本實(shí)用新型屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域，涉及一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置。

背景技術(shù)：

外骨骼是一種可以讓人穿戴的人機(jī)一體化“機(jī)械裝置，它將人類的智力和機(jī)器人的“體力”結(jié)合在一起，靠人的智力來控制機(jī)器人，通過機(jī)器人來完成僅靠人的自身能力無法單獨(dú)完成的任務(wù)。下肢步行外骨骼則是一種可以輔助人們行走的人機(jī)系統(tǒng)，它將人和兩足步行機(jī)器人結(jié)合在一起，利用人的智能來控制機(jī)器人的行走，簡(jiǎn)化了自主行走式兩足機(jī)器人最為常見的步態(tài)規(guī)劃和步態(tài)穩(wěn)定性問題，同時(shí)它又可以提供動(dòng)力協(xié)助人的行走，增強(qiáng)人們行走的能力和速度，緩解人在大負(fù)重和長(zhǎng)時(shí)間行走情況下極易出現(xiàn)的疲勞感，大大擴(kuò)大人們的運(yùn)動(dòng)范圍，故可用于軍事、科考、旅游、交通等各方面，具有廣泛的應(yīng)用前景。下肢步行外骨骼可作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)用于增強(qiáng)士兵的越野作戰(zhàn)能力。士兵穿戴后，不僅可以將交通運(yùn)輸工具、護(hù)具、武器、通訊系統(tǒng)等集于一身，攜帶比平時(shí)更多的裝備，而且能夠跑得更快、更遠(yuǎn)，輕松越過障礙，因而可以大幅度提升士兵的作戰(zhàn)能力。這種外骨骼也可作為極地考察、地質(zhì)勘探人員的交通運(yùn)輸工具，減少科研人員不必要的體能消耗，提高工作效率。此外，在如西湖、黃山等旅游景點(diǎn)，人們往往無法以車代步，常常將過多的精力消耗在了跋山涉水的徒步旅行上，大大降低了旅游的興致和熱情。此時(shí)，下肢步行外骨骼可作為游客步行的交通工具，大幅度減輕游客步行所帶來的疲勞，同時(shí)又不影響其欣賞各個(gè)景區(qū)的迷人景色，而且還可了卻不少中老年人原本由于擔(dān)心過于疲勞而無法暢游的遺憾。在一些交通己經(jīng)過于擁堵的城市，下肢步行外骨骼還可以作為一種新型的輕型環(huán)保交通工具，可以大大減少城市汽車流量，降低市區(qū)的堵車情況，減少城市的汽車尾氣污染，減緩城市的停車壓力，同時(shí)使用者還可以達(dá)到鍛煉身體的目的?？纱┐魇降耐夤趋兰夹g(shù)作為人機(jī)一體化技術(shù)的重要組成部分，已越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。目前，國(guó)際上對(duì)下肢行走外骨骼的研究多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，國(guó)內(nèi)雖然在智能假肢等相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些成果，但還未見有用于人體下肢的行走外骨骼的研究報(bào)道。在開發(fā)一套外骨骼系統(tǒng)的整個(gè)過程中，目標(biāo)功能最終能否順利實(shí)現(xiàn)取決于很多因素的共同影響和作用，包括設(shè)計(jì)擬人化的人體下肢外骨骼機(jī)構(gòu)、選用高效的控制方式和控制策略等，解決了這些問題才能使外骨骼系統(tǒng)不僅能夠跟隨操作者完成必要的下肢運(yùn)動(dòng)，而且可以對(duì)人體步行適時(shí)提供助力，從而大幅度提高人的運(yùn)動(dòng)及負(fù)載能力。

具體來說，為實(shí)現(xiàn)最終的功能要求，在整個(gè)外骨骼系統(tǒng)的研發(fā)過程中，主要存在以下幾大技術(shù)難點(diǎn)：

(1)擬人化外骨骼機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，包括：外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器件和傳感器件的合理選擇與集成設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)自由度的分配和冗余自由度選擇等，以便使人穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動(dòng)范圍，這是外骨骼開發(fā)過程中首先需要解決的一大關(guān)鍵問題。

