一种辅助负重人体下肢外骨骼的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种辅助负重人体下肢外骨骼，其特征在于该外骨骼为中心对称结构，且每侧由前部支链和后部支链组成，后部支链包括背包模块、后部连杆和储能模块；所述储能模块包括储能模块上连接轴、导缸上连杆、导缸下连杆、导缸上端盖、可控直线阻尼器、长弹簧挡板、长弹簧、短弹簧挡板、短弹簧、短弹簧导杆、短弹簧挡块、储能模块下连接轴和储能模块轴套；导缸上连杆与导缸下连杆通过导缸上端盖与导缸上连杆配合，构成移动副；导缸上端盖与导缸下连杆连接，导缸上连杆末端安装长弹簧挡板，导缸下连杆内安装长弹簧；短弹簧导杆上端与短弹簧挡板连接、下端安装短弹簧挡块，短弹簧导杆从中心穿过短弹簧直至短弹簧与短弹簧挡板接触，施加预紧力。
【专利说明】
一种辅助负重人体下肢外骨骼
技术领域
[0001]本实用新型涉及人体下肢外骨骼助行技术，具体为一种辅助负重人体下肢外骨骼。其特征是具有储能装置，能够辅助人体长时间、远距离的负重行走。
【背景技术】
[0002]外骨骼装置作为人类助行的装置，越来越受到各领域的重视，特别是人体辅助领域。现有助行外骨骼主要分为有外驱动和无外驱动两大类。其中有外驱动外骨骼驱动方式主要分为气动、液压、电机驱动等。而远距离辅助人体负重行走外骨骼主要采用电动驱动方式，如，2011年意大利Marco Fontana等人发表在IEEE ROBOTICS & AUTOMAT1N MAGAZINE? December 2014 34-44的论文，一个用于辅助人体负重的全身外骨骼(A Full-BodyExoskeleton for the Transport and Handling of Heavy Loads)，该夕卜骨豁自重 160kg、有22个自由度，采用电池提供能源电动驱动的方式，最大搬运负重为50kg，可持续运行I到2小时。又如，申请号为201310262919.3的中国实用新型专利报道，采用电机驱动、电池提供能量的方式，可应用于辅助军用士兵作战和辅助人体下肢康复。无外驱动外骨骼，如2007年美国JAMES WALSH等人发表在Humanoid Robotics Vol.4，N0.3 (2007) 487-506的论文一个辅助提升人体负重的被动下肢外骨骼(A Quas1-Passive Leg Exoskeleton forLoad-Carrying Augmentat1n)，该外骨骼自重11.7kg，可在负载为36kg的情况下将背包重量的80%传导至地面。但因机构本身质量大，且与人体步态适应程度较差，所以与人体在相同负载情况下比较，增加了 10%的人体耗氧量。
[0003]因传统带有驱动的人体外骨骼承载能力较差、刚度小、动态性能不好、笨重、能耗大、续航时间短;要增设控制器、传感器，且辅助人体外骨骼控制主要采用随动控制和预定义步态控制的方式，需要布置较多传感器，成本高、加工制造困难。从而无法在人体长时间远距离负重行走情况下使用，如地震救援、游客旅行、无电梯小区搬运重物上楼等。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种辅助负重人体下肢外骨骼。该外骨骼通过人体肌肉提供驱动动力，将人体负载的60-90%由外骨骼承担，并用储能元件模仿人体肌肉存储和释放势能，以减少人体关节转矩负载，实现长时间远距离辅助人体负重行走，减少人体骨骼受力和行走中能量的消耗，从而达到提升人体载重能力和延长行走持续时间的效果。
[0005]本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是:设计一种辅助负重人体下肢外骨骼，其特征在于该外骨骼为中心对称结构，且每侧由前部支链和后部支链两大部分组成，所述前部支链包括腰及鹘关节模块、膝关节模块、大腿模块、小腿模块、踝关节及脚部模块；腰及鹘关节模块下端通过鹘腿转动副与大腿模块上端连接，大腿模块下端通过大小腿转动副及腿膝转动副与小腿模块上端及膝关节模块前端连接，小腿模块下端通过腿踝转动副与踝关节及脚部模块连接；
