一种穿戴式下肢助力外骨骼,包括左侧腿(A)、右侧腿(C)、载物架(B)。其中,左第一连接杆(A1)和插杆(B1)配合,将左侧腿(A)与载物架(B)固定连接,右第一连接杆(C1)和插杆(B1)配合,将右侧腿(C)与载物架(B)固定连接。双侧下肢共具有两个转动自由度,单侧下肢各具有一个自由度,可实现髋关节、膝关节、踝关节绕额状轴转动。通过仿生智能控制程序,控制左电机(A20)、右电机(C20),实现穿戴式下肢助力外骨骼行走步态。使用本发明有效的降低人体能消耗,用于下肢助力,可用于军用士兵作战装备,也可用于下肢康复领域。
1.一种穿戴式下肢助力外骨骼,其特征在于:该穿戴式下肢助力外骨骼包括左侧腿(A)、右侧腿(C)、载物架(B);所述的载物架(B)包括插杆(B1)、支撑架(B2)、卡带(B3)和背包架(B4);支撑架(B2)与插杆(B1)通过支撑架边缘的卡具与插杆(B1)的杆部(B1c)固接;背包架(B4)与支撑架(B2)固接;卡带(B3)与背包架(B4)固接,用于固定穿戴式下肢助力外骨骼所装载重物;所述的左侧腿(A)为单自由度连杆机构,左侧腿(A)上的左第一连接杆(A1)和载物架(B)上的插杆(B1)通过左第一连接杆(A1)端部插槽和插杆(B1)的左插头(B1a)配合固接;左侧腿(A)上布置左大腿绑带(A11)、左小腿绑带(A12)和左足绑带(A13)连接人体下肢;左侧腿(A)上安装有左电机(A20),驱动左第六连接杆(A6),带动左侧腿(A)运动;所述的右侧腿(C)为单自由度连杆机构,右侧腿(C)上的右第一连接杆(C1)和载物架(B)上的插杆(B1)通过右第一连接杆(C1)端部插槽和插杆(B1)的右插头(B1b)配合固接;右侧腿(C)上布置右大腿绑带(C11)、右小腿绑带(C12)和右足绑带(C13)连接人体下肢;右侧腿(C)上安装有右电机(C20),驱动右第六连接杆(C6),带动右侧腿(C)运动;通过上述连接,完成所述穿戴式下肢外骨骼组装,左侧腿(A)上的左电机(A20)、右侧腿(C)上安装右电机(C20)分别带动左第六连接杆(A6)、右第六连接杆(C6),实现该穿戴式下肢外骨骼机构步行。
2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力外骨骼,其特征在于:所述的左侧腿(A)包括左第一到左第九连接杆(A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9)、左传动齿轮(A10)、左第一到左第六销轴(A14、A15、A16、A17、A18、A19)、左大腿绑带(A11)、左小腿绑带(A12)、左足绑带(A13)、左电机(A20);左第一连接杆(A1)由一个L型杆件和一个Y型杆件固连而成;L型杆件短端布置插槽,L型折弯处与长端端部各开有一个安装孔;Y型杆件的Y型端作为卡具与L型杆件固连,另一端布置电机安装孔与电机输出轴孔;左第二连接杆(A2)为钝角三角形杆件,左第二连接杆(A2)的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,左第二连接杆(A2)的两个锐角顶点处布置安装孔;左第三连接杆(A3)为钝角三角形杆件,左第三连接杆(A3)的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,左第三连接杆(A3)的两个锐角顶点处布置安装孔;左第四、五连接杆(A4、A5)为等腰三角形杆件,左第四、五连接杆(A4、A5)的顶角顶点和两个底角顶点分别布置安装孔;左第六、八连接杆(A6、A8)为二副杆件,左第六、八连接杆(A6、A8)两端各开有一个安装孔;其中,左第六连接杆(A6)为曲柄;左第