一种准被动多位姿辅助支撑外骨骼

1.本发明属于外骨骼技术领域，尤其涉及一种准被动多位姿辅助支撑外骨骼。

背景技术：

2.职业性肌肉骨骼疾患是指劳动者在职业活动过程中，由于各种原因引起的肌肉骨骼损伤。作为常见的工作相关疾病，职业性肌肉骨骼疾患出现在各个行业，明显影响劳动者的工作效率、身心健康和生活质量。例如，外科医生在手术时需要下身保持站立，上身保持前倾，同时需要脊椎和腰部弯曲，若长时间保持这种姿势，对于上肢的脊椎和腰椎关节以及下肢的髋、膝、踝关节均会造成损伤，也会影响外科医生的职业寿命。此外，在制造业中，大量工作需要重复的手动操作，例如水泥铺设、框架切割、零件搬运、零件表面研磨和地面作业等，这类工作的一个典型共同特征是，工人需要反复蹲下或长时间保持蹲下姿势，长期从事此类工作的工人容易损伤大腿肌肉和膝关节，增加了患上肌肉骨骼疾病、腰痛和关节炎的风险。而支撑外骨骼能够在工作时对人体起到支撑作用，可以缓解由于长时间保持同一姿势对人体造成的损伤。
3.虽然现有技术中具有辅助支撑功能的外骨骼能够满足基本使用需求，但是主要针对下肢进行开发，无法对上下肢同时提供支撑。支撑稳定性也较差，需要使用者自身发力保持重心平衡，无法达到真正的省力效果，而且无法在多位姿状态提供支撑。
4.综上，本发明设计一种准被动多位姿辅助支撑外骨骼，可以实现从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑以及从半蹲姿到坐姿，多种姿态的辅助支撑，在穿戴外骨骼的情形下人体还可以小步幅行走。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出了一种准被动多位姿辅助支撑外骨骼。
6.本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：
7.一种准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，包括上身支撑部分和左、右腿，每条腿均包括踝关节支撑部分、小腿支撑部分和大腿支撑部分；其中，踝关节支撑部分包括足底板、小腿主轴支座、滑块轴、滑块轴支座、滑块、连杆和小腿下主轴；小腿支撑部分包括小腿上主轴、l型固定架和电动缸；
8.所述小腿主轴支座安装在足底板中部，小腿下主轴的下端与小腿主轴支座转动连接；滑块轴的两端分别通过滑块轴支座安装在足底板的后部，滑块滑动安装在滑块轴上；连杆的一端与小腿下主轴的后侧转动连接，另一端与滑块转动连接；小腿上主轴的下端与小腿下主轴连接；l型固定架的上端与小腿上主轴的中部连接，电动缸的缸体与l型固定架的下端转动连接，电动缸的推杆末端与大腿支撑部分的大腿杆中部转动连接；
9.所述上身支撑部分包括无级调节机构和上身支撑结构，大腿支撑部分的大腿杆的上端设有无级调节机构，实现上身支撑结构的无级调节；
10.所述无级调节机构包括三爪卡盘、盘式电机、第一制动盘、第二制动盘、摩擦片、制动盘底板、拉伸弹簧、圆筒壳、芯轴和摆动杆；圆筒壳与摆动杆的下端连接，制动盘底板嵌在圆筒壳内，圆筒壳能相对于制动盘底板转动；芯轴的一端穿过大腿支撑部分的大腿杆，与制动盘底板固连；三爪卡盘的一端嵌在圆筒壳内，盘式电机固定在三爪卡盘内，第一制动盘安装在盘式电机的输出轴上，第一制动盘的两侧分别开有弧形通槽，弧形通槽的一端靠近第一制动盘的圆心，另一端远离第一制动盘的圆心；两个第二制动盘对称安装在制动盘底板的两侧，在第一制动盘的作用下第二制动盘能绕自身中心转动；第二制动盘的一端设有导向柱，每个第二制动盘的导向柱分别与第一制动盘上对应的弧形通槽配合，导向柱能够在各自的弧形通槽内往复滑动，通过导向柱的滑动实现第二制动盘的转动；第二制动盘的另一端与各自拉伸弹簧的一端固连，两个拉伸弹簧的另一端均与制动盘底板固连，拉伸弹簧始终处于拉伸状态；每个第二制动盘的外侧壁均包覆有摩擦片，在第二制动盘的作用下，摩擦片能够与圆筒壳的内壁接触或脱离接触，与内壁接触时，摆动杆锁止；与内壁脱离接触时，摆动杆解除锁止。
