CN115890625A - 一种髋关节助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及助力外骨骼领域，公开了一种髋关节助力外骨骼，包括：一个背部支撑杆、两个腰部支撑杆和两个大腿杆；背部支撑杆、腰部支撑杆和大腿杆均为刚性杆；腰部支撑杆的第一端与背部支撑杆的第一端固定连接，腰部支撑杆的第二端设有关节驱动模组，关节驱动模组用于穿戴于使用者的髋关节处；关节驱动模组包括固定端以及输出端；固定端与腰部支撑杆的第二端固定连接，输出端能够绕其自身轴线相对于固定端旋转、且与大腿杆的第一端固定连接；这种髋关节助力外骨骼的结构简单紧凑、使用者穿戴方便、且能够提供行走助力和搬运助力的双重效果。

Description

一种髋关节助力外骨骼

技术领域

本发明涉及助力外骨骼技术领域，特别涉及一种髋关节助力外骨骼。

背景技术

外骨骼产品近二十年来发展迅速，各相关学科的技术创新层出不穷，技术发展日新月异，该领域也是当前及未来一个重要的研究方向，除专门用于医疗康复领域的全下肢外骨骼产品外，髋关节助力外骨骼同样是一个热门的研究方向。

现有技术中的髋关节助力外骨骼，一种是行走助力外骨骼，即在使用者行走时对其腿部提供助力；还有一种是搬运助力外骨骼，即在使用者弯腰搬运物品时对使用者的腰部提供助力；或者，如公告号为CN110883762A的专利，提供了一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，该外骨骼能够对使用者起到行走助力和搬运助力的双重效果，但是结构复杂、体积较大、使用者穿戴不便利。

因此，如何设计一款结构简单紧凑、使用者穿戴方便、且能够提供行走助力和搬运助力双重效果的髋关节助力外骨骼，成为了本领域一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种髋关节助力外骨骼，结构简单紧凑、使用者穿戴方便、且能够提供行走助力和搬运助力的双重效果。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种髋关节助力外骨骼，包括：一个背部支撑杆、两个腰部支撑杆以及两个大腿杆；背部支撑杆、腰部支撑杆以及大腿杆均为刚性杆；其中，背部支撑杆用于穿戴于使用者的背部，两个腰部支撑杆分别用于穿戴于使用者腰部的两侧，两个大腿杆分别用于穿戴于使用者的两个大腿，两个腰部支撑杆与两个大腿杆一一对应设置；在一组互相对应的腰部支撑杆和大腿杆中：腰部支撑杆的第一端与背部支撑杆的第一端固定连接，腰部支撑杆的第二端设有关节驱动模组，关节驱动模组用于穿戴于使用者的髋关节处；关节驱动模组包括固定端以及输出端；固定端与腰部支撑杆的第二端固定连接，输出端能够绕其自身轴线相对于固定端旋转、且与大腿杆的第一端固定连接。

这种髋关节助力外骨骼，使用时，先将背部支撑杆穿戴于使用者的背部，将两个腰部支撑杆分别穿戴于使用者腰部的两侧，将两个大腿杆分别穿戴于使用者的两个大腿处，并保证关节驱动模组位于使用者的髋关节处，则穿戴完毕；

当使用者需要行走助力时，启动设备，令关节驱动模组输出力矩并使其输出端旋转，由于输出端与大腿杆的第一端固定连接，则会带动大腿杆旋转，从而实现行走助力的效果；当使用者由弯腰下蹲姿势准备搬起重物时，启动关节驱动模组，令关节驱动模组的输出端旋转，由于背部支撑杆、腰部支撑杆以及大腿杆均为刚性杆，则输出端的旋转能够对大腿杆和背部支撑杆均施加一个力矩，以从使用者左侧观察角度为例，则大腿杆所受力矩能够令使用者的大腿产生一个逆时针方向旋转的运动趋势、背部支撑杆所受力矩能够令使用者的背部产生一个顺时针旋转的运动趋势，两个力矩结合从而实现在使用者搬运重物时对其腰部的助力。

