一種具有回力結構的人體下肢外骨骼的制作方法
【專利摘要】一種具有回力結構的人體下肢外骨骼，屬于涉及人體仿生外骨骼技術領域。本發(fā)明通過改進現(xiàn)有人體下肢外骨骼的關節(jié)轉軸結構，在腰部、髖關節(jié)、大腿、小腿以及腳踝部位分別增加回力結構，使得基于本發(fā)明提供的具有回力結構的被動型人體下肢外骨骼能夠減輕穿戴者的負荷和增加穿戴者的舒適感。本發(fā)明可廣泛用于各種“助力”、“助殘”、“健康矯正”領域。
【專利說明】
一種具有回力結構的人體下肢外骨骼
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及人體仿生外骨骼技術領域，具體涉及人體下肢外骨骼。
【背景技術】
[0002]外骨骼是一種能夠提供對生物柔軟內部器官進行構型，建筑和保護的堅硬的外部結構。人體外骨骼也稱機器人外骨骼，是指套在人體外面的機器人，也稱“可穿戴的機器人”。外骨骼機器人技術是融合傳感、控制、信息、融合、移動計算，為作為的人提供一種可穿戴的機械結構的綜合技術。
[0003]人體外骨骼的研究最早起源于軍事應用中的單兵負重需求，即助力方面的需求。隨著科技進步和人民生活水平的提高，各種“助力”、“助殘”、“健康矯正”的人體外骨骼研究開始興起。
[0004]從功能上區(qū)分，人體外骨骼主要涉及“助力”、“助殘”、“健康矯正”等幾大類型；從有無動力上區(qū)分，主要分為“主動型”人體外骨骼(這種機器人能夠為穿戴者提供行走的動力)和“被動型”人體外骨骼(這種機器人不能夠為穿戴者提供行走的動力，其動作被動跟隨人的動作而動作)。
[0005]人體下肢外骨骼，通常包括用于人體下肢運動的仿形機械結構和用于將仿形機械結構與人體耦合在一起的耦合組件。其中，用于人體下肢運動的仿形機械結構包括下肢結構和髖部結構。所述下肢結構包括左腿結構與右腿結構，所述左腿結構與右腿結構均包括仿人體大腿結構、小腿結構和足部結構，所述大腿結構與小腿結構通過膝關節(jié)轉軸相連，所述小腿結構與足部結構通過踝關節(jié)轉軸相連;所述髖部結構與左腿結構、右腿結構分別通過髖關節(jié)轉軸相連。所述耦合組件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件、足部耦合部件。
[0006]現(xiàn)有的人體下肢外骨骼在個關節(jié)部位通常采用轉軸連接結構，這在主動型下肢外骨骼中更加靈活，但如果被動型下肢外骨骼依然采用這樣的結構，則會給穿戴者加重負荷；另外，現(xiàn)有的人體下肢外骨骼在關節(jié)緩沖方面也有待于改進。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明提供一種具有回力結構的人體下肢外骨骼，通過改進現(xiàn)有人體下肢外骨骼的關節(jié)轉軸結構，增加回力結構，使得基于本發(fā)明提供的具有回力結構的被動型人體下肢外骨骼能夠減輕穿戴者的負荷和增加穿戴者的舒適感。
[0008]本發(fā)明的技術方案是:
[0009]一種具有回力結構的人體下肢外骨骼，包括人體下肢仿形機械結構和用于將人體下肢仿形機械結構與人體耦合在一起的耦合組件;所述人體下肢仿形機械結構包括下肢仿形結構和髖部仿形結構;所述下肢仿形結構包括左腿仿形結構與右腿仿形結構，所述左腿仿形結構與右腿仿形結構均包括大腿仿形結構、小腿仿形結構和足部仿形結構；所述大腿仿形結構與小腿仿形結構通過膝關節(jié)轉軸相連，所述小腿仿形結構與足部仿形結構通過踝關節(jié)轉軸相連;所述髖部仿形結構與左腿仿形結構、右腿仿形結構分別通過左、右髖關節(jié)轉軸相連;所述耦合組件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件和足部耦合部件。其中所述左、右髖關節(jié)轉軸中分別設置有一個髖關節(jié)外擺回力彈簧028;所述踝關節(jié)轉軸中設置有腳踝回力彈簧041。
[0010]所述髖部仿形結構為左右對稱結構；左髖部仿形結構由左背部連接板020、左背部伸縮件025、左側過渡連接板019和左側前連接板018順序連接而成，右髖部仿形結構由右背部連接板001、右背部伸縮件021、右側過渡連接板002和右側前連接板03順序連接而成；左背部連接板020與右背部連接板001之間以轉軸方式連接，且左背部連接板020與右背部連接板001之間的轉軸中設置有背部上側回力彈簧026和背部下側回力彈簧023，使得左、右背部連接板020、001之間具有沿轉軸在前后方向上具有相應的自由度和回力功能;其中左、右背部伸縮件025、021能夠根據(jù)人體腰部寬度分別與左背部連接板020和右背部連接板001進行伸縮調節(jié)；左、右側過渡連接板002、019分別與左、右側前連接板03、018之間通過轉軸方式連接，使得下肢仿形結構沿轉軸在左右方向上具有相應的自由度;左、右側前連接板03、018分別與左、右側大腿仿形結構通過左、右髖關節(jié)轉軸連接。
