阅读说明：本技术 一种多关节刚柔结合助力下肢外骨骼 (Multi-joint rigid-flexible combined power-assisted lower limb exoskeleton ) 是由 吴新宇 曹武警 陈春杰 朱路 王大帅 何勇 马跃 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本申请涉及关节助力技术领域,具体公开了一种多关节刚柔结合助力下肢外骨骼。该多关节刚柔结合助力下肢外骨骼包括：髋关节绑缚系统和腿部支撑系统,髋关节绑缚系统包括髋关节绑缚件以及设置在髋关节绑缚件上的驱动组件,腿部支撑系统包括：第一绳索、第二绳索、大腿部件、膝关节部件以及小腿部件,大腿部件、膝关节部件以及小腿部件相互配合以支撑人体的腿部并辅助人体站立；大腿部件、小腿部件分别通过第一绳索、第二绳索连接于驱动组件,驱动组件用于通过第一绳索和第二绳索分别带动大腿部件和小腿部件做相应的运动。通过上述方式,本申请能够支撑人体的腿部并为膝关节部件的摆动屈曲提供助力,且结构精简稳定,质量轻。(The application relates to the technical field of joint assistance, and particularly discloses a multi-joint rigid-flexible combined assistance lower limb exoskeleton. The multi-joint rigid-flexible combined power-assisted lower limb exoskeleton comprises: hip joint ties up system and shank braced system, and the hip joint ties up the system and ties up the drive assembly who ties up on the piece including hip joint and setting, and the shank braced system includes: the first rope, the second rope, the thigh component, the knee joint component and the shank component are matched with each other to support the legs of the human body and assist the human body to stand; the thigh component and the shank component are connected to the driving assembly through a first rope and a second rope respectively, and the driving assembly is used for driving the thigh component and the shank component to move correspondingly through the first rope and the second rope respectively. Through the mode, human shank and the swing bucking for knee joint part provide the helping hand can be supported in this application, and the structure is retrencied stably, and the quality is light.)

一种多关节刚柔结合助力下肢外骨骼

技术领域

本申请涉及用于关节助力技术领域，特别是涉及一种多关节刚柔结合助力下肢外骨骼。

背景技术

多关节刚柔结合助力下肢外骨骼是通过对关节施加扭矩，从而对人体行动提供辅助，随着技术的进步，多关节刚柔结合助力下肢外骨骼在工业制造、军队、医疗康复等领域应用越来越多。

本申请的发明人在长期研究中，发现现有技术中柔性下肢外骨骼只能为人体关节摆动提供助力，而不能为人体关节提供辅助支撑，因此，无法缓解在负重行走或站立时人体关节因支撑身体而造成的疲劳，使得行走助力效率受限。而现有技术中刚性下肢外骨骼通常是在膝关节组件处直接连接传动机构以提供助力，且刚性下肢外骨骼上配备多套驱动机构，这样的设计容易增加下肢外骨骼的体积和重量，对穿戴的舒适性也会造成影响，而且容易造成相应的制造和维修成本的上升。另一方面，刚性下肢外骨骼的关节转动中心需与人体生理关节保持一致，因此需要通过配置辅助机构来消除人机之间的关节偏差，否则容易造成二次损伤。又一方面，由于刚性下肢外骨骼的刚性较大，健康人穿戴时通常只能进行受限的运动，不便于穿戴者灵活控制，容易给穿戴者带来不便。

