一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且每側(cè)由前部支鏈和后部支鏈組成，后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲(chǔ)能模塊；所述儲(chǔ)能模塊包括儲(chǔ)能模塊上連接軸、導(dǎo)缸上連桿、導(dǎo)缸下連桿、導(dǎo)缸上端蓋、可控直線阻尼器、長(zhǎng)彈簧擋板、長(zhǎng)彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導(dǎo)桿、短彈簧擋塊、儲(chǔ)能模塊下連接軸和儲(chǔ)能模塊軸套；導(dǎo)缸上連桿與導(dǎo)缸下連桿通過(guò)導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸上連桿配合，構(gòu)成移動(dòng)副；導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸下連桿連接，導(dǎo)缸上連桿末端安裝長(zhǎng)彈簧擋板，導(dǎo)缸下連桿內(nèi)安裝長(zhǎng)彈簧；短彈簧導(dǎo)桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導(dǎo)桿從中心穿過(guò)短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，施加預(yù)緊力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及人體下肢外骨骼助行技術(shù)，具體為一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼。其特征是具有儲(chǔ)能裝置，能夠輔助人體長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離的負(fù)重行走。
【背景技術(shù)】
[0002]外骨骼裝置作為人類(lèi)助行的裝置，越來(lái)越受到各領(lǐng)域的重視，特別是人體輔助領(lǐng)域?，F(xiàn)有助行外骨骼主要分為有外驅(qū)動(dòng)和無(wú)外驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)。其中有外驅(qū)動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)方式主要分為氣動(dòng)、液壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。而遠(yuǎn)距離輔助人體負(fù)重行走外骨骼主要采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，如，2011年意大利Marco Fontana等人發(fā)表在IEEE ROBOTICS & AUTOMAT1N MAGAZINE? December 2014 34-44的論文，一個(gè)用于輔助人體負(fù)重的全身外骨骼(A Full-BodyExoskeleton for the Transport and Handling of Heavy Loads)，該夕卜骨豁自重 160kg、有22個(gè)自由度，采用電池提供能源電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，最大搬運(yùn)負(fù)重為50kg，可持續(xù)運(yùn)行I到2小時(shí)。又如，申請(qǐng)?zhí)枮?01310262919.3的中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利報(bào)道，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池提供能量的方式，可應(yīng)用于輔助軍用士兵作戰(zhàn)和輔助人體下肢康復(fù)。無(wú)外驅(qū)動(dòng)外骨骼，如2007年美國(guó)JAMES WALSH等人發(fā)表在Humanoid Robotics Vol.4，N0.3 (2007) 487-506的論文一個(gè)輔助提升人體負(fù)重的被動(dòng)下肢外骨骼(A Quas1-Passive Leg Exoskeleton forLoad-Carrying Augmentat1n)，該外骨骼自重11.7kg，可在負(fù)載為36kg的情況下將背包重量的80%傳導(dǎo)至地面。但因機(jī)構(gòu)本身質(zhì)量大，且與人體步態(tài)適應(yīng)程度較差，所以與人體在相同負(fù)載情況下比較，增加了 10%的人體耗氧量。