11.进一步的，所述大腿支撑部分包括大腿杆、连接块和大腿支撑板；连接块与大腿杆连接，大腿支撑板安装在连接块的一侧，人体大腿放置在大腿支撑板上；大腿杆中部的外侧设有伸出部，电动缸的推杆与伸出部转动连接；小腿上主轴、l型固定架、电动缸、大腿杆的伸出部、大腿杆位于伸出部与小腿上主轴连接点之间的部分构成了偏置摆动导杆机构。
12.进一步的，所述上身支撑结构包括上横梁、纵向绑带和横向绑带；上横梁的两端分别与两个无级调节机构的摆动杆上端连接，每个摆动杆上均设有横向绑带，横向绑带的两端连接两个纵向绑带；使用者的胳膊穿过纵向绑带，将上身支撑结构穿戴在身上。
13.进一步的，所述踝关节支撑部分还包括调节螺柱；调节螺柱的一端插装在滑块的前端，当滑块滑动至前止点时，调节螺柱的另一端与位于滑块轴前端的滑块轴支座接触，对滑块进行限位；调节螺柱插装在滑块中的深度可调节，用于调节外骨骼小腿的前倾支撑角度，调节螺柱的插装深度越大，外骨骼小腿的前倾支撑角度越大，反之越小；使用者根据不同工况下所需的半蹲姿支撑幅度不同，调整调节螺柱的插装深度。
14.进一步的，人体从坐姿到半蹲姿支撑或者从站立到半蹲姿支撑过程中，人体小腿向前弯曲，滑块在连杆的作用下朝向滑块轴前端滑动，当滑块与位于滑块轴前端的滑块轴支座接触时到达前止点，此时外骨骼小腿对人体小腿起到支撑作用，实现人体半蹲姿支撑；人体从半蹲姿支撑到站立或者从半蹲姿支撑到坐姿过程中，人体小腿向后弯曲，滑块朝向滑块轴后端滑动；人体站立时，滑块与两个滑块轴支座均不接触，位于前止点和后止点之间；在坐姿时，滑块与位于滑块轴后端的滑块轴支座接触，位于后止点，外骨骼为人体提供坐姿支撑；当人体穿戴外骨骼小步幅行走时，在步态周期的双支撑相末期，人体足部逐渐离地，小腿向前弯曲，滑块朝向滑块轴前端滑动，随后进入摆动相，人体足部与小腿之间的夹角逐渐增大，小腿下主轴转动使得滑块朝向滑块轴的后端滑动，在摆动相中期，滑块到达后止点，此时人体足尖朝向地面，通过滑块的滑动限制小腿下主轴的摆动范围；该外骨骼能够实现从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到坐姿多个位姿的支撑。
15.进一步的，所述摩擦片和圆筒壳的内壁均采用高摩擦系数的材料制成。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1.本发明能够为使用者提供半蹲姿前倾时任意倾角的支撑，可以实现从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑以及从半蹲姿到坐姿，多种姿态的辅助支撑，通过在踝关节处设置滑块与滑块轴相配合的滑动机构，在不使用电控和不增加控制难度的情况下，实现小腿在前止点和后止点两个位置处的限位；同时滑块的滑动行程满足小步幅行走过程中小腿的摆动角度，保证人体穿戴外骨骼的情况下进行小步幅行走提供可能。
18.2.小腿上主轴、l型固定架、电动缸、大腿杆的伸出部、大腿杆位于伸出部与小腿上主轴连接点之间的部分构成了偏置摆动导杆机构，避免杆组机构在运动过程中出现死点的情况；偏置设置的电动缸可以通过增大受力力臂，减少电动缸需要承受力，从而使外骨骼能够适用于体重较重的人，通过采用偏置的电动缸可以实现任意角度下锁死。
19.3.髋关节处的无极调节机构可以实现0～360
°
