CN113580100B - 一种被动式负重机动外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式负重机动外骨骼，包括背板、腰背连接机构、髋部助力机构、膝部助力机构、踝部助力机构和足托，背板通过腰背连接机构与髋部助力机构连接，髋部助力机构与膝部助力机构连接，膝部助力机构与踝部助力机构连接，踝部助力机构与足托连接；其中，髋部助力机构、膝部助力机构和踝部助力机构能够分别带动人体髋关节、膝关节和踝关节动作，并且髋部助力机构、膝部助力机构和踝部助力机构分别具有弹性储能单元，通过弹性储能单元对各关节弹性助力。本发明各机构采用被动式驱动，无需电力续航，兼具灵活性和稳定性，可以在支撑负重的同时跟随人体灵活运动，并且在髋关节、膝关节和踝关节均设置了弹性助力机构，能够起到减缓负重行走疲劳的作用。

Description

一种被动式负重机动外骨骼

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，特别涉及一种被动式负重机动外骨骼。

背景技术

在高原边境、丛林山地、地震灾区等大型运载设备难以发挥作用的场合，物资背负、抢险救援等任务对工作人员的负重机动能力提出巨大挑战。负重会增加体能消耗，影响机动能力，同时过大负重或过长时间负重会对身体造成伤害，引起肌肉、关节损伤。主动式外骨骼结构复杂且由于采用驱动电机等驱动，存在续航不足、运动灵活受限等问题，难以在以上户外运载及救援场景中应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、兼具灵活性和稳定性的被动式负重机动外骨骼。

为实现上述目的，本发明的被动式负重机动外骨骼，包括背板、腰背连接机构、髋部助力机构、膝部助力机构、踝部助力机构和足托，所述背板通过所述腰背连接机构与所述髋部助力机构连接，所述髋部助力机构与所述膝部助力机构连接，所述膝部助力机构与所述踝部助力机构连接，所述踝部助力机构与所述足托连接；其中，所述髋部助力机构、所述膝部助力机构和所述踝部助力机构能够分别带动人体髋关节、膝关节和踝关节动作，并且所述髋部助力机构、所述膝部助力机构和所述踝部助力机构分别具有弹性储能单元，通过所述弹性储能单元对各关节弹性助力。

进一步，所述腰背连接机构包括背连接件、腰连接件、滑动副，所述背连接件固定在所述背板上，所述腰连接件固定在所述髋部助力机构上，所述背连接件和所述腰连接件之间设置所述滑动副，所述背连接件和所述腰连接件通过所述滑动副相对滑动。

进一步，所述滑动副包括滑块和导轨，所述导轨设置在所述背连接件上，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述背连接件可转动设置在所述滑块上。

进一步，所述导轨两侧设置有限制所述滑块最大滑动位置的限位结构。

进一步，所述背板上设置有可折叠托架。

进一步，所述髋部助力机构包括髋支架、第一弹性元件、髋关节、连接件，所述第一弹性元件一端连接在所述髋关节架上，所述第一弹性元件的另一端连接在所述髋关节上，所述连接件将所述髋关节与大腿杆连接，所述髋关节设置在所述髋关节架上且能够围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，所述第一弹性元件随着所述髋关节的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力。

进一步，所述髋支架与腰连接件连接，所述髋支架上设置有与所述腰连接件连接的连接板，所述腰连接件上设置有与所述连接板相配的滑槽，通过调节所述连接板伸入所述滑槽内的长度来调节所述髋支架的宽度。

进一步，所述连接件上设置有滑槽，通过调节所述大腿杆插入所述滑槽内的长度来调节所述大腿杆的长度。

进一步，所述膝部助力机构包括第二弹性元件、膝关节和限位块，所述第二弹性元件的一端与大腿杆连接，所述第二弹性元件的另一端与所述膝关节连接，所述膝关节的一侧设置有防止膝关节过伸的所述限位块，所述膝关节与小腿杆转动连接，所述第二弹性元件随着所述膝关节矢状面的屈伸的动作做弹性储能和助力。

进一步，所述踝部助力机构包括踝支架、第三弹性元件和踝关节，所述第三弹性元件的一端与小腿杆连接，所述第三弹性元件的另一端与所述踝关节连接，所述踝关节能够绕冠状轴、矢状轴旋转，所述第三弹性元件随着所述踝关节矢状面的屈伸动作做弹性储能和助力。

