一種柔性可穿戴下肢助力外骨骼服的制作方法

本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可穿戴柔性下肢外骨骼服。

背景技術(shù)：

如今人口老齡化嚴重，給社會與家庭帶來了很大負擔(dān)。獨居老人缺少陪護，不便外出行走。目前，已有的外骨骼多為剛性結(jié)構(gòu)，使人穿戴不便，行走困難，體積較大，動作笨拙，與操作者的預(yù)期動作不吻合。不能靈活適應(yīng)不同的操作者。

申請?zhí)枮?01510574501.5的中國專利公開了一種氣動人工肌肉驅(qū)動的仿生柔性下肢外骨骼服，存在不足：柔性繩與鞋鉸接方式由于力矩過小起不到腳背屈效果，柔性捆綁帶均在大腿小腿處，會因關(guān)節(jié)處彎曲時，柔性捆綁帶跨過關(guān)節(jié)易左右偏移而傳力不均勻，而圓柱形的剛性驅(qū)動裝置直接與大腿小腿接觸，影響行走柔順性；且下肢外骨骼服關(guān)聯(lián)上肢的剛性懸吊背心，增大外骨骼服重量；此外，氣動驅(qū)動方式穩(wěn)定性差，不利于控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種柔性可穿戴下肢助力外骨骼服。該外骨骼服能夠解決下肢外骨骼機器人柔性差，質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穿戴不便，難以適用于日常生活的問題，該外骨骼服穿戴簡單，質(zhì)量小，老年人可自行穿戴使用，為下肢提供助力防止摔倒，并對其運動功能的維持甚至提高有重要作用。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：提供一種柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于該外骨骼服包括高腰短褲、護膝、鞋、控制器、牽引帶和兩個驅(qū)動裝置，所述高腰短褲在左右髖關(guān)節(jié)和骶骨處均安裝有陀螺儀傳感器，在高腰短褲的腰間位置上固定有可調(diào)節(jié)腰帶，所述兩個驅(qū)動裝置左右對稱安裝在高腰短褲正面的可調(diào)節(jié)腰帶上，每個驅(qū)動裝置均與一個牽引帶的上端連接，牽引帶的下端穿過護膝，并與鞋連接，每個驅(qū)動裝置用以驅(qū)動相應(yīng)側(cè)的踝關(guān)節(jié)運動；三個陀螺儀傳感器和兩個驅(qū)動裝置均與控制器連接；控制器用來處理三個陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，并控制驅(qū)動裝置的動力元件運動，

所述護膝位于膝關(guān)節(jié)處，護膝上設(shè)有長短不等的多個粘貼魔術(shù)貼點，護膝上設(shè)有膝蓋窩；以膝蓋窩為中心左右對稱布置有彈簧，上下對稱布置有牽引帶軌道，每個牽引帶軌道的左右兩端縫制于護膝內(nèi)側(cè)，上下開口，牽引帶下端依次穿過上下兩個牽引帶軌道與鞋連接；

所述驅(qū)動裝置包括減速電機、底板、小齒輪、大齒輪、卷筒和外殼；

所述減速電機通過電機座固定在底板上，減速電機的輸出軸通過聯(lián)軸器與小齒輪的軸的一端連接，小齒輪的一端通過配套軸承與第三軸承座固定，小齒輪另一端通過軸套、軸承固定在第一軸承座上；所述卷筒通過軸承座固定在底板上，且卷筒的長度方向與減速電機的傳送方向平行，卷筒的一端固定大齒輪，大齒輪與小齒輪相嚙合，大齒輪通過階梯軸套、軸承固定在第四軸承座上；卷筒的軸的另一端通過配套軸承固定在第二軸承座上，減速電機、大齒輪、小齒輪、卷筒均置于外殼內(nèi)，外殼下表面與底板固定連接，在靠近卷筒的外殼側(cè)面上開有牽引帶帶口，牽引帶通過牽引帶帶口與卷筒連接；所述底板與可調(diào)節(jié)腰帶連接；減速電機與控制器連接；所有軸承座均固定在底板上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在左右髖關(guān)節(jié)及骶骨這三處位置安裝陀螺儀傳感器，并通過陀螺儀傳感器實時進行角度信息檢測，通過對人的步態(tài)進行運動學(xué)與動力學(xué)分析后，可確定出施力最有效的位置，在此位置施力，驅(qū)動裝置可最省力地帶動踝關(guān)節(jié)背屈。由于外骨骼服多使用護膝或牽引帶，增加了人佩戴的舒適感，減輕了人的負重感，可使人與外骨骼服的柔順性增加。整套裝置的剛性部分只有驅(qū)動裝置，將其佩戴腰間可以使人的負重感降低，整套裝置結(jié)構(gòu)簡單，可獨立完成穿戴。

