一种穿戴型下肢助力机器人的折叠方法
【专利摘要】本发明公开了一种穿戴型下肢助力机器人的折叠方法，其特征是：将腿部随动支撑弹性部件从助力机械腿上卸下，以大腿连杆与小腿连杆的中心连线处于相互重合位置时为初始状态，利用大腿折叠部件和小腿折叠部件依次将髋关节旋转限位盘的上端沿与凸台下部的铰接中心向外侧旋转90°；将助力机械腿在小腿折叠部件处向外侧对叠；将助力机械腿在大腿折叠部件处向内侧对叠；得穿戴型下肢助力机器人的便携形体。本发明可以将穿戴型下肢助力机器人转变为结构紧凑的便携形体，配合用于装运的手拉箱可以多种方式实现用户对其方便携带与收藏，更好地满足用户行走及上下楼梯等日常活动护理需求。
【专利说明】一种穿戴型下肢助力机器人的折叠方法
[0001]本申请是申请号为:2013102573605 ;申请日为:2013年6月26日；发明名称为:一种穿戴型下肢助力机器人、其折叠方法及用于装运的手拉箱的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种穿戴型下肢助力机器人的折叠方法，尤其是应用于下肢乏力或关节行动有所不便的中老年人群日常生活护理场合，帮助其在行走及上下楼梯时扩展下肢运动能力，属护理型助力机器人【技术领域】。
【背景技术】
[0003]随着中国社会逐渐进入人口老龄化阶段，越来越多的中老年人受关节功能退化、骨质疏松、腿部肌肉劳损等各种因素的影响出现了下肢酸软乏力等症状，严重影响了行走及上下楼梯等基本日常活动，为了解决这类问题，保证中老年人群的正常机体运动，除了采取传统的体育锻炼、中医保健治疗、医疗器械辅助等常规性办法之外，开发研制助力机器人技术成为当前最有效的新型智能化护理措施，其中穿戴型下肢助力机器人技术是与人体关系最为密切的一类。目前国内外已有数家研究机构开展了对穿戴型下肢助力机器人技术的研究，个别研究成果甚至已经转化为产品上市销售，如美国加州大学伯克利分校研制出的助力机械服BLEEX以及日本筑波大学Cybernics实验室研制出的外骨骼机器人HAL，虽然功能丰富且助力效果良好，但由于机器人本体采用的动力源及传感设备众多，导致制造成本居高不下，丧失了性价比，并且由于机构复杂且装置笨重，使得机器人控制难度大，穿戴于人体的负重感较强，便携性差，难以普及推广。
[0004]ZL201310034245.1报道了“一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人”，由踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、驱动模块、腰部及支撑架模块等几大部分构成，通过直流电机配合丝杠螺母传动机构驱动各关节运动模块，实现对人体行走时的下肢助力，具有人机运动协调性好、结构紧凑等优点，但该机器人总体机构较为复杂笨重，缺少缓冲支撑装置，使得人体穿戴外骨骼机器人的负重感强，也不方便用户对机器人的随身携带。
[0005]ZL201020568411.8报道了 “一种用直线电机驱动的人体外骨骼负重行走助力装置”，由背架、髋关节部件、大腿部件、小腿部件、踝骨部件、底板、电源、控制装置、传感器和驱动装置等各部分构成，通过直线运动的电动缸伸缩驱动人体下肢各关节做旋转运动，从而给负重行走的人体提供助力，具有体积小、能耗低、易于控制且制造成本低等优点，但由于直线电机自身所占轴向尺寸较大且受移动行程约束，限制了下肢关节的活动范围，又由于每个关节均需要独立直线电机驱动，不利于整个人体下肢的协调运动控制，而且该行走助力装置不具备便携功能，影响了用户的日常使用。
[0006]ZL201210370645.5报道了一种“便携式可穿戴下肢康复及助行外骨骼机器人”，包括依次连接的大腿支撑部件、膝关节部件、小腿支撑部件和踝关节脚部部件，采用电机驱动螺旋副带动连杆的方式带动关节运动，具有体积轻巧、适合穿戴和便于携带的优点，然而该机器人不具备用于检测人机交互信息和人体运动姿态的感知模块以及必要的防摔倒装置，既不利于对外骨骼机器人实施智能控制，影响了人机交互的协调性，又降低了用户使用该机器人的安全性；不仅如此，该机器人的便携式性能仅仅是针对组成腿部机构的各部件之间存在便利型可拆卸组合方式而言，其过程较为费时，而且该机器人自身不能转变为便携式形体，缺乏特定的承装与托运工具，未解决用户使用后的收藏问题，故通用性较差。
【发明内容】
[0007]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种穿戴型下肢助力机器人的折叠方法，该机器人可有效减轻穿戴于人体的负重感，具有安全性能高、人机协调控制简单、随动助力效果好、性价比高等特点，通过其折叠方法可将该机器人转变为结构紧凑的便携形体，配合用于装运的手拉箱可以多种方式实现用户对该机器人的方便携带与收藏，以更好的满足中老年人群的行走及上下楼梯等日常活动护理需求。
