一种轻便型模块化助行外骨骼的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种下肢外骨骼，具体涉及一种轻便型模块化助行外骨骼。
【背景技术】
[0002]对于当前社会数百万由于脑卒中、脊髓损伤等导致下肢功能丧失的病患以及不断增长的老龄人口，穿戴式下肢外骨骼以其良好的拟人性与人机交互特点被寄予极大期望，其应用需求日益迫切。目前已有的以助老助残为目的的下肢助力外骨骼大多较为臃肿沉重，穿脱复杂，需依赖辅助人员，舒适性与穿戴感受较差，因而均停留在样机试验阶段，难以真正推广普及应用。而相对较为轻便的下肢外骨骼则多为被动辅助形式，助力效果十分有限，同时也不能应用于完全丧失下肢功能的残疾病患。
【发明内容】
[0003]本发明为解决现有用于助老助残的下肢外骨骼存在体积大、质量重、舒适度差、不能独立穿戴的问题，而提供一种轻便型模块化助行外骨骼。
[0004]本发明一种轻便型模块化助行外骨骼，其特征在于:所述下肢外骨骼包括腰背模块、两个大腿模块和两个小腿模块；
[0005]腰背模块包括腰背内侧壳、腰背外侧壳、两个内侧板、两个外侧板、腰带、两个上插拔锁扣和两个肩带，腰背内侧壳与腰背外侧壳前后平行设置，两个内侧板对称设置在腰背内侧壳的两侧，两个外侧板对称设置在腰背外侧壳的两侧，腰背内侧壳、腰背外侧壳、两个内侧板和两个外侧板形成一个空心腔体，腰带设置在内侧板的前端，且腰带的两端分别与其相对应的内侧板固接，两个上插拔锁扣分别置于内侧板与外侧板组成的两侧腔体中，且上插拔锁扣位于空心腔体的前端，两个肩带平行设置在腰背内侧壳的前面且固装在腰背内侧壳上；
[0006]每个大腿模块包括大腿基板、大腿外壳、两个关节支撑壳体、两个大腿捆绑带和两个关节驱动组件，每个关节驱动组件包括驱动电机、电机支撑法兰、小锥齿轮、大锥齿轮、小绳轮、传动钢丝绳、大绳轮、大绳轮轴、输出件、两个小绳轮轴承和两个大绳轮轴承，驱动电机固定在电机支撑法兰上，电机支撑法兰固定在大腿基板上，小锥齿轮与驱动电机的输出轴键连接，大锥齿轮与小锥齿轮啮合，大锥齿轮与小绳轮键连接，小绳轮的两端分别支撑在相对应的小绳轮轴承中，传动钢丝绳的一端缠绕在小绳轮上，传动钢丝绳的另一端绕过大绳轮后再绕回小绳轮上并固定在小绳轮上，大绳轮与大绳轮轴键连接，大绳轮轴的两端分别支撑在相对应的大绳轮轴承中，输出件固装在大绳轮上，两个大腿捆绑带上下正对设置且固定于大腿基板的内侧端面上，两个关节驱动组件上下反向设置在大腿基板的外侧端面上，且两个输出件分别朝上、朝下，两个关节支撑壳体对称设置在大腿外壳的上下端并构成外壳体，外壳体扣合在大腿基板的外侧端面上，两个小绳轮轴承和两个大绳轮轴承分别支撑在相应的大腿基板和关节支撑壳体上；
[0007]每个小腿模块包括小腿基板、小腿外壳、小腿支撑杆、柔性鞋垫、小腿捆绑带和下插拔锁扣，小腿捆绑带固定于小腿基板的内侧端面上，小腿外壳扣合在小腿基板的外侧端面上，下插拔锁扣置于小腿外壳与小腿基板组成的空心腔体中，且下插拔锁扣位于空心腔体的上端，小腿支撑杆的上端与小腿基板通过螺钉固连，小腿支撑杆的下端与柔性鞋垫固连；
[0008]两个大腿模块互为镜像设置在腰背模块的下面，两个小腿模块互为镜像设置在两个大腿模块的下面，且大腿捆绑带和小腿捆绑带均位于里侧，位于上方的输出件与上插拔锁扣相连，位于下方的输出件与下插拔锁扣相连。
[0009]本发明的技术方案具有以下有益效果:
[0010]—、本发明采用了模块化设计与插拔卡扣式组装的方法，使得下肢外骨骼整体分散为腰部、大腿(左右两条)及小腿(左右两条、含脚部)共五个模块，零散的模块十分利于携带，同时便于穿戴者坐着完成穿戴，同时插拔卡扣式组装的方式使得穿戴者可以独自完成穿戴，整个过程方便快捷。
