[发明专利]一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼

说明书

本发明涉及一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，包括两条对称分布的机械腿、设于机械腿顶端并连接两条机械腿的固连板以及与机械腿滑动连接并用于人体上身穿戴的护具，所述机械腿自上而下依次包括相旋转连接的躯干机构、髋部机构、重力平衡机构、单向棘轮棘爪离合器机构和足底机构，所述躯干机构和护具滑动连接，所述足底机构包括用于人体足部穿戴的鞋、足底关节和足底触发组件，所述鞋和足底关节均与足底触发组件相连接，所述足底触发组件和单向棘轮棘爪离合器机构之间设有用于传力的鲍登线，所述足底关节和单向棘轮棘爪离合器机构旋转连接。与现有技术相比，本发明能够支撑人体及负载重力，并能平衡外骨骼自重及人体腿部重力。

技术领域

本发明属于下肢外骨骼领域，具体涉及一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼。

背景技术

生活中的许多场景都涉及负重行走：在日常民用领域，需要搬运重物，尤其是在物流行业；在军用领域，军人需要背负沉重的背包行进。这些负重行走的活动增加了肌肉负担，加速疲劳，同时有损伤肌骨骼系统的风险。在21世纪初，出现了许多用于负重或康复的外骨骼，但是这些外骨骼以主动驱动为主，即利用动力源给外骨骼输入能量来实现外骨骼的功能，这使得整个系统的质量、成本和控制难度增加。被动式外骨骼很好的回避了这些问题，一方面，它的质量要比主动式的轻得多，另一方面，由于不需要复杂的控制，它往往更加安全可靠。

专利CN110251370A公开了一种被动型重力自平衡下肢外骨骼结构体，是一种非凸出设计的重力平衡机构，整体结构简洁紧凑。该机构的缺点是该外骨骼的大腿和小腿需要与人的大腿和小腿固连在一起，要求外骨骼的髋关节和膝关节和人的髋关节和膝关节对齐，实际上这是很难实现的，这往往导致人机闭链的过约束，当人的关节没有很好的与外骨骼关节对齐时会产生人机内力，使人腿的柔性组织受到拉伸，产生不适感。另外，此专利提出的外骨骼的自由度布局限制在矢状面内，外骨骼限制人体的髋关节外展/内收、旋内/旋外运动。值得注意的是，此外骨骼不包含踝关节，也就是说，整个外骨骼的重力需要人体去承担。而本发明提出的外骨骼仔细检查了外骨骼的自由度分配，使人机闭链自由度适定，下肢可以进行空间运动而不是仅仅局限在矢状面内。我们设计的外骨骼的负重支撑功能使外骨骼可以支撑本身自重并传递至地面。

专利CN112060060A公开了一种主被动混合驱动的下肢助力外骨骼机器人及控制方法。此专利提出一种主被动混合的设计方案，它的髋关节和踝关节设计是被动的，膝关节设计成主动的，利用大腿和小腿安装处的薄膜压力传感器来检测人机交互力进而控制外骨骼运动。实际应用中，薄膜压力传感器的控制方案不可靠，值得注意的是，外骨骼与大腿和小腿安装时往往有一定预紧力(外骨骼需要与人连接)，这使通过检测薄膜压力传感器的力来预测下肢运动变得困难。该外骨骼设计把较重的电机及减速器安装在膝关节附近，这时外骨骼的惯量增大，而该外骨骼又没有对电机重量进行重力平衡，这使得人的髋关节负担增加(该外骨骼的髋关节是被动的)。本发明提出的外骨骼是采用脚底触发器(即足底触发组件)和棘轮棘爪离合器来支撑负重，并利用平行四边形机构及弹簧来实现摆动腿的重力平衡，避开了使用电机，也不需要电气控制。

专利CN111702747A公开了一种被动式负重助力下肢外骨骼。此专利提出一种全被动的负重助力下肢外骨骼，其膝关节拥有滑动、转动双自由度，当背负重物且下肢处于支撑期时，在负重作用下，外骨骼大腿在膝关节连接处向下滑动，使外骨骼大腿下端顶住外骨骼小腿上端，在摩擦力作用下，外骨骼膝关节锁住，从而实现负重支撑。此专利还用弹簧来平衡负重在髋关节处的重力矩，但是，外骨骼的膝关节没有重力平衡。而本发明提出的外骨骼利用平行四边形机构实现外骨骼髋关节和膝关节的平衡，可以通过调整滑轮在板上的位置调整平衡效果，理论上可以实现外骨骼下肢的全重力平衡，且本发明的膝关节设计采用单向棘轮棘爪机构，在双腿支撑时，机构不会出现过约束。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，能够支撑人体及负载重力，并能平衡外骨骼自重及人体腿部重力。

本发明的目的通过以下技术方案实现：