CN105055136B - 双模自持式徒步助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双模自持式徒步助力装置，上节杆和下节杆通过膝副连接，下节杆通过调节撑杆连接子杆，子杆通过踝副连接底板，并通过紧固带绑紧使用者的腿脚；所述的膝副和踝副包括垛芯、活塞杆、回复簧和错孔簧，垛芯在活塞杆的作用下与错孔簧啮合，在回复簧驱动下脱离膝副错孔簧；上节杆和下节杆之间安装液力增益机构；底板前部安装气囊，后部的触发器内安装有空心泡，触发器和空心泡之间填充液体，用于驱动活塞杆和液力增益机构，空心泡连通气囊。本发明主要针对人在山区徒步行走时使用，不依赖电源，能够简便、低成本的减缓使用者疲劳程度。

Description

双模自持式徒步助力装置

技术领域

本发明属于人体辅助行走技术领域，主要涉及一种助力装置，尤其涉及一种靠重力作用产生液力并通过错孔簧减轻下肢负载的装置。

背景技术

现有的徒步助力装置(人体外骨骼技术)都是有电源的，通过一系列复杂传感器和伺服机构对人的行走提供助力，负荷从几十千克到几百千克都有。美国外骨骼技术研究始于20世纪60年代，20世纪90年代开始大规模展开。2000年，美国国防部高级研究计划局斥资7500万美元启动“增强人体机能的外骨骼作战概念”(EHPA)计划，通过竞争模式开展外骨骼技术研究。

在与加州大学伯克利机械工程学院“伯克利”下肢外骨骼(BLEEX)的竞争中，萨克斯公司(现已被雷声公司收购)的XOS全身式外骨骼脱颖而出，并针对XOS1在体积、能耗方面的缺陷进行改进，2010年9月推出XOS2第二代外骨骼。XOS2采用加强型设计，比XOS1质量更轻、速度更快、能力更强，耗电量降低50％，可使士兵将90千克重物反复举起几百次，同时还可击穿76.2毫米厚的木板。此外，洛克希德·马丁公司2009年研制出“人体负重外骨骼”(HULC)，它具有液压传动装置以及能够像关节一样弯曲的结构，可以完成直立行进、下蹲和匍匐等动作，使士兵能够背负91千克重物以16千米/小时的速度行进。该系统经过多次改进，目前已推出加固型、后勤改进型(加装抓钩或特制吊钩，可抓起炮弹和重型机械)以及背部安装搬运辅助装置(利用动力吊带使穿戴者可提起68千克重物)等多种变型，其中加固型人体负重外骨骼2011年6月开始进行生物力学测试，成功后还将进行一系列野战行军试验。

在2011年10月巴黎国际军警保安器材展上，法国某防务公司展出了与法国武器装备总署联合研制的“大力神”(HERCULE)可穿戴式外骨骼，它主要由机械腿(结合有机械装置、计算机和电子装置)和背部支撑架组成，不久还将配装机械臂，以使穿戴者能够轻松背负和搬运重物，增强士兵在战场上的负重能力和持久作战能力。“大力神”可携带100千克重物，配用电池使穿戴者能够以4千米/小时的速度行进约20千米，其独特性在于不采用无线电控制，能够自动探测到肢体运动，随后根据支持意图代替穿戴者执行这一动作，可广泛应用于军事、消防、医疗、建筑和后勤领域。

现有技术的不足在于：电源可持续性不足；系统复杂，维护困难；电子元件在高湿、多尘、高热等环境下易于出现故障；成本高，维护昂贵；过于笨重。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双模自持式徒步助力装置，主要针对人在山区徒步行走时使用，不依赖电源，能够简便、低成本的减缓使用者疲劳程度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括护板、上节杆、膝副、下节杆、调节撑杆、子杆、踝副、底板、主连杆、加力杆和液压缸。