七连接杆(A7)由L型直角杆部与弧形杆部组成;L型直角杆部直角顶点处、短直角边端部、长直角边端部各开有一个安装孔;左第九连接杆(A9)为足端踏板,左第九连接杆(A9)中部和端部分别开有一个安装孔;左第一连接杆(A1)上L型杆件折弯处的安装孔与左第二连接杆(A2)锐角顶点处的安装孔通过左第一销轴(A14)连接;左第一连接杆(A1)上L型杆件长端端部的安装孔与左第三连接杆(A3)锐角顶点处的安装孔通过左第一销轴(A14)连接;左第二连接杆(A2)钝角顶点处的齿轮安装槽放置左传动齿轮(A10),左传动齿轮(A10)通过左第二销轴(A15)与左第二连接杆(A2)上钝角顶点处的安装孔配合连接,左第三连接杆(A3)钝角顶点处的齿轮安装槽放置左传动齿轮(A10),左传动齿轮(A10)通过左第二销轴(A15)与左第三连接杆(A3)上钝角顶点处的安装孔配合连接;分别与左第二、三连接杆(A2、A3)配合连接的两个左传动齿轮(A10)组成啮合齿轮对;左第二连接杆(A2)另一锐角顶点处的安装孔通过左第三销轴(A16)与左第四连接杆(A4)的一个底角顶点处安装孔连接;左第三连接杆(A3)另一锐角顶点处的安装孔通过左第三销轴(A16)与左第五连接杆(A5)的一个底角顶点处安装孔连接;左第四连接杆(A4)顶角顶点处安装孔通过左第三销轴(A16)与左第五连接杆(A5)顶角顶点处安装孔连接;左第四连接杆(A4)另一底角顶点处安装孔通过左第三销轴(A16)与左第七连接杆(A7)短直角边端部安装孔配合连接;左第五连接杆(A5)另一底角顶点处安装孔通过左第三销轴(A16)与左第八连接杆(A8)端部安装孔配合连接;左第一连接杆(A1)的Y型杆件一端与左电机(A20)固连,左电机(A20)输出轴穿过Y型杆件与左第六连接杆(A6)端部安装孔固连,左第六连接杆(A6)另一端部安装孔通过左第四销轴(A17)与左第七连接杆(A7)L型直角顶点处安装孔连接;左第七连接杆(A7)长直角边端部安装孔通过左第五销轴(A18)与左第九连接杆(A9)端部安装孔连接;左第八连接杆(A8)另一端部安装孔通过左第五销轴(A18)与左第九连接杆(A9)中部安装孔连接;左大腿绑带(A11)与左第三连接杆(A3)通过左第六销轴(A19)连接;左小腿绑带(A12)与左第七连接杆(A7)通过左第六销轴(A19)连接;左足绑带(A13)与左第九连接杆(A9)固连;通过左大腿绑带(A11)、左小腿绑带(A12)与左足绑带(A13)将左侧腿(A)外骨骼耦合至人体下肢;所述的右侧腿(C)包括右第一到右第九连接杆(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9)、右传动齿轮(C10)、右第一到右第六销轴(C14、C15、C16、C17、C18、C19)、右大腿绑带(C11)、右小腿绑带(C12)、右足绑带(C13)、右电机(C20);右侧腿(C)的零件结构、尺寸和连接关系与左侧腿(A)相同。
3.根据权利要求2所述的穿戴式下肢助力外骨骼,其特征在于:所述的左侧腿(A)中,两个左传动齿轮(A10)可由左第十连接杆(A21)代替;连接方式如下:左第二连接杆(A2)钝角顶点处安装孔通过左第二销轴(A15)与左第十连接杆(A21)端部安装孔连接;左第三连接杆(A3)钝角顶点处安装孔通过左第二销轴(A15)与左第十连接杆(A21)另一端部安装孔连接;代替前两个左传动齿轮(A10)啮合中心距与代替后左第十连接杆(A21)两安装孔距相等;上述连接方式构成整体闭链十杆单侧外骨骼的机械部分;右侧腿(C)的结构替换方式与左侧腿(A)替换方式相同。技术领域
本发明涉及一种穿戴式下肢助力外骨骼,具体的讲是涉及一种能够提高负重行走能力,可用于下肢康复和单兵作战助力的外骨骼机器人装置。
