CN107150335A - 穿戴式机器人 - Google Patents
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Abstract
一种穿戴式机器人，具有胸部支撑装置、髋关节与腿部支撑装置：所述胸部支撑装置具有一体式胸托、肩部支撑部与髋传动杆件，所述肩部支撑部两端分别连接所述一体式胸托与用户髋部，用于支撑于用户肩部；所述髋传动杆件两端分别连接所述一体式胸托与所述用户髋部，用于实现所述一体式胸托与所述用户髋部之间的作用力传递；所述髋关节连接所述胸部支撑装置与所述腿部支撑装置，用于对用户的上部躯干提供支撑助力；所述腿部支撑装置贴合地支撑于用户的腿部，其具有用于与所述髋关节连接的上连接端。本发明提供了一种具有突出的结构简洁性、运动灵活性与自适应能力的穿戴式机器人。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体地来说，是一种穿戴式机器人。
背景技术
外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体技能、辅助运动方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。
现有的外骨骼机器人采用多关节的机构形式，即具有完整的上肢关节或下肢关节，以模仿人体的结构形态。以下肢为例，多关节外骨骼具有完整的髋关节、膝关节与踝关节，一一连接后布设于人体腿部的外侧，用以提供支撑助力。
在这种设计方式下，各关节多结构繁复，导致自重过大，运动灵活性较低；运动约束众多，导致协调性难以保证。此外，由于结构固定，现有的关节无法完全贴合不同体形用户的体态要求，穿戴效果欠佳且适应性较差，用户难以获得可靠的结构支撑。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种穿戴式机器人以精简的结构实现自适应调节，可贴合地穿戴于不同体形用户的身体上，提供可靠的结构支撑。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种穿戴式机器人，具有胸部支撑装置、髋关节与腿部支撑装置：
所述胸部支撑装置具有一体式胸托、肩部支撑部与髋传动杆件，所述肩部支撑部两端分别连接所述一体式胸托与用户髋部，用于支撑于用户肩部；
所述髋传动杆件两端分别连接所述一体式胸托与所述用户髋部，用于实现所述一体式胸托与所述用户髋部之间的作用力传递；
所述髋关节连接所述胸部支撑装置与所述腿部支撑装置，用于对用户的上部躯干提供支撑助力；
所述腿部支撑装置贴合地支撑于用户的腿部，其具有用于与所述髋关节连接的上连接端。
作为上述技术方案的改进，所述一体式胸托具有：
基体部，所述基体部的中部具有开口部，所述开口部具有呈球面轮廓的支承面；
转动轴组，所述转动轴组一端具有外表面呈球面轮廓的接合端部，所述接合端部可旋转地保持于所述支承面上，所述接合端部与所述支承面组成球面副；
胸托本体，所述胸托本体与所述转动轴组固定连接，所述胸托本体用于贴合地支撑于用户的胸部。
作为上述技术方案的进一步改进，所述开口部具有静止环，所述静止环与所述开口部固定连接，所述支承面为所述静止环的内表面；
所述转动轴组具有转动轴与设于所述转动轴一端的所述接合端部，所述接合端部为转动环，所述转动环具有呈球面轮廓的外表面，所述转动环可旋转地保持于所述支承面上。
作为上述技术方案的进一步改进，所述胸托本体具有支撑底座与设于所述支撑底座上的弹性托持部，所述支撑底座与所述转动轴固定连接，所述弹性托持部可弹性变形地贴合支撑于用户的胸部。
作为上述技术方案的进一步改进，所述基体部具有基体圆盘及设于所述基体圆盘左右两侧的基体翼，所述基体圆盘与所述基体翼面向所述转动轴组的一侧表面镂空，所述基体圆盘外轮廓边缘与所述开口部外侧分别设有第一容置槽与第二容置槽，所述第一容置槽与所述第二容置槽分别设有第一缓冲圈与第二缓冲圈。
作为上述技术方案的进一步改进，所述髋关节具有：
安装于用户髋部的第一铰支座与第二铰支座；
直线运动组件，所述直线运动组件具有组件底座、可直线运动地保持于所述组件底座上的运动体及于所述组件底座与所述运动体之间发生反馈作用的反馈作用部，所述组件底座具有第一铰接端，所述第一铰接端铰接于所述第一铰支座；
曲柄，所述曲柄具有第二铰接端与第三铰接端，所述第二铰接端铰接于所述运动体，所述第三铰接端铰接于所述第二铰支座，所述第一铰接端与所述第三铰接端之间的距离为第一杆长，所述第二铰接端与所述第三铰接端之间的距离为第二杆长，所述第一杆长与所述第二杆长的杆长比不小于3；
支撑部，所述支撑部与所述第三铰接端连接，用于对所述用户的上部躯干承载支撑。
作为上述技术方案的进一步改进，所述支撑部铰接于所述第二铰支座，所述第三铰接端与所述支撑部通过离合部连接，所述离合部用于实现所述第三铰接端与所述支撑部的保持连接而一体旋转或逐渐分离而相对旋转。