[0008]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0009]本发明穿戴型下肢助力机器人的结构特点是设置:
[0010]一下肢助力机械装置，是在可穿戴的腰带的两侧对称设置可穿戴的助力机械腿；所述腰带的左右两侧分别固结一凸台，在所述腰带的后侧中部固定设置一支架；
[0011]一伺服控制系统，包括固定设置在所述支架的上面的微控制器、固定在支架的底部的锂电池组，固定在所述腰带的前侧的前方摔倒预测报警电路、固定在腰带的后侧的后方摔倒预测报警电路，以及固定设置在腰带左右两侧凸台上的手控操作器；
[0012]所述助力机械腿的结构设置为:
[0013]髋关节旋转限位盘的上端铰接于所述凸台的下部，并与髋关节圆盘的内侧固联；大腿连杆的圆盘状上部固联在第一心轴上，所述第一心轴通过第一滚动轴承和第二滚动轴承支承于所述髋关节圆盘的内侧并可绕髋关节圆盘的中心轴线旋转；
[0014]膝关节旋转限位盘固联在位于所述大腿连杆的下端的膝关节圆盘的内侧；直流伺服减速电机的机体固定安装在膝关节圆盘的外侧；小腿连杆的圆盘状的上端固联在所述直流伺服减速电机的输出轴上，所述直流伺服减速电机的输出轴通过第三滚动轴承和第四滚动轴承支承于所述膝关节圆盘的内侧并可绕膝关节圆盘的中心轴线旋转；
[0015]踝关节旋转限位盘固联在位于小腿连杆的下端的踝关节圆盘的内侧；脚板的圆盘状侧部固联在第二心轴上，所述第二心轴通过第五滚动轴承和第六滚动轴承支承于所述踝关节圆盘的内侧并可绕踝关节圆盘的中心轴线旋转；
[0016]所述大腿连杆的内侧通过大腿交互力传感器与大腿绷带相联，在所述小腿连杆的内侧通过小腿交互力传感器与小腿绷带相联；在所述脚板上固定设置脚部绷带；脚底分布式压力传感器呈多片分别固定设置在所述脚板上；
[0017]所述大腿交互力传感器由第一前盖板、第一弹性体和第一后盖板组成；所述第一前盖板的一侧与所述大腿绷带固联，所述第一后盖板的一侧与所述大腿连杆的内侧固联，所述第一弹性体联接于所述第一前盖板与所述第一后盖板之间；在所述第一弹性体的十字弹性梁根部及端部对应位置处分别粘贴有圆周均布的四片第一应变片；
[0018]所述小腿交互力传感器由第二前盖板、第二弹性体和第二后盖板组成；所述第二前盖板的一侧与所述小腿绷带固联，所述第二后盖板的一侧与所述小腿连杆的内侧固联，所述第二弹性体联接于所述第二前盖板与所述第二后盖板之间；在所述第二弹性体的十字弹性梁根部及端部对应位置处分别粘贴有圆周均布的四片第二应变片；
[0019]本发明穿戴型下肢助力机器人的结构特点也在于:
[0020]在所述支架与所述小腿连杆之间设置腿部随动支撑弹性部件，所述腿部随动支撑弹性部件是由同轴设置的第一座套和第一杆芯构成，所述第一座套和第一杆芯在压缩力作用下相互间沿轴向可相对运动；所述第一座套的上端通过“L”形支架与所述支架以球铰相联，所述第一杆芯的下端与固联在所述小腿连杆外侧的凸座以球铰相联；
[0021]在所述脚板与所述小腿连杆之间设置脚部随动支撑弹性部件，所述脚部随动支撑弹性部件是由同轴设置的第二座套和第二杆芯构成，所述第二座套和第二杆芯在压缩力作用下相互间沿轴向可相对运动；所述第二座套的下端与固联在所述脚板后部的小铰座相铰接，所述第二杆芯的上端与呈悬臂固联在所述小腿连杆上的小支架的端部相铰接。
[0022]本发明穿戴型下肢助力机器人的结构特点还在于:设置折叠结构，是将所述大腿连杆分段设置为大腿上连杆和大腿下连杆，所述大腿上连杆和大腿下连杆是以大腿折叠部件可折叠式连接；将所述小腿连杆分段设置为小腿上连杆和小腿下连杆，所述小腿上连杆和小腿下连杆是以小腿折叠部件可折叠式连接；
[0023]所述大腿折叠部件的结构设置为:所述大腿折叠部件是由第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件构成的平面四杆机构，所述第一杆件固联在所述大腿上连杆的下部，所述第四杆件固联在所述大腿下连杆的上部，所述第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件依次首尾铰接；
[0024]所述小腿折叠部件的结构设置为:所述小腿折叠部件是由第一凸块、第二凸块和分别设置于所述小腿连杆前后两侧的螺杆构成，所述第一凸块固联在所述小腿上连杆的下部，所述第二凸块固联在所述小腿下连杆的上部；所述第一凸块与第二凸块沿侧部中心轴线铰接；所述螺杆分别通过第一凸块和第二凸块二者之一的螺孔旋入或旋出与之相对应的另一螺孔。
