[0001] 本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼。

[0002] 在目前的康复领域中，下肢外骨骼康复机器人成为了研究的热点。下肢外骨骼康复机器人主要用于对受伤人员、先/后天残疾人员以及老龄化人群进行康复助力，促进患者恢复正常机能，从而降低社会负担，提升社会发展力。在目前的下肢外骨骼康复机器人中，绝大多数为刚性外骨骼，刚性外骨骼的重量一般较大，作为额外负担会增加穿戴者的能量消耗。同时，刚性机构对关节的运动自由度会产生一定限制，进而改变穿戴者的自然步态模式。相较于刚性外骨骼机器人，柔性外骨骼机器人具有重量轻、肢体末端运动惯量小、柔性大、助力更自然等优点柔性外骨骼机器人受到了越来越多的关注。

[0003] 因此，本领域的技术人员致力于提供一种用于人体下肢运动障碍康复的穿戴式柔性下肢助力外骨骼，满足重量轻、柔性大、末端运动惯量小、助力更自然的要求，减轻使用者步行过程中的能量消耗。

[0053] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

[0054] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

[0055] 本发明提供了一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼，包括柔性服2、驱动控制装置3、传感系统4、弹性驱动装置5、柔性绑缚装置6、鲍登线驱动装置7，穿戴效果如图1、图2、图3和图17所示。

[0056] 本实施例中，柔性服2穿戴于人体躯干，用于为驱动控制装置3、弹性驱动装置5、柔性绑缚装置6、鲍登线驱动装置7提供稳固的受力锚点并保证连接的稳定性以及穿戴的舒适性；弹性驱动装置5布置于人体前侧，为髋关节提供屈曲助力；鲍登线驱动装置7布置于大腿后侧，为髋关节提供伸展助力；驱动控制装置3设置于柔性服2的背部，用于控制整个系统并提供驱动动力；柔性绑缚装置6穿戴于人体下肢膝关节处，用于连接膝关节；传感系统4用于识别步态。

[0057] 本实施例的穿戴式柔性下肢助力外骨骼相对于人体左右对称设置，以下如无特别说明，仅对单侧的设置进行描述。

[0058] 如图14所示，柔性服2包括双肩带201、胸前连接带202、上下连接带203、腰带204、腰部下摆205、背部背负模块206以及髋两侧固定模块207。双肩带201与胸前连接带202、上下连接带203缝合连接，上下连接带203与腰带204缝合连接，保证柔性服2与人体紧密贴合不产生滑移。腰部下摆205与腰带204缝合连接。髋两侧固定模块207为碳纤维板，腰部下摆205采用较为硬质的布料，髋两侧固定模块207的碳纤维板与腰部下摆205缝合，保证腰部下摆205与碳纤维板受力时不产生滑移。在髋两侧固定模块207上设置有柱状的第一凸起208和第二凸起209。

[0059] 如图15所示，背部背负模块206分为三层，第一层2061为海绵布内衬，与腰带204的内衬一体化设计；中间层2063为碳纤维板，最外层2064为衬布。中间层2063上设置有中间层连接孔2062。

[0060] 柔性服2通过力平均分布将外骨骼与人体紧密联系起来，并作为背部的驱动控制装置3的支撑结构，同时为鲍登线驱动装置7提供稳固的受力点，保证其驱动效果的最优化。

[0061] 如图3和图4所示，驱动控制装置3包括控制模块8、驱动模块9、安装背板10、传动模块11和导向模块12，控制模块8设置有控制模块外壳800，驱动模块9设置有驱动模块外壳900，传动模块11设置有传动模块外壳1100。驱动模块外壳900与中间层连接孔2062通过螺栓连接。

[0062] 安装背板10上设置有多种螺纹连接孔、通孔以及移动槽，为驱动控制装置3提供支撑。驱动模块9为鲍登线驱动装置7提供动力，传动模块11将驱动模块9的动力传递给鲍登线驱动装置7，导向模块12用于调整鲍登线的走线方向。

[0063] 如图5所示，驱动模块9包括左右对称布置的两个电机901，用于固定电机901的上支架盖902、上支架座907和下支架903，用于改变传动方向的第一锥齿轮905，以及用于驱动电机901的直流伺服控制器904。第一锥齿轮905与电机901的输出轴连接。伺服控制器904与电机901通过引线连接，控制电机901的运转。

