一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置的制作方法

1.本发明涉及外骨骼技术领域，特别涉及一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置。


背景技术：

2.外骨骼是一种可以让人穿戴的人机一体化“机械装置”，其中，阻力外骨骼注意用于健身，锻炼或训练等领域，通过使用阻力外骨骼，有利于保持人们的身体健康，具有广泛的应用前景。
3.现有技术中，阻力外骨骼设备都需要电池提供能量，左右设置两个动力单元的外骨骼设备，需要两套动力单元，成本高，质量重，结构更为复杂，电池容量无法支撑长时间续航，电池长时间使用有一定危险性，不符合健康绿色环保理念；目前单动力外骨骼，也需要电池提供动力，左右两侧具有高度的耦合性，左右腿力的大小和角度都完全耦合，这种耦合关系可能给用户膝关节造成负担，严重可能导致膝过伸，同时左右两侧结构会相对转动，稳定性差。
4.由此，目前需要有一种方案来解决上述问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，本方案不需要电池供电，依靠无源电机本身磁力切割产生阻力，实现给左右腿提供阻力的功能，实现无限续航。同时解决了单动力外骨骼左右角度耦合问题。具体技术方案如下所示：
6.本发明实施例提出了一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，包括无源电机、容纳组件、第一减速器、第二减速器、第一传动转向件、第二传动转向件、第一腿部组件以及第二腿部组件；
7.所述第一减速器和所述第二减速器用以降低转速及增大扭矩；
8.所述无源电机设置在所述容纳组件内，所述无源电机包括定子和转子，所述定子与所述容纳组件转动连接；
9.所述转子与所述第一减速器的一端转动连接，所述定子与所述第二减速器的一端转动连接；
10.所述第一减速器的另一端与所述第一传动转向件的一端转动连接，所述第二减速器的另一端与所述第二传动转向件的一端转动连接；
11.所述第一传动转向件的另一端与所述第一腿部组件转动连接，所述第二传动转向件的另一端与所述第二腿部组件转动连接。
12.在一个具体实施例中，所述容纳组件包括腰部环架与腰带，所述腰部环架与所述腰带连接，所述腰带设置在所述腰部环架贴近人体的一侧，所述无源电机设置在所述腰部环架内，所述定子与所述腰部环架转动连接。
13.在一个具体实施例中，所述定子通过轴承与所述容纳组件转动连接。
14.在一个具体实施例中，所述轴承的数量为一个或多个。
15.在一个具体实施例中，所述容纳组件内部设有容纳空间，所述无源电机、所述第一减速器、所述第二减速器、所述第一传动转向件、所述第二传动转向件均设置所述容纳空间中。
16.在一个具体实施例中，所述第一减速器和所述第二减速器结构相同，所述第一减速器包括多级行星减速机构。
17.在一个具体实施例中，所述第一减速器或者所述第二减速器包括太阳轮，多个一级行星轮，一级行星架，多个二级行星轮，二级行星架以及内齿圈；
18.多个所述一级行星轮安装在所述一级行星架上朝向所述太阳轮的一侧；多个所述二级行星轮安装在所述二级行星架上朝向所述太阳轮的一侧；
19.所有的所述一级行星轮，所述一级行星架，所有的所述二级行星轮及所述二级行星架均设置在所述内齿圈中，且所有的所述一级行星轮与所有的所述二级行星轮均与所述内齿圈啮合转动连接；
20.所述太阳轮的一端同轴连接所述无源电机的输出端，所述无源电机的输出端为所述定子或者所述转子，所述太阳轮的另一端与所有的所述一级行星轮啮合传动连接；
21.所述第一行星架远离所述太阳轮的一侧中心轴上设置有齿轮，所述齿轮与所有的所述二级行星轮啮合传动连接；
22.所述二级行星架上远离所述太阳轮的一侧中心轴上设置有用于传动连接所述第一传动转向件或者所述第二传动转向件的动力端。
23.在一个具体实施例中，所述第一传动转向件和所述第二传动转向件均包括柔性万向轴。
24.在一个具体实施例中，所述第一传动转向件和所述第二传动转向件结构相同，所述第一传动转向件上远离所述多级行星减速机构的一端设置有第一锥齿轮；
25.所述第一腿部组件上靠近所述第一传动转向件的一端设置有与所述第一锥齿轮匹配的第二锥齿轮；
26.所述第一传动转向件通过所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮的啮合实现与所述第一腿部组件同轴转动连接。