[0025]本发明穿戴型下肢助力机器人的折叠方法的特点是按如下步骤进行:
[0026]a、将所述腿部随动支撑弹性部件从所述助力机械腿上卸下，以所述大腿连杆与小腿连杆的中心连线处于相互重合位置时为初始状态，利用所述大腿折叠部件和小腿折叠部件依次将所述髋关节旋转限位盘的上端沿与所述凸台下部的铰接中心向外侧旋转90° ;
[0027]b、将所述助力机械腿在小腿折叠部件处向外侧对叠；
[0028]C、将所述助力机械腿在大腿折叠部件处向内侧对叠；即得穿戴型下肢助力机器人的便携形体；
[0029]本发明用于装运所述穿戴型下肢助力机器人的手拉箱的结构特点是:设置一可用于承装和拖运权利要求所述的穿戴型下肢助力机器人的便携形体和被卸装的腿部随动支撑弹性部件的箱体，在所述箱体的背部设置有背带，在所述箱体的不同侧面位置上分别设置有第一提手、第二提手、伸缩拉杆、脚轮以及托架，所述箱体可以利用所述托架支撑在支架上，并通过所述背带背于人体肩部。
[0030]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0031]1、本发明性能安全可靠。由于本发明穿戴型下肢助力机器人在膝关节圆盘处采用直流伺服减速电机驱动，输出力矩大，控制精度高；又由于本发明采用了大腿交互力传感器和小腿交互力传感器分别检测人机交互力的大小和方向，可及时准确地对人体运动信息做出判断和预测，同时设置了脚底分布式压力传感器作为对实时人机交互信息的辅助感知获取手段，使得用户在穿戴本发明下肢助力机器人进行自主行走和上下楼梯时具有平稳可靠的行走速度和较强的爬坡能力；本发明在结构上设置了髋关节旋转限位盘、膝关节旋转限位盘和踝关节旋转限位盘，可防止因关节旋转角度过大引起的人体骨骼损伤；当用户即将面临摔倒危险时，本发明可通过前、后方摔倒预测报警电路及时产生警示信号，用户随即可通过手控操作器的设置施加人为干预以矫正下肢助力机器人的运动姿态，使之产生更符合用户意向的合理行为。
[0032]2、本发明中腿部及脚部随动支撑弹性部件的结构设置简单合理，在压缩力作用下，腿部及脚部随动支撑弹性部件的座套和杆芯相互间沿轴向均可相对运动，可为用户在行走或上下楼梯时提供足够的辅助承载力，配合下肢助力机械装置可有效支撑用户的身体，改善了人机交互系统的整体受力性能，减少了人体在穿戴下肢助力机械装置行走过程中的负重感，促进了人机协调性。
[0033]3、本发明人机协调控制简单、随动助力效果好。腿部及脚部随动支撑弹性部件分别实现了本发明中助力机械腿对人体髋关节、踝关节的随动助力功能；在膝关节圆盘处的直流伺服减速电机直接驱动人体膝关节旋转的助力过程中，腿部随动支撑弹性部件在被动驱动人体髋关节旋转的同时，也起到了支撑腿部以上负载的作用，选择合适的腿部随动支撑弹性部件可使其在静止状态时就被负荷压缩，产生反作用力撑起负荷，从而可使人体所承受的负荷有效传递至脚底地面，在人体穿戴本发明下肢助力机器人行走时，压缩力又可被释放，推动人体髋关节转动；在双腿共同行走时，髋关节处的一个腿部随动支撑弹性部件起承载作用，另一个腿部随动支撑弹性部件起驱动髋关节转动的作用，左右腿的两个腿部随动支撑弹性部件交替进行，有效地实现了双腿的协调运动。
[0034]4、本发明便携性能实用，用户收藏方便。由于本发明设置了折叠结构，助力机械腿上设有大腿折叠部件和小腿折叠部件，在本发明穿戴型下肢助力机器人工作过程中，大腿连杆和小腿连杆均处于完全展开锁紧状态；而在本发明穿戴型下肢助力机器人工作完成后，用户可将大腿连杆和小腿连杆均调为最大对叠状态，同时设置髋关节圆盘、膝关节圆盘及踝关节圆盘处相关部件旋转到合适角度，可使本发明穿戴型下肢助力机器人转变为体积紧凑的便携形体，方便用户将其置入手拉箱内承装、拖运或收藏；又由于本发明手拉箱的箱体背部设置有背带，在箱体的不同侧面位置上分别设置有第一提手、第二提手、伸缩拉杆、脚轮以及托架，使得用户可以选用手拉式、手提式或者肩背式等三种不同方式对本发明穿戴型下肢助力机器人进行携带，以更好的适应不同使用环境和场合。
[0035]5、由于本发明穿戴型下肢助力机器人只具有膝关节圆盘处的直流伺服减速电机一个独立动力源，配合腿部及脚部随动支撑弹性部件，实现了对人体膝关节的主动助力以及对人体髋关节和踝关节的随动助力等多重功能，故系统能耗低且性价比高。
[0036]6、本发明可应用于下肢乏力或关节行动有所不便的中老年人群日常生活护理场合，帮助其在行走及上下楼梯时扩展下肢运动能力，对于肢体功能健全的普通人群来说，本发明也可作为徒步旅行时的代步工具或野外探险时的科考装备使用，具有广阔的产业化应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明总体机械结构前视图；