作为上述技术方案的进一步改进，所述离合部具有可相互咬合的第一离合件与第二离合件，所述第一离合件设于所述第三铰接端，所述第二离合件设于所述支撑部，所述第一离合件与所述第二离合件咬合而使所述第三铰接端与所述支撑部一体旋转，所述第一离合件与所述第二离合件逐渐分离而使所述第三铰接端与所述支撑部相对旋转。
作为上述技术方案的进一步改进，所述腿部支撑装置具有：
腿撑，所述腿撑具有一用于贴合地支撑于用户大腿的支承面，所述腿撑远离所述用户大腿的一侧具有第一运动部；
腿撑支架，所述腿撑支架具有一体连接的上连接端与第二运动部，所述上连接端用于与髋关节连接，所述第一运动部可直线运动地保持于所述第二运动部上，所述直线运动方向沿所述用户的宽度方向。
作为上述技术方案的进一步改进，所述上连接端与所述第二运动部垂直布置，所述第二运动部沿水平方向布置。
本发明的有益效果是：
具有依次连接的胸部支撑装置、髋关节与腿部支撑装置，胸部支撑装置具有一体式胸托而可贴合地穿戴于用户的胸部，髋关节提供输出支撑力，腿部支撑装置贴合地支撑于用户的腿部，摆脱传统形式的多关节结构，具有突出的结构简洁性、运动灵活性与自适应能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的胸部支撑装置的结构示意图；
图3是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的胸部支撑装置的一体式胸托的分解结构示意图；
图4是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的胸部支撑装置的一体式胸托去除胸托本体后的结构示意图；
图5是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的胸部支撑装置的一体式胸托去除胸托本体后的分解结构示意图；
图6是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的第一示意图；
图7是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的第二示意图；
图8是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的第三示意图；
图9是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的分解结构示意图；
图10是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的离合结构的分解示意图；
图11是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的离合结构的第一分解局部示意图；
图12是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的髋关节的离合结构的第二分解局部示意图；
图13是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的腿部支撑装置的第一示意图；
图14是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的腿部支撑装置的第二示意图；
图15是本发明实施例1提供的穿戴式机器人的腿部支撑装置的分解示意图。
主要元件符号说明：
10000-穿戴式机器人，1000-胸部支撑装置，1100-一体式胸托，1110-基体部，1111-基体圆盘，1112-基体翼，1113-开口部，1113a-静止环，1114-第一容置槽，1115-第二容置槽，1116-第一缓冲圈，1117-第二缓冲圈，1120-转动轴组，1121-转动轴，1122-接合端部，1123-连接盘，1130-胸托本体，1131-支撑底座，1132-弹性托持部，1140-连接头，1141-插接孔，1142-轴承，1143-环形挡件，1144-锁紧部，1200-肩部支撑部，1210-第一肩带，1220-第二肩带，1300-髋传动杆件，2000-髋关节，2100-髋部安装部，2110-第一铰支座，2120-第二铰支座，2130-壳体，2140-下连接部，2150-腰带，2200-直线运动组件，2210-组件底座，2211-第一铰接端，2220-运动体，2300-曲柄，2310-第二铰接端，2320-第三铰接端，2330-第一壳，2340-第二壳，2350-卷簧，2400-支撑部，2410-上连接部，2500-离合部，2510-第一离合件，2520-第二离合件，2530-滑动离合轴，2540-离合驱动部，L1-第一杆长，L2-第二杆长，3000-腿部支撑装置，3100-腿撑，3110-支承面，3120-第一运动部，3121-结构连接部，3122-滑动件，3200-腿撑支架，3210-上连接端，3220-第二运动部，3221-第一限位部，3222-第二限位部。