一种下肢助力机构及外骨骼机器人的制作方法

1.本实用新型涉及外骨骼助力技术领域，尤其涉及一种下肢助力机构及外骨骼机器人。


背景技术：

2.外骨骼系统是典型的人机智能系统，其一般包括外骨骼以及用于控制外骨骼与人体协同运动的控制装置。上述外骨骼在控制装置的控制回路里，将人的智能和外骨骼的负载能力相结合，实现对人体能力的增强。外骨骼的设计需要重点考虑轻量化和实用性等。
3.尤其是外骨骼所包括的下肢助力机构，由于其对穿戴者行走以及站立时的助力起到关键的影响，因此，下肢助力机构设计在满足上述轻量化和适用性等要求的情况下，还需要满足结构简单以及助力柔顺等要求。
4.基于此，亟待提出一种具有重量轻、实用性强、结构简单以及助力柔顺的下肢助力机构。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种下肢助力机构及外骨骼机器人，以实现重量轻、实用性强、结构简单以及柔顺助力的效果。
6.第一方面，为了实现上述目的，本实用新型提供了一种下肢助力机构，包括鞋、踝关节、弹性助力件、刚性助力件、膝关节绑缚件和力传导件。踝关节的一端与鞋所具有的外侧鞋帮转动连接，踝关节的另一端与力传导件紧固连接。弹性助力件的一端与鞋所具有的后侧鞋帮紧固连接在一起并向上延伸，弹性助力件的另一端与刚性助力件紧固连接。刚性助力件的另外一端向上延伸后与膝关节绑缚件紧固连接，刚性助力件对弹性助力件向上施加拉力，以使弹性助力件处于拉伸状态。力传导件与膝关节绑缚件围合形成膝关节的绑缚空间。
7.本实用新型提供的下肢助力机构在实际应用中，穿戴于人体小腿以及脚的部位。人体穿戴完成后，由力传导件和膝关节绑缚件围合形成的膝关节绑缚空间容纳并绑缚膝关节以下的小腿部。此时，由刚性助力件向上牵引并处于拉伸状态的弹性助力件对鞋施加向上的拉力。基于此，在鞋离地且小腿向后方(将人行走的前进方向定义为前方，与之相反的方向定义为后方)弯曲的时刻，利用弹性助力件施加在鞋上的拉力实现对下肢向后弯曲时的有效助力。且随着小腿向后方的不断弯曲，处于拉伸状态的弹性助力件逐渐恢复形变，即由拉伸状态恢复至初始状态或者压缩状态，在此过程中，利用弹性助力件储能。当小腿向后方弯曲到极限位置后，开始向前方逐渐伸直，弹性助力件储存的能量在此过程中得到释放，以实现对下肢向前伸展时的助力。
8.从以上应用过程可知，仅利用初始处于拉伸状态的弹性助力件，以及用于拉伸弹性助力件的刚性助力件即可实现对下肢弯曲以及伸展时的有效助力。也就是说，在不需要单独设置外部动力源的情况下，仅依靠结构简单的弹性助力件和刚性助力件即可实现对下
肢的有效助力。基于此，在简化下肢助力机构结构的情况下，还可以减轻整个下肢助力机构的重量，以及提高下肢助力机构的实用性等。再者，由于弹性助力件具有吸收能量的作用，因此还可以使得助力过程更加柔顺，以优化穿戴者的体验。
9.作为一种可能的实现方式，下肢助力机构还包括：牵引绳，下肢助力机构在使用状态下，牵引绳的一端与膝关节绑缚件连接在一起，牵引绳的另一端固定在穿戴者的腰部，此时，牵引绳具有向上的张紧力。
10.采用上述技术方案的情况下，牵引绳向上的张紧力施加在整个下肢助力机构上，为下肢弯曲时提供额外向上的拉力。基于此，通过较为简单的结构设计优化对下肢的有效助力效果。
11.作为一种可能的实现方式，外侧鞋帮与踝关节的连接处设置一连接轴，连接轴与外侧鞋帮垂直并向远离外侧鞋帮的方向延伸。踝关节包括支撑杆部、第一连接部和第二连接部。支撑杆部拟合穿戴者的小腿腿型，第一连接部设置在支撑杆部靠近鞋的一端，第一连接部开设连接孔，连接孔与连接轴插接在一起，第一连接部能够绕连接轴转动。第二连接部设置在支撑杆部靠近力传导件的一端，第二连接部与力传导件紧固连接在一起。