[0003]因傳統(tǒng)帶有驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼承載能力較差、剛度小、動(dòng)態(tài)性能不好、笨重、能耗大、續(xù)航時(shí)間短;要增設(shè)控制器、傳感器，且輔助人體外骨骼控制主要采用隨動(dòng)控制和預(yù)定義步態(tài)控制的方式，需要布置較多傳感器，成本高、加工制造困難。從而無(wú)法在人體長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離負(fù)重行走情況下使用，如地震救援、游客旅行、無(wú)電梯小區(qū)搬運(yùn)重物上樓等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼。該外骨骼通過(guò)人體肌肉提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，將人體負(fù)載的60-90%由外骨骼承擔(dān)，并用儲(chǔ)能元件模仿人體肌肉存儲(chǔ)和釋放勢(shì)能，以減少人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩負(fù)載，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離輔助人體負(fù)重行走，減少人體骨骼受力和行走中能量的消耗，從而達(dá)到提升人體載重能力和延長(zhǎng)行走持續(xù)時(shí)間的效果。
[0005]本實(shí)用新型解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且每側(cè)由前部支鏈和后部支鏈兩大部分組成，所述前部支鏈包括腰及鶻關(guān)節(jié)模塊、膝關(guān)節(jié)模塊、大腿模塊、小腿模塊、踝關(guān)節(jié)及腳部模塊；腰及鶻關(guān)節(jié)模塊下端通過(guò)鶻腿轉(zhuǎn)動(dòng)副與大腿模塊上端連接，大腿模塊下端通過(guò)大小腿轉(zhuǎn)動(dòng)副及腿膝轉(zhuǎn)動(dòng)副與小腿模塊上端及膝關(guān)節(jié)模塊前端連接，小腿模塊下端通過(guò)腿踝轉(zhuǎn)動(dòng)副與踝關(guān)節(jié)及腳部模塊連接；
[0006]所述后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲(chǔ)能模塊;后部連桿上端與背包模塊后端通過(guò)后連桿上轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，后部支鏈下端與儲(chǔ)能t旲塊上端及膝關(guān)節(jié)t旲塊后端通過(guò)后連桿下轉(zhuǎn)動(dòng)副及儲(chǔ)能模塊上轉(zhuǎn)動(dòng)副連接;外骨骼左半部分和右半部分通過(guò)各自背包模塊末端的背包轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，外骨骼單側(cè)前部支鏈上端及后部支鏈上端通過(guò)背包架桿前端、腰關(guān)節(jié)連接軸與腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，外骨骼單側(cè)前部支鏈及后部支鏈下端通過(guò)儲(chǔ)能模塊下連接軸、后腳部連桿與儲(chǔ)能模塊下轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；
[0007]所述儲(chǔ)能模塊包括儲(chǔ)能模塊上連接軸、導(dǎo)缸上連桿、導(dǎo)缸下連桿、導(dǎo)缸上端蓋、可控直線阻尼器、長(zhǎng)彈簧擋板、長(zhǎng)彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導(dǎo)桿、短彈簧擋塊、儲(chǔ)能模塊下連接軸和儲(chǔ)能模塊軸套;所述導(dǎo)缸上連桿與導(dǎo)缸下連桿通過(guò)導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸上連桿配合，構(gòu)成移動(dòng)副；導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸下連桿連接，導(dǎo)缸上連桿末端安裝長(zhǎng)彈簧擋板，導(dǎo)缸下連桿內(nèi)安裝長(zhǎng)彈簧，長(zhǎng)彈簧直徑大于短彈簧安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)壁處;短彈簧導(dǎo)桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導(dǎo)桿從中心穿過(guò)短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，整體嵌套于長(zhǎng)彈簧內(nèi)部并安裝在導(dǎo)缸下連桿內(nèi)，通過(guò)短彈簧擋塊與導(dǎo)缸下連桿配合實(shí)現(xiàn)為短彈簧施加預(yù)緊力的目的，此設(shè)計(jì)可在人體步態(tài)中起到快速增加儲(chǔ)能模塊儲(chǔ)能速度的效果;可控直線阻尼器安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)，與導(dǎo)缸上連桿配合，通過(guò)阻尼控制器控制可控直線阻尼器的鎖死與打開(kāi)狀態(tài);儲(chǔ)能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關(guān)節(jié)后連桿連接，儲(chǔ)能模塊下連接軸通過(guò)儲(chǔ)能模塊軸套與后腳部連桿連接。