本發(fā)明涉及機器人技術領域，具體涉及一種可穿戴柔性下肢外骨骼服。

背景技術：

如今人口老齡化嚴重，給社會與家庭帶來了很大負擔。獨居老人缺少陪護，不便外出行走。目前，已有的外骨骼多為剛性結構，使人穿戴不便，行走困難，體積較大，動作笨拙，與操作者的預期動作不吻合。不能靈活適應不同的操作者。

申請?zhí)枮?01510574501.5的中國專利公開了一種氣動人工肌肉驅動的仿生柔性下肢外骨骼服，存在不足：柔性繩與鞋鉸接方式由于力矩過小起不到腳背屈效果，柔性捆綁帶均在大腿小腿處，會因關節(jié)處彎曲時，柔性捆綁帶跨過關節(jié)易左右偏移而傳力不均勻，而圓柱形的剛性驅動裝置直接與大腿小腿接觸，影響行走柔順性；且下肢外骨骼服關聯(lián)上肢的剛性懸吊背心，增大外骨骼服重量；此外，氣動驅動方式穩(wěn)定性差，不利于控制。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種柔性可穿戴下肢助力外骨骼服。該外骨骼服能夠解決下肢外骨骼機器人柔性差，質量大，結構復雜，穿戴不便，難以適用于日常生活的問題，該外骨骼服穿戴簡單，質量小，老年人可自行穿戴使用，為下肢提供助力防止摔倒，并對其運動功能的維持甚至提高有重要作用。

本發(fā)明解決所述技術問題采用的技術方案是：提供一種柔性可穿戴下肢助力外骨骼服，其特征在于該外骨骼服包括高腰短褲、護膝、鞋、控制器、牽引帶和兩個驅動裝置，所述高腰短褲在左右髖關節(jié)和骶骨處均安裝有陀螺儀傳感器，在高腰短褲的腰間位置上固定有可調節(jié)腰帶，所述兩個驅動裝置左右對稱安裝在高腰短褲正面的可調節(jié)腰帶上，每個驅動裝置均與一個牽引帶的上端連接，牽引帶的下端穿過護膝，并與鞋連接，每個驅動裝置用以驅動相應側的踝關節(jié)運動；三個陀螺儀傳感器和兩個驅動裝置均與控制器連接；控制器用來處理三個陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，并控制驅動裝置的動力元件運動，

所述護膝位于膝關節(jié)處，護膝上設有長短不等的多個粘貼魔術貼點，護膝上設有膝蓋窩；以膝蓋窩為中心左右對稱布置有彈簧，上下對稱布置有牽引帶軌道，每個牽引帶軌道的左右兩端縫制于護膝內側，上下開口，牽引帶下端依次穿過上下兩個牽引帶軌道與鞋連接；

所述驅動裝置包括減速電機、底板、小齒輪、大齒輪、卷筒和外殼；

所述減速電機通過電機座固定在底板上，減速電機的輸出軸通過聯(lián)軸器與小齒輪的軸的一端連接，小齒輪的一端通過配套軸承與第三軸承座固定，小齒輪另一端通過軸套、軸承固定在第一軸承座上；所述卷筒通過軸承座固定在底板上，且卷筒的長度方向與減速電機的傳送方向平行，卷筒的一端固定大齒輪，大齒輪與小齒輪相嚙合，大齒輪通過階梯軸套、軸承固定在第四軸承座上；卷筒的軸的另一端通過配套軸承固定在第二軸承座上，減速電機、大齒輪、小齒輪、卷筒均置于外殼內，外殼下表面與底板固定連接，在靠近卷筒的外殼側面上開有牽引帶帶口，牽引帶通過牽引帶帶口與卷筒連接；所述底板與可調節(jié)腰帶連接；減速電機與控制器連接；所有軸承座均固定在底板上。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在左右髖關節(jié)及骶骨這三處位置安裝陀螺儀傳感器，并通過陀螺儀傳感器實時進行角度信息檢測，通過對人的步態(tài)進行運動學與動力學分析后，可確定出施力最有效的位置，在此位置施力，驅動裝置可最省力地帶動踝關節(jié)背屈。由于外骨骼服多使用護膝或牽引帶，增加了人佩戴的舒適感，減輕了人的負重感，可使人與外骨骼服的柔順性增加。整套裝置的剛性部分只有驅動裝置，將其佩戴腰間可以使人的負重感降低，整套裝置結構簡單，可獨立完成穿戴。