发明内容

本申请提供一种多关节刚柔结合助力下肢外骨骼，以至少解决上述所提到的部分问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种多关节刚柔结合助力下肢外骨骼，包括：髋关节绑缚系统，包括髋关节绑缚件以及设置在髋关节绑缚件上的驱动组件，髋关节绑缚件可穿戴于人体的腰部；以及腿部支撑系统，连接于髋关节绑缚系统，腿部支撑系统可穿戴于人体的腿部；其中，腿部支撑系统包括：第一绳索、第二绳索、大腿部件、膝关节部件以及小腿部件，大腿部件、膝关节部件以及小腿部件相互配合以支撑人体的腿部并辅助人体站立；大腿部件、小腿部件分别通过第一绳索、第二绳索连接于驱动组件，驱动组件用于通过第一绳索和第二绳索分别带动大腿部件和小腿部件做相应的运动。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请通过大腿部件、膝关节部件以及小腿部件相互配合以支撑人体的腿部，因此能够缓解人体关节在负重行走或站立时因支撑身体而造成的疲劳。此外，由于驱动组件可通过第一绳索和第二绳索分别主动带动大腿部件和小腿部件做相应的运动，为膝关节部件的摆动屈曲提供助力。同时，由于本申请仅在髋关节绑缚系统处设置了驱动组件，结构精简稳定，质量轻，体积小，对正常人体自然运动约束小，助力效率高，解决了现有技术中柔性下肢外骨骼站立相不能辅助支撑，刚性下肢外骨骼多关节助力时重量过大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请一实施例提供的多关节刚柔结合助力下肢外骨骼的一结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的多关节刚柔结合助力下肢外骨骼的另一结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的多关节刚柔结合助力下肢外骨骼的又一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1是本申请一实施例提供的多关节刚柔结合助力下肢外骨骼的结构示意图。

多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100是一种直接装备在人体上的非侵入式机械装置。使用者穿戴该多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100之后，多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100可以起到支承人体、辅助人体运动及减轻负重感等作用。

如图1所示，该多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100包括：髋关节绑缚系统10和腿部支撑系统20，腿部支撑系统20连接于髋关节绑缚系统10，髋关节绑缚系统10包括髋关节绑缚件2以及设置在髋关节绑缚件2上的驱动组件1，髋关节绑缚件2可穿戴于人体的腰部，腿部支撑系统20可穿戴于人体的腿部。

其中，腿部支撑系统20包括：第一绳索12、第二绳索9、大腿部件21、膝关节部件22以及小腿部件23，大腿部件21、膝关节部件22以及小腿部件23相互配合以支撑人体的腿部并辅助人体站立。大腿部件21、小腿部件23分别通过第一绳索12、第二绳索9连接于驱动组件1，驱动组件1用于通过第一绳索12和第二绳索9分别带动大腿部件21和小腿部件23做相应的运动。

本实施例中，使用者穿戴该多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100时，髋关节绑缚件2可绑缚于使用者的腰部。

可选地，髋关节绑缚件2可以由纺织纤维、皮革等材料制成，以使得髋关节绑缚件2具有一定的强度及柔韧性，从而增加髋关节绑缚系统10与使用者腰部之间的绑缚效果。

区别于现有技术的情况，本申请通过大腿部件21、膝关节部件22以及小腿部件23相互配合以支撑人体的腿部，因此能够缓解人体关节在负重行走或站立时因支撑身体而造成的疲劳。此外，由于驱动组件1可通过第一绳索12和第二绳索9分别主动带动大腿部件21和小腿部件23做相应的运动，为膝关节部件22的摆动屈曲提供助力。同时，由于本申请仅在髋关节绑缚系统10处设置了驱动组件1，结构精简稳定，质量轻，体积小，对正常人体自然运动约束小，助力效率高，解决了现有技术中柔性下肢外骨骼站立相不能辅助支撑，刚性下肢外骨骼多关节助力时重量过大的问题。

请继续参阅图1，大腿部件21包括大腿支撑件3以及大腿绑缚件4，小腿部件23包括：小腿绑缚件5以及小腿支撑件6。大腿支撑件3下端和小腿支撑件6上端通过膝关节部件22连接。

其中，大腿绑缚件4设置在大腿支撑件3上，大腿绑缚件4通过第一绳索12连接于驱动组件1。小腿绑缚件5设置在小腿支撑件6上，小腿绑缚件5通过第二绳索9连接于驱动组件1。

本实施例中，使用者穿戴该多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100时，大腿绑缚件4可绑缚于使用者左大腿和/或右大腿，小腿绑缚件5可绑缚于使用者左小腿和/或右小腿。

