1.一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，该动力膝关节外骨骼助行装置包括主控制单元、齿轮箱减速器、大腿支具、小腿支具、外骨骼大腿、外骨骼小腿、角度编码器、外骨骼膝关节、关节电机、输出摇臂、串联弹性单元；

外骨骼大腿包括外骨骼大腿支撑板、一号钣金固定件和快压螺丝；所述骨骼大腿支撑板的上部为在中间位置从上到下设置有若干螺钉孔、左右两侧的上下均设置有条形通孔的安装板，其中部为设置有若干螺钉孔的连接板，其下部的末端的外侧面的中间位置设置有一个内凹台阶孔，且在该内凹台阶孔的内部和周边设置有若干螺钉孔，其上部、中部与下部衔接在一起；

一号钣金固定件的一端固定在外骨骼大腿支撑板的连接板的内侧的上部，其另一端上开有沟槽；快压螺丝的一端固定安装在大腿支具上，且其另一端设置在一号钣金固定件的沟槽上，其两端相连将大腿支具固定在一号钣金固定件上；

主控制单元通过螺钉固定在外骨骼大腿支撑板的安装板的上部，齿轮箱减速器通过螺钉固定在该安装板的下部；所述齿轮箱减速器包括一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体、载体板和盖板；所述载体板的顶部与底部设置有若干连接孔，其中间由上到下设置有若干安装孔，其左右两侧设置有若干固定孔，其顶部与底部的连接孔用于通过螺钉与外骨骼大腿支撑板的安装板固定连接，其左右两侧的固定孔用于将盖板与其固定连接；其中间的安装孔用于安装关节电机、一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体；

所述关节电机固定安装于载体板的中间的上部，其输出轴水平朝外设置，在其输出轴上通过轴键固定安装有传动齿轮；

在关节电机下方的载体板上从上到下依次安装有一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体；所述一级齿轮体包括齿轮轴、同轴固定设置的不同大小的大齿轮与小齿轮以及两组的一号法兰轴承、一号齿轮轴隔离套；所述二级齿轮体包括齿轮轴、同轴固定设置的不同大小的大齿轮与小齿轮以及两组的二号法兰轴承和二号齿轮轴隔离套；所述三级齿轮体包括齿轮轴、一个固定在齿轮轴上的齿轮、两个三号法兰轴承、一个三号齿轮轴隔离套和一个输出法兰盘；

所述盖板的中部设置有若干安装孔，一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体通过对应的法兰轴承设置在盖板与载体板之间，且该三个齿轮体的齿轮轴与关节电机的输出轴平行；其中一级齿轮体、二级齿轮体通过对应的齿轮轴隔离套实现各自的轴向定位，三级齿轮体通过一个三号齿轮轴隔离套和一个输出法兰盘实现其轴向定位；所述三级齿轮体的轴朝向外侧的端面上设置有螺纹孔，输出法兰盘为中部设置有连接孔且外圈也设置有连接孔的连接部件；输出法兰盘设置在三级齿轮体的轴端面上设置有螺纹孔的一侧的三号法兰轴承的外侧，通过在其中部的连接孔内安装螺钉与三级齿轮体的轴的朝向外侧的端面固定连接；

一级齿轮体的大齿轮与固定在关节电机的输出轴上的传动齿轮啮合连接，一级齿轮体的小齿轮与二级齿轮体的大齿轮啮合连接，二级齿轮体的小齿轮与三级齿轮体的齿轮啮合连接；

输出摇臂的一端设置有一圈连接孔，其另一端设置有一个连接孔，其设置有一圈连接孔的一端通过螺钉与输出法兰盘的外圈固定连接，其设置有一个连接孔的一端通过螺栓与串联弹性单元固定连接；

串联弹性单元包括上部鱼眼接头、下部鱼眼接头、长连杆、短连杆、直线滑轨、上部直线滑块、中部直线滑块、下部直线滑块、上部滑轨固定件、中部滑轨固定件、下部滑轨固定件、上部直线弹簧和下部直线弹簧，以及位移传感器；上部鱼眼接头固定在长连杆的顶端，下部鱼眼接头固定在短连杆的末端，长连杆通过上部鱼眼接头与输出摇杆的下端通过螺栓固定连接，短连杆通过下部鱼眼接头与外骨骼小腿通过螺栓固定连接；

