一种下肢外骨骼的制作方法

1.本发明属于康复机器人技术领域，具体涉及一种下肢外骨骼。


背景技术：

2.下肢外骨骼被广泛应用于助老助残及康复医疗领域，以辅助人体行走，但现有的下肢外骨骼基本上都采用电机对髋关节和膝关节进行独立控制的方式以模拟人体步态，控制难度大，成本高，不便于推广应用。


技术实现要素：

3.鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种下肢外骨骼，其无需额外设置膝关节驱动源，只需驱动主动件转动即可模拟人体下肢运动，极大地降低了成本。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种下肢外骨骼，包括腿部连杆机构，所述腿部连杆机构包括基体、主动件、第一驱动连杆、第二驱动连杆、髋关节摆杆、大腿连杆、大腿、小腿和脚底机构；所述主动件可转动地设置在基体上；所述主动件上设有相对主动件转动中心线偏置的第一铰接点；所述第一驱动连杆的第一端和第二驱动连杆的第一端均铰接在主动件的第一铰接点上；所述髋关节摆杆上设有第二铰接点、第三铰接点和第四铰接点；所述小腿上端设有第五铰接点和第六铰接点，脚底机构铰接在小腿的下端；所述第一驱动连杆的第二端铰接在髋关节摆动杆的第二铰接点上；所述大腿连杆的第一端铰接在髋关节摆动杆的第三铰接点上，大腿连杆的第二端铰接在小腿的第六铰接点上；所述大腿的第一端和髋关节摆杆的第四铰接点铰接在基体的同一位置上，大腿的第二端铰接在小腿的第五铰接点上；所述第二驱动杆的第二端铰接在大腿的第七铰接点上，所述第七铰接点位于第四铰接点与第五铰接点之间；所述第二驱动连杆的长度可调以改变大腿的最大屈曲角度；当主动件转动时，带动第一驱动连杆和第二驱动连杆运动，第一驱动连杆带动髋关节摆动杆转动，进而带动大腿连杆运动；第二驱动杆带动大腿运动，大腿连杆和大腿又带动小腿运动，从而模拟人体步态运动；由于人体步态行走和人体浅坐状态下的大腿屈曲角度不同，通过改变第二驱动连杆的长度以调节下肢外骨骼的最大屈曲角度，既便于用户浅坐于支撑物(如凳子、椅子、床边、轮椅凳)上穿戴下肢外骨骼，降低下肢外骨骼的穿戴难度，又便于穿戴好外骨骼的用户浅坐于支撑物上休息。
5.优选地，所述第二驱动连杆包括第二固定件、第二活动件和第二锁紧件，所述第二固定件与第二活动件在两者的长度方向上滑动配合；第二固定件上设有第二固定孔，第二活动件沿其长度方向间隔设有多个可与第二固定孔配合的第二活动孔，所述第二锁紧件穿过第二固定孔后与不同的第二活动孔配合以调节第二固定件与第二活动件的相对位置，进而达到改变第二驱动连杆长度的目的。
6.优选地，所述大腿连杆、大腿和小腿的长度均可调，以满足不同大腿长度、不同小腿长度用户的需求。
7.优选地，大腿包括大腿固定件、大腿活动件和大腿锁紧件，所述大腿固定件与大腿
活动件在两者的长度方向上滑动配合；大腿固定件上设有大腿固定孔，大腿活动件沿其长度方向间隔设有多个可与大腿固定孔配合的大腿活动孔，所述大腿锁紧件穿过大腿固定孔后与不同的大腿活动孔配合以调节大腿固定件与大腿活动件的相对位置，进而达到改变大腿长度的目的。
8.优选地，所述大腿连杆包括大腿连杆固定件、大腿连杆活动件和大腿连杆锁紧件，所述大腿连杆固定件与大腿连杆活动件在两者的长度方向上滑动配合；大腿连杆固定件上设有大腿连杆固定孔，大腿连杆活动件沿其长度方向间隔设有多个可与大腿连杆固定孔配合的大腿连杆活动孔；所述大腿连杆锁紧件穿过大腿连杆固定孔与不同的大腿连杆活动孔配合以调节大腿连杆固定件与大腿连杆活动件的相对位置，进而达到改变大腿连杆长度的目的。
9.优选地，所述小腿包括膝关节摆杆、小腿固定件、小腿活动件和小腿锁紧件；所述第五铰接点和第六铰接点位于膝关节摆杆上，所述小腿固定件固定在膝关节摆杆上，且小腿活动件与小腿固定件在两者的长度方向上滑动配合；小腿固定件上设有小腿固定孔，小腿活动件沿其长度方向间隔设有多个与小腿固定孔配合的小腿活动孔；所述小腿锁紧件穿过不同的小腿活动孔与小腿固定孔配合以调节小腿固定件与小腿活动件的相对位置，进而达到改变小腿长度的目的。
10.优选地，所述膝关节摆杆上固定有顶膝组件，以避免穿戴者在行走时因腿部弯曲而瘫倒。
11.优选地，所述腿部连杆机构有两个，每个基体上均设有用于检测第一驱动连杆位置的限位开关；当两个限位开关均检测到对应的第一驱动连杆时，两个主动件的转动相位差为180度，以使两个腿部连杆机构处于前后交叉站立状态(即步行起始状态)，降低步行控制难度。
