一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统技术方案

本发明专利技术涉及一种刚柔耦合可穿戴式式助行外骨骼系统，包括助力系统和支撑系统；所述助力系统包括用于将该外骨骼系统穿戴于使用者身体上的腰部穿戴机构、用于驱动使用者大腿抬起或放下的动力机构，所述支撑系统包括由多个支撑节连接而成的支撑链，支撑链为类脊柱仿生结构，各支撑节在矢状面内可大角度转动，在冠状面和水平面内有微小转动，不会在人体下肢运动过程中对膝关节、踝关节处造成干涉，支撑系统与动力机构驱动传动连接，在人体下肢运动的过程中，可在支撑相时提供助力，在摆动相时随人体下肢运动。本发明专利技术结构简单，质轻，穿戴舒适、穿脱方便，与人体下肢运动的协调性高，不仅可以帮助行走，更可以提供支撑助力。

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统
本专利技术涉及外骨骼领域，尤其涉及一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统。
技术介绍
随着年龄的增加，人体机能逐渐下降引起肌肉萎缩导致行动不便。为提供身体机能、助力助行的可穿戴式外骨骼应运而生。可穿戴式外骨骼广泛运用于军用领域、医疗康复领域等。如在军用领域，重助力外骨骼机器人可满足单兵负重的需要，在医疗康复领域，助力外骨骼机器人可满足下肢瘫痪、行走不便患者的需求。评价穿戴式外骨骼的一个标准除了考虑完成既定功能的基础上，还应该考虑使用者舒适度。人体下肢运动与外骨骼运动的协调性也是当前可穿戴式外骨骼研究的重要方向之一。可穿戴式外骨骼包括刚性和柔性两种，在相关技术中，刚性可穿戴式外骨骼在髋关节、膝关节、踝关节处多为铰接，如通过四杆机构驱动大小腿运动，单该外骨骼仅考虑膝关节前后伸展运动，忽略掉轻微的旋转运动，人机贴合性较差，造成外骨骼运动与人体下肢运动规律存在差异。相比于刚性机器人，柔性助力机器人具有低惯性，穿戴舒适的优点，但大多数柔性助力机器人仅起到助力作用，无法起到支撑下肢的作用，故对患有关节炎的老年人助力助行仍存在较大问题。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术存在的不足，提供了一种助力方便、穿戴舒适、协调性高、穿脱方便，不仅可以帮助行走，更可以提供支撑助力的刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，系统包括包括助力系统和支撑系统；所述助力系统包括用于将该外骨骼系统穿戴于使用者身体上的腰部穿戴机构、用于驱动使用者大腿抬起或放下的动力机构；所述支撑系统与所述动力机构传动连接，所述支撑系统包括包括支撑链、连接在支撑链底部的脚板，所述支撑链包括多个支撑节，所述支撑节沿高度方向均匀布置，相邻两支撑节之间通过摇臂滑块机构连接，所述支撑节上形成有两个滚槽；所述摇臂滑块机构包括水平连接件、竖直连接件和两个螺纹万向球，所述水平连接件和竖直连接件均为长条形板状结构，所述水平连接件沿其长度方向贯穿地开设有两个第一通孔，两个所述螺纹万向球的螺纹端分别通过螺纹连接方式安装在水平连接件的两个第一通孔中，两个所述螺纹万向球的球体端分别滚动连接于一支撑节的两个滚槽内；所述竖直连接件的一端枢轴连接在所述水平连接件的中部，另一端枢轴连接在另一支撑节上。优选地，所述支撑节呈类蝶形结构，所述支撑节一侧形成有卡槽，另一侧形成有凸起，一支撑节的凸起收容于另一支撑节的卡槽中。优选地，一支撑节主体上开设有两个第一弧形槽，另一支撑节主体上开设有凹槽、两个与所述凹槽相连通的第二弧形槽，两个所述第一弧形槽与所述两个第二弧形槽一一配合，使得在所述支撑节上形成有两个所述滚槽。优选地，所述支撑节上形成有两个弹簧通道和一个螺纹通道，所述弹簧通道内穿设有定位弹簧，所述螺纹通道的两端安装有螺纹环，所述定位弹簧的一端连接在一支撑节的螺纹环上，另一端连接在与之相邻的支撑节的螺纹环上。优选地，所述脚板和支撑链之间设有支撑架，所述支撑架呈卡爪状结构，其上端枢轴连接在支撑节上，下端固定在所述脚板上，所述支撑架的分叉处连接有绑带，使用者的脚踝与所述脚板通过该绑带实现固连。优选地，所述腰部穿戴机构包括腰部固定板，所述腰部固定板包括主体固定板和辅助固定板，所述主体固定板和辅助固定板均为弧形薄板状结构，所述主体固定板和辅助固定板之间通过腰带连接，且腰带长度可调；所述腰部穿戴机构还包括两个背带，两个背带分别连接于所述腰部固定板的两侧，所述背带呈条状结构，采用柔性材料制成，且背带长度可调。