一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统

摘要

一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，包括背架、髋关节运动机构、可伸缩大腿杆、膝关节运动机构、小腿杆、足部下跃缓冲机构、腰部绑架、上绑腿架和下绑腿架，所述背架两侧伸出端通过髋关节运动机构与可伸缩大腿杆一端相连，可伸缩大腿杆另一端通过膝关节运动机构与小腿杆一端相连，小腿杆另一端与足部下跃缓冲机构相连，所述背架水平部分内侧设置有腰部绑架，所述可伸缩大腿杆和小腿杆上分别设置有上绑腿架和下绑腿架。本申请提出具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，即基于下跃过程穿戴者发出的指令，外骨骼系统给出抵抗地面作用力的缓冲功能，使得穿戴者在下跃落地时下肢不受损伤。

说明书

技术领域

本发明属于机械电子工程和生物医学工程的交叉技术领域，具体涉及一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统。

背景技术

下肢外骨骼是一种由金属框架构成的、可穿戴的机器装置，它可增强人体的下肢功能。在军事上，它可根据人的肢体行为来驱动机械关节执行动作，帮助穿戴者跑得更快、负重能力更强。在医疗康复方面，穿戴外骨骼的老年人及残障人，可以辅助恢复其腿部的行走能力，甚至帮助瘫痪在床的残障人士重新站立行走。

目前，下肢外骨骼大多是协助穿戴者平地行走、奔跑、上楼梯。针对穿戴者下跃行为，需要外骨骼具有抵抗地面作用力的缓冲功能，而目前的外骨骼大都不具有这样的功能，不能保证穿戴者从高处下跃的下肢安全。对此，本申请提出具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，即基于下跃过程穿戴者发出的指令，外骨骼系统给出抵抗地面作用力的缓冲功能，使得穿戴者在下跃落地时下肢不受损伤。本发明在外骨骼与地面接触处具有足部下跃缓冲结构，满足下跃高度1.5米的缓冲需求。

发明内容

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，包括背架、髋关节运动机构、可伸缩大腿杆、膝关节运动机构、小腿杆、足部下跃缓冲机构、腰部绑架、上绑腿架和下绑腿架，所述背架两侧伸出端通过髋关节运动机构与可伸缩大腿杆一端相连，可伸缩大腿杆另一端通过膝关节运动机构与小腿杆一端相连，小腿杆另一端与足部下跃缓冲机构相连，所述背架水平部分内侧设置有腰部绑架，所述可伸缩大腿杆和小腿杆上分别设置有上绑腿架和下绑腿架。

所述髋关节运动机构由外展内收运动件、屈伸运动件和上大腿杆连接架组成，外展内收运动件一端通过螺栓与背架相连，外展内收运动件另一端通过第一销轴与屈伸运动件一端相连，屈伸运动件另一端通过第二销轴与上大腿杆连接架一端相连，所述第一销轴与第二销轴垂直设置。

所述可伸缩大腿杆由上大腿杆和下大腿杆组成，下大腿杆上端开设有三排螺纹通孔，且呈一列排置，下大腿杆上端通过螺纹通孔和螺栓与上大腿杆底端相连，上大腿杆顶端通过螺纹与上大腿杆连接架相连，上大腿杆的外圆面通过螺栓连接有上绑腿架，下大腿杆底端耳板上设置有两个通孔，且呈一行排置。

所述膝关节运动机构由两个下大腿杆连接架、膝关节转动件、谐波减速器和电机组成，两个下大腿杆连接架通过螺栓与下大腿杆底端相连，其中一个下大腿杆连接架分别与谐波减速器的柔轮和电机相连，谐波减速器位于下大腿杆连接架的内侧，电机位于下大腿杆连接架的外侧，谐波减速器的谐波发生器与电机输出轴相连，谐波减速器的输出钢轮与位于两个下大腿连接架之间的膝关节转动件相连，膝关节转动件底端通过螺栓与小腿杆顶端相连，两个下大腿杆连接架与膝关节运动件的连接侧均设置有定角度缺口凸台。