可选地，大腿绑缚件4、小腿绑缚件5可以由纺织纤维、皮革等材料制成，以使得大腿绑缚件4、小腿绑缚件5具有一定的强度及柔韧性，从而增加大腿部件21、小腿部件23与使用者腿部之间的绑缚效果。

需要说明的是，本申请实施例中的“使用者”一般为成年人，对于不同的使用者，其性别、身高、体重等可能存在差异，使得绑缚的位置可能也存在差异。

请一并参阅图2，图2是本申请一实施例提供的多关节刚柔结合助力下肢外骨骼的另一结构示意图。

大腿支撑件3与膝关节部件22连接的一端上设有安装凸台301，小腿支撑件6与膝关节部件22连接的一端开设有第一安装孔809以及第二安装孔808。

膝关节部件22包括膝关节组件8，膝关节组件8包括外壳801、第一螺钉802、803、滚动轴承804、805、扭簧806以及关节轴承807，第一螺钉802、803通过滚动轴承804、805固定于第一安装孔809中，扭簧806设置于第二安装孔808内，关节轴承807套设于安装凸台301上。安装凸台301上设有转动轴302，转动轴302依次穿设于扭簧806和外壳801的通孔内。

具体地，两个滚动轴承804、805分别置于第一卡槽810的两侧，通过滚动轴承804、805将两个第一螺钉802、803固定于小腿组件上的小腿支撑件6中。

请继续参阅图2，小腿支撑件6与膝关节部件22连接的一端的周沿上设有第一卡槽810。膝关节部件22还包括推杆组件7，推杆组件7包括固定结构件701、推杆702以及转动弹性件703，固定结构件701固定连接大腿支撑件3，推杆702设置在固定结构件701上，转动弹性件703与推杆702连接，且转动弹性件703远离推杆702的一端可卡设在第一卡槽810内。

具体地，通过髋关节绑缚系统10的驱动组件1带动第一绳索12和第二绳索9对腿部支撑系统20主动拉伸，以实现膝关节部件22的摆动。

通过大腿支撑件3末端的推杆组件7与第一卡槽810配合，在站立相时，膝关节部件22屈曲预设角度后锁死，以实现辅助支撑。

进入摆动相后，推杆组件7与第一卡槽810分离，在推杆组件7末端的转动弹性件703与第一卡槽810之间嵌入滚动轴承804、805，膝关节部件22解锁时，由于摩擦为推杆702与滚动轴承804、805的滚动摩擦，通过微小力即可快速解锁。

其中，膝关节部件22的摆动相分为摆动屈曲和摆动伸展两个阶段，在摆动屈曲过程中，通过驱动组件1带动第一绳索12和第二绳索9对大腿绑缚件4、小腿绑缚件5进行拉伸，进而实现内置扭簧806的压缩、储能，在摆动伸展过程，驱动组件1、第一绳索12和第二绳索9对膝关节部件22无作用，此时，内置扭簧806伸展释放储能，助力膝关节部件22摆动伸展。

上述结构在实现轻量化无动力辅助支撑的同时，通过柔性驱动为膝关节部件22的摆动屈曲提供主动助力，且在膝关节部件22摆动屈曲时，可通过髋关节绑缚系统10驱动组件1带动第一绳索12和第二绳索9对大腿绑缚件4、小腿绑缚件5进行拉伸，进而利用内置扭簧806主动储能，而在膝关节部件22摆动伸展时，扭簧806释放储能，为膝关节部件22的摆动伸展提供被动助力。