本發(fā)明針對背屈強度減弱的人群而設(shè)計，當(dāng)陀螺儀傳感器檢測到一定的髖關(guān)節(jié)位置信號時，驅(qū)動裝置通過柔性牽引帶帶動踝關(guān)節(jié)背屈，能夠有效避免腳尖拖地引發(fā)的摔倒；牽引帶從腰間驅(qū)動裝置伸出連接到鞋上，中間穿過護膝，護膝上設(shè)置牽引帶軌道可以保證過長的傳力過程中牽引帶無偏斜；大齒輪與小齒輪嚙合既縮短了整個驅(qū)動裝置的長度(因為加寬了裝置寬度來縮短長度)同時加大裝置轉(zhuǎn)矩，更加方便腰間佩戴，體積小，質(zhì)量輕。

附圖說明

圖1為本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一種實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一種實施例的驅(qū)動裝置1的立體結(jié)構(gòu)示意圖，

圖3為本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一種實施例的護膝2的展開圖。

圖中，1驅(qū)動裝置，2護膝，3高腰短褲，4鞋，5牽引帶，6可調(diào)節(jié)腰帶；101減速電機、102底板、103電機座、104小齒輪、105第一軸承座、106大齒輪、107卷筒、108外殼、109第二軸承座、111第三軸承座、110第四軸承座；21彈簧、22粘貼魔術(shù)貼點、23膝蓋窩、24牽引帶軌道。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖進一步解釋本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護范圍的限定。

本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服(簡稱外骨骼服，參見圖1-3)包括高腰短褲3、護膝2、鞋4、控制器(圖中未標(biāo)出)、牽引帶5和兩個驅(qū)動裝置1，所述高腰短褲3在左右髖關(guān)節(jié)和骶骨處均安裝有陀螺儀傳感器，在高腰短褲的腰間位置上固定有可調(diào)節(jié)腰帶6，所述兩個驅(qū)動裝置1左右對稱安裝在高腰短褲3正面的可調(diào)節(jié)腰帶6上，每個驅(qū)動裝置1均與一個牽引帶5的上端連接，牽引帶5的下端穿過護膝2，并與鞋4連接，每個驅(qū)動裝置用以驅(qū)動相應(yīng)側(cè)的踝關(guān)節(jié)運動；三個陀螺儀傳感器和兩個驅(qū)動裝置均與控制器連接；控制器用來處理三個陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，并控制驅(qū)動裝置的動力元件(減速電機)運動，具體地說：控制器通過程序設(shè)定實時判斷陀螺儀傳感器檢測的角度位置及角速度方向，當(dāng)?shù)竭_指定位置時，驅(qū)動動力元件以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)指定圈數(shù)后停下；

所述護膝2位于膝關(guān)節(jié)處，護膝2上設(shè)有長短不等的多個粘貼魔術(shù)貼點22，多個粘貼點順次粘在左側(cè)護膝面上，也就是說護膝面上任何位置都可以與粘貼魔術(shù)貼點配合，通過與任何位置的配合來調(diào)節(jié)松緊程度，進而調(diào)節(jié)束縛度，護膝2上設(shè)有膝蓋窩23，膝蓋窩23為開口設(shè)計，便于膝關(guān)節(jié)的彎曲；以膝蓋窩23為中心左右對稱布置有彈簧21，上下對稱布置有牽引帶軌道24，該彈簧21可以增強護膝的強度，強化支撐，該牽引帶軌道24為尼龍帶，左右兩端縫制于護膝3內(nèi)側(cè)，上下開口，牽引帶5下端依次穿過上下兩個牽引帶軌道24與鞋4連接，可有效防止?fàn)恳龓?因柔性大，傳力長引起的左右偏移。

所述驅(qū)動裝置1包括減速電機101、底板102、小齒輪104、大齒輪106、卷筒107和外殼108；

所述減速電機101通過電機座103固定在底板102上，減速電機101的輸出軸通過聯(lián)軸器與小齒輪104的軸的一端連接，小齒輪104的一端通過配套軸承與第三軸承座111固定，小齒輪104另一端通過軸套、軸承固定在第一軸承座105上；所述卷筒107通過軸承座固定在底板102上，且卷筒107的長度方向與減速電機101的傳送方向平行，卷筒107的一端固定大齒輪106，大齒輪106與小齒輪104相嚙合，大齒輪106通過階梯軸套、軸承固定在第四軸承座110上；卷筒107的軸的另一端通過配套軸承固定在第二軸承座109上，減速電機101、大齒輪106、小齒輪104、卷筒107均置于外殼108內(nèi)，外殼108下表面與底板通過螺紋固定連接，在靠近卷筒107的外殼側(cè)面上開有牽引帶帶口，牽引帶5通過牽引帶帶口與卷筒107連接；所述底板102與可調(diào)節(jié)腰帶6連接；減速電機101與控制器連接；所有軸承座均固定在底板上，且軸承、軸承座都是軸向固定齒輪或者卷筒的。

