一种紧凑型关节制动下肢助力外骨骼装置

1.本发明属于外骨骼助力装置技术领域，具体涉及一种紧凑型关节制动下肢助力外骨骼装置。


背景技术：

2.下肢助力外骨骼适用于劳动者在重复操作、搬运等场合使用，其拟人化的结构与坚硬的材料既可以使骨架与人体贴合实现灵活的动作又能提高穿戴者的工作复杂能力、保护穿戴者的安全。但是，目前现有下肢助力外骨骼在长期曲膝作业场合并不适应，而长期曲膝作业使得劳动者肌肉紧张易引发工作相关的肌肉疾病。
3.针对外骨骼在曲膝作业下的姿态保持要求，本发明提出了一种紧凑型关节制动下肢助力外骨骼装置，通过对下肢助力外骨骼关节的制动，实现人体曲膝任意程度的姿态保持，拓展了下肢助力外骨骼的应用场景。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种紧凑型关节制动下肢助力外骨骼装置的技术方案。
5.一种紧凑型关节制动下肢助力外骨骼装置，包括自上而下依次连接的腰部组件、髋关节组件、大腿组件、膝关节组件、小腿组件和足部组件，所述膝关节组件包括膝部机架、膝部牙嵌式离合器、膝部活动部件和膝部驱动机构，所述膝部机架用以与大腿组件连接，膝部活动部件用以与小腿组件连接，所述膝部牙嵌式离合器用以连接膝部机架和膝部活动部件，所述膝部驱动机构用以驱动膝部活动部件转动；
6.当膝部牙嵌式离合器处于分离状态时，膝部活动部件能够相对膝部机架进行转动；
7.当膝部牙嵌式离合器处于接合状态时，膝部活动部件相对膝部机架处于制动状态。
8.进一步地，所述膝关节组件还包括膝部传动轴，所述膝部驱动机构设置于膝部机架上，其通过膝部传动轴与膝部活动部件传动配合，膝部牙嵌式离合器转动套接于膝部传动轴上。
9.进一步地，所述髋关节组件包括髋部机架、髋部活动部件、髋部牙嵌式离合器和髋部驱动机构，所述髋部机架用以与腰部组件连接，所述髋部活动部件用以与大腿组件连接，所述髋部牙嵌式离合器用以连接髋部机架和髋部活动部件，所述髋部驱动机构用以驱动髋部活动部件转动；
10.当髋部牙嵌式离合器处于分离状态时，髋部活动部件能够相对髋部机架进行转动；
11.当髋部牙嵌式离合器处于接合状态时，髋部活动部件相对髋部机架处于制动状态。
12.进一步地，所述髋关节组件还包括髋部传动轴，所述髋部驱动机构设置于髋部机架上，其通过髋部传动轴与髋部活动部件传动配合，髋部牙嵌式离合器转动套接于髋部传动轴上。
13.进一步地，所述关节制动下肢助力外骨骼装置还包括膝关节辅助组件，所述膝关节辅助组件用以为所述关节制动下肢助力外骨骼装置从屈膝姿态运动到站立姿态提供助力，其包括导向轴、弹簧、直线滑块和推杆，所述大腿组件和小腿组件其中一者固定设置导向轴，另一者转动设置推杆，所述导向轴上滑动连接直线滑块，所述推杆与直线滑块转动连接，所述弹簧用以作用于直线滑块和/或推杆，助力直线滑块和/或推杆复位。
14.进一步地，所述导向轴设置于大腿组件上，所述推杆转动设置于小腿组件上，所述弹簧一端与直线滑块相连，另一端与大腿组件相连。
15.进一步地，所述腰部组件包括侧腰部件、后背部件、髋部杆端关节轴承和大腿外展限位挡块，所述后背部件用以支撑穿戴者背负的重物，所述髋部杆端关节轴承一端用以与侧腰部件转动连接，另一端用以连接髋关节组件，所述大腿外展限位挡块用以限制髋部杆端关节轴承的转动角度。
16.进一步地，所述大腿组件包括大腿连接件a、大腿骨架和大腿绑定件，所述大腿连接件a用以与髋关节组件连接，所述大腿骨架用以与膝关节组件连接，所述大腿连接件a与大腿骨架伸缩配合并通过紧固件锁定长度，所述大腿绑定件设置于大腿骨架上，用以绑定人体大腿。
17.进一步地，所述小腿组件包括小腿骨架a和小腿骨架b，所述小腿骨架a用以与膝关节组件连接，所述小腿骨架b用以与足部组件连接，所述小腿骨架a与小腿骨架b伸缩配合并通过紧固件锁定长度。