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对穿戴式机器人进行更全面的描述。附图中给出了穿戴式机器人的优选实施例。但是，穿戴式机器人可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对穿戴式机器人的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在穿戴式机器人的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，穿戴式机器人10000具有胸部支撑装置1000、髋关节2000与腿部支撑装置3000，用于提供一种结构精简、运动灵活性好、助力效果佳的机械装置。
请参阅图2，胸部支撑装置1000具有一体式胸托1100、肩部支撑部1200与髋传动杆件1300。其中，一体式胸托1100具有基体部1110、转动轴组1120与胸托本体1130，转动轴组1120带动胸托本体1130而可旋转地保持于基体部1110上，以球面副而实现自动调整，使胸托本体1130可自适应地贴合于具有不同体形的用户的胸部，提供妥帖支撑。一体式胸托1100的具体构造举其要者详述如下。
请结合参阅图3～5，基体部1110提供一体式胸托1100的整体支撑，于用户的胸部与外部支撑装置之间传递载荷，应具有足够的结构强度。一般地，基体部1110为刚体，强度较高而抗变形能力较强。在一个示范性的实施例中，基体部1110具有一体成型结构，换言之，基体部1110可采用一体铸造、注塑等方式成型，亦可采用若干部件焊接、螺纹紧固等方式实现一体连接。实际应用时，基体部1110无需拆卸而一体使用，具有穿戴方便、结构性好等优点。
基体部1110的中部具有开口部1113，开口部1113具有呈球面轮廓的支承面。具体地，开口部1113可采用多种结构方式，如通孔、盲孔等，内表面为呈球面轮廓的支承面。其中，支承面的位置可设于开口部1113的侧壁，于开口部1113具有底面(如盲孔)时，支承面亦可设于开口部1113的底面。应当注意的是，支承面呈球面轮廓，并不要求支承面具有完整球面，可以是自完整球面截取的部分表面。
优选地，开口部1113具有静止环1113a，静止环1113a与开口部1113固定连接，支承面为静止环1113a的内表面。具体地，静止环1113a具有环形结构，其内表面具有球面轮廓而为支承面。静止环1113a外表面与开口部1113固定连接，在一个示范性的实施例中，静止环1113a与开口部1113可为刚性连接。应当注意的是，静止环1113a的内表面与开口部1113的开口端保持相对，以便转动轴组1120与静止环1113a配合。
优选地，基体部1110具有镂空结构。具体地，基体部1110接近转动轴组1120的一侧表面镂空，以去除多余重量而形成加强筋连接，保证基体部1110的结构强度并降低基体部1110的重量，避免自重过大而对用户造成额外负荷。
在一个示范性的实施例中，基体部1110具有基体圆盘1111及设于基体圆盘1111左右两侧的基体翼1112。其中，基体圆盘1111中心处设有开口部1113，基体翼1112用于对外连接并起到一定程度的配重作用。基体圆盘1111与基体翼1112面向转动轴组1120的一侧表面镂空，基体圆盘1111外轮廓边缘与开口部1113外侧分别设有第一容置槽1114与第二容置槽1115，第一容置槽1114与第二容置槽1115分别用于容纳第一缓冲圈1116与第二缓冲圈1117。在转动轴组1120与胸托本体1130旋转调整时，第一缓冲圈1116用于在胸托本体1130与基体部1110之间实现缓冲，第二缓冲圈1117用于在转动轴组1120与基体部1110之间实现缓冲。第一缓冲圈1116与第二缓冲圈1117可采用弹性材料制成，如橡胶、硅胶等。
优选地，基体部1110两端分别设有与基体部1110铰接的连接头1140，连接头1140用于接入髋传动杆件1300，髋传动杆件1300用于向基体部1110输入支撑力。具体地，连接头1140可于铅垂面内绕其与基体部1110的铰接轴旋转，以调整连接头1140与基体部1110的布置角度而实现支撑力矩的调节。在一个示范性的的实施例中，连接头1140为两个，并分设于基体部1110两侧的基体翼1112上，连接头1140与基体翼1112铰接。基体翼1112上设有容纳槽，以供连接头1140插入。
进一步优选，连接头1140远离基体部1110的一端具有插接孔1141，插接孔1141内具有用于承载髋传动杆件1300的轴承1142，插接孔1141的开口端具有环形挡件1143，插接孔1141的中部侧壁具有用于锁紧髋传动杆件1300的锁紧部1144。
其中，环形挡件1143具有带中心通孔的端部挡板，用于防止轴承1142脱落并供连接杆穿过。环形挡件1143可采用螺纹连接、卡扣连接等形式连接于连接头1140上。锁紧部1144用于对髋传动杆件1300进行周向固定，防止髋传动杆件1300发生旋转窜动与轴向窜动。锁紧部1144可采用顶丝、顶针等结构形式。
