本發(fā)明涉及一種機械腿結構，更特別地說，是指一種仿生人體下肢的外骨骼助力機構。

背景技術：

外骨骼(exoskelelon)原指為生物提供保護和支持的堅硬的外部結構，外骨骼助力機器人可理解為一種結合了人的智能和機器人機械能量的人機結合可穿戴裝備。

下肢外骨骼助力機構的設計過程中主要任務是設計髖關節(jié)、膝關節(jié)以及踝關節(jié)的結構，確定驅動器、傳感器型號、位置及安裝形式，以及結構的較高承載能力。通過對人體生理結構的研究，髖關節(jié)為球窩關節(jié)，轉動過程中旋轉中心的變化不明顯。踝關節(jié)雖然為復合關節(jié)，但其在行走過程中轉動角度小，因此旋轉中心的變化也不明顯。而膝關節(jié)是雙面關節(jié)，在行走過程中屈伸運動的幅度較大(0～60°)，收展運動和旋轉運動的幅度較小。

由于單獨膝關節(jié)外骨骼小腿部分的運動空間為一圓弧，運動過程中其瞬心位置固定在外骨骼膝關節(jié)轉軸的軸心上，無法做到隨人體膝關節(jié)旋轉瞬心的變化而變化，所以需要新構型擁有一個可自由調(diào)整的膝關節(jié)旋轉中心和一個允許生成復雜末端運動軌跡的工作空間，使其能滿足下肢運動時對工作空間的基本要求，又有足夠的空間對軌跡進行調(diào)整。

技術實現(xiàn)要素：

為了緩解人在大負載和長時間行走情況下極易出現(xiàn)的疲勞，大大增強人們的負載能力、行走速度及運動范圍，本發(fā)明設計了一種仿生下肢外骨骼助力機構。該下肢外骨骼助力機構為單腿七自由度的連桿仿生機構，采用三個液壓機構驅動。在人體步行過程中，大腿連桿在髖關節(jié)液壓機構3-1推動下配合髖關節(jié)柔性聯(lián)軸器完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動，小腿連桿在膝關節(jié)液壓機構3-2的推動下配合膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動，而腳單元在踝關節(jié)液壓機構4C的推動下繞著DC轉軸4K完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動。

本發(fā)明設計的下肢外骨骼助力機構優(yōu)點在于：

①本發(fā)明下肢外骨骼助力機構為單腿七自由度的連桿仿生機構，采用液壓驅動。

②髖關節(jié)結構設計簡化為旋轉軸相交于點o₁的具有三個自由度的運動結構體。

③膝關節(jié)簡化為具有一個自由度的由旋轉副構成的單一運動結構體。所述旋轉副是由膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B、小腿調(diào)節(jié)桿4B和大腿連桿3C構成。

④踝關節(jié)與膝關節(jié)都使用了柔性聯(lián)軸器，提高了機構的舒適度與安全性，與人體運動更相符。

⑤將大腿單元與小腿單元設計成長度可調(diào)結構，可根據(jù)不同人的不同身高進行調(diào)節(jié)，實用性更強。

⑥采用柔性束縛帶與鋁型材結合構成腰部承載單元，且腰部承載單元為寬度可調(diào)結構，可根據(jù)不同人的不同腰寬進行調(diào)節(jié)，實用性更強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明左部分下肢外骨骼助力機構與承載架的結構圖。