[0006]所述后部支链包括背包模块、后部连杆和储能模块;后部连杆上端与背包模块后端通过后连杆上转动副连接，后部支链下端与储能t旲块上端及膝关节t旲块后端通过后连杆下转动副及储能模块上转动副连接;外骨骼左半部分和右半部分通过各自背包模块末端的背包转动副连接，外骨骼单侧前部支链上端及后部支链上端通过背包架杆前端、腰关节连接轴与腰关节转动副连接，外骨骼单侧前部支链及后部支链下端通过储能模块下连接轴、后脚部连杆与储能模块下转动副连接；
[0007]所述储能模块包括储能模块上连接轴、导缸上连杆、导缸下连杆、导缸上端盖、可控直线阻尼器、长弹簧挡板、长弹簧、短弹簧挡板、短弹簧、短弹簧导杆、短弹簧挡块、储能模块下连接轴和储能模块轴套;所述导缸上连杆与导缸下连杆通过导缸上端盖与导缸上连杆配合，构成移动副；导缸上端盖与导缸下连杆连接，导缸上连杆末端安装长弹簧挡板，导缸下连杆内安装长弹簧，长弹簧直径大于短弹簧安装于导缸下连杆内壁处;短弹簧导杆上端与短弹簧挡板连接、下端安装短弹簧挡块，短弹簧导杆从中心穿过短弹簧直至短弹簧与短弹簧挡板接触，整体嵌套于长弹簧内部并安装在导缸下连杆内，通过短弹簧挡块与导缸下连杆配合实现为短弹簧施加预紧力的目的，此设计可在人体步态中起到快速增加储能模块储能速度的效果;可控直线阻尼器安装于导缸下连杆内，与导缸上连杆配合，通过阻尼控制器控制可控直线阻尼器的锁死与打开状态;储能模块上连接轴与后部连杆下、膝关节后连杆连接，储能模块下连接轴通过储能模块轴套与后脚部连杆连接。
[0008]与现有技术相比，本实用新型辅助负重人体下肢外骨骼优点在于:该外骨骼为闭链机构，承载能力大、结构简单、稳定可控，包括储能元件，可辅助人体负重行走，减少人体骨骼受力及各关节负载转矩，其可将背包60-90%的重量通过外骨骼传导至地面，且可减少人体行走负载转矩的11.9-13.4%，具有质量轻、体积小、承载大、适应人体步态、续航时间长等特点。
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型辅助负重人体下肢外骨骼一种实施例的整体等轴测三维线框示意图。
[0010]图2为本实用新型辅助负重人体下肢外骨骼一种实施例的左视结构示意图。
[0011 ]图3为本实用新型辅助负重人体下肢外骨骼一种实施例的等轴测示意图。
[0012]图4为本实用新型辅助负重人体下肢外骨骼一种实施例的储能元件剖面(图2中的A-A)结构示意图。
[0013]图5为本实用新型辅助负重人体下肢外骨骼一种实施例穿戴于人体的等轴测三维结构示意图。
[0014]图1-5中，1.前部支链，2.后部支链，11.腰及鹘关节模块，12.大腿模块，13.膝关节模块，14.小腿模块，15.踝关节及脚部模块，21.背包模块，22.后部连杆，23.储能模块，111.耐磨轴套，112.腰关节连接轴，113.腰鹘外连接板，114.腰鹘内连接板，115.鹘关节连接轴，116.腰关节可控阻尼器，117.鹘关节可控阻尼器，121.大腿上连接板，122.大腿下连接板，123.大腿绑带连接器，131.膝关节后连杆，132.膝关节连接轴，133.膝关节可控阻尼器，134.膝关节轴套，141.小腿上连接板，142.小腿下连接板，143.小腿绑带连接器，151.踝关节可控阻尼器，152.前脚部连杆，153.脚部底板，154.后脚部连杆，155.脚部调节板，156.踝关节连接轴，157.脚底橡胶弹簧，158.脚部绑带连接孔，159.脚部轴套，211.背包，212.电池，213.阻尼控制器，214.背包架杆，215.背包支板，216.腰带连接器，217.背包架杆连接轴，218.鹘部横向转动销轴，219.背包模块轴套，221.后部连杆上，222.后部连杆下，223.后连杆轴套，231.储能模块上连接轴，232.导缸上连杆，233.导缸下连杆，234.导缸上端盖，235.可控直线阻尼器，236.长弹簧挡板，237.长弹簧，238.短弹簧挡板，239.短弹簧，23a.短弹簧导杆，23b.短弹簧挡块，23c.储能模块下连接轴，23d.储能模块。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例及其附图进一步叙述本实用新型。具体实施例仅用于详细说明本实用新型的下肢外骨骼，不限制本申请权利要求的保护范围。