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型輔助負(fù)重人體下肢外骨骼優(yōu)點(diǎn)在于:該外骨骼為閉鏈機(jī)構(gòu)，承載能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可控，包括儲(chǔ)能元件，可輔助人體負(fù)重行走，減少人體骨骼受力及各關(guān)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其可將背包60-90%的重量通過(guò)外骨骼傳導(dǎo)至地面，且可減少人體行走負(fù)載轉(zhuǎn)矩的11.9-13.4%，具有質(zhì)量輕、體積小、承載大、適應(yīng)人體步態(tài)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本實(shí)用新型輔助負(fù)重人體下肢外骨骼一種實(shí)施例的整體等軸測(cè)三維線框示意圖。
[0010]圖2為本實(shí)用新型輔助負(fù)重人體下肢外骨骼一種實(shí)施例的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011 ]圖3為本實(shí)用新型輔助負(fù)重人體下肢外骨骼一種實(shí)施例的等軸測(cè)示意圖。
[0012]圖4為本實(shí)用新型輔助負(fù)重人體下肢外骨骼一種實(shí)施例的儲(chǔ)能元件剖面(圖2中的A-A)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖5為本實(shí)用新型輔助負(fù)重人體下肢外骨骼一種實(shí)施例穿戴于人體的等軸測(cè)三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖1-5中，1.前部支鏈，2.后部支鏈，11.腰及鶻關(guān)節(jié)模塊，12.大腿模塊，13.膝關(guān)節(jié)模塊，14.小腿模塊，15.踝關(guān)節(jié)及腳部模塊，21.背包模塊，22.后部連桿，23.儲(chǔ)能模塊，111.耐磨軸套，112.腰關(guān)節(jié)連接軸，113.腰鶻外連接板，114.腰鶻內(nèi)連接板，115.鶻關(guān)節(jié)連接軸，116.腰關(guān)節(jié)可控阻尼器，117.鶻關(guān)節(jié)可控阻尼器，121.大腿上連接板，122.大腿下連接板，123.大腿綁帶連接器，131.膝關(guān)節(jié)后連桿，132.膝關(guān)節(jié)連接軸，133.膝關(guān)節(jié)可控阻尼器，134.膝關(guān)節(jié)軸套，141.小腿上連接板，142.小腿下連接板，143.小腿綁帶連接器，151.踝關(guān)節(jié)可控阻尼器，152.前腳部連桿，153.腳部底板，154.后腳部連桿，155.腳部調(diào)節(jié)板，156.踝關(guān)節(jié)連接軸，157.腳底橡膠彈簧，158.腳部綁帶連接孔，159.腳部軸套，211.背包，212.電池，213.阻尼控制器，214.背包架桿，215.背包支板，216.腰帶連接器，217.背包架桿連接軸，218.鶻部橫向轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)軸，219.背包模塊軸套，221.后部連桿上，222.后部連桿下，223.后連桿軸套，231.儲(chǔ)能模塊上連接軸，232.導(dǎo)缸上連桿，233.導(dǎo)缸下連桿，234.導(dǎo)缸上端蓋，235.可控直線阻尼器，236.長(zhǎng)彈簧擋板，237.長(zhǎng)彈簧，238.短彈簧擋板，239.短彈簧，23a.短彈簧導(dǎo)桿，23b.短彈簧擋塊，23c.儲(chǔ)能模塊下連接軸，23d.儲(chǔ)能模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本實(shí)用新型。具體實(shí)施例僅用于詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的下肢外骨骼，不限制本申請(qǐng)權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0016]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的輔助負(fù)重人體下肢外骨骼(簡(jiǎn)稱(chēng)外骨骼，參見(jiàn)圖1-5)為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且每側(cè)外骨骼包括前部支鏈I和后部支鏈2兩大部分。