所述上节杆的下端和下节杆的上端通过膝副连接，所述下节杆的下端通过调节撑杆连接子杆，子杆下端和底板通过踝副连接；所述上节杆上固连护板和紧固带，紧固带将使用者大腿压紧在护板上；所述的下节杆和调节撑杆通过紧固带绑紧使用者的小腿；所述的底板通过紧固带绑紧使用者的脚部；所述的膝副包括膝副垛芯、膝副活塞杆、膝副回复簧和膝副错孔簧，所述的膝副垛芯固连上节杆的下端，所述的膝副错孔簧固连下节杆的上端，膝副垛芯能够在膝副活塞杆的作用下与膝副错孔簧啮合，也能在膝副活塞杆不作用时被膝副回复簧驱动，脱离膝副错孔簧；两根主连杆的一端相互铰接，另一端分别与上节杆、下节杆铰接，两根加力杆的一端与液压缸的输出端铰接，另一端分别与两根主连杆铰接，构成四连杆机构；所述的子杆通过长度调节机构与调节撑杆连接，并通过长度调节机构改变下节杆、调节撑杆和子杆的总长度；所述的踝副包括踝副垛芯、踝副活塞杆、踝副回复簧和踝副错孔簧，所述的踝副垛芯固连子杆的下端，所述的踝副错孔簧固连底板，踝副垛芯能够在踝副活塞杆的作用下与踝副错孔簧啮合，也能在踝副活塞杆不作用时被踝副回复簧驱动，脱离踝副错孔簧；所述的底板包括前触发器和后触发器，前触发器内安装气囊，后触发器内安装有空心泡，后触发器外壁和空心泡之间填充液体，液体压力用于驱动踝副活塞杆、膝副活塞杆和液压缸，空心泡连通前触发器的气囊。

所述的膝副垛芯和上节杆的下端通过同轴的错孔簧固连；所述的踝副错孔簧和底板通过不同心调节机构连接，所述的不同心调节机构包括滑块、固定块、弹簧和阻尼片，固定块固连底板，固定块上开有水平方向的槽，滑块与踝副错孔簧固连，可以在槽内滑动，滑块两侧通过弹簧连接固定块，滑块的运动过程会受到弹簧和阻尼片的阻力。

所述的错孔簧为钢质或轻质合金的矩形金属条，错孔簧两侧向轴线方向交错开槽，且槽底部为圆孔，圆孔的轴线与错孔簧轴线垂直，且圆孔的轴线在槽的中心平面内，错孔簧应用在膝副和踝副中时，错孔簧的两端相向形成环状。

所述膝副垛芯和上节杆之间的错孔簧的槽内壁和圆孔内部紧贴有金属质的增钢环，确保错孔簧在压缩时的刚度。

所述的膝副和踝副中，活塞杆通过十字形的叉支推动垛芯；所述的垛芯、叉支、活塞杆、回复簧和错孔簧均安装于圆环形的本体内，回复簧和错孔簧之间安装定位环进行径向定位。

所述后触发器的周边围绕有若干耐磨凸台；后触发器的空心泡和前触发器的气囊之间通过气体管路连通，且气体管路外侧包裹有耐压管进行保护；所述的气囊通过气嘴进行充气。

所述调节撑杆和子杆的两侧均开有若干定位孔，长度调节机构的两个齿条在弹簧的作用在穿过调节撑杆和子杆的定位孔固定调节撑杆和子杆的相对位置，齿条上安装有指环。

所述的主连杆在上节杆上能够沿上节杆轴向滑动，铰接该主连杆的加力杆能够在该主连杆上沿该主连杆轴向滑动。

所述护板的两侧有卷边防止腿部肌肉应力集中，护板和卷边之间有缺口降低护板的挠曲刚度。

本发明的有益效果是：

1)不依赖电源；把局部疲劳进行扩散，降低疲劳密度，实现负载的均衡分布；

2)利用重力作用提供液力，利用液力增益机构提高助力；

3)根据人体工程学和关节力学，被动消减下肢负载，降低了成本，提高了可靠性和维护的便利性；

4)轻便灵活，具有大规模推广使用的社会基础；

5)系统整体复杂度低，降低了对生产体系和保障体系的要求。

附图说明

图1是本发明双模自持式徒步助力装置的外侧结构图。

图2是本发明双模自持式徒步助力装置的内侧结构图。

图3是图1中膝副的内部结构图。

图4是图1中膝副的内部局部结构图。

图5是图1中底板的外部结构图。

图6是图1中底板的内部结构图。

图7是长度调节机构的结构图。

图8是踝部不同心调节机构的结构图。

图9是膝部不同心调节机构的结构图。

图10是图1中液力增益机构的原理图。

图11是底板后触发器的型簧结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的助力装置包括护板、上节杆、紧固带、盖板、膝副端盖、下节杆、调节撑杆、踝副、管路、主连杆、加力杆、子杆、底板、液压缸、膝副、弹性体。膝副包括主管、支管、垛芯、叉支、活塞杆、本体、回复簧、错孔簧。踝副的内部结构与膝副类似，不同之处在于：管路无分支、运动相位、活动范围。底板由柔性材料制作，上面安装前后触发器、带扣、耐磨凸台、气液管路、充气接头。