[0011 ]所述左、右髖關節(jié)轉軸分別包括左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024，左、右髖部旋轉軸結構件004、017;其中左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024分別與左、右側前連接板03、018通過卡槽方式固定；左、右髖部旋轉軸結構件004、017—端分別伸入左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024的圓柱形腔體中并通過端蓋27螺紋固定，左、右髖部旋轉軸結構件004、017的另一端分別與左、右側大腿仿形結構以轉軸方式連接，且分別具有一個大腿前后擺動幅度限位塊029，使得腿部以下部位具有相應前后擺動的自由度;在左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024與左、右髖部旋轉軸結構件004、017之間設置有髖關節(jié)外擺回力彈簧028，使得腿部以下部位具有相應左右擺動的自由度和回力功能。
[0012]所述左、右側大腿仿形結構包括左、右大腿伸縮套件016、005，左、右大腿桿件015、006;其中，左、右大腿桿件015、006上部具有一個大腿彈簧限位環(huán)031，左、右大腿桿件015、006位于大腿彈簧限位環(huán)031以上的部分分別套一個大腿回力彈簧030后伸入左、右大腿伸縮套件016、005中，使得整體人體下肢外骨骼具有相應上下緩沖重力的自由度和回力功能。
[0013]所述左、右側小腿仿形結構包括左、右小腿伸縮套件014、007，左、右小腿桿件013、008;其中，左、右小腿桿件013、008上部具有一個小腿彈簧限位環(huán)033，左、右小腿桿件013、008位于小腿彈簧限位環(huán)033以上的部分分別套一個小腿回力彈簧032后伸入左、右小腿伸縮套件014、007中，使得整體人體下肢外骨骼具有相應上下緩沖重力的自由度和回力功能；其中，左、右小腿伸縮套件014、007與左、右大腿桿件015、006之間以轉軸方式連接。
[0014]所述足部仿形結構包括左、右踝關節(jié)底座038與分別固定于左、右踝關節(jié)底座038側面的左、右腳底板012、009;所述左、右踝關節(jié)底座038上分別具有一個左、右踝關節(jié)轉軸安裝工位;所述左、右踝關節(jié)轉軸034上部與左、右小腿桿件013、008之間采用踝關節(jié)連接銷釘040以旋轉軸方式連接且設置有腳踝回力彈簧041，使得足部仿形結構前后行走時具有相應的自由度和回力功能;所述左、右踝關節(jié)轉軸034下部分別伸入左、右踝關節(jié)底座038的安裝工位并采用腳踝旋轉軸鏈接銷釘039固定。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼，通過改進現(xiàn)有人體下肢外骨骼的關節(jié)轉軸結構，在腰部、髖關節(jié)、大腿、小腿以及腳踝部位分別增加回力結構，使得基于本發(fā)明提供的具有回力結構的被動型人體下肢外骨骼能夠減輕穿戴者的負荷和增加穿戴者的舒適感。本發(fā)明可廣泛用于各種“助力”、“助殘”、“健康矯正”領域。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼整體結構示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼髖部仿形結構示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼髖關節(jié)轉軸結構示意圖(正視圖)。
[0019]圖4是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼髖關節(jié)轉軸結構示意圖(側視圖)。
[0020]圖5是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼大腿仿形結構示意圖。