两个直线滑轨对称的安置在短连杆的两侧，在每个直线滑轨上从上到下依次设置有上部直线滑块、中部直线滑块和下部直线滑块；所述上部滑轨固定件、中部滑轨固定件与下部滑轨固定件均为中间设置有通孔、左右两侧设置有容纳口的结构，其中，上部滑轨固定件的中间通孔为螺纹孔，中部滑轨固定件的中间通孔的上下两侧沿轴向延伸出弹簧导向柱且下侧的弹簧导向柱的内侧为螺纹孔，下部滑轨固定件的中间通孔为光滑孔；两个上部直线滑块通过螺钉对称的固定在上部滑轨固定件的两个容纳口内，两个中部直线滑块通过螺钉对称的固定在中部滑轨固定件的两个容纳口内，两个下部直线滑块通过螺钉对称的固定在下部直线滑轨固定件的两个容纳口内；

长连杆的下部通过螺纹固定在上部滑轨固定件的螺纹孔内；上部直线弹簧和下部直线弹簧分别设置在中部滑轨固定件的上、下两侧的弹簧导向柱上，短连杆的上部穿过下部滑轨固定件的中间通孔之后与中部滑轨固定件的下侧的弹簧导向柱通过螺纹固定连接；

上部直线弹簧和下部直线弹簧的压缩方向均与直线导轨平行；碳纤维板和树脂底板通过螺丝将上部滑轨固定件和下部滑轨固定件固定在一起；在与中部滑轨固定件正对的碳纤维板上设置有检测孔与安装孔，位移传感器通过螺钉固定在中部滑轨固定件外侧的碳纤维板上且其感应探头朝向检测孔内侧；位移传感器用于测量中部滑轨固定件位移，即中部直线滑块的位移；

所述外骨骼膝关节包括交叉滚子轴承、铝柱、角度编码器固定板、编码器固定法兰和膝关节角度限位块，外骨骼大腿的外骨骼大腿支撑板的下部和外骨骼小腿的顶部通过交叉滚子轴承连接，铝柱用于将角度编码器固定板固定在外骨骼大腿支撑板上；角度编码器位于外骨骼膝关节处，通过编码器固定法兰和螺丝固定在角度编码器固定板上，角度编码器与交叉滚子轴承同轴，用于测量膝关节的旋转角度；膝关节角度限位块固定设置于交叉滚子轴承一侧的外骨骼大腿支撑板的下部位置上，其下边缘平面平行于外骨骼大腿支撑板的下部端面；

外骨骼小腿包括一个外骨骼小腿支撑板、一个小腿支具中继打印件、一个小腿支具中继板、一个二号钣金固定件和快压螺丝，外骨骼小腿支撑板的顶端通过交叉滚子轴承与外骨骼大腿支撑板的下部连接；外骨骼小腿支撑板的下部与一个小腿支具中继板的上部之间设置有一个小腿支具中继打印件，三者通过螺钉固定在一起；小腿支具中继板上设置有若干安装孔，二号钣金固定件一端与小腿支具中继板固定连接，其另一端设置有沟槽，通过快压螺丝将由小腿支具固定在二号钣金固定件的沟槽处。

2.根据权利要求1所述的一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，传动齿轮包括电机轴齿轮、电机轴隔离套和轴端盖，其中电机轴齿轮的内部设置有键槽，电机轴隔离套和轴端盖的中部设置有轴孔，两者通过螺纹结构固定在电机轴齿轮的轴孔的两外侧面上，实现电机轴齿轮的轴向固定。

3.根据权利要求1所述的一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，膝关节角度限位块为半环形，与交叉滚子轴承同轴。

4.根据权利要求3所述的一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，膝关节角度限位块由碳纤维材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，大腿支具和小腿支具为树脂材料，采用人体工学设计，两者的前侧边缘设有束带孔，两者的后侧设有装配孔。

6.根据权利要求1所述的一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，所述串联弹性单元中，安置在中部直线滑块两侧的上部直线弹簧和下部直线弹簧通过压制固定法分别固定在中部直线滑块与上部滑轨固定件之间、以及中部直线滑块与下部滑轨固定件之间。

技术领域

[0001]本发明涉及外骨骼机器人技术领域，具体是一种动力膝关节外骨骼助行装置。

背景技术

[0002]膝关节动力外骨骼最初起源于军事应用，用于增强士兵行走负重，提高作战能力。康复外骨骼方面的研究起始于1960年，由于当时技术的限制没能当时实现预期的目标，直到近几十年，尤其是Lokomat减重步态训练外骨骼应用于临床使用后，膝关节动力外骨骼才逐步用于重建中枢神经受损患者行走模式、辅助下肢运动功能障碍患者行走。在军事上，膝关节动力外骨骼可以帮助士兵携带作战装备，提升士兵的耐性，机动性，和战场生存能力；在医疗上，膝关节动力外骨骼可以通过辅助病人的往复运动，刺激神经系统的代偿效应，重建运动障碍患者的自主运动能力，因而其被广泛应用于中风等神经系统性疾病的康复治疗；同时，在民用领域，膝关节动力外骨骼作为一种动力辅助装备，可以用于辅助老年人的户外锻炼，以及其他特种用途，例如登山，野外搜救，和森林灭火。