[0038]图2为本发明总体机械结构后视图；
[0039]图3a为本发明中髋关节处局部剖视图；
[0040]图3b为本发明中膝关节处局部剖视图；
[0041]图3c为本发明中踝关节处局部剖视图；
[0042]图4a为本发明中大腿交互力传感器处俯视图；
[0043]图4b为图4a的A-A视图；
[0044]图5a为本发明中小腿交互力传感器处俯视图；
[0045]图5b为图5a的B-B视图；
[0046]图6为本发明穿戴于人体示意图；
[0047]图7为本发明折叠后便携形体示意图；
[0048]图8a为本发明中便携式手拉箱合盖结构示意图；
[0049]图Sb为本发明中便携式手拉箱开盖结构示意图；
[0050]图9为本发明中使用者利用便携式手拉箱拖运下肢助力机器人示意图；
[0051]图10为本发明中大腿折叠部件结构示意图；
[0052]图1la为本发明中大腿折叠部件处于完全展开锁紧状态主视示意图；
[0053]图1lb为本发明中大腿折叠部件处于完全展开锁紧状态侧视示意图；
[0054]图12为本发明中小腿折叠部件结构示意图；
[0055]图13a为本发明中小腿折叠部件处于完全展开锁紧状态主视示意图；
[0056]图13b为本发明中小腿折叠部件处于完全展开锁紧状态侧视示意图；
[0057]图14a为本发明中腿部随动支撑弹性部件结构示意图；
[0058]图14b为本发明中脚部随动支撑弹性部件结构示意图；
[0059]图15为本发明中第二应变片分布示意图。
[0060]图中标号:1前方摔倒预测报警电路；2腰带；3凸台；4髋关节旋转限位盘；5髋关节圆盘；6大腿折叠部件；7大腿连杆；7A大腿上连杆；7B大腿下连杆；8直流伺服减速电机；8A机体；8B输出轴；9膝关节旋转限位盘；10小腿折叠部件；11小腿连杆；IIA小腿上连杆；11B小腿下连杆；12踝关节圆盘；13脚板；13A圆盘状侧部；14脚部绷带；15脚底分布式压力传感器；16后方摔倒预测报警电路；17支架；18微控制器；19锂电池组；20小铰座；21脚部随动支撑弹性部件；21A第二座套；21B第二杆芯；22小支架；23小腿绷带；24小腿交互力传感器；24A第二前盖板；24B第二弹性体；24C第二盖板；24D第二应变片；25凸座；26腿部随动支撑弹性部件；26A第一座套；26B第一杆芯；27大腿交互力传感器；27A第一前盖板；27B第一弹性体；27C第一后盖板；27D第一应变片；28大腿绷带；29 “L”形支架；30手控操作器；31第二杆件；32第三杆件；33第二凸块；34第一凸块；35螺杆；37伸缩拉杆；38第二提手；42第一提手；43脚轮；48助力机械腿；49便携形体；50第一杆件；51第四杆件；53膝关节圆盘；54箱体；55托架；56背带；57第一滚动轴承；58第二滚动轴承；59第一心轴；60第三滚动轴承；61第四滚动轴承；62第五滚动轴承；63第六滚动轴承；64第二心轴；65踝关节旋转限位盘。
【具体实施方式】
[0061]本实施例穿戴型下肢助力机器人的结构设置为:
[0062]参见图1、图2和图6，下肢助力机械装置是在可穿戴的腰带2的两侧对称设置可穿戴的助力机械腿48;腰带2的左右两侧分别固结一凸台3，在腰带2的后侧中部固定设置一支架17 ;助力机械腿48分别通过大腿绷带28、小腿绷带23和脚部绷带14绑到人体腿部及脚部，腰带2绑到人体腰部，支架17用于承载和安装微控制器18、锂电池组19、托架55以及箱体54 ；
[0063]伺服控制系统包括固定设置在支架17的上面的微控制器18、固定在支架17的底部的锂电池组19，固定在腰带2的前侧的前方摔倒预测报警电路1、固定在腰带2的后侧的后方摔倒预测报警电路16，以及固定设置在腰带左右两侧凸台3上的手控操作器30 ;其中，锂电池组19是穿戴型下肢助力机器人系统各部分的电力来源，与穿戴型下肢助力机器人之间采取通用接口方式相连接；微控制器18以系统设定的驱动模式及控制算法驱动直流伺服减速电机8按一定运行规律旋转和输出力矩，并根据直流伺服减速电机8附带的光电编码器、大腿交互力传感器27、小腿交互力传感器24以及脚底分布式压力传感器15等各感知模块检测到的人体运动参数信息，实时分析下肢助力机器人的真实运动情况，并将分析结果即时反馈给伺服控制系统自身，以发出相应指令对直流伺服减速电机8的工作状况加以调节，形成一闭环控制系统，体现穿戴型下肢助力机器人对人体助力的智能协调性；前方摔倒预测报警电路I和后方摔倒预测报警电路16均包含姿态检测传感器和加速度传感器，一方面对人体穿戴下肢助力机器人行走时的身体姿态信息和肢体加速度信息进行实时检测，另一方面在当检测信息趋于异常时可及时发出报警信号，微控制器18随之发出相应指令控制直流伺服减速电机8及时转变工况以防止人体摔倒行为的发生；手控操作器30的设置可协助用户人工干预穿戴型下肢助力机器人的助力模式，以更好的适应人性化操作。