[0021]圖6是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼小腿仿形結構示意圖。
[0022]圖7是本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼足部仿形結構及踝關節(jié)轉軸結構示意圖。
[0023]圖1至圖7中附圖標記:右背部連接板001、右側過渡連接板002、右側前連接板003、右髖部旋轉軸結構004、右大腿伸縮套件005、右大腿桿件006、右小腿伸縮套件007、右小腿桿件008、右腳底板009、右背部耦合壓塊010、左背部耦合壓塊011、左腳底板012、左小腿桿件013、左小腿伸縮套件014、左大腿桿件015、左大腿伸縮套件016、左髖部旋轉軸結構017、左側前連接板018、左側過渡連接板019、左背部連接板020、右背部伸縮件021、右髖關節(jié)滑移支撐件022、背部下側回力彈簧023、左髖關節(jié)滑移支撐件024、左背部伸縮件025、背部上側回力彈簧026、端蓋027、髖關節(jié)外擺回力彈簧028、髖關節(jié)擺動限位滑塊029、大腿回力彈簧030、大腿彈簧限位環(huán)031、小腿回力彈簧032、小腿彈簧限位環(huán)033、踝關節(jié)旋轉軸034、踝關節(jié)墊片035、腳跟部位的鞋幫耦合部件036、腳掌部位的鞋幫耦合部件037、踝關節(jié)底座038、腳踝旋轉軸鏈接銷釘039、踝關節(jié)連接銷釘040、腳踝回力彈簧041。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0025]如圖1所示，一種具有回力結構的人體下肢外骨骼，包括人體下肢仿形機械結構和用于將人體下肢仿形機械結構與人體耦合在一起的耦合組件;所述人體下肢仿形機械結構包括下肢仿形結構和髖部仿形結構；所述下肢仿形結構包括左腿仿形結構與右腿仿形結構，所述左腿仿形結構與右腿仿形結構均包括大腿仿形結構、小腿仿形結構和足部仿形結構;所述大腿仿形結構與小腿仿形結構通過膝關節(jié)轉軸相連，所述小腿仿形結構與足部仿形結構通過踝關節(jié)轉軸相連;所述髖部仿形結構與左腿仿形結構、右腿仿形結構分別通過左、右髖關節(jié)轉軸相連;所述耦合組件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件和足部耦合部件。其中所述左、右髖關節(jié)轉軸中分別設置有一個髖關節(jié)外擺回力彈簧;所述踝關節(jié)轉軸中設置有腳踝回力彈簧。
[0026]如圖2所示，本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼中，所述髖部仿形結構為左右對稱結構；左髖部仿形結構由左背部連接板020、左背部伸縮件025、左側過渡連接板019和左側前連接板018順序連接而成，右髖部仿形結構由右背部連接板001、右背部伸縮件021、右側過渡連接板002和右側前連接板03順序連接而成；左背部連接板020與右背部連接板001之間以轉軸方式連接，且左背部連接板020與右背部連接板001之間的轉軸中設置有背部上側回力彈簧026和背部下側回力彈簧023，使得左、右背部連接板020、001之間具有沿轉軸在前后方向上具有相應的自由度和回力功能;其中左、右背部伸縮件025、021能夠根據(jù)人體腰部寬度分別與左背部連接板020和右背部連接板001進行伸縮調節(jié);左、右側過渡連接板002、019分別與左、右側前連接板03、018之間通過轉軸方式連接，使得下肢仿形結構沿轉軸在左右方向上具有相應的自由度;左、右側前連接板03、018分別與左、右側大腿仿形結構通過左、右髖關節(jié)轉軸連接。
[0027]如圖3、4所示，本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼中，所述左、右髖關節(jié)轉軸分別包括左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024，左、右髖部旋轉軸結構件004、017;其中左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024分別與左、右側前連接板03、018通過卡槽方式固定;左、右髖部旋轉軸結構件004、017—端分別伸入左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024的圓柱形腔體中并通過端蓋27螺紋固定，左、右髖部旋轉軸結構件004、017的另一端分別與左、右側大腿仿形結構以轉軸方式連接，且分別具有一個大腿前后擺動幅度限位塊029，使得腿部以下部位具有相應前后擺動的自由度;在左、右髖關節(jié)滑移支撐件022、024與左、右髖部旋轉軸結構件004、017之間設置有髖關節(jié)外擺回力彈簧028，使得腿部以下部位具有相應左右擺動的自由度和回力功能。
