单驱动联动式下肢助力外骨骼的制作方法
【专利摘要】单驱动联动式下肢助力外骨骼，涉及一种用于助力行走的下肢外骨骼，以解决现有的外骨骼设计基本上都采取电机或者液压对髋关节，膝关节进行独立控制的问题。本发明包括背部模块、两个腰部模块、两个大腿和两个小腿，两个腰部模块设置在背部模块的两端，且腰部模块上的大腿驱动链轮和第三曲柄由里至外依次安装在背部模块上的万向联轴器的输出轴上，一个腰部模块对应一个大腿和一个小腿，且大腿上的调整外侧板和调整内侧板的前端均与腰部模块上的双排链轮的中心轴铰接，小腿上的两个吊耳均与大腿上的连接轴铰接。本发明用于助老助残，医疗康复等。
【专利说明】单驱动联动式下肢助力外骨骼
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于助力行走的下肢外骨骼，具体涉及一种单驱动联动式下肢助力外骨骼。
【背景技术】
[0002]目前，外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如助老助残，医疗康复，工业生产，地震救援，单兵作战等领域。一般的助力外骨骼具有以下特点:可以检测人体的运动意图；和人体类似的关节自由度和关节转动空间；具有必要的关节主动驱动以辅助出力；自带控制系统和能源系统；具有一定的安全防护机制。
[0003]助力外骨骼按照动力传递的目的，可分为两种情况:外骨骼带动人体运动和人体带动外骨骼运动，其主要区别体现在“人-机”连接信息交互装置的设计和系统控制策略的制定上。
[0004]对于助老助残或医疗康复领域，外骨骼的目的是辅助人体自身肌肉的运动，以达到帮助老人抬腿，或帮助病人做肌肉功能恢复训练等目的。需要外骨骼设定好各关节的运动规划，或检测人体的肌电信号、肢体运动方向等方法判断人体的运动意图，带动穿戴者运动，此时人体和外骨骼之间需要动力的传递，因此“人-机”之间紧密固连；
[0005]对于工业生产，地震救援或单兵作战等应用领域，面对的是正常的健康工人或消防战士，外骨骼的目的不是辅助人体自身肌肉的运动，而是增强放大人体的出力效果，此时，人机连接机制的设计中，“人-机”之间需要传递的不是动力，而仅仅是检测到的人体运动信息。此时，“人-机”之间的捆绑连接是一种弹性连接，传递的是微小的交互力信息。
[0006]在关节的自由度设计方面，人体下肢中的髋关节，踝关节可以近似为球面低副，具有3个自由度；膝关节可以近似为转动副，具有I个自由度；脚掌在蹬地的时候，脚掌前段具有一定的弯曲，也应视为转动副；人体的腰部，在行走的过程中，可以左右侧向弯曲，向前弯腰，或上体转动，因此，腰部也具有3个自由度。因此，针对下肢助力外骨骼机器人，若完全按照人体的运动特点来进行仿生学设计，共需19个自由度，对于结构设计，驱动设计较为复杂，信息监测系统及控制系统也较为困难。因此，必须要简化处理，设计的自由度可分为主动驱动自由度，被动自由度，辅助自由度。以往的相关发明专利中，大多数是对髋关节，膝关节，踝关节进行高副低化，对腰部的自由度考虑的较少。一般的下肢助力机器人，都是重点考虑人体的主要处理环节，只在髋关节的伸展/弯曲、膝关节的伸展/弯曲、踝关节的伸展/弯曲3个自由度上施加驱动。常用的驱动方式有电机驱动，液压驱动，人工肌肉气动驱动等方式。
[0007]现有的外骨骼设计基本上都采取电机或者液压对髋关节，膝关节进行独立控制，实现外骨骼机构的高自由度，高适应性。但是不同的人群对外骨骼的需求有所不同，所以高适应性会带来的功能浪费，不能很好的降低成本。
【发明内容】
[0008]本发明为解决现有的外骨骼设计基本上都采取电机或者液压对髋关节，膝关节进行独立控制，实现外骨骼机构的高自由度，高适应性，但是不同的人群对外骨骼的需求有所不同，所以高适应性会带来的功能浪费和成本高的问题，而提供一种单驱动联动式下肢助力外骨骼。
[0009]本发明包括背部模块、两个腰部模块、两个大腿和两个小腿，
[0010]背部模块包括锂电池、槽板、滑动件、靠背板、前挡板、后挡板、电机、减速器、右侧背部连接件、电机座、右轴、右基座、主动齿轮、被动齿轮、左基座、胀套、连轴套筒、左轴、左侧背部连接件、主板、左连接板、右连接板、两个挡块、两个轴承和两个万向联轴器，锂电池和电机座固装在主板的上端面上，锂电池与电机座通过导线连接，减速器固装在电机座上，减速器的输入端与电机连接，主动齿轮固装在减速器的输出轴上，被动齿轮与主动齿轮啮合，被动齿轮通过胀套固装在连轴套筒上，连轴套筒的两端分别支撑在左基座和右基座上，左基座和右基座均与主板的下端面固定连接，左轴的输入端与连轴套筒连接，左轴的输出端与两个万向联轴器中的一个连接，右轴的输入端与连轴套筒连接，右轴的输出端与两个万向联轴器中余下的一个连接，左端的万向联轴器与连轴套筒之间设置有左侧背部连接件，且左侧背部连接件通过两个轴承中的一个铰接在左轴上，左端的万向联轴器与连轴套筒之间设置有右侧背部连接件，且右侧背部连接件通过两个轴承中余下的一个铰接在右轴上，左侧背部连接件的上端面前后边缘处各设有数个左通孔，右侧背部连接件的上端面前后边缘处各设有数个右通孔，主板上设有与数个右通孔一一正对的数个连接板安装孔，主板上设有与数个左通孔一一正对的第一长孔，槽板通过前挡板和后挡板与主板扣合设置，两个挡块以槽板的横向中心线对称设置，两个挡块之间为滑槽，滑动件设置在滑槽中，滑动件上与槽板接触的端面上设有两个第二长孔，槽板上设有与两个第二长孔正对的数个滑动件螺纹孔，靠背板设置在槽板的前面，靠背板的上端与滑动件固定连接，左连接板设置在左侧背部连接件的下面， 左连接板上设有与数个左通孔一一正对的数个左螺纹孔，右连接板设置在右侧背部连接件的下面，右连接板上设有与数个右通孔一一正对的数个右螺纹孔，左连接板与左侧背部连接件和主板通过连件元件连接，右连接板与右侧背部连接件和主板通过连件元件连接，