[0011]二、各组合模块间的插拔连接采用了机械连接与电气连接一体化设计，避免了走线带来的问题，同时也提高了接线的可靠性。
[0012]三、将髋关节驱动组件与膝关节驱动组件一体化设计，均置于大腿模块中，设计的紧凑型布局极大地提升了空间利用率，减小了整体下肢外骨骼的体积，避免了结构臃肿。
[0013]四、关节驱动组件中，减速环节采用高速端齿轮加末端钢丝绳传动的形式，提高输出轴运动的稳定性，同时减小齿轮组所受的载荷，减少了齿轮的级数与体积，整体上减轻了关节重量，也提高了整体结构的紧凑性。
[0014]五、除去关键传动件外，整体结构框架均采用非金属材料，在满足承载能力要求的情况下大幅减轻整体重量，同时相对与金属结构提高了穿戴者在穿戴后的生理与心理舒适感。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构立体图；
[0016]图2是腰背模块I的结构立体图；
[0017]图3是图2的后视图；
[0018]图4是大腿模块2的结构立体图；
[0019]图5是大腿模块2(去掉大腿外壳2-3和两个关节支撑壳体2-2)的结构立体图；
[0020]图6是关节驱动组件2-5的结构立体图；
[0021]图7是图6的K向视图；
[0022]图8是关节驱动组件2-5的分解图(图中标记4为小绳轮轴承垫圈，标记5为大绳轮轴承垫圈)；
[0023]图9是驱动电机2-5-1、电机支撑法兰2-5-2、小锥齿轮2-5-3、大锥齿轮2-5-4、小绳轮2-5-5和两个小绳轮轴承2-5-6的连接关系示意图；
[0024]图10是小腿模块3的结构立体图；
[0025]图11是图10后视图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:结合图1?图11说明本实施方式，本实施方式包括腰背模块1、两个大腿模块2和两个小腿模块3;
[0027]腰背模块I包括腰背内侧壳1-3、腰背外侧壳1-4、两个内侧板1-1、两个外侧板1-2、腰带1-5、两个上插拔锁扣1-6和两个肩带1-7，腰背内侧壳1-3与腰背外侧壳1-4前后平行设置，两个内侧板1-1对称设置在腰背内侧壳1-3的两侧，两个外侧板1-2对称设置在腰背外侧壳1-4的两侧，腰背内侧壳1-3、腰背外侧壳1-4、两个内侧板1-1和两个外侧板1-2形成一个空心腔体，用于内部走线与电气安装，腰带1-5设置在内侧板1-1的前端，且腰带1-5的两端分别与其相对应的内侧板1-1固接，两个上插拔锁扣1-6分别置于内侧板1-1与外侧板1-2组成的两侧腔体中，且上插拔锁扣1-6位于空心腔体的前端，上插拔锁扣1-6用于与两侧大腿模块进行便捷插拔连接，两个肩带1-7平行设置在腰背内侧壳1-3的前面且固装在腰背内侧壳1-3上，肩带1-7与腰带1-5用于外骨骼与人体之间的捆绑连接；
[0028]每个大腿模块2包括大腿基板2-1、大腿外壳2-3、两个关节支撑壳体2-2、两个大腿捆绑带2-4和两个关节驱动组件2-5，每个关节驱动组件2-5包括驱动电机2-5-1、电机支撑法兰2-5-2、小锥齿轮2-5-3、大锥齿轮2-5-4、小绳轮2-5-5、传动钢丝绳2-5-7、大绳轮2-5-8、大绳轮轴2-5-9、输出件2-5-11、两个小绳轮轴承2-5-6和两个大绳轮轴承2-5-10，驱动电机2-5-1通过螺钉固定在电机支撑法兰2-5-2上，电机支撑法兰2-5-2通过螺钉固定在大腿基板2-1上，小锥齿轮2-5-3与驱动电机2-5-1的输出轴键连接，大锥齿轮2-5-4与小锥齿轮2-5-3啮合，大锥齿轮2-5-4与小绳轮2-5-5键连接，小绳轮2_5_5的两端分别支撑在相对应的小绳轮轴承2-5-6中，传动钢丝绳2-5-7的一端缠绕在小绳轮2-5-5上，传动钢丝绳2-5-7的另一端绕过大绳轮2-5-8后再绕回小绳轮上