在一实施例中，推杆702为丝杠传动件或电磁推杆。丝杠传动件包括：电磁铁、直线电机或旋转电机中的至少一种；以及滚珠丝杠或梯形丝杠中的至少一种。

进一步地，该电磁推杆可为常伸推杆或常缩推杆，当电磁推杆为常伸推杆时，即未通电时转动弹性件703位于第一卡槽810内。当脚跟着地进入站立相时，电磁推杆不通电，推杆组件7上的转动弹性件703位于第一卡槽810内，由于弹性体可压缩，使得膝关节部件22可在转动一定角度后锁死，形成变阻力辅助支撑，同时膝关节部件22内的扭簧806被压缩，在膝关节站立伸展时扭簧806能量释放被动助力膝关节站立伸展，第一减震件11着地减震并储存部分能量，摆动期释放进行助力；当脚跟离地进入摆动期时，电磁推杆通电，推杆组件7上的电磁推杆回缩，带动转动弹性件703向上与第一卡槽810分离，第一卡槽810内两侧具有两个滚动轴承804、805，使得转动弹性件703离开第一卡槽810时的摩擦为滚动摩擦。同时，驱动组件1中的电机正转带动第二绳索9拉伸，进而通过小腿绑缚件5使得膝关节部件22主动屈曲旋转，膝关节部件22内的扭簧806被压缩储能，在摆动伸展期，驱动组件1中的电机反转带动第一绳索12拉伸，通过大腿绑缚件4对髋关节屈曲动作主动助力，同时，第二绳索9放松，膝关节部件22内的扭簧806能量释放被动助力膝关节摆动伸展。

当电磁推杆为常缩推杆时，即未通电时转动弹性件703位于第一卡槽810外，当脚跟着地进入站立相时，电磁推杆通电伸出，带动转动弹性件703向下进入第一卡槽810内，由于弹性体可压缩，使得膝关节部件22可在转动一定角度后锁死，形成变阻力辅助支撑，同时膝关节部件22内的扭簧806被压缩，在膝关节站立伸展时扭簧806能量释放被动助力膝关节站立伸展，第一减震件11着地减震并储存部分能量，摆动期释放进行助力；当脚跟离地进入摆动期时，电磁推杆断电回缩，带动转动弹性件703向上与第一卡槽810分离，卡槽内两侧具有两个滚动轴承804、805，使得转动弹性件703离开卡槽时的摩擦为滚动摩擦。同时，驱动组件1中的电机正转带动第二绳索9拉伸，进而通过小腿绑缚件5使得膝关节部件22主动屈曲旋转，膝关节部件22内的扭簧806被压缩储能，在摆动伸展期，驱动组件1中的电机反转带动第一绳索12拉伸，通过大腿绑缚件4对髋关节屈曲动作主动助力，同时，第二绳索9放松，膝关节部件22内的扭簧806能量释放被动助力膝关节摆动伸展。

本实施例中，当使用者穿戴该多关节刚柔结合助力下肢外骨骼100之后，可以从站立或直立状态至后脚跟抬起离地状态，下面就上述过程分别进行详细说明。

本申请实施例提供的腿部支撑系统20设有两套，即左腿运动系统和右腿运动系统，分别安装在人体左右两腿的外侧，每一侧的腿部支撑系统20结构相互对称，本实施例中单以一侧的结构进行描述。

当人体脚跟着地进入站立状态时，推杆702伸出并带动转动弹性件703向下运动，直至推杆组件7上的转动弹性件703位于小腿支撑件6上的第一卡槽810内，此时，转动弹性件703可压缩，膝关节部件22可在转动预设角度后锁定，形成变阻力以实现辅助支撑，同时，由于之前膝关节部件22内的扭簧806被压缩，而在膝关节部件22站立伸展时，扭簧806释放储能并为膝关节部件22的站立伸展动作提供被动助力，实现膝关节部件22的自锁。

其中，由于不同关节需要旋转的角度不同，因而，为了使该膝关节部件22可以适用于各类人群，预设角度的大小可以为40°-50°、50°-60°、55°-65°、100°-120°或110°-120°。

当人体脚后跟抬起时，进入摆动伸展期，推杆702回缩并带动转动弹性件703向上运动，以使转动弹性件703脱离第一卡槽810，同时，驱动组件1中的电机正转并带动第二绳索9拉伸，进而通过小腿绑缚件5带动膝关节部件22主动屈曲旋转，此时，扭簧806被压缩并储能。

需要说明的是，第一卡槽810内两侧具有两个滚动轴承804、805，使得转动弹性件703脱离第一卡槽810时的摩擦为滚动摩擦。

在摆动伸展期时，驱动组件1带动第一绳索12拉伸，驱动组件1中的电机反转并带动第一绳索12拉伸，进而通过大腿绑缚件4为髋关节的屈曲动作提供主动助力，同时，第二绳索9放松，扭簧806释放储能并为膝关节部件22的摆动伸展动作提供被动助力，膝关节部件22摆动伸展。