[0011]每个腰部模块包括主体、大腿驱动链轮、第三曲柄、第一连杆、控制系统、双排链轮、连接件、副体、控制器、手摇轮和连接块，主体设置在副体的后面，大腿驱动链轮和第三曲柄同轴设置，且大腿驱动链轮设置在主体内，第三曲柄设置在主体外，第一连杆的一端通过连接块与第三曲柄铰接，第一连杆的另一端通过销轴与连接件铰接，双排链轮上中心轴的一端通过轴承铰接在连接件上，双排链轮上中心轴的另一端通过轴承与副体铰接，双排链轮上的输入链轮通过链条与大腿驱动链轮连接，手摇轮安装在双排链轮的中心轴上，控制器安装在副体上，控制器通过导线与电机连接，
[0012]每个大腿包括调整上板、调整下板、调整外侧板、调整内侧板、大腿内侧板、大腿外侧板、大腿上板、大腿下板、内侧滑块、外侧滑块、滑动链轮、被动链轮、推盘、张紧链轮、曲柄、摇杆、小腿连接件、连接轴、阶梯圆柱、连接销、两个大腿绑块座、四个连接螺栓、四个大腿绑块、四个大腿销钉，调整上板与调整下板平行设置，调整外侧板与调整内侧板平行设置，调整上板、调整下板、调整外侧板和调整内侧板构成第一矩形筒体，调整外侧板的上端设有外侧连接吊板，外侧连接吊板上设有连接孔，调整内侧板C4的上端设有内侧连接吊板，大腿内侧板与大腿外侧板平行设置，大腿上板与大腿下板平行设置，大腿内侧板、大腿外侧板、大腿上板和大腿下板构成第二矩形筒体，第二矩形筒体设置在第一矩形筒体的下方，第二矩形筒体与第一矩形筒体通过连接元件连接，被动链轮设置在第二矩形筒体内且位于第二矩形筒体的下方，被动链轮的中心轴两端分别通过轴承支撑在大腿内侧板和大腿外侧板上，大腿内侧板的内壁沿横向设有第一滑槽，第一滑槽位于被动链轮的上方，大腿外侧板的内壁沿横向设有与第一滑槽正对的第二滑槽，内侧滑块与第一滑槽滑动连接，外侧滑块与第二滑槽滑动连接，滑动链轮设置在内侧滑块与外侧滑块之间，滑动链轮的中心轴两端分别支撑在内侧滑块和外侧滑块中，推盘设置在大腿外侧板的外壁上，且推盘通过连接螺栓与外侧滑块连接，大腿外侧板上沿横向平行设有两个第四长孔，且两个第四长孔与连接螺栓正对，张紧链轮设置在被动链轮的上方，且张紧链轮的中心轴两端分别通过轴承支撑在大腿内侧板和大腿外侧板上，曲柄的一端与被动链轮的中心轴铰接，曲柄的另一端通过阶梯圆柱与摇杆的一端铰接，摇杆的另一端通过连接销与小腿连接件的一端铰接，小腿连接件.的中部与连接轴的一端铰接，连接轴的另一端通过轴承与大腿内侧板铰接，两个大腿绑块座平行设置在大腿内侧板的外壁上，每个大腿绑块座的两端分别设置一个大腿绑块，该大腿绑块通过一个大腿销钉与大腿绑块座铰接，摇杆的上端面上设有拨杆，
[0013]每个小腿包括小腿矩形筒体、小腿绑块座、两个小腿绑块和小腿销钉，小腿矩形筒体的上端设有两个吊耳，两个吊耳平行设置，小腿绑块座设置在大腿绑块座的同侧，且小腿绑块座固装在小腿矩形筒体上，小腿绑块座的两端分别设置一个小腿绑块，该小腿绑块通过一个小腿销钉与小腿绑块座铰接，
[0014]两个腰部模块设置在背部模块的两端，且腰部模块上的大腿驱动链轮和第三曲柄由里至外依次安装在背部模块上的万向联轴器的输出轴上，一个腰部模块对应一个大腿和一个小腿，且大腿上的调整外侧板和调整内侧板的前端均与腰部模块上的双排链轮的中心轴铰接，小腿上的两个吊耳均与大腿上的连接轴铰接。
[0015]本发明的技术方案具有以下有益效果:
[0016]一、本发明将髋关节简化为一个球销副，只具有两个转动自由度(大腿前后摆，左右摆)，外骨骼腰部和人体腰部固连，使人体腰部的三个自由度不受外骨骼限制，膝关节仍然为转动副，该外骨骼没有足，所以踝关节三个自由度和足的一个转动自由度都由人体自由支配，所以实际外骨骼只包含6个自由度，其他自由度都由人体自由支配，髋关节的一个自由度设为从动，通过对髋关节的另一个自由度和膝关节进行驱动，通过联动机构使左右两腿的髋关节膝关节以固定的运动关系运动，使外骨骼的主动自由度保持为1，其他自由度均由人体控制，实现外骨骼对人体步态的模拟。本发明通过这种方式完成了对外骨骼19个自由度的分配和驱动，使得单个电机便可以完成外骨骼的驱动，减小了控制系统的难度，驱动系统的难度，机构的复杂程度，极大地降低了通过对机构进行设计，增加调整机构，还可以使外骨骼适应不同的身高和体型，在不增加成本的情况下增大适应范围。