[0028]如圖5所示，本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼中，所述左、右側大腿仿形結構包括左、右大腿伸縮套件016、005，左、右大腿桿件015、006;其中，左、右大腿桿件015、006上部具有一個大腿彈簧限位環(huán)031，左、右大腿桿件015、006位于大腿彈簧限位環(huán)031以上的部分分別套一個大腿回力彈簧030后伸入左、右大腿伸縮套件016、005中，使得整體人體下肢外骨骼具有相應上下緩沖重力的自由度和回力功能。
[0029]如圖6所示，本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼中，所述左、右側小腿仿形結構包括左、右小腿伸縮套件014、007，左、右小腿桿件013、008;其中，左、右小腿桿件
013、008上部具有一個小腿彈簧限位環(huán)033，左、右小腿桿件013、008位于小腿彈簧限位環(huán)033以上的部分分別套一個小腿回力彈簧032后伸入左、右小腿伸縮套件014、007中，使得整體人體下肢外骨骼具有相應上下緩沖重力的自由度和回力功能;其中，左、右小腿伸縮套件
014、007與左、右大腿桿件015、006之間以轉軸方式連接。
[0030]如圖7所示，本發(fā)明提供的具有回力結構的人體下肢外骨骼中，所述足部仿形結構包括左、右踝關節(jié)底座038與分別固定于左、右踝關節(jié)底座038側面的左、右腳底板012、009;所述左、右踝關節(jié)底座038上分別具有一個左、右踝關節(jié)轉軸安裝工位;所述左、右踝關節(jié)轉軸034上部與左、右小腿桿件013、008之間采用踝關節(jié)連接銷釘040以旋轉軸方式連接且設置有腳踝回力彈簧041，使得足部仿形結構前后行走時具有相應的自由度和回力功能;所述左、右踝關節(jié)轉軸034下部分別伸入左、右踝關節(jié)底座038的安裝工位并采用腳踝旋轉軸鏈接銷釘039固定。
[0031]此外，所述腰部耦合部件為兩段腰帶，兩段腰帶的一端分別通過左、右背部耦合壓塊011、010分別固定于左、右背部連接板020、001上;所述足部耦合部件包括分別設置于左、右腳底板012、009腳跟部位的鞋幫耦合部件036和腳掌部位的鞋幫耦合部件037。
【主權項】
1.一種具有回力結構的人體下肢外骨骼，包括人體下肢仿形機械結構和用于將人體下肢仿形機械結構與人體耦合在一起的耦合組件;所述人體下肢仿形機械結構包括下肢仿形結構和髖部仿形結構;所述下肢仿形結構包括左腿仿形結構與右腿仿形結構，所述左腿仿形結構與右腿仿形結構均包括大腿仿形結構、小腿仿形結構和足部仿形結構；所述大腿仿形結構與小腿仿形結構通過膝關節(jié)轉軸相連，所述小腿仿形結構與足部仿形結構通過踝關節(jié)轉軸相連;所述髖部仿形結構與左腿仿形結構、右腿仿形結構分別通過左、右髖關節(jié)轉軸相連;所述耦合組件包括腰部耦合部件、大腿耦合部件、小腿耦合部件和足部耦合部件;其中所述左、右髖關節(jié)轉軸中分別設置有一個髖關節(jié)外擺回力彈簧(028);所述踝關節(jié)轉軸中設置有腳踝回力彈簧(041)。2.根據(jù)權利要求1所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述髖部仿形結構為左右對稱結構;左髖部仿形結構由左背部連接板(020)、左背部伸縮件(025)、左側過渡連接板(019)和左側前連接板(018)順序連接而成，右髖部仿形結構由右背部連接板(001)、右背部伸縮件(021)、右側過渡連接板(002)和右側前連接板(03)順序連接而成；左背部連接板(O 20)與右背部連接板(001)之間以轉軸方式連接，且左背部連接板(O 20)與右背部連接板(001)之間的轉軸中設置有背部上側回力彈簧(026)和背部下側回力彈簧(023)，使得左、右背部連接板(020、001)之間具有沿轉軸在前后方向上具有相應的自由度和回力功能;其中左、右背部伸縮件(025、021)能夠根據(jù)人體腰部寬度分別與左背部連接板(020)和右背部連接板(001)進行伸縮調節(jié)；左、右側過渡連接板(002、019)分別與左、右側前連接板(03、018)之間通過轉軸方式連接，使得下肢仿形結構沿轉軸在左右方向上具有相應的自由度；左、右側前連接板(03、018)分別與左、右側大腿仿形結構通過左、右髖關節(jié)轉軸連接。