CN111805515B - 一种长度可调式下肢外骨骼机构 - Google Patents

Abstract

一种长度可调式下肢外骨骼机构，包括腰部支板、四根腿骨骼及两个脚支撑机构；腿骨骼采用电机驱动，骨骼杆为伸缩结构，电机及转轴可轴向移动，电机整体不可转动，骨骼杆内设有丝杆，底部一节骨骼杆内固装丝母，丝母与丝杆配装，丝杆与转轴之间设有锥齿轮组，顶部一节骨骼杆上方设有关节支架，转轴与关节支架间设有卡装配合的限位块和限位槽。当需要调整骨骼长度时，电机向内移动，转轴与关节支架间的限位块和限位槽脱离，锥齿轮组啮合，启动电机，依次通过转轴和锥齿轮组带动丝杆转动，以驱动丝母沿丝杆轴向移动，实现骨骼杆的伸缩。当需要抬腿和曲腿时，电机向外移动，限位块回到限位槽内，锥齿轮组分离，启动电机，实现骨骼杆的摆转。

Description

一种长度可调式下肢外骨骼机构

技术领域

本发明属于可穿戴设备技术领域，特别是涉及一种长度可调式下肢外骨骼机构。

背景技术

下肢外骨骼机构作为一种可穿戴设备，已经在诸多领域得到长足发展，例如在军事领域可以提高士兵的单兵作战能力，在物流领域可以提高单人单次的货物搬运重量，在医疗领域可以提高部分下肢残疾人士的自主行走能力。因此，下肢外骨骼机构在未来具有良好的发展前景。

但是，目前的下肢外骨骼机构在设计中普遍存在骨骼长度不可调的局限性，因为未来的下肢外骨骼机构必然会成为公共产品，个人定制产品只能是极少数。当下肢外骨骼机构应用在军事领域时，不可能每一个士兵都标配一套下肢外骨骼机构，必然是几个士兵共用一套，而士兵们的身高不可能完全相同，对于身高不同的士兵来说，在穿戴上下肢外骨骼机构时，必然有一些士兵会出现穿戴不适配的情况，这显然会影响到下肢外骨骼机构的使用效能。同理，在物流领域和医疗领域内，使用者同样存在身高各异的情况，如果骨骼长度不可调，则会影响下肢外骨骼机构的适用范围。

为此，少数下肢外骨骼机构将骨骼长度设计成可调式，例如采用骨骼设计成两节，两节骨骼之间重叠布设，且两节骨骼之间由定位插销和螺母进行固定，当使用者与下肢外骨骼机构的骨骼长度不匹配时，需要手动拆下螺母和定位插销，然后调整两节骨骼的拼接长度，最后再重新安装定位插销并用螺母锁紧，但是用于插装定位插销的定位销孔的数量和位置都是固定的，导致骨骼的长度调整范围都是断续的，并且长度调整范围很窄。另外，还有少数下肢外骨骼机构也具有骨骼长度可调节能力，但其采用的结构形式存在较大弊端，该结构形式便是利用液压伸缩杆或气压伸缩杆作为骨骼主体，虽然具备了骨骼长度调节能力，液压伸缩缸或气压伸缩缸还需要配备相配套的液动或气动控制设备，这会导致下肢外骨骼机构的整体质量过大，同时存在能耗高和噪音大的缺点，因此会严重影响下肢外骨骼机构的使用效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种长度可调式下肢外骨骼