27.在一个具体实施例中，所述第一腿部组件和所述第二腿部组件结构相同且镜像对称，所述第一腿部组件包括第一连接件，第二连接件以及阻力作用件；
28.所述第二锥齿轮设置在所述第一连接件的一端上，所述第二连接件的一端与第一连接件的另一端铰接，所述第二连接件的另一端与所述阻力作用件通过转动轴转动连接。
29.本发明至少具有以下有益效果：
30.本发明依靠无源动力单元本身磁力切割产生阻力，实现给左右腿提供阻力的功能，不需要电池供电，结构简洁，质量更轻，实现无限续航，符合健康绿色环保理念。同时再通过万向软轴的配合，解决了单动力外骨骼左右角度耦合问题。
附图说明
31.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。
32.图1为本发明实施例的整体结构爆炸视图；
33.图2为本发明实施例的整体结构剖视图；
34.图3为本发明实施例的多级行星减速机构爆炸视图；
35.图4为本发明实施例的人体穿戴正视图；
36.图5为本发明实施例的人体穿戴后视图；
37.图6为本发明实施例的人体穿戴侧视图。
38.附图标记：
39.1-定子；2-转子；3-太阳轮；4-一级行星轮；5-一级行星架；6-齿轮7-二级行星轮；8-二级行星架；9-内齿圈；10-柔性万向轴；11-第一锥齿轮；12-第二锥齿轮；13-转动轴；14-腰部环架；15-轴承；16-第一连接件；17-第二连接件；18-阻力作用件；19-腰带；20-动力端；101-无源电机；201-第一减速器；202-第二减速器；301-第一传动转向件；302-第二传动转向件；401-第一腿部组件；402-第二腿部组件；501-容纳组件。
具体实施方式
40.在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
41.在下文中，可在本公开的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本公开的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
42.在本公开的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
43.在本公开的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本公开的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
44.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件
和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
45.在本公开的各种实施例中使用的术语“用户”可指示使用电子装置的人或使用电子装置的装置(例如，人工智能电子装置)。
46.在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
47.如说明书附图1及附图2所示，本发明提供一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，包括无源电机101、容纳组件501、第一减速器201、第二减速器202、第一传动转向件301、第二传动转向件302、第一腿部组件401以及第二腿部组件402；
48.所述第一减速器201和所述第二减速器202用以降低转速及增大扭矩；
49.所述无源电机101设置在所述容纳组件501内，所述无源电机101包括定子1和转子2，所述定子1与所述容纳组件501转动连接；
50.具体地，如说明书附图4、5、6所示，所述容纳组件501包括腰部环架14与腰带19，所述腰部环架14与所述腰带19连接，所述腰带19设置在所述腰部环架14贴近人体的一侧，通过所述腰带19穿在人体腰部位置，所述无源电机101设置在腰部环架14内，所述定子1与所述腰部环架14转动连接。
51.在制作材质上，具体地，腰部环架14环绕人体腰部起刚性支撑作用，可以使用硬铝合金、钛合金、钛铝合金等金属材料制造；腰带19契合人体的生理曲线，能够与人体腰部贴合，可以通过磁力扣等固定于人体腰部位置。
52.进一步地，所述容纳组件501内部设有环状容纳空间，所述无源电机、所述第一减速器201、所述第二减速器202、所述第一传动转向件301、所述第二传动转向件302均设置所述容纳空间中，能够节省收纳空间。
53.进一步地，所述定子1通过一个或者多个轴承15转动连接在所述腰部环架14上。