18.进一步地，所述足部组件包括足部杆端关节轴承、足部底座与足底部件，所述足部杆端关节轴承一端用以与小腿组件连接，另一端用以与所述足部底座转动连接，所述足底部件与足部底座固定连接，其用以绑定人体脚掌。
19.本发明的技术方案与已有技术相比具有以下优点：
20.本发明相比于传统下肢助力外骨骼具有任意曲膝程度姿态保持功能；本发明在髋关节的外展与外旋自由度通过一个球销副实现，转动中心重合，相比于传统的两个独立的转动副连接具有较小的运动误差；本发明在踝关节的背屈与外翻运动通过一个球销副实现，转动中心重合，相比于传统的两个独立的转动副连接具有较小的运动误差；本发明的大腿组件、小腿组件长度均可调整且多采用型材具有低成本优势。
附图说明
21.图1为本发明结构示意图之一；
22.图2为本发明结构示意图之二；
23.图3为本发明结构示意图之三；
24.图4为本发明中腰部组件分解结构示意图；
25.图5为本发明中髋关节组件分解结构示意图，图中未示出髋部驱动机构；
26.图6为本发明中髋关节组件结构示意图，图中未示出髋部驱动机构；
27.图7为本发明中大腿组件分解结构示意图；
28.图8为本发明中大腿组件结构示意图；
29.图9为本发明中膝关节组件分解结构示意图，图中未示出膝部驱动机构；
30.图10为本发明中膝关节组件结构示意图，图中未示出膝部驱动机构；
31.图11为本发明中小腿组件分解结构示意图；
32.图12为本发明中小腿组件结构示意图；
33.图13为本发明中足部组件分解结构示意图；
34.图14为本发明中足部组件结构示意图；
35.图15为本发明中膝关节辅助组件分解结构示意图；
36.图16为本发明中膝关节辅助组件结构示意图。
37.图中，1-腰部组件、2-髋关节组件、3-膝关节辅助组件、4-大腿组件、5-膝关节组件、6-小腿组件、7-足部组件、11-后背部件、12-侧腰部件、13-腰部光轴固定座、14-腰部支撑轴、15-腰部杆端关节轴承、16、轴用挡圈、17-大腿外展限位挡块、21-髋部连接件、22-髋部机架b、23-髋部传动轴、24-髋部活动部件、25-髋部牙嵌式离合器、26-髋部机架a、31-导向轴固定座、32-导向轴、33-弹簧、34-滑块限位挡块、35-直线滑块、36-滑块底座、37-推杆、38-推杆固定架、41-大腿连接件a、42-大腿骨架、43-大腿连接件b、44-大腿绑定件、51-膝部机架b、52-膝部机架a、53-膝部传动轴、54-膝部牙嵌式离合器、55-膝部活动部件、61-小腿连接件、62-小腿骨架a、63、小腿骨架b、71-足部杆端关节轴承、72-足部支撑轴、73-足部底座、74-足底部件。
具体实施方式
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”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的限制。
39.下面结合附图对本发明作进一步说明。
40.请参阅图1-16，一种紧凑型关节制动下肢助力外骨骼装置，包括腰部组件1，腰部组件1两侧下端分别连接两个髋关节组件2，每个髋关节组件2下端连接一个大腿组件4，每个大腿组件4下端连接一个膝关节组件5，每个膝关节组件5下端连接一个小腿组件6，每个小腿组件6下端连接一个足部组件7。