[0017]所述前部支鏈I包括腰及鶻關(guān)節(jié)模塊11、大腿模塊12、膝關(guān)節(jié)模塊13、小腿模塊14、踝關(guān)節(jié)及腳部模塊15;腰及鶻關(guān)節(jié)模塊11下端通過(guò)鶻腿轉(zhuǎn)動(dòng)副與大腿模塊12上端連接，大腿模塊12下端通過(guò)大小腿轉(zhuǎn)動(dòng)副及腿膝轉(zhuǎn)動(dòng)副與小腿模塊14上端及膝關(guān)節(jié)模塊13前端連接，小腿模塊14下端通過(guò)腿踝轉(zhuǎn)動(dòng)副與踝關(guān)節(jié)及腳部模塊15連接。
[0018]所述后部支鏈2包括背包模塊21，后部連桿22及儲(chǔ)能模塊23(參見(jiàn)圖1、2)。腰及鶻關(guān)節(jié)模塊11由耐磨軸套111，腰關(guān)節(jié)連接軸112，腰鶻外連接板113，腰鶻內(nèi)連接板114，鶻關(guān)節(jié)連接軸115，腰關(guān)節(jié)可控阻尼器116，鶻關(guān)節(jié)可控阻尼器117構(gòu)成。大腿模塊12由大腿上連接板121，大腿下連接板122，大腿綁帶連接器123構(gòu)成。膝關(guān)節(jié)模塊13由膝關(guān)節(jié)后連桿131，膝關(guān)節(jié)連接軸132，膝關(guān)節(jié)可控阻尼器133和膝關(guān)節(jié)軸套134組成。小腿模塊14由小腿上連接板141，小腿下連接板142，小腿綁帶連接器143。踝關(guān)節(jié)及腳部模塊15由踝關(guān)節(jié)可控阻尼器151，前腳部連桿152，腳部底板153，后腳部連桿154，腳部調(diào)節(jié)板155，踝關(guān)節(jié)連接軸156，腳底膠皮彈簧157，腳部綁帶連接孔158及腳部軸套159構(gòu)成。后部連桿22包括后部連桿上221、后部連桿下222和后連桿軸套223(參見(jiàn)圖1、2、3)。
[0019]所述背包模塊21包括背包211、電池212、阻尼控制器213、背包架桿214、背包支板215、腰帶連接器216、背包架桿連接軸217、鶻部橫向轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)軸218及背包模塊軸套219(本實(shí)用新型實(shí)施例所有軸套均為耐磨軸套)。背包模塊21采用兩個(gè)背包架桿214通過(guò)鶻部橫向轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)軸218連接，可實(shí)現(xiàn)鶻部橫向擺動(dòng)。背包支板215和腰帶連接器216安裝在背包架桿214上，而背包211、電池212、阻尼控制器213安裝于背包支板215上，人體通過(guò)背包背帶及腰帶與背包模塊21連接(即穿戴)。背包模塊21和腰及鶻關(guān)節(jié)模塊11通過(guò)腰關(guān)節(jié)連接軸112連接；腰及鶻關(guān)節(jié)模塊11的腰鶻外連接板113、腰鶻內(nèi)連接板114通過(guò)耐磨軸套111與腰關(guān)節(jié)連接軸112、鶻關(guān)節(jié)連接軸115連接，且腰關(guān)節(jié)連接軸112和鶻關(guān)節(jié)連接軸115上分別安裝腰關(guān)節(jié)可控阻尼器116和鶻關(guān)節(jié)可控阻尼器117。腰及鶻關(guān)節(jié)模塊11和大腿模塊12通過(guò)鶻關(guān)節(jié)連接軸115連接，大腿上連接板121和大腿下連接板122通過(guò)腰形孔連接實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度可調(diào)，其中大腿綁帶連接器123安裝在大腿上連接板121上，通過(guò)綁帶與人體大腿連接。膝關(guān)節(jié)模塊13通過(guò)膝關(guān)節(jié)連接軸132及膝關(guān)節(jié)軸套134與大腿模塊12和小腿模塊14連接，通過(guò)儲(chǔ)能模塊上連接軸231、后連桿軸套223與后部連桿22和儲(chǔ)能模塊23連接。小腿模塊14，小腿上連接板141和小腿下連接板142通過(guò)腰形孔連接且長(zhǎng)度可調(diào)，其中小腿綁帶連接器143安裝在小腿上連接板141上通過(guò)綁帶與人體小腿連接。踝關(guān)節(jié)及腳部模塊15通過(guò)踝關(guān)節(jié)連接軸156和腳部軸套159與小腿模塊14連接，通過(guò)儲(chǔ)能模塊下連接軸23c和儲(chǔ)能模塊軸套23d與儲(chǔ)能模塊23連接，并通過(guò)前腳部連桿152、后腳部連桿154與腳部底板153連接;其中踝關(guān)節(jié)可控阻尼器151安裝于踝關(guān)節(jié)連接軸156上，腳部底板153上安裝有腳部調(diào)節(jié)板155，腳底膠皮彈簧157，并通過(guò)在腳部綁帶連接孔158安裝綁帶與人體腳部連接。背包模塊21與后部連桿22通過(guò)背包架桿連接軸217與背包模塊軸套219連接，后部連桿上221與后部連桿下222通過(guò)腰形孔連接實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度可調(diào)(參見(jiàn)圖1、2、3)。
