一种地表失重训练下肢主动外骨骼的制作方法

本发明涉及技术领域，特别是涉及一种地表失重训练下肢主动外骨骼。

背景技术：

人在地球时会受到对球的引力作用，即为重力作用。而宇航员在外太空作业时，将处于失重或者低重力状态，所以为实现在该状态下进行高效作业和其他生理活动需要对宇航员进行系统的失重训练。

宇航员在进入外太空作业之前，会在地球表面进行低重力的训练。世界各国科研机构常用的地表训练方法有高空自由落体法、水浮力模拟法等，但都会受到成本，时间或者空间的制约。

技术实现要素：

本发明的目的是为了实现宇航员在地面的失重训练，同时解决传统训练方式成本高，训练效率低的问题，而提供一种地表失重训练下肢主动外骨骼，是一种基于电机驱动的机械下肢外骨骼，旨在宇航员在地表实现低重力状态或者失重状态的下肢训练，可以实现低成本，高效率，随时随地进行失重训练。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种地表失重训练下肢主动外骨骼，包括胫骨连杆、股骨连杆以及用于用于固定脚部的足底踏板，所述胫骨连杆的一端与股骨连杆的一端通过第一直流伺服电机连接，所述股骨连杆另一端与辅助支撑连接连杆的一端通过第二直接伺服电机连接，所述胫骨连杆上设有形成c形状结构的胫骨传感模块，所述股骨连杆上设有形成c形状结构的股骨传感模块；所述足底踏板与胫骨连杆通过转轴联接，所述胫骨传感模块以及股骨传感模块分别用于配合束缚带将胫骨连杆、股骨连杆对应的连接到人体大腿以及小腿上。

其中，所述胫骨传感模块以及股骨传感模块的结构相同，均包括两个成对使用的弧形模块，每个弧形模块包括外层支撑层以及位于所述外层支撑层的内侧的薄膜传感层。

其中，每个所述弧形模块的外层支撑层的一端设有绑绳卡扣、另一端形成骨骼连杆接口。

其中，所述薄膜传感层包括外硅胶软层、内硅胶软层以及位于所述外硅胶软层、内硅胶软层间的薄膜压阻式传感器。

其中，所述第一直流伺服电机以及第二直流伺服电机，为关节专用的扁平横向长度较短、转速低且提供大力矩的内置驱动器、编码器、减速器的电机，均具有固定端面，输出端面、电源输入与控制接口，所述固定端面上的固定端面接口，所述输出端面上的输出端面接口。

其中，所述第一直流伺服电机的输出端面与胫骨连杆通过输出端面接口连接，从而在胫骨连杆施加转矩，所述第一直流伺服电机的固定端面与股骨连杆通过固定端面接口连接，从而实现对第一直流伺服电机的固定。

其中，所述第二直流伺服电机的输出端面与股骨连杆通过输出端面接口连接，从而在股骨连杆施加转矩，所述第二直流伺服电机的固定端面与辅助支撑连接连杆通过固定端面接口连接，从而实现对第二直流伺服电机的固定。

本发明的失重训练下肢外骨骼具有以下有益效果：

1.相比于传统的模拟失重训练方法(高空自由落体法、水浮力模拟法)所具有的优势是更低的设备成本，更高的安全性，更高的效率，更少的时间和空间限制。

2.驱动系统采用直流伺服电机，驱动能源易获得，且结构简单，占用体积小。传感系统采用多个柔性力传感器采集信息，对下肢位姿的确定更加准确。

3.外骨骼连杆连杆以及传感器尺寸形状可根据不同的训练人员身形体貌进行设计，具有较高的普遍适用性。

附图说明

图1是本发明的地表失重训练下肢主动外骨骼的结构示意图；

图2-3分别是传感模块结构图以及局部剖面图；

图4-5分别是髋关节电机与膝关节电机的结构图；

图6-7分别是关节连接结构图以及分解图；

图中：

1-第一直流伺服电机；2-股骨连杆；3-股骨传感模块；4-第二直流伺服电机；5-胫骨连杆；6-胫骨传感模块；7-足底踏板；8-其他支撑连接连杆；

9-铝材支撑层；10-绑绳卡扣；11-薄膜传感层；12-骨骼连杆接口；13-外硅胶软层；14-薄膜压阻式传感器；15-内硅胶软层；

16-固定端面；17-输出端面；18-输出端面接口；19-固定端面接口；20-电源输入与控制接口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