54.可选地，无源电机101定子1可以通过单列轴承与腰部环架14转动连接，也可以通过双轴承与腰部环架14转动连接。
55.优选地，双轴承与单列轴承相比有更好的刚性，能承受倾覆力矩，本实施例使用双轴承转动连接定子1与腰部环架14。
56.所述转子2与所述第一减速器201的一端转动连接，所述定子1与所述第二减速器202的一端转动连接；降低转速，同时增大输出扭矩。
57.所述第一减速器201的另一端与所述第一传动转向件301的一端同轴转动连接，所述第二减速器202的另一端与所述第二传动转向件302的一端同轴转动连接；
58.所述第一传动转向件301的另一端与所述第一腿部组件401转动连接，所述第二传动转向件302的另一端与所述第二腿部组件402转动连接。
59.进一步地，可选地，减速器可以是rv减速机，也可以是谐波减速机，或者是矢量摆线减速机。
60.优选地，在本实施例中，所述第一减速器201和所述第二减速器202结构相同，第一减速器201和所述第二减速器202包括多级行星减速机构，相对于其他减速器，多级行星减速机构具有重量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低适应性强等特点。
61.具体地，在本实施例中，该多级行星减速机构的能够实现的减速比大于10：1，小于或者等于100：1。
62.如说明书附图3所示，所述多级行星减速机构包括太阳轮3，多个一级行星轮4，一级行星架5，多个二级行星轮7，二级行星架8以及内齿圈9；
63.进一步地，如说明书附图1以及附图3所示，多个所述一级行星轮4安装在所述一级行星架5上朝向所述太阳轮3的一侧；多个所述二级行星轮7安装在所述二级行星架8上朝向所述太阳轮3的一侧；
64.所有的所述一级行星轮4，所述一级行星架5，所有的所述二级行星轮7及所述二级行星架8均设置在所述内齿圈9中，且所有的所述一级行星轮4与所有的所述二级行星轮7均与所述内齿圈9啮合转动连接；
65.所述太阳轮3的一端同轴连接所述无源电机101的输出端，所述无源电机101的输出端为所述定子1或者所述转子2，所述太阳轮3的另一端与多个所述一级行星轮4外啮合传动连接；
66.所述第一行星架远离所述太阳轮3的一侧的中心轴上设置有齿轮6，所述齿轮6与所有所述二级行星轮7外啮合传动连接；
67.所述二级行星架8上远离所述太阳轮3的一侧的中心轴上设置有用于传动连接所述第一传动转向件301或者所述第二传动转向件302的动力端20。
68.进一步地，所述第一传动转向件301和所述第二传动转向件302包括柔性万向轴10。
69.优选地，本实施例中使用柔性万向轴10可以抵消相对运动或防止两个旋转部件之间的磨损，从而提高设备的使用寿命和可靠性。柔性万向轴10刚性很小，具有弹性，可自由弯曲传动，能够将不在同一直线上的变速器输出轴和主减速器输入轴连接起来，即使两轴之间的夹角和距离经常变化，也能可靠地传递旋转运动和扭矩。通过使用柔性万向轴10，本实施例解决了左右角度耦合问题，左右结构无相对转动，同时，腰部也能辅助受力，解决了左右腿力的耦合问题。
70.所述第一传动转向件301和所述第二传动转向件302结构相同，所述第一传动转向件301上远离所述多级行星减速机构的一端设置有第一锥齿轮11；
71.所述第一腿部组件401上靠近所述第一传动转向件301的一端设置有与所述第一锥齿轮11匹配的第二锥齿轮12；
72.所述第一传动转向件301通过所述第一锥齿轮11与所述第二锥齿轮12的啮合实现与所述第一腿部组件401同轴转动连接。
73.所述第二传动转向件302上远离所述多级行星减速机构的一端设置有第一锥齿轮11；
74.所述第二腿部组件402上靠近所述第二传动转向件302的一端设置有与所述第一锥齿轮11匹配的第二锥齿轮12；
75.所述第二传动转向件302通过所述第一锥齿轮11与所述第二锥齿轮12的啮合实现
与所述第二腿部组件402同轴转动连接。
76.所述第一锥齿轮11与所述第二锥齿轮12啮合连接，能够实现传动方向的转换，具体地，在本实施例中使用90
°
锥齿轮，将力由第一锥齿轮11、第二锥齿轮12，进而传动作用到第一腿部组件401或第二腿部组件402上，对腿部产生阻力。
77.具体地，采用锥齿轮传动能够改变传动方向，锥齿轮传动的结构较为紧凑，节省空间；且锥齿轮传动效率高，传动比稳定，通过性能得到提高，通过锥齿轮传动可以获得较大传动比，提高其降低转速、增大输出扭矩能力。此外，锥齿轮传动还具有运转平稳、可靠、耐磨损、寿命长、噪声低等特点。
