴者可以獨自完成穿戴，整個過程方便快捷。
[0011]二、各組合模塊間的插拔連接采用了機械連接與電氣連接一體化設計，避免了走線帶來的問題，同時也提高了接線的可靠性。
[0012]三、將髖關節驅動組件與膝關節驅動組件一體化設計，均置于大腿模塊中，設計的緊湊型布局極大地提升了空間利用率，減小了整體下肢外骨骼的體積，避免了結構臃腫。
[0013]四、關節驅動組件中，減速環節采用高速端齒輪加末端鋼絲繩傳動的形式，提高輸出軸運動的穩定性，同時減小齒輪組所受的載荷，減少了齒輪的級數與體積，整體上減輕了關節重量，也提高了整體結構的緊湊性。
[0014]五、除去關鍵傳動件外，整體結構框架均采用非金屬材料，在滿足承載能力要求的情況下大幅減輕整體重量，同時相對與金屬結構提高了穿戴者在穿戴后的生理與心理舒適感。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的整體結構立體圖；
[0016]圖2是腰背模塊I的結構立體圖；
[0017]圖3是圖2的后視圖；
[0018]圖4是大腿模塊2的結構立體圖；
[0019]圖5是大腿模塊2(去掉大腿外殼2-3和兩個關節支撐殼體2-2)的結構立體圖；
[0020]圖6是關節驅動組件2-5的結構立體圖；
[0021]圖7是圖6的K向視圖；
[0022]圖8是關節驅動組件2-5的分解圖(圖中標記4為小繩輪軸承墊圈，標記5為大繩輪軸承墊圈)；
[0023]圖9是驅動電機2-5-1、電機支撐法蘭2-5-2、小錐齒輪2-5-3、大錐齒輪2-5-4、小繩輪2-5-5和兩個小繩輪軸承2-5-6的連接關系示意圖；
[0024]圖10是小腿模塊3的結構立體圖；
[0025]圖11是圖10后視圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一:結合圖1?圖11說明本實施方式，本實施方式包括腰背模塊1、兩個大腿模塊2和兩個小腿模塊3;
[0027]腰背模塊I包括腰背內側殼1-3、腰背外側殼1-4、兩個內側板1-1、兩個外側板1-2、腰帶1-5、兩個上插拔鎖扣1-6和兩個肩帶1-7，腰背內側殼1-3與腰背外側殼1-4前后平行設置，兩個內側板1-1對稱設置在腰背內側殼1-3的兩側，兩個外側板1-2對稱設置在腰背外側殼1-4的兩側，腰背內側殼1-3、腰背外側殼1-4、兩個內側板1-1和兩個外側板1-2形成一個空心腔體，用于內部走線與電氣安裝，腰帶1-5設置在內側板1-1的前端，且腰帶1-5的兩端分別與其相對應的內側板1-1固接，兩個上插拔鎖扣1-6分別置于內側板1-1與外側板1-2組成的兩側腔體中，且上插拔鎖扣1-6位于空心腔體的前端，上插拔鎖扣1-6用于與兩側大腿模塊進行便捷插拔連接，兩個肩帶1-7平行設置在腰背內側殼1-3的前面且固裝在腰背內側殼1-3上，肩帶1-7與腰帶1-5用于外骨骼與人體之間的捆綁連接；
[0028]每個大腿模塊2包括大腿基板2-1、大腿外殼2-3、兩個關節支撐殼體2-2、兩個大腿捆綁帶2-4和兩個關節驅動組件2-5，每個關節驅動組件2-5包括驅動電機2-5-1、電機支撐法蘭2-5-2、小錐齒輪2-5-3、大錐齒輪2-5-4、小繩輪2-5-5、傳動鋼絲繩2-5-7、大繩輪2-5-8、大繩輪軸2-5-9、輸出件2-5-11、兩個小繩輪軸承2-5-6和兩個大繩輪軸承2-5-10，驅動電機2-5-1通過螺釘固定在電機支撐法蘭2-5-2上，電機支撐法蘭2-5-2通過螺釘固定在大腿基板2-1上，小錐齒輪2-5-3與驅動電機2-5-1的輸出軸鍵連接，大錐齒輪2-5-4與小錐齒輪2-5-3嚙合，大錐齒輪2-5-4與小繩輪2-5-5鍵連接，小繩輪2_5_5的兩端分別支撐在相對應的小繩輪軸承2-5-6中，傳動鋼絲繩2-5-7的一端纏繞在小繩輪2-5-5上，傳動鋼絲繩2-5-7的