[0064]助力机械腿48的结构设置为:
[0065]如图1和图3a所示，髋关节旋转限位盘4的上端铰接于凸台3的下部，并与髋关节圆盘5的内侧固联；大腿连杆7的圆盘状上部固联在第一心轴59上，第一心轴59通过第一滚动轴承57和第二滚动轴承58支承于髋关节圆盘5的内侧并可绕髋关节圆盘5的中心轴线旋转；其中，髋关节旋转限位盘4用于限定大腿连杆7绕人体髋关节的旋转活动范围，防止因旋转角度过大对人体髋关节造成损伤。
[0066]如图1和图3b所示，膝关节旋转限位盘9固联在位于大腿连杆7的下端的膝关节圆盘53的内侧；直流伺服减速电机8的机体8A固定安装在膝关节圆盘53的外侧；小腿连杆11的圆盘状的上端固联在直流伺服减速电机8的输出轴SB上，直流伺服减速电机8的输出轴SB通过第三滚动轴承60和第四滚动轴承61支承于膝关节圆盘53的内侧并可绕膝关节圆盘53的中心轴线旋转；其中，直流伺服减速电机8是穿戴型下肢助力机器人的动力装置，具体包括直流伺服电机、精密减速器和光电编码器等组件，可根据伺服控制系统发出的控制指令按一定规律输出转矩，驱动大腿连杆7与小腿连杆11之间产生相对旋转运动，继而通过穿戴于人体上的大腿绷带28和小腿绷带23带动人体大腿与小腿之间绕膝关节产生相对旋转运动，实现下肢助力机器人对人体膝关节的主动助力功能；膝关节旋转限位盘9用于限定小腿连杆11绕人体膝关节的旋转活动范围，防止因旋转角度过大对人体膝关节造成损伤。
[0067]如图1和图3c所示，踝关节旋转限位盘65固联在位于小腿连杆11的下端的踝关节圆盘12的内侧；脚板13的圆盘状侧部13A固联在第二心轴64上，第二心轴64通过第五滚动轴承62和第六滚动轴承63支承于踝关节圆盘12的内侧并可绕踝关节圆盘12的中心轴线旋转；其中，踝关节旋转限位盘65用于限定脚板13绕人体踝关节的旋转活动范围，防止因旋转角度过大对人体踝关节造成损伤。
[0068]如图1和图2所示，大腿连杆7的内侧通过大腿交互力传感器27与大腿绷带28相联，在小腿连杆11的内侧通过小腿交互力传感器24与小腿绷带23相联；大腿交互力传感器27及小腿交互力传感器24分别通过大腿绷带28和小腿绷带23绑在人体腿部人-机接触交互的最佳感知位置，用来检测人机交互力的大小和方向，以便及时准确地对人体运动信息做出判断和预测；在脚板13上固定设置脚部绷带14 ;脚底分布式压力传感器15呈多片分别固定设置在脚板13上，用来综合检测用户在穿戴下肢助力机器人行走时对脚板13的实时压力信息，作为对人机交互信息的辅助感知获取手段。
[0069]如图1、图2、图4a和图4b所不,大腿交互力传感器27由第一前盖板27A、第一弹性体27B和第一后盖板27C组成；第一前盖板27A的一侧与大腿绷带28固联,第一后盖板27C的一侧与大腿连杆7的内侧固联，第一弹性体27B联接于第一前盖板27A与第一后盖板27C之间；当用户在穿戴下肢助力机器人行走时，大腿绷带28上的人机交互力通过第一前盖板27A传至第一弹性体27B上，引起第一弹性体27B发生应变，进而引起第一应变片27D的电阻发生变化，在第一弹性体27B的十字弹性梁根部及端部对应位置处分别粘贴有圆周均布的四片第一应变片27D，从而在相互垂直的方向上形成两组惠斯通桥路，分别用于测量相互垂直方向上的两组应变值，进而可分别检测出沿大腿方向以及垂直于大腿方向上的人机交互力大小；第一后盖板27C—方面用来对第一应变片27D及放大电路板进行密封保护，另一方面用来对相关引线进行固定。
[0070]如图1、图2、图5a和图5b所示，小腿交互力传感器24由第二前盖板24A、第二弹性体24B和第二后盖板24C组成；第二前盖板24A的一侧与小腿绷带23固联，第二后盖板24C的一侧与小腿连杆11的内侧固联，第二弹性体24B联接于第二前盖板24A与第二后盖板24C之间；当用户在穿戴下肢助力机器人行走时，小腿绷带23上的人机交互力通过第二前盖板24A传至第二弹性体24B上，引起第二弹性体24B发生应变，进而引起第二应变片24D的电阻发生变化，在第二弹性体24B的十字弹性梁根部及端部对应位置处分别粘贴有圆周均布的四片第二应变片24D，从而在相互垂直的方向上形成两组惠斯通桥路，分别用于测量相互垂直方向上的两组应变值，进而可分别检测出沿小腿方向以及垂直于小腿方向上的人机交互力大小；第二后盖板24C —方面用来对第二应变片24D及放大电路板进行密封保护，另一方面用来对相关引线进行固定，如图15所示，第一应变片27D与第二应变片24D有着相同的分布形式。