其中，需要说明的是，所谓行走助力，不仅仅是指当使用者走路时才能够进行助力；由于此髋关节助力外骨骼能够带动大腿杆进行旋转，可以理解地，当穿戴有此髋关节助力外骨骼的使用者进行奔跑、上下楼梯等行为时，此髋关节助力外骨骼同样能够对使用者起到助力作用。

因此，这种髋关节助力外骨骼的结构简单紧凑、使用者穿戴方便、且能够提供行走助力和搬运助力的双重效果。

可选地，髋关节助力外骨骼还包括后腰模块；后腰模块包括后腰壳体，后腰壳体中设有控制器以及电池模组；控制器用于控制关节驱动模组输出力矩并致使输出端发生旋转，电池模组用于对控制器和关节驱动模组供电。

可选地，后腰壳体中还设有框架板，框架板为刚性材质；框架板与后腰壳体固定连接、且用于放置电池模组；腰部支撑杆的第一端与框架板固定连接，背部支撑杆的第一端与框架板固定连接。

可选地，后腰壳体具有充电口；充电口用于外接充电装置、以对电池模组充电。

可选地，大腿杆的第一端设有连接件，连接件为刚性材质；关节驱动模组的输出端与连接件固定连接；连接件通过铰接件与大腿杆的第一端连接，以令大腿杆能够相对于连接件在使用者的左右方向移动。

可选地，大腿杆的第二端设有大腿固定机构；大腿固定机构用于绑定于使用者的大腿。

可选地，大腿固定机构包括固定件以及大腿绑带；固定件安装于大腿杆的第二端；大腿绑带的一端与固定件固定连接、且用于将使用者的大腿绑缚于大腿杆。

可选地，背部支撑杆沿第一方向延伸；背部支撑杆包括固定杆和移动杆；固定杆与腰部支撑杆刚性连接，移动杆能够在第一方向上调节与固定杆的相对位置；第一方向为使用者脊柱的延伸方向。

可选地，固定杆的外侧设有固定壳体、移动杆的外侧设有移动壳体；固定壳体用于容纳固定杆、移动壳体用于容纳移动杆。

可选地，腰部支撑杆的外侧设有侧腰壳体；侧腰壳体用于容纳腰部支撑杆以及关节驱动模组。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼的侧视图；

图3为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中腰部支撑杆的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中关节驱动模组的结构示意图；

图5为使用者穿戴着本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼搬运物体时的受力示意图；

图6为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中后腰模块的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中大腿杆的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中背部支撑杆的结构示意图。

图标：1-背部支撑杆；2-腰部支撑杆；3-大腿杆；4-关节驱动模组；5-固定端；6-输出端；7-限位挡块；8-腰部束带；9-肩带；10-后腰模块；11-控制器；12-电池模组；13-后腰前壳体；14-后腰后壳体；15-框架板；16-充电口；17-盖板；18-连接件；19-固定件；20-大腿绑带；21-固定杆；22-移动杆；23-固定前壳体；24-固定后壳体；25-移动前壳体；26-移动后壳体；27-侧腰前壳体；28-侧腰后壳体；29-操作按钮；30-铰接件。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。

图1为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼的整体结构示意图；图2为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼的侧视图；图3为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中腰部支撑杆的结构示意图；图4为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中关节驱动模组的结构示意图；如图1-4所示，本发明实施例提供一种髋关节助力外骨骼，包括：一个背部支撑杆1、两个腰部支撑杆2以及两个大腿杆3；背部支撑杆1、腰部支撑杆2以及大腿杆3均为刚性杆；其中，背部支撑杆1用于穿戴于使用者的背部，两个腰部支撑杆2分别用于穿戴于使用者腰部的两侧，两个大腿杆3分别用于穿戴于使用者的两个大腿，两个腰部支撑杆2与两个大腿杆3一一对应设置；在一组互相对应的腰部支撑杆2和大腿杆3中：腰部支撑杆2的第一端与背部支撑杆1的第一端固定连接，腰部支撑杆2的第二端设有关节驱动模组4，关节驱动模组4用于穿戴于使用者的髋关节处；关节驱动模组4包括固定端5以及输出端6；固定端5与腰部支撑杆2的第二端固定连接，输出端6能够绕其自身轴线相对于固定端5旋转、且与大腿杆3的第一端固定连接。