任意角度的旋转，使得摆动杆能够发生相对转动，为人体上身提供所需角度的前倾支撑。为方便行走和移动，外骨骼采用外置电源供电，外置电源的容量有限，需要考虑省电问题，因此无级调节机构完全依靠机械结构实现圆筒壳的锁止，盘式电机只是实现解除锁止的功能。圆筒壳自动锁止时，盘式电机处于断开使能不进行工作不消耗电能，这样就可以进行超长时间的持续支撑，避免了电机控制摩擦片与外壳锁死导致续航时间短，无法长时间支撑，同时避免发生突然电池没电无法支撑造成直接工作事故，同时支撑时不消耗电池电量也会有更多的电量用于电机控制解除锁止从而实现更远距离的行走运动。由于摩擦片使用了使用摩擦系数较高的材料，给与较小的压力就会产生较大的静摩擦，因此拉伸弹簧不需要很大的拉力就可以完成锁止，使用小尺寸、小功率盘式电机即可使拉伸弹簧有较小位移量，从而使摩擦片与圆筒壳解除锁止，避免了电机直接和摆动杆连接锁死对人体支撑导致电机的体积和负载功率过大从而无法使用的问题。采用机械结构锁死而电机只起解除锁止的作用也可以保证机构的耐久可靠，不会在多次锁止支撑后出现电机性能衰减的情况，同时也很好的解决了无极调节机构智能化的问题，通过搭配角度传感器可以实现人体自主控制完成坐立运动、行走运动、调整支撑姿态以及是否需要自锁支撑。
20.4.由于人体上身关节在运动中过于复杂，腰椎处有三个自由度，脊椎处有六个自由度。为了能够完全贴合人体，保证支撑效果。本发明在无极调节机构的摆动杆上绑缚纵向绑带，同时将横向绑带通过3m胶与纵向绑带在人体侧弯折固连，这样通过将类似书包带的设计应用在上身支撑部分上实现了对人体上身的完全支撑，同时也保证了上身支撑的舒适度。
21.5.在人体膝关节处采用角度传感器、滑块轴支座处采用压力传感器以及在外骨骼底板与人脚连接处采用足底压力传感器可以保证电动缸在人体需要坐立和行走运动时主动跟随人体运动，同时针对行走运动可以提供实时动态调整的助力，通过将人机交互力大小输入模糊控制中经过算法选取导出优化后的刚度系数以及阻尼大小将这两个值导入导纳控制中控制电动缸实现对目标偏差位移量和速度的实时动态调整从而实现当行走过程中针对年龄较大的外科医生可以改变预先通过实验输入的运动轨迹，动态调整预定的轨迹从而减小位移峰值以及到达改变后位移峰值的速度，使得步态能更加拟合人体运动提供合适的助力实现了人机共融。
22.6.本发明的应该场景相较于现有的支撑外骨骼也得到了极大得丰富，可应用于医
生做手术、工厂尤其是汽车工厂中工人做工等需要长时间保持某种姿态进行操作的场合。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构示意图；
24.图2为本发明的左腿的结构示意图；
25.图3为本发明的踝关节支撑部分的结构示意图；
26.图4为本发明的l型固定架与小腿上主轴和电动杆的连接示意图；
27.图5为发明的大腿支撑部分的结构示意图；
28.图6为本发明的偏置摆动导杆机构的机构简图；
29.图7为本发明的无级调节机构的结构示意图；
30.图8为本发明的第一制动盘与第二制动盘的连接示意图；
31.图9为本发明的上身支撑结构的示意图；
32.图中：1、踝关节支撑部分；2、小腿支撑部分；3、大腿支撑部分；4、上身支撑部分；
33.101、足底板；102、小腿主轴支座；103、滑块轴；104、滑块轴支座；105、滑块；106、连杆；107、小腿下主轴；108、调节螺柱；109、足部绑带；201、小腿上主轴；202、l型固定架；203、电动缸；204、小腿支撑杆；205、轴套；301、大腿杆；302、连接块；303、大腿支撑板；401、三爪卡盘；402、盘式电机；403、第一制动盘；404、第二制动盘；405、摩擦片；406、制动盘底板；407、拉伸弹簧；408、圆筒壳；409、芯轴；410、摆动杆；
