CN111329720B - 一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，包括大腿安装座、上部转接部件、趋于伸长的气撑部件、中部转接部件、连杆部件、下部转接部件和鞋部件，其中，所述上部转接部件分别连接所述大腿安装座和气撑部件上部，并使得气撑部件可绕大腿安装座相对转动，所述中部转接部件分别连接所述气撑部件和连杆部件，并使得连杆部件顶部与气撑部件之间可相对转动，所述下部转接部件分别连接所述连杆部件和鞋部件，并使得连杆部件可绕鞋部件相对转动。与现有技术相比，本发明结构紧凑、制造及维护成本低，通过被动元件来实现助力，不需要外部能量输入。

Description

一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置

技术领域

本发明属于助力骨骼领域，涉及一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置。

背景技术

关节病变或过度负载运动导致的关节炎、肌肉损伤使人的下肢丧失了原先的运动能力，人体老龄化问题也导致了一系列下肢不便，外骨骼可以改善这些问题。市场上存在一些已经商业化的外骨骼，它们大多都采用主动式助力的方案，通过电机给人体输入能量，支撑人体。然而，主动式外骨骼存在的问题是它们往往比较笨重，需要复杂的控制算法，对应的也需要很高的制造和维护成本。被动式外骨骼就可以避开这个问题，通过紧凑的设计可以使设备小巧，同时减小成本，适合于日常使用。

目前，市面上尚缺少适宜的被动式助力外骨骼装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，包括大腿安装座、上部转接部件、趋于伸长的气撑部件、中部转接部件、连杆部件、下部转接部件和鞋部件，其中，所述上部转接部件分别连接所述大腿安装座和气撑部件上部，并使得气撑部件可绕大腿安装座相对转动，所述中部转接部件分别连接所述气撑部件和连杆部件，并使得连杆部件顶部与气撑部件之间可相对转动，所述下部转接部件分别连接所述连杆部件和鞋部件，并使得连杆部件可绕鞋部件相对转动。

进一步的，所述的上部转接部件包括U型接头、第一转动轴承、第一轴承座和第一螺栓，其中，所述的第一轴承座固定在大腿安装座上，所述第一转动轴承安装在第一轴承座上，所述的U型接头通过第一螺栓与所述第一转动轴承转动配合，所述U型接头还连接所述气撑部件。

更进一步的，所述的第一轴承座上设有轴承孔，在轴承孔内安装所述第一转动轴承，所述轴承孔内还设有用于使第一转动轴承和第一轴承座相对固定的第一挡圈。

更进一步的，所述的第一螺栓上还套设有两个第一套筒，在第一转动轴承的两侧各有一个所述第一套筒。

另外，同上部转接部件一样，中部转接部件、下部转接部件中都有套筒，用于提供相联的两部件间的侧向间距，使它们在相对转动时避免摩擦，此外，都设置有轴承，用于最大程度的减小相联两部件间的摩擦，提高装置的机械效率。

进一步的，所述的气撑部件包括气撑缸体、活塞体和活塞杆，其中，所述的气撑缸体的上端连接所述上部转接部件，其内部充满高压气体，所述的活塞体滑动安装在所述气撑缸体内，并将气撑缸体内的空腔分隔为上方的大腔体和下方的小腔体，所述的活塞体上还设有使得所述大腔体和小腔体相通的连通孔，所述的活塞杆与活塞体固定成一体，所述活塞杆密封穿过所述气撑缸体底端，并固定连接所述中部转接部件。由于活塞体的上表面（即接触大腔体的端面）的面积大于下表面（即大于小腔体的端面）的面积，所以活塞体在高压气体的气压作用下，总受到一个趋向于伸长的恒力，直至其伸至最长，这个力才消失。