并固定在小绳轮2-5-5上，大绳轮2-5-8与大绳轮轴2-5-9键连接，大绳轮轴2-5-9的两端分别支撑在相对应的大绳轮轴承2-5-10中，输出件2-5-11通过螺钉固装在大绳轮2-5-8上，两个大腿捆绑带2-4上下正对设置且固定于大腿基板2-1的内侧端面上，两个关节驱动组件2-5上下反向设置在大腿基板2-1的外侧端面上，且两个输出件2-5-11分别朝上、朝下，两个关节支撑壳体2-2对称设置在大腿外壳2-3的上下端并构成外壳体，外壳体扣合在大腿基板2-1的外侧端面上，两个小绳轮轴承2-5-6和两个大绳轮轴承2-5-10分别支撑在相应的大腿基板2-1和关节支撑壳体2-2上；
[0029]每个小腿模块3包括小腿基板3-1、小腿外壳3-2、小腿支撑杆3-3、柔性鞋垫3-4、小腿捆绑带3-5和下插拔锁扣3-6，小腿捆绑带3-5固定于小腿基板3-1的内侧端面上，小腿外壳3-2扣合在小腿基板3-1的外侧端面上，下插拔锁扣3-6置于小腿外壳3-2与小腿基板3-1组成的空心腔体中，且下插拔锁扣3-6位于空心腔体的上端，通过下插拔锁扣3-6与输出件2-5-11的快速插拔相连，实现小腿模块3与大腿模块2的连接与分离，小腿支撑杆3-3的上端与小腿基板3-1通过螺钉固连，小腿支撑杆3-3的下端与柔性鞋垫3-4固连；
[0030]两个大腿模块2互为镜像设置在腰背模块I的下面，两个小腿模块3互为镜像设置在两个大腿模块2的下面，且大腿捆绑带2-4和小腿捆绑带3-5均位于里侧，位于上方的输出件2-5-11与上插拔锁扣1-6相连，位于下方的输出件2-5-11与下插拔锁扣3-6相连。
[0031]根据需求合理选择驱动电机2-5-1、小锥齿轮2-5-3、大锥齿轮2_5_4、小绳轮2_5_
5、大绳轮2-5-8的配比，调整整体的传动比，进而满足负载输出端转动与转矩的需求。
[0032]【具体实施方式】二:结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的肩带1-7和腰带1-5均采用柔性材料。这种材料便于捆绑。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0033]【具体实施方式】三:结合图8说明本实施方式，本实施方式的输出件2-5-11由倒U型拨叉2-5-11-1和输出杆2-5-11-2组成，倒U型拨叉2-5-11-1的倒U型壁下端设有安装槽2-5-11-3，输出杆2-5-11-2设置在倒U型拨叉2-5-11-1的上面，输出杆2-5-11-2与倒U型拨叉2-5-11-1的一侧倒U型壁正对，倒U型拨叉2-5-11-1与输出杆2-5-11-2制成一体。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一或二相同。
[0034]【具体实施方式】四:结合图8说明本实施方式，本实施方式的大绳轮2-5-8为轮辐式构型，大绳轮2-5-8的圆周上设有一平面2-5-8-1。由于大绳轮2-5-8为轮辐式构型，受到传动钢丝绳2-5-7作用的外圈与输出件2-5-11相连的内圈在运动过程中会有相对的微转动(即大绳轮2-5-8的轮辐变形)，从而使输出具有柔性特点。此外，通过检测轮辐上的变形量可以得知大绳轮2-5-8的负载转矩，即大绳轮2-5-8本身可以作为转矩传感器使用，从而经过控制器可以实现关节的反向驱动。通过设计大绳轮2-5-8外圆的形状与改变输出件2-5-11在大绳轮2-5-8上的安装位置可以调节输出件2-5-11的所需转动角度。其它组成及连接关系与【具体实施方式】三相同。
[0035]【具体实施方式】五:结合图8说明本实施方式，本实施方式为关节驱动组件2-5还包括绳预紧装置2-5-12，绳预紧装置2-5-12位于平面2-5-8-