34.301-1、伸出部；301-2、连接座；403-1、弧形通槽；404-1、导向柱；411、上横梁；412、纵向绑带；413、横向绑带。
具体实施方式
35.下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案进行详细描述，并不用于限定本技术的保护范围。
36.本发明为一种准被动式多位姿辅助支撑外骨骼(简称外骨骼，参见图1～9)，包括上身支撑部分4和左、右腿，左、右腿对称安装在上身支撑部分4的两侧；左、右腿的结构相同，均包括踝关节支撑部分1、小腿支撑部分2和大腿支撑部分3；
37.其中，踝关节支撑部分1包括足底板101、小腿主轴支座102、滑块轴103、滑块轴支座104、滑块105、连杆106和小腿下主轴107；所述小腿支撑部分2包括小腿上主轴201、l型固定架202和电动缸203；
38.所述小腿主轴支座102安装在足底板101中部，小腿下主轴107的下端通过销轴与小腿主轴支座102转动连接；滑块轴103的两端分别通过滑块轴支座104安装在足底板101的后部，滑块105滑动安装在滑块轴103上；连杆106的一端通过销轴与小腿下主轴107的后侧转动连接，另一端通过销轴与滑块105转动连接；小腿上主轴201的下端插装在小腿下主轴107中，小腿上主轴201插装在小腿下主轴107内的深度可调节，以适应不同身高的使用者；小腿上主轴201的上部为镂空结构，以减轻小腿重量，保证穿戴舒适性；l型固定架202的上端与小腿上主轴201的中部固定连接，电动缸203的缸体通过销轴与l型固定架202的下端转动连接，电动缸203的推杆末端与大腿支撑部分3的大腿杆301中部转动连接，通过电动缸203实现大腿杆301与小腿上主轴201之间的转动；连接电动缸203缸体与l型固定架202的销
轴上安装有轴套205，通过保证轴套205的厚度保证电动缸203的推杆不倾斜，避免影响电动缸203的推力方向。
39.滑块105的设计一方面为人体从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑以及从半蹲姿到坐姿过程中人体小腿运动提供空间，另一方面滑块105的滑动行程可以实现人腿的小幅摆动，使得人体穿戴该外骨骼的情况下能够小步幅行走。具体而言，人体从坐姿到半蹲姿支撑或者从站立到半蹲姿支撑过程中，人体小腿向前弯曲，人体小腿带动小腿下主轴107绕小腿主轴支座102转动，小腿下主轴107带动连杆106运动，滑块105在连杆106的作用下朝向滑块轴103前端滑动，当滑块105与位于滑块轴103前端的滑块轴支座104接触时到达前止点，此时外骨骼小腿对人体小腿起到支撑作用，实现人体半蹲姿支撑。人体从半蹲姿支撑到站立或者从半蹲姿支撑到坐姿过程中，人体小腿向后弯曲，人体小腿带动小腿下主轴107绕小腿主轴支座102转动，小腿下主轴107带动连杆106运动，滑块105在连杆106的作用下朝向滑块轴103后端滑动；人体站立时，滑块105与两个滑块轴支座104均不接触，位于前止点和后止点之间；在坐姿时，滑块105与位于滑块轴103后端的滑块轴支座104接触，位于后止点，外骨骼为人体提供坐姿支撑。当人体穿戴外骨骼行走时，在步态周期的双支撑相末期，人体足部逐渐离地，小腿向前弯曲，滑块105朝向滑块轴103前端滑动，随后进入摆动相，人体足部与小腿之间的夹角逐渐增大，小腿下主轴107转动使得滑块105朝向滑块轴103的后端滑动，在摆动相中期，滑块105到达后止点，此时人体足尖朝向地面，因此通过滑块105的滑动限制小腿下主轴107的摆动范围，使其满足小步幅行走过程中人腿的摆动；这样踝关节支撑部分1和小腿支撑部分2可以实现从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到坐姿以及小步幅行走各个姿态的支撑与切换。