[0064] 上支架盖902、上支架座907和下支架903均采用螺栓连接固定在安装背板10上，防止电机窜动。

[0065] 如图6所示，控制模块8包括总控制板801，总控制板801与安装背板10通过螺栓连接。在安装背板10上还设置有引线通孔906，引线通孔906用于电机901与总控制板801接线的走线。控制模块8为整个系统提供不同步态相位时的鲍登线动力分配控制。

[0066] 如图6所示，导向模块12包括第三滑轮1201、第一动滑轮1202、第一滑动轴1204、滑轮移动槽1203，滑轮移动槽1203位于安装背板10上。如图4所示，在第三滑轮1201、第一动滑轮1202、第一滑动轴1204的外侧还设置有导向盖1205，导向盖1205与安装背板10通过螺栓连接。第三滑轮1201与安装背板10通过螺栓连接，为鲍登线提供导向。导向盖1205上设置有移动槽和安装孔，导向盖1205上的滑动槽与滑轮移动槽1203相对设置；第一动滑轮1202通过第一滑动轴1204在滑轮移动槽1203和导向盖1205的滑动槽内移动。第一滑动轴1204为三级阶梯轴，中间段与第一动滑轮1202的轴承内环相配合，两端分别为光轴和螺纹轴，螺纹轴上带有螺母；光轴端与滑轮移动槽1203配合，螺纹轴端与导向盖1205的移动槽配合。第一动滑轮1202可通过旋紧外侧螺母夹紧导向盖1205来改变和固定第一动滑轮1202的位置，改变鲍登线驱动装置7的走线方向。

[0067] 如图7所示，传动模块11包括中间的第一传动轴111和两端对称设置的第二传动轴112。第一传动轴111上设置有第二锥齿轮1101、第一轴承1102、第一直齿轮1103、轴套1110，第二传动轴112上设置有第二直齿轮1104、鲍登线轮1106、平面涡卷弹簧1105、步态相位分离器1107、第二轴承1108。第二锥齿轮1101与第一锥齿轮905相啮合连接，实现传动方向的转变。平面涡卷弹簧1105的一端固定于鲍登线轮1106的卡槽内，另一端固定于传动模块外壳1100上。步态相位分离器1107与鲍登线轮1106通过二者之间的渐开线齿形花键相连接，将输出轴力矩传递到线轴上。第一轴承1102、第二轴承1108的内环分别与第一传动轴111、第二传动轴112过盈配合，外环与安装背板10的安装孔过盈配合。鲍登线轮1106与第二传动轴112之间设置有第三轴承1109，第三轴承1109的内环固定在第二传动轴112上，外环与鲍登线轮1106的内孔过盈配合。

[0068] 具体地，如图16所示，步态相位分离器1107包括芯轴11071、固定电磁线圈11072、固定摩擦面齿片11073、压缩弹簧11074、滑动摩擦面齿片11075和外花键连接头11076；芯轴11071与第二传动轴112通过D形孔轴连接，固定电磁线圈11072与传动模块外壳1100连接，固定摩擦面齿片11073的一端与固定电磁线圈11072连接，固定摩擦面齿片11073的另一端与压缩弹簧11074的一端连接，压缩弹簧11073另一端与滑动摩擦面齿片11075连接，滑动摩擦面齿片11075与外花键连接头11076通过内侧卡槽连接。外花键连接头11706与鲍登线轮
1106通过花键连接。

[0069] 本实施例中的锥齿轮、直齿轮与其所在的传动轴之间均为键连接。第一传动轴111、第二传动轴112上的轴套1110安装在轴承的一侧，实现轴向固定。鲍登线轮1106与鲍登线采用紧固螺钉连接固定。

[0070] 在一个具体实施例中，传感系统4包括两个S型拉力传感器，四个柱式拉力传感器，三个角度传感器以及两个足底压力鞋垫。传感系统4为外骨骼系统提供稳定、有效的物理信号，以用于人体的运动意图识别与运动状态估计。本发明的传感系统4通过各传感器测量的机械信号，基于人机环境耦合下多传感信息进行融合分析，识别人体的运动意图并为控制系统提供期望的位置或助力轨迹。控制模块8的总控制板801接收传感系统4的信号，对步态信息进行识别后，对不同相位时电机901的输出力和力矩进行调节。

