一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼的制作方法

本实用新型涉及多关节穿戴增强型外骨骼技术领域，本实用新型涉及一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼。

背景技术：

工业环境中许多工人每天需要使用重型的工具或者物流行业中对一些物品进行搬运操作，弯腰操作等，在军用领域，作业人员需要背负较重的设备或者战时直升机野外挂弹操作情况下，对人体有较高的负重要求，长时间的重复和高强度的运动会导致工人疲劳，肌肉损伤等一系列安全和效率问题。

目前同类企业一般采用伺服电机关节直接驱动的方法来完成外骨骼的设计，电机和减速器直接组合安装在关节处，导致腿部的外骨骼无法贴合使用者，结构厚度较大，运动偏转惯量很大，无法很好的实现力跟随和助力放大，影响外骨骼的运动性能。另外由于驱动力臂较长，输出效率比较低，末端的驱动力力矩低，系统的惯量较大，不利于伺服控制。

另有一些产品采用气动动力设计，这样的设备需要压缩机提供起源，设备噪音较大，而且压缩机体积巨大，移动能力有限，较大的限制了外骨骼的机动性，气动系统的操作精度较低，管路布局较为宽松，不紧凑，空间占用体积较大，影响外骨骼的穿戴效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼，包括背板基座、上肢载重臂、转轴和丝杠，所述背板基座一侧壁上设置有电池，所述背板基座另两侧壁上均设置有调节单元，所述调节单元上设置有所述上肢载重臂，所述上肢载重臂下方设置有按钮，所述上肢载重臂上设置有载重臂绞盘，所述载重臂绞盘一侧设置有减速单元，所述减速单元一侧设置有驱动电机，所述驱动电机一侧设置有肩部力传感器，所述肩部力传感器上方设置有肩部力传感器驱动模块，所述肩部力传感器驱动模块一侧设置有载重臂绞盘驱动器，所述背板基座下方设置有盆骨软包，所述盆骨软包一侧壁上设置有盆骨调整基座，所述盆骨软包另两侧壁上均设置有髋关节外展内收结构，所述背板基座与所述髋关节外展内收结构之间设置有所述转轴，所述髋关节外展内收结构一端部设置有髋关节外展内收绝对位置驱动模块，所述髋关节外展内收绝对位置驱动模块一侧设置有侧髋关节外展内收绝对位置单元，所述髋关节外展内收结构下方设置有髋关节旋转钢性结构，所述髋关节旋转钢性结构一侧壁上设置有所述丝杠，所述丝杠一端设置有髋关节减速单元，所述髋关节减速单元一侧设置有髋关节驱动器电机，所述髋关节驱动器电机一侧设置有膝关节驱动器电机，所述膝关节驱动器电机一侧设置有膝关节减速单元，所述髋关节旋转钢性结构另一侧壁上设置有髋关节屈伸绝对位置单元，所述髋关节屈伸绝对位置单元一侧设置有膝关节驱动器，所述膝关节驱动器一侧设置有髋关节驱动器，所述髋关节驱动器下方设置有膝关节力传感器，所述髋关节屈伸绝对位置单元下方一侧设置有髋关节屈伸绝对位置驱动模块，所述髋关节屈伸绝对位置驱动模块下方设置有髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块，所述髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块下方设置有膝关节绝对位置力传感器驱动模块，所述膝关节绝对位置力传感器驱动模块一侧设置有髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块，所述髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块一侧设置有髋关节力传感器，所述髋关节力传感器下方设置有膝关节绝对位置单元，所述髋关节旋转钢性结构下方设置有膝关节小腿，所述膝关节小腿一侧壁上设置有膝关节固定绑带，所述膝关节小腿另一侧壁上设置有踝关节驱动器电机，所述踝关节驱动器电机下方设置有踝关节减速单元，所述踝关节减速单元下方设置有踝关节驱动器，所述踝关节驱动器下方设置有踝关节力传感器，所述踝关节力传感器下方一侧设置有踝关节屈伸绝对位置驱动模块，所述踝关节屈伸绝对位置驱动模块一侧设置有膝关节绝对位置力传感器驱动模块，所述膝关节绝对位置力传感器驱动模块一侧设置有膝关节绝对位置驱动模块，所述踝关节屈伸绝对位置单元下方设置有踝关节内外翻绝对位置单元，所述踝关节内外翻绝对位置单元一侧设置有踝关节内外翻绝对位置驱动模块，所述踝关节内外翻绝对位置驱动模块下方设置有踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块，所述踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块下方设置有足底末端效应器，所述足底末端效应器上方设置有脚踝固定器。