40.所述踝关节支撑部分1还包括调节螺柱108和足部绑带109；调节螺柱108的一端插装在滑块105的前端，另一端能够与位于滑块轴103前端的滑块轴支座104接触；当滑块105滑动至前止点时，调节螺柱108的另一端与位于滑块轴103前端的滑块轴支座104接触，对滑块105进行限位；调节螺柱108插装在滑块105中的深度可调节，用于调节外骨骼小腿的前倾支撑角度，调节螺柱108的插装深度越大，外骨骼小腿的前倾支撑角度越大，反之越小；使用者可以根据不同工况下所需的半蹲姿支撑幅度不同，调整调节螺柱108的插装深度。
41.所述小腿支撑部分2还包括呈半圆弧形的小腿支撑杆204，小腿支撑杆204的一端与小腿上主轴201的上部连接，另一端设有小腿绑带；当人体小腿向前弯曲时，人体小腿前侧与小腿支撑杆204接触，小腿支撑杆204能够为人体小腿提供支撑力。
42.所述大腿支撑部分3包括大腿杆301、连接块302和大腿支撑板303；连接块302与大腿杆301固定连接，大腿支撑板303安装在连接块302的一侧，人体大腿放置在大腿支撑板303上；大腿杆301上设有多个连接孔，使得连接块302与大腿杆301的连接位置可以根据使用者身高调节，保证穿戴舒适性；大腿支撑板303呈圆弧形，与人体大腿后侧弧度相适应。大腿杆301中部的外侧设有伸出部301-1，电动缸203的推杆与伸出部301-1转动连接，通过l型固定架202和大腿杆的伸出部301-1实现电动缸203的偏置设置；小腿上主轴201、l型固定架202、电动缸203、大腿杆301的伸出部301-1、大腿杆301位于伸出部301-1与小腿上主轴202连接点之间的部分构成了偏置摆动导杆机构，避免杆组机构在运动过程中出现死点的情况。图6为偏置摆动导杆机构的机构简图，小腿上主轴201和l型固定架201构成了dg、ge杆，大腿杆301和伸出部301-1构成了dh、hf杆，电动缸203构成了fe杆，通过优化dg、ge、dh、hf这
四个杆的尺寸可以使得摆动导杆机构的传动性能和动平台(大腿杆301)的承载能力达到最优，使得外骨骼大腿杆在实现高效传动的同时，也能保证大腿处承受载荷的能力最优，使得外骨骼也能适用于体重较大的人。
43.所述上身支撑部分4包括无级调节机构和上身支撑结构；左、右腿的大腿杆301的上端分别设有无级调节机构，通过无级调节机构解除上身支撑结构的锁止，解除锁止后，人体上身作用在上身支撑结构上，推动上身支撑结构实现任意角度的转动，实现上身支撑结构的无级调节；
44.所述无级调节机构包括三爪卡盘401、盘式电机402、第一制动盘403、第二制动盘404、摩擦片405、制动盘底板406、拉伸弹簧407、圆筒壳408、芯轴409和摆动杆410；圆筒壳408与摆动杆410的下端固定连接，制动盘底板406嵌在圆筒壳408的凹槽内，圆筒壳408能够相对于制动盘底板406转动；芯轴409的一端穿过大腿杆301上的连接座301-2，与制动盘底板406通过键连接；三爪卡盘401的一端嵌在圆筒壳408内，在径向上通过螺钉与圆筒壳408固定连接；盘式电机402固定在三爪卡盘401内，第一制动盘403固定在盘式电机402的输出轴上，第一制动盘403的两侧分别开有弧形通槽403-1，弧形通槽403-1的一端靠近第一制动盘403的圆心，另一端远离第一制动盘403的圆心；两个第二制动盘404分别通过销轴对称安装在制动盘底板406的两侧，销轴位于第二制动盘404的中心处，在第一制动盘403的作用下每个第二制动盘404均能绕着自身中心转动；第二制动盘404为四分之一圆环结构，每个第二制动盘404的一端均固定有导向柱404-1，每个第二制动盘404的导向柱404-1分别与第一制动盘403