78.进一步地，如说明书附图1所示，所述第一腿部组件401和所述第二腿部组件402结构相同且镜像对称，第一腿部组件401包括第一连接件16，第二连接件17以及阻力作用件18；
79.进一步地，所述第二锥齿轮12设置在所述第一连接件16的一端上，所述第二连接件17的一端与第一连接件16的另一端铰接，所述第二连接件17的另一端与所述阻力作用件18通过转动轴13转动连接,在不使用时可以进行折叠收纳，有助于节省收纳空间。
80.进一步地，第一连接件16，第二连接件17以及阻力作用件18之间具有适宜的自由度，且第一连接件16，第二连接件17穿戴运动时并不直接与人体腿部接触，具备一定的弹性活动空间，可相对人体的腿部进行微调，同时可以适应人体做不同动作时腿长微小变化，解决自由度冲突问题；从而可更好地适应人体腿部在进行运动时的不同形态，并不会对人体的运动能力产生不良影响，有助于提升泛用性与适用性。
81.进一步地，第一连接件16，第二连接件17以及阻力作用件18均为细长的结构，简化了外骨骼的结构，布置更符合人体工程学，形成整体之间的有效驱动；控制简单且精确，体积小、降低了腿部外骨骼的重量；提高了腿部外骨骼活动性能，佩戴方便，提升了用户体验。
82.优选地，在本实施例当中，阻力作用件18与人体大腿部横向正面贴合，增大接触面积，在要停下时，有利于更好发挥腿部组件所受到的阻力，辅助人从运动的状态停下。
83.机械外骨骼需有良好的可穿戴性，因此其机械系统设计和关节自由度应与人体结构和自由度相匹配，而且要求材料轻且坚固,对结构强度的要求很高，因为一旦某个硬质的材料断裂，将极有可能对人体造成伤害。
84.可选地，机械外骨骼可以采用如航空硬铝合金、钛合金、钛铝合金、复合材料、纳米材料、柔性纺织材料等中的一种或者多种材料。
85.具体地，在本实施例中，所述腰部组件与所述腿部组件均采用了碳纤维材料，质量较为轻便且强度较高，符合机械外骨骼对结构强度的要求，还可以抗疲劳，在使用者使用时有安全保障的基础上，减轻了整体外骨骼装置的重量，进而减轻了使用者的负担。
86.在使用时，当左腿静止，右腿还在运动时，力经过第一传动转向件301、第一减速器201，带动转子2转动，转子2转动切割定子1磁场中的磁感线，产生阻力，方向为阻碍转子2转动的方向，通过第一减速器201降低速度、增大扭矩，力经过第一传动转向件301，实现力方向的改变，传动到第一腿部组件401上，实现给右腿的阻力；当右腿静止，左腿还在运动时，力经过第二传动转向件302、第二减速器202，带动定子1转动，定子1与转子2相对运动，转子2切割定子1磁场中的磁感线，产生阻力，通过第二减速器202降低速度、增大扭矩，力经过第二传动转向件302，实现力方向的改变，传动到第二腿部组件402上，实现给左腿的阻力。
87.综上，本实施例提供一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，包括一个无源电机101，容纳组件501，第一减速器201，第二减速器202，第一传动转向件301，第二传动转向件302，第一腿部组件401，第二腿部组件402。
88.其中通过无源电机101的转子2切割磁感线，产生阻力，相对于现有技术来说，不需要电池提供能量，成本较低，质量减轻，结构更为简单，能够实现无限续航，避免电池长时间使用存在的危险性，安全性高，符合健康绿色环保理念。第一传动转向件301和第二传动转向件302都包括柔性万向轴10，可以解决角度耦合和左右阻力耦合的问题。
89.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
90.本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
91.上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
92.以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，包括无源电机、容纳组件、第一减速器、第二减速器、第一传动转向件、第二传动转向件、第一腿部组件以及第二腿部组件；所述第一减速器和所述第二减速器用以降低转速及增大扭矩；所述无源电机设置在所述容纳组件内，所述无源电机包括定子和转子，所述定子与所述容纳组件转动连接；所述转子与所述第一减速器的一端转动连接，所述定子与所述第二减速器的一端转动连接；所述第一减速器的另一端与所述第一传动转向件的一端转动连接，所述第二减速器的另一端与所述第二传动转向件的一端转动连接；所述第一传动转向件的另一端与所述第一腿部组件转动连接，所述第二传动转向件的另一端与所述第二腿部组件转动连接。2.根据权利要求1所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述容纳组件包括腰部环架与腰带，所述腰部环架与所述腰带连接，所述腰带设置在所述腰部环架贴近人体的一侧，所述无源电机设置在所述腰部环架内，所述定子与所述腰部环架转动连接