所述上节杆的下端和下节杆的上端通过膝副连接，所述下节杆的下端通过调节撑杆连接子杆，子杆下端和底板通过踝副连接；所述上节杆上固连护板和紧固带，紧固带将使用者大腿压紧在护板上；所述的下节杆和调节撑杆通过紧固带绑紧使用者的小腿；所述的底板通过紧固带绑紧使用者的脚部；所述的膝副包括膝副垛芯、膝副活塞杆、膝副回复簧和膝副错孔簧，所述的膝副垛芯固连上节杆的下端，所述的膝副错孔簧固连下节杆的上端，膝副垛芯能够在膝副活塞杆的作用下与膝副错孔簧啮合，也能在膝副活塞杆不作用时被膝副回复簧驱动，脱离膝副错孔簧；两根主连杆的一端相互铰接，另一端分别与上节杆、下节杆铰接，两根加力杆的一端与液压缸的输出端铰接，另一端分别与两根主连杆铰接，构成四连杆机构；所述的子杆通过长度调节机构与调节撑杆连接，并通过长度调节机构改变下节杆、调节撑杆和子杆的总长度；所述的踝副包括踝副垛芯、踝副活塞杆、踝副回复簧和踝副错孔簧，所述的踝副垛芯固连子杆的下端，所述的踝副错孔簧固连底板，踝副垛芯能够在踝副活塞杆的作用下与踝副错孔簧啮合，也能在踝副活塞杆不作用时被踝副回复簧驱动，脱离踝副错孔簧；所述的底板包括前触发器和后触发器，前触发器内安装气囊，后触发器内安装有空心泡，后触发器外壁和空心泡之间填充液体，用于驱动踝副活塞杆、膝副活塞杆和液压缸，空心泡连通前触发器的气囊。

本装置由紧固带固定于人的下肢侧方，护板靠紧人的大腿后侧，当下肢弯曲时，大腿施力于护板，由于护板与大腿的接触面积很大，所以不会引起体感的不适性。底板的触发器一方面用于触发膝副和踝副的错孔簧，另一方面用于利用重力作用产生液力，用增益机构对液力进行增益后产生的扩张助力，用于克服人体重力起升负载，降低下肢的肌肉应力水平，从而可以减少糖原的无氧分解，进而减少乳酸的产生，这样就减缓了下肢疲劳，因为乳酸是疲劳感的诱因。

当膝部的错孔簧在液力作用下被激活后，下肢在人体重力负载下可控弯曲，由于错孔簧的巨大刚度，人体的部分重力被旁路，通过错孔簧直接传导给大地，那么，由于下肢负载的降低，其循环应力水平随之下降，疲劳程度就降低了。当人的脚部离开地面以后，在回复簧作用下，垛芯与错孔簧分离，于是，下肢的弯曲不再有错孔簧的阻力，这样，下肢就具备了不负载情况下自由弯曲的能力。错孔簧的刚度上限要考虑人的耐受度，下限要考虑效果。

底板的后触发器包括耐磨板、空心泡、型簧、硅胶覆层；前触发器包括支撑架、定位钉、气嘴、气囊、盖体。后触发器内充满液体，空心泡内为高压气体，当人体重力作用于后触发器，液体受压缩沿管路上行，一方面激活膝副和踝副的错孔簧，另一方面，液力的主要部分作用于液力增益机构。当人的脚跟离地而脚尖尚未离地时，人体重力作用于前触发器，前触发器内的高压气体受到挤压后沿着管路进入后触发器的空心泡，空心泡膨胀，后触发器的液体受挤压后产生液力。

膝副和踝副在运动过程中会和对应的膝关节、踝关节存在同心偏差，偏差过大会加大人的不适，所以，设计了同心偏差自适应结构，以满足人的舒适性要求。

本发明双模自持式徒步助力装置如图1、图2所示，包括护板1、上节杆2、紧固带3、盖板4、膝副端盖5、下节杆6、调节撑杆7、管路9、主连杆13、主连杆14、管路10、加力杆15、加力杆22、子杆16、踝副8、踝部缓冲装置17、底板18、液压缸19、膝副20、弹性体21。膝副结构如图3、图4所示，包括主油管26、支管25、垛芯27、叉支28、活塞杆31、本体30、回复簧36、错孔簧37。踝副的内部结构包括主油管26、垛芯27、叉支28、活塞杆31、本体30、回复簧36、错孔簧37。底板由柔性材料制作，其结构如图5、图6所示，上面安装前触发器45、后触发器41、带扣52、耐磨凸台48、气体管路42、耐压管43、气嘴44。下面将详细介绍各系统和机构的组成及相互作用关系。