上对应的弧形通槽403-1配合，每个导向柱404-1能够在各自的弧形通槽403-1内往复滑动，通过导向柱404-1的滑动实现第二制动盘404的转动；第二制动盘404的另一端与相应拉伸弹簧407的一端固连，两个拉伸弹簧407的另一端均与制动盘底板406固连，拉伸弹簧407始终处于拉伸状态；每个第二制动盘404的外侧壁均包覆有摩擦片405，在第二制动盘404的作用下，摩擦片405能够与圆筒壳408的内壁接触或脱离接触，当摩擦片405与圆筒壳408的内壁接触时，圆筒壳408不能相对于制动盘底板406转动，实现圆筒壳408的锁止，进而实现摆动杆410的锁止；当摩擦片405与圆筒壳408的内壁不接触时，圆筒壳408解除锁止，圆筒壳408能够相对于制动盘底板406转动，使摆动杆410能够任意转动。
45.如图9所示，所述上身支撑结构包括上横梁411、纵向绑带412和横向绑带413；上横梁411的两端分别与两个无级调节机构的摆动杆410上端固定连接，每个摆动杆410上均设有横向绑带413，横向绑带413的两端连接两个纵向绑带412；使用者的胳膊穿过纵向绑带412，将上身支撑结构类似双肩背包一样穿戴在使用者身上，横向绑带413为使用者提供前倾支撑。
46.所述摩擦片405和圆筒壳408的内壁均采用高摩擦系数的高分子三元复合材料制成，高分子三元复合材料以高分子化合物为粘结剂，以无机或有机纤维为增强部分，以填料为摩擦性能调节剂或配合剂；当施加较小的压力时即可产生较大的静摩擦力，以此实现圆筒壳408的锁止。
47.本发明的工作原理和工作流程是：
48.将本发明的外骨骼穿戴在人身上，外骨骼的膝关节和髋关节处均安装有角度传感器，用于检测人体主动运动过程中膝关节和髋关节的角度，控制器通过膝关节和髋关节的角度变化判断人体当前的位姿或者运动状态，进而驱动电动缸203实现跟随运动。以人体从
坐姿到半蹲姿支撑、从站立到半蹲姿支撑以及从半蹲姿到坐姿为例，对外骨骼左腿的运动进行说明，从坐姿到半蹲姿支撑过程中，人体小腿向前弯曲，人体小腿带动小腿下主轴107绕小腿主轴支座102逆时针转动，小腿下主轴107带动连杆106运动，使滑块105朝向滑块轴103前端滑动，当滑块105与位于滑块轴103前端的滑块轴支座104接触时到达前止点，此时外骨骼小腿对人体小腿起到支撑作用，在此过程中电动缸203的推杆逐渐伸长，使大腿杆301绕着小腿上主轴201逆时针转动，辅助人体运动至半蹲姿支撑状态。人体直立站立时，滑块105与两个滑块轴支座104均不接触，位于前止点和后止点之间；当人体从站立到半蹲姿支撑过程中，人体小腿向前弯曲，人体小腿带动小腿下主轴107绕小腿主轴支座102逆时针转动，小腿下主轴107带动连杆106运动，使滑块105朝向滑块轴103前端滑动，当滑块105与位于滑块轴103前端的滑块轴支座104接触时到达前止点，与此同时电动缸203的推杆逐渐缩短，使大腿杆301绕着小腿上主轴201顺时针转动，使人体从站立切换至半蹲姿。当人体从半蹲姿到坐姿过程中，人体小腿向后弯曲，人体小腿带动小腿下主轴107绕小腿主轴支座102顺时针转动，小腿下主轴107带动连杆106运动，使滑块105朝向滑块轴103的后端滑动，当滑块105与位于滑块轴103后端的滑块轴支座104接触时到达后止点，在此过程中电动缸203的推杆逐渐缩短，使大腿杆301继续绕着小腿上主轴201顺时针转动，使人体从半蹲姿切换至坐姿。角度传感器检测到角度变化非常小时认为人体需要支撑，实现电动杆203的锁止；坐姿时由于人自身无法保持坐姿静止，因此需要在位于滑块轴后端的滑块轴支座104处安装压力传感器，根据压力传感器检测到压力变化控制电动缸203实现锁止。