更进一步的，所述的气撑缸体的底端设有供所述活塞杆穿过的贯通孔，在贯通孔处还设有使得活塞杆与贯通孔之间接触部分密封的密封圈。密封圈用于密封。

进一步的，所述的连杆部件包括上杆、下杆、联接片、滑轮联接杆和支撑滑轮，其中，所述的上杆和下杆之间紧固连接，在下杆底部位置安装有联接片，所述的滑轮联接杆的一端固定安装在所述联接片上，另一端上通过转接片安装有所述支撑滑轮。

更进一步的，所述的下杆上设有使得其与上杆滑动连接的第一滑槽，在上杆和下杆之间还设有使得两者相对固定的第一紧固件。

更进一步的，所述的滑轮联接杆上还设有与联接片滑动配合的第二滑槽，在滑轮联接杆和联接片之间还设有使得两者相对固定的第二紧固件。

更进一步的，所述的联接片上设有呈弧形的第三滑槽，所述的滑轮联接杆与联接片之间通过穿过所述第三滑槽的螺栓螺母紧固。

气撑部件是产生力的元件，连杆部件用于传递力。在穿戴装置的腿处于支撑期时，气撑部件被压缩，给大腿一个斜往上的作用力，连杆部件把大腿给装置的反作用力传递至地面，被动地起支撑作用。连杆部件通过滑轮与地面接触，在行走时，由于下肢的姿态不断改变，连杆部件在起支撑助力作用的时候会与地面发生相对运动，通过支撑滑轮滚动摩擦的形式，使外骨骼的运动平滑。气撑部件被压缩缩短时产生力，装置在站立、行走和蹲坐时都能起一定的助力作用。在穿戴装置的腿处于摆动期时，不起助力作用，不会阻碍大腿的运动。这种在腿支撑时起助力作用、在腿摆动时不起助力作用的类离合作用不需要任何控制器来控制，也不需要机械离合器，这个过程由此被动式下肢外骨骼的机构自动实现。

联接片和滑轮联接杆中有滑槽，在通过螺栓和螺母紧固之前可以调整内部杆件的长度和相对角度，可方便的调整连杆部件的内部杆件的相对位置，使装置在几何上适合更大范围的不同下肢参数的使用者，使用者可以根据使用舒适度调整杆长及相对角度。

与现有技术相比，本发明采用的全被动方案可以避开主动式外骨骼的缺陷，能适应站立、蹲坐及行走工况，在这三种工况中，该装置都能提供一定程度的重力支撑，本发明以其易于穿戴和轻便的特点，更加适合于日常使用。

附图说明

图1为人穿戴助力外骨骼站立时的示意图；

图2为人穿戴助力外骨骼行走时的示意图；

图3为人穿戴助力外骨骼蹲坐时的示意图；

图4为气撑型被动式下肢助力外骨骼的示意图；

图5为上部转接部件的剖视图；

图6为气撑部件的剖视图；

图7为中部转接部件的剖视图；

图8为下部转接部件的剖视图；

图9为连杆部件的联接方式；

图10为连杆部件处的支撑滑轮的示意图；

图中标记说明：

1-大腿安装座，2-上部转接部件，3-气撑部件，4-中部转接部件，5-连杆部件，6-下部转接部件，7-鞋部件；

201-U型接头，202-第一转动轴承，203-第一螺母，204-第一挡圈，205-第一轴承座，206-第一套筒，207-第一螺栓，208-第一螺钉；

301-密封圈，302-活塞杆，303-气撑缸体，304-活塞体，305-连通孔，306-大腔体，307-小腔体；

401-第二螺栓，402-转接块，403-第二挡圈，404-第二转动轴承，405-第二套筒，406-直线轴承；

501-联接片，502-上杆，503-下杆，504-螺栓螺母，505-支撑滑轮，506-销钉，507-转接片，508-滑轮联接杆；

601-第三轴承座，602-第三螺栓，603-第三套筒，604-第三转动轴承，605-第三挡圈，606-第三螺母，607-第三螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出了一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其结构参见图4所示，包括大腿安装座1、上部转接部件2、趋于伸长的气撑部件3、中部转接部件4、连杆部件5、下部转接部件6和鞋部件7，其中，所述上部转接部件2分别连接所述大腿安装座1和气撑部件3上部，并使得气撑部件3可绕大腿安装座1相对转动，所述中部转接部件4分别连接所述气撑部件3和连杆部件5，并使得连杆部件5顶部与气撑部件3之间可相对转动，所述下部转接部件6分别连接所述连杆部件5和鞋部件7，并使得连杆部件5可绕鞋部件7相对转动。