于此，髋传动杆件1300可一一穿过环形挡件1143、轴承1142与插接孔1141而实现与连接头1140的连接，并具有旋转调节的能力。当髋传动杆件1300调节到位后，藉由锁紧部1144而实现周向固定，以保证髋传动杆件1300与连接头1140连接稳固，传动迅速到位。
转动轴组1120的一端具有外表面呈球面轮廓的接合端部1122，接合端部1122可旋转地保持于支承面上，接合端部1122与支承面组成球面副。具体地，转动轴组1120可采用多种结构形式，如一体成型并具有接合端部1122的转轴，亦可是以轴类零件为主体的组件，通过接合端部1122与支承面的球面副而可自由旋转。
根据球面副的特点，接合端部1122可绕球面轮廓的球心实现三个方向的相对转动。于此，转动轴组1120具有全向转动自由度，于外部载荷作用下可自行调整，保证受力状态理想。
优选地，转动轴组1120具有转动轴1121与设于转动轴1121一端的接合端部1122，转动轴1121与接合端部1122连接为一体，具有一体旋转的运动特性。接合端部1122可采用多种结构形式，并与开口部1113的结构形式相适应。例如，在开口部1113为盲孔时，接合端部1122可为截取球体一半以上体积而得的球面。
进一步优选，接合端部1122为转动环，转动环具有呈球面轮廓的外表面，转动环可旋转地保持于支承面上。具体地，转动环为环形结构，其外表面与支承面组成球面副。一般地，转动环的外表面与支承面的表面轮廓相适应。
优选地，转动轴组1120远离基体部1110的一端具有连接盘1123，连接盘1123用于连接胸托本体1130，以合理的接触面积而保证转动轴组1120与胸托本体1130之间的稳固连接。
胸托本体1130与转动轴组1120固定连接，胸托本体1130用于贴合地支撑于用户的胸部。具体地，胸托本体1130与转动轴组1120具有一体的运动特性，可通过螺纹连接、焊接等多种连接方式紧固。
基于用户具有不同的身材体形，胸托本体1130支撑于不同用户的胸部时，胸托本体1130受力并不相同。胸托本体1130受力带动与其固连的转动轴组1120转动，转动轴组1120于支承面上具有全转动自由度而可迅速地转动调整，使胸托本体1130对用户胸部的支撑方向理想，支撑稳定而利于减轻用户负担，且用户穿戴更为舒适。
优选地，胸托本体1130具有支撑底座1131与设于支撑底座1131上的弹性托持部1132，支撑底座1131与转动轴1121固定连接，弹性托持部1132可弹性变形地贴合支撑于用户的胸部。
在一个示范性的实施例中，支撑底座1131采用板状结构，两端分别连接连接盘1123与弹性托持部1132。其中，支撑底座1131与连接盘1123之间采用螺纹连接，支撑底座1131与弹性托持部1132之间采用粘接结构。弹性托持部1132可采用弹性材料制成，如橡胶、弹性塑料、硅胶等，具有较佳的变形能力而避免对用户造成伤害，并可及时缓冲震荡力。
肩部支撑部1200两端分别连接一体式胸托1100与髋关节2000，用于支撑于用户肩部。通过肩部支撑部1200，用户的肩部、胸部与髋部形成有效联动，避免局部受力集中，使用户在分散力作用下负荷较小。肩部支撑部1200可采用多种结构形式，并具有后扣式结构。换言之，肩部支撑部1200自用户的后背扣合连接。
优选地，肩部支撑部1200具有独立布置的第一肩带1210与第二肩带1220，第一肩带1210与第二肩带1220分别佩戴于用户的左肩与右肩，并分别与胸托本体1130连接。在一个示范性的实施例中，第一肩带1210与第二肩带1220分别与支撑底座1131连接。
髋传动杆件1300两端分别连接一体式胸托1100与髋关节2000，用于实现一体式胸托1100与髋关节2000之间的作用力传递。
优选地，髋传动杆件1300为弹性杆，其上端与基体部1110刚性连接，其下端与髋关节2000刚性连接。
具体地，如前所述，髋传动杆件1300通过连接头1140与基体部1110连接。在该配合关系下，髋传动杆件1300长度可调节，以使胸部支撑装置1000与用户的体形更为贴合。
请结合参阅图6～8，髋关节2000具有第一铰支座2110、第二铰支座2120、直线运动组件2200与曲柄2300，用于在用户搬运重物的过程中，接收用户上部躯干所承受的重压并通过设于腿部的腿部支撑装置4000及下肢传递于地面，同时提供足够的助力支撑，减轻上部躯干与髋部的负荷而保证用户的身体健康。髋关节2000各个部分的具体结构举其要者详述如下。
第一铰支座2110与第二铰支座2120安装于用户的髋部，用于为髋关节2000提供基体支撑。支座是将结构或构件连接在支承物上的装置，对其所支承的构件施加约束反力。铰支座属于支座的一种类型，其与构件通过铰链连接，构件可于铰支座上转动但不能发生沿任意方向的移动。
第一铰支座2110及第二铰支座2120可通过多种连接方式安装于髋部，优选地，髋关节2000具有髋部安装部2100，髋部安装部2100上设有第一铰支座2110与第二铰支座2120，形成整体的连接结构。在一个示范性的实施例中，用户保持直立时，第一铰支座2110于铅垂方向的位置处于第二铰支座2120下方。
