CN105479438A - 弹簧储能弹跳外骨骼 - Google Patents

Abstract

弹簧储能弹跳外骨骼，它涉及一种外骨骼，以解决现有外骨骼主要是增强行走或奔跑，针对人体提升单方面运动能力的外骨骼还没有的问题，它包括左腿、右腿和背部；左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节和踝关节；背部通过髋关节与大腿转动连接，大腿通过膝关节与小腿转动连接，小腿通过踝关节与足部转动连接；它还包括驱动电机、丝杠副、储能弹簧牵引板、储能弹簧释放板、拉环、拉绳、连接板、辅助压簧机构、回程戳杆、两个卡勾、两个导轨、两个储能弹簧、两个复位弹簧、两条第一牵引驱动钢丝绳、两条第二牵引驱动钢丝绳、两个辅助滑轮、两个换向滑轮和两个连杆。本发明用于助力行走或弹跳。

Description

弹簧储能弹跳外骨骼

技术领域

本发明涉及一种外骨骼，具体涉及一种弹簧储能的弹跳外骨骼。

背景技术

现有外骨骼机器人以助老助残外骨骼和普通人助力外骨骼为主，其中助老助残型外骨骼主要增强下肢力量，即使下肢从无力变得有力；助力型外骨骼针对健康人群，主要通过外骨骼的续力作用增强下肢耐久力同时分担穿戴者负载的重力。这些外骨骼作用都是增强行走或奔跑等人体的普遍运动，而针对人体提升单纯运动能力，比如单纯提升跳远能力或者跳高能力的外骨骼还很少见。

发明内容

本发明是为解决现有外骨骼主要是增强行走或奔跑，针对人体提升单方面运动能力的外骨骼还没有的问题，进而提出一种弹簧储能弹跳外骨骼。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种弹簧储能弹跳外骨骼包括左腿、右腿和背部；左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节和踝关节；背部通过髋关节与大腿转动连接，大腿通过膝关节与小腿转动连接，小腿通过踝关节与足部转动连接；

它还包括驱动电机、丝杠副、储能弹簧牵引板、储能弹簧释放板、拉环、拉绳、连接板、辅助压簧机构、回程戳杆、两个卡勾、两个导轨、两个储能弹簧、两个复位弹簧、两条第一牵引驱动钢丝绳、两条第二牵引驱动钢丝绳、两个辅助滑轮、两个换向滑轮和两个连杆；

髋关节主要由髋关节滑轮组成，膝关节主要由膝关节滑轮组成；

驱动电机的轴向竖向设置并安装在背部的外表面上，两个导轨安装在背部的外表面上，驱动电机的输出端与丝杠副的丝杠的上端连接，丝杠副的丝杠的下端通过轴承与背部转动连接，丝杠副的螺母上安装有储能弹簧牵引板，两个导轨和两个弹簧各自竖向并排设置在丝杠副的两侧；

储能弹簧牵引板的下方由上至下依次布置有储能弹簧释放板和连接板；储能弹簧牵引板的两端和储能弹簧释放板的两端分别能在两个导轨上上下滑动，两个弹簧分别与储能弹簧牵引板和储能弹簧释放板连接，储能弹簧释放板的上表面开设有一个顶孔，顶孔处布置有回程戳杆，回程戳杆的上端固接在储能弹簧牵引板上；

两个卡勾镜像设置，卡勾的一端套装在与背部连接的轴承外缘上，卡勾的另一端卡在与储能弹簧释放板连接的轴承外缘上，卡勾的一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与连接板铰接，连接板滑动安装在背部的外表面上，每个卡勾通过一个复位弹簧与背部连接，拉环安装在背部的侧部，拉环通过拉绳与连接板连接；

两个换向滑轮镜像设置在两个卡勾的下方并转动安装在背部的外表面上，左腿和右腿各分别布置有一个辅助滑轮、一个髋关节滑轮和一个膝关节滑轮；背部的两个侧部各转动安装有一个辅助滑轮，两个辅助滑轮镜像设置，背部的两个侧部各转动安装有一个髋关节滑轮，两个髋关节滑轮镜像设置且布置在两个辅助滑轮的下方，大腿的上端与髋关节滑轮的轮轴转动连接，大腿的下端与膝关节滑轮的轮轴转动连接，膝关节滑轮固定在小腿上，髋关节滑轮和膝关节滑轮的轴向平行，小腿与安装在足部上的踝关节铰接；

