一种纯人力外骨骼下肢系统的制作方法

本发明创造属于机械外骨骼技术领域，尤其是涉及一种纯人力外骨骼下肢系统。

背景技术

人体外骨骼助力机器人起源于美国1966年的哈德曼助力机器人的设想及研发，到今天整体仍处于研发阶段，能源供给装置以及高度符合人体动作敏捷及准确程度要求的控制系统和力的传递装置都有待大力投入研发和试验尝试。在外骨骼的研究成果方面以美国和日本技术研究最为先进。美国的重点在军事陆军作战，日本则更贴近日常生活及医疗辅助。我国在此领域还处在初级阶段，大部分停留在理论层面上，主要研究的应用为医学康复机械外骨骼的支撑机构、控制系统、伺服系统理论等。并没有复杂系统技术实体产品生产，我们在这一领域还和较为领先的日本美国相差甚远。

助力机器的本质就是将人类本身的力量和动作速度放大几倍甚至上千倍。外骨骼作为高精度模仿人类动作的机械，其技术的发展和优化不但为军事和医疗添翼，也将在未来建筑领域以及制造领域做出无法估量和比拟的贡献。

在可穿戴贴附型方面越来越趋向于材料的坚韧轻质化，能源的低耗化，控制的无缝化，驱动的流畅化。这就要求构造材料为坚韧质轻的弹性复合材料，使外骨骼在保障穿用者的的同时，减少能量消耗。其能源提供装置要尽可能的将自然能源转化为外骨骼所能使用的能源，并能保证支持做够长的时间。而其控制系统的安装，要求使用者穿上该装备后能够正常活动并保证动作流畅。

在建筑上，带助力的外骨骼将比一般塔吊，机械臂更为灵活精确的完成作业任务，有效降低人员伤亡事故等。人穿着建筑型外骨骼，不但可以提高人体负重能力，降低对劳动量和机械操作技术熟练程度，机械穿着在人体外，本身也是一种对人自身的保护。在制造方面也是如此。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种纯人力外骨骼下肢系统，以解决上述问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种纯人力外骨骼下肢系统，包括胯部组件和腿部组件，腿部组件包括腿部连接件一，腿部连接件一与胯部组件的端部铰接，腿部连接件一与大腿杆件的一端固接，大腿杆件的下部设置有与小腿随动的第四平行四边形运动机构，第四平行四边形运动机构的下端连接有具有延伸脚掌功能的第五平行四边形运动机构，第四平行四边形运动机构还铰接有用于放置足部的足下连接板，足下连接板与第五平行四边形运动机构通过连杆连接。

进一步的，胯部组件包括相对于横向连接件对称设置的一对胯部连接件一，胯部连接件一的一端的上端面与横向连接件的一端的下端面铰接，胯部连接件一的另外一端的下端面与胯部连接件二的一端上端面铰接，两个胯部连接件二相对于横向连接件对称设置，胯部连接件二的另外一端的上端面与胯部连接件三的一端的下端面铰接，胯部连接件三相对于横向连接件对称设置，胯部连接件三的另外一端与腿部组件的上端铰接。

进一步的，第四平行四边形运动机构包括大腿杆件、小腿杆件一、小腿杆件二和小腿杆件三，大腿杆件与小腿杆件三平行设置，小腿杆件一和小腿杆件二平行设置，小腿杆件一的一端和小腿杆件二的一端分别与大腿杆件铰接，小腿杆件三的端部分别与小腿杆件一的另一端、小腿杆件二的另一端铰接。

进一步的，足侧连接杆与小腿杆件一与小腿杆件三的铰接点铰接，足侧连接杆的下端内侧固接水平设置的足下连接板，足下连接板与足侧连接杆垂直设置。

进一步的，第五平行四边形运动机构包括l型直角连杆的前直角臂、脚步连杆、延伸脚掌和第五平行四边形运动机构的小腿杆件二的下部，l型直角连杆的直角处与小腿杆件二与小腿杆件三的铰接点处铰接，l型直角连杆的开口朝下，l型直角连杆的靠前的一端与脚步连杆的一端铰接，脚步连杆的另外一端与延伸脚掌的一端铰接，小腿杆件二的下端与延伸脚掌的另外一端铰接。