(2)外骨骼步態(tài)規(guī)劃與生成及其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題，步態(tài)的規(guī)劃和生成主要有兩種方案：a) “離線規(guī)劃，在線校正”。根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行外骨骼步態(tài)的規(guī)劃，并且依靠對(duì)執(zhí)行器的精確控制來完成步態(tài)的生成；在操作者穿著行走時(shí)，外骨骼可以通過和操作者的交互來實(shí)時(shí)校正和調(diào)整步態(tài)；b)外骨骼步態(tài)學(xué)習(xí)與復(fù)現(xiàn)。除了使用已有的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)步態(tài)的生成外，還可以采用先讓外骨骼自己跟蹤和學(xué)習(xí)操作者的步態(tài)，繼而將原步態(tài)完整復(fù)現(xiàn)的控制策略，增加操作者穿著步行時(shí)的舒適感。同時(shí)，必須保證外骨骼步態(tài)的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)范圍不能超過人體可以調(diào)整的范圍，以確保行走的平穩(wěn)和穿戴者的安全。

(3)外骨骼和操作者的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)問題。外骨骼的控制算法要能保證它可以和操作者始終保持協(xié)調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏，以使二者之間的互相干涉作用最小，并可以根據(jù)人的運(yùn)動(dòng)意圖來適時(shí)提供助力；保證人穿戴后，運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)減小，即穿戴外骨骼后行走同樣距離的路程人體所消耗的能量比沒有穿戴外骨骼時(shí)所消耗的能量少。

(4)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇。既要有較輕的重量，較小的體積，又必須具有較大的驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)扭矩，同時(shí)還要有良好的散熱性能。這也是可穿戴式的外骨骼系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)緊湊”、“輕巧便攜”和“攜帶動(dòng)力”等幾大要素的關(guān)鍵問題。

(5)樣機(jī)材料的選擇。由于下肢步行外骨骼是穿戴在人身上，與人一起運(yùn)動(dòng)的，因此必須要求外骨骼非常輕便，同時(shí)又要具有很好的剛度，以承受人體和重物的重量以及與地面的碰撞，因此可能需要選用一些新型的復(fù)合材料作為樣機(jī)的制作材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一套合理的外骨骼結(jié)構(gòu)，選擇與集成設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器件和傳感器件，合理分配運(yùn)動(dòng)自由度與冗余自由度，使人穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動(dòng)范圍。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案涉及一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置，包括腰部背帶（101）、伺服電機(jī)減速模塊（102）、圓柱齒輪一（103）、圓柱齒輪二（104）、端蓋（105）、大腿護(hù)套（106）、小腿護(hù)套（107）、腳部護(hù)套（108）、銷軸（109）。

其中，所述腰部背帶（101）為組合件，共1件，主體采用高強(qiáng)度復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高，重量清，耐磨性好的特點(diǎn)，腰帶部分采用皮質(zhì)，主體上有腰部背帶固定孔（201）和腰部背帶軸承孔（202）；伺服電機(jī)減速模塊（102）為組合件，共4件，內(nèi)部包含固定座（301），固定座側(cè)邊有安裝孔，圓柱齒輪三（302），鍵軸（303），圓柱齒輪四（304），聯(lián)軸器（305），伺服電機(jī)（306），這些件形成一個(gè)二級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)；圓柱齒輪一（103）共有4件；圓柱齒輪二（104）共有4件；端蓋（105）共有4件；大腿護(hù)套（106）共2件，上邊有大腿護(hù)套固定孔 （401），大腿護(hù)套固定板（402），大腿護(hù)套軸承孔（403）；小腿護(hù)套（107）共2件；腳部護(hù)套（108）共2件；銷軸（109）共2件。

其連接關(guān)系在于：由于裝置左右兩條腿結(jié)構(gòu)相同，互為鏡向，此處以左腿為例說明連接關(guān)系，腰部背帶（101）作為整體結(jié)構(gòu)的基件存在，伺服電機(jī)減速模塊（102）通過固定座（301）與腰部背帶（101）上腰部背帶固定孔（201）連接。大腿護(hù)套（106）與腰部背帶（101）通過腰部背帶軸承孔（202）用銷軸（109）連接在一起，圓柱齒輪二（104）先嵌套到銷軸（109）上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與大腿護(hù)套（106）上的大腿護(hù)套固定孔（401）緊固在一起，形成一體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，圓柱齒輪一（103）的運(yùn)動(dòng)可以傳遞給圓柱齒輪二（104）, 大腿護(hù)套（106）上的固定板（402）上邊安置另外一個(gè)伺服電機(jī)減速模塊（102），該伺服電機(jī)減速模塊（102）鍵軸（303）上安置另外一個(gè)圓柱齒輪一（103），小腿護(hù)套（107）通過自身的銷軸將大腿護(hù)套（106）與大腿護(hù)套軸承孔（403）裝配，另外一個(gè)圓柱齒輪二（104）先裝配到小腿護(hù)套（107）的銷軸上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與小腿護(hù)套（107）緊固，形成一體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)此處的圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞，腳部護(hù)套（108）裝配到小腿護(hù)套（107）上。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于：本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)自由度分配合理，動(dòng)力上采用了伺服電機(jī)，配合三級(jí)減速裝置，具有控制精度高，響應(yīng)速度快，負(fù)載大的優(yōu)點(diǎn)，在部件選材上選用強(qiáng)度高，質(zhì)量輕的復(fù)合材料，穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展了人的活動(dòng)范圍。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型可穿戴式下肢步行外骨骼裝置示意圖；