其中，髋部安装部2100采用可穿戴形式，可挂设、扣设或绕设于髋部。在一个示范性的实施例中，髋部安装部2100具有壳体2130及设于壳体2130外部的固定板，固定板通过髋部软衬而与髋部连接，提供稳定舒适的穿戴效果与可靠的结构支撑。壳体2130内部设有容纳空间，用于容纳髋关节2000的各部结构。
直线运动组件2200与第一铰支座2110连接，其具有组件底座2210、可直线运动地保持于组件底座2210上的运动体2220及于组件底座2210与运动体2220之间发生反馈作用的反馈作用部。具体地，反馈作用部两端分别连接组件底座2210与运动体2220，而可于组件底座2210与运动体2220之间传递作用力。在运动体2220的直线运动中，反馈作用部随运动体2220的运动而于组件底座2210与运动体2220之间传递反馈作用力，以实现对运动体2220的反向支撑。反馈作用部可采用多种形式，包括弹性元件(如各类弹簧)、压缩气体等。
其中，组件底座2210具有第一铰接端2211，第一铰接端2211铰接于第一铰支座2110。第一铰接端2211与第一铰支座2110分设铰接轴与铰接孔，便于组件底座2210与第一铰支座2110实现连接，并提供一定程度的调整空间。在一个示范性的实施例中，运动体2220沿人体的身高方向实现直线运动。
组件底座2210与运动体2220可采用多种结构形式，如线性滑轨与线性轴承、伸缩缸、电推杆、电缸等。应当注意的是，直线运动组件2200用于输出支撑力与支撑力矩，具有反馈作用部，属于接受反馈后的被动输出。优选地，组件底座2210为压力缸，运动体2220为端部具有活塞的活塞杆，反馈作用部为充满于活塞与压力缸之间的密闭空间且可被压缩而产生压力的填充物，活塞杆的伸出端与第二铰接端2310铰接。
其中，填充物可以是惰性气体或者油气混合物，使压力缸内的压力高于大气压的几倍或者几十倍。当活塞杆受压时，活塞杆推动活塞压缩填充物，填充物的体积减小而压力增大，反作用于活塞及活塞杆，活塞杆获得反作用力并作用于连接于活塞杆端部的构件上，形成对该构件的支撑作用。由于填充物的物理特性，此种结构的直线运动组件2200具有近乎线性的弹性曲线，反馈输出平稳缓慢。
优选地，反馈作用部的最大反馈力与最小反馈力之比不大于1.3。具体地，随着填充物的压缩状态不同，反馈作用部输出不同的反馈力。反馈力的变化范围应满足最大值与最小值之比不大于1.3的限制，使反馈作用部的输出力较为理想，髋关节2000结构更为紧凑。
运动体2220上连接有用于传递动力的曲柄2300，曲柄2300两端分别与运动体2220、第二铰支座2120铰接，是一种可以实现回转运动的连架杆。曲柄2300具有第二铰接端2310与第三铰接端2320，第二铰接端2310铰接于运动体2220，第三铰接端2320铰接于第二铰支座2120。
在一个示范性的实施例中，用户保持直立时，第二铰接端2310在铅垂方向的位置处于第三铰接端2320下方。在运动体2220为活塞杆的情形下，第二铰接端2310与活塞杆的伸出端铰接。
请结合参阅图8～9，其中，第一铰接端2211与第三铰接端2320之间的距离为第一杆长L1，第二铰接端2310与第三铰接端2320之间的距离为第二杆长L2，第一杆长L1与第二杆长L2的杆长比不小于3。
具体地，第一铰接端2211与第三铰接端2320之间可通过连杆连接，亦可不设连接杆。换言之，第一杆长L1仅具有几何意义，不代表真实杆件。在实际应用中，第一杆长L1与第二杆长L2依预设值而保持定值长度，第一铰接端2211与第二铰接端2310之间的距离随运动体2220的运动而变化。
在前述杆长比范围内，直线运动组件2200的输出力矩具有正弦变化规律，并于用户弯腰角度达到90°时取得峰值，符合用户负重状态下的负载力矩的变化规律，使输出力矩与负载力矩的变化保持同步，取得最佳的助力输出与支撑效果，有效地减轻用户的身体符合，保证人体健康安全。在此，直线运动组件2200的输出力矩，主要指反馈作用部输出的反馈作用力产生的反馈力矩。犹佳地，第一杆长L1与第二杆长L2的杆长比范围为3～5，进一步贴合正弦变化曲线。
在一个优选的实施例中，运动体2220为活塞杆，其伸出端尚可设有关节轴承，关节轴承与第二铰接端2310铰接。关节轴承属于球面滑动轴承，运动时可以在任意角度旋转摆动。在运动体2220与曲柄2300发生相对运动时，关节轴承可自行调节其与第二铰接端2310的连接结构，避免发生运动阻碍而保证运动体2220及曲柄2300的运动顺畅。
曲柄2300连接有支撑部2400，支撑部2400与第三铰接端2320连接，另一端支撑于用户的上部躯干，实现对用户上部躯干的承载支撑。支撑部2400可采用多种结构，在一个示范性的实施例中，支撑部2400下端与第三铰接端2320连接而可与曲柄2300一体旋转，上端设置上连接部2410，用于与设于用户胸部的胸部支撑装置2000连接，以实现胸部支撑装置2000与曲柄2300之间的动力传递，并产生相应的输出力矩而实现对用户上部躯干的有效支撑。
