一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置的制作方法

本發明屬于機械結構控制領域，涉及一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置。

背景技術：

外骨骼是一種可以讓人穿戴的人機一體化“機械裝置，它將人類的智力和機器人的“體力”結合在一起，靠人的智力來控制機器人，通過機器人來完成僅靠人的自身能力無法單獨完成的任務。下肢步行外骨骼則是一種可以輔助人們行走的人機系統，它將人和兩足步行機器人結合在一起，利用人的智能來控制機器人的行走，簡化了自主行走式兩足機器人最為常見的步態規劃和步態穩定性問題，同時它又可以提供動力協助人的行走，增強人們行走的能力和速度，緩解人在大負重和長時間行走情況下極易出現的疲勞感，大大擴大人們的運動范圍，故可用于軍事、科考、旅游、交通等各方面，具有廣泛的應用前景。下肢步行外骨骼可作為單兵作戰系統中的一個子系統用于增強士兵的越野作戰能力。士兵穿戴后，不僅可以將交通運輸工具、護具、武器、通訊系統等集于一身，攜帶比平時更多的裝備，而且能夠跑得更快、更遠，輕松越過障礙，因而可以大幅度提升士兵的作戰能力。這種外骨骼也可作為極地考察、地質勘探人員的交通運輸工具，減少科研人員不必要的體能消耗，提高工作效率。此外，在如西湖、黃山等旅游景點，人們往往無法以車代步，常常將過多的精力消耗在了跋山涉水的徒步旅行上，大大降低了旅游的興致和熱情。此時，下肢步行外骨骼可作為游客步行的交通工具，大幅度減輕游客步行所帶來的疲勞，同時又不影響其欣賞各個景區的迷人景色，而且還可了卻不少中老年人原本由于擔心過于疲勞而無法暢游的遺憾。在一些交通己經過于擁堵的城市，下肢步行外骨骼還可以作為一種新型的輕型環保交通工具，可以大大減少城市汽車流量，降低市區的堵車情況，減少城市的汽車尾氣污染，減緩城市的停車壓力，同時使用者還可以達到鍛煉身體的目的。可穿戴式的外骨骼技術作為人機一體化技術的重要組成部分，已越來越受到學術界和工業界的關注。目前，國際上對下肢行走外骨骼的研究多數還處于實驗室研究階段，國內雖然在智能假肢等相關領域已經取得了一些成果，但還未見有用于人體下肢的行走外骨骼的研究報道。在開發一套外骨骼系統的整個過程中，目標功能最終能否順利實現取決于很多因素的共同影響和作用，包括設計擬人化的人體下肢外骨骼機構、選用高效的控制方式和控制策略等，解決了這些問題才能使外骨骼系統不僅能夠跟隨操作者完成必要的下肢運動，而且可以對人體步行適時提供助力，從而大幅度提高人的運動及負載能力。

具體來說，為實現最終的功能要求，在整個外骨骼系統的研發過程中，主要存在以下幾大技術難點：

(1)擬人化外骨骼機構的合理設計，包括：外骨骼機械結構和關節運動副的優化設計，驅動器件和傳感器件的合理選擇與集成設計，運動自由度的分配和冗余自由度選擇等，以便使人穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動范圍，這是外骨骼開發過程中首先需要解決的一大關鍵問題。

(2)外骨骼步態規劃與生成及其運動穩定性問題，步態的規劃和生成主要有兩種方案：a) “離線規劃，在線校正”。根據人體運動學統計數據進行外骨骼步態的規劃，并且依靠對執行器的精確控制來完成步態的生成；在操作者穿著行走時，外骨骼可以通過和操作者的交互來實時校正和調整步態；b)外骨骼步態學習與復現。除了使用已有的人體運動學統計數據實現步態的生成外，還可以采用先讓外骨骼自己跟蹤和學習操作者的步態，繼而將原步態完整復現的控制策略，增加操作者穿著步行時的舒適感。同時，必須保證外骨骼步態的穩定性調節范圍不能超過人體可以調整的范圍，以確保行走的平穩和穿戴者的安全。

(3)外骨骼和操作者的協調運動問題。外骨骼的控制算法要能保證它可以和操作者始終保持協調一致的運動節奏，以使二者之間的互相干涉作用最小，并可以根據人的運動意圖來適時提供助力；保證人穿戴后，運動負擔減小，即穿戴外骨骼后行走同樣距離的路程人體所消耗的能量比沒有穿戴外骨骼時所消耗的能量少。

(4)驅動器和驅動系統的選擇。既要有較輕的重量，較小的體積，又必須具有較大的驅動力或驅動扭矩，同時還要有良好的散熱性能。這也是可穿戴式的外骨骼系統能否實現“結構緊湊”、“輕巧便攜”和“攜帶動力”等幾大要素的關鍵問題。

(5)樣機材料的選擇。由于下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，與人一起運動的，因此必須要求外骨骼非常輕便，同時又要具有很好的剛度，以承受人體和重物的重量以及與地面的碰撞，因此可能需要選用一些新型的復合材料作為樣機的制作材料。

技術實現要素：

本發明的目的在于設計一套合理的外骨骼結構，選擇與集成設計驅動器件和傳感器件，合理分配運動自由度與冗余自由度，使人穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動范圍。

為了實現上述目的，本發明的技術方案涉及一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置，包括腰部背帶（101）、伺服電機減速模塊（102）、圓柱齒輪一（103）、圓柱齒輪二（104）、端蓋（105）、大腿護套（106）、小腿護套（107）、腳部護套（108）、銷軸（109）。

