本实用新型涉及一种穿戴设备，尤其涉及一种刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼。
背景技术：
外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学与人机工效学的机械装置。其可穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的能力。未来，可穿戴外骨骼机器人将在康复医疗、军事及民用等领域广泛应用，极大改善人们的生活。
目前，外骨骼从类型上可分为刚性机械外骨骼和柔性外骨骼，两者对比来看，刚性外骨骼的输出功率大，负重效果更好，主要作为助力装置，而柔性外骨骼的穿戴舒适性好，整机重量更小，整机响应速度快，不易造成人体损伤，但输出功率低，更多用于人体助行。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述实用新型目的，本实用新型提供一种刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其包括：左腿外骨骼和右腿外骨骼，所述左腿外骨骼和右腿外骨骼中的任一个包括：大腿杆、小腿杆、柔性膝关节、膝鲍登线、膝鲍登线卷筒、膝关节驱动电机、踝鲍登线、踝鲍登线卷筒、踝驱动电机；
所述大腿杆的一端通过所述柔性膝关节与所述小腿杆的一端传动连接，所述膝鲍登线一端缠绕于所述膝鲍登线卷筒上，另一端延伸至所述柔性膝关节处，且所述膝鲍登线与大腿杆之间通过锚点固定连接，所述膝关节驱动电机驱动所述膝鲍登线卷筒进行轴向自转，所述踝鲍登线线一端缠绕于所述踝鲍登线卷筒上，另一端延伸至所述小腿杆的一端，且所述踝鲍登线与小腿杆之间通过锚点固定连接，所述踝驱动电机驱动所述踝鲍登线卷筒进行轴向自转。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，所述膝鲍登线和踝鲍登线均包括：钢绳以及套装于所述钢绳上的套管。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，所述膝鲍登线通过分布于所述大腿杆两端以及中间的三个锚点与大腿杆相连接。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，所述通过分布于所述小腿杆中间的一个锚点与小腿杆相连接。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，所述柔性膝关节包括至少两个铰链结构，至少两个铰链结构依次连接形成所述柔性膝关节。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，任一铰链结构包括：连接片组件、钢绳滑轮、限位片；
所述连接片组件包括：相对设置的左片和右片、位于左片和右片之间的骨片，所述骨片为一矩形片，其一端上边缘形成上接触面，下边缘形成下接触面，所述上接触面和下接触面为逐渐靠拢的弧形面，所述左片和右片一端的上边缘为向上凸伸的弧形面，下边缘为向上凹陷的与所述弧形面相仿型的凹形面，所述钢绳滑轮通过所述限位片枢转连接于所述左片和右另一端，所述左片和右片向上凸伸的部分通过一定位销相连接。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，任一铰链结构中，所述骨片上还开设有弧形的滑槽，相邻铰链结构的左片和右片之间的定位销贯穿所述滑槽，并在变力矩柔性膝关节结构弯曲时，沿所述滑槽进行滑动。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，所述可穿戴助力外骨骼还包括：大腿姿态传感器、膝拉力传感器、小腿姿态传感器、踝角度传感器、鞋底传感器；
所述大腿姿态传感器固定于所述大腿杆上，所述膝拉力传感器与所述膝鲍登线的另一端相连接，所述小腿姿态传感器固定于所述小腿杆上，所述踝角度传感器固定于小腿杆的踝关节屈伸转动处，所述鞋底传感器固定于与所述小腿杆另一端相连接的鞋底的底面上。
作为本实用新型的可穿戴助力外骨骼的改进，所述大腿杆和小腿杆上还设置有用于传感器安装的绑缚板。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过刚柔混合的方式，能够在人体下肢关节处通过柔性可变铰链结构配合大小腿的刚性腿杆结构，形成刚柔混合的支架系统，极大降低系统的运动部分机构惯性，同时实现下肢结构的体积缩减。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼的立体示意图；