[0017]二、本发明针对现有外骨骼的这一个特点，采用小腿驱动连杆机构控制大腿和小腿的运动，对小腿驱动连杆机构的准确设计使得运动规律和人体自然行走步态的规律十分吻合，并且运动规律固定，具有较高的稳定性，达到辅助人行走，减小行走消耗的目的，同时极大的降低成本的目的。
[0018]三、本发明采用单个电机驱动，并且电机匀速转动，便可以实现对人体自然行走步态的模拟，控制简单，不用搭建复杂的控制平台，降低来了成本。
[0019]四、本发明实现了背部宽度调节、大腿长度调节，以适应于各种人群。
[0020]五、本发明结构简单，采用铝结构重量轻，易于制造，极大的降低了成本。
[0021]六、链条调整可以使链轮系统适应大腿长度的变化，结构简单。
[0022]七、电机驱动和手动驱动两种状态能够更好的满足人们的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明的整体结构立体图；
[0024]图2是背部模块A的结构立体图；
[0025]图3是背部模块A的仰视图；
[0026]图4是左侧背部连接件A21的结构立体图；
[0027]图5是右侧背部连接件AlO的结构立体图；
[0028]图6是背部模块A的结构立体图；
[0029]图7是腰部模块 B的结构立体图；
[0030]图8是腰部模块B与大腿C连接的结构立体图(图中标记B9为调节旋钮、BlO为开关)；
[0031]图9是第三曲柄B3、第一连杆B4和连接块B13的分解立体图；
[0032]图10是腰部模块B、大腿C和小腿D的连接结构立体图；
[0033]图11是调整上板Cl、调整下板C2、调整外侧板C3和调整内侧板C4与腰部模块B的连接结构立体图；
[0034]图12是小腿D的结构立体图；
[0035]图13是调整上板Cl、调整下板C2、大腿内侧板C5、大腿下板CS、内侧滑块C9、外侧滑块C10、滑动链轮Cl 1、被动链轮C12、推盘C13、张紧链轮C15、曲柄C16、摇杆C17、小腿连接件C18、连接轴C19、两个大腿绑块座C20、四个大腿绑块C21和四个大腿销钉C22的连接结构立体图；
[0036]图14是被动链轮C12、曲柄C16、摇杆C17和小腿连接件C18的分解立体图；
[0037]图15是大腿C的结构立体图；
[0038]图16至图21是小腿曲柄摇杆机构运动示意图:其中:
[0039]图16是当第二连杆Tl与第三连杆T2未重合时，四连杆机构的位置示意图；
[0040]图17是当第二连杆Tl与第三连杆T2未重合时，曲柄C16转动并带动摇杆C17和第三连杆T2(即小腿连接件C18)转动的位置示意图；
[0041]图18是当曲柄C16转动，使得Tl与Τ2重合以后，曲柄C16和摇杆C17也重合的位置示意图；
[0042]图19是曲柄C16与摇杆C17始终保持重合状态运动时，Tl与Τ2也保持重合状态运动的位置示意图；
[0043]图20是曲柄C16继续转动并带动摇杆C17和第三连杆Τ2 (即小腿连接件C18)转动，直到Tl和Τ2再一次重合的位置不意图；
[0044]图21是曲柄C16转动360°后四连杆机构的位置示意图。
【具体实施方式】
[0045]【具体实施方式】一:结合图1~图15说明本实施方式，本实施方式包括背部模块A、两个腰部模块B、两个大腿C和两个小腿D，
[0046]背部模块A包括锂电池Al、槽板A2、滑动件A4、靠背板A5、前挡板A6、后挡板A7、电机A8、减速器A9、右侧背部连接件A10、电机座A12、右轴A13、右基座A14、主动齿轮A15、被动齿轮A16、左基座A19、胀套A17、连轴套筒A18、左轴A20、左侧背部连接件A21、主板A22、左连接板A24、右连接板A25、两个挡块A3、两个轴承All和两个万向联轴器A23，锂电池Al和电机座A12固装在主板A22的上端面上，锂电池Al与电机座A12通过导线连接，减速器A9固装在电机座A12上，减速器A9的输入端与电机A8连接，主动齿轮A15固装在减速器A9的输出轴上，被动齿轮A16与主动齿轮A15啮合，被动齿轮A16通过胀套A17固装在连轴套筒A18上，连轴套筒A18的两端分别支撑在左基座A19和右基座A14上，左基座A19和右基座A14均与主板A22的下端面固定连接，左轴A20的输入端与连轴套筒A18连接，左轴A20的输出端与两个万向联轴器A23中的一个连接，右轴A13的输入端与连轴套筒A18连接，右轴A13可在连轴套筒A18内轴向移动一定范围，右轴A13的输出端与两个万向联轴器A23中余下的一个连接，左端的万向联轴器A23与连轴套筒A18之间设置有左侧背部连接件A21，且左侧背部连接件A21通过两个轴承All中的一个铰接在左轴A20上，左端的万向联轴器A23与连轴套筒A18之间设置有右侧背部连接件A10，且右侧背部连接件AlO通过两个轴承All中余下的一个铰接在右轴A13上，左侧背部连接件A21的上端面前后边缘处各设有数个左通孔A21-1，右侧背部连接件AlO的上端面前后边缘处各设有数个右通孔A10-1，主板A22上设有与数个右通孔A10-1——正对的数个连接板安装孔A22-1，主板A22上设有与数个左通孔A21-1 —一正对的第一长孔A22-2，槽板A2通过前挡板A6和后挡板A7与主板A22扣合设置，两个挡块A3以槽板A2的横向中心线N-N对称设置，两个挡块A3之间为滑槽A26，滑动件A4设置在滑槽A26中，滑动件A4上与槽板A2接触的端面上设有两个第二长孔A4-1，槽板A2上设有与两个第二长孔A4-1正对的数个滑动件螺纹孔A2-1，靠背板A5设置在槽板A2的前面，靠背板A5的上端与滑动件A4固定连接，左连接板A24设置在左侧背部连接件A21的下面，左连接板A24上设有与数个左通孔A21-1——正对的数个左螺纹孔A24-1，右连接板A25设置在右侧背部连接件AlO的下面，右连接板A25上设有与数个右通孔A10-1——正对的数个右螺纹孔A25-1，左连接板A24与左侧背部连接件A21和主板A22通过连件元件连接，右连接板A25与右侧背部连接件AlO和主板A22通过连件元件连接，
[0047]每个腰部模块B包括主体B1、大腿驱动链轮B2、第三曲柄B3、第一连杆B4、控制系统B4、双排链轮B5、连接件B6、副体B7、控制器B8、手摇轮A12和连接块B13，主体BI设置在副体B7的后面，主体BI与副体B7通过连接元件Bll连接，大腿驱动链轮B2和第三曲柄B3同轴设置，且大腿驱动链轮B2设置在主体BI内，第三曲柄B3设置在主体BI外，第一连杆B4的一端通过连接块B13与第三曲柄B3铰接，第一连杆B4的另一端通过销轴与连接件B6铰接，双排链轮B5上中心轴B5-1的一端通过轴承铰接在连接件B6上，双排链轮B5上中心轴B5-1的另一端通过轴承与副体B7铰接，双排链轮B5上的输入链轮通过链条与大腿驱动链轮B2连接，手摇轮Al2安装在双排链轮B5的中心轴B5-1上，控制器B8安装在副体B7上，控制器B8通过导线与电机A8连接，
[0048]每个大腿C包括调整上板Cl、调整下板C2、调整外侧板C3、调整内侧板C4、大腿内侧板C5、大腿外侧板C6、大腿上板C7、大腿下板CS、内侧滑块C9、外侧滑块C10、滑动链轮Cl 1、被动链轮C12、推盘C13、张紧链轮C15、曲柄C16、摇杆C17、小腿连接件C18、连接轴C19、阶梯圆柱C26、连接销C27、两个大腿绑块座C20、四个连接螺栓C14、四个大腿绑块C21、四个大腿销钉C22，调整上板Cl与调整下板C2平行设置，调整外侧板C3与调整内侧板C4平行设置，调整上板Cl、调整下板C2、调整外侧板C3和调整内侧板C4构成第一矩形筒体，调整外侧板C3的上端设有外侧连接吊板C3-1，外侧连接吊板C3-1上设有连接孔C3-2，连接孔C3-2用于连接连接件B6，调整内侧板C4的上端设有内侧连接吊板C4-1，大腿内侧板C5与大腿外侧板C6平行设置，大腿上板C7与大腿下板CS平行设置，大腿内侧板C5、大腿外侧板C6、大腿上板C7和大腿下板CS构成第二矩形筒体，第二矩形筒体设置在第一矩形筒体的下方，第二矩形筒体与第一矩形筒体通过连接元件连接，被动链轮C12设置在第二矩形筒体内且位于第二矩形筒体的下方，被动链轮C12的中心轴两端分别通过轴承支撑在大腿内侧板C5和大腿外侧板C6上,大腿内侧板C5的内壁沿横向设有第一滑槽C5-1,第一滑槽C5-1位于被动链轮C12的上方,大腿外侧板C6的内壁沿横向设有与第一滑槽C5-1正对的第二滑槽，内侧滑块C9与第一滑槽C5-1滑动连接，外侧滑块ClO与第二滑槽滑动连接，滑动链轮Cll设置在内侧滑块C9与外侧滑块ClO之间，滑动链轮Cll的中心轴两端分别支撑在内侧滑块C9和外侧滑块ClO中，推盘C13设置在大腿外侧板C6的外壁上，且推盘C13通过连接螺栓C14与外侧滑块ClO连接，推盘C13可以调节滑动链轮Cll的位置，当大腿C长度发生变化以后，调节滑动链轮Cll的位置便可以使链条张紧，使运动和动力的传递有效；大腿外侧板C6上沿横向平行设有两个第四长孔C6-1，且两个第四长孔C6-1与连接螺栓C14正对，张紧链轮C15设置在被动链轮C12的上方，且张紧链轮C15的中心轴两端分别通过轴承支撑在大腿内侧板C5和大腿外侧板C6上，曲柄C16的一端与被动链轮C12的中心轴铰接，曲柄C16的另一端通过阶梯圆柱C26与摇杆C17的一端铰接，摇杆C17的另一端通过连接销C27 与小腿连接件C18的一端铰接，小腿连接件C18的中部与连接轴C19的一端铰接，连接轴C19的另一端通过轴承与大腿内侧板C5铰接，两个大腿绑块座C20平行设置在大腿内侧板C5的外壁上，每个大腿绑块座C20的两端分别设置一个大腿绑块C21，该大腿绑块C21通过一个大腿销钉C22与大腿绑块座C20铰接，摇杆C17的上端面上设有拨杆C24,
[0049]每个小腿D包括小腿矩形筒体D1、小腿绑块座D2、两个小腿绑块D3和小腿销钉D4，小腿矩形筒体Dl的上端设有两个吊耳D1-1，两个吊耳Dl-1平行设置，小腿绑块座D2设置在大腿绑块座C20的同侧，且小腿绑块座D2固装在小腿矩形筒体Dl上，小腿绑块座D2的两端分别设置一个小腿绑块D3，该小腿绑块D3通过一个小腿销钉D4与小腿绑块座D2铰接，见图12，