进一步的，l型直角连杆的靠后的一端与足后连杆的一端铰接，足后连杆的另外一端与足下连接板的后端铰接。

进一步的，延伸脚掌为直角形的结构，延伸脚掌的下端面为平面，延伸脚掌的斜面的两端分别与小腿杆件二和脚步连杆的端部铰接。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种纯人力外骨骼下肢系统具有以下优势：

(1)本发明创造能够更为灵活精确的完成作业任务，有效降低人员伤亡事故等，人穿着外骨骼，不但可以提高人体负重能力，降低对劳动量和机械操作技术熟练程度，机械穿着在人体外，本身也是一种对人自身的保护；

(2)本发明创造为纯人力驱动式，即无需外部动力源而直接由穿戴者利用自身肢体力量进行驱动，当人体腿部运动时，牵动与人体捆绑的机械部分同步运动，此部分机械再通过平行四边形结构带动外伸部分同时运动，从而达到了外延机器人外骨骼的设计要求；

(3)本发明创造利用较少的却是必要的自由度来实现辅助行走，这样既降低了机构的整体复杂程度，并且还能提高装置的效率，借助此外骨骼的辅助操作者可以完成一些高难度的任务。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例的纯人力外骨骼系统的结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的纯人力外骨骼上肢系统的结构示意图；

图3为本发明创造实施例所述的纯人力外骨骼躯干系统的结构示意图；

图4为本发明创造实施例所述的纯人力外骨骼下肢系统的结构示意图；

附图标记说明：

1、纯人力外骨骼上肢系统；101、大臂杆件；102、大臂横杆；103、大臂竖杆；104、大臂延伸件；105、小臂控制件；106、小臂控制横杆；107、小臂杆件；108、小臂延伸件；109、控制连接件；110、弯曲刚性杆；111、手部控制件；112、手臂延伸杆；2、纯人力外骨骼躯干系统；201、上横梁；202、下横梁；203、左边框；204、右边框；205、合页；206、躯干竖直杆；207、上连接件；208、上转动套；2081、凸起部；209、下转动套；2091、缺口部；210、下连接件；211、挡板；212、固定销；213、球面副；214、横向连接件；3、纯人力外骨骼下肢系统；301、胯部连接件一；302、胯部连接件二；303、胯部连接件三；304、大腿杆件；3041、腿部连接件一；3042、腿部连接件二；3043、腿部连接件三；305、小腿杆件一；306、小腿杆件二；307、小腿杆件三；308、足侧连接杆；309、足下连接板；310、l型直角连杆；311、脚步连杆；312、延伸脚掌；313、足后连杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1所示，一种纯人力外骨骼系统，包括纯人力外骨骼上肢系统1、纯人力外骨骼躯干系统2和纯人力外骨骼下肢系统3。纯人力外骨骼上肢系统1与纯人力外骨骼躯干系统2的侧部连接，纯人力外骨骼下肢系统3的上端与纯人力外骨骼躯干系统2的下端连接。

如图2所示，纯人力外骨骼上肢系统1包括一大臂杆件101，大臂杆件101的一端与纯人力外骨骼躯干系统2的侧框架铰接。大臂杆件101、一大臂横杆102和两个大臂竖杆103构成第一平行四边形运动机构。两个大臂竖杆103平行设置，大臂竖杆103的一端分别与大臂杆件101铰接，两个大臂竖杆103靠近大臂杆件101的另外一端且两者之间间隔设置，大臂横杆102与大臂杆件101平行设置，大臂横杆102的一端与纯人力外骨骼躯干系统2的侧框架铰接，两个大臂竖杆103的中部分别与大臂横杆102铰接。大臂竖杆103起到扩大肩部高度、传递大臂运动的作用。大臂横杆102为了增加第一平行四边形机构的稳定性和强度。为了更贴合人体，大臂竖杆103的下端固接有用于手臂佩戴的衔接物。