其中，关节驱动模组4可为驱动电机，输出端6为圆盘型、固定端5为圆环型，且固定端5套设于输出端6的外侧；且关节驱动模组4还可设有限位挡块7，如图3所示，限位挡块7用于限定输出端6的旋转角度，以防止旋转角度过大造成使用者的不适。

本实施例中，这种髋关节助力外骨骼在使用时，先将背部支撑杆1穿戴于使用者的背部，将两个腰部支撑杆2分别穿戴于使用者腰部的两侧，将两个大腿杆3分别穿戴于使用者的两个大腿处，并保证关节驱动模组4位于使用者的髋关节处，则穿戴完毕；

当使用者需要行走助力时，启动设备，令关节驱动模组4输出力矩并使其输出端6旋转，由于输出端6与大腿杆3的第一端固定连接，则会带动大腿杆3旋转，从而实现行走助力的效果；

其中，需要说明的是，所谓行走助力，不仅仅是指当使用者走路时才能够进行助力；由于此髋关节助力外骨骼能够带动大腿杆3进行旋转，可以理解地，当穿戴有此髋关节助力外骨骼的使用者进行奔跑、上下楼梯等行为时，此髋关节助力外骨骼同样能够对使用者起到助力作用。

图5为使用者穿戴着本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼搬运物体时的受力示意图，一并参考图5，当使用者由弯腰下蹲姿势准备搬起重物时，启动关节驱动模组4，令关节驱动模组4的输出端6旋转，由于背部支撑杆1、腰部支撑杆2以及大腿杆3均为刚性杆，则输出端6的旋转能够对大腿杆3和背部支撑杆1均施加一个力矩。参考图5，大腿杆3所受力矩能够令使用者的大腿产生一个逆时针方向旋转的运动趋势，如图5中T2所示；背部支撑杆1所受力矩能够令使用者的背部产生一个顺时针旋转的运动趋势，如图5中T1所示；此两个力矩结合从而实现在使用者搬运重物时对其腰部的助力。

具体地，参考图1和图2，这种髋关节助力外骨骼还可设置两个腰部束带8以及两个肩带9，且两个腰部束带8和两个腰部支撑杆2一一对应设置、两个肩带9和两个腰部支撑杆2一一对应设置；

一个腰部束带8的一端与一个腰部支撑杆2连接，另一个腰部束带8的一端与另一个腰部支撑杆2连接，两个腰部束带8相邻的一端可拆卸连接，例如可用魔术贴或卡扣的方式来实现；

在互相对应的肩带9和腰部支撑杆2中：肩带9的一端与背部支撑杆1的第二端固定连接、肩带9的另一端与腰部支撑杆2固定连接；

使用者将双臂分别套入两个肩带9，再将两个腰部束带8连接以环绕在腰部，即可实现背部支撑杆1以及两个腰部支撑杆2的穿戴。

另外，由于肩带9与背部支撑杆1和腰部支撑杆2均固定连接，当使用者由弯腰下蹲姿势准备搬起重物时，关节驱动模组4启动后能够对使用者的双肩产生一个拉力，将使用者的髋关节看作支点，则该拉力等效于作用在使用者双肩上的回复力矩，同理，大腿杆3处同样受到一个回复力矩，在此两个力矩的共同作用下，能够对使用者的腰部产生助力从而令使用者回复到直立状态，以对搬运重物的使用者起到助力的效果。

因此，这种髋关节助力外骨骼的结构简单紧凑、使用者穿戴方便、且能够提供行走助力和搬运助力的双重效果。

图6为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中后腰模块的结构示意图；如图6所示，作为一种可选的实施例，髋关节助力外骨骼还包括后腰模块10；后腰模块10包括后腰壳体，后腰壳体中设有控制器11以及电池模组12；控制器11用于控制关节驱动模组4输出力矩并致使输出端6发生旋转，电池模组12用于对控制器11和关节驱动模组4供电。

