一种基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构的制作方法

本实用新型涉及一种外骨骼机构，特别是涉及一种基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构，属于人体助力技术领域。

背景技术：

外骨骼助力机器人将会提高人体的行走和活动的能力，使劳动人们的工作强度下降。制造、物流行业工人每天面临着大量机械式反复搬运重物的操作，腰部、肩部等部位承受巨大的负重压力，易产生腰椎间盘突出等职业病，同时工作效率不高。本方案提供一款外骨骼助力机器人，方便在工人工作过程中使用，减轻工作中身体的负重压力。

外骨骼本质便是一种能够固定在人体上的结构,它能够把人体做出的行为和机械系统的动能紧密联系起来,与此同时，可以为人提供需要的额外动力和运动能力,进而实现增强人体机能的效果。目前为止，外骨骼提供帮助的人群主要可以包括两类：一是在运动过程中具有障碍的人，如老年人、身体残疾的人、偏瘫的患者等，外骨骼技术给了这些人第二次如同正常人运动的机会；二是在运动能力方面需要提高的人，如医院抢救病人时，需要对病人实施心肺复苏的医生、在工作中，从事体力劳动的工人、医院里护理瘫痪病人的护士等。

现有技术的缺陷和不足：

1.目前已知的各类成熟驱动方案均有体积大、质量重、噪音大、耗能高的缺陷，没有一种驱动器能够和人类肌肉相比较。

2.可穿戴外骨骼机器人系统对电池功率的要求比较特殊，既要能保证小功率长时间输出(如行走、负重等)，又要有瞬时大功率输出的能力(如跑、跳等)，这样的能源系统现在尚不存在。

3.结构系统的柔顺性和轻便性也有很多问题，目前没有一套系统能够真正让人感到舒适。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的是为了提供一种基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构，外骨骼本质便是一种能够固定在人体上的结构，它能够把人体做出的行为和机械系统的动能紧密联系起来，与此同时，可以为人提供需要的额外动力和运动能力，进而实现增强人体机能的效。

本实用新型的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构，包括连接外骨骼、左侧肢体外骨骼以及右侧肢体外骨骼，所述右侧肢体外骨骼包括一端与所述连接外骨骼固定连接的体宽调节外骨骼、与所述体宽调节外骨骼另一端固定连接的髋关节助力器、固定在所述髋关节助力器一端的大腿外骨骼、一端与所述大腿外骨骼固定连接的膝关节助力器、设置在膝关节助力器另一端的小腿外骨骼以及设置在所述小腿外骨骼下端前侧与所述小腿外骨骼固定连接的挡块。

优选的，所述连接外骨骼一侧设有电源，所述电源上设有控制器，所述挡块内侧设有压力传感器。

优选的，所述髋关节助力器包括扁平力矩电机，所述扁平力矩电机一侧设有与所述扁平力矩电机固定连接被所述扁平力矩电机的电机输出轴洞穿的固定块，所述固定块上端焊接有与体宽调节外骨骼下端固定连接的连接块，所述固定块一侧旋转连接有与所述扁平力矩电机的电机输出轴固定连接的力矩输出单元，所述力矩输出单元下端焊接有与所述大腿外骨骼上端固定连接的力矩输出连接块。

优选的，所述连接块与体宽调节外骨骼通过连接件固定连接，所述固定件一侧与所述体宽调节外骨骼下端一侧螺母连接，所述固定件另一侧与所述连接块螺母连接，所述力矩输出连接块紧贴着所述大腿外骨骼一侧，并与所述大腿外骨骼螺母连接。

优选的，所述左侧肢体外骨骼与所述右侧肢体外骨骼对称分布，且它们结构相同，所述髋关节助力器与所述膝关节助力器结构相同，且所述膝关节助力器与所述大腿外骨骼之间的连接方式相同于所述髋关节助力器与所述体宽调节外骨骼之间的连接方式，所述膝关节助力器与所述小腿外骨骼之间的连接方式相同于所述髋关节助力器与所述大腿外骨骼之间的连接方式。

优选的，所述体宽调节外骨骼包括横杆、竖杆以及用于连接所述横杆与所述竖杆的弧形块，所述述横杆以及所述竖杆均与所述弧形块焊接，所述横杆与所述竖杆均为可伸缩杆。

优选的，所述体宽调节外骨骼、大腿外骨骼以及小腿外骨骼均为可伸缩结构。

本实用新型的有益技术效果：

1、针对需要髋关节、膝关节需要辅助动力的特殊从业人员及康复病人所设计的助力外骨骼机构，能够有效辅助大小腿的抬腿动作，减轻运动消耗及缓解肢体运动障碍。

2、外骨骼助力机器人总共有4个自由度，2个髋关节俯仰自由度和2个膝关节俯仰自由度，驱动采用的是超薄力矩电机，能够有效贴合身体，使结构更加紧凑。

3、三种训练模式，让步行动作更为流畅的“追踪模式”；引导使用者在行走时左右腿的弯曲的“对称模式”和调整使用者重心的“踏板模式”。

附图说明

图1为按照本实用新型的基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构的一优选实施例的整体结构示意图；

图2为按照本实用新型的基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构的一优选实施例的髋关节助力器的结构示意图；

图3为按照本实用新型的家用微型秸秆粉碎装置的基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构的体宽调节外骨骼的结构示意图；

图4为按照本实用新型的家用微型秸秆粉碎装置的基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构的总体控制系统原理框图。