本發(fā)明針對背屈強度減弱的人群而設計，當陀螺儀傳感器檢測到一定的髖關節(jié)位置信號時，驅動裝置通過柔性牽引帶帶動踝關節(jié)背屈，能夠有效避免腳尖拖地引發(fā)的摔倒；牽引帶從腰間驅動裝置伸出連接到鞋上，中間穿過護膝，護膝上設置牽引帶軌道可以保證過長的傳力過程中牽引帶無偏斜；大齒輪與小齒輪嚙合既縮短了整個驅動裝置的長度(因為加寬了裝置寬度來縮短長度)同時加大裝置轉矩，更加方便腰間佩戴，體積小，質量輕。

附圖說明

圖1為本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一種實施例的整體結構示意圖，

圖2為本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一種實施例的驅動裝置1的立體結構示意圖，

圖3為本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服一種實施例的護膝2的展開圖。

圖中，1驅動裝置，2護膝，3高腰短褲，4鞋，5牽引帶，6可調節(jié)腰帶；101減速電機、102底板、103電機座、104小齒輪、105第一軸承座、106大齒輪、107卷筒、108外殼、109第二軸承座、111第三軸承座、110第四軸承座；21彈簧、22粘貼魔術貼點、23膝蓋窩、24牽引帶軌道。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖進一步解釋本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服(簡稱外骨骼服，參見圖1-3)包括高腰短褲3、護膝2、鞋4、控制器(圖中未標出)、牽引帶5和兩個驅動裝置1，所述高腰短褲3在左右髖關節(jié)和骶骨處均安裝有陀螺儀傳感器，在高腰短褲的腰間位置上固定有可調節(jié)腰帶6，所述兩個驅動裝置1左右對稱安裝在高腰短褲3正面的可調節(jié)腰帶6上，每個驅動裝置1均與一個牽引帶5的上端連接，牽引帶5的下端穿過護膝2，并與鞋4連接，每個驅動裝置用以驅動相應側的踝關節(jié)運動；三個陀螺儀傳感器和兩個驅動裝置均與控制器連接；控制器用來處理三個陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，并控制驅動裝置的動力元件(減速電機)運動，具體地說：控制器通過程序設定實時判斷陀螺儀傳感器檢測的角度位置及角速度方向，當?shù)竭_指定位置時，驅動動力元件以一定轉速旋轉指定圈數(shù)后停下；

所述護膝2位于膝關節(jié)處，護膝2上設有長短不等的多個粘貼魔術貼點22，多個粘貼點順次粘在左側護膝面上，也就是說護膝面上任何位置都可以與粘貼魔術貼點配合，通過與任何位置的配合來調節(jié)松緊程度，進而調節(jié)束縛度，護膝2上設有膝蓋窩23，膝蓋窩23為開口設計，便于膝關節(jié)的彎曲；以膝蓋窩23為中心左右對稱布置有彈簧21，上下對稱布置有牽引帶軌道24，該彈簧21可以增強護膝的強度，強化支撐，該牽引帶軌道24為尼龍帶，左右兩端縫制于護膝3內側，上下開口，牽引帶5下端依次穿過上下兩個牽引帶軌道24與鞋4連接，可有效防止牽引帶5因柔性大，傳力長引起的左右偏移。

