一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼制造技术

本发明专利技术属于下肢外骨骼机器人领域，公开了一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其通过设置n‑1个尼龙细绳和n个弹簧元件，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n‑1，实现运动过程中的刚度变化，运动到不同阶段时不同的尼龙细绳绷直，从而使相应的弹簧元件不能继续拉伸，改变弹簧元件的总刚度，有效地储存能量，但是尼龙细绳不限制弹簧元件的回复，从而使得弹簧元件能在回复时提供助力，最终达到减小人体在行走、蹲起过程中代谢消耗的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼
本专利技术属于下肢外骨骼机器人领域，更具体地，涉及一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼。
技术介绍
外骨骼是一种可穿戴的辅助性机械系统，能够提高穿戴者的运动能力。下肢外骨骼机器人在医疗方面主要用于下肢运动功能障碍患者的康复训练，在军事方面主要用于提高士兵的单兵作战能力和携带能力，在应急救灾方面主要用于提高消防救灾人员在复杂地形的救灾能力、体力和耐力。因此，下肢外骨骼机器人近年来备受关注。下肢外骨骼机器人根据有无外部动力源可分为主动式和被动式外骨骼。其中主动式下肢外骨骼机器人，包含动力源、驱动部件、控制系统、传感器、电池等，主要用于康复训练和需要负重的士兵，但存在结构复杂、控制困难、续航能力不足、自身较为笨重等缺点。被动式下肢外骨骼机器人没有动力源，仅依靠弹性元件实现能量的充分利用，其结构相对简单，质量相对较小，易于携带，不存在续航能力的问题。目前，大多数下肢外骨骼机器人为刚性结构，不仅影响穿戴舒适度，而且在一定程度上会限制穿戴者的运动。此外，一旦出现意外，刚性外骨骼容易对穿戴者造成二次伤害。因此，柔性可穿戴的被动下肢外骨骼机器人，在具有正常运动能力的人群中具有广阔的应用前景。中国专利技术专利申请号201711270428.8，该技术公开了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，通过随关节角度触发的拉绳离合器，使得拉伸弹簧实现对髋关节机械能的分时调控，辅助髋关节的运动，但其弹簧组件为恒定刚度，在运动过程中其阻力效果可能会大于助力效果。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，结合人体下肢运动的特点，设计了适用于柔性下肢外骨骼的弹簧储能结构，并通过尼龙绳的限制，在运动过程中改变弹簧组件的整体刚度，以降低运动过程中的阻力，达到减小人体在行走、蹲起过程中代谢消耗的目的。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，包括腰部组件、右腿模块和左腿模块，其中：右腿模块和左腿模块均分别包括：变刚度弹簧组件、钢丝绳组件和下肢绑带组件；变刚度弹簧组件包括n-1个尼龙细绳和n个弹簧元件，n-1个尼龙细绳依次命名为第一尼龙细绳至第n-1尼龙细绳，n个弹簧元件分别命名为第一弹簧元件至第n弹簧元件且依次串联，n≥2；其中，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n-1；钢丝绳组件包括钢丝绳，第一弹簧元件首端连接腰部组件，第n弹簧元件尾端连接钢丝绳上端，钢丝绳下端在穿戴时固定于下肢足部。进一步地，腰部组件包括第一柔性绑带和第一连接扣；其中，第一柔性绑带在背部下方左右对称设置有两个连接孔，每个连接孔内设有一个第一连接扣；第一连接扣在沿矢状轴移动和绕矢状轴旋转两个方向均可活动；第一弹簧元件首端通过第一连接扣连接第一柔性绑带。进一步地，钢丝绳组件还包括第一钢丝绳夹紧元件、第二钢丝绳夹紧元件和第二连接扣；钢丝绳通过自身上端弯曲形成的钢丝环与第二弹簧元件尾端连接，并且由第一钢丝绳夹紧元件固定夹紧；钢丝绳通过自身下端弯曲形成的钢丝环与第二连接扣连接，并由第二钢丝绳夹紧元件固定夹紧；第二连接扣用于与使用者穿戴的鞋或鞋套连接。进一步地，还包括下肢绑带组件，用于引导钢丝绳缠绕于使用者的对应下肢。进一步地，下肢绑带组件包括大腿绑带、膝盖绑带以及小腿绑带，各绑带表面均设置有钢丝绳导轨，用于引导钢丝绳的绕线路径。进一步地，穿戴时，变刚度弹簧组件放置在使用者臀部，钢丝绳从第n弹簧元件的尾端出发，依次穿过大腿绑带的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带的钢丝绳导轨并从小腿内侧绕过。进一步地，穿戴时，变刚度弹簧组件放置在使用者腰部，钢丝绳从第n弹簧元件的尾端出发，依次穿过大腿绑带的钢丝绳导轨并从大腿外侧绕过，穿过膝盖绑带的钢丝绳导轨并从膝盖前侧绕过，穿过小腿绑带的钢丝绳导轨并从小腿内侧经过。进一步地，右腿模块和左腿模块的结构对称。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1)本专利技术提供的方案在运动到不同阶段时不同的尼龙细绳绷直，从而使相应的弹簧元件不能继续拉伸，改变弹簧元件的总刚度，有效地储存能量；但是尼龙细绳不限制弹簧元件的回复，从而使得弹簧元件能在回复时(例如从下蹲状态下起立时)提供助力，最终达到减小人体在行走、蹲起过程中代谢消耗的目的。2)本专利技术整体无刚性结构，结构简单，成本低，重量轻。