。
3.根据权利要求1或2所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述定子通过轴承与所述容纳组件转动连接。4.根据权利要求3所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述轴承的数量为一个或多个。5.根据权利要求1或2所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述容纳组件内部设有容纳空间，所述无源电机、所述第一减速器、所述第二减速器、所述第一传动转向件、所述第二传动转向件均设置所述容纳空间中。6.根据权利要求1所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述第一减速器和所述第二减速器结构相同，所述第一减速器包括多级行星减速机构。7.根据权利要求1或者6所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述第一减速器或者所述第二减速器包括太阳轮，多个一级行星轮，一级行星架，多个二级行星轮，二级行星架以及内齿圈；多个所述一级行星轮安装在所述一级行星架上朝向所述太阳轮的一侧；多个所述二级行星轮安装在所述二级行星架上朝向所述太阳轮的一侧；所有的所述一级行星轮，所述一级行星架，所有的所述二级行星轮及所述二级行星架均设置在所述内齿圈中，且所有的所述一级行星轮与所有的所述二级行星轮均与所述内齿圈啮合；所述太阳轮的一端同轴连接所述无源电机的输出端，所述无源电机的输出端为所述定子或者所述转子，所述太阳轮的另一端与所有的所述一级行星轮啮合传动连接；所述第一行星架远离所述太阳轮的一侧中心轴上设置有齿轮，所述齿轮与所有的所述二级行星轮啮合；所述二级行星架上远离所述太阳轮的一侧中心轴上设置有用于传动连接所述第一传动转向件或者所述第二传动转向件的动力端。
8.根据权利要求1所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述第一传动转向件和所述第二传动转向件均包括柔性万向轴。9.根据权利要求1或8所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述第一传动转向件和所述第二传动转向件结构相同，所述第一传动转向件上远离所述多级行星减速机构的一端设置有第一锥齿轮；所述第一腿部组件上靠近所述第一传动转向件的一端设置有与所述第一锥齿轮匹配的第二锥齿轮；所述第一传动转向件通过所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮的啮合实现与所述第一腿部组件同轴转动连接。10.根据权利要求1所述的一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，其特征在于，所述第一腿部组件和所述第二腿部组件结构相同且镜像对称，所述第一腿部组件包括第一连接件，第二连接件以及阻力作用件；所述第二锥齿轮设置在所述第一连接件的一端上，所述第二连接件的一端与第一连接件的另一端铰接，所述第二连接件的另一端与所述阻力作用件通过转动轴转动连接。

技术总结
本发明提出了一种无源单动力单元实现双边阻力外骨骼装置，包括无源电机、容纳组件、第一减速器、第二减速器、第一传动转向件、第二传动转向件、第一腿部组件以及第二腿部组件；所述第一减速器和所述第二减速器用以降低转速及增大扭矩；本发明不需要电池供电，依靠无源电机本身磁力切割产生阻力，实现给左右腿提供阻力的功能，结构简洁，质量更轻，实现无限续航，符合健康绿色环保理念，同时配合所述第一传动转向件和所述第二传动转向件，解决了单动力外骨骼左右角度耦合问题。力外骨骼左右角度耦合问题。力外骨骼左右角度耦合问题。


技术研发人员：朱瀚琦 柯志锋
受保护的技术使用者：深圳市英汉思动力科技有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/28