[0050]两个腰部模块B设置在背部模块A的两端，且腰部模块B上的大腿驱动链轮B2和第三曲柄B3由里至外依次安装在背部模块A上的万向联轴器A23的输出轴上，一个腰部模块B对应一个大腿C和一个小腿D，且大腿C上的调整外侧板C3和调整内侧板C4的前端均与腰部模块B上的双排链轮B5的中心轴B5-1铰接，小腿D上的两个吊耳Dl-1均与大腿C上的连接轴C19铰接。
[0051]背部宽度的调整:
[0052]左侧背部连接件A21与腰部模块B铰接可以实现髋关节从动自由度，由人体主动控制，实现外骨骼左右行走；背部宽度的调整通过调节主板A22和左侧背部连接件A21的连接实现，主板A22上有第一长孔A22-2，左侧背部连接件A21上有左通孔A21-1，左连接板A24上有左螺纹孔A24-1，将螺钉穿过第一长孔A22-2、左通孔A21-1与左螺纹孔A24-1螺纹连接，利用螺钉的预紧力产生的摩擦将主板A22与左侧背部连接件A21连接在一起，松开螺钉的同时增减螺钉个数，便可以使左侧背部连接件A21在主板A22上滑动，从而改变背部宽度。背部宽度变化以后，右轴A13在连轴套筒A18中轴向移动，以适应大腿变化。
[0053]捆绑调整:
[0054]由于人体正面到背面的厚度因人而异，而外骨骼腰部的长度为固定值，通过调整滑动件A4和靠背板A5即可适应不同的厚度，滑动件A4有第二长孔A4-1，槽板A2上有滑动件螺纹孔A2-1，将螺钉通过第二长孔A4-1拧入滑动件螺纹孔A2-1中，利用压力将滑动件A4和槽板A2连在一起,拧松螺钉则可调节滑动件A4在滑槽A26的位置,从而使靠背板A5与人体背部贴合，绑紧即可，达到了适应不同厚度的目的。
[0055]大腿和小腿D的捆绑调节主要依赖于外骨骼背部宽度的调节，以便使外骨骼和人体很好的贴合。
[0056]手动驱动:
[0057]手摇轮A12与双排链轮B5相连，整个外骨骼只具有一个自由度，所以，当电机A8不驱动时，手摇轮A12带动双排链轮B5转动，同样会带动整个外骨骼运动，达到手动驱动外骨骼运动的效果。
[0058]工作原理:整个运动过程中电机A8匀速转动，通过减速器A9带动主动齿轮A15转动，被动齿轮A16随之转动，被动齿轮A16带动连轴套筒A18转动，连轴套筒A18带动右轴A13和左轴A20转动，右轴A13和左轴A20分别带动与其连接的万向联轴器A23转动，万向联轴器A23带动大腿驱动链轮B2转动，大腿驱动链轮B2通过链条带动双排链轮B5转动，双排链轮B5通过链条带动被动链轮C12转动，大腿驱动链轮B2通过第三曲柄B3带动第一连杆B4摆动，第一连杆B4通过连接件B6带动大腿C摆动，使大腿C的运动满足人体自然行走步态的特点。
[0059]【具体实施方式】二:结合图2说明本实施方式，本实施方式的电机AS采用直流无刷电机。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0060]【具体实施方式】三:结合图2说明本实施方式，本实施方式的背部模块A还包括两个靠背销钉A27和两个转动块A28，靠背板A5的两端分别设置一个转动块A28，该转动块A28通过一个靠背销钉A27与靠背板A5铰接。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一或二相同。
[0061]【具体实施方式】四:结合图1说明本实施方式，本实施方式的调整内侧板C4上沿长度方向平行设有两个第三长孔C4-2，大腿内侧板C5与调整内侧板C4连接的位置处设有两列与第三长孔C4-2正对的数个连接元件安装孔C5-2。这样设置使得第一矩形筒体与第二矩形筒体的连接长度可调。其它组成及连接关系与【具体实施方式】三相同。
[0062]【具体实施方式】五:结合图10说明本实施方式，本实施方式的大腿下板CS沿长度方向由两块板制成。当内侧滑块C9、外侧滑块C10、滑动链轮CU、被动链轮C12、推盘C13、张紧链轮C15、曲柄C16、摇杆Cl7、小腿连接件C18、连接轴C19、两个大腿绑块座C20、四个连接螺栓C14、四个大腿绑块C21和四个大腿销钉C22零件需要更换时，大腿下板CS上方的板可以不拆，只需拆卸大腿下板CS下方的板，方便了维修。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一、二或四相同。
[0063]【具体实施方式】六:结合图13和图14说明本实施方式，本实施方式的曲柄C16的端面上设有两个第一通孔C16-1，曲柄C16的厚度上设有三个螺孔C16-2，第一通孔C16-1与螺孔C16-2的轴心线相交，摇杆C17的端面上设有两个第二通孔C17-1，阶梯圆柱C26插入第一通孔C16-1和第二通孔C17-1中，阶梯圆柱C26 —端设有一销孔，将小螺钉C25插入曲柄C16上的孔C16-2中并通过阶梯圆柱C26上的销孔后与螺孔C16-2螺纹旋合。其它组成及连接关系与【具体实施方式】五相同。
[0064]步幅大小的调整:
[0065]大腿C:
[0066]第三曲柄B3、第一连杆B4和连接块B13构成曲柄摇杆机构，第三曲柄B3上有三排第一小孔B3-1，每排小孔B3-1对应到转动中心的距离都不一样，连接块B13通过螺钉与第三曲柄B3连接，可以连接到三个位置的任意一个位置，第一连杆B4的一端有三个第二小孔B4-1，第一连杆B4的另一端只有一个第三小孔B4-2，三个第二小孔B4-1对应第三小孔B4-2的距离均不一样，三个第二小孔B4-1与第三曲柄B3上的三排第一小孔B3-1——对应，连接块B13可以与第一连杆B4上的三个第二小孔B4-1的任意一个铰接，连接块B13连接和铰接的时候须遵循第二小孔B4-1的对应关系，以保证设计的步幅变化关系。三个档位分别对应三种步幅，通过改变曲柄摇杆机构则可以改变大腿C的摆幅。
[0067]小腿D:
[0068]内侧滑块C9、外侧滑块C10、滑动链轮Cl 1、被动链轮C12、推盘C13、四个连接螺栓C14、张紧链轮C15、曲柄C16、摇杆C17、小腿连接件C18、连接轴C19、两个大腿绑块座C20、四个大腿绑块C21和四个大腿销钉C22构成小腿驱动连杆机构，曲柄C16与被动链轮C12、通过销轴连在一起，曲柄C16上有两个第一通孔C16-1，曲柄C16的两侧边有两个孔C16-2，第一通孔C16-1与孔C16-2的轴心线相交，摇杆C17上有两个第二通孔C17-1，将阶梯圆柱C26插入第一通孔C16-1和第二通孔C17-1中，阶梯圆柱C26 —端有一销孔，将小钉C25插入曲柄C16上的孔C16-2中，通过阶梯圆柱C26的销孔、小钉C25的末端有螺纹，正好与曲柄C16上的孔C16-2螺纹旋合。两个第一通孔C16-1的孔距与两个第二通孔C17-1的孔距相等，两个第二通孔C17-1分别对应两种不同的小腿摆幅。
[0069]大腿C和小腿D的摆幅同时变化，相互配合，达到改变行走步幅的目的。
[0070]被动链轮C12的轴心至连接轴C19的轴心距离为第二连杆Tl，连接销C27的轴心(即摇杆C17与小腿连接件C18的铰接中心)至连接轴C19的轴心距离为第三连杆T2，Tl=T2 ;第二连杆Tl、第三连杆T2、曲柄C16和摇杆C17构成四连杆机构；当Tl与T2未重合时，见图16、曲柄C16转动并带动摇杆C17和第三连杆T2(即小腿连接件C18)转动，图17 ；当曲柄C16转动，使得Tl与Τ2重合以后，曲柄C16和摇杆C17也重合，见图18，此时，第二连杆Tl和曲柄C16在同一直线上，见图18，之后曲柄C16始终保持与摇杆C17重合的状态运动，Tl与Τ2也保持重合状态运动，见图19 ;曲柄C16继续转动，运动180度以后，见图19 ；摇杆C17上支出的拨杆C24与小腿连接件C18碰撞，使得小腿连接件C18运动，Tl和Τ2分开，见图21，此时曲柄C16转动则带动摇杆C17和第三连杆Τ2 (即小腿连接件C18)转动，直到Tl和T2再一次重合，见图20，重复上述运动。这样电机AS的转动也带动了小腿D的运动，通过第二连杆Tl、第三连杆T2、曲柄C16和摇杆C17的四连杆机构控制小腿的摆动，使之符合人体自然行走步态的特点。
[0071]【具体实施方式】七:结合图14说明本实施方式，本实施方式的两个第一通孔C16-1的孔距与两个第二通孔C17-1的孔距相等。两个第二通孔C17-1分别对应两种不同的小腿摆幅。其它组成及连接关系与【具体实施方式】六相同。
[0072]【具体实施方式】八:结合图13说明本实施方式，本实施方式的每个大腿C还包括两个筒体连接板C23，两个筒体连接板C23设置在大腿内侧板C5的内壁上，且两个筒体连接板C23与两个第三长孔C4-2 —一正对，每个筒体连接板C23上设有与数个连接元件安装孔C5-2 一一正对的数个筒体连接螺纹孔C23-1。将螺钉穿过第三长孔C4-2和连接元件安装孔C5-2拧入筒体连接螺纹孔C23-1中，通过螺纹产生的压力将调整内侧板C4和大腿内侧板C5压在一起，松开螺钉的同时增减螺钉个数可以调节调整内侧板C4和大腿内侧板C5的位置，实现大腿长度的调整。推动零件(C16)可以调节链轮(C18)的位置，当大腿(C)长度发生变化以后，调节链轮(C18)的位置便可以使链条张紧，使运动和动力的传递有效。其它组成及连接关系与【具体实施方式】七相同。
【权利要求】
1.一种单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述单驱动联动式下肢助力外骨骼包括背部模块(A)、两个腰部模块(B)、两个大腿(C)和两个小腿(D)， 背部模块(A)包括锂电池(Al)、槽板(A2)、滑动件(A4)、靠背板(A5)、前挡板(A6)、后挡板(A7)、电机(A8)、减速器(A9)、右侧背部连接件(AlO)、电机座(Al2)、右轴(Al3)、右基座(A14)、主动齿轮(A15)、被动齿轮(A16)、左基座(A19)、胀套(A17)、连轴套筒(A18)、左轴(A20)、左侧背部连接件(A21)、主板(A22)、左连接板(A24)、右连接板(A25)、两个挡块(A3)、两个轴承(All)和两个万向联轴器(A23)，锂电池(Al)和电机座(A12)固装在主板(A22)的上端面上，锂电池(Al)与电机座(A12)通过导线连接，减速器(A9)固装在电机座(Al2)上，减速器(A9)的输入端与电机(A8)连接，主动齿轮(A15)固装在减速器(A9)的输出轴上，被动齿轮(A16)与主动齿轮(A15)啮合，被动齿轮(A16)通过胀套(A17)固装在连轴套筒(A18)上，连轴套 