3)本专利技术结合人体下肢的运动特点，利用钢丝绳在人体下肢绕线路径长度的变化，使得变刚度弹簧组件实现储存以及释放能量。4)本专利技术设计的变刚度弹簧方案，在下肢运动幅度较小时变刚度弹簧组件刚度较小，易于人体开始动作；在下肢运动幅度较大时变刚度弹簧组件刚度较大，利于储存能量。附图说明图1为本专利技术优选实施例的基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼的整体结构示意图；图2为图1中腰部组件的结构示意图；图3为图1中右腿模块的结构示意图；图4为图3中变刚度弹簧组件的结构示意图；图5为图3中右腿钢丝绳组件和下肢绑带组件结构示意图。图6为本专利技术优选实施例的人体穿戴柔性下肢外骨骼的一种穿戴方式；图7为本专利技术优选实施例的人体穿戴柔性下肢外骨骼的另一种穿戴方式。图8为本专利技术优选实施例的一种双弹簧变刚度弹簧组件的原理图；图9为本专利技术第二实施例的一种三弹簧变刚度弹簧组件的原理图；图10的(1)和(2)分别为本专利技术优选实施例的柔性下肢外骨骼踝关节的两种连接方式示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100-腰部组件，200-右腿模块，300-左腿模块，101-第一柔性绑带，102-第一连接扣，210-变刚度弹簧组件，220-钢丝绳组件，230-下肢绑带组件，211-尼龙细绳，212-第一弹簧元件，213-第二弹簧元件，221-第一钢丝绳夹紧元件，222-钢丝绳，223-第二钢丝绳夹紧元件，224-第二连接扣，231-大腿绑带，232-膝盖绑带，233-小腿绑带。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术优选实施例提供的一种柔性被动下肢外骨骼包括腰部组件100、右腿模块200、左腿模块300，取n＝2，其中：所述腰部组件100包括第一柔性绑带101和第一连接扣102，如图2所示。其中，所述第一柔性绑带101在背部下方左右对称设置有两个连接孔，第一柔性绑带101通过连接孔与所述第一连接扣102连接。第一连接扣102具有两组，并且在沿矢状轴移动和绕矢状轴旋转两个方向均有一定的活动能力，以便所述腰部组件100有灵活的适应能力。所述右腿模块200和所述左腿模块300左右对称，结构相同。以下只针对右腿模块200的结构进行说明。所述右腿模块200包括变刚度弹簧组件210、钢丝绳组件220和下肢绑带组件230，如图3所示。所述变刚度弹簧组件210包括第一尼龙细绳211、第一弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，包括腰部组件(100)、右腿模块(200)和左腿模块(300)，其中：右腿模块(200)和左腿模块(300)均分别包括：变刚度弹簧组件(210)、钢丝绳组件(220)和下肢绑带组件(230)；变刚度弹簧组件(210)包括n‑1个尼龙细绳和n个弹簧元件，n‑1个尼龙细绳依次命名为第一尼龙细绳(211)至第n‑1尼龙细绳，n个弹簧元件分别命名为第一弹簧元件(212)至第n弹簧元件且依次串联，n≥2；其中，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n‑1；钢丝绳组件(220)包括钢丝绳(222)，第一弹簧元件(212)首端连接腰部组件(100)，第n弹簧元件尾端连接钢丝绳(222)上端，钢丝绳(222)下端在穿戴时固定于下肢足部。

【技术特征摘要】
1.一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，包括腰部组件(100)、右腿模块(200)和左腿模块(300)，其中：右腿模块(200)和左腿模块(300)均分别包括：变刚度弹簧组件(210)、钢丝绳组件(220)和下肢绑带组件(230)；变刚度弹簧组件(210)包括n-1个尼龙细绳和n个弹簧元件，n-1个尼龙细绳依次命名为第一尼龙细绳(211)至第n-1尼龙细绳，n个弹簧元件分别命名为第一弹簧元件(212)至第n弹簧元件且依次串联，n≥2；其中，第i尼龙细绳两端分别相对于第i弹簧元件的两端固定，且第i尼龙细绳预留一指定的松弛预留量，以限制第i弹簧元件的最大拉伸长度，i＝1、2、…n-1；钢丝绳组件(220)包括钢丝绳(222)，第一弹簧元件(212)首端连接腰部组件(100)，第n弹簧元件尾端连接钢丝绳(222)上端，钢丝绳(222)下端在穿戴时固定于下肢足部。2.如权利要求1所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，腰部组件(100)包括第一柔性绑带(101)和第一连接扣(102)；其中，第一柔性绑带(101)在背部下方左右对称设置有两个连接孔，每个连接孔内设有一个第一连接扣(102)；第一连接扣(102)在沿矢状轴移动和绕矢状轴旋转两个方向均可活动；第一弹簧元件(212)首端通过第一连接扣102连接第一柔性绑带(101)。3.如权利要求2所述的一种基于变刚度弹簧的柔性下肢外骨骼，其特征在于，钢丝绳组件(220)还包括第一钢丝绳夹紧元件(221)、第二钢丝绳夹紧元件(223)和第二连接扣(224)；钢丝绳(222)通过自身上端弯曲形成的钢丝环与...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩斌，陈学东，刘琪，杜子豪，黄添添，姜伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42