[0016]本实用新型设计的辅助负重人体下肢外骨骼(简称外骨骼，参见图1-5)为中心对称结构，且每侧外骨骼包括前部支链I和后部支链2两大部分。
[0017]所述前部支链I包括腰及鹘关节模块11、大腿模块12、膝关节模块13、小腿模块14、踝关节及脚部模块15;腰及鹘关节模块11下端通过鹘腿转动副与大腿模块12上端连接，大腿模块12下端通过大小腿转动副及腿膝转动副与小腿模块14上端及膝关节模块13前端连接，小腿模块14下端通过腿踝转动副与踝关节及脚部模块15连接。
[0018]所述后部支链2包括背包模块21，后部连杆22及储能模块23(参见图1、2)。腰及鹘关节模块11由耐磨轴套111，腰关节连接轴112，腰鹘外连接板113，腰鹘内连接板114，鹘关节连接轴115，腰关节可控阻尼器116，鹘关节可控阻尼器117构成。大腿模块12由大腿上连接板121，大腿下连接板122，大腿绑带连接器123构成。膝关节模块13由膝关节后连杆131，膝关节连接轴132，膝关节可控阻尼器133和膝关节轴套134组成。小腿模块14由小腿上连接板141，小腿下连接板142，小腿绑带连接器143。踝关节及脚部模块15由踝关节可控阻尼器151，前脚部连杆152，脚部底板153，后脚部连杆154，脚部调节板155，踝关节连接轴156，脚底胶皮弹簧157，脚部绑带连接孔158及脚部轴套159构成。后部连杆22包括后部连杆上221、后部连杆下222和后连杆轴套223(参见图1、2、3)。
[0019]所述背包模块21包括背包211、电池212、阻尼控制器213、背包架杆214、背包支板215、腰带连接器216、背包架杆连接轴217、鹘部横向转动销轴218及背包模块轴套219(本实用新型实施例所有轴套均为耐磨轴套)。背包模块21采用两个背包架杆214通过鹘部横向转动销轴218连接，可实现鹘部横向摆动。背包支板215和腰带连接器216安装在背包架杆214上，而背包211、电池212、阻尼控制器213安装于背包支板215上，人体通过背包背带及腰带与背包模块21连接(即穿戴)。背包模块21和腰及鹘关节模块11通过腰关节连接轴112连接；腰及鹘关节模块11的腰鹘外连接板113、腰鹘内连接板114通过耐磨轴套111与腰关节连接轴112、鹘关节连接轴115连接，且腰关节连接轴112和鹘关节连接轴115上分别安装腰关节可控阻尼器116和鹘关节可控阻尼器117。腰及鹘关节模块11和大腿模块12通过鹘关节连接轴115连接，大腿上连接板121和大腿下连接板122通过腰形孔连接实现长度可调，其中大腿绑带连接器123安装在大腿上连接板121上，通过绑带与人体大腿连接。膝关节模块13通过膝关节连接轴132及膝关节轴套134与大腿模块12和小腿模块14连接，通过储能模块上连接轴231、后连杆轴套223与后部连杆22和储能模块23连接。小腿模块14，小腿上连接板141和小腿下连接板142通过腰形孔连接且长度可调，其中小腿绑带连接器143安装在小腿上连接板141上通过绑带与人体小腿连接。踝关节及脚部模块15通过踝关节连接轴156和脚部轴套159与小腿模块14连接，通过储能模块下连接轴23c和储能模块轴套23d与储能模块23连接，并通过前脚部连杆152、后脚部连杆154与脚部底板153连接;其中踝关节可控阻尼器151安装于踝关节连接轴156上，脚部底板153上安装有脚部调节板155，脚底胶皮弹簧157，并通过在脚部绑带连接孔158安装绑带与人体脚部连接。背包模块21与后部连杆22通过背包架杆连接轴217与背包模块轴套219连接，后部连杆上221与后部连杆下222通过腰形孔连接实现长度可调(参见图1、2、3)。