机构，具有结构简单、长度调节精度高、质量轻、能耗低、噪音小的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种长度可调式下肢外骨骼机构，包括腰部支板、左大腿骨骼、左小腿骨骼、左脚支撑机构、右大腿骨骼、右小腿骨骼及右脚支撑机构；所述左大腿骨骼的上端与腰部支板的左端相连接，左大腿骨骼的下端与左小腿骨骼的上端相连接，所述左脚支撑机构连接在左小腿骨骼的下端；所述右大腿骨骼的上端与腰部支板的右端相连接，右大腿骨骼的下端与右小腿骨骼的上端相连接，所述右脚支撑机构连接在右小腿骨骼的下端；所述左大腿骨骼、左小腿骨骼、右大腿骨骼及右小腿骨骼的结构相同，均包括第一骨骼杆、第二骨骼杆、第三骨骼杆、第一关节支架、第二关节支架、关节支架防护罩、盘式电机、转轴、电机限位法兰罩、主动锥齿轮、从动锥齿轮、丝杆及丝母；所述第一骨骼杆、第二骨骼杆及第三骨骼杆均采用空心圆管结构，所述第一关节支架固设在第一骨骼杆顶部，所述第二骨骼杆上端杆体套装在第一骨骼杆下端杆体上，第二骨骼杆可沿第一骨骼杆轴向直线滑动；所述第二骨骼杆下端与第三骨骼杆上端螺接固连在一起，所述第二关节支架固设在第三骨骼杆底部；所述盘式电机的电机轴通过联轴器与转轴一端同轴固连在一起，转轴另一端通过滚珠滑套与第一关节支架相连，转轴相对于第一关节支架具有轴向滑动自由度；所述转轴的外端延伸出第一关节支架，在转轴的外伸部分表面固设有转轴旋转限位块，在所述第一关节支架外端开设有转轴旋转限位槽，转轴旋转限位槽与转轴旋转限位块卡装配合；所述转轴的内端固定套装有转轴旋转限位套筒，转轴旋转限位套筒上设有棘爪限位块，在所述第一关节支架内端开设有棘爪限位块卡槽，棘爪限位块卡槽与棘爪限位块卡装配合；所述丝杆同轴穿装在第一骨骼杆、第二骨骼杆及第三骨骼杆内，所述丝母同轴固装在第二骨骼杆底部，丝母套装在丝杆上，丝杆上端通过轴承连接在第一关节支架上，丝杆顶端延伸至第一关节支架内，所述从动锥齿轮固装在丝杆顶部的向上延伸部分，所述主动锥齿轮固装在转轴上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合传动配合；所述关节支架防护罩固装在第一关节支架上；所述电机限位法兰罩同轴套装在盘式电机外部，在电机限位法兰罩内表面开设有电机轴向滑移导向槽，在所述盘式电机的外表面固设有电机轴向滑移导向块，电机轴向滑移导向块位于电机轴向滑移导向槽内，盘式电机相对于电机限位法兰罩仅具有直线滑动自由度；所述电机限位法兰罩固连在腰部支板上或第二关节支架上；所述左脚支撑机构和右脚支撑机构结构相同，均包括脚部支撑板、减震弹簧支柱、小腿转接支架及脚部俯仰驱动电机；所述脚部俯仰驱动电机固装在左小腿骨骼或右小腿骨骼的第二关节支架上，脚部俯仰驱动电机的电机轴固连在小腿转接支架上，所述减震弹簧支柱上端固连在小腿转接支架上，减震弹簧支柱下端固连在脚部支撑板上。