所述驅動裝置1包括減速電機101、底板102、小齒輪104、大齒輪106、卷筒107和外殼108；

所述減速電機101通過電機座103固定在底板102上，減速電機101的輸出軸通過聯(lián)軸器與小齒輪104的軸的一端連接，小齒輪104的一端通過配套軸承與第三軸承座111固定，小齒輪104另一端通過軸套、軸承固定在第一軸承座105上；所述卷筒107通過軸承座固定在底板102上，且卷筒107的長度方向與減速電機101的傳送方向平行，卷筒107的一端固定大齒輪106，大齒輪106與小齒輪104相嚙合，大齒輪106通過階梯軸套、軸承固定在第四軸承座110上；卷筒107的軸的另一端通過配套軸承固定在第二軸承座109上，減速電機101、大齒輪106、小齒輪104、卷筒107均置于外殼108內，外殼108下表面與底板通過螺紋固定連接，在靠近卷筒107的外殼側面上開有牽引帶帶口，牽引帶5通過牽引帶帶口與卷筒107連接；所述底板102與可調節(jié)腰帶6連接；減速電機101與控制器連接；所有軸承座均固定在底板上，且軸承、軸承座都是軸向固定齒輪或者卷筒的。

第三軸承座111和第四軸承座110與底板102為3D打印一體成型。

所述減速電機的型號為maxon motor 531178，大齒輪的直徑為20mm，小齒輪的直徑為9mm，整個驅動裝置尺寸為89*149*54mm。

所述控制器采用NI公司的myrio-1900控制器。

所述鞋4可以為普通的帶扣的鞋子，鞋子與牽引帶5下端通過粘扣、掛鉤或系帶的形式連接，保證鞋子上方能與牽引帶下端固定連接即可。牽引帶5可以為尼龍帶、棉布帶等柔性帶。

本發(fā)明柔性可穿戴下肢助力外骨骼服的工作原理及過程是：驅動裝置1對稱置于腰間，陀螺儀傳感器采集髖關節(jié)角速度及角度信息(陀螺儀傳感器可采集角度，角速度，加速度三種信號，經過控制器程序的數(shù)據(jù)解析可把三種信號分離，因為人腿在一個角度位置時，可能抬腿也可能往下放腿，所以還需要角速度判斷是否是抬腿)，重復五個相似周期視為人開始行走，當陀螺儀傳感器識別到髖關節(jié)有角速度及角度信息的變化時，通過控制器計算并確定人的行走信息，驅動裝置1開始動作。減速電機101由待機狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，減速電機101的旋轉運動通過聯(lián)軸器傳遞給固定小齒輪104的軸，該軸帶動小齒輪104做旋轉運動，并帶動與其嚙合的大齒輪106旋轉，最終將運動傳遞給卷筒107，由卷筒107卷起或者釋放牽引帶5來實現(xiàn)牽引帶的伸縮，進而帶動踝關節(jié)背屈強度下降人群行走時足部背屈到達指定角度。經運動學與動力學分析，得到施力最有效踝關節(jié)角度位置對應的髖關節(jié)角速度方向及角度位置，并在此髖關節(jié)角速度方向有向上分量且角度位置為設定位置時提供瞬時助力，通過驅動裝置1帶動鞋4上方動作，從而使足部背屈達到合理角度，以防止足尖垂地引起的摔倒。

本發(fā)明中電機座103、底板102、外殼108、第一軸承座105與第二軸承座109均可以為3D打印件，進一步減輕了驅動裝置1的重量，其中，第三軸承座111和第四軸承座110與底板102為一體打印，大大節(jié)省了安裝空間。小齒輪104與大齒輪106的嚙合設計，減小了安裝長度，增加了卷筒107的轉矩，如此設計，使驅動裝置1質量小，尺寸小(89*149*54)，方便佩戴于腰間，更能滿足穿戴者生活起居的需求，牽引帶軌道24的設計使牽引帶5對踝關節(jié)準確施力。本發(fā)明通過高腰短褲3將驅動裝置固定在髖關節(jié)位置，整體更加美觀，且柔性好，質量小，方便穿戴，可以適應一定體重范圍的人群。

本發(fā)明中驅動裝置還可以采用液壓等驅動方式進行驅動，將驅動裝置置于腰間，驅動踝關節(jié)運動，可以有效減輕人行走時的負重感。

實施例1

本實施例柔性可穿戴下肢助力外骨骼服包括高腰短褲3、護膝2、鞋4、控制器、牽引帶5和兩個驅動裝置1，所述高腰短褲3在左右髖關節(jié)和骶骨處均安裝有陀螺儀傳感器，在高腰短褲的腰間位置上固定有可調節(jié)腰帶6，所述兩個驅動裝置1左右對稱安裝在高腰短褲3正面的可調節(jié)腰帶6上，每個驅動裝置1均與一個牽引帶5的上端連接，牽引帶5的下端穿過護膝2，并與鞋4連接，每個驅動裝置用以驅動相應側的踝關節(jié)運動；三個陀螺儀傳感器和兩個驅動裝置均與控制器連接；控制器用來處理三個陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)，并控制驅動裝置的減速電機運動，