背景技术
随着科学技术的进步和发展,军队在武器装备的信息化、快速化和精良化的需求在单兵作战方面体现的尤为明显,与此同时,单兵装备在满足多手段、多用途和多任务需要的同时最大限度的保证士兵安全。穿戴式下肢助力外骨骼通过耦合至人体,有效的解决战场上士兵体力过大消耗而降低持续作战能力的问题,同时避免了适应性体能训练导致的疲劳现象和装备过重造成的肌肉拉伤和关节损伤。中国专利公告号101589983公开了一种“穿戴式下肢外骨骼装置”,该外骨骼装置双下肢共十二个转动自由度,单下肢各六个自由度,分别为髋部关节二个自由度、膝部关节一个自由度、踝关节三个自由度,该装置可用来增强穿戴者的行走能力。但是限于该装置单侧腿为串联六自由度结构,具有累积误差,控制算法复杂,易由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳,同时限制了相同自重下步行机器人的负载能力。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种可实现单侧腿单自由度的穿戴式下肢助力外骨骼装置。本发明的技术方案:一种穿戴式下肢助力外骨骼装置,该装置包括左侧腿、右侧腿、载物架。载物架包括插杆、支撑架、卡带和背包架。支撑架与插杆通过支撑架边缘的卡具与插杆的杆部固接,背包架与支撑架固接,卡带与背包架固接,用于固定穿戴式下肢助力外骨骼所装载重物。左侧腿为单自由度连杆机构,左侧腿上的左第一连接杆和载物架上的插杆通过左第一连接杆端部插槽和插杆的左插头配合固接,左侧腿上布置左大腿绑带、左小腿绑带和左足绑带连接人体下肢。左侧腿上安装有左电机,驱动左第六连接杆,带动左侧腿运动。右侧腿为单自由度连杆机构,右侧腿上的右第一连接杆和载物架上的插杆通过右第一连接杆端部插槽和插杆的右插头配合固接,右侧腿上布置右大腿绑带、右小腿绑带和右足绑带连接人体下肢,右侧腿上安装有右电机,驱动右第六连接杆,带动右侧腿运动。通过上述连接,完成穿戴式下肢外骨骼机构组装,左侧腿上的左电机、右侧腿上安装右电机分别带动左第六连接杆、右第六连接杆,实现穿戴式下肢外骨骼机构步行。所述的左侧腿包括左第一到左第九连接杆、左传动齿轮、左第一到左第六销轴、左大腿绑带、左小腿绑带、左足绑带、左电机。左第一连接杆由一个L型杆件和一个Y型杆件固连而成,L型杆件短端布置插槽,L型折弯处与长端端部各开有一个安装孔,Y型杆件的Y型端作为卡具与L型杆件固连,另一端布置电机安装孔与电机输出轴孔(图略)。左第二连接杆为钝角三角形杆件,左第二连接杆的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,左第二连接杆的两个锐角顶点处布置安装孔。左第三连接杆为钝角三角形杆件,左第三连接杆的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,左第三连接杆的两个锐角顶点处布置安装孔。左第四、五连接杆为等腰三角形杆件,左第四、五连接杆的顶角顶点和两个底角顶点分别布置安装孔。左第六、八连接杆为二副杆件,左第六、八连接杆两端各开有一个安装孔。其中,左第六连接杆为曲柄。左第七连接杆由L型直角杆部与弧形杆部组成,L型直角杆部直角顶点处、短直角边端部、长直角边端部各开有一个安装孔。左第九连接杆为足端踏板,左第九连接杆中部和端部分别开有一个安装孔。左第一连接杆折弯处的安装孔与左第二连接杆锐角顶点处的安装孔通过左第一销轴连接,左第一连接杆上L型长端端部的安装孔与左第三连接杆锐角顶点处的安装孔通过第一销轴连接。