[0020]所述后部支鏈2中的儲(chǔ)能模塊23為本實(shí)用新型創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊。它包括儲(chǔ)能模塊上連接軸231、導(dǎo)缸上連桿232、導(dǎo)缸下連桿233、導(dǎo)缸上端蓋234、可控直線阻尼器235、長(zhǎng)彈簧擋板236、長(zhǎng)彈簧237、短彈簧擋板238、短彈簧239、短彈簧導(dǎo)桿23a、短彈簧擋塊23b、儲(chǔ)能模塊下連接軸23c和儲(chǔ)能模塊軸套23d。
[0021]所述導(dǎo)缸上連桿232與導(dǎo)缸下連桿233通過(guò)導(dǎo)缸上端蓋234與導(dǎo)缸上連桿232配合，構(gòu)成移動(dòng)副；導(dǎo)缸上端蓋234與導(dǎo)缸下連桿233連接，導(dǎo)缸上連桿232末端安裝長(zhǎng)彈簧擋板236，導(dǎo)缸下連桿233內(nèi)安裝長(zhǎng)彈簧237，其剛度在0.05-0.1kgf/mm之間，長(zhǎng)彈簧237直徑大于短彈簧安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)壁處;短彈簧239的剛度在0.2-0.5kgf/mm之間，短彈簧導(dǎo)桿23a上端與短彈簧擋板238連接、下端安裝短彈簧擋塊23b，短彈簧導(dǎo)桿23a從中心穿過(guò)短彈簧239直至短彈簧239與短彈簧擋板238接觸，整體嵌套于長(zhǎng)彈簧237內(nèi)部并安裝在導(dǎo)缸下連桿233內(nèi)，通過(guò)短彈簧擋塊23b與導(dǎo)缸下連桿233配合實(shí)現(xiàn)為短彈簧239施加預(yù)緊力的目的(實(shí)施例的預(yù)緊力大小在背包重量的15-50%)，此設(shè)計(jì)可在人體步態(tài)中起到快速增加儲(chǔ)能模塊儲(chǔ)能速度的效果?？煽刂本€阻尼器235安裝于導(dǎo)缸下連桿233上，與導(dǎo)缸上連桿232配合，可通過(guò)阻尼控制器213控制可控直線阻尼器235的鎖死與打開(kāi)狀態(tài)。其中儲(chǔ)能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關(guān)節(jié)后連桿連接，儲(chǔ)能t旲塊下連接軸通過(guò)儲(chǔ)能t旲塊軸套與后腳部連桿連接(參見(jiàn)圖4)。
[0022]本實(shí)用新型外骨骼采用閉鏈外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)人體實(shí)際情況設(shè)計(jì)為中間對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)，且本實(shí)用新型外骨骼共有8個(gè)自由度；包括腰部旋轉(zhuǎn)自由度a(左、右腰部共有自由度)，鶻部橫向擺動(dòng)自由度b，右鶻自由度Cl，左鶻自由度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]實(shí)用新型人分析人體行走狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)能模塊23在人體步態(tài)開(kāi)始時(shí)，對(duì)人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩減小效果較小，但影響人體原有步態(tài)。故本實(shí)用新型設(shè)計(jì)該儲(chǔ)能模塊為帶有預(yù)緊力的變剛度彈簧。換言之，儲(chǔ)能模塊為帶有預(yù)緊力的變剛度儲(chǔ)能模塊，主要由彈簧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)、變剛度彈簧及可控直線阻尼器組成。前面所述儲(chǔ)能模塊結(jié)構(gòu)即為帶有預(yù)緊力的變剛度彈簧具體結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于適應(yīng)人體步態(tài)，且可有效減小人體負(fù)重行走過(guò)程中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