所述護膝2位于膝關節(jié)處，護膝2上設有長短不等的五個粘貼魔術貼點22，五個粘貼點順次粘在左側護膝面上，也就是說護膝面上任何位置都可以與粘貼魔術貼點配合，通過與任何位置的配合來調節(jié)松緊程度，進而調節(jié)束縛度，護膝2上設有膝蓋窩23，膝蓋窩23為開口設計，即護膝在膝蓋窩處為圓形開孔(參見圖3)，便于膝關節(jié)的彎曲；以膝蓋窩23為中心左右對稱布置有彈簧21，上下對稱布置有牽引帶軌道24，該彈簧21可以增強護膝的強度，強化支撐，該牽引帶軌道24為尼龍帶，左右兩端縫制于護膝3內側，上下開口，牽引帶5下端依次穿過上下兩個牽引帶軌道24與鞋4連接，可有效防止牽引帶5因柔性大，傳力長引起的左右偏移。

所述驅動裝置1包括減速電機101、底板102、小齒輪104、大齒輪106、卷筒107和外殼108；

所述減速電機101通過電機座103固定在底板102上，減速電機101的輸出軸通過聯(lián)軸器與小齒輪104的軸的一端連接，小齒輪104的一端通過配套軸承與第三軸承座111固定，小齒輪104另一端通過軸套、軸承固定在第一軸承座105上；所述卷筒107通過軸承座固定在底板102上，且卷筒107的長度方向與減速電機101的傳送方向平行，卷筒107的一端固定大齒輪106，大齒輪106與小齒輪104相嚙合，大齒輪106通過階梯軸套、軸承固定在第四軸承座110上，所述大齒輪106與卷筒的軸通過鍵連接，卷筒107與卷筒的軸為一體結構；卷筒107的軸的另一端通過配套軸承固定在第二軸承座109上，減速電機101、大齒輪106、小齒輪104、卷筒107均置于外殼108內，外殼108下表面與底板通過螺紋固定連接，在靠近卷筒107的外殼側面上開有牽引帶帶口，牽引帶5通過牽引帶帶口與卷筒107連接；所述底板102與可調節(jié)腰帶6連接；減速電機101與控制器連接；所有軸承座均固定在底板上，且軸承、軸承座都是軸向固定齒輪或者卷筒的。

牽引帶軌道24為尼龍帶橫向放置，左右兩端縫制于護膝2內側，牽引帶5從驅動裝置1的柔性牽引帶出帶口伸出，穿過牽引帶軌道24連接到鞋5上方扣。

實施例2

本實施例各部分的連接及位置關系同實施例1，不同之處在于可伸縮腰帶6與高腰短褲3通過超薄背對背魔術貼扎帶連接，并配有連接扣，可調節(jié)腰圍尺寸，塑料插扣系于腰間，如此設計，柔性好，質量小，方便穿戴與調節(jié)，適合穿戴者的生活起居。牽引帶5為尼龍帶，柔性好，質量小，方便穿戴與調節(jié)，適合穿戴者的生活起居。高腰短褲3為薄彈力褲，可一定程度上滿足一定體重范圍的穿戴者的共同需求。

所述驅動裝置1中的底板102、小齒輪104、大齒輪106、卷筒107和外殼108及軸承座(第一軸承座105、第二軸承座109、第三軸承座111、第四軸承座110)均為3D打印件，采用塑料材質制成，其中第三軸承座111和第四軸承座110與底板102為3D打印一體成型。

實施例3

本實施例各部分的連接及位置關系同實施例1，不同之處在于所述驅動裝置采用液壓驅動，液壓驅動的相關部件也集成在外殼內，整個驅動裝置仍置于腰間。

本發(fā)明所涉及的元器件均可通過商購獲得。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術。