左第二连接杆钝角顶点处的齿轮安装槽放置左传动齿轮,左传动齿轮通过左第二销轴与左第二连接杆上钝角顶点处的安装孔配合连接,左第三连接杆钝角顶点处的齿轮安装槽放置左传动齿轮,左传动齿轮通过左第二销轴与左第三连接杆上钝角顶点处的安装孔配合连接,分别与左第二、三连接杆配合连接的两个左传动齿轮组成齿轮对啮合。左第二连接杆另一锐角顶点处的安装孔通过左第三销轴与左第四连接杆的一个底角顶点处安装孔连接,左第三连接杆另一锐角顶点处的安装孔通过左第三销轴与左第五连接杆的一个底角顶点处安装孔连接。左第四连接杆顶角顶点处安装孔通过左第三销轴与左第五连接杆顶角顶点处安装孔连接。左第四连接杆另一底角顶点处安装孔通过左第三销轴与左第七连接杆短直角边端部安装孔配合连接。左第五连接杆另一底角顶点安装孔与左第八连接杆端部安装孔通过左第三销轴连接。左第一连接杆的Y型杆件一端与左电机固连,左电机输出轴穿过Y型杆件与左第六连接杆端部安装孔固连。左第六连接杆另一端部安装孔通过左第四销轴与左第七连接杆L型直角顶点处安装孔连接。左第七连接杆长直角边端部安装孔通过左第五销轴与左第九连接杆端部安装孔连接,左第八连接杆另一端部安装孔通过左第五销轴与左第九连接杆中部安装孔连接。左大腿绑带与左第三连接杆通过左第六销轴连接,左小腿绑带与左第七连接杆通过左第六销轴连接,左足绑带与左第九连接杆固连。通过左大腿绑带、左小腿绑带与左足绑带将左侧腿外骨骼耦合至人体下肢。所述的右侧腿包括右第一到右第九连接杆、右传动齿轮、右第一到右第六销轴、右大腿绑带、右小腿绑带、右足绑带、右电机。右侧腿的零件结构和尺寸、连接关系、自由度与左侧腿相同。穿戴式下肢外骨骼机构通过左、右大腿绑带、左、右小腿绑带、左、右足绑带将左、右侧腿与人体下肢耦合,通过左、右电机驱动实现穿戴式下肢外骨骼机构带动人体下肢运动。本发明和已有技术相比具有的有益效果:穿戴式下肢外骨骼单侧腿机械连接方式为单自由度闭链结构,与相同自重串联式多自由度外骨骼结构相比,简化控制系统,结构稳定性好,承载能力与运动效率高;本装置电机位置接近地面,降低整机重心,提高了外骨骼装置运动平稳性。
附图说明
图1一种穿戴式下肢助力外骨骼整体三维图;图2左侧腿三维图;图3左电机、左曲柄和左电机固定架连接外形图;图4右侧腿三维图;图5右电机、右曲柄和右电机固定架连接外形图;图6载物架三维图;图7插杆三维图;图8xa0左侧腿左第八连接杆代替传动齿轮三维图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。一种穿戴式下肢助力外骨骼,如图1所示,包括左侧腿A、右侧腿C、载物架B。所述的载物架B,如图6所示,包括插杆B1、支撑架B2、卡带B3和背包架B4。所述的插杆B1,如图7所示,包括左插头B1a、右插头B1b和杆部B1c。支撑架B2与插杆B1通过支撑架边缘的卡具与插杆B1的杆部B1c固接,背包架B4与支撑架B2固接,卡带B3与背包架B4固接,用于固定穿戴式下肢助力外骨骼所装载重物。所述的左侧腿A为单自由度连杆机构,左侧腿A上的左第一连接杆A1和载物架B上的插杆B1通过左第一连接杆A1端部插槽和插杆B1的左插头B1a配合固接。左侧腿A上布置左大腿绑带A11、左小腿绑带A12和左足绑带A13连接人体下肢。左侧腿A上安装有左电机A20,驱动左第六连接杆A6,带动左侧腿A运动。所述的右侧腿C为单自由度连杆机构,右侧腿C上的右第一连接杆C1和载物架B上的插杆B1通过右第一连接杆C1端部插槽和插杆B1的右插头B1b配合固接。右侧腿C上布置右大腿绑带C11、右小腿绑带C12和右足绑带C13连接人体下肢。右侧腿C上安装有右电机C20,驱动右第六连接杆C6,带动右侧腿C运动。通过上述连接,完成穿戴式下肢外骨骼机构组装,左侧腿A上的左电机A20、右侧腿C上安装右电机C20分别带动左第六连接杆A6、右第六连接杆C6,实现穿戴式下肢外骨骼机构步行。