本发明各机构之间均采用机械连接并采用被动式驱动，无需电力续航，兼具灵活性和稳定性，可以在支撑负重的同时跟随人体灵活运动，并且在髋关节、膝关节和踝关节均设置了弹性助力机构，提高穿戴舒适性，起到降低代谢能耗、防护肌肉骨骼损伤、减缓疲劳的作用。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1-图2为本发明一实施例的被动式负重机动外骨骼的结构示意图；

图3为本发明一实施例的腰背连接机构的结构示意图；

图4为本发明一实施例的托架的结构示意图；

图5-图6为本发明一实施例的髋部助力机构的结构示意图；

图7-图8为本发明一实施例的膝部助力机构的结构示意图；

图9为本发明一实施例的踝部助力机构和足托的结构示意图

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”、“左右方向”、“上下方向”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1和2所示，本发明的被动式负重机动外骨骼，包括背板1、腰背连接机构2、髋部助力机构4、膝部助力机构5、踝部助力机构6和足托7，所述背板1通过所述腰背连接机构2与所述髋部助力机构4连接，所述髋部助力机构4与所述膝部助力机构5连接，所述膝部助力机构5与所述踝部助力机构6连接，所述踝部助力机构6与所述足托7连接；其中，所述髋部助力机构4、所述膝部助力机构5和所述踝部助力机构6能够分别带动人体髋关节、膝关节和踝关节动作，并且所述髋部助力机构4、所述膝部助力机构5和所述踝部助力机构6分别具有弹性储能单元，通过所述弹性储能单元对各关节弹性助力。

如图3所示，所述腰背连接机构2包括背连接件21、腰连接件22、滑动副，所述背连接件21固定在所述背板1上，所述腰连接件22固定在所述髋部助力机构4上，所述背连接件21和所述腰连接件22之间设置所述滑动副，所述背连接件21和所述腰连接件22通过所述滑动副相对滑动。通过设置滑动副将背连接件21和腰连接件滑动连接，可随使用者腰背部弯曲自适应调整位置和姿态，从而降低躯干的不舒适感，解决了传统一体式外骨骼背负系统上身躯干灵活度受限的问题，提高了穿戴者的穿戴舒适性。具体来说，所述滑动副包括滑块23和导轨24，所述导轨24设置在所述背连接件21上，所述滑块23滑动设置在所述导轨24上，背连接件21上设置有通孔，滑块23上设置有与该通孔配合的凸台，将凸台装入通孔中并在端部设置锁定螺钉紧固，可以将背连接件21和滑块23连接并提高背连接件21与滑块23连接的可靠性，并且背连接件21可绕凸台左右摆动，可随使用者腰部绕矢状轴左右侧屈自适应调整位置和姿态。此外，所述导轨24两侧设置有限制所述滑块23最大滑动位置的限位结构，例如导轨24下侧设置的限位板25，可以避免滑块23从导轨24下方脱出。

如图4所示，背板1上可设置折叠托架3，折叠托架3在展开时可以承载重物，在不需要承载重物时可以将折叠托架3收折。折叠托架3包括连接杆31、转接头32和托架盘33，连接杆31的一端与背连接件21上的耳座固连，另一端与转接头32连接，托架盘33与转接头32铰接，实现托架盘33的收折。通过在连接杆31与托架盘33之间采用转接头32连接，可以保证折叠托架3安装在背板上的同时，能够避免腰连接件22对其安装的干扰，使得腰背连接机构和折叠托架之间安装结构更为紧凑。此外，折叠托架3与背连接件21固连，可以将承载重物时的负载作用力经腰背连接机构2传递至下肢承力结构，分担大部分肩部压力。