圖2為本實(shí)用新型腰部背帶示意圖；

圖3為本實(shí)用新型伺服電機(jī)減速模塊示意圖。

圖4為本實(shí)用新型大腿護(hù)套示意圖；

圖5為本實(shí)用新型圓柱齒輪二示意圖。

其中， 101-腰部背帶、102-伺服電機(jī)減速模塊、103-圓柱齒輪一、104-圓柱齒輪二、105-端蓋、106-大腿護(hù)套、107-小腿護(hù)套、108-腳部護(hù)套、109-銷軸、201-腰部背帶固定孔、202-腰部背帶軸承孔、301-固定座、302-圓柱齒輪三、303-鍵軸、304-圓柱齒輪四、305-聯(lián)軸器、306-伺服電機(jī)、401-大腿護(hù)套固定孔、402-大腿護(hù)套固定板、403-大腿護(hù)套軸承孔、501-圓柱齒輪二柱銷。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步描述，以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

如圖1-圖5所示，本實(shí)用新型的技術(shù)方案涉及一種可穿戴式下肢步行外骨骼裝置，包括腰部背帶（101）、伺服電機(jī)減速模塊（102）、圓柱齒輪一（103）、圓柱齒輪二（104）、端蓋（105）、大腿護(hù)套（106）、小腿護(hù)套（107）、腳部護(hù)套（108）、銷軸（109）。

其中，所述腰部背帶（101）為組合件，共1件，主體采用高強(qiáng)度復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高，重量清，耐磨性好的特點(diǎn)，腰帶部分采用皮質(zhì)，主體上有腰部背帶固定孔（201）和腰部背帶軸承孔（202）；伺服電機(jī)減速模塊（102）為組合件，共4件，內(nèi)部包含固定座（301），固定座側(cè)邊有安裝孔，圓柱齒輪三（302），鍵軸（303），圓柱齒輪四（304），聯(lián)軸器（305），伺服電機(jī)（306），這些件形成一個(gè)二級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)；圓柱齒輪一（103）共有4件；圓柱齒輪二（104）共有4件；端蓋（105）共有4件；大腿護(hù)套（106）共2件，上邊有大腿護(hù)套固定孔（401），大腿護(hù)套固定板（402），大腿護(hù)套軸承孔（403）；小腿護(hù)套（107）共2件；腳部護(hù)套（108）共2件；銷軸（109）共2件。

其連接關(guān)系在于：由于裝置左右兩條腿結(jié)構(gòu)相同，互為鏡向，此處以左腿為例說明連接關(guān)系，腰部背帶（101）作為整體結(jié)構(gòu)的基件存在，伺服電機(jī)減速模塊（102）通過固定座（301）與腰部背帶（101）上腰部背帶固定孔（201）連接。大腿護(hù)套（106）與腰部背帶（101）通過腰部背帶軸承孔（202）用銷軸（109）連接在一起，圓柱齒輪二（104）先嵌套到銷軸（109）上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與大腿護(hù)套（106）上的固定孔（401）緊固在一起，形成一體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，圓柱齒輪一（103）的運(yùn)動(dòng)可以傳遞給圓柱齒輪二（104）, 大腿護(hù)套（106）上的固定板（402）上邊安置另外一個(gè)伺服電機(jī)減速模塊（102），該伺服電機(jī)減速模塊（102）鍵軸（303）上安置另外一個(gè)圓柱齒輪一（103），小腿護(hù)套（107）通過自身的銷軸與大腿護(hù)套（106）軸承孔（403）裝配，另外一個(gè)圓柱齒輪二（104）先裝配到小腿護(hù)套（107）的銷軸上，再通過圓柱齒輪二柱銷（501）與小腿護(hù)套（107）緊固，形成一體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)此處的圓柱齒輪二（104）與圓柱齒輪一（103）形成齒輪配合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞，腳部護(hù)套（108）裝配到小腿護(hù)套（107）上。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)先實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。