左侧腿A,如图2所示,包括左第一到左第九连接杆A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、左传动齿轮A10、左第一到左第六销轴A14、A15、A16、A17、A18、A19、左大腿绑带A11、左小腿绑带A12、左足绑带A13、左电机A20。左第一连接杆A1由一个L型杆件和一个Y型杆件固连而成。L型杆件短端布置插槽,L型折弯处与长端端部各开有一个安装孔。Y型杆件的Y型端作为卡具与L型杆件固连,另一端布置电机安装孔与电机输出轴孔(图略)。左第二连接杆A2为钝角三角形杆件,左第二连接杆A2的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,左第二连接杆A2的两个锐角顶点处布置安装孔。左第三连接杆A3为钝角三角形杆件,左第三连接杆A3的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,左第三连接杆A3的两个锐角顶点处布置安装孔。左第四、五连接杆A4、A5为等腰三角形杆件,左第四、五连接杆A4、A5的顶角顶点和两个底角顶点分别布置安装孔。左第六、八连接杆A6、A8为二副杆件,左第六、八连接杆A6、A8两端各开有一个安装孔。其中,左第六连接杆A6为曲柄。左第七连接杆A7由L型直角杆部与弧形杆部组成。L型直角杆部直角顶点处、短直角边端部、长直角边端部各开有一个安装孔。左第九连接杆A9为足端踏板,左第九连接杆A9中部和端部分别开有一个安装孔。左第一连接杆A1折弯处的安装孔与左第二连接杆A2锐角顶点处的安装孔通过左第一销轴A14连接,左第一连接杆A1上L型长端端部的安装孔与左第三连接杆A3锐角顶点处的安装孔通过第一销轴A14连接。左第二连接杆A2钝角顶点处的齿轮安装槽放置左传动齿轮A10,左传动齿轮A10通过左第二销轴A15与左第二连接杆A2上钝角顶点处的安装孔配合连接,左第三连接杆A3钝角顶点处的齿轮安装槽放置左传动齿轮A10,左传动齿轮A10通过左第二销轴A15与左第三连接杆A3上钝角顶点处的安装孔配合连接,与左第二、三连接杆A2、A3配合连接的两个左传动齿轮A10组成齿轮对啮合。左第二连接杆A2另一锐角顶点处的安装孔通过左第三销轴A16与左第四连接杆A4的一个底角顶点安装孔连接。左第三连接杆A3另一锐角顶点处的安装孔通过左第三销轴A16与左第五连接杆A5的一个底角顶点安装孔连接。左第四连接杆A4与左第五连接杆A5顶角顶点安装孔通过左第三销轴A16连接。通过左第三销轴A16,左第四连接杆A4另一底角顶点安装孔与左第七连接杆A7短直角边端部安装孔配合连接,左第五连接杆A5另一底角顶点安装孔与左第八连接杆A8端部安装孔通过左第三销轴A16连接。左第一连接杆A1的Y型杆件一端与左电机A20固连,左电机A20输出轴穿过Y型杆件与左第六连接杆A6固连,如图3所示。左第六连接杆A6端部安装孔通过左第四销轴A17与左第七连接杆L型直角顶点处安装孔连接。左第七连接杆A7长直角边端部安装孔通过左第五销轴A18与左第九连接杆A9端部安装孔连接,左第八连接杆A8另一端部安装孔通过左第五销轴A18与左第九连接杆A9中部安装孔连接。左大腿绑带A11与左第三连接杆A3通过左第六销轴A19连接,左小腿绑带A12与左第七连接杆A7通过左第六销轴A19连接,左足绑带A13与左第九连接杆A9固连。通过左大腿绑带A11、左小腿绑带A12与左足绑带A13将左侧腿A外骨骼耦合至人体下肢。右侧腿C,如图4所示,包括右第一到右第九连接杆C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、右传动齿轮C10、右第一到右第六销轴C14、C15、C16、C17、C18、C19、右大腿绑带C11、右小腿绑带C12、右足绑带C13、右电机C20。