12.作为一种可能的实现方式，连接孔为通孔或盲孔，连接孔与连接轴以过渡配合的方式装配在一起。
13.作为一种可能的实现方式，连接孔为通孔，连接孔与连接轴以间隙配合的方式装配在一起，此时，在连接轴的悬空端紧固连接一限位垫片，以限制第一连接部在连接轴上的轴向移动。
14.作为一种可能的实现方式，弹性助力件为弹簧；后侧鞋帮与弹簧连接的位置设置一u 形连接件。u形连接件的底板与后侧鞋帮紧固连接，u形连接件的两个侧板上均开设一通孔，两个通孔的孔径相等且中心轴线共线。弹簧一端的挂钩插设在由两个侧板形成的容纳空间内。利用同时贯穿挂钩和通孔的螺栓将弹簧的一端固定在后侧鞋帮上。
15.作为一种可能的实现方式，弹簧的长度延伸方向与鞋所具有的鞋底所在平面之间具有夹角α，75
°
≤α＜90
°
。如此设置，弹簧的长度延伸方向斜向小腿的方向，下肢在向后方弯曲的过程中，有助于向下肢施加向上的拉力，从而优化助力效果。
16.作为一种可能的实现方式，刚性助力件为钢丝绳。
17.作为一种可能的实现方式，力传导件为c形结构。
18.作为一种可能的实现方式，力传导件为塑料力传导件。
19.作为一种可能的实现方式，力传导件为c形结构且力传导件为塑料力传导件。
20.作为一种可能的实现方式，力传导件与关节绑缚件为一体成型的结构；或，力传导件与关节绑缚件为分体结构且可拆卸的连接在一起。
21.第二方面，本实用新型还提供一种外骨骼机器人，包括两个下肢助力机构，其中一个所述下肢助力机构配置在穿戴者的左腿，另外一个所述下肢助力机构配置在所述穿戴者的右腿。下肢助力机构为本实用新型第一方面和/或第一方面任意一种实现方式提供的下肢助力机构。
22.本实用新型提供的外骨骼机器人的有益效果与本实用新型第一方面和/或第一方面任意一种实现方式提供的外骨骼机器人的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
24.图1至图3为本实用新型实施例提供的下肢助力机构的整体结构示意图。
25.附图标记：
26.1-鞋，
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2-踝关节，
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3-弹性助力件，
27.4-刚性助力件，
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5-膝关节绑缚件，
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6-力传导件，
28.7-牵引绳。
具体实施方式
29.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
34.参见图1至图3，本实用新型实施例提供一种下肢助力机构，包括鞋1、踝关节2、弹性助力件3、刚性助力件4、膝关节绑缚件5和力传导件6。踝关节2的一端与鞋1所具有的外侧鞋帮转动连接，踝关节2的另一端与力传导件6紧固连接。弹性助力件3的一端与鞋1所具有的后侧鞋帮紧固连接在一起并向上延伸，弹性助力件3的另一端与刚性助力件 4紧固连接。刚性助力件4的另外一端向上延伸后与膝关节绑缚件5紧固连接，刚性助力件4对弹性助力件3向上施加拉力，以使弹性助力件3处于拉伸状态。力传导件6与膝关节绑缚件5围合形成膝关节的绑缚空间。
35.本实用新型提供的下肢助力机构在实际应用中，穿戴于人体小腿以及脚的部位。