49.对于上身支撑部分4而言，以圆筒壳408锁止为无级调节机构的初始状态，此时盘式电机402断开使能，第二制动盘404的导向柱404-1位于弧形通槽403-1远离第一制动盘403圆心的一端，拉伸弹簧407有最小拉伸量，拉伸弹簧407处于拉伸状态，在拉伸弹簧407的拉力作用下第二制动盘404位于最大转角位置，摩擦片405与圆筒壳408的内壁接触，由于摩擦力作用圆筒壳408不能相对于制动盘底板406转动；当髋关节处的角度传感器检测到髋关节角度发生变化后，控制器反馈给盘式电机402，盘式电机402接通使能，盘式电机402带动第一制动盘403转动，使第二制动盘404的导向柱404-1在弧形通槽403-1内朝向弧形通槽403-1靠近第一制动盘403圆心的一端滑动，使第二制动盘404转动，当第二制动盘404的导向柱404-1滑动至弧形通槽403-1靠近第一制动盘403圆心的一端时，拉伸弹簧407被进一步拉伸，摩擦片405与圆筒壳408的内壁脱离接触，圆筒壳408解除锁止，人体通过后背推动摆动杆410转动至合适位置，实现上身支撑结构的调节，为当前位姿提供支撑；当髋关节角度不再发生变化时认为人体需要支撑，控制器控制盘式电机402断开使能，盘式电机402断开使能后相当于一个自由的转动副，在外力作用下能够任意转动，故第二制动盘404在拉伸弹簧407的作用下复位，使摩擦片405与圆筒壳408的内壁接触，实现圆筒壳408的锁止，将摆动杆410固定在当前位置；通过无级调节机构实现摆动杆410的任意转动和任意位置的锁止，为人体上身提供支撑。
50.本发明未述及之处适用于现有技术。

技术特征：

1.一种准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，包括上身支撑部分和左、右腿，每条腿均包括踝关节支撑部分、小腿支撑部分和大腿支撑部分；其特征在于，其中，踝关节支撑部分包括足底板、小腿主轴支座、滑块轴、滑块轴支座、滑块、连杆和小腿下主轴；小腿支撑部分包括小腿上主轴、l型固定架和电动缸；所述小腿主轴支座安装在足底板中部，小腿下主轴的下端与小腿主轴支座转动连接；滑块轴的两端分别通过滑块轴支座安装在足底板的后部，滑块滑动安装在滑块轴上；连杆的一端与小腿下主轴的后侧转动连接，另一端与滑块转动连接；小腿上主轴的下端与小腿下主轴连接；l型固定架的上端与小腿上主轴的中部连接，电动缸的缸体与l型固定架的下端转动连接，电动缸的推杆末端与大腿支撑部分的大腿杆中部转动连接；所述上身支撑部分包括无级调节机构和上身支撑结构，大腿支撑部分的大腿杆的上端设有无级调节机构，实现上身支撑结构的无级调节；所述无级调节机构包括三爪卡盘、盘式电机、第一制动盘、第二制动盘、摩擦片、制动盘底板、拉伸弹簧、圆筒壳、芯轴和摆动杆；圆筒壳与摆动杆的下端连接，制动盘底板嵌在圆筒壳内，圆筒壳能相对于制动盘底板转动；芯轴的一端穿过大腿支撑部分的大腿杆，与制动盘底板固连；三爪卡盘的一端嵌在圆筒壳内，盘式电机固定在三爪卡盘内，第一制动盘安装在盘式电机的输出轴上，第一制动盘的两侧分别开有弧形通槽，弧形通槽的一端靠近第一制动盘的圆心，另一端远离第一制动盘的圆心；两个第二制动盘对称安装在制动盘底板的两侧，在第一制动盘的作用下第二制动盘能绕自身中心转动；第二制动盘的一端设有导向柱，每个第二制动盘的导向柱分别与第一制动盘上对应的弧形通槽配合，导向柱能够在各自的弧形通槽内往复滑动，通过导向柱的滑动实现第二制动盘的转动；第二制动盘的另一端与各自拉伸弹簧的一端固连，两个拉伸弹簧的另一端均与制动盘底板固连，拉伸弹簧始终处于拉伸状态；每个第二制动盘的外侧壁均包覆有摩擦片，在第二制动盘的作用下，摩擦片能够与圆筒壳的内壁接触或脱离接触，与内壁接触时，摆动杆锁止；与内壁脱离接触时，摆动杆解除锁止。2.