进一步的，所述背板基座与所述上肢载重臂通过调节单元连接，所述驱动电机与所述减速单元通过联轴器连接，所述载重臂绞盘与所述减速单元通过键连接。

进一步的，所述肩部力传感器驱动模块以及所述载重臂绞盘驱动器与所述上肢载重臂均通过螺钉连接，所述电池与所述上肢载重臂通过卡槽连接。

进一步的，所述盆骨软包与所述背板基座通过螺栓连接，所述髋关节旋转钢性结构与所述盆骨软包通过所述髋关节外展内收结构连接，所述髋关节外展内收绝对位置驱动模块以及所述侧髋关节外展内收绝对位置单元与所述髋关节外展内收结构均通过螺钉连接。

进一步的，所述髋关节旋转钢性结构与所述膝关节小腿通过插接，所述髋关节驱动器电机以及所述膝关节驱动器电机与所述髋关节旋转钢性结构均通过螺栓连接。

进一步的，所述髋关节驱动器电机与所述髋关节减速单元通过联轴器连接，所述膝关节驱动器电机与所述膝关节减速单元通过联轴器连接，所述膝关节减速单元以及所述髋关节减速单元与所述丝杠均通过联轴器连接。

进一步的，所述膝关节驱动器以及所述髋关节驱动器与所述髋关节旋转钢性结构均通过螺钉连接，所述髋关节屈伸绝对位置单元以及所述膝关节绝对位置单元与所述髋关节旋转钢性结构均通过螺钉连接，所述膝关节力传感器以及所述髋关节力传感器与所述髋关节旋转钢性结构均通过螺钉连接。

进一步的，所述髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块、所述膝关节绝对位置驱动模块、所述膝关节绝对位置力传感器驱动模块以及所述膝关节绝对位置单元与所述髋关节旋转钢性结构均通过螺钉连接。

进一步的，所述踝关节驱动器以及所述踝关节力传感器与所述膝关节小腿均通过螺钉连接，所述膝关节固定绑带与所述膝关节小腿通过螺钉连接。

进一步的，所述足底末端效应器、所述踝关节内外翻绝对位置单元、所述踝关节内外翻绝对位置驱动模块以及所述踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块与所述踝关节内外翻绝对位置单元均通过螺钉连接。

具体工作原理为：使用时先将此下肢多关节穿戴增强型外骨骼穿戴在使用者身上，通过所述膝关节固定绑带将所述膝关节小腿固定在人体的小腿部位，通过所述脚踝固定器将所述足底末端效应器固定在人体的脚踝部位，通过所述按钮启动此装置，所述电池为此装置提供电力支持，所述调节单元可以调节所述上肢载重臂在所述背板基座上的高度，所述髋关节力传感器、所述膝关节力传感器，所述踝关节力传感器以及所述肩部力传感器分别用来检测人体髋关节、膝关节、踝关节和肩部的发力情况，然后反馈信息给所述髋关节驱动器电机、所述髋关节驱动器电机、所述髋关节驱动器和所述载重臂绞盘驱动器启动，分别控制所述髋关节旋转钢性结构、所述膝关节绝对位置单元、所述膝关节绝对位置驱动模块以及所述上肢载重臂运动，以增强人体下肢多关节的运动，将各个驱动模块集中固定到使用者的大腿和小腿，通过所述丝杠传动，将动力通过所述丝杠驱动传递到人体的髋关节、膝关节和踝关节上，从而形成对使用者人体的助力协作，外骨骼设备上的所述髋关节力传感器和所述膝关节力传感器，可以感知使用者的髋关节和膝关节用力情况，通过自主开发的嵌入式系统软件进行力补偿，跟随运动，助力运动控制，运动惯量大幅降低，机构紧凑，外骨骼的操控性更加灵活。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型可以将驱动单元集中固定到使用者的大腿和小腿，通过丝杠传动技术，将动力通过丝杠驱动传递到髋关节、膝关节和踝关节上，从而形成对使用者人体的助力协作，外骨骼设备的髋关节和膝关节具备力传感器，可以感知使用者的髋关节和膝关节用力情况；