人体穿戴完成后，由力传导件6和膝关节绑缚件5围合形成的膝关节绑缚空间容纳并绑缚膝关节以下的小腿部。此时，由刚性助力件4向上牵引并处于拉伸状态的弹性助力件3对鞋1 施加向上的拉力。基于此，在鞋1离地且小腿向后方(将人行走的前进方向定义为前方，与之相反的方向定义为后方)弯曲的时刻，利用弹性助力件3施加在鞋1上的拉力实现对下肢向后弯曲时的有效助力。且随着小腿向后方的不断弯曲，处于拉伸状态的弹性助力件 3逐渐恢复形变，即由拉伸状态恢复至初始状态或者压缩状态，在此过程中，利用弹性助力件3储能。当小腿向后方弯曲到极限位置后，开始向前方逐渐伸直，弹性助力件3储存的能量在此过程中得到释放，以实现对下肢向前伸展时的助力。
36.从以上应用过程可知，仅利用初始处于拉伸状态的弹性助力件3，以及用于拉伸弹性助力件3的刚性助力件4即可实现对下肢弯曲以及伸展时的有效助力。也就是说，在不需要单独设置外部动力源的情况下，仅依靠结构简单的弹性助力件3和刚性助力件4即可实现对下肢的有效助力。基于此，在简化下肢助力机构结构的情况下，还可以减轻整个下肢助力机构的重量，以及提高下肢助力机构的实用性等。再者，由于弹性助力件3具有吸收能量的作用，因此还可以使得助力过程更加柔顺，以优化穿戴者的体验。
37.参见图1至图3，上述鞋1可以是现有技术公开的任意一种可应用于外骨骼机器人上的鞋1，在此不做具体限定。例如，鞋1可以是具有一定抗拉或抗压能力的金属材料或非金属材料制成。具体的，鞋1可以包括鞋底，分别围合在鞋底的后端、外侧以及内侧的后侧鞋帮、外侧鞋帮和内侧鞋帮，以及围合在外侧鞋帮和内侧鞋帮上的用于限定脚向前脱离鞋1的束缚条，鞋1的前端具有方便脚伸出的开口。在实际穿戴中，后脚跟可以踩踏在鞋 1内并由鞋底、后侧鞋帮、外侧鞋帮和内侧鞋帮束缚。前脚掌可以从开口中伸出，且前脚面由束缚条束缚。为了便于鞋1的穿脱，可以将束缚条设置为弹性束缚条或可调松紧的刚性束缚条。
38.参见图1至图3，上述踝关节2作为鞋1和力传导件6的连接件，其除了具有支撑的作用外，还具有将力传导至鞋1上的作用。踝关节2可以设置在小腿外侧，也可以设置在小腿的内侧。不管具体设置在什么位置，在穿脱过程中或在穿戴上的助力过程中，踝关节 2不应当与小腿发生干涉。
39.参见图1至图3，踝关节2也可以是具有一定抗拉或抗压能力的金属或非金属材料制成。其具体可以包括支撑杆部，该支撑杆部的具体形状可以拟合小腿腿型，在提高与小腿的适配性的情况下，有效的降低支撑杆部与小腿发生干涉的风险。例如，支撑杆部靠近鞋 1的一端为近似直线状，支撑杆部靠近力传导件6的一端为近似曲线状。
40.参见图1至图3，踝关节2还包括第一连接部和第二连接部，其中，第一连接部设置在支撑杆部靠近鞋1的一端，贯穿第一连接部开设连接孔。同时，外侧鞋帮与踝关节2的连接处设置一体设置或分体设置一个连接轴，连接轴可以与外侧鞋帮垂直并向远离外侧鞋 1帮的方向延伸。基于此，可以将连接轴插设在上述连接孔内。此时，第一连接部可以绕连接轴在一定范围内转动，以使踝关节2的具体位置跟随人体运动而发生适应性的变化。
41.参见图1至图3，上述连接孔可以是通孔，也可以是盲孔。连接孔与连接轴的装配方式可以是过渡配合或间隙配合。当连接孔和连接轴的装配方式是间隙配合且连接孔为通孔时，可以在连接轴的悬空端紧固连接一个限位垫片，以限制第一连接部在连接轴上的轴向移动，此时可以有效的降低第一连接部从连接轴上脱落的风险。当连接孔和连接轴的装配方式是间隙配合且连接孔为盲孔时，连接轴的悬空端可以抵靠在盲孔的孔底，以利用孔底
实现对第一连接部在连接轴上的轴向限位。当连接孔和连接轴的装配方式是过渡配合时，无论连接孔为通孔还是盲孔，均可以利用过渡配合之一装配方式实现自限位。
42.参见图1至图3，第二连接部设置在支撑杆部靠近力传导件6的一端，第二连接部与力传导件6紧固连接在一起。具体的紧固连接方式多种多样，在此不做具体限定。例如，第二连接部与力传导件6焊接或螺纹连接在一起。
