基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，属于机器人应用领域。
【背景技术】
[0002]外骨骼机器人是一种可穿戴于使用者外侧的机械系统，它通过安装在各关节的驱动器，辅以角位移传感器以及关节力矩传感器，辅助使用者与外骨骼进行协调运动，实现助力、助行和康复治疗的功能。
[0003]当前，随着人类现代化社会的发，老龄化已逐渐成为一个社会化问题并且越来越严重。据统计，目前全世界60岁以上老年人口总数已超过6亿，其中有60多个国家的老年人口达到或已超过其人口总数的10%，步入了老龄化社会行列。我国作为人口大国也不例外，并且老龄化的趋势日益严重。由于老年人普遍存在体力不支，行走不便，力量、耐力不足等状况，使老龄化给家庭和社会都带来了巨大的压力和负担。因此，针对老年人的这种行走困难、吃力的状况，研究开发一种舒适的、提供助力的外骨骼，使其能够帮助老年人行走和负重，将会在一定程度上缓解老龄化的社会压力，具有重要的社会和经济价值。
[0004]目前，虽然传统轮式交通工具是远行与负重的主要方式，但是很多场合并不适用。比如在军事、科考、消防营救等领域，士兵、科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作业、登山探险等，这些特殊形式的运动无法借助传统的交通工具完成。基于军事、科考、消防等领域的需求，研制出穿戴式外骨骼机构十分有必要性。这种机构能为穿戴者提供充足的力量和耐力来增强的长距离行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。
[0005]在康复医疗方面，穿戴外骨骼也可以帮助残疾人或年老体弱者像健康的年轻人那样快速行走，上下楼梯等。这将大大减轻老龄化和下肢伤残带来的家庭和社会压力，也为医护人员带来了福音。综上可见，外骨骼机器人由于其自身的军事和商业应用价值，已成为近年来国内外学者的一个重点研究方向。
[0006]本专利设计的本套机构相比于现有机构，其主动自由度少，被动驱动自由度多，需要的驱动能量少，膝关节采用板簧结构，即能够使摆动相时步态比较自然，又能在支撑相时起到支撑关节的作用，在髋关节处机构采用位于髋关节与大腿杆之间的平衡拉簧机构，同时也在腰部使用板簧结构，一方面可以实现髋关节质心平衡，另一方面还可以起到缓冲、能量的存储和释放功能，最后在大腿杆采用冲量机构，起到在关键位姿时冲量机构实施能量补偿。
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明提供一种能够双套索驱动关节，通过髋关节板簧平衡机构和拉簧平衡机构实现机构的平衡和缓冲，通过膝关节板簧支撑机构实现膝关节储能、释能及预紧作用，同时添加冲量机构和弹性鞋底大幅度提高使用者使用舒适度，实现机构节能、舒适、高效、轻量化的节能半被动下肢外骨骼。
[0008]技术方案:
[0009]本发明公开了一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，包括髋关节机构、连接在所述髋关节机构下侧末端上的膝关节机构、连接在所述膝关节机构下侧末端的踝关节机构、设置在所述髋关节机构上的髋关节电机机构、设置在所述髋关节机构上的冲量电机机构，所述髋关节机构包括髋关节机构右和髋关节机构左，所述膝关节机构包括膝关节机构右和膝关节机构左，所述踝关节机包括踝关节机构右和踝关节机构左，所述髋关节电机机构包括髋关节电机机构右和髋关节电机机构左，所述冲量电机机构包括冲量电机机构右、冲量电机机构左和背板;其中，
[0010]所述髋关节机构左和髋关节机构右之间通过髋关节调节板左、髋关节调节板右连接，所述髋关节电机机构左固定在髋关节机构左上，髋关节机构左通过膝关节轴左与膝关节机构左连接，膝关节机构左通过踝关节球头轴承左与踝关节机构左连接;所述髋关节电机机构右固定在髋关节机构右上，髋关节机构右通过膝关节轴右与膝关节机构右连接，膝关节机构右通过踝关节球头轴承右与踝关节机构右连接;所述背板固定于髋关节调节板右上，冲量电机机构左和冲量电机机构右分别固定于背板的左右两端。
[0011]本发明的优选方案中，所述下肢外骨骼中髋关节机构左通过其中的髋关节调节板左、髋关节调节板右和髋关节机构右连接，髋关节电机机构左通过螺栓直接固定在髋关节机构左上，髋关节机构左通过膝关节轴左与膝关节机构左连接，膝关节机构左通过踝关节球头轴承左与踝关节机构左连接，髋关节电机机构右通过螺栓直接固定在髋关节机构右上，髋关节机构右通过膝关节轴右与膝关节机构右连接，膝关节机构右通过踝关节球头轴承右与踝关节机构右连接，冲量电机机构中的背板直接固定于髋关节调节板右上，冲量电机机构左和冲量电机机构右直接固定于背板上。
[0012]本发明的优选方案中，在外骨骼中左右大腿连接杆处添加了冲量机构，所述机构包括髋关节大腿杆右髋关节大腿杆滑块缓冲右，髋关节大腿杆滑块右，髋关节大腿杆滑杆一右，髋关节大腿杆滑杆二右，髋关节大腿杆左，髋关节大腿杆滑块缓冲左，髋关节大腿杆滑块左，髋关节大腿杆滑杆一左，髋关节大腿杆滑杆二左，在电机的作用下冲量机构可以在机构支撑相结束时提供机构一个沿大腿杆斜向上的作用力，使得机构可以获得一定的势能和向前的作用力，从而使得使用者在行走的过程中更省力更舒适。