辅助压簧机构包括两个钩压件和压簧；压簧套装在两个钩压件上，一个钩压件的钩端钩在压簧的一端，一个钩压件的另一端穿出压簧的另一端，另一个钩压件的钩端钩在压簧的另一端，另一个钩压件的另一端穿出压簧的一端，辅助压簧机构和第二牵引驱动钢丝绳布置在大腿内；

第一牵引驱动钢丝绳的一端固接在储能弹簧释放板上，第一牵引驱动钢丝绳的另一端依次绕过换向滑轮、辅助滑轮和髋关节滑轮并与所述一个钩压件的另一端连接，第二牵引驱动钢丝绳的一端与所述另一个钩压件的另一端连接，第二牵引驱动钢丝绳的另一端固接在膝关节滑轮上。

本发明的有益效果是：1、通过弹簧储能并将能量作用于弹跳过程中人的髋关节和膝关节，大大增强人体弹跳时的爆发力，提升弹跳高度。

2、即使在人步行或者跑步过程中，仅靠辅助压簧机构的压簧的储能作用也可使人体自身能量得到循环利用提高人体力量。

3、辅助压簧机构的结构设计巧妙，将压簧用作了拉簧，当拉力过大时，压簧被压缩到最短，此时可视为长度不变的连杆，而且不破环压簧性能；避免直接使用拉簧，当拉力过大时拉簧损坏的缺点。

附图说明

图1是本发明的外骨骼弯腿时结构示意图，图2是本发明的外骨骼直腿时的结构示意图，图3是背部、驱动电机、丝杠副和储能弹簧连接的立体结构图，图4是背部的主视结构示意图，图5是图4的B处局部放大图，图6是图4的C处局部放大图，图7是弯腿的侧视图，图8是弯腿的透视图，图9是大腿、辅助压簧机构和第二牵引驱动钢丝绳连接结构放大图，图10是辅助压簧机构的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图10说明，本实施方式的弹簧储能弹跳外骨骼包括左腿、右腿和背部7；左腿和右腿分别包括大腿14、小腿15、足部26、髋关节、膝关节和踝关节25；背部1通过髋关节与大腿14转动连接，大腿14通过膝关节与小腿15转动连接，小腿15通过踝关节25与足部26转动连接；

它还包括驱动电机2、丝杠副4、储能弹簧牵引板5、储能弹簧释放板9、拉环11、拉绳12、连接板20、辅助压簧机构27、回程戳杆6、两个卡勾10、两个导轨16、两个储能弹簧17、两个复位弹簧18、两条第一牵引驱动钢丝绳19、两条第二牵引驱动钢丝绳28、两个辅助滑轮13、两个换向滑轮21和两个连杆29；

髋关节主要由髋关节滑轮23组成，膝关节主要由膝关节滑轮24组成；

驱动电机2的轴向竖向设置并安装在背部7的外表面上，两个导轨16安装在背部7的外表面上，驱动电机2的输出端与丝杠副4的丝杠的上端连接，丝杠副4的丝杠的下端通过轴承与背部7转动连接，丝杠副4的螺母上安装有储能弹簧牵引板5，两个导轨16和两个弹簧17各自竖向并排设置在丝杠副4的两侧；

储能弹簧牵引板5的下方由上至下依次布置有储能弹簧释放板9和连接板20；储能弹簧牵引板5的两端和储能弹簧释放板9的两端分别能在两个导轨16上上下滑动，两个弹簧17分别与储能弹簧牵引板5和储能弹簧释放板9连接，储能弹簧释放板9的上表面开设有一个顶孔，顶孔处布置有回程戳杆6，回程戳杆6的上端固接在储能弹簧牵引板5上；