圖1A是本發(fā)明左部分下肢外骨骼助力機構與承載架的另一視角結構圖。

圖2是本發(fā)明腳單元的結構圖。

圖3是本發(fā)明小腿單元的結構圖。

圖3A是本發(fā)明小腿單元的分解圖。

圖3B是本發(fā)明小腿單元中小腿末端的分解圖。

圖3C是本發(fā)明小腿單元中踝關節(jié)的結構圖。

圖3D是本發(fā)明小腿單元中踝關節(jié)的分解圖。

圖4是本發(fā)明大腿單元的左視圖。

圖4A是本發(fā)明大腿單元的右視圖。

圖4B是本發(fā)明大腿單元的分解圖。

圖4C是本發(fā)明大腿單元中大腿的結構圖。

圖4D是本發(fā)明大腿單元中大腿末端的結構圖。

圖4E是本發(fā)明大腿單元中大腿末端的分解圖。

圖4F是本發(fā)明大腿單元中大腿遠端的結構圖。

圖4G是本發(fā)明大腿單元中大腿遠端的分解圖。

圖4H是本發(fā)明大腿單元中聯(lián)軸器的結構圖。

圖4I是本發(fā)明大腿單元中聯(lián)軸器與簧片配合的正視圖。

圖4J是本發(fā)明大腿單元中聯(lián)軸器的分解圖。

圖5是本發(fā)明腰部承載單元的結構圖。

圖5A是本發(fā)明腰部承載單元中背部連接件的結構圖。

圖5B是本發(fā)明腰部承載單元中調(diào)節(jié)部分的分解圖。

圖6是本發(fā)明左部分下肢外骨骼助力機構運動時的步態(tài)示意圖。

圖7是本發(fā)明單腿七自由度的示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

參見圖1、圖1A所示，本發(fā)明設計了一種下肢外骨骼助力機構，其包括有腰部承載單元1、大腿單元3、小腿單元4和腳單元7。根據(jù)人體關節(jié)進行劃分也可以分為髖關節(jié)單元2、膝關節(jié)單元5和踝關節(jié)單元6。腰部承載單元1與大腿單元3的固定安裝通過AA連接件1E和CE連接件3H的連接，大腿單元3與小腿單元4的固定安裝通過CB連接件3B和小腿調(diào)節(jié)桿4B的連接，小腿單元4與腳單元7的固定安裝通過小腿擺桿4G和踝關節(jié)軸7A的連接。本發(fā)明的下肢外骨骼助力機構為單腿七自由度的連桿仿生機構，采用三個液壓機構驅動。在人體步行過程中，大腿連桿3C在髖關節(jié)液壓機構3-1推動下配合髖關節(jié)柔性聯(lián)軸器3A完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動，小腿連桿4A在膝關節(jié)液壓機構3-2的推動下配合膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動，而腳單元7在踝關節(jié)液壓機構4C的推動下繞著DC轉軸4K完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動。

腰部承載單元1

參見圖1、圖1A、圖5所示，腰部承載單元1包括有A柔性束縛帶1A、B柔性束縛帶1B、鋁型材承載架1C、背部連接件1D、AA連接件1E、AB連接件1F、AA調(diào)節(jié)板1G、AB調(diào)節(jié)板1H、AA壓板1I和AB壓板1J。通過空間運動學以及動力學分析可知，腰部承載單元可實現(xiàn)與人體無干涉的配合，滿足人在不同路況下行走時對結構自由度(如圖7所示)的需求，以及有效提高了人的大負載、長時間步行效率。在本發(fā)明中，如圖7所示，本發(fā)明的助力機構具有7個自由度，即第一個自由度是坐標o₀-x₀y₀z₀、第二個自由度是坐標o₁-x₁y₁z₁、第三個自由度是坐標o₂-x₂y₂z₂、第四個自由度是坐標o₃-x₃y₃z₃、第五個自由度是坐標o₄-x₄y₄z₄、第六個自由度是坐標o₅-x₅y₅z₅和第七個自由度是坐標o₆-x₆y₆z₆。助力機構在運動時是以每個坐標的坐標原點進行的。

A柔性束縛帶1A的一端通過螺釘固定在AA調(diào)節(jié)板1G的AA通孔1G3處。B柔性束縛帶1B的一端通過螺釘固定在AB調(diào)節(jié)板1H的AB通孔1H3處。A柔性束縛帶1A的另一端與B柔性束縛帶1B的另一端通過卡扣活動連接，有利于捆綁或松開。A柔性束縛帶1A與B柔性束縛帶1B捆綁在人的腰部，從而使本發(fā)明助力機構的上部與人體形成一體，助力機構的下部通過腳單元7上的鞋綁帶7F與人體的腳捆綁，故捆綁結構可以采用常規(guī)方式。

鋁型材承載架1C為鋁型材搭接結構。鋁型材承載架1C用于放置承重物品，即本發(fā)明助力機構的電源、控制設備或其他負重(如需要人穿戴助力機構后背負的物品)等。

如圖5A所示，背部連接件1D上設有滑動盲孔槽1D1、AA螺紋孔1D2、AB螺紋孔1D3、AA凸臺1D4、AB凸臺1D5；所述AA凸臺1D4上設有多個AA凹槽1D41(用于放置AA壓板1I上的AA凸塊1I1)；所述AB凸臺1D5上設有多個AB凹槽1D51(用于放置AB壓板1J上的AB凸塊1J1)；所述AA螺紋孔1D2用于放置A螺釘1-1；所述AB螺紋孔1D3用于放置B螺釘1-2；AA壓板1I放置在AA凸臺1D4上，且AA壓板1I上的多個AA凸塊1I1置于AA凹槽1D41內(nèi)，并通過螺釘固定AA凸塊1I1，從而實現(xiàn)AA壓板1I與AA凸臺1D4的安裝；AB壓板1J放置在AB凸臺1D5上，且AB壓板1J上的多個AB凸塊1J1置于AB凹槽1D51內(nèi)，并通過螺釘固定AB凸塊1J1，從而實現(xiàn)AB壓板1J與AB凸臺1D5的安裝；在本發(fā)明中，AA壓板1I、AB壓板1J與背部連接件1D上的滑動盲孔槽1D1形成一間隙，該間隙用于插入AA調(diào)節(jié)板1G與AB調(diào)節(jié)板1H。A螺釘1-1的螺紋端穿過AA調(diào)節(jié)板1G上的AA限位槽1G2后螺紋連接在背部連接件1D的AA螺紋孔1D2中，從而實現(xiàn)AA調(diào)節(jié)板1G與背部連接件1D的安裝。B螺釘1-2的螺紋端穿過AB調(diào)節(jié)板1H上的AB限位槽1H2后螺紋連接在背部連接件1D的AB螺紋孔1D3中，從而實現(xiàn)AB調(diào)節(jié)板1H與背部連接件1D的安裝。