筒(A18)的两端分别支撑在左基座(A19)和右基座(A14)上，左基座(A19)和右基座(A14)均与主板(A22)的下端面固定连接，左轴(A20)的输入端与连轴套筒(A18)连接，左轴(A20)的输出端与两个万向联轴器(A23)中的一个连接，右轴(A13)的输入端与连轴套筒(A18)连接，右轴(A13)的输出端与两个万向联轴器(A23)中余下的一个连接，左端的万向联轴器(A23)与连轴套筒(A18)之间设置有左侧背部连接件(A21)，且左侧背部连接件(A21)通过两个轴承(All)中的一个铰接在左轴(A20)上，左端的万向联轴器(A23)与连轴套筒(A18)之间设置有右侧背部连接件(AlO)，且右侧背部连接件(AlO)通过两个轴承(All)中余下的一个铰接在右轴(A13)上，左侧背部连接件(A21)的上端面前后边缘处各设有数个左通孔(A21-1)，右侧背部连接件(AlO)的上端面前后边缘处各设有数个右通孔(A10-1)，主板(A22)上设有与数个右通孔(A10-1) —一正对的数个连接板安装孔(A22-1)，主板(A22)上设有与数个左通孔(A21-1)——正对的第一长孔(A22-2)，槽板(A2)通过前挡板(A6)和后挡板(A7)与主板(A22)扣合设置，两个挡块(A3)以槽板(A2)的横向中心线(N-N)对称设置，两个挡块(A3)之间为滑槽(A26)，滑动件(A4)设置在滑槽(A26)中，滑动件(A4)上与槽板(A2)接触的端面上设有两个第二长孔(A4-1)，槽板(A2)上设有与两个第二长孔(A4-1)正对的数个滑动件螺纹孔(A2-1)，靠背板(A5)设置在槽板(A2)的前面，靠背板(A5)的上端与滑动件(A4)固定连接，左连接板(A24)设置在左侧背部连接件(A21)的下面，左连接板(A24)上设有与数个左通孔(A21-1) —一正对的数个左螺纹孔(A24-1)，右连接板(A25)设置在右侧背部连接件(AlO)的下面，右连接板(A25)上设有与数个右通孔(A10-1) —一正对的数个右螺纹孔(A25-1)，左连接板(A24)与左侧背部连接件(A21)和主板(A22)通过连件元件连接，右连接板(A25)与右侧背部连接件(AlO)和主板(A22)通过连件元件连接， 每个腰部模块(B)包括主体(BI)、大腿驱动链轮(B2)、第三曲柄(B3)、第一连杆(B4)、控制系统(B4)、双排链轮(B5)、连接件(B6)、副体(B7)、控制器(B8)、手摇轮(Al2)和连接块(B13)，主体(BI)设置在副体(B7)的后面，大腿驱动链轮(B2)和第三曲柄(B3)同轴设置，且大腿驱动链轮(B2)设置在主体(BI)内，第三曲柄(B3)设置在主体(BI)外，第一连杆(B4)的一端通过连接块(B13)与第三曲柄(B3)铰接，第一连杆(B4)的另一端通过销轴与连接件(B6)铰接，双排链轮(B5)上中心轴(B5-1)的一端通过轴承铰接在连接件(B6)上，双排链轮(B5)上中心轴(B5-1)的另一端通过轴承与副体(B7)铰接，双排链轮(B5)上的输入链轮通过链条与大腿驱动链轮(B2)连接，手摇轮(A12)安装在双排链轮(B5)的中心轴(B5-1)上，控制器(B8)安装在副体(B7)上，控制器(B8)通过导线与电机(A8)连接，每个大腿(C)包括调整上板(Cl)、调整下板(C2)、调整外侧板(C3)、调整内侧板(C4)、大腿内侧板(C5)、大腿外侧板(C6)、大腿上板(C7)、大腿下板(CS)、内侧滑块(C9)、外侧滑块(C1)、滑动链轮(C11)、被动链轮(C12)、推盘(C13)、张紧链轮(C15)、曲柄(C16)、摇杆(C17)、小腿连接件(C18)、连接轴(C19)、阶梯圆柱(C26)、连接销(C27)、两个大腿绑块座(C20)、四个连接螺栓(C14)、四个大腿绑块(C21)、四个大腿销钉(C22)，调整上板(Cl)与调整下板(C2)平行设置，调整外侧板(C3)与调整内侧板(C4)平行设置，调整上板(Cl)、调整下板(C2)、调整外侧板(C3)和调整内侧板(C4)构成第一矩形筒体，调整外侧板(C3)的上端设有外侧连接吊板(C3-1)，外侧连接吊板(C3-1)上设有连接孔(C3-2)，调整内侧板(C4)的上端设有内侧连接吊板(C4-1)，大腿内侧板(C5)与大腿外侧板(C6)平行设置，大腿上板(C7)与大腿下板(CS)平行设置，大腿内侧板(C5)、大腿外侧板(C6)、大腿上板(C7)和大腿下板(CS)构成第二矩形筒体，第二矩形筒体设置在第一矩形筒体的下方，第二矩形筒体与第一矩形筒体通过连接元件连接，被动链轮(C12)设置在第二矩形筒体内且位于第二矩形筒体的下方，被动链轮(C12)的中心轴两端分别通过轴承支撑在大腿内侧板(C5)和大腿外侧板(C6)上,大腿内侧板(C5)的内壁沿横向设有第一滑槽(C5-1),第一滑槽(C5-1)位于被动链轮(C12)的上方,大腿外侧板(C6)的内壁沿横向设有与第一滑槽(C5-1)正对的第二滑槽，