本发明的有益效果：

本发明的长度可调式下肢外骨骼机构，具有结构简单、长度可连续调节、长度调节精度高、质量轻、能耗低、噪音小的特点。

附图说明

图1为本发明的一种长度可调式下肢外骨骼机构的结构示意图；

图2为本发明的左大腿骨骼/左小腿骨骼/右大腿骨骼/右小腿骨骼的立体图(关节支架防护罩未示出)；

图3为本发明的左大腿骨骼/左小腿骨骼/右大腿骨骼/右小腿骨骼的正视图(关节支架防护罩未示出)；

图4为本发明的左大腿骨骼/左小腿骨骼/右大腿骨骼/右小腿骨骼的局部正视图(骨骼长度调节时)；

图5为本发明的左大腿骨骼/左小腿骨骼/右大腿骨骼/右小腿骨骼的局部正视图(抬腿/曲腿动作时)；

图6为本发明的左脚支撑机构/右脚支撑机构的的结构示意图；

图中，1—腰部支板，2—左大腿骨骼，3—左小腿骨骼，4—左脚支撑机构，5—右大腿骨骼，6—右小腿骨骼，7—右脚支撑机构，8—第一骨骼杆，9—第二骨骼杆，10—第三骨骼杆，11—第一关节支架，12—第二关节支架，13—关节支架防护罩，14—盘式电机，15—转轴，16—电机限位法兰罩，17—主动锥齿轮，18—从动锥齿轮，19—丝杆，20—丝母，21—联轴器，22—滚珠滑套，23—转轴旋转限位块，24—转轴旋转限位槽，25—转轴旋转限位套筒，26—棘爪限位块，27—棘爪限位块卡槽，28—轴承，29—电机轴向滑移导向槽，30—电机轴向滑移导向块，31—脚部支撑板，32—减震弹簧支柱，33—小腿转接支架，34—脚部俯仰驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种长度可调式下肢外骨骼机构，包括腰部支板1、左大腿骨骼2、左小腿骨骼3、左脚支撑机构4、右大腿骨骼5、右小腿骨骼6及右脚支撑机构7；所述左大腿骨骼2的上端与腰部支板1的左端相连接，左大腿骨骼2的下端与左小腿骨骼3的上端相连接，所述左脚支撑机构4连接在左小腿骨骼3的下端；所述右大腿骨骼5的上端与腰部支板1的右端相连接，右大腿骨骼5的下端与右小腿骨骼6的上端相连接，所述右脚支撑机构7连接在右小腿骨骼6的下端；所述左大腿骨骼2、左小腿骨骼3、右大腿骨骼5及右小腿骨骼6的结构相同，均包括第一骨骼杆8、第二骨骼杆9、第三骨骼杆10、第一关节支架11、第二关节支架12、关节支架防护罩13、盘式电机14、转轴15、电机限位法兰罩16、主动锥齿轮17、从动锥齿轮18、丝杆19及丝母20；所述第一骨骼杆8、第二骨骼杆9及第三骨骼杆10均采用空心圆管结构，所述第一关节支架11固设在第一骨骼杆8顶部，所述第二骨骼杆9上端杆体套装在第一骨骼杆8下端杆体上，第二骨骼杆9可沿第一骨骼杆8轴向直线滑动；所述第二骨骼杆9下端与第三骨骼杆10上端螺接固连在一起，所述第二关节支架12固设在第三骨骼杆10底部；所述盘式电机14的电机轴通过联轴器21与转轴15一端同轴固连在一起，转轴15另一端通过滚珠滑套22与第一关节支架11相连，转轴15相对于第一关节支架11具有轴向滑动自由度；所述转轴15的外端延伸出第一关节支架11，在转轴15的外伸部分表面固设有转轴旋转限位块23，在所述第一关节支架11外端开设有转轴旋转限位槽24，转轴旋转限位槽24与转轴旋转限位块23卡装配合；所述转轴15的内端固定套装有转轴旋转限位套筒25，转轴旋转限位套筒25上设有棘爪限位块26，在所述第一关节支架11内端开设有棘爪限位块卡槽27，棘爪限位块卡槽27与棘爪限位块26卡装配合；所述丝杆19同轴穿装在第一骨骼杆8、第二骨骼杆9及第三骨骼杆10内，所述丝母20同轴固装在第二骨骼杆9底部，丝母20套装在丝杆19上，丝杆19上端通过轴承28连接在第一关节支架11上，丝杆19顶端延伸至第一关节支架11内，所述从动锥齿轮18固装在丝杆19顶部的向上延伸部分，所述主动锥齿轮17固装在转轴15上，主动锥齿轮17与从动锥齿轮18啮合传动配合；所述关节支架防护罩13固装在第一关节支架11上；所述电机限位法兰罩16同轴套装在盘式电机14外部，在电机限位法兰罩16内表面开设有电机轴向滑移导向槽29，在所述盘式电机14的外表面固设有电机轴向滑移导向块30，电机轴向滑移导向块30位于电机轴向滑移导向槽29内，盘式电机14相对于电机限位法兰罩16仅具有直线滑动自由度；所述电机限位法兰罩16固连在腰部支板1上或第二关节支架12上；所述左脚支撑机构4和右脚支撑机构7结构相同，均包括脚部支撑板31、减震弹簧支柱32、小腿转接支架33及脚部俯仰驱动电机34；所述脚部俯仰驱动电机34固装在左小腿骨骼3或右小腿骨骼6的第二关节支架12上，脚部俯仰驱动电机34的电机轴固连在小腿转接支架33上，所述减震弹簧支柱32上端固连在小腿转接支架33上，减震弹簧支柱32下端固连在脚部支撑板31上。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

当使用者需要穿戴下肢外骨骼机构时，如果发现下肢外骨骼机构的骨骼长度与使用者不匹配时，只需向身体内侧方向按压盘式电机14，使盘式电机14向内移动，直到电机轴向滑移导向块30从电机轴向滑移导向槽29的外端移动到内端，进而使主动锥齿轮17与从动锥齿轮18啮合在一起，同一时刻，棘爪限位块26从棘爪限位块卡槽27中脱离，并且转轴旋转限位块23从转轴旋转限位槽24中脱离，然后启动盘式电机14，使转轴15转动，并带动主动锥齿轮17同步转动，由于主动锥齿轮17与从动锥齿轮18相啮合，主动锥齿轮17将带动从动锥齿轮18及丝杆19一同转动，随着丝杆19的转动，会带动丝母20沿着丝杆19进行直线移动，并且第二骨骼杆9及第三骨骼杆10会随着丝母20同步移动，进而使第二骨骼杆9沿着第一骨骼杆8进行滑动，最终由第一骨骼杆8与第二骨骼杆9配合实现骨骼长度的伸长或缩短。