如圖5B所示，AA連接件1E與AB連接件1F的結構相同。AA連接件1E為L形，AA連接件1E的一端為AA面板1E1，AA連接件1E的另一端為AB面板1E2、AC面板1E3；AA面板1E1上設有用于C螺釘1-3穿過的AC通孔1E11，C螺釘1-3的螺紋端順次穿過AA調(diào)節(jié)板1G上的AA沉頭通孔1G1、AA連接件1E上的AC通孔1E11、鋁型材承載架1C上的一通孔后螺紋連接上A螺母1-5，通過C螺釘1-3與A螺母1-5的配合，達到AA連接件1E、AA調(diào)節(jié)板1G和鋁型材承載架1C三者的固定；AB面板1E2上設有用于安裝萬向聯(lián)軸器的AD通孔1E21，所述萬向聯(lián)軸器選用佛山市南海區(qū)厚哲傳動器材有限公司生產(chǎn)的SWC/WD型整體叉頭十字軸萬向聯(lián)軸器。萬向聯(lián)軸器上的CA轉軸3-3用于與髖關節(jié)液壓機構的一端連接；AC面板1E3上設有用于E螺釘1-7(如圖4F、圖4G所示)穿過的AE通孔1E31。AB連接件1F為L形，AB連接件1F的一端為AD面板1F1，AB連接件1F的另一端為AE面板1F2、AF面板1F3。在本發(fā)明中，AA連接件1E與AB連接件1F是對稱設置在鋁型材承載架1C兩側的，也就是說，通過AA連接件1E能夠連接人身體左邊的腿部助力機構，AB連接件1F能夠連接人身體右邊的腿部助力機構。左邊腿部助力機構與右邊腿部助力機構是相同的，為了簡易裝配，故未在鋁型材承載架1C左右兩側裝配出腿部助力機構，僅示出了左邊腿部助力機構，如圖1、圖1A所示。

如圖5B所示，AA調(diào)節(jié)板1G與AB調(diào)節(jié)板1H的結構相同。AA調(diào)節(jié)板1G的外端設有AA沉頭通孔1G1，AA沉頭通孔1G1用于C螺釘1-3穿過；AA調(diào)節(jié)板1G的里端設有AA限位槽1G2，A螺釘1-1在該AA限位槽1G2內(nèi)滑動，通過滑動A螺釘1-1在AA限位槽1G2中的位置，能夠實現(xiàn)調(diào)節(jié)AA調(diào)節(jié)板1G在背部連接件1D上的安裝位置。AA調(diào)節(jié)板1G上設有用于固定A柔性束縛帶1A一端的AA通孔1G3，通過在AA通孔1G3中安裝螺釘并螺紋連接螺母，實現(xiàn)A柔性束縛帶1A的一端與AA調(diào)節(jié)板1G的固定。AB調(diào)節(jié)板1H的外端設有AB沉頭通孔1H1，AB沉頭通孔1H1用于D螺釘1-4穿過；AB調(diào)節(jié)板1H的里端設有AB限位槽1H2，B螺釘1-2在該AB限位槽1H2內(nèi)滑動，通過滑動B螺釘1-2在AB限位槽1H2中的位置，能夠實現(xiàn)調(diào)節(jié)AB調(diào)節(jié)板1H在背部連接件1D上的安裝位置。AB調(diào)節(jié)板1H上設有用于固定B柔性束縛帶1B一端的AB通孔1H3，通過在AB通孔1H3中安裝螺釘并螺紋連接螺母，實現(xiàn)B柔性束縛帶1B的一端與AB調(diào)節(jié)板1H的固定。

如圖5B所示，AA壓板1I與AB壓板1J的結構相同。AA壓板1I上設有多個AA凸塊1I1(每個所述AA凸塊1I1上設有通孔)，AA凸塊1I1置于背部連接件1D的AA凸臺1D4的AA凹槽1D41(所述AA凹槽1D41內(nèi)設有螺紋孔，通過螺釘穿過通孔后螺紋連接在螺紋孔中，螺釘、通孔、螺紋孔這三者的固定為常規(guī)手段)內(nèi)，AA壓板1I置于背部連接件1D的AA凸臺1D4上。AB壓板1J上設有多個AB凸塊1J1(每個所述AB凸塊1J1上設有通孔)，AB凸塊1J1置于背部連接件1D的AB凸臺1D5的AB凹槽1D51(所述AB凹槽1D51內(nèi)設有螺紋孔，通過螺釘穿過通孔后螺紋連接在螺紋孔中，螺釘、通孔、螺紋孔這三者的固定為常規(guī)手段)內(nèi)，AB壓板1J置于背部連接件1D的AB凸臺1D5上。