如图5和6所示，所述髋部助力机构4包括髋支架41、第一弹性元件42、髋关节43、连接件44，所述第一弹性元件42一端连接在所述髋关节43架上，所述第一弹性元件42的另一端连接在所述髋关节43上，所述连接件44将所述髋关节43与大腿杆连接，所述髋关节43设置在所述髋关节43架上且能够围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，所述第一弹性元件42随着所述髋关节43的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力。具体来说，髋关节43包括上关节431和下关节432，上关节431上具有耳板，耳板之间设置有前挂杆，第一弹性元件42的一端钩挂载前挂杆上，上关节431具有穿设第一转轴433的通孔，第一转轴433穿过通孔并将上关节431安装在髋支架41上。上关节431和下关节432内部中空，内部装有第二转轴434，第二转轴434通过上关节431和下关节432之间的法兰自润滑轴套435支撑，下关节432上具有穿设第三转轴436的通孔，下关节432的通孔与连接件44上的通孔配合穿入第三转轴436将髋关节43与连接件44上端连接，连接件44下端连接大腿杆，如此通过连接件44将髋关节43与大腿杆连接。第一转轴433沿左右方向设置，髋关节43绕第一转轴433旋转时可以实现髋关节屈伸的自由度。第二转轴434沿竖直方向设置，髋关节43绕第二转轴434旋转时可以实现髋关节内外旋的自由度。第三转轴436沿前后方向设置，髋关节43绕第三转轴434旋转时可以实现髋关节内外展的自由度。通过设置第一弹性元件42以及髋关节43的三自由度活动，兼顾髋关节活动同时可以在髋关节动作时通过第一弹性元件42对髋关节活动进行助力，从髋关节处的能量回收与利用角度出发，利用储能弹簧对大腿前后向摆动的部分能量进行回收，使其在髋关节负功区间随关节伸展拉伸储能的同时辅助髋关节做负功，随后存储的弹性势能在髋关节正功区间随关节屈曲释放，辅助髋关节做正功。同时，髋关节弹簧在负重站立时通过预存储的拉力产生力矩帮助腰部、肩部肌肉平衡部分背部负重产生的后倾覆力矩，缓解髋部运动的疲劳度。

所述髋支架41与腰连接件22连接，所述髋支架41上设置有与所述腰连接件22连接的连接板411，所述腰连接件22上设置有与所述连接板411相配的滑槽，通过调节所述连接板411伸入所述滑槽内的长度来调节所述髋支架41的宽度。所述连接件44上设置有滑槽，通过调节所述大腿杆插入所述滑槽内的长度来调节所述大腿杆的长度。髋部的宽度和腿部长度设置为可调节，可以适应不同人的穿戴需要，提高了穿戴灵活性和舒适度。

如图7和8所示，所述膝部助力机构5包括第二弹性元件51、膝关节52和限位块53，所述第二弹性元件51的一端与大腿杆连接，所述第二弹性元件51的另一端与所述膝关节52连接，所述膝关节52的一侧设置有防止膝关节52过伸的所述限位块53，所述膝关节52与小腿杆转动连接，所述第二弹性元件51随着所述膝关节52的动作做弹性储能和助力。具体来说，第二弹性元件51的一端挂装在大腿杆上的吊环上，第二弹性元件51的另一端通过拉环挂装在膝关节52上的条形孔中，膝关节52通过沿左右方向设置的关节轴54与小腿杆转动连接。膝关节52绕着关节轴54转动可以实现膝部的屈伸适应。膝关节触地时刻膝关节屈曲，弹簧拉伸，模拟肌肉离心收缩，对膝关节运动进行辅助制动，起到冲击损伤防护作用。在上台阶、上坡时，膝关节屈曲拉伸弹簧储能，随后提供伸膝力矩，起到关节助力效果。弹簧力臂随屈膝角度自适应调整，屈膝角度小的时候保持较大力臂，屈膝角度过大时时，弹簧挂点在向条形孔内侧滑动，力臂减小，降低屈膝阻力，提高穿戴舒适性，达到承载性和灵活性的平衡。大腿杆的内侧还设置有衬板8以对大腿起到支撑及防护作用。

如图9所示，所述踝部助力机构6包括踝支架61、第三弹性元件62和踝关节63，所述第三弹性元件的一端与小腿杆连接，所述第三弹性元件的另一端与所述踝关节连接，所述踝关节能够绕冠状轴、矢状轴旋转，所述第三弹性元件随着所述踝关节的动作做弹性储能和助力。具体来说，第三弹性元件62可以包括两根弹簧，两根弹簧的一端与小腿杆连接，两根弹簧的另一端与踝关节63连接，踝支架61形状与踝部相适配对踝部起到支撑作用，踝关节63上穿设有沿前后方向设置的第一关节轴64，踝关节63上具有环形件631，踝支架61的下端通过沿左右方向设置的第二关节轴65与环形件631铰接。第一关节轴64沿前后方向设置，踝关节63绕第一关节轴64旋转时可以实现关节内外展的自由度。第二关节轴65沿左右方向设置，踝关节63绕第二关节轴65旋转时可以实现关节屈伸的自由度。通过设置第三弹性元件63以及踝关节63的二自由度活动，兼顾髋关节活动同时可以在踝关节动作时通过第三弹性元件62对踝关节活动进行助力，行走步态中，支撑相踝关节背屈，不断拉伸弹簧储能，蹬地瞬间，弹簧能量释放，为脚踝提供蹬地助力。缓解踝部运动的疲劳度。小腿杆上还设置有衬板9以对小腿起到支撑及防护作用。