在本发明的一种具体的实施方式中，请参见图5所示，所述的上部转接部件2包括U型接头201、第一转动轴承202、第一轴承座205和第一螺栓，其中，所述的第一轴承座205固定在大腿安装座1上，所述第一转动轴承202安装在第一轴承座205上，所述的U型接头201通过第一螺栓与所述第一转动轴承202转动配合，所述U型接头201还连接所述气撑部件3。

更具体的实施方式中，所述的第一轴承座205上设有轴承孔，在轴承孔内安装所述第一转动轴承202，所述轴承孔内还设有用于使第一转动轴承202和第一轴承座205相对固定的第一挡圈204。

更具体的实施方式中，所述的第一螺栓上还套设有两个第一套筒206，在第一转动轴承202的两侧各有一个所述第一套筒206。

另外，同上部转接部件2一样，请参见图7和图8所示，中部转接部件4、下部转接部件6中都有套筒，用于提供相联的两部件间的侧向间距，使它们在相对转动时避免摩擦，此外，都设置有轴承，用于最大程度的减小相联两部件间的摩擦，提高装置的机械效率。

在本发明的一种具体的实施方式中，请参见图6所示，所述的气撑部件3包括气撑缸体303、活塞体304和活塞杆302，其中，所述的气撑缸体303的上端连接所述上部转接部件2，其内部充满高压气体，所述的活塞体304滑动安装在所述气撑缸体303内，并将气撑缸体303内的空腔分隔为上方的大腔体306和下方的小腔体307，所述的活塞体304上还设有使得所述大腔体306和小腔体307相通的连通孔305，所述的活塞杆302与活塞体304固定成一体，所述活塞杆302密封穿过所述气撑缸体303底端，并固定连接所述中部转接部件4。由于活塞体304的上表面（即接触大腔体306的端面）的面积大于下表面（即大于小腔体307的端面）的面积，所以活塞体304在高压气体的气压作用下，总受到一个趋向于伸长的恒力，直至其伸至最长，这个力才消失。

更具体的实施方式中，所述的气撑缸体303的底端设有供所述活塞杆302穿过的贯通孔，在贯通孔处还设有使得活塞杆302与贯通孔之间接触部分密封的密封圈301。密封圈301用于密封。

在本发明的一种具体的实施方式中，请参见图9和图10所示，所述的连杆部件5包括上杆502、下杆503、联接片501、滑轮联接杆508和支撑滑轮505，其中，所述的上杆502和下杆503之间紧固连接，在下杆503底部位置安装有联接片501，所述的滑轮联接杆508的一端固定安装在所述联接片501上，另一端上通过转接片507安装有所述支撑滑轮505。