[0003]现有的膝关节动力外骨骼是一类基于人体肢体运动关系和生理构造，可穿戴、辅助穿戴者完成膝关节运动的机械装置。在使用中，动力膝关节外骨骼与人体紧密贴合，电机的输出力矩经由电机轴，减速器，以及外骨骼硬件部分传导至下肢膝关节，从而带动膝关节的旋转。膝关节动力外骨骼作为一种穿戴式设备，与人体之间存在直接的物理性耦合，因此安全性和舒适性至关重要。目前的膝关节动力外骨骼多采用电机直驱的方式，存在安全性差、舒适度低的问题，由于人体与外骨骼存在直接的物理性接触，缺乏弹性的驱动方式和机械结构将会降低设备的穿戴舒适性，甚至造成人身伤害事故的发生；同时，现有的膝关节动力外骨骼存在体积过大，笨重，执行器对使用者不够友好，设备突然上电或断电后没有弹性空间余量配合使用者，僵硬的缺点。这些缺点构成阻碍膝关节动力外骨骼广泛应用的主要原因。

[0004]中国专利CN202310351850.5中公开了一种针对人体下肢，特别是膝关节的动力外骨骼结构设计方案和运动控制方法。该专利公开了一种能够识别地形，根据人体运动状态自动切换主动、被动模式的下肢膝关节助力外骨骼，以及与之匹配的控制方法。该设计利用安装在膝关节位置的电机，输出辅助扭矩以协助膝关节的运动；利用气囊调节腰部的松紧程度，用以提升外骨骼设备穿戴的舒适度。但是，该专利公开的外骨骼采用电机直驱的方式，使得人机之间的交互缺乏弹性，从而降低了外骨骼设备的安全性和运动辅助的舒适度；并且，该外骨骼设备通过附加压力传感器的方式测量人机之间的交互力矩，成本较高，不利于推广应用。

[0005]陈少聪的论文(陈少聪.膝关节助力外骨骼的设计及控制系统研究[D].桂林电子科技大学,2023.DOI:10.27049/d.cnki.ggldc.2023.001247.)中设计了一种绳驱膝关节动力外骨骼，以及与之匹配的基于导纳控制和迭代学习的控制方法，建立了该膝关节动力外骨骼的运动学和动力学模型。该论文利用鲍登线将动力由电机输出轴传到至人体膝关节，控制方面，利用迭代学习得到行走过程中膝关节的期望助力曲线，并对其进行跟踪。但是，由于绳驱结构的某些天然劣势，该论文中展示的绳驱外骨骼存在辅助力矩小、控制响应滞后的缺点，并且绳驱方式在结构上较为复杂。

发明内容

[0006]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种动力膝关节外骨骼助行装置。该装置结构简洁、穿戴方便、安全性好、舒适度高，其可在保证助力效果的前提下，确保使用者的安全，同时串联弹性驱动器中的弹性元件也可用于人机交互力矩的测量，避免使用价格昂贵的力矩传感器，从而降低制造成本。

[0007]本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种动力膝关节外骨骼助行装置，其特征在于，该动力膝关节外骨骼助行装置包括主控制单元、齿轮箱减速器、大腿支具、小腿支具、外骨骼大腿、外骨骼小腿、角度编码器、外骨骼膝关节、关节电机、输出摇臂、串联弹性单元；

[0008]外骨骼大腿包括外骨骼大腿支撑板、一号钣金固定件和快压螺丝；所述骨骼大腿支撑板的上部为在中间位置从上到下设置有若干螺钉孔、左右两侧的上下均设置有条形通孔的安装板，其中部为设置有若干螺钉孔的连接板，其下部的末端的外侧面的中间位置设置有一个内凹台阶孔，且在该内凹台阶孔的内部和周边设置有若干螺钉孔，其上部、中部与下部衔接在一起；

[0009]一号钣金固定件的一端固定在外骨骼大腿支撑板的连接板的内侧的上部，其另一端上开有沟槽；快压螺丝的一端固定安装在大腿支具上，且其另一端设置在一号钣金固定件的沟槽上，其两端相连将大腿支具固定在一号钣金固定件上；

[0010]主控制单元通过螺钉固定在外骨骼大腿支撑板的安装板的上部，齿轮箱减速器通过螺钉固定在该安装板的下部；所述齿轮箱减速器包括一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体、载体板和盖板；所述载体板的顶部与底部设置有若干连接孔，其中间由上到下设置有若干安装孔，其左右两侧设置有若干固定孔，其顶部与底部的连接孔用于通过螺钉与外骨骼大腿支撑板的安装板固定连接，其左右两侧的固定孔用于将盖板与其固定连接；其中间的安装孔用于安装关节电机、一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体；