其中，所述腰部背帶（101）為組合件，共1件，主體采用高強度復合材料，具有強度高，重量清，耐磨性好的特點，腰帶部分采用皮質，主體上有腰部背帶固定孔（201）和腰部背帶軸承孔（202）；伺服電機減速模塊（102）為組合件，共4件，內部包含固定座（301），固定座側邊有安裝孔，圓柱齒輪三（302），鍵軸（303），圓柱齒輪四（304），聯軸器（305），伺服電機（306），這些件形成一個二級齒輪減速機構；圓柱齒輪一（103）共有4件；圓柱齒輪二（104）共有4件；端蓋（105）共有4件；大腿護套（106）共2件，上邊有大腿護套固定孔 （401），大腿護套固定板（402），大腿護套軸承孔（403）；小腿護套（107）共2件；腳部護套（108）共2件；銷軸（109）共2件。

其連接關系在于：由于裝置左右兩條腿結構相同，互為鏡向，此處以左腿為例說明連接關系，腰部背帶（101）作為整體結構的基件存在，伺服電機減速模塊（102）通過固定座（301）與腰部背帶（101）上腰部背帶固定孔（201）連接。大腿護套（106）與腰部背帶（101）通過腰部背帶軸承孔（202）用銷軸（109）連接在一起，圓柱齒輪二（104）先嵌套到銷軸（109）上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與大腿護套（106）上的大腿護套固定孔（401）緊固在一起，形成一體運動，同時圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，圓柱齒輪一（103）的運動可以傳遞給圓柱齒輪二（104）, 大腿護套（106）上的固定板（402）上邊安置另外一個伺服電機減速模塊（102），該伺服電機減速模塊（102）鍵軸（303）上安置另外一個圓柱齒輪一（103），小腿護套（107）通過自身的銷軸將大腿護套（106）與大腿護套軸承孔（403）裝配，另外一個圓柱齒輪二（104）先裝配到小腿護套（107）的銷軸上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與小腿護套（107）緊固，形成一體運動，同時此處的圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，實現運動傳遞，腳部護套（108）裝配到小腿護套（107）上。

本發明的優點和有益效果在于：本發明結構緊湊，運動自由度分配合理，動力上采用了伺服電機，配合三級減速裝置，具有控制精度高，響應速度快，負載大的優點，在部件選材上選用強度高，質量輕的復合材料，穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展了人的活動范圍。

附圖說明

圖1為本發明可穿戴式下肢步行外骨骼裝置示意圖；

圖2為本發明腰部背帶示意圖；

圖3為本發明伺服電機減速模塊示意圖；

圖4為本發明大腿護套示意圖；

圖5為本發明圓柱齒輪二示意圖。

其中， 101-腰部背帶、102-伺服電機減速模塊、103-圓柱齒輪一、104-圓柱齒輪二、105-端蓋、106-大腿護套、107-小腿護套、108-腳部護套、109-銷軸、201-腰部背帶固定孔、202-腰部背帶軸承孔、301-固定座、302-圓柱齒輪三、303-鍵軸、304-圓柱齒輪四、305-聯軸器、306-伺服電機、401-大腿護套固定孔、402-大腿護套固定板、403-大腿護套軸承孔、501-圓柱齒輪二柱銷。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式作進一步描述，以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

如圖1-圖5所示，本發明的技術方案涉及一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置，包括腰部背帶（101）、伺服電機減速模塊（102）、圓柱齒輪一（103）、圓柱齒輪二（104）、端蓋（105）、大腿護套（106）、小腿護套（107）、腳部護套（108）、銷軸（109）。

其中，所述腰部背帶（101）為組合件，共1件，主體采用高強度復合材料，具有強度高，重量清，耐磨性好的特點，腰帶部分采用皮質，主體上有腰部背帶固定孔（201）和腰部背帶軸承孔（202）；伺服電機減速模塊（102）為組合件，共4件，內部包含固定座（301），固定座側邊有安裝孔，圓柱齒輪三（302），鍵軸（303），圓柱齒輪四（304），聯軸器（305），伺服電機（306），這些件形成一個二級齒輪減速機構；圓柱齒輪一（103）共有4件；圓柱齒輪二（104）共有4件；端蓋（105）共有4件；大腿護套（106）共2件，上邊有大腿護套固定孔（401）、大腿護套固定板（402）、大腿護套軸承孔（403）；小腿護套（107）共2件；腳部護套（108）共2件；銷軸（109）共2件。

其連接關系在于：由于裝置左右兩條腿結構相同，互為鏡向，此處以左腿為例說明連接關系，腰部背帶（101）作為整體結構的基件存在，伺服電機減速模塊（102）通過固定座（301）與腰部背帶（101）上腰部背帶固定孔（201）連接。大腿護套（106）與腰部背帶（101）通過腰部背帶軸承孔（202）用銷軸（109）連接在一起，圓柱齒輪二（104）先嵌套到銷軸（109）上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與大腿護套（106）上的固定孔（401）緊固在一起，形成一體運動，同時圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，圓柱齒輪一（103）的運動可以傳遞給圓柱齒輪二（104）, 大腿護套（106）上的固定板（402）上邊安置另外一個伺服電機減速模塊（102），該伺服電機減速模塊（102）鍵軸（303）上安置另外一個圓柱齒輪一（103），小腿護套（107）通過自身的銷軸與大腿護套（106）軸承孔（403）裝配，另外一個圓柱齒輪二（104）先裝配到小腿護套（107）的銷軸上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與小腿護套（107）緊固，形成一體運動，同時此處的圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，實現運動傳遞，腳部護套（108）裝配到小腿護套（107）上。

以上所述僅是本發明的優先實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。