一種輔助負重人體下肢外骨骼的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種輔助負重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對稱結構，且每側由前部支鏈和后部支鏈組成，后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲能模塊；所述儲能模塊包括儲能模塊上連接軸、導缸上連桿、導缸下連桿、導缸上端蓋、可控直線阻尼器、長彈簧擋板、長彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導桿、短彈簧擋塊、儲能模塊下連接軸和儲能模塊軸套；導缸上連桿與導缸下連桿通過導缸上端蓋與導缸上連桿配合，構成移動副；導缸上端蓋與導缸下連桿連接，導缸上連桿末端安裝長彈簧擋板，導缸下連桿內安裝長彈簧；短彈簧導桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導桿從中心穿過短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，施加預緊力。
【專利說明】
一種輔助負重人體下肢外骨骼
技術領域
[0001]本實用新型涉及人體下肢外骨骼助行技術，具體為一種輔助負重人體下肢外骨骼。其特征是具有儲能裝置，能夠輔助人體長時間、遠距離的負重行走。
【背景技術】
[0002]外骨骼裝置作為人類助行的裝置，越來越受到各領域的重視，特別是人體輔助領域。現有助行外骨骼主要分為有外驅動和無外驅動兩大類。其中有外驅動外骨骼驅動方式主要分為氣動、液壓、電機驅動等。而遠距離輔助人體負重行走外骨骼主要采用電動驅動方式，如，2011年意大利Marco Fontana等人發表在IEEE ROBOTICS & AUTOMAT1N MAGAZINE? December 2014 34-44的論文，一個用于輔助人體負重的全身外骨骼(A Full-BodyExoskeleton for the Transport and Handling of Heavy Loads)，該夕卜骨豁自重 160kg、有22個自由度，采用電池提供能源電動驅動的方式，最大搬運負重為50kg，可持續運行I到2小時。又如，申請號為201310262919.3的中國實用新型專利報道，采用電機驅動、電池提供能量的方式，可應用于輔助軍用士兵作戰和輔助人體下肢康復。無外驅動外骨骼，如2007年美國JAMES WALSH等人發表在Humanoid Robotics Vol.4，N0.3 (2007) 487-506的論文一個輔助提升人體負重的被動下肢外骨骼(A Quas1-Passive Leg Exoskeleton forLoad-Carrying Augmentat1n)，該外骨骼自重11.7kg，可在負載為36kg的情況下將背包重量的80%傳導至地面。但因機構本身質量大，且與人體步態適應程度較差，所以與人體在相同負載情況下比較，增加了 10%的人體耗氧量。
[0003]因傳統帶有驅動的人體外骨骼承載能力較差、剛度小、動態性能不好、笨重、能耗大、續航時間短;要增設控制器、傳感器，且輔助人體外骨骼控制主要采用隨動控制和預定義步態控制的方式，需要布置較多傳感器，成本高、加工制造困難。從而無法在人體長時間遠距離負重行走情況下使用，如地震救援、游客旅行、無電梯小區搬運重物上樓等。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本實用新型所要解決的技術問題是:提供一種輔助負重人體下肢外骨骼。該外骨骼通過人體肌肉提供驅動動力，將人體負載的60-90%由外骨骼承擔，并用儲能元件模仿人體肌肉存儲和釋放勢能，以減少人體關節轉矩負載，實現長時間遠距離輔助人體負重行走，減少人體骨骼受力和行走中能量的消耗，從而達到提升人體載重能力和延長行走持續時間的效果。