[0011]所述关节电机固定安装于载体板的中间的上部，其输出轴水平朝外设置，在其输出轴上通过轴键固定安装有传动齿轮；

[0012]在关节电机下方的载体板上从上到下依次安装有一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体；所述一级齿轮体包括齿轮轴、同轴固定设置的不同大小的大齿轮与小齿轮以及两组的一号法兰轴承、一号齿轮轴隔离套；所述二级齿轮体包括齿轮轴、同轴固定设置的不同大小的大齿轮与小齿轮以及两组的二号法兰轴承和二号齿轮轴隔离套；所述三级齿轮体包括齿轮轴、一个固定在齿轮轴上的齿轮、两个三号法兰轴承、一个三号齿轮轴隔离套和一个输出法兰盘；

[0013]所述盖板的中部设置有若干安装孔，一级齿轮体、二级齿轮体、三级齿轮体通过对应的法兰轴承设置在盖板与载体板之间，且该三个齿轮体的齿轮轴与关节电机的输出轴平行；其中一级齿轮体、二级齿轮体通过对应的齿轮轴隔离套实现各自的轴向定位，三级齿轮体通过一个三号齿轮轴隔离套和一个输出法兰盘实现其轴向定位；所述三级齿轮体的轴朝向外侧的端面上设置有螺纹孔，输出法兰盘为中部设置有连接孔且外圈也设置有连接孔的连接部件；输出法兰盘设置在三级齿轮体的轴端面上设置有螺纹孔的一侧的三号法兰轴承的外侧，通过在其中部的连接孔内安装螺钉与三级齿轮体的轴的朝向外侧的端面固定连接；

[0014]一级齿轮体的大齿轮与固定在关节电机的输出轴上的传动齿轮啮合连接，一级齿轮体的小齿轮与二级齿轮体的大齿轮啮合连接，二级齿轮体的小齿轮与三级齿轮体的齿轮啮合连接；

[0015]输出摇臂的一端设置有一圈连接孔，其另一端设置有一个连接孔，其设置有一圈连接孔的一端通过螺钉与输出法兰盘的外圈固定连接，其设置有一个连接孔的一端通过螺栓与串联弹性单元固定连接；

[0016]串联弹性单元包括上部鱼眼接头、下部鱼眼接头、长连杆、短连杆、直线滑轨、上部直线滑块、中部直线滑块、下部直线滑块、上部滑轨固定件、中部滑轨固定件、下部滑轨固定件、上部直线弹簧和下部直线弹簧，以及位移传感器；上部鱼眼接头固定在长连杆的顶端，下部鱼眼接头固定在短连杆的末端，长连杆通过上部鱼眼接头与输出摇杆的下端通过螺栓固定连接，短连杆通过下部鱼眼接头与外骨骼小腿通过螺栓固定连接；

[0017]两个直线滑轨对称的安置在短连杆的两侧，在每个直线滑轨上从上到下依次设置有上部直线滑块、中部直线滑块和下部直线滑块；所述上部滑轨固定件、中部滑轨固定件与下部滑轨固定件均为中间设置有通孔、左右两侧设置有容纳口的结构，其中，上部滑轨固定件的中间通孔为螺纹孔，中部滑轨固定件的中间通孔的上下两侧沿轴向延伸出弹簧导向柱且下侧的弹簧导向柱的内侧为螺纹孔，下部滑轨固定件的中间通孔为光滑孔；两个上部直线滑块通过螺钉对称的固定在上部滑轨固定件的两个容纳口内，两个中部直线滑块通过螺钉对称的固定在中部滑轨固定件的两个容纳口内，两个下部直线滑块通过螺钉对称的固定在下部直线滑轨固定件的两个容纳口内；

[0018]长连杆的下部通过螺纹固定在上部滑轨固定件的螺纹孔内；上部直线弹簧和下部直线弹簧分别设置在中部滑轨固定件的上、下两侧的弹簧导向柱上，短连杆的上部穿过下部滑轨固定件的中间通孔之后与中部滑轨固定件的下侧的弹簧导向柱通过螺纹固定连接；

[0019]上部直线弹簧和下部直线弹簧的压缩方向均与直线导轨平行；碳纤维板和树脂底板通过螺丝将上部滑轨固定件和下部滑轨固定件固定在一起；在与中部滑轨固定件正对的碳纤维板上设置有检测孔与安装孔，位移传感器通过螺钉固定在中部滑轨固定件外侧的碳纤维板上且其感应探头朝向检测孔内侧；位移传感器用于测量中部滑轨固定件位移，即中部直线滑块的位移；