所述背带一端固定在主体固定板上，另一端固定在辅助固定板上。优选地，所述动力机构包括一对动力组件，一对动力组件分别连接于所述腰部固定板的两侧，所述动力机组件包括电机、传动单元和执行单元，所述执行单元包括与大腿形状匹配的曲面结构，该曲面结构通过绑带与大腿固连，所述电机用于驱动传动单元带动所述曲面结构转动，以抬起或放下大腿。优选地，所述传动单元包括线盘、柔性绳、三角架和滑轮；所述线盘与所述电机的输出轴转动连接，所述滑轮通过三脚架转动连接于所述辅助固定板上，所述柔性绳的一端连接在所述线盘上，另一端在通过所述滑轮后与所述执行单元连接；所述执行单元包括第一传动件、转动连接件和第二传动件，所述转动连接件转动连接于所述主体固定板上，所述第一传动件和第二传动件分别固定在所述转动连接件的上下两侧。其中，所述第一传动件与所述柔性绳伸出滑轮的一端连接。优选地，所述第一传动件包括连接块和第一传动杆，所述连接块呈块状结构，其上具有用于连接所述柔性绳的耳孔，所述第一传动杆由杆体弯折而成，所述第一传动杆的一端固定于所述连接块上，另一端连接于所述转动连接件上；所述第二传动件包括第二传动杆和曲面杆，所述第二传动杆的一端固定于所述连接块上，另一端与所述支撑系统相连；所述曲面杆连接在所述第二传动杆上，所述曲面杆上具有用于对人体大腿部位配合的曲面，所述曲面杆还连接有将曲面杆固定于大腿上的绑带。优选地，所述转动连接件包括转动连接件主体、第一卡座和第二卡座；所述主体固定板上连接安装座，所述安装座部分位于所述主体固定板下方，所述转动连接件主体通过肋板转动连接在所述安装座下部，所述转动连接件通过滚动轴承与所述安装座转动连接。所述转动连接件主体一侧开设有第一下卡槽，所述第一卡座上开设有第一上卡槽，所述第一卡座通过螺栓连接在所述转动连接件主体上，并使第一下卡槽和第一上卡槽配合形成供第一传动杆穿入的第一通道。所述转动连接件主体另一侧开设有第二下卡槽，所述第二卡座上开设有第二上卡槽，所述第二卡座通过螺栓连接在所述转动连接件主体上，并使第二下卡槽和第二上卡槽配合形成供第二传动杆穿入的第二通道。本专利技术与现有技术相比较，本专利技术的实施效果如下：本专利技术中的支撑节在矢状面内可大角度转动，满足人体下肢运动时的位置要求；在冠状面和水平面内有微小转动，不会在人体下肢运动过程中对膝关节、踝关节处造成干涉，提高外骨骼与人体下肢运动一致协调性。本专利技术结构简单，质轻，穿戴舒适、穿脱方便，与人体下肢运动的协调性高，不仅可以帮助行走，更可以提供支撑助力。附图说明图1为本专利技术中外骨骼系统结构示意图图2为本专利技术中腰部穿戴机构的结构示意图图3为本专利技术中动力机构的结构示意图图4为本专利技术中传动单元的结构示意图图5为本专利技术中第一传动件的结构示意图图6为本专利技术中第二传动件的结构示意图图7为本专利技术中转动连接件的结构示意图图8为本专利技术中支撑链的结构示意图。图9、10为本专利技术中支撑节的结构示意图。图11为本专利技术中支撑节主体的结构示意图。图12为本专利技术中螺纹环和定位弹簧所在部分的结构示意图。附图标记说明如下：1、助力系统；11、腰部穿戴机构；111、主体固定板；112、辅助固定板；113、背带；114、腰带；12、传动单元；121、三角架；122、线盘；123、滑轮；124、柔性绳；13、第一传动件；131本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，该系统包括包括助力系统和支撑系统；助力系统包括用于将该外骨骼系统穿戴于使用者身体上的腰部穿戴机构、用于驱动使用者大腿抬起或放下的动力机构；支撑系统与动力机构传动连接，支撑系统包括包括支撑链、枢轴连接在支撑链底部的脚板，支撑链包括多个支撑节，支撑节沿高度方向均匀布置，相邻两支撑节之间通过摇臂滑块机构连接；支撑节上形成有两个滚槽；摇臂滑块机构包括水平连接件、竖直连接件和两个螺纹万向球，水平连接件和竖直连接件均为长条形板状结构，水平连接件沿其长度方向贯穿地开设有两个第一通孔，两个螺纹万向球的螺纹端分别通过螺纹连接方式安装在水平连接件的两个第一通孔中，两个螺纹万向球的球体端分别滚动连接于一支撑节的两个滚槽内；竖直连接件的一端枢轴连接在水平连接件的中部，另一端枢轴连接在另一支撑节上。/n