另一端繞過大繩輪2-5-8后再繞回小繩輪上并固定在小繩輪2-5-5上，大繩輪2-5-8與大繩輪軸2-5-9鍵連接，大繩輪軸2-5-9的兩端分別支撐在相對應的大繩輪軸承2-5-10中，輸出件2-5-11通過螺釘固裝在大繩輪2-5-8上，兩個大腿捆綁帶2-4上下正對設置且固定于大腿基板2-1的內側端面上，兩個關節驅動組件2-5上下反向設置在大腿基板2-1的外側端面上，且兩個輸出件2-5-11分別朝上、朝下，兩個關節支撐殼體2-2對稱設置在大腿外殼2-3的上下端并構成外殼體，外殼體扣合在大腿基板2-1的外側端面上，兩個小繩輪軸承2-5-6和兩個大繩輪軸承2-5-10分別支撐在相應的大腿基板2-1和關節支撐殼體2-2上；
[0029]每個小腿模塊3包括小腿基板3-1、小腿外殼3-2、小腿支撐桿3-3、柔性鞋墊3-4、小腿捆綁帶3-5和下插拔鎖扣3-6，小腿捆綁帶3-5固定于小腿基板3-1的內側端面上，小腿外殼3-2扣合在小腿基板3-1的外側端面上，下插拔鎖扣3-6置于小腿外殼3-2與小腿基板3-1組成的空心腔體中，且下插拔鎖扣3-6位于空心腔體的上端，通過下插拔鎖扣3-6與輸出件2-5-11的快速插拔相連，實現小腿模塊3與大腿模塊2的連接與分離，小腿支撐桿3-3的上端與小腿基板3-1通過螺釘固連，小腿支撐桿3-3的下端與柔性鞋墊3-4固連；
[0030]兩個大腿模塊2互為鏡像設置在腰背模塊I的下面，兩個小腿模塊3互為鏡像設置在兩個大腿模塊2的下面，且大腿捆綁帶2-4和小腿捆綁帶3-5均位于里側，位于上方的輸出件2-5-11與上插拔鎖扣1-6相連，位于下方的輸出件2-5-11與下插拔鎖扣3-6相連。
[0031]根據需求合理選擇驅動電機2-5-1、小錐齒輪2-5-3、大錐齒輪2_5_4、小繩輪2_5_
5、大繩輪2-5-8的配比，調整整體的傳動比，進而滿足負載輸出端轉動與轉矩的需求。
[0032]【具體實施方式】二:結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的肩帶1-7和腰帶1-5均采用柔性材料。這種材料便于捆綁。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0033]【具體實施方式】三:結合圖8說明本實施方式，本實施方式的輸出件2-5-11由倒U型撥叉2-5-11-1和輸出桿2-5-11-2組成，倒U型撥叉2-5-11-1的倒U型壁下端設有安裝槽2-5-11-3，輸出桿2-5-11-2設置在倒U型撥叉2-5-11-1的上面，輸出桿2-5-11-2與倒U型撥叉2-5-11-1的一側倒U型壁正對，倒U型撥叉2-5-11-1與輸出桿2-5-11-2制成一體。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一或二相同。
[0034]【具體實施方式】四:結合圖8說明本實施方式，本實施方式的大繩輪2-5-8為輪輻式構型，大繩輪2-5-8的圓周上設有一平面2-5-8-1。由于大繩輪2-5-8為輪輻式構型，受到傳動鋼絲繩2-5-7作用的外圈與輸出件2-5-11相連的內圈在運動過程中會有相對的微轉動(即大繩輪2-5-8的輪輻變形)，從而使輸出具有柔性特點。此外，通過檢測輪輻上的變形量可以得知大繩輪2-5-8的負載轉矩，即大繩輪2-5-8本身可以作為轉矩傳感器使用，從而經過控制器可以實現關節的反向驅動。通過設計大繩輪2-5-8外圓的形狀與改變輸出件2-5-11在大繩輪2-5-8上的安裝位置可以調節輸出件2-5-11的所需轉動角度。其它組成及連接關系與【具體實施方式】三相同。
[0035]【具體實施方式】五:結合圖8說明本實施方式，本實施方式為關節驅動組件2-5還包括繩預緊裝置2-5-12，繩預緊裝置2-5-12位于平面2-5-8-