[0020]所述外骨骼膝关节包括交叉滚子轴承、铝柱、角度编码器固定板、编码器固定法兰和膝关节角度限位块，外骨骼大腿的外骨骼大腿支撑板的下部和外骨骼小腿的顶部通过交叉滚子轴承连接，铝柱用于将角度编码器固定板固定在外骨骼大腿支撑板上；角度编码器位于外骨骼膝关节处，通过编码器固定法兰和螺丝固定在角度编码器固定板上，角度编码器与交叉滚子轴承同轴，用于测量膝关节的旋转角度；膝关节角度限位块固定设置于交叉滚子轴承一侧的外骨骼大腿支撑板的下部位置上，其下边缘平面平行于外骨骼大腿支撑板的下部端面；

[0021]外骨骼小腿包括一个外骨骼小腿支撑板、一个小腿支具中继打印件、一个小腿支具中继板、一个二号钣金固定件和快压螺丝，外骨骼小腿支撑板的顶端通过交叉滚子轴承与外骨骼大腿支撑板的下部连接；外骨骼小腿支撑板的下部与一个小腿支具中继板的上部之间设置有一个小腿支具中继打印件，三者通过螺钉固定在一起；小腿支具中继板上设置有若干安装孔，二号钣金固定件一端与小腿支具中继板固定连接，其另一端设置有沟槽，通过快压螺丝将由小腿支具固定在二号钣金固定件的沟槽处。

[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0023]1、本发明设计的动力膝关节外骨骼助行装置，是一种基于压簧式串联弹性驱动器的动力膝关节外骨骼，结构简单、穿戴方便、安全性好、适应性强、舒适度高，其可在保证助力效果的前提下，确保使用者的安全，同时串联弹性驱动器中的弹性元件也可用于人机交互力矩的测量，避免使用价格昂贵的力矩传感器，从而降低制造成本。

[0024]2.本发明将串联弹性单元安装在电机减速箱和小腿杆单元之间，在保证动力传递的同时方便了对输出扭矩的测量，使用时通过测量弹性元件的形变即可得到人机之间的交互力矩，无需加装力矩传感器，方便快捷。同时利用弹性元件缓冲吸能的特性，将直线弹簧安装在减速齿轮箱输出端与小腿杆单元之间，可以在减少冲击、提升穿戴舒适度和设备安全性的同时提升能量的利用效率，同时弹性元件具备对输出力矩低通滤波的效果，可以在保证输出力矩和小腿杆单元位置跟踪控制输入效果的同时，稳定输出力矩，实现精准的力矩控制。采用齿轮箱减速器放大电机的输出力矩，提升了设备的紧凑性和载荷能力，且对电机的功率需求降低。

[0025]3.电机减速箱的输出部分采用连杆结构，利用输出摇臂、连杆和鱼眼接头将绕减速箱输出轴的旋转运动转化为直线运动，使动力传递路径更加清晰直观。相比于传统的膝关节直驱动力外骨骼，结构上将电机和减速器等模块的位置提高，使得该膝关节动力外骨骼装置的大部分重量位于接近躯干和下肢动作旋转中心点的髋关节附近，而非膝关节附近，从而降低膝关节外骨骼人机耦合系统的转动惯量，有利于控制算法的设计和控制目标的实现。连杆结构在将力矩传递至膝关节，辅助膝关节旋转的同时，在沿小腿方向的分力能够抵消部分小腿的重力，促使膝关节位置抬升，提升助力效果。

[0026]4.本发明的弹性元件采用大刚度的直线弹簧，与传统的采用结构弹簧和扭簧的膝关节动力外骨骼相比，直线弹簧具有更高的耐用性，易于加工，安装方便，且重量较轻。两个直线弹簧对称放置在滑块两侧，滑块向任一方向滑动均会压缩相应的弹簧，将动力传导至减速齿轮箱输出端或小腿杆单元，实现动力经由弹性元件的双向传递，实现柔性驱动。

[0027]5.保证人机交互的柔性，避免人身伤害事故的发生，在硬件层面保障人机交互的安全性，提升外骨骼机器人的舒适性。同时，设备主体采用碳纤维和光敏树脂材料，在保证结构强度满足使用要求的同时，设备重量得以进一步降低。

附图说明

[0028]图1为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的整体结构示意图(主视角度视图)。

[0029]图2为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的立体结构示意图(右视角度视图)。

[0030]图3为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的齿轮箱减速器的结构示意图。

[0031]图4为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的齿轮箱减速器的内部结构示意图。

[0032]图5为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的齿轮箱减速器的二级齿轮体的结构示意图(爆炸图)。

[0033]图6为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的齿轮箱减速器的三级齿轮体的结构示意图(爆炸图)。

[0034]图7为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的串联弹性单元的结构示意图。

[0035]图8为图7的爆炸示意图。

[0036]图9为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的外骨骼膝关节的结构与装配示意图。

[0037]图10为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的大腿支具的结构与装配示意图。

[0038]图11为本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置一种实施例的小腿支具的结构与装配示意图。