43.参见图1至图3，上述弹性助力件3可以是弹簧，弹簧与后侧鞋帮的连接方式多种多样，在此不做具体限定。例如，弹簧靠近鞋1的一端具有挂钩，此时，可以在后侧鞋帮与弹簧连接的位置设置与挂钩配合的o形或c形挂环。基于此，挂钩与挂环挂扣在一起实现弹簧与后侧鞋帮的固定连接。又例如，弹簧靠近鞋1的一端具有挂钩，后侧鞋帮与弹簧连接的位置设置一个u形连接件。u形连接件的底板与后侧鞋帮紧固连接，u形连接件的两个侧板上均开设一通孔，两个通孔的孔径相等且中心轴线共线。弹簧一端的挂钩插设在由两个侧板形成的容纳空间内。利用同时贯穿挂钩和通孔的螺栓将弹簧的一端固定在后侧鞋帮上。
44.参见图1至图3，弹簧固定在后侧鞋帮上后，弹簧的长度延伸方向与鞋1所具有的鞋底所在平面之间具有夹角α，75
°
≤α＜90
°
。穿戴者穿上本实用新型实施例提供的下肢助力机构并处于直立姿态时，弹簧斜向小腿的方向倾斜且与小腿之间具有一定的空间。如此设置，下肢在向后方弯曲的过程中，有助于向下肢施加向上的拉力，从而优化助力效果。
45.参见图1至图3，在刚性助力件4为钢丝绳的情况下，弹簧靠近钢丝绳的一端也就有挂钩，此时，可以将钢丝绳的一端缠绕并固定在上述挂钩上。钢丝绳的另外一端继续向上延伸至膝关节绑缚件5上，可以在膝关节绑缚件5的外壁上设置一个与膝关节绑缚不垂直的连接杆，然后将钢丝绳的另外一端缠绕并固定在上述连接件上。
46.参见图1至图3，上述力传导件6可以是与下肢拟合比较好的c形结构，穿戴时，c 形结构的力传导件6可以围合在小腿上，降低力传导件6与小腿发生干涉的风险，优化穿戴者的穿戴体验。为了从整体上减轻本实用新型实施例提供的下肢助力机构的重量，上述力传导件6可以是塑料力传导件6。塑料力传导件6还具有一定的收缩能力，相对于刚性力传导件6，可以降低对下肢的磨损，以优化穿戴体验感。
47.参见图1至图3，上述力传导件6与关节绑缚件可以通过如铸造或3d打印的方式一体成型，基于此，可以降低力传导件6与关节绑缚件连接处的应力集中，以提高连接处的稳定性。当然，力传导件6和关节绑缚件还可以是分体结构，然后通过如螺栓或螺钉等可拆卸的连接在一起，或者通过焊接等不可拆卸的连接在一起。
48.参见图2和图3，本实用新型实施例提供的下肢助力机构还包括牵引绳7，下肢助力机构在使用状态下，牵引绳7的一端与膝关节绑缚件5连接在一起，牵引绳7的另一端固定在穿戴者的腰部，此时，牵引绳7具有向上的张紧力。
49.采用上述技术方案的情况下，牵引绳7向上的张紧力施加在整个下肢助力机构上，为下肢弯曲时提供额外向上的拉力。基于此，通过较为简单的结构设计优化对下肢的有效助力效果。
50.第二方面，本实用新型实施例还提供一种外骨骼机器人，包括两个下肢助力机构，其中一个所述下肢助力机构配置在穿戴者的左腿，另外一个所述下肢助力机构配置在所述穿戴者的右腿。下肢助力机构为本实用新型第一方面和/或第一方面任意一种实现方式提供的下肢助力机构。
51.本实用新型提供的外骨骼机器人的有益效果与本实用新型第一方面和/或第一方面任意一种实现方式提供的外骨骼机器人的有益效果相同，在此不再赘述。
52.尽管在此结合各实施例对本实用新型进行了描述，然而，在实施所要求保护的本实用新型过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
53.尽管结合具体特征及其实施例对本实用新型进行了描述，显而易见的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本实用新型的示例性说明，且视为已覆盖本实用新型范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。