图2为图1中膝鲍登线或踝鲍登线的结构示意图；
图3为本实用新型的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼中柔性膝关节的立体示意图；
图4为图3中柔性膝关节中部分结构的平面放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。
本实用新型的技术构思为：现有的可穿戴外骨骼大体分为刚性外骨骼与柔性外骨骼，但是各有缺点，如刚性外骨骼具有穿戴舒适性差、下肢运动惯性大导致的整机响应速度差及机动性差、整机重量过大、膝关节大多为单轴关节不符合人体膝关节运动形式等缺点；柔性外骨骼具有输出功率低、负重能力差等缺点。而本实用新型刚柔混合驱动装置能够实现穿戴者大负重，穿戴舒适性好，具有柔性膝关节，符合人体运动特征。
如图1-4所示，本实用新型一实施例提供一种刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其包括：大腿杆1、小腿杆2、柔性膝关节3、膝鲍登线4、膝鲍登线卷筒5、膝关节驱动电机6、踝鲍登线7、踝鲍登线卷筒8、踝驱动电机9。
所述大腿杆1和小腿杆2形成支撑人体大腿和小腿的刚性结构，所述大腿杆1的一端通过所述柔性膝关节3与所述小腿杆2的一端传动连接。
所述膝鲍登线4一端缠绕于所述膝鲍登线卷筒5上，另一端延伸至所述柔性膝关节3处，且所述膝鲍登线4与大腿杆1之间通过锚点4-1固定连接。所述膝关节驱动电机6驱动所述膝鲍登线卷筒5进行轴向自转。
本实施例中，所述膝鲍登线4包括：钢绳41以及套装于所述钢绳41上的套管42。此时，所述膝鲍登线4通过分布于所述大腿杆1两端以及中间的三个锚点4-1与大腿杆1相连接。其中，其中一个锚点4-1与膝鲍登线4的套管42的一端相连接，另一个锚点4-1与膝鲍登线4的套管42的另一端相连接，同时套管42经过中间的锚点4-1。
所述踝鲍登线7线一端缠绕于所述踝鲍登线卷筒8上，另一端延伸至所述小腿杆2的一端，且所述踝鲍登线7与小腿杆2之间通过锚点7-2固定连接，所述踝驱动电机9驱动所述踝鲍登线卷筒8进行轴向自转。
本实施例中，所述踝鲍登线7包括：钢绳71以及套装于所述钢绳71上的套管72。此时，所述通过分布于所述小腿杆2中间的一个锚点7-2与小腿杆2相连接。具体地，所述踝鲍登线7的套管72末端与该锚点相连接。
所述柔性膝关节3形成本实施例中可穿戴助力外骨骼的柔性部分，所述柔性膝关节3包括至少两个铰链结构，至少两个铰链结构依次连接形成所述柔性膝关节3。任一铰链结构包括：连接片组件31、钢绳滑轮32、限位片33。
其中，所述连接片组件31包括：相对设置的左片311和左片312、位于左片311和左片312之间的骨片313，所述骨片313为一矩形片，其一端上边缘形成上接触面3131，下边缘形成下接触面3132，所述上接触面3131和下接触面3132为逐渐靠拢的弧形面，所述左片311和左片312一端的上边缘为向上凸伸的弧形面，下边缘为向上凹陷的与所述弧形面相仿型的凹形面，所述钢绳滑轮32通过所述限位片33枢转连接于所述左片311和右另一端，所述左片311和左片312向上凸伸的部分通过一定位销34相连接。
为了实现连接片组件31中相邻铰链的联动连接，任一铰链结构中，所述骨片313上还开设有弧形的滑槽3133，相邻铰链结构的左片311和左片312之间的定位销34贯穿所述滑槽3133，并在变力矩柔性膝关节3结构弯曲时，沿所述滑槽3133进行滑动。此外，所述限位片33一端凸伸于所述钢绳滑轮32设置，所述限位片33的凸伸部分与钢绳滑轮32之间形成鲍登线的走线空间35。
为了感知人体的工作，并辅助人体的运动，所述可穿戴助力外骨骼还包括：大腿姿态传感器10、膝拉力传感器11、小腿姿态传感器12、踝角度传感器13、鞋底传感器14、踝拉力传感器15。
其中，所述大腿姿态传感器10固定于所述大腿杆1上，所述膝拉力传感器11与所述膝鲍登线4的另一端相连接，所述小腿姿态传感器12固定于所述小腿杆2上，所述踝角度传感器13固定于小腿杆2的踝关节屈伸转动处，所述鞋底传感器14固定于与所述小腿杆2另一端相连接的鞋底的底面上。所述踝拉力传感器15安装于小腿杆2上。此外，为了便于传感器的安装固定，所述大腿杆1和小腿杆2上还设置有用于传感器安装的绑缚板16。