更具体的实施方式中，所述的下杆503上设有使得其与上杆502滑动连接的第一滑槽，在上杆502和下杆503之间还设有使得两者相对固定的第一紧固件。

更具体的实施方式中，所述的滑轮联接杆508上还设有与联接片501滑动配合的第二滑槽，在滑轮联接杆508和联接片501之间还设有使得两者相对固定的第二紧固件。

更具体的实施方式中，所述的联接片501上设有呈弧形的第三滑槽，所述的滑轮联接杆508与联接片501之间通过穿过所述第三滑槽的螺栓螺母504紧固。

气撑部件3是产生力的元件，连杆部件5用于传递力。在穿戴装置的腿处于支撑期时，气撑部件3被压缩，给大腿一个斜往上的作用力，连杆部件5把大腿给装置的反作用力传递至地面，被动地起支撑作用。连杆部件5通过滑轮与地面接触，在行走时，由于下肢的姿态不断改变，连杆部件5在起支撑助力作用的时候会与地面发生相对运动，通过支撑滑轮505滚动摩擦的形式，使外骨骼的运动平滑。气撑部件3被压缩缩短时产生力，装置在站立、行走和蹲坐时都能起一定的助力作用。在穿戴装置的腿处于摆动期时，不起助力作用，不会阻碍大腿的运动。这种在腿支撑时起助力作用、在腿摆动时不起助力作用的类离合作用不需要任何控制器来控制，也不需要机械离合器，这个过程由此被动式下肢外骨骼的机构自动实现。

联接片501和滑轮联接杆508中有滑槽，在通过螺栓和螺母紧固之前可以调整内部杆件的长度和相对角度，可方便的调整连杆部件5的内部杆件的相对位置，使装置在几何上适合更大范围的不同下肢参数的使用者，使用者可以根据使用舒适度调整杆长及相对角度。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

以下结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

本实施例提出一种弹簧储能与快速卸荷的下肢助力外骨骼，其结构如图4，包括大腿安装座1、上部转接部件2、气撑部件3、中部转接部件4、连杆部件5、下部转接部件6和鞋部件7。

上部转接部件2的具体装配关系如图5，该转接部件的主要作用是联接大腿安装座1和气撑部件3，使气撑部件3能绕大腿安装座1的一根轴线转动，除了这个作用，上部转接部件2还提供气撑部件3顶端的支撑。上部转接部件2由U型接头201、第一转动轴承202、第一螺母203、第一挡圈204、第一轴承座205、第一套筒206、第一螺栓207和第一螺钉208组成，其中，U型接头201的下方的孔有螺纹，与气撑缸体303的螺纹联接；第一转动轴承202安装在第一轴承座205的孔内，第一挡圈204用于防止第一转动轴承202外圈相对第一轴承座205的运动；第一螺栓207穿过U型接头201、第一套筒206和第一转动轴承202，并用第一螺母203紧固；第一螺钉208用于联接第一轴承座205和大腿安装座1。通过上述方案，可使气撑缸体303相对于大腿安装座1旋转，转动的轴线与第一转动轴承202的中心线重合。其中，第一转动轴承202可以减小大腿安装座1与气撑缸体303在相对转动时的摩擦；第一套筒206提供了U型接头201和第一轴承座205之间的侧向间距，可以避免它们侧向表面间的摩擦。

气撑部件的具体装配关系如图6，它由密封圈301、活塞杆302、活塞体304和气撑缸体303组成。气撑缸体303的腔体被活塞体304分为大腔体306和小腔体307，大腔体306和小腔体307之间通过活塞体304上的连通孔305相连，密封圈301起密封作用。气撑缸体303的腔体内充满高压气体，由于活塞体304上表面的表面积比下表面的表面积大且两侧的压强相同，则上表面受到的压力要大于下表面受到的压力，一旦活塞体304被压缩，它总会受到一个指向伸长方向的推力，直到活塞杆302伸至最长，这个推力才消失。

中部转接部件4的具体装配关系如图7，中部转接部件4的主要作用是联接气撑部件3与连杆部件5，使气撑部件3能绕连杆部件5的一根轴线转动。转接部件4由第二螺栓401、转接块402、第二挡圈403、第二转动轴承404、第二套筒405组成。转接块402加工有孔，用于安置直线轴承406（图6），通过第二螺钉紧固；第二轴承404安装在上杆502的孔内，通过第二挡圈403限制其外圈的侧向移动；第二螺栓401依次穿过第二套筒405、第二转动轴承404内圈和第二套筒405，并与转接块402内的螺纹孔螺纹联接，通过这种方式，使连杆部件5能相对中部转接部件4相对转动。其中，第二转动轴承404可以减小连杆组件5与中部转接部件4在相对转动时的摩擦；第二套筒405提供了中部转接部件4和连杆部件5中的上杆502之间的侧向间距，可以避免它们侧向表面间的摩擦。