所述足部下跃缓冲机构由电磁铁、电磁铁固定架、牵引绳、夹子、橡胶垫、外壳、移动套筒、缓冲弹簧、复位弹簧和控制模块组成，所述外壳顶部通过螺栓与小腿杆底端相连，所述外壳内侧设置有移动套筒，移动套筒内设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧顶部抵在外壳内限位板上，所述外壳中下部外圆面对称设置有夹子，夹子中部与外壳铰接，夹子一端圆面处与外壳凸起之间设置有复位弹簧，夹子位于圆面处末端与牵引绳一端相连，牵引绳另一端与电磁铁相连，电磁铁通过螺栓设置于电磁铁固定架上，电磁铁固定架通过螺栓固定在小腿杆上，夹子另一端与移动套筒底端相连，所述移动套筒底端通过螺栓与橡胶垫相连，橡胶垫与移动套筒结合面之间通过橡胶金属粘合胶水粘接，所述橡胶垫两端对称开设有凹槽，所述控制模块与电磁铁相连。

所述控制模块包括上位机、无线通讯模块、控制板和继电器组成，所述上位机通过无线通讯模块与控制板连接，控制板与继电器电连接，所述继电器与电磁铁电连接。

一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统的使用方法，采用一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，包括以下步骤：

步骤1，将本发明下肢外骨骼系统穿戴于人身体的下半部，将本发明下肢外骨骼系统的背架通过绑带和腰部绑架与腰部固定，将本发明可伸缩大腿杆通过上绑腿架和绷带与大腿部固定，将本发明小腿杆通过下绑腿架和绷带与小腿固定；

步骤2，当在平地行走时，穿戴者通过膝关节运动机构中的电机输出转矩控制行走动作，并通过谐波减速器将电机轴的转动转化成膝关节运动机构的屈伸运动，从而带动髋关节运动机构被动跟随穿戴者运动；当需要下跃运动时，上位机通过无线通讯模块Ⅰ将指令发送给控制板，控制板的输出管脚控制继电器接通，电磁铁通电接通，牵动牵引绳，打开夹子，被压缩在外壳中的缓冲弹簧在弹性力的作用下，推出移动套筒至极限位置；在落地过程中，橡胶垫与地面接触，在地面支撑力的作用下，将移动套筒压入外壳中，从而使缓冲弹簧再度被压缩至外壳中；完全落地后，上位机发出指令，控制控制板，控制板的输出管脚控制继电器断开，电磁铁失电断开，放松牵引绳，在复位弹簧的作用下，推动夹子夹紧移动套筒，使缓冲弹簧压缩在外壳内不弹出完成整个下跃缓冲动作。

本发明的有益效果为：

1、本申请提出具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，即基于下跃过程穿戴者发出的指令，外骨骼系统给出抵抗地面作用力的缓冲功能，保证穿戴者在下跃落地时下肢不受损伤。

2、本发明在外骨骼与地面接触处具有足部下跃缓冲结构，根据能量守恒原理，下跃落地过程中重力势能的改变量与人体和外骨骼系统缓冲吸收的能量相等，由于人体缓冲吸能是有限的，要提高对人体的保护，即是减少人体在缓冲过程中所需要吸收的能量。本缓冲装置通过足部的缓冲弹簧，在落地过程中被压缩，一部分重力势能转变为弹簧的内能，增大了外骨骼的吸能能力，从而减少人体吸收的能量，保障人体下跃落地的安全，且满足下跃高度1.5米的缓冲需求。

附图说明

图1为本发明下肢外骨骼的正面整体结构示意图；

图2为本发明下肢外骨骼髋关节运动机构的正面结构示意图；

图3为本发明下肢外骨骼的可伸缩大腿杆的正面结构示意图；

图4为本发明下肢外骨骼的膝关节运动机构结构示意图；

图5为本发明下肢外骨骼的足部下跃缓冲装置结构示意图；

图6为发明下肢外骨骼的足部下跃缓冲装置部分控制流程图；

图7为本发明下肢外骨骼的虚拟穿戴示意图。

1-背架，2-髋关节运动机构，3-上绑腿架，4-膝关节运动机构，5-足部下跃缓冲机构，6-腰部绑架，7-可伸缩大腿杆，8-小腿杆，9-外展内收运动件，10-屈伸运动件，11-上大腿杆连接架，12-上大腿杆，13-下大腿杆，14-下大腿杆连接架，15-膝关节转动件，16-谐波减速器，17-下绑腿架，18-电机，19-电磁铁，20-电磁铁固定架，21-牵引绳，22-夹子，23-橡胶垫，24-外壳，25-移动套筒，26-缓冲弹簧，27-复位弹簧，28-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-图7所示，一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，包括背架1、髋关节运动机构2、可伸缩大腿杆7、膝关节运动机构4、小腿杆8、足部下跃缓冲机构5、腰部绑架6、上绑腿架3和下绑腿架17，所述背架1两侧伸出端通过髋关节运动机构2与可伸缩大腿杆7一端相连，可伸缩大腿杆7另一端通过膝关节运动机构4与小腿杆8一端相连，小腿杆8另一端与足部下跃缓冲机构5螺纹连接，所述背架1水平部分内侧设置有腰部绑架6，所述可伸缩大腿杆7和小腿杆8上分别设置有上绑腿架3和下绑腿架17。