[0071]具体实施中，相应的结构设置也包括:
[0072]如图1、图2和图14a所示，在支架17与小腿连杆11之间设置腿部随动支撑弹性部件26，腿部随动支撑弹性部件26是由同轴设置的第一座套26A和第一杆芯26B构成，第一座套26A和第一杆芯26B在压缩力作用下相互间沿轴向可相对运动；第一座套26A的上端通过“L”形支架29与支架17以球铰相联，第一杆芯26B的下端与固联在小腿连杆11外侧的凸座25以球铰相联；其中，腿部随动支撑弹性部件26实现了穿戴型下肢助力机器人对人体髋关节的随动助力功能，在被动驱动人体髋关节旋转的同时，也起到了支撑腿部以上负载的作用，选择合适的腿部随动支撑弹性部件26可使其在静止状态时就被负荷压缩，产生反作用力撑起负荷，从而可使人体所承受的负荷有效传递至脚底地面，在人体穿戴下肢助力机器人行走时，压缩力又可被释放，推动人体髋关节转动；在双腿共同行走时，髋关节处的一个腿部随动支撑弹性部件26起承载作用，另一个腿部随动支撑弹性部件26起驱动髋关节转动的作用，左右腿的两个腿部随动支撑弹性部件26交替进行，有效地实现了双腿的协调运动，减少了用户在穿戴下肢助力机械装置行走过程中的负重感，促进了人机协调性。
[0073]如图1、图2和图14b所示，在脚板13与小腿连杆11之间设置脚部随动支撑弹性部件21，脚部随动支撑弹性部件21是由同轴设置的第二座套21A和第二杆芯21B构成，第二座套21A和第二杆芯21B在压缩力作用下相互间沿轴向可相对运动；第二座套21A的下端与固联在脚板13后部的小铰座20相铰接，第二杆芯21B的上端与呈悬臂固联在小腿连杆11上的小支架22的端部相铰接；其中，脚部随动支撑弹性部件21实现了穿戴型下肢助力机器人对人体踝关节的随动助力功能，在被动驱动人体踝关节旋转的同时，也起到了支撑脚部以上负载的作用，选择合适的脚部随动支撑弹性部件21可使其在静止状态时就被负荷压缩，产生反作用力撑起负荷，从而可使人体所承受的负荷有效传递至脚底地面，在人体穿戴下肢助力机器人行走时，压缩力又可被释放，推动人体踝关节转动；脚部随动支撑弹性部件21与腿部随动支撑弹性部件26相配合，共同起到对人体下肢的随动助力、运动缓冲及辅助支撑作用；这里，腿部随动支撑弹性部件26或脚部随动支撑弹性部件21的实现形式可以为气弹簧，也可以为带导向筒的大行程线性压缩弹簧。
[0074]如图1所示，设置折叠结构是将大腿连杆7分段设置为大腿上连杆7A和大腿下连杆7B，大腿上连杆7A和大腿下连杆7B是以大腿折叠部件6可折叠式连接；将小腿连杆11分段设置为小腿上连杆IlA和小腿下连杆11B，小腿上连杆IlA和小腿下连杆IlB是以小腿折叠部件10可折叠式连接；大腿折叠部件6及小腿折叠部件10可用来对下肢助力机械装置进行展开锁紧或折叠收起，便于用户对下肢助力机器人在穿戴工作与收藏携带之间进行功能切换。
[0075]如图10、图1la和图1lb所示，大腿折叠部件6的结构设置为:大腿折叠部件6是由第一杆件50、第二杆件31、第三杆件32和第四杆件51构成的平面四杆机构，第一杆件50固联在大腿上连杆7A的下部，第四杆件51固联在大腿下连杆7B的上部，第一杆件50、第二杆件31、第三杆件32和第四杆件51依次首尾铰接；现将各铰接中心依次记为E1、E2、E3和E4，若稍用力扳动第三杆件32的末端钩体，使得El、E2、E3三点共线并满足El位于E2和E3之间的位置，则该平面四杆机构处于死点工作状态，便可将第一杆件50和第四杆件51夹持紧固，而反向扳动第三杆件32的末端钩体即可解除对第一杆件50和第四杆件51的夹持状态；因此，用户通过合理操作大腿折叠部件6的动作即可十分方便地实现对大腿连杆7的展开锁紧或对叠功能。
[0076]如图12、图13a和图13b所示，小腿折叠部件10的结构设置为:小腿折叠部件10是由第一凸块34、第二凸块33和分别设置于小腿连杆11前后两侧的螺杆35构成，第一凸块34固联在小腿上连杆IlA的下部，第二凸块33固联在小腿下连杆IlB的上部；第一凸块34与第二凸块33沿侧部中心轴线铰接；螺杆35分别通过第一凸块34和第二凸块33 二者之一的螺孔旋入或旋出与之相对应的另一螺孔；当手动调整第一凸块34与第二凸块33沿铰接中心的夹角直至螺杆35与相对应的另一螺孔处于同轴位置时，分别扭动小腿连杆11前后两侧的螺杆35直至啮合进入与之相对应的另一螺孔中的最深位置，即可将第一凸块34与第二凸块33紧固连接；分别反向扭动小腿连杆11前后两侧的螺杆35直至从与之相对应的另一螺孔中的最深位置完全退出，即可解除第一凸块34与第二凸块33的紧固连接状态；因此，用户通过合理操作小腿折叠部件10的动作即可十分方便地实现对小腿连杆11的展开锁紧或对叠功能。