大臂延伸件104的一端固定在大臂杆件101与大臂横杆102铰接一端的大臂杆件101外侧。大臂延伸件104穿过大臂杆件101外侧的耳孔，大臂延伸件104可以沿自身的轴线转动。大臂延伸件104起到延长外骨骼尺寸，放大外骨骼运动的作用。大臂延伸件104的另外一端设置有第二平行四边形运动机构。第二平行四边形运动机构是控制小臂的平行四边形机构。第二平行四边形运动机构包括大臂延伸件104、小臂杆件107、小臂控制横杆106和小臂控制件105，小臂控制件105和小臂杆件107平行设置，小臂控制件105的一端和小臂杆件107分别与大臂延伸件104铰接，小臂控制横杆106与大臂延伸件104平行设置，小臂控制横杆106的两端分别与小臂控制件105和小臂杆件107的端部铰接。

小臂杆件107的一端朝前突出于大臂延伸件104，小臂杆件107的突出部与小臂延伸件108的一端固接，小臂延伸件108与小臂杆件107平行设置，小臂延伸件108的另外一端朝前延伸。小臂延伸件108的自由端用于安装手部装置。

小臂控制件105的内侧壁上固接有第三平行四边形运动机构。第三平行四边形运动机构用于解决由于大臂外延引起的关节不对齐的问题。第三平行四边形运动机构包括一控制连接件109、两个弯曲刚性杆110和一手部控制件111，控制连接件109与小臂控制件105平行设置，两个弯曲刚性杆110平行设置，两个弯曲刚性杆110的一端侧部分别与控制连接件109远离小臂控制件105的外侧壁的两端铰接，手部控制件111与控制连接件109平行设置，手部控制件111的两端分别与弯曲刚性杆110的另一端铰接。靠前设置的弯曲刚性杆110的前侧壁上固接有手臂延伸杆112，手臂延伸杆112朝前延伸。

小臂外骨骼上应用了两个平行四边形机构，分别是第二平行四边形运动机构和第三平行四边形运动机构。第二平行四边形运动机构的功能同大臂外骨骼中第一平行四边形运动机构的功能相同，是放大运动位移的作用。第三平行四边形运动机构则是用来解决由于尺寸变化引起的关节不重合的问题。

如图3所示，纯人力外骨骼躯干系统2包括躯干框架，躯干框架包括上、下横梁(201、202)，上、下横梁(201、202)的两端分别与左、右边框(203、204)的端部通过合页205连接，合页205的一侧固定在上横梁201或者下横梁202的端部，合页205的另外一侧固定在左边框203或者右边框204的端部，合页205设置在躯干框架的同一侧。躯干框架的中部设置有竖直设置的躯干竖直杆206，躯干竖直杆206与躯干框架垂直，躯干竖直杆206的上端与上横梁201的中部固接，躯干竖直杆206的中部与下横梁202的中部固接。躯干竖直杆206的下端固接有上下部连接件。

上下部连接件包括上连接件207和下连接件210，上连接件207的上部与躯干竖直杆206的下端通过螺栓固接，上连接件207的下端固接有圆柱形上转动套208，下连接件210的上端固接有圆弧形的下转动套209，上转动套208与下转动套209同轴设置，上转动套208与下转动套209通过转轴串联后两侧的外端部通过挡板211与固定销212固定，上转动套208与下转动套209能够相对转动。上转动套208上设置有凸起部2081，下转动套209上开有与凸起部2081配合的缺口部2091，凸起部2081能够在缺口部2091转动，凸起部2081的横截面弧长小于缺口部2091的横截面弧长，这样就将限定了上转动套208能够相对于下转动套209转动限定的角度。上转动套208能够相对于下转动套209转动20度的角度。上转动套208与下转动套209的组合相当于人体的腰部。

下转动套209的下部为竖直连接部，竖直连接部的下端与球面副213的上端连接，球面副213的下端与横向连接件214的上端面固接，横向连接件214与纯人力外骨骼下肢系统3的胯部固接。球面副213的连接处也相当于人体的腰部，球面副213的设计保证纯人力外骨骼躯干系统2相对于纯人力外骨骼下肢系统3的左右转动。