[0071] 如图12和图13所示，柔性绑缚装置6包括膝上端601、膝中端602和膝下端603。膝上端601为三层结构，包括中层的膝上端低温热塑板6011、外层的膝上端衬布6013。膝下端603为三层结构，包括中层的膝下端低温热塑板6033、外层的膝下端衬布6031。膝中端602为两层结构，包括外层的支撑弹簧6022，支撑弹簧6022的表面采用布料包裹。膝上端601的内衬、膝下端603的内衬与膝中端602的内衬为一体结构，即整体护膝内衬6021。膝上端低温热塑板6011上设置有线固定器6012和支撑弹簧固定夹6014，膝上端衬布6013上设置有魔术贴，用以调节膝上端601的绑缚松紧度。支撑弹簧6022的上端通过支撑弹簧固定夹6014与膝上端低温热塑板6011连接，下端与膝下端低温热塑板6033连接，支撑弹簧6022可以增加柔性绑缚装置6的稳定性。膝下端衬布6031上也设置有魔术贴，调节膝下端603的绑缚松紧度。

[0072] 本实施例中，低温热塑板加热变软可以做成人腿部的形状，常温下为硬材料。

[0073] 如图3所示，鲍登线驱动装置7包括线套管701、鲍登线、位于髋两侧的导向滑轮组703，鲍登线的上部分包裹在线套管701内部。鲍登线分为位于人体外侧的第一鲍登线7021，以及相对于人体内侧的第二鲍登线7022。

[0074] 如图8和图9所示，导向滑轮组703包括端盖7031、壳体7032以及内部的第一滑轮7033、第二滑轮7034、第二动滑轮7035、第二滑动轴7036。第一滑轮7033、第二滑轮7034通过螺栓连接固定在壳体7032上，第一滑轮7033和第二滑轮7034之间存在微小间隙，第一鲍登线7021采用“S型”缠绕方式缠绕在第一滑轮7033和第二滑轮7034之间，防止第一鲍登线
7021从滑轮上脱出。第二动滑轮7035套设在第二滑动轴7036上，并设置在壳体7032内的壳体槽7037上，沿壳体槽7037改变走线方向。壳体7032和端盖7031为第二动滑轮7035、第二滑动轴7036提供支撑。第一滑轮7033的轴与第一凸起208连接，第二滑轮7034的轴与第二凸起
209连接。

[0075] 第二鲍登线7022绕过第一动滑轮1202，通过旋紧外侧螺母夹紧导向盖1205来固定第一动滑轮1202的位置，改变第二鲍登线7022的走线方向

[0076] 如图10所示，柱式拉力传感器403的一端通过线固定器6012与膝上端低温热塑板6011连接，另一端与鲍登线连接，实现了鲍登线驱动装置7与柔性绑缚装置6的连接，同时，柱式拉力传感器403用于测量鲍登线的拉力值。

[0077] 如图12所示，弹性驱动装置5包括上端连接片501、并联弹簧502、下端连接片503、连接带504。上端连接片501的一端与柔性服2的腰部下摆205的前侧连接，连接位置位于人体髂骨上前棘位置，即主要髋屈肌上端附着点，连接方式为螺栓连接；上端连接片501的另一端与并联弹簧502连接，连接方式为固定销连接。下端连接片503的一端连接并联弹簧502，连接方式为固定销连接；下端连接片503的另一端连接S型拉力传感器400，连接方式为螺栓连接；S型拉力传感器400的另一端与连接带504连接；连接带504的下端与膝下端低温热塑板6033连接，连接方式为螺栓连接。S型拉力传感器400用来测量弹性驱动装置5上的拉力大小。

[0078] 连接带504为无弹性材质，在膝盖部分做了分离，防止连接带504对膝盖摩擦产生伤害。上端连接片501和下端连接片503为可拆卸连接，根据需求更换不同刚度的弹性元件。

[0079] 如图10所示，三个无线角度传感器分别为安装在腰部正中的第一角度传感器401和安装在大腿外侧质心处的第二角度传感器402，用来实时测量人体髋关节的角度。

[0080] 如图11所示，足底压力鞋垫404设置于足底，用于测量双足行走过程中足底不同位置的压力值。足底压力鞋垫404包括鞋垫4042、分布在足底不同位置的压力传感器4041、传感器引线4043，以及无线数据传输模块4044。

[0081] 在一个具体实施例中，还包括电池1，电池1设置在柔性服2的胸前侧，为电机901、步态相位分离器1107等供电。同时，电池1还可以平衡人体躯干前后侧受力，提升人在行走过程中的稳定性。