3.根據(jù)權利要求1或2所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述左、右髖關節(jié)轉軸分別包括左、右髖關節(jié)滑移支撐件(022、024)，左、右髖部旋轉軸結構件(004、017);其中左、右髖關節(jié)滑移支撐件(022、024)分別與左、右側前連接板(03、018)通過卡槽方式固定;左、右髖部旋轉軸結構件(004、017)—端分別伸入左、右髖關節(jié)滑移支撐件(022、024)的圓柱形腔體中并通過端蓋(27)螺紋固定，左、右髖部旋轉軸結構件(004、017)的另一端分別與左、右側大腿仿形結構以轉軸方式連接，且分別具有一個大腿前后擺動幅度限位塊(029)，使得腿部以下部位具有相應前后擺動的自由度;在左、右髖關節(jié)滑移支撐件(022、024)與左、右髖部旋轉軸結構件(004、017)之間設置有髖關節(jié)外擺回力彈簧(028)，使得腿部以下部位具有相應左右擺動的自由度和回力功能。4.根據(jù)權利要求1或3所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述左、右側大腿仿形結構包括左、右大腿伸縮套件(016、005)，左、右大腿桿件(015、006);其中，左、右大腿桿件(015、006)上部具有一個大腿彈簧限位環(huán)(031)，左、右大腿桿件(015、006)位于大腿彈簧限位環(huán)(031)以上的部分分別套一個大腿回力彈簧(030)后伸入左、右大腿伸縮套件(016、005)中，使得整體人體下肢外骨骼具有相應上下緩沖重力的自由度和回力功能。5.根據(jù)權利要求1或3所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述左、右側小腿仿形結構包括左、右小腿伸縮套件(014、007)，左、右小腿桿件(013、008);其中，左、右小腿桿件(013、008)上部具有一個小腿彈簧限位環(huán)(033)，左、右小腿桿件(013、008)位于小腿彈簧限位環(huán)(033)以上的部分分別套一個小腿回力彈簧(032)后伸入左、右小腿伸縮套件(014、007)中，使得整體人體下肢外骨骼具有相應上下緩沖重力的自由度和回力功能;其中，左、右小腿伸縮套件(014、007)與左、右大腿桿件(015、006)之間以轉軸方式連接。6.根據(jù)權利要求1或3所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述足部仿形結構包括左、右踝關節(jié)底座(038)與分別固定于左、右踝關節(jié)底座(038)側面的左、右腳底板(012、009);所述左、右踝關節(jié)底座(038)上分別具有一個左、右踝關節(jié)轉軸安裝工位；所述左、右踝關節(jié)轉軸(034)上部與左、右小腿桿件(013、008)之間采用踝關節(jié)連接銷釘(040)以旋轉軸方式連接且設置有腳踝回力彈簧(041)，使得足部仿形結構前后行走時具有相應的自由度和回力功能；所述左、右踝關節(jié)轉軸(034)下部分別伸入左、右踝關節(jié)底座(038)的安裝工位并采用腳踝旋轉軸鏈接銷釘(039)固定。7.根據(jù)權利要求2所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述腰部耦合部件為兩段腰帶，兩段腰帶的一端分別通過左、右背部耦合壓塊(011、010)分別固定于左、右背部連接板(020、001)上。8.根據(jù)權利要求6所述的具有回力結構的人體下肢外骨骼，其特征在于:所述足部耦合部件包括分別設置于左、右腳底板(012、009)腳跟部位的鞋幫耦合部件(036)和腳掌部位的鞋幫耦合部件(037)。
【文檔編號】A61H3/00GK105943316SQ201610345859
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】張向剛, 張三喜, 秦開宇, 戴躍洪, 嚴堯
【申請人】成都潤惠科技有限公司