当脚部与地面接触后，液体在压力作用下一部分沿着管路9进入膝副20，然后分成二路，一路由支管35进入液压缸19，另一路进入另一个液压缸，实现垛芯27与错孔簧37的啮合，从而激活错孔簧37，由于垛芯27与错孔簧37分别固连于上节杆2、下节杆6，这样，下肢的屈曲受到错孔簧的反作用力作用；当脚跟离开地面，脚尖还没有离开地面时，底板18上的前触发器45受到挤压，气体沿着管路42进入后触发器41的空心泡50，空心泡50受压膨胀，后触发器41内液体受压；当脚全部离开地面时，后触发器41内液体回流，活塞杆31在回复簧36作用下运动，实现垛芯27与错孔簧37的分离，下肢的屈曲不再受到错孔簧的反作用力作用；叉支28用于实现活塞杆31与垛芯27的固连；主油管26、支管25、垛芯27、叉支28、活塞杆31、回复簧36、错孔簧37全部安装于本体30内，由定位环38进行径向定位；螺母29用于旋紧后固定叉支28；端盖32用于密封液压缸。底板18与子杆16通过支座46连接。膝副端盖5的梅花凸起83用于工具的拧紧和旋松操作。

带扣52用于把脚固定于底板18，耐磨凸台48用于防止后触发器41压缩过程中对底板18的过度磨损和疲劳破坏，同时保证后触发器41均匀受压，防止后触发器41经常性侧倾造成损坏；耐压管43用于实现对气体管路42的保护；气嘴44用于对前触发器45进行充气。

长度调节机构如图7所示，根据腿部长短差异，可以调节图1、图2中调节撑杆7和子杆16的相对位置；实现过程为：使二个指环57相互靠拢，齿条56的顶端完全与子杆16侧平面平齐或凹下，调节撑杆7和子杆16的相对位置直至合适，然后松开二个指环57，弹簧58压紧齿条56。

踝部的不同心调节机构如图8所示，滑块61与踝副8固连，可以在槽内滑动，实现踝副8与踝关节不同心时自动让位；滑块61的运动过程会受到弹簧59、阻尼片60的阻力，目的是实现滑块61运动的平滑性和可控性；固定块62用于对滑块61进行定位；阻尼片60镶装于凹槽内。

液力增益机构的原理如图10所示，液压缸19在液力作用下，活塞杆伸出，加力杆15和加力杆22受力后，上节杆2和下节杆6之间获得扩张力矩；根据理论力学原理，液压缸19的活塞杆很小的伸出力，可以使加力杆15和加力杆22受到很大的力，这就是液力增益的原理。为避免产生过约束问题，主连杆13的上端在上节杆2上具有滑动自由度，加力杆15的左端在主连杆13上具有滑动自由度。

膝副与膝关节的不同心调节如图9所示，当膝副与膝关节具有同心偏差时，直列错孔簧发生弯曲，实现膝副与膝关节的不同心调节，增刚环63可实现直列错孔簧在压缩时具有较大的刚度。

人腿部弯曲后，大腿后部压紧护板1，护板1的卷边85用于防止腿部肌肉应力集中，缺口86用于适当降低护板1的挠曲刚度，避免腿部局部承受过大的循环应力。

图11中底板后触发器的型簧一方面用于保持后触发器的形状，另一方面在较大的初始液力作用下不至于有太大的伸长量。

底板18上的簧49用于压缩后复位；凸起51、91(如图5、图6)用于加强底板刚度和增大摩擦力；底板18的前挡80和后挡82分别用来防止人的脚滑离；气囊53用于储存气体；密封钉54用于固定气囊53；支架55用于提高底板刚度；底板18上表面的凸起81用于增大脚部与底板18之间的摩擦。

Claims (9)