【技术特征摘要】
1.一种刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，该系统包括包括助力系统和支撑系统；助力系统包括用于将该外骨骼系统穿戴于使用者身体上的腰部穿戴机构、用于驱动使用者大腿抬起或放下的动力机构；支撑系统与动力机构传动连接，支撑系统包括包括支撑链、枢轴连接在支撑链底部的脚板，支撑链包括多个支撑节，支撑节沿高度方向均匀布置，相邻两支撑节之间通过摇臂滑块机构连接；支撑节上形成有两个滚槽；摇臂滑块机构包括水平连接件、竖直连接件和两个螺纹万向球，水平连接件和竖直连接件均为长条形板状结构，水平连接件沿其长度方向贯穿地开设有两个第一通孔，两个螺纹万向球的螺纹端分别通过螺纹连接方式安装在水平连接件的两个第一通孔中，两个螺纹万向球的球体端分别滚动连接于一支撑节的两个滚槽内；竖直连接件的一端枢轴连接在水平连接件的中部，另一端枢轴连接在另一支撑节上。


2.根据权利要求1的刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，支撑节呈类蝶形结构，支撑节一侧形成有卡槽，另一侧形成有凸起，一支撑节的凸起收容于另一支撑节的卡槽中。


3.根据权利要求1的刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，一支撑节主体上开设有两个第一弧形槽，另一支撑节主体上开设有凹槽、两个与凹槽相连通的第二弧形槽，两个第一弧形槽与两个第二弧形槽一一配合，使得在支撑节上形成有两个滚槽。


4.根据权利要求1的刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，支撑节上形成有两个弹簧通道和一个螺纹通道，弹簧通道内穿设有定位弹簧，螺纹通道的两端安装有螺纹环，定位弹簧的一端连接在一支撑节的螺纹环上，另一端连接在与之相邻的支撑节的螺纹环上。


5.根据权利要求1的刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，脚板和支撑链之间设有支撑架，支撑架呈卡爪状结构，其上端枢轴连接在支撑节上，下端固定在脚板上，支撑架的分叉处连接有绑带，使用者的脚踝与脚板通过该绑带实现固连。


6.根据权利要求1的刚柔耦合可穿戴式助行外骨骼系统，其特征在于，腰部穿戴机构包括腰部固定板，腰部固定板包括主体固定板和辅助固定板，主体固定板和辅助固定板均为弧形薄板状结构，主体固定板和辅助固定板之间通过腰带连接，且腰带长度可调；腰部穿戴机构还包括两个背...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启明，郭新丹，姜天涯，韩旭，郭士杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12