[0082] 本发明的柔性下肢助力外骨骼的工作原理如下：人体行走的步态过程分为支撑相和摆动相，在摆动相时，本发明为髋关节提供屈曲助力；在支撑相时，本发明为髋关节提供伸展助力。两种助力协同工作，帮助穿戴者在行走过程中减少消耗。本发明采用混合驱动方式，屈曲助力由大腿前侧的弹性储能元件提供，该驱动为无源驱动，消耗人在上一个步态中髋关节伸展拉伸弹簧所储存的能量，帮助穿戴者在下一步态抬腿时屈曲。伸展助力为有源驱动，由电机带动传动，通过拉伸鲍登线带动大腿向后侧摆动，提供髋关节伸展所需的力。本发明中，该过程具体为：电机901转动带动输出轴上的第一锥齿轮905进行转动，第一锥齿轮905与传动模块11的第二锥齿轮1101相啮合改变传动方向，将动力输入至传动模块11，第一传动轴111带动第一直齿轮1103转动，力传递到与之相啮合的第一传动轴111两侧的第二直齿轮1104上，进而带动两个第二直齿轮1104转动，第二直齿轮1104带动第二传动轴112进行转动，此时需要助力的腿一侧的步态相位分离器1107通电，固定摩擦面齿片11073与滑动摩擦面齿片11075克服压缩弹簧11074的弹力并接合，步态相位分离器1107的外花键连接头
11076开始带动鲍登线轮1106转动，鲍登线开始收缩，先释放安装在爆鲍登线轮1106与传动模块外壳1100间的涡卷弹簧1105的弹力。该弹力主要用于预紧鲍登线，涡卷弹簧1105在鲍登线被电机901完全拉伸时复位，一开始是有预紧力的。之后开始产生髋关节伸展力矩，带动人腿移动，完成伸展助力过程。此时弹性驱动装置5已经被拉伸到最大，在该腿向前摆动时，并联弹簧502回弹释放在上个步态中储存的弹性势能，髋关节产生屈曲力矩，带动腿部向前迈出。在人腿屈曲过程中，该侧电机901停止运作，步态相位分离器1107断电，压缩弹簧
11074将固定摩擦面齿片11073和滑动摩擦面齿片11075松开，弹性势能释放带动人腿向前迈动，鲍登线轮1106与传动模块外壳1100之间的涡卷弹簧1105开始预紧，产生一定的预紧力，用于鲍登线的回弹和防止鲍登线从鲍登线轮1106上滑脱。

[0083] 本发明采用驱动仿生设计，模仿人髋关节伸展肌肉的力线走向，在鲍登线驱动装置7中鲍登线的走向模仿了人体大腿后侧肌肉，并不是采用直上直下的拉动方式，而是分为左右两侧的第一鲍登线7021和第二鲍登线7022，这两根线的走向可以分别通过移动两侧的导向滑轮组703以及导向模块12的第一动滑轮1202在滑轮移动槽1203内的位置，来改变方向。由于第一鲍登线7021和第二鲍登线7022存在一定的夹角，鲍登线产生的力，除在竖直方向的主力之外，还有额外的内收和外展力，考虑到下肢运动功能障碍者髋关节内收或外展肌力存在不足的情况，这样的设计走线在一定程度上可以解决这些问题。

[0084] 本发明的鲍登线驱动装置7的上端由传动模块11以及导向模块12引出，下端连接锚点均位于膝关节处，在设备工作时两点之间会产生较大的力，为了保证受力过程驱动上下端连接锚点位置不产生滑移影响驱动效果，本发明在柔性服2的背部背负模块206增加了一块可以覆盖整个驱动控制装置3的中间层连接孔2062的碳纤维板中间层2063，整个碳纤维板中间层2063缝制在背部背负模块206，内衬第一层2061为海绵布并进行了打孔处理，既可以将驱动控制装置3通过螺栓稳定固连在后背上，又不影响人的穿着舒适度。下端连接锚点在膝关节处的柔性绑缚装置6的膝上端601的后侧内层膝上端低温热塑板6011上，为了防止该处受力产生向上的滑移影响传力效果，将膝上端601通过膝中端602两侧的支撑弹簧6022与膝下端低温热塑板6033相固连，由于膝下端603的小腿处肌肉呈倒锥形，当受到向上的力时基本不会向上滑移，通过支撑弹簧6022的连接作用也可防止膝上端601在受力时产生滑移，且支撑弹簧6022在步态调整过程中增加了膝关节的稳定性。此外，弹性驱动装置5上端锚点位于柔性服2的腰部下摆205上端部位，该位置为无弹性的较硬的布料，其中腰部下摆205是为了防止髋关节伸展时弹性驱动装置5磨损人的大腿前侧而设置，下端锚点位于柔性绑缚装置6的膝下端603前侧的膝下端内层低温热塑板6031上，且无弹性的连接带504在膝关节处做分叉设置，避开了膝盖，防止在行走过程中连接带504磨损膝盖。

[0085] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。