实际应用时，用户上部躯干的负载通过胸部支撑机构传递于支撑部2400，支撑部2400驱动曲柄2300绕曲柄2300绕第三铰接端2320旋转，第二铰接端2310于曲柄2300旋转过程压迫运动体2220，运动体2220发生直线运动并通过反馈作用部而对组件底座2210施加作用力。作为反馈响应，组件底座2210通过反馈作用部对运动体2220施加反向作用而实现对运动体2220的支撑，该支撑力经曲柄2300、支撑部2400及胸部支撑机构传递于用户的上部躯干，并产生支撑力矩而克服负载力与负载力矩，实现助力支撑。
请结合参阅图10～12，优选地，髋关节2000尚具有离合部2500，实现曲柄2300与支撑部2400的离合控制。
具体地，第三铰接端2320与支撑部2400通过离合部2500连接，离合部2500用于实现第三铰接端2320与支撑部2400的保持连接而一体旋转或逐渐分离而相对旋转。当第三铰接端2320与支撑部2400连接时，曲柄2300与支撑部2400一体旋转；当第三铰接端2320与支撑部2400分离时，曲柄2300与支撑部2400具有相对旋转的运动特性。
优选地，离合部2500具有可相互咬合的第一离合件2510与第二离合件2520，第一离合件2510设于第三铰接端2320，第二离合件2520设于支撑部2400，第一离合件2510与第二离合件2520咬合而使第三铰接端2320与支撑部2400一体旋转，第一离合件2510与第二离合件2520逐渐分离而使第三铰接端2320与支撑部2400相对旋转。
第一离合件2510与第二离合件2520可采用多种离合结构，如卡接、插拔等。在一个示范性的实施例中，第一离合件2510与第二离合件2520上分别设有一个或多个咬合齿，咬合齿咬合时可阻止第一离合件2510与第二离合件2520发生相对旋转。通过咬合齿的咬合，曲柄2300、第一离合件2510、第二离合件2520与支撑部2400一体连接，发生同步旋转。
一般地，第一离合件2510与第二离合件2520可相对滑动地接近或远离，而实现咬合齿的咬合或分离。优选地，离合部2500具有滑动离合轴2530，滑动离合轴2530与第一离合件2510固定连接。滑动离合轴2530可滑动地保持于第三铰接端2320，用于驱动第一离合件2510与第二离合件2520咬合或分离。
具体地，第一离合件2510可套设于滑动离合轴2530上，随滑动离合轴2530的滑动接近或远离第二离合件2520。
优选地，离合部2500具有用于驱动滑动离合轴2530于第二铰支座2120上直线运动的离合驱动部2540。具体地，离合驱动部2540可采用多种形式，如电机、电动推杆、电缸等，亦可采用手动作用方式。在一个示范性的实施例中，离合驱动部2540为设于滑动离合轴2530远离第一离合件2510的一端的推拉按钮，可供用户进行手动推拉操作，驱动离合部2500实现对曲柄2300与支撑部2400的锁定与解锁。
优选地，曲柄2300可采用多种结构，在一个示范性的实施例中，曲柄2300可由第一壳2330与第二壳2340拼接而成。第一壳2330与第二壳2340由同一贯通孔贯穿，以供滑动离合轴2530滑动地保持于其上。
优选地，曲柄2300还具有卷簧2350，用于实现曲柄2300与支撑部2400之间的复位。在一个示范性的实施例中，卷簧0350的外圈卡设于第二壳2340的容纳孔内，卷簧2350的内圈开设于支撑部2400上。当曲柄2300与支撑部2400发生相对旋转时，卷簧2350受压蓄能而提供复位能量。
优选地，髋关节2000还具有用于连接腿部支撑装置4000的下连接部2140。具体地，下连接部2140设于壳体2130上，用于实现髋关节2000与腿部支撑装置4000之间的连接与传动，保证传动可靠平稳。
请结合参阅图13～15，腿部支撑装置3000具有腿撑3100与腿撑支架3200，用于对用户的腿部提供助力支撑，并提供灵活调节的自适应能力。其中，腿撑3100用于支撑用户的腿部，腿撑支架3200用于连接用户的躯干或外部设备，腿撑3100与腿撑支架3200之间具有相对运动而可自行调节。腿部支撑装置3000及外骨骼下肢1000的主要构造举其要者详述如下。
腿部支撑装置3000所具有的腿撑3100用于直接穿戴于用户的大腿上，以对用户大腿提供良好的包覆与支撑。腿撑3100可采用各类穿戴结构，如全包围式、半包围式等。
在各类穿戴结构中，腿撑3100至少具有一用于贴合地支撑于用户腿部的支承面3110。例如，在全包围式结构中，腿撑3100具有首尾相接的环形结构，支承面3110为环形结构的内表面；在半包围式结构中，腿撑3100具有开放式包围结构，支承面3110为非闭合表面。
在一个示范性的实施例中，腿撑3100具有拱形结构，拱形结构的内表面为支承面3110，外表面具有第一运动部3120，用于与腿撑支架3200连接。拱形结构下，腿撑3100具有足够的接触面积与调节空间，可沿多个方向而使支承面3110调节至与大腿妥帖贴合的位置，用户具有更为舒适且方便的穿戴效果。