如图4所示，纯人力外骨骼下肢系统3包括胯部组件和腿部组件。胯部组件包括相对于横向连接件214对称设置的一对胯部连接件一301，胯部连接件一301的一端的上端面与横向连接件214的一端的下端面铰接，胯部连接件一301的另外一端的下端面与胯部连接件二302的一端上端面铰接，两个胯部连接件二302相对于横向连接件214对称设置。胯部连接件二302的另外一端的上端面与胯部连接件三303的一端的下端面铰接，胯部连接件三303相对于横向连接件214对称设置，胯部连接件三303的另外一端与腿部组件的上端铰接。

胯部连接件一301、胯部连接件二302、胯部连接件三303三对铝合金杆组成了一组对称的四边形结构，具有稳定的结构特性，同时各连接处均以销钉连接保证了胯部处拥有足够的自由度跟随人体运动。

腿部组件包括腿部连接件一3041，腿部连接件一3041为u型结构，腿部连接件的两侧壁与胯部连接件三303的端部铰接。腿部连接件一3041的中间板与大腿杆件304的一端固接，大腿杆件304的另外一端固接有腿部连接件二3042，腿部连接件二3042与腿部连接件一3041的结构相同，靠近腿部连接件二3042的大腿杆件304上固接有腿部连接件三3043，腿部连接件二3042、腿部连接件三3043与腿部连接件一3041的结构相同。

腿部连接件三3043的端部与小腿杆件一305的一端铰接，腿部连接件二3042的端部与小腿杆件二306的一端铰接，小腿杆件三307与大腿杆件304平行设置，小腿杆件三307的两端分别与小腿杆件一305的一端、小腿杆件二306铰接。大腿杆件304、小腿杆件一305、小腿杆件二306和小腿杆件三307组成第四平行四边形运动机构。

足侧连接杆308的一端与小腿杆件一305的下端铰接，足侧连接杆308与小腿杆件一305与小腿杆件三307的铰接点铰接。足侧连接杆308的下端内侧固接有水平设置的足下连接板309，足下连接板309与足侧连接杆308垂直设置。

l型直角连杆310的直角处与小腿杆件二306与小腿杆件三307的铰接点处铰接，l型直角连杆310的开口朝下，l型直角连杆310的靠后的一端与足后连杆313的一端铰接，足后连杆313的另外一端与足下连接板309的后端铰接，l型直角连杆310的靠前的一端与脚步连杆311的一端铰接。脚步连杆311的另外一端与延伸脚掌312的一端铰接，小腿杆件二306的下端与延伸脚掌312的另外一端铰接。延伸脚掌312为直角形的结构，延伸脚掌312的下端面为平面，延伸脚掌312的斜面的两端分别与小腿杆件二306和脚步连杆311的端部铰接。l型直角连杆310的前直角臂、脚步连杆311、延伸脚掌312和小腿杆件二306的下部组成第五平行四边形运动机构。

分别将大腿杆件304与人体大腿采用绑带固定，小腿杆件一305与人体小腿固定，人脚踩踏于足下连接板309之上并用绑带固定，至此腿部组件与人体的连接已经完成。当人体进行抬脚动作时，足后连杆313向下运动而促使l型直角连杆310绕着直角处的铰接点做顺时针转动，l型直角连杆310的前直角臂牵引脚部连杆向上运动，从而使得延伸脚掌312随人体同步向上运动。

本发明创造在保证平行四边形的基础上，一边固定在躯干上，对另一端进行变化和调整，延长对边长度至所需要的倍数，所得到的即为放大想用倍数的运动轨迹(整体放大的外骨骼)。既可以使穿戴者延长其运动的距离，从而扩大工作范围，又可以帮助穿戴者完成人体本身无法单独完成的一些任务。通过多个连杆机构实现外延功能，其中以连杆的平行四边形结构为主要技术基础，各关节处利用销钉进行连接，从而得到外延式机器人外骨骼机械机构。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。