12.优选地，两个主动件由同一驱动源驱动或者由不同驱动源驱动以模拟人体下肢的步态。
13.如上，本发明的一种下肢外骨骼，具有以下有益效果：
14.(1)本发明结构简单、控制难度低，只需驱动主动件转动，即可带动大腿和小腿运动，实现人体步态行走模拟，极大地降低了成本，便于推广应用；
15.(2)通过调节第二驱动连杆的长度即可改变下肢外骨骼大腿的最大屈曲角度，使下肢外骨骼处于浅蹲状态，便于浅坐于支撑物上的穿戴者无需他人帮助即可自行穿戴下肢外骨骼，降低下肢外骨骼的穿戴难度；
16.(3)大腿连杆、大腿及小腿的长度可调，有效满足不同腿长穿戴者的需求。
附图说明
17.图1为本发明中腿部连杆机构的示意图。
18.图2为本发明中下肢外骨骼的示意图。
19.附图标记说明
20.基体1，主动件11，电机11a，限位开关12，第一驱动连杆2，第二驱动连杆3，第二固定件31，第二活动件32，第二锁紧件33，髋关节摆杆4，大腿连杆5，大腿连杆固定件51，大腿连杆固定件52，大腿6，大腿固定件61，大腿活动件62，小腿7，膝关节摆杆71，小腿活动件72，
顶膝组件73，脚底结构8，控制背包9，第一铰接点a，第二铰接点b，第三铰接点c，第四铰接点d，第五铰接点e，第六铰接点f，第七铰接点g。
具体实施方式
21.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
22.请参阅图1和图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
23.如图1所示，本发明提供一种下肢外骨骼，包括腿部连杆机构，所述腿部连杆机构包括基体1、主动件11、第一驱动连杆2、第二驱动连杆3、髋关节摆杆4、大腿连杆5、大腿6和小腿7；主动件2可转动地设置在基体1上；主动件2上设有相对主动件2转动中心线偏置的第一铰接点a；第一驱动连杆2的第一端和第二驱动连杆3的第一端均铰接在主动件11的第一铰接点a上；髋关节摆杆4为具有三个顶点的三角框结构或者三角板结构或者折弯杆结构，且髋关节摆杆4的三个顶点处分别设有第二铰接点b、第三铰接点c和第四铰接点d；小腿7上端间隔设有第五铰接点e和第六铰接点f；第一驱动连杆2的第二端铰接在髋关节摆动杆4的第二铰接点b上；大腿连杆5的第一端铰接在髋关节摆动杆4的第三铰接点c上，大腿连杆5的第二端铰接在小腿7的第六铰接点f上；大腿6的第一端和髋关节摆杆4的第四铰接点c铰接在基体1的同一位置上，大腿6的第二端铰接在小腿7的第五铰接点e上；第二驱动杆3的第二端铰接在大腿6的第七铰接点g上，第七铰接点g位于第四铰接点d与第五铰接点e之间；所述第二驱动连杆3的长度可调以调节大6的最大屈曲角度。
24.腿部连杆机构主要分为两种状态，即站立与行走状态(包括静止站立状态和站立行走状态)及坐姿状态，二者通过第二驱动连杆3的长度决定。
25.当第二驱动连杆3调节至最短长度时，腿部连杆机构处于站立与行走状态，由于主动件11、基体1、第一驱动连杆2和髋关节摆杆4构成第一曲柄摇杆机构，主动件11、基体1、第二驱动连杆3和大腿6构成第二曲柄摇杆机构；当主动件11在外部动力作用下转动时，会带动第一驱动连杆2和第二驱动连杆3运动，进而带动髋关节摆杆4和大腿6相对基体1转动，使大腿连杆5和小腿7随之运动，从而模拟出人体步态运动，不仅省略了膝部动力源，而且降低了控制难度。
26.由于站立与行走状态下的第二驱动连杆3长度有限，使得大腿6能达到的最大屈曲角度有限(即大腿6向前摆动的角度有限)，因此，当用户穿戴下肢外骨骼时，需要多个人员辅助用户站立并穿戴，穿戴难度较大。基于此，为了减少辅助人员，降低下肢外骨骼的穿戴难度，需先将第二驱动连杆3的长度调长以使大腿6能达到的最大屈曲角度增加，使腿部连杆机构与浅坐于支撑物(如椅子、凳子等辅助支撑物)上的用户腿部相适配，便于用户自行穿戴，极大地降低了穿戴难度；此外，当训练一段时间后的用户需要休息时，也可将第二驱
动连杆3的长度调长以使大腿6能达到的最大屈曲角度增加，便于用户坐在支撑物上休息，实现劳逸结合。
27.可以理解的是，三角框结构为三个连杆依次首尾相接形成的三角形框架结构(又称三角连杆)；三角板结构为横截面为三角形的板状机构；折弯杆结构为两个连杆的一端连接形成的两段式折弯杆。