进一步，拱形结构的拱顶沿竖直方向布置，使腿撑3100可水平地移动而接近或远离用户的腿部。支承面3110可采用多种材料制成，在一个示范性的实施例中，支承面3110具有柔软或弹性性状，可由弹性材料如硅胶、橡胶、弹性塑料等，或柔软材料如海绵、软垫等制成，具有优良的缓冲承载能力与舒适的穿戴体验。
腿撑3100具有灵活的调节能力，以解决不同用户的腿部尺寸差异，提供贴合的穿戴支撑，从而保证腿部支撑装置3000对大腿的支撑作用可靠。腿撑3100的调节能力通过直线运动方式而实现，具有运动简洁性与可靠性。
亦即，腿撑3100远离用户膝盖的一侧具有第一运动部3120，第一运动部3120可直线运动地保持于腿撑支架3200上，以此实现腿撑3100与腿撑支架3200之间的相对运动。其中，直线运动的实现方式多种多样，常见地包括滑轨与滑块连接、丝杠与丝杠螺母传动、伸缩缸、电动推杆、电缸等类型。
同时，依实际需要，直线运动的驱动方式可采手动或自动形式。于手动驱动方式下，腿撑3100的直线运动以手动施加驱动力；于自动驱动方式下，腿撑3100的直线运动动力可源自电机、液压马达、气动/液动缸等。
优选地，第一运动部3120具有相互连接的结构连接部3121与滑动件3122，结构连接部3121与腿撑3100一体连接，滑动件3122可直线运动地保持于第二运动部3220上。
具体地，结构连接部3121具有足够的结构强度，用于连接腿撑3100与滑动件3122，从而于后二者之间传递运动与动力。在一个示范性的实施例中，结构连接部3121为自腿撑3100远离用户大腿的一侧向外延伸而成的凸台，凸台上设置用于容纳滑动件3122的通孔或槽体。滑动件3122套设于结构连接部3121上，滑动件3122、结构连接部3121与腿撑3100具有同步的直线运动。
腿部支撑装置3000所具有的腿撑支架3200用于与用户的躯体和/或外部设备连接，腿撑支架3200具有一体连接的上连接端3210与第二运动部3220，上连接端3210用于与髋关节2000的下连接部2140连接，第一运动部3120可直线运动地保持于第二运动部3220上，其直线运动方向沿用户的宽度方向。其中，用户的宽度方向，是指用户的左右侧躯体之间的连线方向。
其中，上连接端3210可采用多种结构形式，包括杆件、板件或其他结构件形式，用于在用户的躯体或外部设备与腿撑3100之间实现力的传递，从而对用户起到助力支撑作用。
在一个示范性的实施例中，上连接端3210采用刚性杆结构，具有足够的刚强度、抗变形能力与力传递灵敏度。在另一个实施例中，上连接端3210尚可具有弹性变形能力，可沿切向微弹变形而增强上连接端3210与用户躯体或外部设备之间的紧密作用。
类似地，第二运动部3220亦可采用杆件、板件或其他结构件形式。同时，由于第二运动部3220与第一运动部3120存在运动配合，其实现形式与具体的运动实现方式尚具有较为密切的连续，其具体情况见后所述。
优选地，上连接端3210与第二运动部3220垂直布置，第二运动部3220沿水平方向布置。具体地，上连接端3210于铅垂面内布置，与第二运动部3220具有直角关系，使上连接端3210可设于用户的大腿内侧或外侧。
在一个示范性的实施例中，上连接端3210沿铅垂方向布置，并设于用户的大腿外侧，其穿戴方便而结构可靠，且上连接端3210与腿撑3100之间的距离即为用户的腿膝之间的宽度，直接调节即可使上连接端3210紧靠于大腿的同时腿撑3100紧靠于用户的膝盖。
如前所述，第一运动部3120可直线运动地保持于第二运动部3220上，直线运动的实现方式具有多种可能。以下仅列举较为常见的结构形式，未述及的本领域技术人员所公知的实现方式，亦属于本发明的保护范围。
在一个示范性的实施例中，滑动件3122具有滑套或线性轴承，第二运动部3220具有线性滑轨，滑套或线性轴承可直线运动地保持于线性滑轨上，属于滑动或滚动方式。
具体地，滑套或线性轴承套设结构连接件上。滑套内设通孔，而可套设于第二运动部3220的线性滑轨上，滑套滑动地保持于线性滑轨上。线性轴承是用于直线运动的球或滑动轴承，与第二运动部3220的线性滑轨具有滚动或滑动接触而相对直线运动。
在另一个实施例中，滑动件3122具有丝杠螺母，第二运动部3220具有丝杠，丝杠可螺旋旋转地保持于丝杠螺母上，丝杠螺母与结构连接部3121固定连接。
具体地，丝杠螺母内设螺旋槽(并可设有滚珠)，丝杠外设螺旋槽，丝杠螺母套设于丝杠上并具有相对的螺旋旋转。由于丝杠螺母受到腿撑3100的限制而丧失旋转自由度，当丝杠旋转时，丝杠螺母受其作用而驱动腿撑3100直线运动，从而实现地第一运动部3120与第二运动部3220之间的相对直线运动。
优选地，第二运动部3220上分设第一限位部3221与第二限位部3222，第一运动部3120可直线运动地保持于第一限位部3221与第二限位部3222之间。