两个卡勾10镜像设置，卡勾10的一端套装在与背部7连接的轴承外缘上，卡勾10的另一端卡在与储能弹簧释放板9连接的轴承外缘上，卡勾10的一端与连杆29的一端铰接，连杆29的另一端与连接板20铰接，连接板20滑动安装在背部7的外表面上，每个卡勾10通过一个复位弹簧18与背部7连接，拉环11安装在背部7的侧部，拉环11通过拉绳12与连接板20连接；

两个换向滑轮21镜像设置在两个卡勾10的下方并转动安装在背部7的外表面上，左腿和右腿各分别布置有一个辅助滑轮13、一个髋关节滑轮23和一个膝关节滑轮24；背部7的两个侧部各转动安装有一个辅助滑轮13，两个辅助滑轮13镜像设置，背部7的两个侧部各转动安装有一个髋关节滑轮23，两个髋关节滑轮23镜像设置且布置在两个辅助滑轮13的下方，大腿14的上端与髋关节滑轮23的轮轴转动连接，大腿14的下端与膝关节滑轮24的轮轴转动连接，膝关节滑轮24固定在小腿15上，髋关节滑轮23和膝关节滑轮24的轴向平行，小腿15与安装在足部26上的踝关节25铰接；

辅助压簧机构27包括两个钩压件27-1和压簧27-2；压簧27-2套装在两个钩压件27-1上，一个钩压件27-1的钩端钩在压簧27-2的一端，一个钩压件27-1的另一端穿出压簧27-2的另一端，另一个钩压件27-1的钩端钩在压簧27-2的另一端，另一个钩压件27-1的另一端穿出压簧27-2的一端，辅助压簧机构27和第二牵引驱动钢丝绳28布置在大腿14内；第一牵引驱动钢丝绳19的一端固接在储能弹簧释放板9上，第一牵引驱动钢丝绳19的另一端依次绕过换向滑轮21、辅助滑轮13和髋关节滑轮23并与所述一个钩压件27-1的另一端连接，第二牵引驱动钢丝绳28的一端与所述另一个钩压件27-1的另一端连接，第二牵引驱动钢丝绳28的另一端固接在膝关节滑轮24上。回程戳杆6的下端为戳端，戳端为锥形端，锥形端局部伸入顶孔内，并顶压储能弹簧释放板9。

具体实施方式二：结合图1和图5说明，本实施方式的连接板20为T形连接板，两个连杆29与T形连接板的横臂两端铰接，拉绳12与T形连接板的竖臂连接。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图5说明，本实施方式的驱动电机2为伺服电机。如此设置，结构简单，运行稳定可靠，精度高。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的弹簧储能弹跳外骨骼还包括四个滑块8，储能弹簧牵引板5两端和储能弹簧释放板9的两端各自安装有一个滑块8，滑块8滑动安装在导轨16上。如此设置，便于储能弹簧牵引板5运行稳定可靠。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图5说明，本实施方式的弹簧储能弹跳外骨骼还包括过渡板30，过渡板30布置在储能弹簧释放板9的下方并安装在背部7的外表面上，卡勾10的一端套装在与过渡板30连接的轴承外缘上，连接板20布置在过渡板30的下部。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图6说明，本实施方式的弹簧储能弹跳外骨骼还包括两个转向滑轮22，左腿和右腿各分别布置有一个转向滑轮22，两个转向滑轮22镜像设置，两个转向滑轮22转动安装在背部7的侧部，换向滑轮21与转向滑轮22的轴向垂直，辅助滑轮13与髋关节滑轮23的轴向平行，第一牵引驱动钢丝绳19的另一端依次绕过换向滑轮21、转向滑轮22、辅助滑轮13和髋关节滑轮23并与所述一个钩压件27-1的另一端连接。如此设置，保证了第一牵引钢丝绳19运行稳定可靠，实现良好的牵引。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图10说明，本实施方式的两个钩压件27-1均为V形钩压件，钩压件27-1的两臂的端部向外弯曲并钩在压簧27-2上。如此设置，满足设计要求和保证压簧弹性储能的作用。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图5说明，本实施方式的弹簧储能弹跳外骨骼还包括另一个回程戳杆6，两个回程戳杆6并列设置，储能弹簧释放板9的上表面开设有两个顶孔，每个顶孔处布置有回程戳杆6，回程戳杆6的上端固接在储能弹簧牵引板5上。回程戳杆6的下端为戳端，戳端为锥形端，锥形端局部伸入顶孔内，并顶压储能弹簧释放板9。如此设置，保证储能弹簧牵引板5和储能弹簧释放板9运行稳定，有利于储能弹簧释放板9带动卡勾10复位。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1和图3说明，本实施方式的弹簧储能弹跳外骨骼还包括两个肩带1，两个肩带1安装在背部7上。如此设置，便于助力行走。其它与具体实施方式一、二、四、六或八相同。