41.继续参阅图4，腰部组件1包括后背部件11、侧腰部件12、腰部光轴固定座13、腰部支撑轴14、髋部杆端关节轴承15、轴用挡圈16和大腿外展限位挡块17，后背部件11安装于侧腰部件12后部，其用以支撑穿戴者背负的重物，腰部光轴固定座13有两组，分设于侧腰部件12左右两侧，每组腰部光轴固定座13上设置一腰部支撑轴14，腰部支撑轴14上转动连接髋部杆端关节轴承15，腰部支撑轴14上上还设置相应的轴用挡圈16，髋部杆端关节轴承15通过轴用挡圈16轴向定位安装于腰部支撑轴14上，可实现髋关节的外展/内收与旋外/旋内动作，大腿外展限位挡块17有两个，分设于侧腰部件12左右两侧，位置稍低于腰部光轴固定座13，大腿外展限位挡块17为u形结构，与侧腰部件12表面形成一限位空间，髋部杆端关节轴承15位于该限位空间内，通过大腿外展限位挡块17对髋部杆端关节轴承15的转动角度进行限制，从而保护穿戴者的安全。
42.其中，髋部杆端关节轴承15一端用以与侧腰部件12转动连接，另一端用以连接髋关节组件2。
43.继续参阅5和图6，髋关节组件2包括髋部机架、髋部活动部件24、髋部牙嵌式离合器25和髋部驱动机构，髋部机架用以与腰部组件1连接，髋部活动部件24用以与大腿组件4连接，髋部牙嵌式离合器25用以连接髋部机架和髋部活动部件24，髋部驱动机构用以驱动髋部活动部件24转动。
44.具体地，髋关节组件2还包括髋部传动轴23，髋部机架包括依次固定连接的髋部机架a26、髋部连接件21和髋部机架b22，髋部连接件21与腰部组件1的髋部杆端关节轴承15连接，髋部驱动机构优选为减速电机，固定连接于髋部机架b22外侧上，其输出轴与髋部传动轴23连接，髋部活动部件24和髋部牙嵌式离合器25位于髋部机架a26与髋部机架b22之间，髋部牙嵌式离合器25一端与髋部机架a26固定连接，另一端与髋部活动部件24固定连接，髋部传动轴23通过键与髋部活动部件24连接，髋部牙嵌式离合器25转动套接于髋部传动轴23上。
45.其中，髋部机架b22内侧还具有突出的限位挡条，用于髋关节伸展/弯曲机械限位，也就是限制髋部活动部件24的转动范围，当髋部活动部件24转至极限位置时，通过限位挡条对髋部活动部件24进行限位，以保护穿戴者安全。
46.当髋关节需要伸展/弯曲转动时，控制髋部牙嵌式离合器25两端分离，此时髋部活动部件24能够相对髋部机架进行自由转动。当髋关节需要制动保持时，控制髋部牙嵌式离合器25两端接合，髋部活动部件24通过髋部牙嵌式离合器25与髋部机架a26连接，实现制动保持。
47.继续参阅图7和图8，大腿组件4包括大腿连接件a41、大腿骨架42和大腿绑定件44，大腿连接件a41用以与髋关节组件2连接，大腿骨架42用以与膝关节组件5连接，大腿连接件a41与大腿骨架42伸缩配合并通过紧固件锁定长度，大腿绑定件44设置于大腿骨架42上，用以绑定人体大腿。
48.具体地，大腿组件4还包括大腿连接件b43，大腿骨架42为空心矩形铝，大腿骨架42上端与大腿连接件a41通过开口销相连，大腿骨架42下端与大腿连接件b43通过螺栓相连，大腿骨架42内侧与大腿绑定件44通过开口销相连，大腿连接件a41和大腿骨架42伸缩插接配合，两者均开有对应的销孔，两者的连接长度可通过调整开口销与不同高度安装孔的连接来调节。
49.继续参阅图9和图10，膝关节组件5包括膝部机架、膝部牙嵌式离合器54、膝部活动部件55和膝部驱动机构，膝部机架用以与大腿组件4连接，膝部活动部件55用以与小腿组件6连接，膝部牙嵌式离合器54用以连接膝部机架和膝部活动部件55，膝部驱动机构用以驱动膝部活动部件55转动。
50.具体地，膝关节组件5还包括膝部传动轴53，膝部机架包括固定连接的膝部机架a52和膝部机架b51，膝部驱动机构优选为减速电机，固定连接于膝部机架b51外侧，其输出轴与膝部传动轴53连接，膝部传动轴53与膝部活动部件55通过键连接，膝部牙嵌式离合器54转动套接于膝部传动轴53上，膝部牙嵌式离合器54和膝部活动部件55位于膝部机架a52内侧，膝部牙嵌式离合器54一端与膝部机架a52固定连接。