[0020]所述后部支链2中的储能模块23为本实用新型创新设计模块。它包括储能模块上连接轴231、导缸上连杆232、导缸下连杆233、导缸上端盖234、可控直线阻尼器235、长弹簧挡板236、长弹簧237、短弹簧挡板238、短弹簧239、短弹簧导杆23a、短弹簧挡块23b、储能模块下连接轴23c和储能模块轴套23d。
[0021]所述导缸上连杆232与导缸下连杆233通过导缸上端盖234与导缸上连杆232配合，构成移动副；导缸上端盖234与导缸下连杆233连接，导缸上连杆232末端安装长弹簧挡板236，导缸下连杆233内安装长弹簧237，其刚度在0.05-0.1kgf/mm之间，长弹簧237直径大于短弹簧安装于导缸下连杆内壁处;短弹簧239的刚度在0.2-0.5kgf/mm之间，短弹簧导杆23a上端与短弹簧挡板238连接、下端安装短弹簧挡块23b，短弹簧导杆23a从中心穿过短弹簧239直至短弹簧239与短弹簧挡板238接触，整体嵌套于长弹簧237内部并安装在导缸下连杆233内，通过短弹簧挡块23b与导缸下连杆233配合实现为短弹簧239施加预紧力的目的(实施例的预紧力大小在背包重量的15-50%)，此设计可在人体步态中起到快速增加储能模块储能速度的效果。可控直线阻尼器235安装于导缸下连杆233上，与导缸上连杆232配合，可通过阻尼控制器213控制可控直线阻尼器235的锁死与打开状态。其中储能模块上连接轴与后部连杆下、膝关节后连杆连接，储能t旲块下连接轴通过储能t旲块轴套与后脚部连杆连接(参见图4)。
[0022]本实用新型外骨骼采用闭链外骨骼结构设计，根据人体实际情况设计为中间对称机构，且本实用新型外骨骼共有8个自由度；包括腰部旋转自由度a(左、右腰部共有自由度)，鹘部横向摆动自由度b，右鹘自由度Cl，左鹘自由度c2，右膝自由度dl，左膝自由度d2，右踝自由度el和左踝自由度e2。
[0023]实用新型人分析人体行走状态发现，储能模块23在人体步态开始时，对人体关节转矩减小效果较小，但影响人体原有步态。故本实用新型设计该储能模块为带有预紧力的变刚度弹簧。换言之，储能模块为带有预紧力的变刚度储能模块，主要由弹簧导向机构、弹簧预紧机构、变刚度弹簧及可控直线阻尼器组成。前面所述储能模块结构即为带有预紧力的变刚度弹簧具体结构。其优点在于适应人体步态，且可有效减小人体负重行走过程中关节转矩负载。
[0024]本实用新型外骨骼通过背包背带、大腿绑带、小腿绑带与脚部绑带与人体穿戴连接(参见图5)。在人体负重行走过程中，依靠人体提供转矩，可将背包重量通过外骨骼传导至地面，并通过储能模块23实现储能和放能。实验表明，在40kg负载时，可减少人体总关节平均转矩11.9%。结合人体步态通过预定义步态控制各关节可控阻尼器的阻尼，进一步减少人体行走关节转矩5%以上。在人体负重站立状态下，通过阻尼控制器213控制可控直线阻尼器235锁死，可使人体在踝关节提供小转矩的情况下实现站立。实验表明，在40kg负载状态下，踝关节转矩为不穿戴外骨骼人体踝关节转矩的16.95%。
[0025]本实用新型外骨骼的工作原理和过程是:人体生物能利用率高的原因是人体在行走过程中，肌肉收缩可以储备人体浪费掉的能量，且在人体下一步动作时将存储的能量释放出来，减少人体肌肉的负载一一人体蓄能策略。通过借鉴人体蓄能策略，本设计外骨骼带有储能模块23，并结合人体步态，分析人体在负载行走情况下，骨骼受力及关节转矩状况，发现储能模块23在施加力较小的情况下，减少人体关节转矩不明显，但对人体步态影响大；为了不过多影响人体行走舒适度和有效储存背包重力势能，不宜设计储能模块23中弹簧刚度过大，应设计储能模块23中弹簧在人体步态中期刚度变大且带有预紧力。故该储能模块23设计为带有预紧力的变刚度弹簧，其中通过改变弹簧刚度来调节储能模块23的受力，施加预紧力用于快速增加储能模块23的施力大小，通过调节腰、鹘、膝、踝关节的可控阻尼，进一步减小行走中人体各关节所受转矩。在人体提供外骨骼各关节转矩状态下，背包重量可通过外骨骼传导至地面，减少人体骨骼受力。其原理借鉴载重手推车，搬运工人在搬运货物时，利用手推车承载货物的重力，而推动手推车移动时仅需要克服轮子与地面的阻力，从而大大减轻了搬运强度。