下部转接部件6的具体装配关系如图8，该转接部件的主要作用是联接连杆组件5与鞋部件7，使连杆组件5能绕鞋部件7的一根轴线转动。下部转接部件6由第三轴承座601、第三螺栓602、第三套筒603、第三转动轴承604、第三挡圈605、第三螺母606和第三螺钉607组成，其中，第三转动轴承604安装在第三轴承座601的孔内，第三挡圈605用于防止第三转动轴承604外圈相对第三轴承座601的运动；第三螺栓602穿过连杆部件5的联接片501、第三套筒603和第三转动轴承604，并用第三螺母606紧固。通过上述方案，可使连杆组件5相对于鞋部件7的轴线旋转，转动的轴线与第三转动轴承604的中心线重合。其中，第三转动轴承604可以减小连杆组件5与鞋部件7在相对转动时的摩擦；第三套筒603提供了连杆部件5中的联接片501和第三轴承座601之间的侧向间距，可以避免它们侧向表面间的摩擦。

连杆部件5的具体装配关系如图9，它由联接片501、上杆502、下杆503、螺栓螺母504、支撑滑轮505、销钉506、转接片507和滑轮联接杆508组成。上杆502和下杆503通过螺钉螺母结构紧固，在下杆503中有第一滑槽，在用螺钉螺母结构紧固上杆502和下杆503之前，可以根据使用者的舒适情况调整上杆502和下杆503之间的相对距离，即沿着第一滑槽的方向适当移动，再锁紧螺钉螺母结构。支撑滑轮505通过销钉506联接到转接片507上，转接片507通过螺钉螺母结构紧固到滑轮联接杆508上。类似地，滑轮联接杆508有第二滑槽，可以用于沿第二滑槽方向调整支撑滑轮505相对于滑轮联接杆508的位置。下杆503和滑轮联接杆508被联接片501夹在中间，通过螺栓螺母504锁紧。类似地，在联接片501上有第三滑槽，可以根据使用者的舒适情况调整下杆503和滑轮联接杆508的相对角度，在调整完成后锁紧螺栓螺母504即可确保它们的相对角度不变。

下面根据具体工作情况说明本发明的作用：

站立助力模式，图1给出了人穿戴该气撑型被动式下肢助力外骨骼静止站立时的情形，此时气撑部件3有一定的压缩量，由于气撑部件3被压缩即会产生力的特性，它会给大腿提供一个斜向前上方的力，大腿给气撑的反作用力通过连杆组件直接传递至地面。上述的力传递过程可以实现一定的重力支撑，流经下肢的重力的一部分现在通过助力外骨骼传递至地面，即下肢需要支撑的人体重力减小了，可以起一定的助力作用。由于不同的使用者有不同的下肢尺寸，使用者可以根据具体情况调整连杆部件5中的相对位置，除此之外，还可以采用不同压力规格的气撑部件3，使助力效果最佳。

步行助力模式，图2给出了人穿戴该弹簧型被动式下肢助力外骨骼行走时的情形，本发明的特点是该装置在人行走时不会阻碍下肢的运动。下面分摆动期、过渡期和支撑期三个阶段进行描述：

（1）摆动期：

当穿戴外骨骼的腿处于空中摆动相时（下称该腿为摆动腿，对应图2中的右腿），气撑部件3恢复至原长，可以把此时的气撑部件3看出一根长度不变的刚性杆，在摆动腿的姿态给定后，下部转接部件6的第三转动轴承604的轴线就确定了，由于此时支撑滑轮505不会和地面接触，该摆动腿所穿戴的外骨骼的姿态也唯一确定，此时气撑部件3处于完全伸长的状态，不再给人体提供支撑力，即此时装置的机构形式不会阻碍人的运动。