1.一种双模自持式徒步助力装置，包括护板、上节杆、膝副、下节杆、调节撑杆、子杆、踝副、底板、两根主连杆、两根加力杆和液压缸，其特征在于：所述上节杆的下端和下节杆的上端通过膝副连接，所述下节杆的下端通过调节撑杆连接子杆，子杆下端和底板通过踝副连接；所述上节杆上固连护板和紧固带，紧固带将使用者大腿压紧在护板上；所述的下节杆和调节撑杆通过紧固带绑紧使用者的小腿；所述的底板通过紧固带绑紧使用者的脚部；所述的膝副包括本体、膝副垛芯、膝副活塞杆、膝副回复簧和膝副错孔簧，所述的膝副垛芯固连上节杆的下端，所述的膝副错孔簧固连下节杆的上端，膝副垛芯能够在膝副活塞杆的作用下与膝副错孔簧啮合，也能在膝副活塞杆不作用时被膝副回复簧驱动，脱离膝副错孔簧；两根主连杆的一端相互铰接，另一端分别与上节杆、下节杆铰接，两根加力杆的一端与液压缸的输出端铰接，另一端分别与两根主连杆铰接，构成四连杆机构；所述的子杆通过长度调节机构与调节撑杆连接，并通过长度调节机构改变下节杆、调节撑杆和子杆的总长度；所述的踝副包括本体、踝副垛芯、踝副活塞杆、踝副回复簧和踝副错孔簧，所述的踝副垛芯固连子杆的下端，所述的踝副错孔簧固连底板，踝副垛芯能够在踝副活塞杆的作用下与踝副错孔簧啮合，也能在踝副活塞杆不作用时被踝副回复簧驱动，脱离踝副错孔簧；所述的底板包括前触发器和后触发器，前触发器内安装气囊，后触发器内安装有空心泡，后触发器外壁和空心泡之间填充液体，液体压力用于驱动踝副活塞杆、膝副活塞杆和液压缸，空心泡连通前触发器的气囊。

2.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述的膝副垛芯和上节杆的下端通过同轴的膝副错孔簧固连；所述的踝副错孔簧和底板通过不同心调节机构连接，所述的不同心调节机构包括滑块、固定块、弹簧和阻尼片，固定块固连底板，固定块上开有水平方向的槽，滑块与踝副错孔簧固连，可以在槽内滑动，滑块两侧通过弹簧连接固定块，滑块的运动过程会受到弹簧和阻尼片的阻力。

3.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述的膝副错孔簧和踝副错孔簧为钢质或轻质合金的矩形金属条，膝副错孔簧两端相向形成环状，踝副错孔簧的两端相向形成环状，膝副错孔簧两侧向轴线方向交错开槽，且槽底部为圆孔，圆孔的轴线与膝副错孔簧轴线垂直，且圆孔的轴线在槽的中心平面内；踝副错孔簧两侧向轴线方向交错开槽，且槽底部为圆孔，圆孔的轴线与踝副错孔簧轴线垂直，且圆孔的轴线在槽的中心平面内。

4.根据权利要求3所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述膝副垛芯和上节杆之间的膝副错孔簧的槽内壁和圆孔内部紧贴有金属质的增钢环，确保膝副错孔簧在压缩时的刚度。

5.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述的膝副中，膝副活塞杆通过十字形的膝副叉支推动膝副垛芯；所述的膝副垛芯、膝副叉支、膝副活塞杆、膝副回复簧和膝副错孔簧均安装于圆环形的本体内，膝副回复簧和膝副错孔簧之间安装定位环进行径向定位；所述的踝副中，踝副活塞杆通过十字形的踝副叉支推动踝副垛芯；所述的踝副垛芯、踝副叉支、踝副活塞杆、踝副回复簧和踝副错孔簧均安装于圆环形的本体内，踝副回复簧和踝副错孔簧之间安装定位环进行径向定位。

6.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述后触发器的周边围绕有若干耐磨凸台；后触发器的空心泡和前触发器的气囊之间通过气体管路连通，且气体管路外侧包裹有耐压管进行保护；所述的气囊通过气嘴进行充气。

7.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述调节撑杆和子杆的两侧均开有若干定位孔，所述长度调节机构的两个齿条在弹簧的作用下穿过调节撑杆和子杆的定位孔固定调节撑杆和子杆的相对位置，两个所述齿条上安装有指环。

8.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述的主连杆在上节杆上能够沿上节杆轴向滑动，铰接该主连杆的加力杆能够在该主连杆上沿该主连杆轴向滑动。

9.根据权利要求1所述的双模自持式徒步助力装置，其特征在于：所述护板的两侧有卷边防止腿部肌肉应力集中，护板和卷边之间有缺口降低护板的挠曲刚度。