28.如图1所示，第二驱动连杆3包括第二固定件31、第二活动件32和第二锁紧件33，第二固定件31与第二活动件32在两者的长度方向上滑动配合；第二固定件31上设有第二固定孔，第二活动件32沿其长度方向间隔设有多个可与第二固定孔配合的第二活动孔，所述第二锁紧件33穿过第二固定孔与不同的第二活动孔配合以调节第二固定件31与第二活动件32的相对位置，进而达到调节第二驱动连杆3的目的。
29.可以理解的是，第二驱动连杆3的长度调节也可以直接采用直线气缸、液压杆、丝杠螺母等结构实现，只要能实现第二驱动连杆3长度的调节及锁定即可，对此不作限定。
30.进一步地，大腿连杆5和大腿6的长度均可调，以满足不同大腿腿长用户的需求，保证腿部连杆机构模拟的步态与用户步态尽可能一致。
31.如图1所示，大腿6包括大腿固定件61、大腿活动件62和大腿锁紧件，所述大腿固定件61与大腿活动件62在两者的长度方向上滑动配合；大腿固定件61上设有大腿固定孔，大腿活动件62沿其长度方向间隔设有多个可与大腿固定孔配合的大腿活动孔，所述大腿锁紧件穿过大腿固定孔与不同的大腿活动孔配合以调节大腿固定件61与大腿活动件62的相对位置。
32.为了准确调节大腿6的长度，大腿活动件62上设有刻度线。
33.可以理解的是，大腿6长度的调节也可以直接采用直线气缸、液压杆、丝杠螺母等结构实现，只要能实现大腿6长度的调节及锁定即可，对此不作限定。
34.如图1所示，大腿连杆5包括大腿连杆固定件51、大腿连杆活动件52和大腿连杆锁紧件，所述大腿连杆固定件51与大腿连杆活动件52在两者的长度方向上滑动配合；大腿连杆固定件上51设有大腿连杆固定孔，大腿连杆活动件52沿其长度方向间隔设有多个可与大腿连杆固定孔配合的大腿连杆活动孔；大腿连杆锁紧件穿过大腿连杆固定孔与不同的大腿连杆活动孔配合以调节大腿连杆固定件51与大腿连杆活动件52的相对位置。
35.为了准确调节大腿连杆5的长度，大腿连杆活动件52上设有刻度线。
36.可以理解的是，大腿连杆5的长度调节也可以直接采用直线气缸、液压杆、丝杠螺母等结构实现，只要能实现大腿连杆5长度的调节及锁定即可，对此不作限定。
37.如图1所示，小腿1底部铰接有脚底机构8。
38.进一步地，小腿7的长度可调，以满足不同小腿长度用户的需求。
39.如图1所示，小腿7包括膝关节摆杆71、小腿固定件、小腿活动件72和小腿锁紧件；第五铰接点e和第六铰接点f间隔设于膝关节摆杆71上端，所述小腿固定件固定在膝关节摆杆72下端，且小腿活动件72与小腿固定件在两者的长度方向上滑动配合；小腿固定件上设有小腿固定孔，小腿活动件72沿其长度方向间隔设有多个与小腿固定孔配合的小腿活动孔；所述小腿锁紧件穿过不同的小腿活动孔与小腿固定孔配合以调节小腿固定件与小腿活动件72的相对位置。
40.为了准确调节小腿7的长度，小腿活动件72上设有刻度线。
41.可以理解的是，小腿7的长度调节也可以直接采用直线气缸、液压杆、丝杠螺母等结构实现，只要能实现小腿7长度的调节及锁定即可，对此不作限定。
42.进一步地，膝关节摆杆71上还固定有顶膝组件73，以避免穿戴者在行走时因腿部弯曲而瘫倒。
43.可以理解的是，腿部连杆机构为1个或者2个，以辅助单腿乏力者行走(即单腿助力)或者双腿乏力者行走(即双腿助力)，对此不作限定，本实施例优选将腿部连杆机构设置为2个，以满足双腿乏力者的行走需求。
44.如图1所示，基体1上设有用于检测第一驱动连杆2位置的限位开关12；当两个限位开关12均检测到对应的第一驱动连杆2时，两个主动件11的转动相位差为180度，此时，两个腿部连杆机构前后交叉站立，做好行走准备，确保行走时，两个腿部连杆机构的运动动作与两个人腿行走时的运动动作保持一致。
45.可以理解的是，两个主动件11由同一驱动源驱动或者由不同驱动源驱动(即两个主动件11采用共同驱动或者独立驱动地方式进行驱动)，对此不作限定。
46.如图2所示，两个基体1通过控制背包9连接，每个基板1上均设有驱动对应主动件11转动的电机11a。
47.可以理解的是，电机11a也可以替换为手摇轮或者传动轮，对此不作限定。
48.当每个基板1上均设有带动对应主动件11转动的传动轮时，传动轮的传动动力可以来自于行走架脚轮滚动的动力(如轮椅脚轮滚动的动力、跟随吊架脚轮滚动的动力等)或者电机经传动机构传来的动力，对此不作限定。
49.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。