[0024]本實(shí)用新型外骨骼通過(guò)背包背帶、大腿綁帶、小腿綁帶與腳部綁帶與人體穿戴連接(參見(jiàn)圖5)。在人體負(fù)重行走過(guò)程中，依靠人體提供轉(zhuǎn)矩，可將背包重量通過(guò)外骨骼傳導(dǎo)至地面，并通過(guò)儲(chǔ)能模塊23實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和放能。實(shí)驗(yàn)表明，在40kg負(fù)載時(shí)，可減少人體總關(guān)節(jié)平均轉(zhuǎn)矩11.9%。結(jié)合人體步態(tài)通過(guò)預(yù)定義步態(tài)控制各關(guān)節(jié)可控阻尼器的阻尼，進(jìn)一步減少人體行走關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩5%以上。在人體負(fù)重站立狀態(tài)下，通過(guò)阻尼控制器213控制可控直線阻尼器235鎖死，可使人體在踝關(guān)節(jié)提供小轉(zhuǎn)矩的情況下實(shí)現(xiàn)站立。實(shí)驗(yàn)表明，在40kg負(fù)載狀態(tài)下，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩為不穿戴外骨骼人體踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的16.95%。
[0025]本實(shí)用新型外骨骼的工作原理和過(guò)程是:人體生物能利用率高的原因是人體在行走過(guò)程中，肌肉收縮可以?xún)?chǔ)備人體浪費(fèi)掉的能量，且在人體下一步動(dòng)作時(shí)將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，減少人體肌肉的負(fù)載一一人體蓄能策略。通過(guò)借鑒人體蓄能策略，本設(shè)計(jì)外骨骼帶有儲(chǔ)能模塊23，并結(jié)合人體步態(tài)，分析人體在負(fù)載行走情況下，骨骼受力及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩狀況，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能模塊23在施加力較小的情況下，減少人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩不明顯，但對(duì)人體步態(tài)影響大；為了不過(guò)多影響人體行走舒適度和有效儲(chǔ)存背包重力勢(shì)能，不宜設(shè)計(jì)儲(chǔ)能模塊23中彈簧剛度過(guò)大，應(yīng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能模塊23中彈簧在人體步態(tài)中期剛度變大且?guī)в蓄A(yù)緊力。故該儲(chǔ)能模塊23設(shè)計(jì)為帶有預(yù)緊力的變剛度彈簧，其中通過(guò)改變彈簧剛度來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能模塊23的受力，施加預(yù)緊力用于快速增加儲(chǔ)能模塊23的施力大小，通過(guò)調(diào)節(jié)腰、鶻、膝、踝關(guān)節(jié)的可控阻尼，進(jìn)一步減小行走中人體各關(guān)節(jié)所受轉(zhuǎn)矩。在人體提供外骨骼各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下，背包重量可通過(guò)外骨骼傳導(dǎo)至地面，減少人體骨骼受力。其原理借鑒載重手推車(chē)，搬運(yùn)工人在搬運(yùn)貨物時(shí)，利用手推車(chē)承載貨物的重力，而推動(dòng)手推車(chē)移動(dòng)時(shí)僅需要克服輪子與地面的阻力，從而大大減輕了搬運(yùn)強(qiáng)度。
[0026]本實(shí)用新型外骨骼的突出優(yōu)點(diǎn)在于，該外骨骼為閉鏈機(jī)構(gòu)，承載能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可控，包括仿生儲(chǔ)能元件及可控阻尼器。在無(wú)外部驅(qū)動(dòng)情況下，即可正常使用，并同時(shí)減少人體骨骼受力及各關(guān)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。實(shí)驗(yàn)表明，40kg負(fù)載時(shí)，可將背包60%的重量通過(guò)外骨骼傳導(dǎo)至地面，減少人體行走負(fù)載轉(zhuǎn)矩11.9%; 20kg負(fù)載時(shí)，則可將背包90%的重量通過(guò)外骨骼傳導(dǎo)至地面，大幅減少了人體行走負(fù)載轉(zhuǎn)矩13.4%;并具有質(zhì)量輕、體積小、承載大、適應(yīng)人體步態(tài)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。