外骨骼是一种可以辅助人体康复或者增强人体体能的穿戴式装备，广泛用于医疗、工业、军事以及其他生活领域。在合理的控制下，穿戴式外骨骼可以抵消重力的作用，可以实现在地表低成本，高效率，安全地进行失重训练。

本发明是由电机驱动的下肢外骨骼系统，通过柔性传感器来采集人体位姿数据，通过控制系统控制电机输出力矩平衡重力，涉及髋关节处屈伸，膝关节处屈伸和踝关节背跖屈三个自由度，应用于宇航员在地表进行失重或者低重力训练。

如图1所示，本发明的地表失重训练下肢主动外骨骼，包括第一直流伺服电机1，股骨连杆2，股骨传感模块3，第二直流伺服电机4，胫骨连杆5，胫骨传感模块6，足底踏板7，其他支撑连接连杆8。其中，股骨连杆附着于大腿处，胫骨连杆附着于小腿处，用来传递电机的驱动力和连接整个下肢外骨骼系统，可根据训练者体型不同对长度以及纵向倾角进行不同的设计。制造材料选用密度小刚度大强度高的铝合金材料。

其中，整个下肢外骨骼支撑点在髋关节处，股骨连杆2通过股骨传感模块3以及束缚带连接到大腿，通过股骨传感模块3施加力矩在大腿处，减少人体髋关节的力矩。股骨传感模块3可采集双侧(人体的面向侧与背向侧)压力数据，配合电机内置编码器采集的转动角度数据可预测人体下肢运动。小腿连接同理。足底踏板7与胫骨连杆5通过转轴联接，用来安置双足。

所述第一直流伺服电机以及第二直流伺服电机是一种关节专用的扁平横向长度较短，转速低，且提供大力矩的电机。该电机内置驱动器，编码器，减速器。

其中，髋关节处电机型号为海泰机电ht-03，最大扭矩可达42n·m，膝关节处电机型号为海泰机电ht-n42，最大扭矩可达17n·m。

该类直流伺服电机需通过固定端面16上的固定端面接口19固定在相应的连杆上，输出端面17通过输出端面接口18与输出连杆连接，从而在输出连杆施加转矩，并具有电源输入与控制接口20。髋关节处电机固定在其他支撑连接连杆，为股骨连杆施加力矩。膝关节处电机固定在股骨连杆，为胫骨连杆施加力矩。且每一电机内置的编码器可进行转动角度的数据采集。

所述传感器模块由铝材支撑层9，绑绳卡扣10，薄膜传感层11，骨骼连杆接口12组成。传感器模块通过骨骼连杆接口固定于外骨骼连杆末端，外部面采用铝材框架，内侧附着了薄膜传感层，采集人腿作用在传感层的压力数据。传感器模块是成对使用，形成半包围结构，束缚带接口用于固定束缚带，使半包围结构成为闭环，加强人腿与传感器模块的固定。

所述薄膜传感层包括薄膜压阻式传感器14，外硅胶软层13，内硅胶软层15。薄膜压阻式传感器可对任何接触面的压力进行静态和动态测量，可根据施加在传感器感应区域的压力转换为电阻信号。并且薄膜压阻式传感器长度与形状可根据训练者体型设计。外硅胶软层与内硅胶软层分别置于薄膜压阻式传感器两侧，可以避免力的集中接触，并起到一定保护作用。

其中，所述足底踏板7是一个被动机构，用于固定脚部，通过转动铰链与胫骨连杆连接。

使用时，首先对人体下肢在不同转动角度时传感器测得的压力进行静态标定，下肢在不同角度所施加在传感器接受面的压力是不同的，采取多次标定即可得到角度与压力的关系(小腿位置角度的确定需由大腿与小腿两个关节的转动角度同时确定)。当人体下肢大腿屈曲运动时，大腿处面向侧传感器测得压力会增大，背向侧测得压力会减小，传感器将数据传递给控制系统后，控制系统会是识别下肢运动模式，从而控制直流伺服电机1驱动股骨连杆3向面向侧转动，减小人体髋关节转矩，达到大腿部分抵消重力的目的。同样大腿后伸运动、小腿的屈伸与之原理相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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