大腿單元3

參見圖1、圖1A、圖4、圖4A、圖4B所示，大腿單元3包括有大腿連桿3C、大腿調(diào)節(jié)桿3K、髖關節(jié)聯(lián)軸器3A、膝關節(jié)聯(lián)軸器3B、髖關節(jié)液壓機構3-1、膝關節(jié)液壓機構3-2、連接件(3D、3E、3H)和轉軸(3-3、3-4、3-5、3-6、3J)。在本發(fā)明中，通過運動學與動力學分析可知，大腿單元結構布局合理，其功能既滿足大負載運動時對結構的強度要求，還可根據(jù)人的不同身高進行大腿長度調(diào)整，并具有一定的舒適性。

如圖4H、圖4I、圖4J所示，髖關節(jié)聯(lián)軸器3A包括有CA簧片組3A-1、CA殼體3A1、CB殼體3A2、CC殼體3F、CD殼體3G、CA內(nèi)環(huán)端蓋3A3、CA外環(huán)端蓋3A5、CA外環(huán)3A7、CA內(nèi)環(huán)3A9、CB簧片組3A-2、CB內(nèi)環(huán)端蓋3A4、CB外環(huán)端蓋3A6、CB外環(huán)3A8和CB內(nèi)環(huán)3A10。在本發(fā)明中，髖關節(jié)聯(lián)軸器3A是以內(nèi)環(huán)(3A9、3A10)對稱設置的，由于單個簧片(CA簧片3A-11、CB簧片3A-12、CC簧片3A-13和CD簧片3A-14)共形后構成圓形布局，故圖4I中示意為一個圓形的CA簧片組3A-1。

CA內(nèi)環(huán)3A9與CB內(nèi)環(huán)3A10結構相同。CA內(nèi)環(huán)3A9的環(huán)體外環(huán)上設有四個錐形外凸起，即CA錐形外凸起3A9A、CB錐形外凸起3A9B、CC錐形外凸起3A9B和CD錐形外凸起3A9D。CB內(nèi)環(huán)3A10的環(huán)體外環(huán)上設有四個錐形外凸起，即CE錐形外凸起3A10A、CF錐形外凸起3A10B、CG錐形外凸起3A10B和CH錐形外凸起3A10D。CA內(nèi)環(huán)3A9與CB內(nèi)環(huán)3A10上設置的每個錐形外凸起上設有用于銷釘3A-3穿過的通孔，通過銷釘與通孔的配合實現(xiàn)CA內(nèi)環(huán)3A9與CB內(nèi)環(huán)3A10固定。

CA外環(huán)3A7與CB外環(huán)3A8的結構相同。CA外環(huán)3A7的環(huán)體內(nèi)環(huán)上設有四個錐形內(nèi)凸起，即CA錐形內(nèi)凸起3A7A、CB錐形內(nèi)凸起3A7B、CC錐形內(nèi)凸起3A7C和CD錐形內(nèi)凸起3A7D。CB外環(huán)3A8的環(huán)體內(nèi)環(huán)上設有四個錐形內(nèi)凸起，即CE錐形內(nèi)凸起3A8A、CF錐形內(nèi)凸起3A8B、CG錐形內(nèi)凸起3A8C和CH錐形內(nèi)凸起3A8D。CA外環(huán)3A7上設置的每個錐形內(nèi)凸起上設有用于A螺釘3A-5(如圖4所示)穿過的螺紋孔。CB外環(huán)3A8上設置的每個錐形內(nèi)凸起上設有用于B螺釘3A-4穿過的螺紋孔。

參見圖4H、圖4I、圖4J所示，CA外環(huán)3A7的環(huán)體外環(huán)上設有CA限位凸塊3A7E和CB限位凹槽3A7F，CA限位凸塊3A7E插接在CA限位凹槽3A5A中。CB外環(huán)3A8的環(huán)體外環(huán)上設有CB限位凸塊3A8E。CB限位凸塊3A8E插接在CB限位凹槽3A7F中。

CA外環(huán)端蓋3A5與CB外環(huán)端蓋3A6的結構相同。CA外環(huán)端蓋3A5的環(huán)體外環(huán)上設有CA限位凹槽3A5A。CA限位凹槽3A5A內(nèi)安裝有CA限位凸塊3A7E，CB限位凹槽3A7F內(nèi)安裝有CB限位凸塊3A8E。

CA殼體3A1與CB殼體3A2的結構相同。CA殼體3A1的一端為CA弧形連接板3A1A；CA殼體3A1的另一端為CA圓形連接板3A1B，CA圓形連接板3A1B上設有CS通孔3A1B1，通過放置C螺釘3A-5在CS通孔3A1B1中實現(xiàn)CA圓形連接板3A1B與CA外環(huán)端蓋3A5的固定安裝。CB殼體3A2的一端為CB弧形連接板3A2A；CB殼體3A2的另一端為CB圓形連接板3A2B，CB圓形連接板3A2B上設有CU通孔3A2B1，通過放置B螺釘3A-4在CU通孔3A2B1中實現(xiàn)CB圓形連接板3A2B與CB外環(huán)端蓋3A6的固定安裝。CA弧形連接板3A1A與CB弧形連接板3A2A之間放置有大腿調(diào)節(jié)桿3K的CA連接塊3K1，通過CA螺釘3A-1與螺母配合實現(xiàn)CA殼體3A1、CB殼體3A2與大腿調(diào)節(jié)桿3K的固定安裝。