2、本实用新型采用自主开发的嵌入式系统软件进行力补偿，跟随运动，助力运动控制，相比其他的外骨骼，由于集成了驱动单元，动力部分，整体设计更加紧凑，轻量化；

3、本实用新型中的驱动电机和减速机都不直接安装在旋转关节处，有效减小了腿部结构尺寸，使得腿部刚性结构更加贴合人体关节，运动惯量大幅降低，机构紧凑。外骨骼的操控性更加灵活。

附图说明

图1是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼的正侧面结构示意图；

图2是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼的后侧面结构示意图；

图3是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中上肢载重臂结构示意图；

图4是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中腰部后侧及盆骨宽度调节结构图；

图5是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中髋关节内收外展内部结构图一；

图6是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中髋关节内收外展内部结构图二；

图7是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中髋关节与膝关节驱动结构示意图；

图8是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中髋关节与膝关节驱动模块示意图一；

图9是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中髋关节与膝关节驱动模块示意图二；

图10本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中踝关节驱动结构示意图；

图11是本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中踝关节驱动模块示意图一；

图12本实用新型所述一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼中踝关节驱动模块示意图二。

附图标记说明如下：

1、上肢载重臂；2、减速单元；3、驱动电机；4、载重臂绞盘；5、调节单元；6、背板基座；7、电池；8、按钮；9、转轴；10、盆骨软包；11、盆骨调整基座；12、侧髋关节外展内收绝对位置单元；13、髋关节外展内收结构；14、髋关节力传感器；15、髋关节旋转钢性结构；16、髋关节驱动器电机；17、髋关节减速单元；18、丝杠；19、髋关节屈伸绝对位置单元；20、膝关节力传感器；21、膝关节驱动器电机；22、膝关节减速单元；23、膝关节绝对位置单元；24、膝关节小腿；25、踝关节驱动器电机；26、踝关节减速单元；27、踝关节屈伸绝对位置单元；28、髋关节外展内收绝对位置驱动模块；29、踝关节驱动器；30、踝关节力传感器；31、髋关节驱动器；32、膝关节驱动器；33、髋关节屈伸绝对位置驱动模块；34、髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块；35、膝关节绝对位置驱动模块；36、膝关节绝对位置力传感器驱动模块；37、踝关节屈伸绝对位置驱动模块；38、踝关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块；39、踝关节内外翻绝对位置驱动模块；40、踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块；41、载重臂绞盘驱动器；42、肩部力传感器；43、肩部力传感器驱动模块；44、踝关节内外翻绝对位置单元；45、足底末端效应器；46、脚踝固定器；47、膝关节固定绑带。