具体实施方式

[0039]下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。

[0040]本发明提供了面向人体运动辅助和康复训练，为解决现有膝关节动力外骨骼机器人、笨重、运动效率低、驱动方式僵硬、安全性差、舒适度低的问题，设计了一种基于串联弹性驱动器的柔性驱动膝关节动力外骨骼装置。

[0041]具体地，外骨骼的电机轴与齿轮箱减速器连接，动力在经过多级齿轮之后驱动输出摇臂运动，输出摇臂与由连杆和直线弹簧组成的串联弹性单元连接，通过压缩弹簧，动力最终被传递到小腿固定支具，实现对人体膝关节屈伸运动的辅助。

[0042]本发明提供一种动力膝关节外骨骼助行装置(参见图1-图11)，该动力膝关节外骨骼助行装置包括主控制单元1、齿轮箱减速器2、大腿支具3、小腿支具8、外骨骼大腿4、外骨骼小腿7、角度编码器5、外骨骼膝关节6、关节电机12、保护壳11、输出摇臂10、串联弹性单元9；

[0043]外骨骼大腿4包括外骨骼大腿支撑板、一号钣金固定件401和快压螺丝402。所述骨骼大腿支撑板的上部为在中间位置从上到下设置有若干螺钉孔、左右两侧的上下均设置有条形通孔的安装板，其中部为设置有若干螺钉孔的连接板，其下部的末端的外侧面(参考图1中的方位，以安装有关节电机12的一侧为外)的中间位置设置有一个内凹台阶孔，且在该内凹台阶孔的内部和周边设置有若干螺钉孔，其上部、中部与下部衔接在一起。该内凹台阶孔用于安装交叉滚子轴承602。

[0044]一号钣金固定件401的一端固定在外骨骼大腿支撑板的连接板的内侧的上部，其另一端上开有沟槽403；快压螺丝402的一端固定安装在大腿支具3上，且其另一端设置在一号钣金固定件401的沟槽403上，其两端相连将一个由树脂材料制成的大腿支具3固定在一号钣金固定件401上；

[0045]主控制单元1通过螺钉固定在外骨骼大腿支撑板的安装板的上部，齿轮箱减速器2通过螺钉固定在该安装板的下部；所述齿轮箱减速器2包括一级齿轮体201、二级齿轮体202、三级齿轮体203、载体板204和盖板。所述载体板204的顶部与底部设置有若干连接孔，其中间由上到下设置有若干安装孔，其左右两侧设置有若干固定孔，其顶部与底部的连接孔用于通过螺钉与外骨骼大腿支撑板的安装板固定连接，其左右两侧的固定孔用于将盖板与其固定连接；其中间的安装孔用于安装关节电机12、一级齿轮体201、二级齿轮体202、三级齿轮体203。

[0046]所述关节电机12固定安装于载体板204的中间的上部，其输出轴水平朝外设置，在其输出轴上通过轴键固定安装有传动齿轮；作为一种实施例，传动齿轮包括电机轴齿轮1201、电机轴隔离套1202和轴端盖1203，其中电机轴齿轮1201的内部设置有键槽，电机轴隔离套1202和轴端盖1203的中部设置有轴孔，两者通过螺纹结构固定在电机轴齿轮1201的轴孔的两外侧面上，实现电机轴齿轮1201的轴向固定。

[0047]在关节电机12下方的载体板204上从上到下依次安装有一级齿轮体201、二级齿轮体202、三级齿轮体203；所述一级齿轮体201包括齿轮轴、同轴固定设置的不同大小的大齿轮与小齿轮以及两组的一号法兰轴承201-1、一号齿轮轴隔离套201-2；所述二级齿轮体202包括齿轮轴、同轴固定设置的不同大小的大齿轮与小齿轮以及两组的二号法兰轴承202-1和二号齿轮轴隔离套202-2；所述三级齿轮体203包括齿轮轴、一个固定在齿轮轴上的齿轮、两个三号法兰轴承203-1、一个三号齿轮轴隔离套203-2和一个输出法兰盘203-3；

[0048]所述盖板的中部设置有若干安装孔，一级齿轮体201、二级齿轮体202、三级齿轮体203通过对应的法兰轴承设置在盖板与载体板204之间，且该三个齿轮体的齿轮轴与关节电机12的输出轴平行。其中一级齿轮体201、二级齿轮体202通过对应的齿轮轴隔离套实现各自的轴向定位，三级齿轮体203通过一个三号齿轮轴隔离套203-2和一个输出法兰盘203-3实现其轴向定位。所述三级齿轮体203的轴朝向外侧(以朝向大腿支具3的一侧为内)的端面上设置有螺纹孔，输出法兰盘203-3为中部设置有连接孔且外圈也设置有连接孔的连接部件；输出法兰盘203-3设置在三级齿轮体203的轴端面上设置有螺纹孔的一侧的三号法兰轴承203-1的外侧，通过在其中部的连接孔内安装螺钉与三级齿轮体203的轴的朝向外侧的端面固定连接；