第三軸承座111和第四軸承座110與底板102為3D打印一體成型。

所述減速電機的型號為maxon motor 531178，大齒輪的直徑為20mm，小齒輪的直徑為9mm，整個驅(qū)動裝置尺寸為89*149*54mm。

所述控制器采用NI公司的myrio-1900控制器。

所述鞋4可以為普通的帶扣的鞋子，鞋子與牽引帶5下端通過粘扣、掛鉤或系帶的形式連接，保證鞋子上方能與牽引帶下端固定連接即可。牽引帶5可以為尼龍帶、棉布帶等柔性帶。

本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服的工作原理及過程是：驅(qū)動裝置1對稱置于腰間，陀螺儀傳感器采集髖關(guān)節(jié)角速度及角度信息(陀螺儀傳感器可采集角度，角速度，加速度三種信號，經(jīng)過控制器程序的數(shù)據(jù)解析可把三種信號分離，因為人腿在一個角度位置時，可能抬腿也可能往下放腿，所以還需要角速度判斷是否是抬腿)，重復(fù)五個相似周期視為人開始行走，當(dāng)陀螺儀傳感器識別到髖關(guān)節(jié)有角速度及角度信息的變化時，通過控制器計算并確定人的行走信息，驅(qū)動裝置1開始動作。減速電機101由待機狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，減速電機101的旋轉(zhuǎn)運動通過聯(lián)軸器傳遞給固定小齒輪104的軸，該軸帶動小齒輪104做旋轉(zhuǎn)運動，并帶動與其嚙合的大齒輪106旋轉(zhuǎn)，最終將運動傳遞給卷筒107，由卷筒107卷起或者釋放牽引帶5來實現(xiàn)牽引帶的伸縮，進而帶動踝關(guān)節(jié)背屈強度下降人群行走時足部背屈到達指定角度。經(jīng)運動學(xué)與動力學(xué)分析，得到施力最有效踝關(guān)節(jié)角度位置對應(yīng)的髖關(guān)節(jié)角速度方向及角度位置，并在此髖關(guān)節(jié)角速度方向有向上分量且角度位置為設(shè)定位置時提供瞬時助力，通過驅(qū)動裝置1帶動鞋4上方動作，從而使足部背屈達到合理角度，以防止足尖垂地引起的摔倒。

本發(fā)明中電機座103、底板102、外殼108、第一軸承座105與第二軸承座109均可以為3D打印件，進一步減輕了驅(qū)動裝置1的重量，其中，第三軸承座111和第四軸承座110與底板102為一體打印，大大節(jié)省了安裝空間。小齒輪104與大齒輪106的嚙合設(shè)計，減小了安裝長度，增加了卷筒107的轉(zhuǎn)矩，如此設(shè)計，使驅(qū)動裝置1質(zhì)量小，尺寸小(89*149*54)，方便佩戴于腰間，更能滿足穿戴者生活起居的需求，牽引帶軌道24的設(shè)計使?fàn)恳龓?對踝關(guān)節(jié)準(zhǔn)確施力。本發(fā)明通過高腰短褲3將驅(qū)動裝置固定在髖關(guān)節(jié)位置，整體更加美觀，且柔性好，質(zhì)量小，方便穿戴，可以適應(yīng)一定體重范圍的人群。

本發(fā)明中驅(qū)動裝置還可以采用液壓等驅(qū)動方式進行驅(qū)動，將驅(qū)動裝置置于腰間，驅(qū)動踝關(guān)節(jié)運動，可以有效減輕人行走時的負重感。

實施例1

本實施例柔性可穿戴下肢助力外骨骼服包括高腰短褲3、護膝2、鞋4、控制器、牽引帶5和兩個驅(qū)動裝置1，所述高腰短褲3在左右髖關(guān)節(jié)和骶骨處均安裝有陀螺儀傳感器，在高腰短褲的腰間位置上固定有可調(diào)節(jié)腰帶6，所述兩個驅(qū)動裝置1左右對稱安裝在高腰短褲3正面的可調(diào)節(jié)腰帶6上，每個驅(qū)動裝置1均與一個牽引帶5的上端連接，牽引帶5的下端穿過護膝2，并與鞋4連接，每個驅(qū)動裝置用以驅(qū)動相應(yīng)側(cè)的踝關(guān)節(jié)運動；三個陀螺儀傳感器和兩個驅(qū)動裝置均與控制器連接；控制器用來處理三個陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，并控制驅(qū)動裝置的減速電機運動，