内侧滑块(C9)与第一滑槽(C5-1)滑动连接，外侧滑块(ClO)与第二滑槽滑动连接，滑动链轮(Cll)设置在内侧滑块(C9)与外侧滑块(ClO)之间，滑动链轮(Cll)的中心轴两端分别支撑在内侧滑块(C9)和外侧滑块(ClO)中，推盘(C13)设置在大腿外侧板(C6)的外壁上，且推盘(C13)通过连接螺栓(C14)与外侧滑块(ClO)连接，大腿外侧板(C6)上沿横向平行设有两个第四长孔(C6-1)，且两个第四长孔(C6-1)与连接螺栓(C14)正对，张紧链轮(C15)设置在被动链轮(C12)的上方，且张紧链轮(C15)的中心轴两端分别通过轴承支撑在大腿内侧板(C5)和大腿外侧板(C6)上，曲柄(C16)的一端与被动链轮(C12)的中心轴铰接，曲柄(C16)的另一端通过阶梯圆柱(C26)与摇杆(C17)的一端铰接，摇杆(C17)的另一端通过连接销(C27)与小腿连接件(C18)的一端铰接，小腿连接件(C18)的中部与连接轴(C19)的一端铰接，连 接轴(C19)的另一端通过轴承与大腿内侧板(C5)铰接，两个大腿绑块座(C20)平行设置在大腿内侧板(C5)的外壁上，每个大腿绑块座(C20)的两端分别设置一个大腿绑块(C21)，该大腿绑块(C21)通过一个大腿销钉(C22)与大腿绑块座(C20)铰接，摇杆(C17)的上端面上设有拨杆(C24)， 每个小腿(D)包括小腿矩形筒体(Dl)、小腿绑块座(D2)、两个小腿绑块(D3)和小腿销钉(D4)，小腿矩形筒体(Dl)的上端设有两个吊耳(Dl-1)，两个吊耳(Dl-1)平行设置，小腿绑块座(D2)设置在大腿绑块座(C20)的同侧，且小腿绑块座(D2)固装在小腿矩形筒体(Dl)上，小腿绑块座(D2)的两端分别设置一个小腿绑块(D3)，该小腿绑块(D3)通过一个小腿销钉(D4)与小腿绑块座(D2)铰接， 两个腰部模块(B)设置在背部模块(A)的两端，且腰部模块(B)上的大腿驱动链轮(B2)和第三曲柄(B3)由里至外依次安装在背部模块(A)上的万向联轴器(A23)的输出轴上，一个腰部模块(B)对应一个大腿(C)和一个小腿(D)，且大腿(C)上的调整外侧板(C3)和调整内侧板(C4)的前端均与腰部模块(B)上的双排链轮(B5)的中心轴(B5-1)铰接，小腿⑶上的两个吊耳(Dl-1)均与大腿(C)上的连接轴(C19)铰接。
2.根据权利要求1所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述电机(AS)采用直流无刷电机。
3.根据权利要求1或2所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述背部模块(A)还包括两个靠背销钉(A27)和两个转动块(A28)，靠背板(A5)的两端分别设置一个转动块(A28)，该转动块(A28)通过一个靠背销钉(A27)与靠背板(A5)铰接。
4.根据权利要求3所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述调整内侧板(C4)上沿长度方向平行设有两个第三长孔(C4-2)，大腿内侧板(C5)与调整内侧板(C4)连接的位置处设有两列与第三长孔(C4-2)正对的数个连接元件安装孔(C5-2)。
5.根据权利要求1、2或4所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述大腿下板(CS)沿长度方向由两块板制成。
6.根据权利要求5所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述曲柄(C16)的端面上设有两个第一通孔(C16-1)，曲柄(C16)的厚度上设有三个螺孔(C16-2)，第一通孔(C16-1)与螺孔(C16-2)的轴心线相交，摇杆(C17)的端面上设有两个第二通孔(C17-1)，阶梯圆柱(C26)插入第一通孔(C16-1)和第二通孔(C17-1)中，阶梯圆柱(C26) —端设有一销孔，将小螺钉(C25)插入曲柄(C16)上的孔C16-2中并通过阶梯圆柱(C26)上的销孔后与螺孔(C16-2)螺纹旋合。
7.根据权利要求6所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:两个第一通孔(C16-1)的孔距与两个第二通孔(C17-1)的孔距相等。
8.根据权利要求 7所述单驱动联动式下肢助力外骨骼，其特征在于:所述每个大腿(C)还包括两个筒体连接板(C23)，两个筒体连接板(C23)设置在大腿内侧板(C5)的内壁上，且两个筒体连接板(C23)与两个第三长孔(C4-2) —一正对，每个筒体连接板(C23)上设有与数个连接元件安装孔(C5-2) —一正对的数个筒体连接螺纹孔(C23-1)。
【文档编号】A61H1/00GK104068950SQ201410353073
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】朱延河, 赵杰, 蔡雪风 申请人:哈尔滨工业大学