[0049]一级齿轮体201的大齿轮与固定在关节电机12的输出轴上的传动齿轮啮合连接，一级齿轮体201的小齿轮与二级齿轮体202的大齿轮啮合连接，二级齿轮体202的小齿轮与三级齿轮体203的齿轮啮合连接。上述的啮合可通过尺寸与位置的设置来实现。

[0050]输出摇臂10的一端设置有一圈连接孔，其另一端设置有一个连接孔，其设置有一圈连接孔的一端通过螺钉与输出法兰盘203-3的外圈固定连接，其设置有一个连接孔的一端通过螺栓与串联弹性单元9固定连接。

[0051]串联弹性单元9包括上部鱼眼接头901、下部鱼眼接头9014、长连杆902、短连杆908、直线滑轨903、上部直线滑块909、中部直线滑块9011、下部直线滑块9012、上部滑轨固定件9010、中部滑轨固定件905、下部滑轨固定件9013、上部直线弹簧904和下部直线弹簧907，以及位移传感器906。

[0052]上部鱼眼接头901固定在长连杆902的顶端，下部鱼眼接头9014固定在短连杆908的末端，长连杆902通过上部鱼眼接头901与输出摇杆10的下端通过螺栓固定连接，短连杆908通过下部鱼眼接头9014与外骨骼小腿7通过螺栓固定连接。

[0053]两个直线滑轨903对称的安置在短连杆908的两侧，在每个直线滑轨903上从上到下依次设置有上部直线滑块909、中部直线滑块9011和下部直线滑块9012；所述上部滑轨固定件9010、中部滑轨固定件905与下部滑轨固定件9013均为中间设置有通孔、左右两侧设置有容纳口的结构，其中，上部滑轨固定件9010的中间通孔为螺纹孔，中部滑轨固定件905的中间通孔的上下两侧沿轴向延伸出弹簧导向柱且下侧的弹簧导向柱的内侧为螺纹孔，下部滑轨固定件9013的中间通孔为光滑孔；两个上部直线滑块909通过螺钉对称的固定在上部滑轨固定件9010的两个容纳口内，两个中部直线滑块9011通过螺钉对称的固定在中部滑轨固定件905的两个容纳口内，两个下部直线滑块9012通过螺钉对称的固定在下部直线滑轨固定件9013的两个容纳口内。

[0054]长连杆902的下部通过螺纹固定在上部滑轨固定件9010的螺纹孔内；上部直线弹簧904和下部直线弹簧907分别设置在中部滑轨固定件905的上、下两侧的弹簧导向柱上，短连杆908的上部穿过下部滑轨固定件9013的中间通孔之后与中部滑轨固定件905的下侧的弹簧导向柱通过螺纹固定连接。

[0055]上部直线弹簧904和下部直线弹簧907的压缩方向均与直线导轨903平行。碳纤维板9015和树脂底板9016通过螺丝将上部滑轨固定件9010和下部滑轨固定件9013固定在一起；在与中部滑轨固定件905正对的碳纤维板9015上设置有检测孔与安装孔，位移传感器906通过螺钉固定在中部滑轨固定件905外侧的碳纤维板9015上且其感应探头朝向检测孔内侧(即朝向中部滑轨固定件905)。位移传感器906用于测量中部滑轨固定件905位移，即中部直线滑块9011的位移。

[0056]中部直线滑块9011可以在串联弹性单元9内部沿着轴向在直线滑轨903上滑动，中部直线滑块9011在滑动过程中压缩/拉伸弹簧，齿轮箱减速器2输出的动力得以通过弹簧的弹力传导至与中部滑块固定连接的短连杆908，短连杆908牵拉/推动外骨骼小腿7，带动外骨骼膝关节6的旋转。

[0057]所述外骨骼膝关节6包括交叉滚子轴承602、铝柱601、角度编码器固定板603、编码器固定法兰604和膝关节角度限位块605，外骨骼大腿4的外骨骼大腿支撑板的下部和外骨骼小腿7的顶部通过交叉滚子轴承602连接，铝柱601用于将角度编码器固定板603固定在外骨骼大腿支撑板上；角度编码器5位于外骨骼膝关节6处，通过编码器固定法兰604和螺丝固定在角度编码器固定板603上，角度编码器5与交叉滚子轴承602同轴，用于测量膝关节的旋转角度。膝关节角度限位块605为异形的空心圆柱体结构，固定设置于交叉滚子轴承602一侧的外骨骼大腿支撑板的下部位置上，避免与外骨骼膝关节6处的其他螺丝产生干涉，其下边缘平面平行于外骨骼大腿支撑板的下部端面，与交叉滚子轴承602同轴。

