[發(fā)明專利]一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610385317.0
• 申請日: 2016-06-03
• 公開（公告）號: CN105798893B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張建軍;李天宇;王曉慧;李為民;吳錦輝;楊飛飛;蘭萌
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)12210
• 代理人: 李濟(jì)群

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及人體下肢外骨骼助行技術(shù)，具體為一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼。其特征是具有儲(chǔ)能裝置，能夠輔助人體長時(shí)間、遠(yuǎn)距離的負(fù)重行走。

背景技術(shù)

外骨骼裝置作為人類助行的裝置，越來越受到各領(lǐng)域的重視，特別是人體輔助領(lǐng)域。現(xiàn)有助行外骨骼主要分為有外驅(qū)動(dòng)和無外驅(qū)動(dòng)兩大類。其中有外驅(qū)動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)方式主要分為氣動(dòng)、液壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。而遠(yuǎn)距離輔助人體負(fù)重行走外骨骼主要采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，如，2011年意大利Marco Fontana等人發(fā)表在IEEE ROBOTICS&AUTOMATION MAGAZINE·December 201434–44的論文，一個(gè)用于輔助人體負(fù)重的全身外骨骼(AFull-Body Exoskeleton forthe Transport and Handling ofHeavy Loads)，該外骨骼自重160kg、有22個(gè)自由度，采用電池提供能源電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，最大搬運(yùn)負(fù)重為50kg，可持續(xù)運(yùn)行1到2小時(shí)。又如，申請?zhí)枮?01310262919.3的中國發(fā)明專利報(bào)道，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池提供能量的方式，可應(yīng)用于輔助軍用士兵作戰(zhàn)和輔助人體下肢康復(fù)。無外驅(qū)動(dòng)外骨骼，如2007年美國JAMES WALSH等人發(fā)表在Humanoid Robotics Vol.4,No.3(2007)487–506的論文一個(gè)輔助提升人體負(fù)重的被動(dòng)下肢外骨骼(A Quasi-Passive Leg Exoskeleton for Load-Carrying Augmentation)，該外骨骼自重11.7kg，可在負(fù)載為36kg的情況下將背包重量的80％傳導(dǎo)至地面。但因機(jī)構(gòu)本身質(zhì)量大，且與人體步態(tài)適應(yīng)程度較差，所以與人體在相同負(fù)載情況下比較，增加了10％的人體耗氧量。

因傳統(tǒng)帶有驅(qū)動(dòng)的人體外骨骼承載能力較差、剛度小、動(dòng)態(tài)性能不好、笨重、能耗大、續(xù)航時(shí)間短；要增設(shè)控制器、傳感器，且輔助人體外骨骼控制主要采用隨動(dòng)控制和預(yù)定義步態(tài)控制的方式，需要布置較多傳感器，成本高、加工制造困難。從而無法在人體長時(shí)間遠(yuǎn)距離負(fù)重行走情況下使用，如地震救援、游客旅行、無電梯小區(qū)搬運(yùn)重物上樓等。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼。該外骨骼通過人體肌肉提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，將人體負(fù)載的60-90％由外骨骼承擔(dān)，并用儲(chǔ)能元件模仿人體肌肉存儲(chǔ)和釋放勢能，以減少人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩負(fù)載，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間遠(yuǎn)距離輔助人體負(fù)重行走，減少人體骨骼受力和行走中能量的消耗，從而達(dá)到提升人體載重能力和延長行走持續(xù)時(shí)間的效果。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：設(shè)計(jì)一種輔助負(fù)重人體下肢外骨骼，其特征在于該外骨骼為中心對稱結(jié)構(gòu)，且每側(cè)由前部支鏈和后部支鏈兩大部分組成，所述前部支鏈包括腰及骻關(guān)節(jié)模塊、膝關(guān)節(jié)模塊、大腿模塊、小腿模塊、踝關(guān)節(jié)及腳部模塊；腰及骻關(guān)節(jié)模塊下端通過骻腿轉(zhuǎn)動(dòng)副與大腿模塊上端連接，大腿模塊下端通過大小腿轉(zhuǎn)動(dòng)副及腿膝轉(zhuǎn)動(dòng)副與小腿模塊上端及膝關(guān)節(jié)模塊前端連接，小腿模塊下端通過腿踝轉(zhuǎn)動(dòng)副與踝關(guān)節(jié)及腳部模塊連接；

所述后部支鏈包括背包模塊、后部連桿和儲(chǔ)能模塊；后部連桿上端與背包模塊后端通過后連桿上轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，后部支鏈下端與儲(chǔ)能模塊上端及膝關(guān)節(jié)模塊后端通過后連桿下轉(zhuǎn)動(dòng)副及儲(chǔ)能模塊上轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；外骨骼左半部分和右半部分通過各自背包模塊末端的背包轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，外骨骼單側(cè)前部支鏈上端及后部支鏈上端通過背包架桿前端、腰關(guān)節(jié)連接軸與腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，外骨骼單側(cè)前部支鏈及后部支鏈下端通過儲(chǔ)能模塊下連接軸、后腳部連桿與儲(chǔ)能模塊下轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；

所述儲(chǔ)能模塊包括儲(chǔ)能模塊上連接軸、導(dǎo)缸上連桿、導(dǎo)缸下連桿、導(dǎo)缸上端蓋、可控直線阻尼器、長彈簧擋板、長彈簧、短彈簧擋板、短彈簧、短彈簧導(dǎo)桿、短彈簧擋塊、儲(chǔ)能模塊下連接軸和儲(chǔ)能模塊軸套；所述導(dǎo)缸上連桿與導(dǎo)缸下連桿通過導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸上連桿配合，構(gòu)成移動(dòng)副；導(dǎo)缸上端蓋與導(dǎo)缸下連桿連接，導(dǎo)缸上連桿末端安裝長彈簧擋板，導(dǎo)缸下連桿內(nèi)安裝長彈簧，長彈簧直徑大于短彈簧安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)壁處；短彈簧導(dǎo)桿上端與短彈簧擋板連接、下端安裝短彈簧擋塊，短彈簧導(dǎo)桿從中心穿過短彈簧直至短彈簧與短彈簧擋板接觸，整體嵌套于長彈簧內(nèi)部并安裝在導(dǎo)缸下連桿內(nèi)，通過短彈簧擋塊與導(dǎo)缸下連桿配合實(shí)現(xiàn)為短彈簧施加預(yù)緊力的目的，此設(shè)計(jì)可在人體步態(tài)中起到快速增加儲(chǔ)能模塊儲(chǔ)能速度的效果；可控直線阻尼器安裝于導(dǎo)缸下連桿內(nèi)，與導(dǎo)缸上連桿配合，通過阻尼控制器控制可控直線阻尼器的鎖死與打開狀態(tài)；儲(chǔ)能模塊上連接軸與后部連桿下、膝關(guān)節(jié)后連桿連接，儲(chǔ)能模塊下連接軸通過儲(chǔ)能模塊軸套與后腳部連桿連接。