[0005]本實用新型解決該技術問題所采用的技術方案是:設計一種輔助負重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對稱結構，且每側由前部支鏈和后部支鏈兩大部分組成，所述前部支鏈包括腰及鶻關節模塊、膝關節模塊、大腿模塊、小腿模塊、踝關節及腳部模塊；腰及鶻關節模塊下端通過鶻腿轉動副與大腿模塊上端連接，大腿模塊下端通過大小腿轉動副及腿膝轉動副與小腿模塊上端及膝關節模塊前端連接，小腿模塊下端通過腿踝轉動副與踝關節及腳部模塊連接；
[0006]所述后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲能模塊;后部連桿上端與背包模塊后端通過后連桿上轉動副連接，后部支鏈下端與儲能t旲塊上端及膝關節t旲塊后端通過后連桿下轉動副及儲能模塊上轉動副連接;外骨骼左半部分和右半部分通過各自背包模塊末端的背包轉動副連接，外骨骼單側前部支鏈上端及后部支鏈上端通過背包架桿前端、腰關節連接軸與腰關節轉動副連接，外骨骼單側前部支鏈及后部支鏈下端通過儲能模塊下連接軸、后腳部連桿與儲能模塊下轉動副連接；
[0007]所述儲能模塊包括儲能模塊上連接軸、導缸上連桿、導缸下連桿、導缸上端蓋、可控直線阻尼器、長彈簧擋板、長彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導桿、短彈簧擋塊、儲能模塊下連接軸和儲能模塊軸套;所述導缸上連桿與導缸下連桿通過導缸上端蓋與導缸上連桿配合，構成移動副；導缸上端蓋與導缸下連桿連接，導缸上連桿末端安裝長彈簧擋板，導缸下連桿內安裝長彈簧，長彈簧直徑大于短彈簧安裝于導缸下連桿內壁處;短彈簧導桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導桿從中心穿過短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，整體嵌套于長彈簧內部并安裝在導缸下連桿內，通過短彈簧擋塊與導缸下連桿配合實現為短彈簧施加預緊力的目的，此設計可在人體步態中起到快速增加儲能模塊儲能速度的效果;可控直線阻尼器安裝于導缸下連桿內，與導缸上連桿配合，通過阻尼控制器控制可控直線阻尼器的鎖死與打開狀態;儲能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關節后連桿連接，儲能模塊下連接軸通過儲能模塊軸套與后腳部連桿連接。
[0008]與現有技術相比，本實用新型輔助負重人體下肢外骨骼優點在于:該外骨骼為閉鏈機構，承載能力大、結構簡單、穩定可控，包括儲能元件，可輔助人體負重行走，減少人體骨骼受力及各關節負載轉矩，其可將背包60-90%的重量通過外骨骼傳導至地面，且可減少人體行走負載轉矩的11.9-13.4%，具有質量輕、體積小、承載大、適應人體步態、續航時間長等特點。
【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型輔助負重人體下肢外骨骼一種實施例的整體等軸測三維線框示意圖。
[0010]圖2為本實用新型輔助負重人體下肢外骨骼一種實施例的左視結構示意圖。
[0011 ]圖3為本實用新型輔助負重人體下肢外骨骼一種實施例的等軸測示意圖。
[0012]圖4為本實用新型輔助負重人體下肢外骨骼一種實施例的儲能元件剖面(圖2中的A-A)結構示意圖。
[0013]圖5為本實用新型輔助負重人體下肢外骨骼一種實施例穿戴于人體的等軸測三維結構示意圖。
[0014]圖1-5中，1.前部支鏈，2.后部支鏈，11.腰及鶻關節模塊，12.大腿模塊，13.膝關節模塊，14.小腿模塊，15.踝關節及腳部模塊，21.背包模塊，22.后部連桿，23.儲能模塊，111.耐磨軸套，112.腰關節連接軸，113.腰鶻外連接板，114.腰鶻內連接板，115.鶻關節連接軸，116.腰關節可控阻尼器，117.鶻關節可控阻尼器，121.大腿上連接板，122.大腿下連接板，123.大腿綁帶連接器，131.膝關節后連桿，132.膝關節連接軸，133.膝關節可控阻尼器，134.膝關節軸套，141.小腿上連接板，142.小腿下連接板，143.小腿綁帶連接器，151.踝關節可控阻尼器，152.前腳部連桿，153.腳部底板，154.后腳部連桿，155.腳部調節板，156.踝關節連接軸，157.腳底橡膠彈簧，158.