如圖4F、圖4G所示，CC殼體3F與CD殼體3G結構相同，屬于髖關節(jié)聯(lián)軸器的上外殼部分。CC殼體3F的一端是CC安裝面板3F1，CC安裝面板3F1與CE轉軸3J的CF安裝面板3J1通過螺釘與螺母配合固定安裝；CC殼體3F的另一端是CC圓端軸接體3F2，CC圓端軸接體3F2的中部是CL通孔3F21，CL通孔3F21處安裝有CA內(nèi)環(huán)端蓋3A3。CD殼體3G的一端是CD安裝面板3G1，CD安裝面板3G1與CE轉軸3J的CF安裝面板3J1通過螺釘與螺母配合固定安裝；CD殼體3G的另一端是CD圓端軸接體3G2，CD圓端軸接體3G2的中部是CM通孔3G21，CM通孔3G21處安裝有CB內(nèi)環(huán)端蓋3A4。

在本發(fā)明中，在完成步驟(A)～(E)后完成對髖關節(jié)聯(lián)軸器3A的裝配，即：

(A)、CA內(nèi)環(huán)3A9與CB內(nèi)環(huán)3A10通過銷釘3A-3固定形成內(nèi)部預成型件；

(B)、CA外環(huán)3A7上的CA限位凸塊3A7E卡合在CA外環(huán)端蓋3A5的CA限位凹槽3A5A中；再用A螺釘3A-5的一端順次穿過CA殼體3A1的CA圓形連接板3A1B上的通孔、CA外環(huán)端蓋3A5上的通孔后螺紋連接在CA外環(huán)3A7的錐形內(nèi)凸起上，形成A部分；

(C)、B螺釘3A-4的一端順次穿過CB殼體3A2的CB圓形連接板3A2B上的通孔、CB外環(huán)端蓋3A6上的通孔后螺紋連接在CB外環(huán)3A8的錐形內(nèi)凸起上，形成B部分；

(D)、將內(nèi)部預成型件置入A部分中，并順次放入CA簧片組3A-1、CB簧片3A-12后，將B部分插入，且使CB外環(huán)3A8上的CB限位凸塊3A8E卡合在CA外環(huán)3A7的CB限位凹槽3A7F中；

(E)、通過C螺釘3A-7的一端順次穿過CC殼體3F上的CL通孔3F21后螺紋連接在CA內(nèi)環(huán)端蓋3A3的螺紋孔中，且C螺釘3A-1的一端端面與CA內(nèi)環(huán)3A9頂緊；通過D螺釘3A-6的一端順次穿過CD殼體3G上的CN通孔3G21后螺紋連接在CB內(nèi)環(huán)端蓋3A4的螺紋孔中，且D螺釘3A-6的一端端面與CB內(nèi)環(huán)3A10頂緊。

如圖4、圖4A所示，膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B采用日本椿本公司生產(chǎn)的型號為P710008的柔性聯(lián)軸器。所述膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B的膝關節(jié)轉軸3B-1與CA連接件3D和CB連接件3E連接。

如圖4C所示，大腿連桿3C的下端為CA連接面板3C4，CA連接面板3C4上設有CC通孔3C41。大腿連桿3C的上端設有CA支臂3C1、CB支臂3C2、CA側支臂3C5、CB側支臂3C6、CC側支臂3C7、CD側支臂3C8，所述CA支臂3C1與所述CB支臂3C2之間是用于放置大腿調(diào)節(jié)桿3K的CA調(diào)節(jié)塊3K2的U形叉3C3。CA支臂3C1上設有CA沉頭孔3C11、CB沉頭孔3C12，CB支臂3C2上設有CA通孔3C21、CB通孔3C22。CA沉頭孔3C11與CA通孔3C21中安裝有CA承載螺釘3C1-1，CB沉頭孔3C12與CB通孔3C22中安裝有CB承載螺釘3C1-2。CA側支臂3C5位于CA支臂3C1的上端端部，且CA側支臂3C5上設有CA軸孔3C51。CB側支臂3C6位于CB支臂3C2的上端端部，且CB側支臂3C6上設有CB軸孔3C61。CA軸孔3C51與CB軸孔3C61中安裝有CD轉軸3-4。CC側支臂3C7位于CA支臂3C1的中部，且CC側支臂3C7上設有CC軸孔3C71。CD側支臂3C8位于CB支臂3C2的中部，且CD側支臂3C8上設有CD軸孔3C81。CC軸孔3C71與CD軸孔3C81中安裝有CC轉軸3-5。