请一并参阅图3，图3是本申请一实施例提供的多关节刚柔结合助力下肢外骨骼的又一结构示意图。

在一实施例中，髋关节绑缚件2包括：绑缚带202以及设置在绑缚带202上的腰部固定板202，腰部固定板202上设有可调卡扣203，腰部固定板202可以通过可调卡扣203固定连接到绑缚带202上。绑缚带202绑缚在人体腰部，从而通过可调卡扣203将腰部固定板202固定在人体后腰部，可调卡扣203用于实现绑缚带202与人体腰部的勒紧和放松。

驱动组件1包括：第二螺钉102、103、绳索固定块104、105、线盘106、线管108、电机113固定块109、减速器112、电机113、电机轴端盖101。电机轴端盖101与线盘106通过螺钉连接。

其中，驱动组件1通过腰部固定板202固定于绑缚带202，电机113和减速器112通过电机113固定块109固定于腰部固定板202上，绳索固定块104、105通过第二螺钉102、103与线盘106连接，电机113与减速器112的输入轴连接，减速器112的输出与轴线盘106连接，线盘106与电机轴端盖101连接，线管108上的柱状体卡设于线盘106上的第二卡槽内。

具体地，减速器112的输入端与电机113的输出轴连接，减速器112的输出端与线盘106连接。当电机113自静止状态开始顺时针旋转时，由于减速器112的输入端与电机113的输出轴连接，因此，减速器112也与电机113同步顺时针旋转。

减速器112可以为谐波减速器112，本申请实施例通过设置减速器112，利用减速增矩原理增大传递至线盘106的转矩，从而将接收到的电机113的动力而驱动线盘106旋转。

其中，线管108上缠绕有第一绳索12和第二绳索9，第一绳索12和第二绳索9通常采用柔软材料制成，具有质量低、弹性低等特点，其中第一绳索12和第二绳索9的一端固定在线管108上，并在线管108缠绕若干圈后，通过另一端分别与大腿绑缚件4、小腿绑缚件5连接。例如，第一绳索12和第二绳索9的一端通过线管108上的销钉固定在线管108上，另一端分别与大腿绑缚件4、小腿绑缚件5连接，以将驱动力穿戴给人体，当用户大腿前移时，第一绳索12和第二绳索9可以拉动腿部穿戴部分，达到行走助力的目的。

在一实施例中，小腿部件23还包括第一减震件11，第一减震件11设置在小腿支撑件6远离膝关节部件22的下端。在人体脚后跟落地时，第一减震件11着地减震并储能。在摆动伸展期时，第一减震件11释放储能并为膝关节部件22的摆动伸展动作提供助力。其中，该第一减震件11的材质可以为橡胶。

在一实施例中，第一绳索12、第二绳索9为鲍登绳、钢丝线、大力马线中的至少一种。

在一实施例中，小腿支撑件6内部设有第二减震件(图未示出)。

在一实施例中，腿部支撑系统20还包括足部支撑件(图未示出)，足部支撑件连接小腿支撑件6远离膝关节部件22的一端。足部支撑件上设有第三减震件(图未示出)，以缓冲地面冲击力。

区别于现有技术的情况，本申请通过大腿部件21、膝关节部件22以及小腿部件23相互配合以支撑人体的腿部，因此能够缓解人体关节在负重行走或站立时因支撑身体而造成的疲劳。此外，由于驱动组件1可通过第一绳索12和第二绳索9分别主动带动大腿部件21和小腿部件23做相应的运动，为膝关节部件22的摆动屈曲提供助力。同时，由于本申请仅在髋关节绑缚系统10处设置了驱动组件1，结构精简稳定，质量轻，体积小，对正常人体自然运动约束小，助力效率高，解决了现有技术中柔性下肢外骨骼站立相不能辅助支撑，刚性下肢外骨骼多关节助力时重量过大的问题。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。