[0027]本實(shí)用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且每側(cè)由前部支鏈和后部支鏈兩大部分組成，所述前部支鏈包括腰及鶻關(guān)節(jié)模塊、膝關(guān)節(jié)模塊、大腿模塊、小腿模塊、踝關(guān)節(jié)及腳部模塊;腰及鶻關(guān)節(jié)模塊下端通過(guò)鶻腿轉(zhuǎn)動(dòng)副與大腿模塊上端連接，大腿模塊下端通過(guò)大小腿轉(zhuǎn)動(dòng)副及腿膝轉(zhuǎn)動(dòng)副與小腿模塊上端及膝關(guān)節(jié)模塊前端連接，小腿模塊下端通過(guò)腿踝轉(zhuǎn)動(dòng)副與踝關(guān)節(jié)及腳部模塊連接； 所述后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲(chǔ)能模塊;后部連桿上端與背包模塊后端通過(guò)后連桿上轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，后部支鏈下端與儲(chǔ)能t旲塊上端及膝關(guān)節(jié)t旲塊后端通過(guò)后連桿下轉(zhuǎn)動(dòng)副及儲(chǔ)能模塊上轉(zhuǎn)動(dòng)副連接;外骨骼左半部分和右半部分通過(guò)各自背包模塊末端的背包轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，外骨骼單側(cè)前部支鏈上端及后部支鏈上端通過(guò)背包架桿前端、腰關(guān)節(jié)連接軸與腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，外骨骼單側(cè)前部支鏈及后部支鏈下端通過(guò)儲(chǔ)能模塊下連接軸、后腳部連桿與儲(chǔ)能模塊下轉(zhuǎn)動(dòng)副連接； 所述儲(chǔ)能模塊包括儲(chǔ)能模塊上連接軸、導(dǎo)缸上連桿、導(dǎo)缸下連桿、導(dǎo)缸上端蓋、可控直線阻尼器、長(zhǎng)彈簧擋板、長(zhǎng)彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導(dǎo)桿、短彈簧擋塊、儲(chǔ)能模塊下連接軸和儲(chǔ)能模塊軸套；所述導(dǎo)缸上連桿與導(dǎo)缸下連桿通過(guò)導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸上連桿配合，構(gòu)成移動(dòng)副；導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸下連桿連接，導(dǎo)缸上連桿末端安裝長(zhǎng)彈簧擋板，導(dǎo)缸下連桿內(nèi)安裝長(zhǎng)彈簧，長(zhǎng)彈簧直徑大于短彈簧安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)壁處;短彈簧導(dǎo)桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導(dǎo)桿從中心穿過(guò)短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，整體嵌套于長(zhǎng)彈簧內(nèi)部并安裝在導(dǎo)缸下連桿內(nèi)，通過(guò)短彈簧擋塊與導(dǎo)缸下連桿配合實(shí)現(xiàn)為短彈簧施加預(yù)緊力的目的，此設(shè)計(jì)可在人體步態(tài)中起到快速增加儲(chǔ)能模塊儲(chǔ)能速度的效果;可控直線阻尼器安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)，與導(dǎo)缸上連桿配合，通過(guò)阻尼控制器控制可控直線阻尼器的鎖死與打開(kāi)狀態(tài);儲(chǔ)能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關(guān)節(jié)后連桿連接，儲(chǔ)能模塊下連接軸通過(guò)儲(chǔ)能模塊軸套與后腳部連桿連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助負(fù)重人體下肢外骨骼，其特征在于所述長(zhǎng)彈簧為壓簧或直線氣缸，壓簧長(zhǎng)度140mm-170mm，直徑40mm-50mm，剛度為0.05-0.lkgf/mm;所述短彈簧為壓黃或直線氣缸，壓黃長(zhǎng)度I OOmm-130mm，直徑25mm-35mm，剛度為0.2-0.5kgf/mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助負(fù)重人體下肢外骨骼，其特征在于所述預(yù)緊力為背包重量的 15-50%。
【文檔編號(hào)】B25J9/00GK205660711SQ201620528878
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】張建軍, 李天宇, 王曉慧, 李為民, 吳錦輝, 楊飛飛, 蘭萌
【申請(qǐng)人】河北工業(yè)大學(xué)