如圖4B所示，大腿調(diào)節(jié)桿3K的上端是CA連接塊3K1，大腿調(diào)節(jié)桿3K的下端是CA調(diào)節(jié)塊3K2。CA連接塊3K1上設有用于CA螺釘3A-1穿過的CF通孔3K11，通過CA螺釘3A-1與螺母的配合實現(xiàn)CA連接塊3K1與髖關節(jié)聯(lián)軸器3A的CA殼體3A1、CB殼體3A2的固定安裝，即髖關節(jié)聯(lián)軸器3A的CA殼體3A1與CB殼體3A2之間是大腿調(diào)節(jié)桿3K的CA連接塊3K1，并通過CA螺釘3A-1與螺母的配合實現(xiàn)安裝。CA調(diào)節(jié)塊3K2上設有用于CA承載螺釘3C1-1穿過的CD通孔3K21、CB承載螺釘3C1-2穿過的CE通孔3K22。為了實現(xiàn)大腿的調(diào)節(jié)，大腿調(diào)節(jié)桿3K與大腿連桿3C的連接選用CA承載螺釘3C1-1或CB承載螺釘3C1-2與大腿調(diào)節(jié)桿3K上的CD通孔3K21或CE通孔3K22與大腿連桿3C是的通孔與沉頭孔的配合。

如圖4B、圖4D、圖4E所示，CA連接件3D的一端是CA安裝面板3D1，CA安裝面板3D1與大腿連桿3C的CA連接面板3C4通過螺釘與螺母配合固定安裝；CA連接件3D的另一端是CA圓端軸接體3D2，CA圓端軸接體3D2的中部是CH通孔3D21，CA圓端軸接體3D2上設有用于安裝膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B的CE轉軸3B-1一端的環(huán)形盲孔腔3D22。

如圖4B、圖4D、圖4E所示，CB連接件3E的一端是CB安裝面板3E1，CB安裝面板3E1與小腿調(diào)節(jié)桿4B的DA連接塊4B1通過DA螺釘4A-2與螺母配合固定安裝；CB連接件3E的另一端是CB圓端軸接體3E2，CB圓端軸接體3E2的中部是CJ通孔3E21，所述CJ通孔3E21用于膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B的CE轉軸3B-1的一端穿過。CB圓端軸接體3E2上的凸起與膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B的內(nèi)圈嚙合。

如圖4F、圖4G所示，CE連接件3H的一端是CE安裝面板3H1，CE安裝面板3H1與AA連接件1E的AC面板1E3通過E螺釘1-7與螺母的配合固定安裝；CE連接件3H的另一端是CE圓端軸接體3H2，CE圓端軸接體3H2的中部是CP通孔3H21，CP通孔3H21用于放置CE轉軸3J的CA圓柱軸段3J2，并在CE圓端軸接體3H2的上端面上固定CA壓蓋3I。

如圖4F、圖4G所示，CE轉軸3J的一端是CF安裝面板3J1，CF安裝面板3J1置于髖關節(jié)聯(lián)軸器3A的CC殼體3F與CD殼體3G之間，并通過螺釘與螺母的配合固定安裝；CE轉軸3J的另一端是CA圓柱軸段3J2，CA圓柱軸段3J2置于CE連接件3H的CE圓端軸接體3H2的CP通孔3H21內(nèi)。

小腿單元4

參見圖1、圖1A、圖3、圖3A、圖3B、圖3C、圖3D所示，小腿單元4包括有小腿連桿4A、小腿調(diào)節(jié)桿4B、踝關節(jié)液壓機構4C、DA轉軸4D、DB轉軸4E、小腿套筒4F、小腿擺桿4G、踝關節(jié)限位DA卡扣4H、踝關節(jié)限位DB卡扣4I、DA軸承4J、DC轉軸4K。在本發(fā)明中，通過運動學與動力學分析，小腿單元結構布局合理，其功能既滿足大負載運動時對結構的強度要求，還可根據(jù)人的不同身高進行小腿長度調(diào)整，并具有一定的舒適性。

如圖3A、圖3B、圖3C、圖3D所示，DC轉軸4K的軸體上設有DA弧形凸塊4K1和DC轉軸軸盤4K2。所述DA弧形凸塊4K1置于小腿連桿4A的圓端軸接體4A5的DA弧形凹槽4A51中。所述DC轉軸軸盤4K2上設有DE通孔4K21。DC轉軸4K的一端置于小腿連桿4A的圓端軸接體4A5的DD通孔4A54內(nèi)，DC轉軸4K的另一端置于小腿套筒4F的DH通孔4F3內(nèi)，且DC轉軸軸盤4K2與小腿套筒4F的DA圓環(huán)凸臺4F5接觸，并通過DA螺釘4K-1固定，即DA螺釘4K-1的一端穿過DE通孔4K21后螺紋連接在小腿套筒4F的DA螺紋孔4F4中，從而實現(xiàn)DC轉軸4K與小腿套筒4F的固定。

