下肢助力机械外骨骼的制作方法

本发明涉及一种下肢助力机械外骨骼。

背景技术：

目前，为了减轻人体劳动强度及提高工作效率，机械化已成为必要手段，然而现有部分机械化装备受一些外部条件限制，不能有效解决人高负重运动的问题；现有外骨骼技术大多采用液压驱动，成本昂贵，不易推广使用。申请号为201511019542.4的中国专利公开的结构中，弹簧储能弹跳外骨骼的驱动方式为电机通过丝杠螺母副带动绳索传动，绳索另一端连接在腿部的弹簧钩压件，使弹簧压缩储能，达到一定程度后由回程戳杆触发释放弹性势能，达到助力效果，该设计传动过于复杂，且效率较低，在完成人体行走时等下肢动作稳定性较差，造成一定的局限。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种下肢助力机械外骨骼，它能够增强人的高负重且灵活运动能力，具有低成本、使用方便、维护简单的特点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种下肢助力机械外骨骼，它包括：

背部支架；

大腿部分，所述大腿部分的顶部通过髋关节与背部支架铰接；

小腿部分，所述小腿部分的顶部通过膝关节与大腿部分的底部铰接；

膝关节驱动机构，所述膝关节驱动机构驱动所述膝关节动作，从而通过膝关节使小腿部分相对于大腿部分转动；

脚掌，所述脚掌通过踝关节与所述小腿部分的底部连接。

进一步提供了一种踝关节与脚掌的连接结构，所述踝关节为能够储存和释放弹性势能的弹性体结构，所述踝关节的顶部与所述小腿部分固定连接，所述踝关节的底部与所述脚掌固定连接。

进一步，所述脚掌也为能够储存和释放弹性势能的弹性体结构。

进一步提供了一种膝关节的具体结构，所述膝关节具有支架和转动体，所述转动体可旋转地支承在支架上，所述支架与大腿部分的底部固定连接，所述转动体与所述小腿部分的顶部固定连接，所述膝关节驱动机构用于驱动转动体在支架上转动。

进一步为了保证小腿部分弯曲和伸直时的极限位置在人腿的正常活动范围内，提高本外骨骼对人的保护功能，所述转动体和支架之间设置有限制转动体在支架上的转动角度范围的转动角度限位结构。

进一步提供了一种膝关节驱动机构的具体结构，所述膝关节驱动机构包括卷筒、缆绳、转向轮和卷筒旋转驱动组件，卷筒旋转驱动组件驱动卷筒旋转，所述缆绳卷绕在卷筒上，缆绳的牵引端通过转向轮转向后与所述转动体相连接。

进一步提供了一种卷筒旋转驱动组件的具体结构，所述卷筒旋转驱动组件包括电机和减速机，所述电机的输出轴与减速机的动力输入轴相连接，所述减速机的动力输出轴与卷筒传动连接。

进一步提供了另外一种踝关节与脚掌的连接结构，所述脚掌通过踝关节与所述小腿部分的底部铰接，并且它还包括驱动所述踝关节动作从而通过踝关节使脚掌相对于小腿部分转动的踝关节驱动机构；其中，所述外力驱动型踝关节和所述膝关节结构相同，所述踝关节驱动机构和膝关节驱动机构结构相同，所述外力驱动型踝关节的支架为踝关节支架，踝关节支架与小腿部分的顶部固定连接，所述外力驱动型踝关节的转动体为踝关节转动体，踝关节转动体与所述脚掌固定连接。

进一步，所述大腿部分和/或所述小腿部分为可调节长度的结构。

进一步，所述小腿部分包括上部和下部，上部与下部插接，并且上部和下部之间设置有调节上部插入下部的深度从而调节整体长度的调节机构。

进一步，所述调节机构包括弹性元件、销以及设置在下部上的多个销孔，所述上部设置有盲孔，所述弹性元件和销容置在盲孔内，并且弹性元件的一端与盲孔的底壁相抵，弹性元件的另一端与销相抵，销与所述销孔相插接配合。

进一步，所述脚掌通过踝关节与所述小腿部分的底部铰接，并且它还包括驱动所述踝关节动作从而通过踝关节使脚掌相对于小腿部分转动的踝关节驱动机构。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明通过驱动部件带动缆绳，在需要加力时，利用电机提供的动力，使关节伸展，当关节需要弯曲时，电机反转，放松缆绳，靠人力驱动，仅需克服外骨骼的重力，电机处于空载运行，大大节省了电力消耗；

2、弹性体结构的踝关节的使用，利用材料的特殊性能，通过储存和释放弹性势能完成脚掌的动作，提高能量利用率；

3、利用外力驱动的踝关节，利用与膝关节相同的驱动方式，使脚掌活动更加灵活；

4、本发明的外骨骼系统利用纯机械驱动形式，具有结构简单，操作方便，适用范围广，制造和使用成本低等优点。

附图说明

图1是本发明的踝关节为弹性体结构时下肢助力机械外骨骼的结构示意图；

图2是本发明的踝关节为外力驱动时下肢助力机械外骨骼的结构示意图；

图3是本发明的小腿部分的长度调节图；

图4是本发明的膝关节的驱动示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1、3、4所示，一种下肢助力机械外骨骼，它包括：