具体地，第一限位部3221与第二限位部3222突出于第二运动部3220的表面，当第一运动部3120直线运动而接触第一限位部3221或第二限位部3222时，第一运动部3120受阻于后二者之一而停止运动，避免发生第一运动部3120的过冲或脱出。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种穿戴式机器人，其特征在于，具有胸部支撑装置、髋关节与腿部支撑装置：
所述胸部支撑装置具有一体式胸托、肩部支撑部与髋传动杆件，所述肩部支撑部两端分别连接所述一体式胸托与用户髋部，用于支撑于用户肩部；
所述髋传动杆件两端分别连接所述一体式胸托与所述用户髋部，用于实现所述一体式胸托与所述用户髋部之间的作用力传递；
所述髋关节连接所述胸部支撑装置与所述腿部支撑装置，用于对用户的上部躯干提供支撑助力；
所述腿部支撑装置贴合地支撑于用户的腿部，其具有用于与所述髋关节连接的上连接端。
2.根据权利要求1所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述一体式胸托具有：
基体部，所述基体部的中部具有开口部，所述开口部具有呈球面轮廓的支承面；
转动轴组，所述转动轴组一端具有外表面呈球面轮廓的接合端部，所述接合端部可旋转地保持于所述支承面上，所述接合端部与所述支承面组成球面副；
胸托本体，所述胸托本体与所述转动轴组固定连接，所述胸托本体用于贴合地支撑于用户的胸部。
3.根据权利要求2所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述开口部具有静止环，所述静止环与所述开口部固定连接，所述支承面为所述静止环的内表面；
所述转动轴组具有转动轴与设于所述转动轴一端的所述接合端部，所述接合端部为转动环，所述转动环具有呈球面轮廓的外表面，所述转动环可旋转地保持于所述支承面上。
4.根据权利要求2所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述胸托本体具有支撑底座与设于所述支撑底座上的弹性托持部，所述支撑底座与所述转动轴固定连接，所述弹性托持部可弹性变形地贴合支撑于用户的胸部。
5.根据权利要求2所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述基体部具有基体圆盘及设于所述基体圆盘左右两侧的基体翼，所述基体圆盘与所述基体翼面向所述转动轴组的一侧表面镂空，所述基体圆盘外轮廓边缘与所述开口部外侧分别设有第一容置槽与第二容置槽，所述第一容置槽与所述第二容置槽分别设有第一缓冲圈与第二缓冲圈。
6.根据权利要求1所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述髋关节具有：
安装于用户髋部的第一铰支座与第二铰支座；
直线运动组件，所述直线运动组件具有组件底座、可直线运动地保持于所述组件底座上的运动体及于所述组件底座与所述运动体之间发生反馈作用的反馈作用部，所述组件底座具有第一铰接端，所述第一铰接端铰接于所述第一铰支座；
曲柄，所述曲柄具有第二铰接端与第三铰接端，所述第二铰接端铰接于所述运动体，所述第三铰接端铰接于所述第二铰支座，所述第一铰接端与所述第三铰接端之间的距离为第一杆长，所述第二铰接端与所述第三铰接端之间的距离为第二杆长，所述第一杆长与所述第二杆长的杆长比不小于3；
支撑部，所述支撑部与所述第三铰接端连接，用于对所述用户的上部躯干承载支撑。
7.根据权利要求6所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述支撑部铰接于所述第二铰支座，所述第三铰接端与所述支撑部通过离合部连接，所述离合部用于实现所述第三铰接端与所述支撑部的保持连接而一体旋转或逐渐分离而相对旋转。
8.根据权利要求7所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述离合部具有可相互咬合的第一离合件与第二离合件，所述第一离合件设于所述第三铰接端，所述第二离合件设于所述支撑部，所述第一离合件与所述第二离合件咬合而使所述第三铰接端与所述支撑部一体旋转，所述第一离合件与所述第二离合件逐渐分离而使所述第三铰接端与所述支撑部相对旋转。
9.根据权利要求1所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述腿部支撑装置具有：
腿撑，所述腿撑具有一用于贴合地支撑于用户大腿的支承面，所述腿撑远离所述用户大腿的一侧具有第一运动部；
腿撑支架，所述腿撑支架具有一体连接的上连接端与第二运动部，所述上连接端用于与髋关节连接，所述第一运动部可直线运动地保持于所述第二运动部上，所述直线运动方向沿所述用户的宽度方向。
10.根据权利要求9所述的穿戴式机器人，其特征在于，所述上连接端与所述第二运动部垂直布置，所述第二运动部沿水平方向布置。
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