[0013]本发明的优选方案中，在外骨骼髋关节处中使用板簧平衡机构，所述机构包括髋关节调节板右，髋关节调节板轴右，髋关节连接板右，髋关节扭簧挡板右，髋关节扭簧右，髋关节扭簧底板右，髋关节调节板左，髋关节调节板轴左，髋关节连接板左，髋关节扭簧挡板左，髋关节扭簧左，髋关节扭簧底板左，在板簧平衡机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构左右平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构的重力势能和弹性势能的相互转换的效果。
[0014]本发明的优选方案中，在外骨骼膝关节处中使用板簧支撑机构，所述机构包括髋关节大腿杆右，膝关节轴右，膝关节输出杆右，膝关节扭簧右，膝关节扭簧挡板右，髋关节大腿杆左，膝关节轴左，膝关节输出杆左，膝关节扭簧左，膝关节扭簧挡板左，由于板簧支撑机构髋关节大腿杆右，膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左，膝关节输出杆左中斜角的原因，板簧支撑机构原先就有一定的预紧力，使得髋关节大腿杆右与膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左与膝关节输出杆左不受外力时保持竖直关系，并且在机构支撑相时提供一定的辅助作用，此外板簧支撑机构在人体行走的不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构在摆动相过程中储能和释放能量的作用。
[0015]本发明的进一步改进方案中，机构髋关节处机构采用位于髋关节与大腿杆之间的平衡拉簧机构，所述机构包括髋关节连接板右，拉伸弹簧右，髋关节大腿杆右，髋关节弹簧杆右，髋关节连接板左，拉伸弹簧左，髋关节大腿杆左，髋关节弹簧杆左，在平衡拉簧机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构前后平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以向大腿提供向上的牵引力。
[0016]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0017](I)传统外骨骼机构在行走的过程中的势能变化都是靠人提供力来克服，会大大消耗人的体力同时加重关节的磨损。本发明通过在外骨骼中左右大腿连接杆处添加了冲量机构，在电机的作用下冲量机构可以在机构支撑相结束时提供机构一个沿大腿杆斜向上的作用力，使得机构可以获得一定的势能和向前的作用力，从而使得在行走的过程中使用者更省力更舒适，同时也能减少关节的磨损。
[0018](2)传统的外骨骼机器人在髋关节处不加平衡缓冲机构或者添加的机构结构复杂，体积笨重。本发明首次在外骨骼髋关节处中使用板簧平衡机构，机构简单，体积小，在板簧平衡机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构左右平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构的重力势能和弹性势能的相互转换的效果，从而达到节能的目的。
[0019](3)本发明中，在外骨骼机器人膝关节处设计了欠驱动机构，在膝关节处设计了板簧支撑机构，由于板簧支撑机构髋关节大腿杆右，膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左和膝关节输出杆左中设计的安装斜角的原因，板簧支撑机构原先就有一定的预紧力，使得髋关节大腿杆右与膝关节输出杆右，髋关节大腿杆左与膝关节输出杆左在不受外力时始终保持竖直关系，并且在机构支撑相时提供一定的辅助作用，此外板簧支撑机构在人体行走的不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以实现机构在摆动相过程中能量储存和释放的作用。
[0020](4)本发明中，在机构髋关节处机构采用位于髋关节与大腿杆之间的平衡拉簧机构，在平衡拉簧机构的作用下下肢外骨骼机构在人体站立的时候可以保持机构前后平面上平衡，而在人走的过程中不仅可以实现机构缓冲的目的，同时也可以向大腿提供向上的牵引力。
[0021](5)传统的外骨骼机器人直接将驱动部件安装于机器人的运动关节，机构整体笨重，功耗大。本发明能实现驱动电机与外骨骼关节的分离，驱动部件可以置于远离外骨骼运动范围的电机支架，有效减小运动关节的质量和惯量，降低功耗，有利于改善系统的控制性能和安全性能。
[0022](6)本发明结构简单，质量轻，并且机构对环境的适应性强，可以适用于各种地形场合，使得本发明可以运用于军事、民用等各个领域和众多场合。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的整体结构件示意图一；
[0024]图2为本发明的整体结构件示意图二；
[0025]图3为本发明的整体结构件示意图三；
[0026]图4为本发明的髋关节轴侧图；
[0027]图5为本发明的髋关节右正视图；
[0028]图6为本发明的髋关节右侧视图；
[0029]图7为本发明的髋关节左正视图；
[0030]图8为本发明的髋关节左侧视图；
[0031]图9本发明的膝关节右正视