[发明专利]一种单源-双关节驱动的腿部外骨骼

说明书

本发明属于外骨骼技术领域，具体为一种单源‑双关节驱动的腿部外骨骼，包括总架、大臂和小臂，小臂上部设置驱动齿轮；辅助臂上设置具有封闭的运动轨迹的导向结构部分，传动齿条上端通过导向轮机构连接导向结构部分，下部与驱动齿轮啮合，且当大臂摆动时，导向轮机构在导向轮结构部分的约束下按照运动轨迹逆时针运动，并使小臂随上臂协调摆动。本实施例中，在导向结构部分的导向及限制下，导向轮机构只能沿着导向结构部分移动，传动齿条驱动第二关节处的驱动齿轮，从而实现小臂随动摆动，这种腿部外骨骼以一个驱动电机和简单的传动结构实现双关节的同步驱动，可以有效降低腿部外骨骼设备的成本，并可以控制设备重量，提高其普遍推广的可行性。

技术领域

本发明属于外骨骼技术领域，具体为一种单源-双关节驱动的腿部外骨骼。

背景技术

外骨骼设备可用于医疗康复、辅助人体负重等，根据仿生对象的关节，现有外骨骼的每个关节需要一个电机组件驱动，这不仅会增加设备成本，而且会导致设备笨重，不便使用，当前存在一些通过一个电机组件驱动来驱动两个关节联动的方案，但是结构异常复杂，故障率高，难以推广使用，例如一项现有技术“用于无动力多关节同步训练器的凸轮、非圆齿轮副、其制造方法、使用其的传动机构及无动力多关节同步训练器”(国际公开号为WO2021003835A1)公开的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单源-双关节驱动的腿部外骨骼，用以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种单源-双关节驱动的腿部外骨骼，该腿部外骨骼包括总架、大臂和小臂。所述大臂上部通过第一关节连接总架，该第一关节具有中心轴I，且该腿部外骨骼具有控制大臂以中心轴I为中心轴进行摆动的驱动电机；所述小臂的上部通过第二关节连接大臂的下部，该第二关节具有与中心轴I平行的中心轴II，且小臂能够以中心轴II为中心轴进行偏转，且小臂上部固定设置与中心轴II同轴的驱动齿轮；该总架还包括活动设置的传动齿条以及固定设置在腿部外骨骼前部的辅助臂，且辅助臂相对于总架位置固定；所述辅助臂上设置具有封闭的运动轨迹的导向结构部分，所述传动齿条通过安装座安装在大臂上，该安装座具有限位机构，传动齿条在限位机构的导向作用下能够在大臂的长度方向上往复移动；所述传动齿条上端通过导向轮机构连接导向结构部分，下部与驱动齿轮啮合，且当大臂摆动时，导向轮机构在导向轮结构部分的约束下按照运动轨迹逆时针运动，并使小臂随上臂协调摆动。

在上述技术方案中，运动轨迹是仿真模拟人体步态获得的，并基于该运动轨迹在辅助臂上设置导向结构部分。该方案中，传动齿条滑动安装在大臂上，且只能相对于大臂做长度方向的往复平移，由于其上端通过导向轮机构连接导向结构部分，当大臂摆动时，传动齿条相对于大臂具有运动趋势，但在导向结构部分的导向及限制下，导向轮机构只能沿着导向结构部分移动，此时传动齿条相对于大臂平移，在这个过程中，传动齿条驱动第二关节处的驱动齿轮，从而实现小臂随动摆动，由于大臂完成一个摆动周期的过程中导向轮机构也沿着导向结构部分运动一个周期，且这个周期中发生了传动齿条相对于大臂向上及向下的运动，因此在大臂摆动时候，小臂与大臂之间的夹角呈现周期性的变大、变小，从而模拟出人体下肢的运动轨迹，这种腿部外骨骼以一个驱动电机和简单的传动结构实现双关节的同步驱动，可以有效降低腿部外骨骼设备的成本，并可以控制设备重量，提高其普遍推广的可行性。

优选地，所述辅助臂安装在总架上，导向结构部分包括在辅助臂前部设置的导向轨槽，所述导向轮机构包括与导向轨槽配合的导轮，该导轮具有轮轴，并通过该轮轴连接传动齿条。导轮设置于导向轨槽中，并在大臂运动时通过滚动的方式顺着导向轨槽运动，通过减小设备之间的摩擦来提高整个运动机构的灵活性。

优选地，所述辅助臂为选配结构，能够拆卸并能够更换整个辅助臂或者辅助臂的导向结构部分，且不同的导向结构部分具有不同的运动轨迹。运动轨迹是根据某一特定身高的人体步态运动参数得到，而不同身高的人体步态存在一定差别，因此具有不同的运动轨迹，本方案通过更换不同的导向结构部分来满足不同用户的使用需求，提高该腿部外骨骼的适用范围。