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1-图12所示，一种基于丝杠传动结构的下肢多关节穿戴增强型外骨骼，包括背板基座6、上肢载重臂1、转轴9和丝杠18，所述背板基座6一侧壁上设置有电池7，所述背板基座6另两侧壁上均设置有调节单元5，所述调节单元5上设置有所述上肢载重臂1，所述上肢载重臂1下方设置有按钮8，所述上肢载重臂1上设置有载重臂绞盘4，所述载重臂绞盘4一侧设置有减速单元2，所述减速单元2一侧设置有驱动电机3，所述驱动电机3一侧设置有肩部力传感器42，所述肩部力传感器42用检测人体肩部的发力情况，所述肩部力传感器42上方设置有肩部力传感器驱动模块43，所述肩部力传感器驱动模块43一侧设置有载重臂绞盘驱动器41，所述背板基座6下方设置有盆骨软包10，所述盆骨软包10一侧壁上设置有盆骨调整基座11，所述盆骨软包10另两侧壁上均设置有髋关节外展内收结构13，所述背板基座6与所述髋关节外展内收结构13之间设置有所述转轴9，所述髋关节外展内收结构13一端部设置有髋关节外展内收绝对位置驱动模块28，所述髋关节外展内收绝对位置驱动模块28一侧设置有侧髋关节外展内收绝对位置单元12，所述髋关节外展内收结构13下方设置有髋关节旋转钢性结构15，所述髋关节旋转钢性结构15一侧壁上设置有所述丝杠18，所述丝杠18一端设置有髋关节减速单元17，所述髋关节减速单元17一侧设置有髋关节驱动器电机16，所述髋关节驱动器电机16一侧设置有膝关节驱动器电机21，所述膝关节驱动器电机21一侧设置有膝关节减速单元22，所述髋关节旋转钢性结构15另一侧壁上设置有髋关节屈伸绝对位置单元19，所述髋关节屈伸绝对位置单元19一侧设置有膝关节驱动器32，所述膝关节驱动器32一侧设置有髋关节驱动器31，所述髋关节驱动器31下方设置有膝关节力传感器20，所述膝关节力传感器20用来检测人体膝关节的发力情况，所述髋关节屈伸绝对位置单元19下方一侧设置有髋关节屈伸绝对位置驱动模块33，所述髋关节屈伸绝对位置驱动模块33下方设置有髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块34，所述髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块34下方设置有膝关节绝对位置力传感器驱动模块36，所述膝关节绝对位置力传感器驱动模块36一侧设置有髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块34，所述髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块34一侧设置有髋关节力传感器14，所述髋关节力传感器14下方设置有膝关节绝对位置单元23，所述髋关节力传感器14用来检测人体髋关节的发力情况，所述髋关节旋转钢性结构15下方设置有膝关节小腿24，所述膝关节小腿24一侧壁上设置有膝关节固定绑带47，所述膝关节小腿24另一侧壁上设置有踝关节驱动器电机25，所述踝关节驱动器电机25下方设置有踝关节减速单元26，所述踝关节减速单元26下方设置有踝关节驱动器29，所述踝关节驱动器29下方设置有踝关节力传感器30，所述踝关节力传感器30用来检测人体踝关节的发力情况，所述踝关节力传感器30下方一侧设置有踝关节屈伸绝对位置驱动模块37，所述踝关节屈伸绝对位置驱动模块37一侧设置有膝关节绝对位置力传感器驱动模块36，所述膝关节绝对位置力传感器驱动模块36一侧设置有膝关节绝对位置驱动模块35，所述踝关节屈伸绝对位置单元27下方设置有踝关节内外翻绝对位置单元44，所述踝关节内外翻绝对位置单元44一侧设置有踝关节内外翻绝对位置驱动模块39，所述踝关节内外翻绝对位置驱动模块39下方设置有踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块40，所述踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块40下方设置有足底末端效应器45，所述足底末端效应器45上方设置有脚踝固定器46，脚踝固定器46用来与人体的脚踝连接固定。

本实施例中，所述背板基座6与所述上肢载重臂1通过调节单元5连接，所述驱动电机3与所述减速单元2通过联轴器连接，所述载重臂绞盘4与所述减速单元2通过键连接，所述背板基座6搭在人体的背部，与人体背部固定连接。

本实施例中，所述肩部力传感器驱动模块43以及所述载重臂绞盘驱动器41与所述上肢载重臂1均通过螺钉连接，所述电池7与所述上肢载重臂1通过卡槽连接，所述电池7为此装置供电。