根据权利要求1所述的准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述大腿支撑部分包括大腿杆、连接块和大腿支撑板；连接块与大腿杆连接，大腿支撑板安装在连接块的一侧，人体大腿放置在大腿支撑板上；大腿杆中部的外侧设有伸出部，电动缸的推杆与伸出部转动连接；小腿上主轴、l型固定架、电动缸、大腿杆的伸出部、大腿杆位于伸出部与小腿上主轴连接点之间的部分构成了偏置摆动导杆机构。3.根据权利要求1所述的准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述上身支撑结构包括上横梁、纵向绑带和横向绑带；上横梁的两端分别与两个无级调节机构的摆动杆上端连接，每个摆动杆上均设有横向绑带，横向绑带的两端连接两个纵向绑带；使用者的胳膊穿过纵向绑带，将上身支撑结构穿戴在身上。4.根据权利要求1～3任一所述的准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述踝关节支撑部分还包括调节螺柱；调节螺柱的一端插装在滑块的前端，当滑块滑动至前止点时，调节螺柱的另一端与位于滑块轴前端的滑块轴支座接触，对滑块进行限位；调节螺柱插装在滑块中的深度可调节，用于调节外骨骼小腿的前倾支撑角度，调节螺柱的插装深度越大，外骨骼小腿的前倾支撑角度越大，反之越小；使用者根据不同工况下所需的半蹲姿支撑幅度不同，调整调节螺柱的插装深度。
5.根据权利要求1所述的准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，其特征在于，人体从坐姿到半蹲姿支撑或者从站立到半蹲姿支撑过程中，人体小腿向前弯曲，滑块在连杆的作用下朝向滑块轴前端滑动，当滑块与位于滑块轴前端的滑块轴支座接触时到达前止点，此时外骨骼小腿对人体小腿起到支撑作用，实现人体半蹲姿支撑；人体从半蹲姿支撑到站立或者从半蹲姿支撑到坐姿过程中，人体小腿向后弯曲，滑块朝向滑块轴后端滑动；人体站立时，滑块与两个滑块轴支座均不接触，位于前止点和后止点之间；在坐姿时，滑块与位于滑块轴后端的滑块轴支座接触，位于后止点，外骨骼为人体提供坐姿支撑；当人体穿戴外骨骼小步幅行走时，在步态周期的双支撑相末期，人体足部逐渐离地，小腿向前弯曲，滑块朝向滑块轴前端滑动，随后进入摆动相，人体足部与小腿之间的夹角逐渐增大，小腿下主轴转动使得滑块朝向滑块轴的后端滑动，在摆动相中期，滑块到达后止点，此时人体足尖朝向地面，通过滑块的滑动限制小腿下主轴的摆动范围；该外骨骼能够实现从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到坐姿多个位姿的支撑。6.根据权利要求1所述的准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述摩擦片和圆筒壳的内壁均采用高摩擦系数的材料制成。

技术总结

本发明为一种准被动式多位姿辅助支撑外骨骼，包括上身支撑部分和左、右腿，每条腿均包括踝关节支撑部分、小腿支撑部分和大腿支撑部分；踝关节支撑部分包括足底板、小腿主轴支座、滑块轴、滑块轴支座、滑块、连杆和小腿下主轴；小腿支撑部分包括小腿上主轴、L型固定架和电动缸；上身支撑部分包括无级调节机构和上身支撑结构，无级调节机构通过摩擦片与圆筒壳接触的机械方式实现上身支撑结构的锁止，在实现上身支撑结构无级调节的同时节省电能；通过设置滑块和电动缸，实现外骨骼从坐姿到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到站立、站立到半蹲姿支撑、半蹲姿支撑到坐姿多个位姿的支撑，同时滑块的滑动行程满足人体小步幅行走过程中小腿的摆动角度。度。度。