从而，各传感器得知人体膝关节需要屈曲或伸展时，膝驱动电机顺时针旋转，带动膝鲍登线卷筒5顺时针旋转，以此拉紧膝鲍登线4。当通过各传感器判断人体处于支撑相时，此时需要提供一个较大力使膝关节绷紧，以绷紧膝关节，来帮助人体实现负重传递功能。
当通过各传感器判断人体处于摆动相时，此时需要实现关节驱动跟随，即柔性膝关节3屈曲需要跟随上人体膝关节屈曲，此时要求膝鲍登线4中的钢绳41有一定的预紧力，否则会影响关节运动。为此，通过实时获取膝拉力传感器11的拉力信号，可通过膝驱动电机控制扭矩，以此实现钢绳41的一定预紧力，进而实现运动跟随功能。
进一步地，与膝关节驱动方式类似，当通过各传感器感知人体踝关节需要跖屈或者背伸时，踝驱动电机9带动踝鲍登线卷筒8逆时针旋转拉紧踝鲍登线7，以此实时提供不同人体步态相时的电机扭矩值大小，来分别提供负重传递功能和运动跟随功能。
综上所述，本实用新型通过刚柔混合的方式，能够在人体下肢关节处通过柔性可变铰链结构配合大小腿的刚性腿杆结构，形成刚柔混合的支架系统，极大降低系统的运动部分机构惯性，同时实现下肢结构的体积缩减。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述可穿戴助力外骨骼包括：左腿外骨骼和右腿外骨骼，所述左腿外骨骼和右腿外骨骼中的任一个包括：大腿杆、小腿杆、柔性膝关节、膝鲍登线、膝鲍登线卷筒、膝关节驱动电机、踝鲍登线、踝鲍登线卷筒、踝驱动电机；
所述大腿杆的一端通过所述柔性膝关节与所述小腿杆的一端传动连接，所述膝鲍登线一端缠绕于所述膝鲍登线卷筒上，另一端延伸至所述柔性膝关节处，且所述膝鲍登线与大腿杆之间通过锚点固定连接，所述膝关节驱动电机驱动所述膝鲍登线卷筒进行轴向自转，所述踝鲍登线线一端缠绕于所述踝鲍登线卷筒上，另一端延伸至所述小腿杆的一端，且所述踝鲍登线与小腿杆之间通过锚点固定连接，所述踝驱动电机驱动所述踝鲍登线卷筒进行轴向自转。
2.根据权利要求1所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述膝鲍登线和踝鲍登线均包括：钢绳以及套装于所述钢绳上的套管。
3.根据权利要求1或2所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述膝鲍登线通过分布于所述大腿杆两端以及中间的三个锚点与大腿杆相连接。
4.根据权利要求1或2所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述通过分布于所述小腿杆中间的一个锚点与小腿杆相连接。
5.根据权利要求1所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述柔性膝关节包括至少两个铰链结构，至少两个铰链结构依次连接形成所述柔性膝关节。
6.根据权利要求5所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，任一铰链结构包括：连接片组件、钢绳滑轮、限位片；
所述连接片组件包括：相对设置的左片和右片、位于左片和右片之间的骨片，所述骨片为一矩形片，其一端上边缘形成上接触面，下边缘形成下接触面，所述上接触面和下接触面为逐渐靠拢的弧形面，所述左片和右片一端的上边缘为向上凸伸的弧形面，下边缘为向上凹陷的与所述弧形面相仿型的凹形面，所述钢绳滑轮通过所述限位片枢转连接于所述左片和右另一端，所述左片和右片向上凸伸的部分通过一定位销相连接。
7.根据权利要求6所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，任一铰链结构中，所述骨片上还开设有弧形的滑槽，相邻铰链结构的左片和右片之间的定位销贯穿所述滑槽，并在变力矩柔性膝关节结构弯曲时，沿所述滑槽进行滑动。
8.根据权利要求1所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述可穿戴助力外骨骼还包括：大腿姿态传感器、膝拉力传感器、小腿姿态传感器、踝角度传感器、鞋底传感器；
所述大腿姿态传感器固定于所述大腿杆上，所述膝拉力传感器与所述膝鲍登线的另一端相连接，所述小腿姿态传感器固定于所述小腿杆上，所述踝角度传感器固定于小腿杆的踝关节屈伸转动处，所述鞋底传感器固定于与所述小腿杆另一端相连接的鞋底的底面上。
9.根据权利要求8所述的刚柔混合驱动的可穿戴助力外骨骼，其特征在于，所述大腿杆和小腿杆上还设置有用于传感器安装的绑缚板。
技术总结