[0058]外骨骼小腿7包括一个外骨骼小腿支撑板、一个小腿支具中继打印件701、一个小腿支具中继板702、一个二号钣金固定件704和快压螺丝703，外骨骼小腿支撑板的顶端通过交叉滚子轴承602与外骨骼大腿支撑板的下部连接；外骨骼小腿支撑板的下部与一个小腿支具中继板702的上部之间设置有一个小腿支具中继打印件701，三者通过螺钉固定在一起；小腿支具中继打印件701使外骨骼小腿支撑板与小腿支具中继板702位于同一水平面上。

[0059]小腿支具中继板702上设置有若干安装孔，二号钣金固定件704一端与小腿支具中继板702固定连接，其另一端设置有沟槽，通过快压螺丝703将由小腿支具8固定在二号钣金固定件704的沟槽处。

[0060]作为一种实施例，所述膝关节角度限位块605为半环形，由碳纤维材料制成。该限位块能够阻挡外骨骼小腿7沿矢状面向前超伸，起到硬件限位，保护使用者安全的作用。

[0061]大腿支具3和小腿支具8为树脂材料，采用人体工学设计，可分别包裹在大腿和小腿前后两侧，其前侧边缘设有束带孔，确保束带可以从中穿过，自定义绑缚松紧程度。在大腿小腿支具的后侧设有装配孔，确保可以通过螺丝固定在在外骨骼大腿4或者外骨骼小腿7的钣金固定件上。

[0062]大腿部分的一号钣金固定件401和小腿部分的二号钣金固定件704上均有一个沟槽，快压螺丝穿过这个沟槽即可将大腿支具3和小腿支具8固定在外骨骼大腿4或者外骨骼小腿7的钣金固定件上，通过调节快压螺丝在沟槽中的位置，可以调节大腿支具3和小腿支具8的高度，以此适应不同腿长的穿戴者，穿戴者可自行调整支具的高度至舒适位置。

[0063]所述串联弹性单元9中，安置在中部直线滑块9011两侧的上部直线弹簧904和下部直线弹簧905通过压制固定法分别固定在中部直线滑块9011与上部滑轨固定件9010之间、以及中部直线滑块9011与下部滑轨固定件9013之间，上部直线弹簧904和下部直线弹簧905中间均有沿串联弹性单元轴向的圆柱体导向轴，用于约束弹簧的弹力方向，两个直线弹簧并没有通过螺栓固定在任何零件上，使用时上下两个直线弹簧总是会出现一个拉伸一个压缩的状态。

[0064]本发明一种动力膝关节外骨骼助行装置的工作原理和工作流程是：佩戴该装置时，根据使用者生理参数将大腿支具3、小腿支具8固定在对应的钣金固定件的合适位置，并使用快压螺丝固定，调节大腿支具3和小腿支具8上的束带至合适的松紧程度。此时关节电机12和减速齿轮箱2占主要的负载重量，位于髋关节附近，将动力膝关节外骨骼的重心上移，使得使用过程中的舒适性和稳定性得到了保障。外骨骼大腿支撑板的安装板两侧的条形通孔是用于使用束带将外骨骼固定在使用者的髋部，防止运动过程中外骨骼下移。

[0065]在伸膝运动情况下，关节电机12通过齿轮箱减速器2将力矩放大后驱动输出摇臂10向下摆动，随后通过长连杆902将其转化为向下的直线运动，沿连杆方向将动力传送至串联弹性单元9，串联弹性单元9内部的弹性元件被压缩，带动中部直线滑块9011运动，此时位移传感器906测量位移量，进而计算出关节扭矩，并将动力向下传递，沿短连杆908方向传递至外骨骼小腿7，带动膝关节伸展运动。

[0066]在屈膝运动情况下，关节电机12通过齿轮箱减速器2将力矩放大后驱动输出摇臂10向上摆动，随后通过长连杆902将其转化为向上的直线运动，沿连杆方向将动力传送至串联弹性单元9，串联弹性单元9内部的弹性元件被伸长，带动中部直线滑块9011运动，此时位移传感器906测量位移量，进而计算出关节扭矩，并将动力向下传递，沿短连杆908方向传递至外骨骼小腿7，带动膝关节屈膝运动。

[0067]本发明仅提供一种动力膝关节外骨骼助行装置的基本构造，控制单元1、齿轮箱减速器2、角度编码器5、关节电机12的控制方法不在本发明的保护范围内。

[0068]本发明未述及之处适用于现有技术。