腳部綁帶連接孔，159.腳部軸套，211.背包，212.電池，213.阻尼控制器，214.背包架桿，215.背包支板，216.腰帶連接器，217.背包架桿連接軸，218.鶻部橫向轉動銷軸，219.背包模塊軸套，221.后部連桿上，222.后部連桿下，223.后連桿軸套，231.儲能模塊上連接軸，232.導缸上連桿，233.導缸下連桿，234.導缸上端蓋，235.可控直線阻尼器，236.長彈簧擋板，237.長彈簧，238.短彈簧擋板，239.短彈簧，23a.短彈簧導桿，23b.短彈簧擋塊，23c.儲能模塊下連接軸，23d.儲能模塊。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例及其附圖進一步敘述本實用新型。具體實施例僅用于詳細說明本實用新型的下肢外骨骼，不限制本申請權利要求的保護范圍。
[0016]本實用新型設計的輔助負重人體下肢外骨骼(簡稱外骨骼，參見圖1-5)為中心對稱結構，且每側外骨骼包括前部支鏈I和后部支鏈2兩大部分。
[0017]所述前部支鏈I包括腰及鶻關節模塊11、大腿模塊12、膝關節模塊13、小腿模塊14、踝關節及腳部模塊15;腰及鶻關節模塊11下端通過鶻腿轉動副與大腿模塊12上端連接，大腿模塊12下端通過大小腿轉動副及腿膝轉動副與小腿模塊14上端及膝關節模塊13前端連接，小腿模塊14下端通過腿踝轉動副與踝關節及腳部模塊15連接。
[0018]所述后部支鏈2包括背包模塊21，后部連桿22及儲能模塊23(參見圖1、2)。腰及鶻關節模塊11由耐磨軸套111，腰關節連接軸112，腰鶻外連接板113，腰鶻內連接板114，鶻關節連接軸115，腰關節可控阻尼器116，鶻關節可控阻尼器117構成。大腿模塊12由大腿上連接板121，大腿下連接板122，大腿綁帶連接器123構成。膝關節模塊13由膝關節后連桿131，膝關節連接軸132，膝關節可控阻尼器133和膝關節軸套134組成。小腿模塊14由小腿上連接板141，小腿下連接板142，小腿綁帶連接器143。踝關節及腳部模塊15由踝關節可控阻尼器151，前腳部連桿152，腳部底板153，后腳部連桿154，腳部調節板155，踝關節連接軸156，腳底膠皮彈簧157，腳部綁帶連接孔158及腳部軸套159構成。后部連桿22包括后部連桿上221、后部連桿下222和后連桿軸套223(參見圖1、2、3)。
[0019]所述背包模塊21包括背包211、電池212、阻尼控制器213、背包架桿214、背包支板215、腰帶連接器216、背包架桿連接軸217、鶻部橫向轉動銷軸218及背包模塊軸套219(本實用新型實施例所有軸套均為耐磨軸套)。背包模塊21采用兩個背包架桿214通過鶻部橫向轉動銷軸218連接，可實現鶻部橫向擺動。背包支板215和腰帶連接器216安裝在背包架桿214上，而背包211、電池212、阻尼控制器213安裝于背包支板215上，人體通過背包背帶及腰帶與背包模塊21連接(即穿戴)。背包模塊21和腰及鶻關節模塊11通過腰關節連接軸112連接；腰及鶻關節模塊11的腰鶻外連接板113、腰鶻內連接板114通過耐磨軸套111與腰關節連接軸112、鶻關節連接軸115連接，且腰關節連接軸112和鶻關節連接軸115上分別安裝腰關節可控阻尼器116和鶻關節可控阻尼器117。腰及鶻關節模塊11和大腿模塊12通過鶻關節連接軸115連接，大腿上連接板121和大腿下連接板122通過腰形孔連接實現長度可調，其中大腿綁帶連接器123安裝在大腿上連接板121上，通過綁帶與人體大腿連接。膝關節模塊13通過膝關節連接軸132及膝關節軸套134與大腿模塊12和小腿模塊14連接，通過儲能模塊上連接軸231、后連桿軸套223與后部連桿22和儲能模塊23連接。小腿模塊14，小腿上連接板141和小腿下連接板142通過腰形孔連接且長度可調，其中小腿綁帶連接器143安裝在小腿上連接板141上通過綁帶與人體小腿連接。踝關節及腳部模塊15通過踝關節連接軸156和腳部軸套159與小腿模塊14連接，通過儲能模塊下連接軸23c和儲能模塊軸套23d與儲能模塊23連接，并通過前腳部連桿152、后腳部連桿154與腳部底板153連接;其中踝關節可控阻尼器151安裝于踝關節連接軸156上，腳部底板153上安裝有腳部調節板155，腳底膠皮彈簧157，并通過在腳部綁帶連接孔158安裝綁帶與人體腳部連接。背包模塊21與后部連桿22通過背包架桿連接軸217與背包模塊軸套219連接，后部連桿上221與后部連桿下222通過腰形孔連接實現長度可調(參見圖1、2、3)。