[0077]如图6和图7所示，穿戴型下肢助力机器人的折叠方法按如下步骤进行:
[0078]1、将腿部随动支撑弹性部件26从助力机械腿48上卸下，以大腿连杆7与小腿连杆11的中心连线处于相互重合位置时为初始状态，利用大腿折叠部件6和小腿折叠部件10依次将髋关节旋转限位盘4的上端沿与凸台3下部的铰接中心向外侧旋转90° ;
[0079]2、将助力机械腿48在小腿折叠部件10处向外侧对叠；
[0080]3、将助力机械腿48在大腿折叠部件6处向内侧对叠；即得穿戴型下肢助力机器人的便携形体49 ；
[0081 ] 如图6、图7、图8a、图8b和图9所示，设置用于装运穿戴型下肢助力机器人的手拉箱，是设置一可用于承装和拖运穿戴型下肢助力机器人的便携形体49和被卸装的腿部随动支撑弹性部件26的箱体54，其中箱体54的空间三维尺寸应与便携形体49的外形尺寸及体积相适应；在箱体54的背部设置有背带56，在箱体54的不同侧面位置上分别设置有第一提手42、第二提手38、伸缩拉杆37、脚轮43以及托架55 ;箱体54的结构设置方式既便于用户选用手拉式、手提式或者肩背式等三种不同方式对穿戴型下肢助力机器人进行携带，又有利于用户在不使用穿戴型下肢助力机器人时对其进行收藏；在穿戴型下肢助力机器人工作过程中，内空的箱体54 —方面通过背带56背于人体肩部，另一方面利用托架55支撑在支架17上，此时箱体54施加到人体上的绝大部分负荷被腿部随动支撑弹性部件26所承载，有效地减少了人体在穿戴下肢助力机械装置行走过程中的负重感；而在穿戴型下肢助力机器人工作结束后，用户可通过伸缩拉杆37轻松地将内部装有便携形体49的箱体54进行手拉托运；而当遇到不适合手拉式携带的地形环境时，用户可通过第一提手42或第二提手38将内部装有便携形体49的箱体54进行手提式携带，也可通过背带56进行肩背式携带；总之，通过以上三种不同携带方式，可使用户更好的适应不同使用环境和场合。
[0082]本实施方式的穿戴型下肢助力机器人可应用于下肢乏力或关节行动有所不便的中老年人群日常生活护理场合，帮助其在行走及上下楼梯时扩展下肢运动能力，对于肢体功能健全的普通人群来说，本实施方式的穿戴型下肢助力机器人也可作为徒步旅行时的代步工具或野外探险时的科考装备使用，帮助其增强步行时携带重物的运动能力，提高运动极限，减轻疲劳感；本实施方式的穿戴型下肢助力机器人能耗低且性价比高，具有广阔的产业化应用前景。
【权利要求】
1.一种穿戴型下肢助力机器人的折叠方法，其特征是:设置所述穿戴型下肢助力机器人的结构形式为: 一下肢助力机械装置，是在可穿戴的腰带(2)的两侧对称设置可穿戴的助力机械腿(48);所述腰带(2)的左右两侧分别固结一凸台(3)，在所述腰带(2)的后侧中部固定设置一支架(17)； 一伺服控制系统，包括固定设置在所述支架(17)的上面的微控制器(18)、固定在支架(17)的底部的锂电池组(19)，固定在所述腰带(2)的前侧的前方摔倒预测报警电路(I)、固定在腰带(2)的后侧的后方摔倒预测报警电路(16)，以及固定设置在腰带左右两侧凸台(3)上的手控操作器(30)； 所述助力机械腿(48)的结构设置为: 髋关节旋转限位盘(4)的上端铰接于所述凸台(3)的下部，并与髋关节圆盘(5)的内侧固联；大腿连杆(7)的圆盘状上部固联在第一心轴(59)上，所述第一心轴(59)通过第一滚动轴承(57)和第二滚动轴承(58)支承于所述髋关节圆盘(5)的内侧并可绕髋关节圆盘(5)的中心轴线旋转； 膝关节旋转限位盘(9)固联在位于所述大腿连杆(7)的下端的膝关节圆盘(53)的内侧；直流伺服减速电机⑶的机体(8A)固定安装在膝关节圆盘(53)的外侧；小腿连杆(11)的圆盘状的上端固联在所述直流伺服减速电机(8)的输出轴(SB)上，所述直流伺服减速电机(8)的输出轴(SB)通过第三滚动轴承￠0)和第四滚动轴承￠1)支承于所述膝关节圆盘(53)的内侧并可绕膝关节圆盘(53)的中心轴线旋转； 踝关节旋转限位盘￠5)固联在位于小腿连杆(11)的下端的踝关节圆盘(12)的内侧；脚板(13)的圆盘状侧部(13A)固联在第二心轴￠4)上，所述第二心轴￠4)通过第五滚动轴承￠2)和第六滚动轴承￠3)支承于所述踝关节圆盘(12)的内侧并可绕踝关节圆盘(12)的中心轴线旋转； 