所述護膝2位于膝關(guān)節(jié)處，護膝2上設(shè)有長短不等的五個粘貼魔術(shù)貼點22，五個粘貼點順次粘在左側(cè)護膝面上，也就是說護膝面上任何位置都可以與粘貼魔術(shù)貼點配合，通過與任何位置的配合來調(diào)節(jié)松緊程度，進而調(diào)節(jié)束縛度，護膝2上設(shè)有膝蓋窩23，膝蓋窩23為開口設(shè)計，即護膝在膝蓋窩處為圓形開孔(參見圖3)，便于膝關(guān)節(jié)的彎曲；以膝蓋窩23為中心左右對稱布置有彈簧21，上下對稱布置有牽引帶軌道24，該彈簧21可以增強護膝的強度，強化支撐，該牽引帶軌道24為尼龍帶，左右兩端縫制于護膝3內(nèi)側(cè)，上下開口，牽引帶5下端依次穿過上下兩個牽引帶軌道24與鞋4連接，可有效防止?fàn)恳龓?因柔性大，傳力長引起的左右偏移。

所述驅(qū)動裝置1包括減速電機101、底板102、小齒輪104、大齒輪106、卷筒107和外殼108；

所述減速電機101通過電機座103固定在底板102上，減速電機101的輸出軸通過聯(lián)軸器與小齒輪104的軸的一端連接，小齒輪104的一端通過配套軸承與第三軸承座111固定，小齒輪104另一端通過軸套、軸承固定在第一軸承座105上；所述卷筒107通過軸承座固定在底板102上，且卷筒107的長度方向與減速電機101的傳送方向平行，卷筒107的一端固定大齒輪106，大齒輪106與小齒輪104相嚙合，大齒輪106通過階梯軸套、軸承固定在第四軸承座110上，所述大齒輪106與卷筒的軸通過鍵連接，卷筒107與卷筒的軸為一體結(jié)構(gòu)；卷筒107的軸的另一端通過配套軸承固定在第二軸承座109上，減速電機101、大齒輪106、小齒輪104、卷筒107均置于外殼108內(nèi)，外殼108下表面與底板通過螺紋固定連接，在靠近卷筒107的外殼側(cè)面上開有牽引帶帶口，牽引帶5通過牽引帶帶口與卷筒107連接；所述底板102與可調(diào)節(jié)腰帶6連接；減速電機101與控制器連接；所有軸承座均固定在底板上，且軸承、軸承座都是軸向固定齒輪或者卷筒的。

牽引帶軌道24為尼龍帶橫向放置，左右兩端縫制于護膝2內(nèi)側(cè)，牽引帶5從驅(qū)動裝置1的柔性牽引帶出帶口伸出，穿過牽引帶軌道24連接到鞋5上方扣。

實施例2

本實施例各部分的連接及位置關(guān)系同實施例1，不同之處在于可伸縮腰帶6與高腰短褲3通過超薄背對背魔術(shù)貼扎帶連接，并配有連接扣，可調(diào)節(jié)腰圍尺寸，塑料插扣系于腰間，如此設(shè)計，柔性好，質(zhì)量小，方便穿戴與調(diào)節(jié)，適合穿戴者的生活起居。牽引帶5為尼龍帶，柔性好，質(zhì)量小，方便穿戴與調(diào)節(jié)，適合穿戴者的生活起居。高腰短褲3為薄彈力褲，可一定程度上滿足一定體重范圍的穿戴者的共同需求。

所述驅(qū)動裝置1中的底板102、小齒輪104、大齒輪106、卷筒107和外殼108及軸承座(第一軸承座105、第二軸承座109、第三軸承座111、第四軸承座110)均為3D打印件，采用塑料材質(zhì)制成，其中第三軸承座111和第四軸承座110與底板102為3D打印一體成型。

實施例3

本實施例各部分的連接及位置關(guān)系同實施例1，不同之處在于所述驅(qū)動裝置采用液壓驅(qū)動，液壓驅(qū)動的相關(guān)部件也集成在外殼內(nèi)，整個驅(qū)動裝置仍置于腰間。

本發(fā)明所涉及的元器件均可通過商購獲得。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。