本实施例中，后腰壳体中还可设置传感器，控制器11可通过获取传感器收集的使用者体态信息来驱动关节驱动模组4；电池模组12同样能够为传感器供电，电池模组12可选用锂电池模组。

另外，后腰壳体可包括后腰前壳体13以及后腰后壳体14，后腰前壳体13以及后腰后壳体14可通过螺丝连接；控制器11固定于后腰后壳体14上，同样可通过螺丝连接。

参考图6，作为一种可选的实施例，后腰壳体中还设有框架板15，框架板15为刚性材质；框架板15与后腰壳体固定连接、且用于放置电池模组12；腰部支撑杆2的第一端与框架板15固定连接，背部支撑杆1的第一端与框架板15固定连接。

本实施例中，框架板15的设置能够便于电池模组12的放置，且由于框架板15为刚性材质，且腰部支撑杆2和背部支撑杆1通过框架板15固定连接，能够保障背部支撑杆1和腰部支撑杆2之间的力矩传递，从而保障助力效果。

继续参考图6，作为一种可选的实施例，后腰壳体具有充电口16；充电口16用于外接充电装置、以对电池模组12充电。

本实施例中，当后腰壳体可包括后腰前壳体13以及后腰后壳体14时，充电口16可设置在后腰前壳体13、且充电口16可配合设置盖板17，如图6所示，以在无需充电时对充电口16进行封堵。

图7为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中大腿杆的结构示意图；如图7所示，作为一种可选的实施例，大腿杆3的第一端设有连接件18，连接件18为刚性材质；关节驱动模组4的输出端6与连接件18固定连接；连接件18通过铰接件30与大腿杆3的第一端连接，以令大腿杆3能够相对于连接件18在使用者的左右方向移动。

本实施例中，铰接件30的设置，使得穿戴此髋关节助力外骨骼的使用者的大腿能够更加灵活的移动，提升了使用者的舒适度。

另外，铰接件30可为铰链，铰链包括转轴和两个合页，两个合页分别与连接件18和大腿杆3的第一端连接；当穿戴此髋关节助力外骨骼的使用者想要在左右方向活动大腿时，与大腿杆连接的合页能够绕转轴相对于与连接杆连接的合页旋转，从而配合使用者的大腿在左右方向上活动，提高了大腿杆的灵活性，提升了使用者的舒适程度。

作为一种可选的实施例，大腿杆3的第二端设有大腿固定机构；大腿固定机构用于绑定于使用者的大腿。

具体地，继续参考图7，大腿固定机构包括固定件19以及大腿绑带20；固定件19安装于大腿杆3的第二端；大腿绑带20的一端与固定件19固定连接、且用于将使用者的大腿绑缚于大腿杆3。

本实施例中，大腿绑带20的两端均可设有魔术贴，以便于在将使用者的大腿绑缚于大腿杆3后将大腿绑带20的两端粘接在一起，从而增加绑缚的稳定性；或者，可在大腿绑带20的两端均设有卡扣，以令大腿绑带20的两端卡接在一起，具体方式可视实际情况而定，不受具体限制。

图8为本发明实施例提供的髋关节助力外骨骼中背部支撑杆的结构示意图；如图8所示，作为一种可选的实施例，背部支撑杆1沿第一方向延伸；背部支撑杆1包括固定杆21和移动杆22；固定杆21与腰部支撑杆2刚性连接，移动杆22能够在第一方向上调节与固定杆21的相对位置；第一方向为使用者脊柱的延伸方向。

本实施例中，可沿第一方向在固定杆21和移动杆22上设有多个螺纹孔，安装时，根据不同的使用者，在第一方向上调节移动杆22和固定杆21相对位置以适用使用者背部的尺寸，调节完毕后，再通过螺钉将固定杆21和移动杆22连接。

这种设置方式，能够适用于不同身高的使用者，拓宽了髋关节助力外骨骼的适用人群。

作为一种可选的实施例，固定杆21的外侧设有固定壳体、移动杆22的外侧设有移动壳体；固定壳体用于容纳固定杆21、移动壳体用于容纳移动杆22。

本实施例中，继续参考图8，固定壳体可包括固定前壳体23以及固定后壳体24，移动壳体可包括移动前壳体25以及移动后壳体26；固定前壳体23和固定后壳体24可通过螺丝与固定杆21固定连接，移动前壳体25和移动后壳体26可通过螺丝与移动杆22固定连接。