如圖3A、圖3B所示，踝關節(jié)限位DA卡扣4H的一端設有DA卡扣凸臺4H1。踝關節(jié)限位DB卡扣4I的一端設有DB卡扣凸臺4I1。所述DA卡扣凸臺4H1與所述DB卡扣凸臺4I1接合后是一個圓環(huán)凸臺，該圓環(huán)凸臺置于小腿連桿4A的圓端軸接體4A5的DD通孔4A54內(nèi)，且與弧形凸臺4A52接觸。DC轉軸4K的軸體上的DA弧形凸塊4K1置于DA弧形凹槽4A51內(nèi)。踝關節(jié)限位DA卡扣4H與踝關節(jié)限位DB卡扣4I通過螺釘固定在小腿連桿4A的圓端軸接體4A5上。在本發(fā)明中，所述圓環(huán)凸臺壓緊DC轉軸4K的DA弧形凸塊4K1從而實現(xiàn)DC轉軸4K與小腿連桿4A的圓端軸接體4A5的連接。

如圖3A、圖3C、圖3D所示，小腿擺桿4G的一端設有DB弧形凸塊4G1，小腿擺桿4G的另一端設有DG通孔4G2。DB弧形凸塊4G1置于小腿套筒4F的DB弧形凹槽4F2內(nèi)，且通過一軸卡扣卡緊(結構與GA軸卡扣7A4相同)。DG通孔4G2用于放置DA軸套7A1，且DA軸套7A1套接在踝關節(jié)軸7A上。

如圖3A、圖3C、圖3D所示，小腿套筒4F的中部是DF通孔4F1，DF通孔4F1的一端設有DB弧形凹槽4F2；小腿套筒4F的筒體上設有DA圓環(huán)凸臺4F5、DH通孔4F3，所述DA圓環(huán)凸臺4F5上設有DA螺紋孔4F4。DF通孔4F1用于小腿擺桿4G的一端穿過，且小腿擺桿4G的DB弧形凸塊4G1置于DB弧形凹槽4F2內(nèi)。DA圓環(huán)凸臺4F5與DC轉軸4K的DC轉軸軸盤4K2接觸，且通過DA螺釘4K-1固定。DH通孔4F3用于放置DC轉軸4K的另一端。

如圖3A所示，DB轉軸4E的一端設有DB轉軸軸柄4E1，且DB轉軸軸柄4E1上設有DI通孔4E2。DI通孔4E2用于踝關節(jié)軸7A穿過，穿過DI通孔4E2后的踝關節(jié)軸7A上套接有GA軸卡扣7A4。通過在踝關節(jié)軸7A上安裝GA軸卡扣7A4來阻止踝關節(jié)軸7A沿自身的軸向方向的運動。

如圖3、圖3A所示，小腿連桿4A的上端設有DA支臂4A1、DB支臂4A2，且DA支臂4A1與DB支臂4A2之間是用于放置小腿調(diào)節(jié)桿4B的DA調(diào)節(jié)塊4B2的U形叉4A3。DA支臂4A1上設有DA沉頭孔4A11，DB支臂4A2上設有DA通孔4A21。所述DB支臂4A2的外側面板上固定有DA凸耳4A4，DA凸耳4A4用于固定DA轉軸4D，且DA轉軸4D套接在踝關節(jié)液壓機構4C的上端。小腿連桿4A的下端為圓端軸接體4A5，圓端軸接體4A5上設有用于DC轉軸4K穿過的DD通孔4A54，且DD通孔4A54的一端面為DA沉頭腔4A53，DA沉頭腔4A53用于放置DA軸承4J，DD通孔4A54的另一端面為弧形凹槽4A51和弧形凸臺4A52。DC轉軸4K的一端穿過小腿連桿4A的圓端軸接體4A5的DD通孔4A54后套接上DA軸承4J，且DC轉軸4K上的弧形凸塊4K1位于弧形凹槽4A51內(nèi)，然后通過對接后的踝關節(jié)限位DA卡扣4H與踝關節(jié)限位DB卡扣4I壓緊，踝關節(jié)限位DA卡扣4H與踝關節(jié)限位DB卡扣4I通過螺釘固定在小腿連桿4A的圓端軸接體4A5上。

如圖3、圖3A所示，小腿調(diào)節(jié)桿4B的上端是DA連接塊4B1，小腿調(diào)節(jié)桿4B的下端是DA調(diào)節(jié)塊4B2。DA連接塊4B1上設有用于DA螺釘4A-2穿過的DB通孔4B11。DA調(diào)節(jié)塊4B2上設有用于DA承載螺釘4A-1穿過的DC通孔4B21。

腳單元7

參見圖1、圖1A、圖2所示，腳單元7由踝關節(jié)軸7A、A鉸鏈7B、B鉸鏈7C、踝連接件7D、鞋板7E和鞋綁帶7F組成。在本發(fā)明中，通過運動學與動力學分析，腳單元作為末端執(zhí)行器可實現(xiàn)人的步態(tài)規(guī)劃，便于結構控制。