本实施例中，所述盆骨软包10与所述背板基座6通过螺栓连接，所述髋关节旋转钢性结构15与所述盆骨软包10通过所述髋关节外展内收结构13连接，所述髋关节外展内收绝对位置驱动模块28以及所述侧髋关节外展内收绝对位置单元12与所述髋关节外展内收结构13均通过螺钉连接。

本实施例中，所述髋关节旋转钢性结构15与所述膝关节小腿24通过插接，所述髋关节驱动器电机16以及所述膝关节驱动器电机21与所述髋关节旋转钢性结构15均通过螺栓连接，所述髋关节驱动器电机16。

本实施例中，所述髋关节驱动器电机16与所述髋关节减速单元17通过联轴器连接，所述膝关节驱动器电机21与所述膝关节减速单元22通过联轴器连接，所述膝关节减速单元22以及所述髋关节减速单元17与所述丝杠18均通过联轴器连接，所述膝关节驱动器电机21为膝关节的辅助发力提供动力。

本实施例中，所述膝关节驱动器32以及所述髋关节驱动器31与所述髋关节旋转钢性结构15均通过螺钉连接，所述髋关节屈伸绝对位置单元19以及所述膝关节绝对位置单元23与所述髋关节旋转钢性结构15均通过螺钉连接，所述膝关节力传感器20以及所述髋关节力传感器14与所述髋关节旋转钢性结构15均通过螺钉连接，所述膝关节力传感器20以及所述髋关节力传感器14分别用来检测人体膝关节和髋关节的发力情况。

本实施例中，所述髋关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块34、所述膝关节绝对位置驱动模块35、所述膝关节绝对位置力传感器驱动模块36以及所述膝关节绝对位置单元23与所述髋关节旋转钢性结构15均通过螺钉连接。

本实施例中，所述踝关节驱动器29以及所述踝关节力传感器30与所述膝关节小腿24均通过螺钉连接，所述踝关节屈伸绝对位置单元27、所述踝关节屈伸绝对位置驱动模块37以及所述踝关节屈伸绝对位置力传感器驱动模块38与所述膝关节小腿24均通过螺钉连接，所述膝关节固定绑带47与所述膝关节小腿24通过螺钉连接。

本实施例中，所述足底末端效应器45、所述踝关节内外翻绝对位置单元44、所述踝关节内外翻绝对位置驱动模块39以及所述踝关节内外翻绝对位置力传感器驱动模块40与所述踝关节内外翻绝对位置单元44均通过螺钉连接。

具体工作原理为：使用时先将此下肢多关节穿戴增强型外骨骼穿戴在使用者身上，通过所述膝关节固定绑带47将所述膝关节小腿24固定在人体的小腿部位，通过所述脚踝固定器46将所述足底末端效应器45固定在人体的脚踝部位，通过所述按钮8启动此装置，所述电池7为此装置提供电力支持，所述调节单元5可以调节所述上肢载重臂1在所述背板基座6上的高度，所述髋关节力传感器14、所述膝关节力传感器20，所述踝关节力传感器30以及所述肩部力传感器42分别用来检测人体髋关节、膝关节、踝关节和肩部的发力情况，然后反馈信息给所述髋关节驱动器电机16、所述髋关节驱动器电机16、所述髋关节驱动器31和所述载重臂绞盘驱动器41启动，分别控制所述髋关节旋转钢性结构15、所述膝关节绝对位置单元23、所述膝关节绝对位置驱动模块35以及所述上肢载重臂1运动，以增强人体下肢多关节的运动，将各个驱动模块集中固定到使用者的大腿和小腿，通过所述丝杠18传动，将动力通过所述丝杠18驱动传递到人体的髋关节、膝关节和踝关节上，从而形成对使用者人体的助力协作，外骨骼设备上的所述髋关节力传感器14和所述膝关节力传感器20，可以感知使用者的髋关节和膝关节用力情况，通过自主开发的嵌入式系统软件进行力补偿，跟随运动，助力运动控制，运动惯量大幅降低，机构紧凑，外骨骼的操控性更加灵活。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。