所述大腿连杆(7)的内侧通过大腿交互力传感器(27)与大腿绷带(28)相联，在所述小腿连杆(11)的内侧通过小腿交互力传感器(24)与小腿绷带(23)相联；在所述脚板(13)上固定设置脚部绷带(14);脚底分布式压力传感器(15)呈多片分别固定设置在所述脚板(13)上； 所述大腿交互力传感器(27)由第一前盖板(27A)、第一弹性体(27B)和第一后盖板(27C)组成；所述第一前盖板(27A)的一侧与所述大腿绷带(28)固联，所述第一后盖板(27C)的一侧与所述大腿连杆(7)的内侧固联，所述第一弹性体(27B)联接于所述第一前盖板(27A)与所述第一后盖板(27C)之间；在所述第一弹性体(27B)的十字弹性梁根部及端部对应位置处分别粘贴有圆周均布的四片第一应变片(27D)； 所述小腿交互力传感器(24)由第二前盖板(24A)、第二弹性体(24B)和第二后盖板(24C)组成；所述第二前盖板(24A)的一侧与所述小腿绷带(23)固联，所述第二后盖板(24C)的一侧与所述小腿连杆(11)的内侧固联，所述第二弹性体(24B)联接于所述第二前盖板(24A)与所述第二后盖板(24C)之间；在所述第二弹性体(24B)的十字弹性梁根部及端部对应位置处分别粘贴有圆周均布的四片第二应变片(24D)； 设置折叠结构，是将所述大腿连杆(7)分段设置为大腿上连杆(7A)和大腿下连杆(7B)，所述大腿上连杆(7A)和大腿下连杆(7B)是以大腿折叠部件(6)可折叠式连接；将所述小腿连杆(11)分段设置为小腿上连杆(IlA)和小腿下连杆(IlB)，所述小腿上连杆(IIA)和小腿下连杆(IlB)是以小腿折叠部件(10)可折叠式连接； 所述大腿折叠部件￠)的结构设置为:所述大腿折叠部件(6)是由第一杆件(50)、第二杆件(31)、第三杆件(32)和第四杆件(51)构成的平面四杆机构，所述第一杆件(50)固联在所述大腿上连杆(7A)的下部，所述第四杆件(51)固联在所述大腿下连杆(7B)的上部，所述第一杆件(50)、第二杆件(31)、第三杆件(32)和第四杆件(51)依次首尾铰接；所述小腿折叠部件(10)的结构设置为:所述小腿折叠部件(10)是由第一凸块(34)、第二凸块(33)和分别设置于所述小腿连杆(11)前后两侧的螺杆(35)构成，所述第一凸块(34)固联在所述小腿上连杆(IlA)的下部，所述第二凸块(33)固联在所述小腿下连杆(IIB)的上部；所述第一凸块(34)与第二凸块(33)沿侧部中心轴线铰接；所述螺杆(35)分别通过第一凸块(34)和第二凸块(33) 二者之一的螺孔旋入或旋出与之相对应的另一螺孔； 所述穿戴型下肢助力机器人的折叠方法是按如下步骤进行: a、将所述腿部随动支撑弹性部件(26)从所述助力机械腿(48)上卸下，以所述大腿连杆(7)与小腿连杆(11)的中心连线处于相互重合位置时为初始状态，利用所述大腿折叠部件(6)和小腿折叠部件(10)依次将所述髋关节旋转限位盘(4)的上端沿与所述凸台(3)下部的铰接中心向外侧旋转90° ; b、将所述助力机械腿(48)在小腿折叠部件(10)处向外侧对叠； C、将所述助力机械腿(48)在大腿折叠部件(6)处向内侧对叠；即得穿戴型下肢助力机器人的便携形体(49)。
2.根据权利要求1所述的穿戴型下肢助力机器人的折叠方法，其特征是: 在所述支架(17)与所述小腿连杆(11)之间设置腿部随动支撑弹性部件(26)，所述腿部随动支撑弹性部件(26)是由同轴设置的第一座套(26A)和第一杆芯(26B)构成，所述第一座套(26A)和第一杆芯(26B)在压缩力作用下相互间沿轴向可相对运动；所述第一座套(26A)的上端通过“L”形支架(29)与所述支架(17)以球铰相联，所述第一杆芯(26B)的下端与固联在所述小腿连杆(11)外侧的凸座(25)以球铰相联； 在所述脚板(13)与所述小腿连杆(11)之间设置脚部随动支撑弹性部件(21)，所述脚部随动支撑弹性部件(21)是由同轴设置的第二座套(21A)和第二杆芯(21B)构成，所述第二座套(21A)和第二杆芯(21B)在压缩力作用下相互间沿轴向可相对运动；所述第二座套(21A)的下端与固联在所述脚板(13)后部的小铰座(20)相铰接，所述第二杆芯(21B)的上端与呈悬臂固联在所述小腿连杆(11)上的小支架(22)的端部相铰接。
【文档编号】A61H3/00GK104257490SQ201410515251
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年6月26日 优先权日:2013年6月26日
【发明者】张强, 葛运建, 张丹, 双丰 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院