[0026]本实用新型外骨骼的突出优点在于，该外骨骼为闭链机构，承载能力大、结构简单、稳定可控，包括仿生储能元件及可控阻尼器。在无外部驱动情况下，即可正常使用，并同时减少人体骨骼受力及各关节负载转矩。实验表明，40kg负载时，可将背包60%的重量通过外骨骼传导至地面，减少人体行走负载转矩11.9%; 20kg负载时，则可将背包90%的重量通过外骨骼传导至地面，大幅减少了人体行走负载转矩13.4%;并具有质量轻、体积小、承载大、适应人体步态、续航时间长等特点。
[0027]本实用新型未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种辅助负重人体下肢外骨骼，其特征在于该外骨骼为中心对称结构，且每侧由前部支链和后部支链两大部分组成，所述前部支链包括腰及鹘关节模块、膝关节模块、大腿模块、小腿模块、踝关节及脚部模块;腰及鹘关节模块下端通过鹘腿转动副与大腿模块上端连接，大腿模块下端通过大小腿转动副及腿膝转动副与小腿模块上端及膝关节模块前端连接，小腿模块下端通过腿踝转动副与踝关节及脚部模块连接； 所述后部支链包括背包模块、后部连杆和储能模块;后部连杆上端与背包模块后端通过后连杆上转动副连接，后部支链下端与储能t旲块上端及膝关节t旲块后端通过后连杆下转动副及储能模块上转动副连接;外骨骼左半部分和右半部分通过各自背包模块末端的背包转动副连接，外骨骼单侧前部支链上端及后部支链上端通过背包架杆前端、腰关节连接轴与腰关节转动副连接，外骨骼单侧前部支链及后部支链下端通过储能模块下连接轴、后脚部连杆与储能模块下转动副连接； 所述储能模块包括储能模块上连接轴、导缸上连杆、导缸下连杆、导缸上端盖、可控直线阻尼器、长弹簧挡板、长弹簧、短弹簧挡板、短弹簧、短弹簧导杆、短弹簧挡块、储能模块下连接轴和储能模块轴套；所述导缸上连杆与导缸下连杆通过导缸上端盖与导缸上连杆配合，构成移动副；导缸上端盖与导缸下连杆连接，导缸上连杆末端安装长弹簧挡板，导缸下连杆内安装长弹簧，长弹簧直径大于短弹簧安装于导缸下连杆内壁处;短弹簧导杆上端与短弹簧挡板连接、下端安装短弹簧挡块，短弹簧导杆从中心穿过短弹簧直至短弹簧与短弹簧挡板接触，整体嵌套于长弹簧内部并安装在导缸下连杆内，通过短弹簧挡块与导缸下连杆配合实现为短弹簧施加预紧力的目的，此设计可在人体步态中起到快速增加储能模块储能速度的效果;可控直线阻尼器安装于导缸下连杆内，与导缸上连杆配合，通过阻尼控制器控制可控直线阻尼器的锁死与打开状态;储能模块上连接轴与后部连杆下、膝关节后连杆连接，储能模块下连接轴通过储能模块轴套与后脚部连杆连接。2.根据权利要求1所述的辅助负重人体下肢外骨骼，其特征在于所述长弹簧为压簧或直线气缸，压簧长度140mm-170mm，直径40mm-50mm，刚度为0.05-0.lkgf/mm;所述短弹簧为压黃或直线气缸，压黃长度I OOmm-130mm，直径25mm-35mm，刚度为0.2-0.5kgf/mm。3.根据权利要求1所述的辅助负重人体下肢外骨骼，其特征在于所述预紧力为背包重量的 15-50%。
【文档编号】B25J9/00GK205660711SQ201620528878
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】张建军, 李天宇, 王晓慧, 李为民, 吴锦辉, 杨飞飞, 兰萌
【申请人】河北工业大学