图中：1-体宽调节外骨骼，2-髋关节助力器，3-大腿外骨骼，4-连接外骨骼，5-电源，6-挡块，7-膝关节助力器，8-小腿外骨骼，101-弧形块，102-横杆，103-竖杆，201-力矩输出单元，202-固定块，203-扁平力矩电机，204-力矩输出连接块，205-连接块。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本实用新型的技术方案，下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实用新型有以下实施例：

如图1-图3所示，实施例提供的一种基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构，包括连接外骨骼4、左侧肢体外骨骼以及右侧肢体外骨骼，右侧肢体外骨骼包括一端与连接外骨骼4固定连接的体宽调节外骨骼1、与体宽调节外骨骼1另一端固定连接的髋关节助力器2、固定在髋关节助力器2一端的大腿外骨骼3、一端与大腿外骨骼3固定连接的膝关节助力器7、设置在膝关节助力器7另一端的小腿外骨骼8以及设置在小腿外骨骼8下端前侧与小腿外骨骼8固定连接的挡块6。

在实施例中，如图1所示，连接外骨骼4一侧设有电源5，电源5上设有控制器，挡块6内侧设有压力传感器，控制器包括外部通信模块，控制系统，运动控制模块，意图判断模块；压力传感器上设有无线通信模块；髋关节助力器2上设有伺服控制单元，伺服控制单元上设有无线通信模块，压力传感器上的无线通信模块与伺服控制单元上的无线通信模块均连接控制器上的外部通讯模块。

在实施例中，髋关节外骨骼助力机器人包括了三种训练模式，让步行动作更为流畅的“追踪模式”；引导使用者在行走时左右腿的弯曲的“对称模式”和调整使用者重心的“踏板模式”。

在实施例中，如图2所示，髋关节助力器2包括被伺服控制单元控制的扁平力矩电机203，扁平力矩电机203一侧设有与扁平力矩电机203固定连接被扁平力矩电机203的电机输出轴洞穿的固定块202，固定块202上端焊接有与体宽调节外骨骼1下端固定连接的连接块205，固定块202一侧旋转连接有与扁平力矩电机203的电机输出轴固定连接的力矩输出单元201，力矩输出单元201下端焊接有与大腿外骨骼3上端固定连接的力矩输出连接块204，髋关节助力器2控制大腿外骨骼3的运动，从而控制穿戴者的髋关节的运动。

在实施例中，如图1所示，连接块205与体宽调节外骨骼1通过连接件9固定连接，固定件9一侧与体宽调节外骨骼1下端一侧螺母连接，固定件9另一侧与连接块5螺母连接，力矩输出连接块204紧贴着大腿外骨骼3一侧，并与大腿外骨骼3螺母连接，保持结构的合理性、稳定性的同时使装置拆装方便。

在实施例中，如图1所示，左侧肢体外骨骼与右侧肢体外骨骼对称分布，且它们结构相同，髋关节助力器2与膝关节助力器7结构相同，且膝关节助力器7与大腿外骨骼3之间的连接方式相同于髋关节助力器2与体宽调节外骨骼1之间的连接方式，膝关节助力器7与小腿外骨骼8之间的连接方式相同于髋关节助力器2与大腿外骨骼3之间的连接方式，结构整体类似，但是各自服务各自的人体结构。

在实施例中，如图1所示，体宽调节外骨骼1包括横杆102、竖杆103以及用于连接横杆102与竖杆103的弧形块101，述横杆102以及竖杆103均与弧形块101焊接，横杆102与竖杆103均为可伸缩杆，体宽调节外骨骼1、大腿外骨骼3以及小腿外骨骼8均为可伸缩结构，伸缩结构可调节大小，使机器适用于不同体格的人类。

实施例1：压力传感器上的无线通信模块与伺服控制单元上的无线通信模块均连接控制器上的外部通讯模块，控制器上的外部通讯模块还连接有智能设备，压力传感通过压力传感器上的无线通信模块把压力传感器测得的数据传送给控制器，控制器上的控制系统再把压力数据传送给意图判断模块，并命令意图判断模块通过压力数据判断意图，意图判断模块把判断的结果传送给控制系统，控制系统根据意图判断模块的判断结果来下达命令给运动控制模块，运动控制模块经外部通信模块发命令给伺服控制单元上设有无线通信模块，伺服控制单元接到命令后控制髋关节助力器2工作。

实施例2：穿戴好后，控制器开始记录使用者的步行数据。数据包括左右两条腿不同的用力程度，双腿步距、步频、身体倾斜等信息，通过数据了解情况后，使用者手动设定外骨骼助力机器人的各个助力器的发力程度来纠正和帮助使用者行走，外骨骼左右腿助力大小可调节，对于行动不便的人，上楼梯是一个更需要助力的环境，当腿做出向上的动作后，助力器就开始发力，停止动作后，助力也会立刻停止，同时该外骨骼机器人外部通信模块可以将穿戴者的身体状态及运动状态数据实时传输到App上，从而实现实时监控使用者的体征信息。

综上所述，在实施例中，实施例提供的一种基于助力器的髋、膝关节助力外骨骼机构能够有效辅助大小腿的抬腿动作，减轻运动消耗及缓解肢体运动障碍，总共有4个自由度，2个髋关节俯仰自由度和2个膝关节俯仰自由度，驱动采用的是超薄力矩电机，能够有效贴合身体，使结构更加紧凑，三种训练模式，让步行动作更为流畅的“追踪模式”；引导使用者在行走时左右腿的弯曲的“对称模式”和调整使用者重心的“踏板模式”。

以上所述，仅为本实用新型进一步的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。