当下肢外骨骼机构的骨骼长度调整完成后，使用者便可以与下肢外骨骼机构穿戴在一起。当左大腿骨骼2、右大腿骨骼5需要进行抬腿动作时，或者左小腿骨骼3、右小腿骨骼6需要进行曲腿动作时，只需向身体外侧方向拉拽盘式电机14，使盘式电机14向外移动，直到电机轴向滑移导向块30从电机轴向滑移导向槽29的内端移动到外端，进而使主动锥齿轮17与从动锥齿轮18脱离啮合，同一时刻，棘爪限位块26进入棘爪限位块卡槽27中被限定住，并且转轴旋转限位块23进入转轴旋转限位槽24中被限定住，然后启动盘式电机14，使转轴15转动，此时主动锥齿轮17空转，同时会带动棘爪限位块26和转轴旋转限位块23同步转动，进而通过棘爪限位块26和转轴旋转限位块23带动第一关节支架11随转轴15一同转动，最终使第一骨骼杆8、第二骨骼杆9及第三骨骼杆10随第一关节支架11进行同步摆转，对应左大腿骨骼2和右大腿骨骼5时便实现了抬腿动作，对应左小腿骨骼3和右小腿骨骼6时便实现了曲腿动作。当需要左脚支撑机构4、右脚支撑机构7的脚部支撑板31进行俯仰动作时，只需通过脚部俯仰驱动电机34驱动小腿转接支架33转动即可实现脚部支撑板31的俯仰动作。上述的抬腿、曲腿和脚部俯仰动作只需按照使用者行走时的腿部特征进行组合，就可以由下肢外骨骼机构辅助使用者进行助力行走了。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种长度可调式下肢外骨骼机构，其特征在于：包括腰部支板、左大腿骨骼、左小腿骨骼、左脚支撑机构、右大腿骨骼、右小腿骨骼及右脚支撑机构；所述左大腿骨骼的上端与腰部支板的左端相连接，左大腿骨骼的下端与左小腿骨骼的上端相连接，所述左脚支撑机构连接在左小腿骨骼的下端；所述右大腿骨骼的上端与腰部支板的右端相连接，右大腿骨骼的下端与右小腿骨骼的上端相连接，所述右脚支撑机构连接在右小腿骨骼的下端；所述左大腿骨骼、左小腿骨骼、右大腿骨骼及右小腿骨骼的结构相同，均包括第一骨骼杆、第二骨骼杆、第三骨骼杆、第一关节支架、第二关节支架、关节支架防护罩、盘式电机、转轴、电机限位法兰罩、主动锥齿轮、从动锥齿轮、丝杆及丝母；所述第一骨骼杆、第二骨骼杆及第三骨骼杆均采用空心圆管结构，所述第一关节支架固设在第一骨骼杆顶部，所述第二骨骼杆上端杆体套装在第一骨骼杆下端杆体上，第二骨骼杆可沿第一骨骼杆轴向直线滑动；所述第二骨骼杆下端与第三骨骼杆上端螺接固连在一起，所述第二关节支架固设在第三骨骼杆底部；所述盘式电机的电机轴通过联轴器与转轴一端同轴固连在一起，转轴另一端通过滚珠滑套与第一关节支架相连，转轴相对于第一关节支架具有轴向滑动自由度；所述转轴的外端延伸出第一关节支架，在转轴的外伸部分表面固设有转轴旋转限位块，在所述第一关节支架外端开设有转轴旋转限位槽，转轴旋转限位槽与转轴旋转限位块卡装配合；所述转轴的内端固定套装有转轴旋转限位套筒，转轴旋转限位套筒上设有棘爪限位块，在所述第一关节支架内端开设有棘爪限位块卡槽，棘爪限位块卡槽与棘爪限位块卡装配合；所述丝杆同轴穿装在第一骨骼杆、第二骨骼杆及第三骨骼杆内，所述丝母同轴固装在第二骨骼杆底部，丝母套装在丝杆上，丝杆上端通过轴承连接在第一关节支架上，丝杆顶端延伸至第一关节支架内，所述从动锥齿轮固装在丝杆顶部的向上延伸部分，所述主动锥齿轮固装在转轴上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合传动配合；所述关节支架防护罩固装在第一关节支架上；所述电机限位法兰罩同轴套装在盘式电机外部，在电机限位法兰罩内表面开设有电机轴向滑移导向槽，在所述盘式电机的外表面固设有电机轴向滑移导向块，电机轴向滑移导向块位于电机轴向滑移导向槽内，盘式电机相对于电机限位法兰罩仅具有直线滑动自由度；所述电机限位法兰罩固连在腰部支板上或第二关节支架上；所述左脚支撑机构和右脚支撑机构结构相同，均包括脚部支撑板、减震弹簧支柱、小腿转接支架及脚部俯仰驱动电机；所述脚部俯仰驱动电机固装在左小腿骨骼或右小腿骨骼的第二关节支架上，脚部俯仰驱动电机的电机轴固连在小腿转接支架上，所述减震弹簧支柱上端固连在小腿转接支架上，减震弹簧支柱下端固连在脚部支撑板上。