固定壳体和移动壳体的设置，能够对固定杆21和移动杆22起到保护的作用，且提升使用者的穿戴舒适程度。

作为一种可选的实施例，腰部支撑杆2的外侧设有侧腰壳体；侧腰壳体用于容纳腰部支撑杆2以及关节驱动模组4。

本实施例中，侧腰壳体可包括侧腰前壳体27以及侧腰后壳体28，侧腰前壳体27和侧腰后壳体28可通过螺丝与腰部支撑杆2固定连接；另外，侧腰前壳体27上还可设置操作按钮29，操作按钮29可与控制器11信号连接，从而控制关节驱动模组4的开启和关闭。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种髋关节助力外骨骼，其特征在于，包括：一个背部支撑杆、两个腰部支撑杆以及两个大腿杆；所述背部支撑杆、腰部支撑杆以及大腿杆均为刚性杆；其中，

所述背部支撑杆用于穿戴于使用者的背部，两个所述腰部支撑杆分别用于穿戴于使用者腰部的两侧，两个大腿杆分别用于穿戴于使用者的两个大腿，两个所述腰部支撑杆与两个所述大腿杆一一对应设置；

在一组互相对应的腰部支撑杆和大腿杆中：所述腰部支撑杆的第一端与所述背部支撑杆的第一端固定连接，所述腰部支撑杆的第二端设有关节驱动模组，所述关节驱动模组用于穿戴于使用者的髋关节处；

所述关节驱动模组包括固定端以及输出端；

所述固定端与所述腰部支撑杆的第二端固定连接，所述输出端能够绕其自身轴线相对于所述固定端旋转、且与所述大腿杆的第一端固定连接。

2.根据权利要求1所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述髋关节助力外骨骼还包括后腰模块；

所述后腰模块包括后腰壳体，所述后腰壳体中设有控制器以及电池模组；

所述控制器用于控制所述关节驱动模组输出力矩并致使所述输出端发生旋转，所述电池模组用于对所述控制器和所述关节驱动模组供电。

3.根据权利要求2所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述后腰壳体中还设有框架板，所述框架板为刚性材质；

所述框架板与所述后腰壳体固定连接、且用于放置所述电池模组；

所述腰部支撑杆的第一端与所述框架板固定连接，所述背部支撑杆的第一端与所述框架板固定连接。

4.根据权利要求3所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述后腰壳体具有充电口；

所述充电口用于外接充电装置、以对所述电池模组充电。

5.根据权利要求1所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述大腿杆的第一端设有连接件，所述连接件为刚性材质；

所述关节驱动模组的输出端与所述连接件固定连接；

所述连接件通过铰接件与所述大腿杆的第一端连接，以令所述大腿杆能够相对于所述连接件在使用者的左右方向移动。

6.根据权利要求5所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述大腿杆的第二端设有大腿固定机构；

所述大腿固定机构用于绑定于使用者的大腿。

7.根据权利要求6所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述大腿固定机构包括固定件以及大腿绑带；

所述固定件安装于所述大腿杆的第二端；所述大腿绑带的一端与所述固定件固定连接、且用于将使用者的大腿绑缚于所述大腿杆。

8.根据权利要求1所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述背部支撑杆沿第一方向延伸；

所述背部支撑杆包括固定杆和移动杆；所述固定杆与腰部支撑杆刚性连接，所述移动杆能够在所述第一方向上调节与所述固定杆的相对位置；

所述第一方向为使用者脊柱的延伸方向。

9.根据权利要求8所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述固定杆的外侧设有固定壳体、所述移动杆的外侧设有移动壳体；

所述固定壳体用于容纳所述固定杆、所述移动壳体用于容纳所述移动杆。

10.根据权利要求1-9任一项所述的髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述腰部支撑杆的外侧设有侧腰壳体；

所述侧腰壳体用于容纳所述腰部支撑杆以及所述关节驱动模组。

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