此外，踝支架61上设置有与小腿杆连接的连接件，连接件上设置有滑槽，通过调节所述小腿杆插入所述滑槽内的长度来调节所述小腿杆的长度。小腿部长度设置为可调节，可以适应不同人的穿戴需要，提高了穿戴灵活性和舒适度。

足托7包括足跟托71和前脚板72，足跟托71和前脚板72之间设置有弹簧片73支撑，通过弹簧片73起到缓冲和回弹助力的效果。

综上，本发明各机构之间均采用机械连接并采用被动式驱动，无需电力续航，兼具灵活性和稳定性，可以在支撑负重的同时跟随人体灵活运动，并且在髋关节、膝关节和踝关节均设置了弹性助力机构，能够降低运动阻力，提高穿戴舒适性，起到降低代谢能耗、防护肌肉骨骼损伤、减缓疲劳的作用。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种被动式负重机动外骨骼，其特征在于，包括背板、腰背连接机构、髋部助力机构、膝部助力机构、踝部助力机构和足托，所述背板通过所述腰背连接机构与所述髋部助力机构连接，所述髋部助力机构与所述膝部助力机构连接，所述膝部助力机构与所述踝部助力机构连接，所述踝部助力机构与所述足托连接；其中，所述髋部助力机构、所述膝部助力机构和所述踝部助力机构能够分别带动人体髋关节、膝关节和踝关节动作，并且所述髋部助力机构、所述膝部助力机构和所述踝部助力机构分别具有弹性储能单元，通过所述弹性储能单元对各关节弹性助力；

所述腰背连接机构包括背连接件、腰连接件、滑动副，所述背连接件固定在所述背板上，所述腰连接件固定在所述髋部助力机构上，所述背连接件和所述腰连接件之间设置所述滑动副，所述背连接件和所述腰连接件通过所述滑动副相对滑动；

所述滑动副包括滑块和导轨，所述导轨设置在所述背连接件上，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述背连接件为由垂直件和水平件组成的T形结构件，T形结构件的垂直件的一端设置有通孔，滑块上设置有与该通孔配合的凸台，将凸台装入通孔中并在端部设置锁定螺钉紧固以使T形结构件可转动设置在所述滑块上；通过所述滑动副将所述背连接件和所述腰连接件滑动连接以随腰背部弯曲自适应调整位置和姿态；所述背板上设置有可折叠托架，所述可折叠托架包括连接杆、连接头和托架盘，连接杆的一端与背连接件导轨两侧设置的两个耳座固连，连接杆的另一端跨过腰连接件与位于腰连接件外侧的转接头连接，托架盘与转接头铰接；

所述髋部助力机构包括髋支架、第一弹性元件、髋关节、连接件，所述第一弹性元件一端连接在所述髋支架上，所述第一弹性元件的另一端连接在所述髋关节上，所述连接件将所述髋关节与大腿杆连接，所述髋关节设置在所述髋支架上且能够围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，所述第一弹性元件随着所述髋关节的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力。

2.如权利要求1所述的被动式负重机动外骨骼，其特征在于，所述导轨两侧设置有限制所述滑块最大滑动位置的限位结构。

3.如权利要求1所述的被动式负重机动外骨骼，其特征在于，所述髋支架与腰连接件连接，所述髋支架上设置有与所述腰连接件连接的连接板，所述腰连接件上设置有与所述连接板相配的滑槽，通过调节所述连接板伸入所述滑槽内的长度来调节所述髋支架的宽度。

4.如权利要求1所述的被动式负重机动外骨骼，其特征在于，所述连接件上设置有滑槽，通过调节所述大腿杆插入所述滑槽内的长度来调节所述大腿杆的长度。

5.如权利要求1所述的被动式负重机动外骨骼，其特征在于，所述膝部助力机构包括第二弹性元件、膝关节和限位块，所述第二弹性元件的一端与大腿杆连接，所述第二弹性元件的另一端与所述膝关节连接，所述膝关节的一侧设置有防止膝关节过伸的所述限位块，所述膝关节与小腿杆转动连接，所述第二弹性元件随着所述膝关节矢状面的屈伸动作做弹性储能和助力。

6.如权利要求1所述的被动式负重机动外骨骼，其特征在于，所述踝部助力机构包括踝支架、第三弹性元件和踝关节，所述第三弹性元件的一端与小腿杆连接，所述第三弹性元件的另一端与所述踝关节连接，所述踝关节能够绕冠状轴、矢状轴旋转，所述第三弹性元件随着所述踝关节矢状面的屈伸动作做弹性储能和助力。