所述髋关节运动机构2由外展内收运动件9、屈伸运动件10和上大腿杆连接架11组成，外展内收运动件9一端通过螺栓与背架1相连，外展内收运动件9另一端通过第一销轴与屈伸运动件10一端相连，实现外骨骼下肢的外展与内收运动，屈伸运动件10另一端通过第二销轴与上大腿杆连接架11一端相连，构成转动副，实现髋关节运动机构2的屈伸运动，所述第一销轴与第二销轴垂直设置，本发明髋关节运动机构2具有两个自由度。

所述可伸缩大腿杆7由上大腿杆12和下大腿杆13组成，上大腿杆12和下大腿杆13均采用铝管制作，下大腿杆13上端开设有三排螺纹通孔，且呈一列排置，下大腿杆13上端通过螺纹通孔和螺栓与上大腿杆12底端相连，实现可伸缩大腿杆7长度的有级调节，上大腿杆12顶端通过螺纹与上大腿杆连接架11相连，上大腿杆12的外圆面中部通过螺栓连接有上绑腿架3，下大腿杆13底端耳板上设置有两个通孔，且呈一行排置。

所述膝关节运动机构4由两个下大腿杆连接架14、膝关节转动件15、谐波减速器16和电机18组成，两个下大腿杆连接架14通过螺栓与下大腿杆13底端相连，其中一个下大腿杆连接架14分别与谐波减速器16的柔轮和电机18相连，谐波减速器16位于下大腿杆连接架14的内侧，电机18位于下大腿杆连接架14的外侧，谐波减速器16的谐波发生器与电机18输出轴相连，谐波减速器16的输出钢轮与位于两个下大腿连接架14之间的膝关节转动件15相连，膝关节转动件15底端通过螺栓与小腿杆8顶端相连，两个下大腿杆连接架14与膝关节转动件15的连接侧均设置有定角度缺口凸台，当膝关节转动件15转动到前后极限位置时与大腿杆连接架14上的定角度缺口凸台相接处，用于限制膝关节运动机构4的极限运动位置；电机18上装有角度传感器，从而防止膝关节运动机构4的屈伸运动脱离正常范围；当正常行走时，根据人体下肢运动规律特点，电机18输出一定转矩，驱动外骨骼助力人体膝关节运动。

所述足部下跃缓冲机构5由电磁铁19、电磁铁固定架20、牵引绳21、夹子22、橡胶垫23、外壳24、移动套筒25、缓冲弹簧26和复位弹簧27组成，所述外壳24顶部通过螺栓与小腿杆8底端相连，所述外壳24内侧设置有移动套筒25，所述外壳24由两个半圆壳组成，半圆壳的端面设置有伸出翼缘，两个半圆壳通过伸出翼缘和螺栓固定安装组成外壳24，移动套筒25内设置有缓冲弹簧26，外壳24内壁底端设置有内限位块，移动套筒25外壁顶端设置有外限位块，外壳24的内限位块和移动套筒25的外限位块相互扣合，放置移动套筒25脱离外壳24，缓冲弹簧26顶部抵在外壳24内限位板上，所述外壳24中下部外圆面对称设置有夹子22，夹子22中部与外壳24铰接，夹子22上端圆面处与外壳24凸起之间设置有复位弹簧27，复位弹簧27始终处于压缩状态，下跃时依靠复位弹簧27的弹力推动夹子22，使夹子22下端压紧移动套筒25下端面，夹子22位于圆面处末端与牵引绳21一端相连，牵引绳21另一端与电磁铁19相连，电磁铁19为推拉式框架直流电磁铁，电磁铁19通过螺栓设置于电磁铁固定架20上，电磁铁固定架20通过螺栓固定在小腿杆8上，夹子22下端弯折部分与移动套筒25底端相连，限制移动套筒25的位置，且夹子22下端弯折部分与夹子22主体部分呈90度，所述移动套筒25底端通过螺栓与橡胶垫23相连，橡胶垫23与移动套筒25结合面之间通过橡胶金属粘合胶水粘接，所述橡胶垫23两端对称开设有凹槽28，使夹子22张开时有足够的活动空间，所述控制模块与电磁铁19相连。