[0020]所述后部支鏈2中的儲能模塊23為本實用新型創新設計模塊。它包括儲能模塊上連接軸231、導缸上連桿232、導缸下連桿233、導缸上端蓋234、可控直線阻尼器235、長彈簧擋板236、長彈簧237、短彈簧擋板238、短彈簧239、短彈簧導桿23a、短彈簧擋塊23b、儲能模塊下連接軸23c和儲能模塊軸套23d。
[0021]所述導缸上連桿232與導缸下連桿233通過導缸上端蓋234與導缸上連桿232配合，構成移動副；導缸上端蓋234與導缸下連桿233連接，導缸上連桿232末端安裝長彈簧擋板236，導缸下連桿233內安裝長彈簧237，其剛度在0.05-0.1kgf/mm之間，長彈簧237直徑大于短彈簧安裝于導缸下連桿內壁處;短彈簧239的剛度在0.2-0.5kgf/mm之間，短彈簧導桿23a上端與短彈簧擋板238連接、下端安裝短彈簧擋塊23b，短彈簧導桿23a從中心穿過短彈簧239直至短彈簧239與短彈簧擋板238接觸，整體嵌套于長彈簧237內部并安裝在導缸下連桿233內，通過短彈簧擋塊23b與導缸下連桿233配合實現為短彈簧239施加預緊力的目的(實施例的預緊力大小在背包重量的15-50%)，此設計可在人體步態中起到快速增加儲能模塊儲能速度的效果。可控直線阻尼器235安裝于導缸下連桿233上，與導缸上連桿232配合，可通過阻尼控制器213控制可控直線阻尼器235的鎖死與打開狀態。其中儲能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關節后連桿連接，儲能t旲塊下連接軸通過儲能t旲塊軸套與后腳部連桿連接(參見圖4)。
[0022]本實用新型外骨骼采用閉鏈外骨骼結構設計，根據人體實際情況設計為中間對稱機構，且本實用新型外骨骼共有8個自由度；包括腰部旋轉自由度a(左、右腰部共有自由度)，鶻部橫向擺動自由度b，右鶻自由度Cl，左鶻自由度c2，右膝自由度dl，左膝自由度d2，右踝自由度el和左踝自由度e2。
[0023]實用新型人分析人體行走狀態發現，儲能模塊23在人體步態開始時，對人體關節轉矩減小效果較小，但影響人體原有步態。故本實用新型設計該儲能模塊為帶有預緊力的變剛度彈簧。換言之，儲能模塊為帶有預緊力的變剛度儲能模塊，主要由彈簧導向機構、彈簧預緊機構、變剛度彈簧及可控直線阻尼器組成。前面所述儲能模塊結構即為帶有預緊力的變剛度彈簧具體結構。其優點在于適應人體步態，且可有效減小人體負重行走過程中關節轉矩負載。
[0024]本實用新型外骨骼通過背包背帶、大腿綁帶、小腿綁帶與腳部綁帶與人體穿戴連接(參見圖5)。在人體負重行走過程中，依靠人體提供轉矩，可將背包重量通過外骨骼傳導至地面，并通過儲能模塊23實現儲能和放能。實驗表明，在40kg負載時，可減少人體總關節平均轉矩11.9%。結合人體步態通過預定義步態控制各關節可控阻尼器的阻尼，進一步減少人體行走關節轉矩5%以上。在人體負重站立狀態下，通過阻尼控制器213控制可控直線阻尼器235鎖死，可使人體在踝關節提供小轉矩的情況下實現站立。實驗表明，在40kg負載狀態下，踝關節轉矩為不穿戴外骨骼人體踝關節轉矩的16.95%。
[0025]本實用新型外骨骼的工作原理和過程是:人體生物能利用率高的原因是人體在行走過程中，肌肉收縮可以儲備人體浪費掉的能量，且在人體下一步動作時將存儲的能量釋放出來，減少人體肌肉的負載一一人體蓄能策略。通過借鑒人體蓄能策略，本設計外骨骼帶有儲能模塊23，并結合人體步態，分析人體在負載行走情況下，骨骼受力及關節轉矩狀況，發現儲能模塊23在施加力較小的情況下，減少人體關節轉矩不明顯，但對人體步態影響大；為了不過多影響人體行走舒適度和有效儲存背包重力勢能，不宜設計儲能模塊23中彈簧剛度過大，應設計儲能模塊23中彈簧在人體步態中期剛度變大且帶有預緊力。故該儲能模塊23設計為帶有預緊力的變剛度彈簧，其中通過改變彈簧剛度來調節儲能模塊23的受力，施加預緊力用于快速增加儲能模塊23的施力大小，通過調節腰、鶻、膝、踝關節的可控阻尼，進一步減小行走中人體各關節所受轉矩。在人體提供外骨骼各關節轉矩狀態下，背包重量可通過外骨骼傳導至地面，減少人體骨骼受力。其原理借鑒載重手推車，搬運工人在搬運貨物時，利用手推車承載貨物的重力，而推動手推車移動時僅需要克服輪子與地面的阻力，從而大大減輕了搬運強度。