背部支架1；

大腿部分3，所述大腿部分3的顶部通过髋关节2与背部支架1铰接；

小腿部分，所述小腿部分的顶部通过膝关节5与大腿部分3的底部铰接；

膝关节驱动机构，所述膝关节驱动机构驱动所述膝关节5动作，从而通过膝关节5使小腿部分相对于大腿部分3转动；

脚掌9，所述脚掌9通过踝关节与所述小腿部分的底部连接。

如图1所示，所述踝关节为能够储存和释放弹性势能的弹性体结构踝关节8，所述踝关节的顶部与所述小腿部分固定连接，所述踝关节的底部与所述脚掌9固定连接。

其中，所述背部支架的下部可设计成U型框，横梁设计成套接或铰接形式，两端装有关节轴承与大腿部分3的上端连接，立支架设计成倒U型，下端焊接在U型框上，上端横梁设计成套接或铰接形式。

如图1所示，所述脚掌9为能够储存和释放弹性势能的弹性体结构脚掌。本实施例的弹性体结构踝关节8和脚掌9能够在一定范围内发生弹性形变，并由弓形弹性材料制成，优选的，所述弹性体结构踝关节8和脚掌9为弹簧钢，在下肢下落支撑期间，将动能和重力势能转化为材料本身弹性势能；在上升期间，将储存的弹性势能释放，重新转化为前进的动能和抬升的动力。本实施例的所述脚掌设计成鞋底形状，用弹性抗磨材料制成，在鞋底的前中后三个位置均设有绑扎带，用于固定人的脚，使之与人脚完美契合。

如图1、4所示，所述膝关节5具有支架和转动体11，所述转动体11可旋转地支承在支架上，所述支架与大腿部分3的底部固定连接，所述转动体11与所述小腿部分的顶部固定连接，所述膝关节驱动机构用于驱动转动体11在支架上转动。

如图1、4所示，所述转动体11和支架之间设置有限制转动体11在支架上的转动角度范围的转动角度限位结构，所述转动角度限位结构包括设置在转动体11上的限位槽和设置在支架上的限位销，所述限位销滑动配合在限位槽内。

如图1、4所示，所述膝关节驱动机构包括卷筒12、缆绳15、转向轮4和卷筒旋转驱动组件，卷筒旋转驱动组件驱动卷筒12旋转，所述缆绳15卷绕在卷筒12上，缆绳15的牵引端通过转向轮4转向后与所述转动体11相连接；通过控制卷筒12上缠绕缆绳15的多少来控制膝关节5转动的角度；其中，转动体11可以设置成扇形结构，缆绳15与转动体11的扇形圆柱面连接。

如图1所示，所述卷筒旋转驱动组件包括电机14和减速机13，所述电机14的输出轴与减速机13的动力输入轴相连接，所述减速机13的动力输出轴与卷筒12传动连接，从而实现电机14的扭矩传递到卷筒12，具体的，电机14采用程序控制，实现转速的控制，从而实现稳定的步态控制。所述电机14与减速机13都是标准件，无需另行设计或制造。

所述大腿部分和/或所述小腿部分为可调节长度的结构。如图3所示，所述小腿部分包括上部6和下部7，上部6与下部7插接，并且上部6和下部7之间设置有调节上部6插入下部7的深度从而调节整体长度的调节机构。

所述大腿部分的长度调节方式与小腿部分相同，只是将大腿上下两部分句设计为矩形截面管，下部管内用于安装膝关节驱动机构。

如图3所示，所述调节机构包括弹性元件20、销10以及设置在下部7上的多个销孔19，所述上部6设置有盲孔，所述弹性元件20和销10容置在盲孔内，并且弹性元件20的一端与盲孔的底壁相抵，弹性元件20的另一端与销相抵，销10与所述销孔19相插接配合。当需要调节时，可在销10上施加压力，弹性元件20受力压缩，销10移动，下部7便可沿着上部6移动，当移动到下一个销孔19时，销10在弹性元件20的作用下弹出，重新将小腿长度固定；可按此步骤直到调节到合适的位置为止。

实施例二

本实施例的结构与实施例一的结构基本相同，不同的是：如图2～4所示，所述踝关节为外力驱动型踝关节16，所述脚掌9通过外力驱动型踝关节16与所述小腿部分的底部铰接，并且它还包括驱动所述外力驱动型踝关节16动作从而通过外力驱动型踝关节16使脚掌9相对于小腿部分转动的踝关节驱动机构；其中，所述外力驱动型踝关节16和所述膝关节5结构相同，所述踝关节驱动机构和膝关节驱动机构结构相同，所述外力驱动型踝关节16的支架为踝关节支架，踝关节支架与小腿部分的顶部固定连接，所述外力驱动型踝关节16的转动体为踝关节转动体18，踝关节转动体18与所述脚掌9固定连接；踝关节转动体18的前后各设一个下位凸台，与支架踝关节支架的外壳配合工作，用于限制脚掌9的转动角度，其驱动方式与膝关节相同。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。