所述控制模块包括上位机、无线通讯模块、控制板和继电器组成，所述上位机通过无线通讯模块与控制板连接，控制板与继电器电连接，所述继电器与电磁铁19电连接，控制板主要用于控制推拉式框架直流电磁铁19的通电与断电，进而控制夹子22的打开与关闭，上位机为普通的笔记本电脑，无线通讯模块为zigbee无线通讯模块，控制板为arduinomega2560控制板，继电器为telesky24V继电器。

一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统的使用方法，采用一种具有下跃缓冲功能的下肢外骨骼系统，包括以下步骤：

步骤1，将本发明下肢外骨骼系统穿戴于人身体的下半部，将本发明下肢外骨骼系统的背架1通过绑带和腰部绑架6与腰部固定，将本发明可伸缩大腿杆7通过上绑腿架3和绷带与大腿部固定，将本发明小腿杆8通过下绑腿架17和绷带与小腿固定；

步骤2，当在平地行走时，穿戴者通过膝关节运动机构4中的电机18输出转矩控制行走动作，并通过谐波减速器16将电机轴的转动转化成膝关节运动机构4的屈伸运动，从而带动髋关节运动机构2被动跟随穿戴者运动；当需要下跃运动时，上位机通过远距离无线串口模块将指令发送给控制板，控制板的输出管脚控制继电器接通，推拉式框架直流电磁铁19通电接通，牵动牵引绳21，打开夹子22，被压缩在外壳24中的缓冲弹簧26在弹性力的作用下，推出移动套筒25至极限位置；在落地过程中，橡胶垫23与地面接触，在地面支撑力的作用下，将移动套筒25压入外壳24中，从而使缓冲弹簧26再度被压缩至外壳24中；完全落地后，上位机发出指令，控制控制板，控制板的输出管脚控制继电器断开，推拉式框架直流电磁铁19失电断开，放松牵引绳21，在复位弹簧27的作用下，推动夹子22夹紧移动套筒25，使缓冲弹簧26压缩在外壳24内不弹出完成整个下跃缓冲动作。

实施例1

对于普通人而言，如无特殊训练，从1.5米高度下跃时一般不易受伤，而当高度更高时，便有受伤风险，由于人体负重，这个临界高度亦会降低，因而本实例设定人体穿戴下肢外骨骼从高处1.5m处做初速度为0m/s的自由落体下跃，具有初始重力势能为W_g。由于外骨骼及人体系统质量较大，忽略下落中的空气阻力的影响，在下跃至与地面接触，最终速度降为0m/s，人与外骨骼系统稳定停止运动的过程中，人体骨骼肌及关节自身缓冲吸收的能量为W₁，外骨骼下跃缓冲机构吸收的能量为W₂，根据能量守恒原理：

W_g＝W₁+W₂

等价于:

W₁＝W_g-W₂

由于人体的骨骼肌及关节系统具有其自身的承载极限，即骨骼肌及关节系统所能起到的缓冲能力有限，其在缓冲过程中所能吸收的能量具有一个极值，设定为W_1max，要保证人体下跃过程的安全性，需满足W₁＜＜W_1max，亦即减小W₁。而对于每一次下跃，人体与外骨骼系统在整个下跃过程中，不考虑其他能量损失，其具有的初始重力势能W_g恒定不变。因而可通过增强外骨骼的缓冲能力，即增大W₂来减小W₁。本实例中，足部下跃缓冲装置中的弹性吸能元件采用弹簧，设定其劲度系数为K，一次下跃过程弹簧的压缩位移为Δx，一次压缩过程弹簧吸收的能量为忽略外骨骼其余部分对能量的影响，又双足均具有下跃缓冲装置，则有：

W₂＝2W_弹＝KΔx²

因而结合上式，有：

W₁＝W_g-KΔx²

可知，本实例可以通过调节下跃缓冲机构中弹簧的刚度，从而调整外骨骼的缓冲能力，以满足不同的使用要求，达到对人体下跃过程的缓冲和保护作用。