（2）过渡期：

当穿戴外骨骼的腿处于空中摆动期到支撑期的过渡阶段，穿戴外骨骼的摆动腿即将与地面接触，且该腿处于前方，对侧腿处于后方。在摆动腿与地面接触之前，外骨骼的滑轮先于地面接触，在过渡期时，外骨骼的气撑逐渐被压缩，直到进入支撑期。在这个过渡阶段，摆动腿在气撑的作用下逐渐减速，这部分能量储存在气撑中，用于在支撑期时释放。除此之外，由于气撑储能使腿减速，这有助于减小该腿后脚跟着地时的碰撞能量损失。

（3）支撑期：

在行走阶段，支撑腿（图2中的左腿）所穿戴的被动式外骨骼起助力作用：支撑腿的被动式外骨骼的气撑部件3处于压缩状态，气撑给大腿的力的方向是和人前进的方向是一致的，气撑部件3可以推动大腿向前运动，帮助步行，起一定的助力作用。

蹲坐助力模式，图3给出了人穿戴该弹簧型被动式下肢助力外骨骼蹲坐时的情形，对于需要半蹲的工作场合，比如流水线作业，该外骨骼可以提供一定的大腿支撑，起到类似座椅的功能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，包括大腿安装座、上部转接部件、趋于伸长的气撑部件、中部转接部件、连杆部件、下部转接部件和鞋部件，其中，所述上部转接部件分别连接所述大腿安装座和气撑部件上部，并使得气撑部件可绕大腿安装座相对转动，所述中部转接部件分别连接所述气撑部件和连杆部件，并使得连杆部件顶部与气撑部件之间可相对转动，所述下部转接部件分别连接所述连杆部件和鞋部件，并使得连杆部件可绕鞋部件相对转动；

所述的上部转接部件包括U型接头、第一转动轴承、第一轴承座和第一螺栓，其中，所述的第一轴承座固定在大腿安装座上，所述第一转动轴承安装在第一轴承座上，所述的U型接头通过第一螺栓与所述第一转动轴承转动配合，所述U型接头还连接所述气撑部件；

所述的气撑部件包括气撑缸体、活塞体和活塞杆，其中，所述的气撑缸体的上端连接所述上部转接部件，其内部充满高压气体，所述的活塞体滑动安装在所述气撑缸体内，并将气撑缸体内的空腔分隔为上方的大腔体和下方的小腔体，所述的活塞体上还设有使得所述大腔体和小腔体相通的连通孔，所述的活塞杆与活塞体固定成一体，所述活塞杆密封穿过所述气撑缸体底端，并固定连接所述中部转接部件；

所述的连杆部件包括上杆、下杆、联接片、滑轮联接杆和支撑滑轮，其中，所述的上杆和下杆之间紧固连接，在下杆底部位置安装有联接片，所述的滑轮联接杆的一端固定安装在所述联接片上，另一端上通过转接片安装有所述支撑滑轮。

2.根据权利要求1所述的一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述的第一轴承座上设有轴承孔，在轴承孔内安装所述第一转动轴承，所述轴承孔内还设有用于使第一转动轴承和第一轴承座相对固定的第一挡圈。

3.根据权利要求1所述的一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述的第一螺栓上还套设有两个第一套筒，并分别位于所述第一转动轴承两侧。

4.根据权利要求1所述的一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述的气撑缸体的底端设有供所述活塞杆穿过的贯通孔，在贯通孔处还设有使得活塞杆与贯通孔之间接触部分密封的密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述的下杆上设有使得其与上杆滑动连接的第一滑槽，在上杆和下杆之间还设有使得两者相对固定的第一紧固件。

6.根据权利要求1所述的一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述的滑轮联接杆上还设有与联接片滑动配合的第二滑槽，在滑轮联接杆和联接片之间还设有使得两者相对固定的第二紧固件。

7.根据权利要求1所述的一种气撑型被动式下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述的联接片上设有呈弧形的第三滑槽，所述的滑轮联接杆与联接片之间通过穿过所述第三滑槽的螺栓螺母紧固。

Images