踝關節(jié)軸7A上設有螺紋和GA軸卡槽7A5，螺紋處連接有GA軸套7A1，GA軸卡槽7A5上套接有GA軸卡扣7A4，GA軸卡扣7A4有利于阻止踝關節(jié)軸7A從DB轉軸4E上滑落。所述GA軸套7A1的外部活動套接有小腿擺桿4G的一端。由于在踝關節(jié)軸7A上連接GA軸套7A1后，使得將踝關節(jié)軸7A分為GA軸段7A2和GB軸段7A3，所述GA軸段7A2上用于連接A鉸鏈7B，所述GB軸段7A3上用于連接B鉸鏈7C。

A鉸鏈7B上設有GA通孔7B1和GA連接塊7B2，GA通孔7B1用于放置踝關節(jié)軸7A的GA軸段7A2，GA連接塊7B2用于與踝連接件7D的GA枝板7D1連接。

B鉸鏈7C上設有GB通孔7C1和GB連接塊7C2，GB通孔7C1用于放置踝關節(jié)軸7A的GB軸段7A3，GB連接塊7C2用于與踝連接件7D的GB枝板7D2連接。

踝連接件7D上設有GA枝板7D1、GB枝板7D2和GC枝板7D3，GA枝板7D1通過螺釘用于與GA連接塊7B2固定，GB枝板7D2通過螺釘用于與GB枝板7D2固定，GC枝板7D3通過螺釘用于與腳板7E上的腳側板7E1固定。

腳板7E上設有鞋綁帶7F，通過鞋綁帶7F實現(xiàn)將人體的腳捆綁在腳板7E上。

在本發(fā)明中，所述GA軸套7A1在踝關節(jié)軸7A上能夠實現(xiàn)繞踝關節(jié)軸7A轉動。用于實現(xiàn)為階梯軸結構，踝關節(jié)軸7A

髖關節(jié)單元2

參見圖1、圖1A、圖2所示，髖關節(jié)單元2是由髖關節(jié)柔性聯(lián)軸器3A、CE轉軸3J、大腿調(diào)節(jié)桿3K構成。

膝關節(jié)單元5

參見圖1、圖1A、圖5所示，膝關節(jié)單元5由膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B、小腿調(diào)節(jié)桿4B和大腿連桿3C構成。

踝關節(jié)單元6

參見圖1、圖1A、圖6所示，踝關節(jié)單元6由小腿連桿4A、DA軸承4J、踝關節(jié)限位卡扣(4H、4I)、DC轉軸4K、小腿套筒4F、小腿擺桿4G、DB轉軸4E、踝關節(jié)軸7A構成。

本發(fā)明下肢外骨骼助力機構的運動過程：

人體步行過程中，步行周期可分為支撐期與擺動期。在支撐期左條腿由腳跟著地過渡到全腳支撐，再到腳跟離地，右腿配合左腿運動，該過程中左腿的外骨骼結構，其髖關節(jié)液壓機構3-1驅動大腿連桿3C，配合髖關節(jié)柔性聯(lián)軸器3A在矢狀面內(nèi)屈伸運動；膝關節(jié)液壓機構3-2驅動CD轉軸3-6，使得小腿單元配合膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B在矢狀面內(nèi)逐漸向身后屈伸，踝關節(jié)液壓機構3-3驅動腳單元，使其繞DC轉軸4K在矢狀面內(nèi)屈伸運動。然后人體步態(tài)運動過渡到擺動期，此時左腿由腳跟離地到完全離開地面，再到腳跟著地，右腿配合人體運動。該過程中，左條腿的外骨骼結構，其髖關節(jié)液壓機構3-1驅動大腿連桿3C，配合髖關節(jié)柔性聯(lián)軸器3A在矢狀面內(nèi)由后向前屈伸運動；膝關節(jié)液壓機構3-2驅動CD轉軸3-6，使得小腿單元配合膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器3B在矢狀面內(nèi)逐漸由后向前屈伸，踝關節(jié)液壓機構3-3驅動腳單元，使其繞DC轉軸4K在矢狀面內(nèi)屈伸運動。之后人體步態(tài)運動再次重復支撐期的運動。

本發(fā)明設計了一種下肢外骨骼助力機構，所要解決的是如何緩解人在大負載和長時間行走情況下極易出現(xiàn)的疲勞的問題，本發(fā)明下肢外骨骼助力機構為單腿七自由度的連桿仿生機構，采用三個液壓機構驅動。在人體步行過程中，大腿連桿在液壓機構3-1推動下配合髖關節(jié)柔性聯(lián)軸器完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動，小腿連桿在液壓機構3-2的推動下配合膝關節(jié)柔性聯(lián)軸器完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動，而腳單元在液壓機構4C的推動下繞著DC轉軸4K完成矢狀面內(nèi)的屈伸運動。當人穿戴上本發(fā)明的助力機構后能夠大大增強人的負載能力、行走速度及運動范圍的技術效果。