51.当膝关节需要弯曲时，控制膝部牙嵌式离合器54两端分离，此时膝部活动部件55
能够相对膝部机架进行自由转动。当膝关节需要制动保持时，控制膝部牙嵌式离合器54两端接合，膝部活动部件55通过膝部牙嵌式离合器54与膝部机架a52相连，实现制动。
52.继续参阅图11和图12，小腿组件6包括小腿连接件61、小腿骨架a62和小腿骨架b63，小腿骨架a62用以与膝关节组件5连接，小腿骨架b63用以与足部组件7连接，小腿骨架a62与小腿骨架b63为空心钢管，两者伸缩插接，两者均开设销孔，利用开口销插入销孔实现小腿骨架a62与小腿骨架b63的连接，通过调整开口销与不同高度销孔的连接实现小腿骨架a62与小腿骨架b63连接长度的调节。小腿骨架b63下端内壁设有内螺纹，小腿连接件61上端有外螺纹，通过外螺纹与膝关节组件5的膝部活动部件55螺接，下端插入小腿骨架a62中通过焊接固定。
53.继续参阅图13和图14，足部组件7包括足部杆端关节轴承71、足部支撑轴72、足部底座73与足底部件74，足部支撑轴73安装在足部底座73上，足部杆端关节轴承71一端用以与小腿组件6连接，另一端用以与足部支撑轴72转动连接，可实现穿戴者足部的背屈/跖屈与外翻/内翻运动，足部底座73安装在足底部件74上，足底部件74用以绑定人体脚掌。
54.继续参阅图15和图16，关节制动下肢助力外骨骼装置还包括膝关节辅助组件3，膝关节辅助组件3用以为关节制动下肢助力外骨骼装置从屈膝姿态运动到站立姿态提供助力，其包括导向轴32、弹簧33、直线滑块35和推杆37，大腿骨架42上固定设置导向轴32，小腿骨架a62上转动设置推杆37，导向轴32上滑动连接直线滑块35，推杆37与直线滑块35转动连接，弹簧33用以作用于直线滑块35和/或推杆37，助力直线滑块35和/或推杆37复位。
55.具体地，膝关节辅助组件3还包括导向轴固定座31、滑块限位挡块34、滑块底座36和推杆固定架38，导向轴固定座31与滑块限位挡块34安装在大腿骨架42背侧，推杆固定架38安装在小腿骨架a62上，导向轴32安装于两个导向轴固定座31上，直线滑块35与导向轴32滑动连接，弹簧33套于导向轴32上，其一端与直线滑块35连接，另一端与导向轴固定座31连接，滑块底座36安装在直线滑块35上，推杆37上端于滑块底座36转动连接，下端与推杆固定架38转动连接。
56.结合图3、图15和图16，当外骨骼屈膝时膝关节弯曲，推杆37推动滑块底座36与直线滑块35向上移动，从而压缩弹簧33，直线滑块35与滑块限位挡块34接触时，为膝关节屈膝极限，防止弹簧33过渡压缩破坏，当外骨骼从屈膝姿态运动到站立姿态时，直线滑块35受弹簧33的弹力对推杆37有向下的力，直线膝关节辅助助力效果。
57.在其它实施例中，推杆37和导向轴32的安装位置可以互换，其它结构作适应性调整，也能实现屈膝后复位助力。
58.在上述结构中，腰部组件1与髋关节组件2通过髋部杆端关节轴承15与髋部连接件21螺纹连接，大腿组件4与髋关节组件2通过大腿连接件a41与髋部活动部件24螺钉连接，膝关节组件5与大腿组件4通过机架b51与大腿连接件b43螺钉连接，小腿组件6与膝关节组件5通过小腿连接件61与膝部活动部件55螺纹连接，足部组件7与小腿组件6通过杆端关节轴承71与小腿骨架b63螺纹连接。
59.人体穿戴外骨骼后，可实现髋关节的伸展/弯曲、外展/内收、旋外/旋内，膝关节的伸展/弯曲，踝关节的背屈/跖屈、外翻/内翻运动，其中髋关节与膝关节的伸展/弯曲运动可通过髋部驱动机构实现主动助力效果，当需要屈膝作业时，可通过髋关节组件2与膝关节组件5实现关节制动保持。
60.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。