[0026]本實用新型外骨骼的突出優點在于，該外骨骼為閉鏈機構，承載能力大、結構簡單、穩定可控，包括仿生儲能元件及可控阻尼器。在無外部驅動情況下，即可正常使用，并同時減少人體骨骼受力及各關節負載轉矩。實驗表明，40kg負載時，可將背包60%的重量通過外骨骼傳導至地面，減少人體行走負載轉矩11.9%; 20kg負載時，則可將背包90%的重量通過外骨骼傳導至地面，大幅減少了人體行走負載轉矩13.4%;并具有質量輕、體積小、承載大、適應人體步態、續航時間長等特點。
[0027]本實用新型未述及之處適用于現有技術。
【主權項】
1.一種輔助負重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對稱結構，且每側由前部支鏈和后部支鏈兩大部分組成，所述前部支鏈包括腰及鶻關節模塊、膝關節模塊、大腿模塊、小腿模塊、踝關節及腳部模塊;腰及鶻關節模塊下端通過鶻腿轉動副與大腿模塊上端連接，大腿模塊下端通過大小腿轉動副及腿膝轉動副與小腿模塊上端及膝關節模塊前端連接，小腿模塊下端通過腿踝轉動副與踝關節及腳部模塊連接； 所述后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲能模塊;后部連桿上端與背包模塊后端通過后連桿上轉動副連接，后部支鏈下端與儲能t旲塊上端及膝關節t旲塊后端通過后連桿下轉動副及儲能模塊上轉動副連接;外骨骼左半部分和右半部分通過各自背包模塊末端的背包轉動副連接，外骨骼單側前部支鏈上端及后部支鏈上端通過背包架桿前端、腰關節連接軸與腰關節轉動副連接，外骨骼單側前部支鏈及后部支鏈下端通過儲能模塊下連接軸、后腳部連桿與儲能模塊下轉動副連接； 所述儲能模塊包括儲能模塊上連接軸、導缸上連桿、導缸下連桿、導缸上端蓋、可控直線阻尼器、長彈簧擋板、長彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導桿、短彈簧擋塊、儲能模塊下連接軸和儲能模塊軸套；所述導缸上連桿與導缸下連桿通過導缸上端蓋與導缸上連桿配合，構成移動副；導缸上端蓋與導缸下連桿連接，導缸上連桿末端安裝長彈簧擋板，導缸下連桿內安裝長彈簧，長彈簧直徑大于短彈簧安裝于導缸下連桿內壁處;短彈簧導桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導桿從中心穿過短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，整體嵌套于長彈簧內部并安裝在導缸下連桿內，通過短彈簧擋塊與導缸下連桿配合實現為短彈簧施加預緊力的目的，此設計可在人體步態中起到快速增加儲能模塊儲能速度的效果;可控直線阻尼器安裝于導缸下連桿內，與導缸上連桿配合，通過阻尼控制器控制可控直線阻尼器的鎖死與打開狀態;儲能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關節后連桿連接，儲能模塊下連接軸通過儲能模塊軸套與后腳部連桿連接。2.根據權利要求1所述的輔助負重人體下肢外骨骼，其特征在于所述長彈簧為壓簧或直線氣缸，壓簧長度140mm-170mm，直徑40mm-50mm，剛度為0.05-0.lkgf/mm;所述短彈簧為壓黃或直線氣缸，壓黃長度I OOmm-130mm，直徑25mm-35mm，剛度為0.2-0.5kgf/mm。3.根據權利要求1所述的輔助負重人體下肢外骨骼，其特征在于所述預緊力為背包重量的 15-50%。
【文檔編號】B25J9/00GK205660711SQ201620528878
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】張建軍, 李天宇, 王曉慧, 李為民, 吳錦輝, 楊飛飛, 蘭萌
【申請人】河北工業大學