右第一连接杆C1由一个L型杆件和一个Y型杆件固连而成。L型杆件短端布置插槽,L型折弯处与长端端部各开有一个安装孔。Y型杆件的Y型端作为卡具与L型杆件固连,另一端布置电机安装孔与电机输出轴孔(图略)。右第二连接杆C2为钝角三角形杆件,右第二连接杆C2的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,右第二连接杆C2的两个锐角顶点处布置安装孔。右第三连接杆C3为钝角三角形杆件,右第三连接杆C3的钝角顶点处布置齿轮安装槽与齿轮安装孔,右第三连接杆C3的两个锐角顶点处布置安装孔。右第四、五连接杆C4、C5为等腰三角形杆件,右第四、五连接杆C4、C5的顶角顶点和两个底角顶点分别布置安装孔。右第六、八连接杆C6、C8为二副杆件,右第六、八连接杆C6、C8两端各开有一个安装孔。其中,右第六连接杆C6为曲柄。右第七连接杆C7由L型直角杆部与弧形杆部组成。L型直角杆部直角顶点处、短直角边端部、长直角边端部各开有一个安装孔。右第九连接杆C9为足端踏板,右第九连接杆C9中部和端部分别开有一个安装孔。右第一连接杆C1折弯处的安装孔与右第二连接杆C2锐角顶点处的安装孔通过右第一销轴C14连接,右第一连接杆C1上L型长端端部的安装孔与右第三连接杆C3锐角顶点处的安装孔通过右第一销轴C14连接。右第二连接杆C2钝角顶点处的齿轮安装槽放置右传动齿轮C10,右传动齿轮C10通过右第二销轴C15与右第二连接杆C2上钝角顶点处的安装孔配合连接,右第三连接杆C3钝角顶点处的齿轮安装槽放置右传动齿轮C10,右传动齿轮C10通过右第二销轴C15与右第三连接杆C3上钝角顶点处的安装孔配合连接,与右第二、三连接杆C2、C3配合连接的两个右传动齿轮C10组成齿轮对啮合。右第二连接杆C2另一锐角顶点处的安装孔通过右第三销轴C16与右第四连接杆C4的一个底角顶点安装孔连接。右第三连接杆C3另一锐角顶点处的安装孔通过右第三销轴C16与右第五连接杆C5的一个底角顶点安装孔连接,右第四连接杆C4与右第五连接杆C5顶角顶点安装孔通过右第三销轴C16连接。通过右第三销轴C16,右第四连接杆C4另一底角顶点安装孔与右第七连接杆C7短直角边端部安装孔配合连接,右第五连接杆C5另一底角顶点安装孔与右第八连接杆C8端部安装孔通过右第三销轴C16连接。右第一连接杆C1的Y型杆件一端与右电机C20固连,右电机C20输出轴穿过Y型杆件与右第六连接杆C6固连,如图5所示。右第六连接杆C6端部安装孔通过右第四销轴C17与右第七连接杆L型直角顶点处安装孔连接。右第七连接杆C7长直角边端部安装孔通过右第五销轴C18与右第九连接杆C9端部安装孔连接,右第八连接杆C8另一端部安装孔通过右第五销轴C18与右第九连接杆C9中部安装孔连接。右大腿绑带C11与右第三连接杆C3通过右第六销轴C19连接,右小腿绑带C12与右第七连接杆C7通过右第六销轴C19连接,右足绑带C13与右第九连接杆C9固连。通过右大腿绑带C11、右小腿绑带C12与右足绑带C13将右侧腿C外骨骼耦合至人体下肢。左侧腿A中,两个左传动齿轮A10可由左第十连接杆A21代替,如图8所示。连接方式如下:左第二连接杆A2钝角顶点处安装孔通过左第二销轴A15与左第十连接杆A21端部安装孔连接,左第三连接杆A3钝角顶点处安装孔通过左第二销轴A15与左第十连接杆A21另一端部安装孔连接。代替前两个左传动齿轮A10啮合中心距与代替后左第十连接杆A21两安装孔距相等。上述连接方式构成整体闭链十杆单侧外骨骼的机械部分。右侧腿C的结构替换方式与左侧腿A替换方式相同。