工作原理：连接板20被触发之前，储能弹簧释放班9被卡勾10勾住，不能在导轨16上滑动，相对导轨16静止；站立状态下，第一牵引驱动钢丝绳19和第二牵引驱动钢丝绳28在大腿14内的长度均为最长，在人体下蹲过程中，膝关节弯曲，膝关节滑轮24缠绕第二牵引驱动钢丝绳28，使大腿14内第二牵引驱动钢丝绳28的长度缩短，第二牵引驱动钢丝绳28上端牵引钩压件27-1(结构如图10所示)下端下移，同时髋关节弯曲，第一牵引驱动钢丝绳19在髋关节滑轮23上的缠绕长度增加，由于第一牵引驱动钢丝绳19上端固连在储能弹簧释放板9上，此时相对静止，故第一牵引驱动钢丝绳19下端牵引钩压件27-1上端上移，两端作用使压簧27-2压缩储能。驱动电机2启动后，与之固连的丝杠副4的丝杠转动，带动固定在与丝杠副4配套的螺母上的储能弹簧牵引板5在导轨16上向上滑动直到驱动电机2停止转动锁死，同时储能弹簧牵引板5牵引储能弹簧17上端上移，由于储能弹簧17下端此时相对静止，故储能弹簧17伸长储能。当人由下蹲状态准备起跳瞬间，拉动手握拉环11，作用在拉绳12上，拉动连接板20在其滑槽内下移，通过连杆29作用使卡勾10与储能弹簧释放板9固连的轴承外缘脱离接触，由于储能弹簧17的拉动作用，被释放的储能弹簧释放板9迅速上移，带动与之固连的第一牵引驱动钢丝绳19上端上移，其结果就是使髋关节滑轮23上缠绕的第一牵引驱动钢丝绳19变短导致髋关节伸直；同时通过辅助压簧机构27及第二牵引驱动钢丝绳28的作用拉动膝关节滑轮24转动使膝关节滑轮24上第二牵引驱动钢丝绳28长度变短。整个过程的作用就是在髋关节和膝关节弯曲的下蹲状态下到跳起膝关节和髋关节伸直过程中，外骨骼将储能弹簧17和辅助压簧机构27中的能量释放出来辅助膝关节和髋关节伸直与人体下肢力量同步作用，提升人弹跳过程中爆发力，进而提升人的弹跳高度。弹跳动作完成后，驱动电机2反向转动，储能弹簧牵引板5上固定的回程戳杆6的锥形戳端可进入储能弹簧释放端9上的顶孔内，顶压带动储能弹簧释放板9下移直到在复位弹簧18作用下卡勾10卡住储能弹簧释放板9固连的轴承外缘，回复到原始状态。

Claims (9)

1.弹簧储能弹跳外骨骼，它包括左腿、右腿和背部(7)；左腿和右腿分别包括大腿(14)、小腿(15)、足部(26)、髋关节、膝关节和踝关节(25)；背部(7)通过髋关节与大腿(14)转动连接，大腿(14)通过膝关节与小腿(15)转动连接，小腿(15)通过踝关节(25)与足部(26)转动连接；其特征在于：它还包括驱动电机(2)、丝杠副(4)、储能弹簧牵引板(5)、储能弹簧释放板(9)、拉环(11)、拉绳(12)、连接板(20)、辅助压簧机构(27)、回程戳杆(6)、两个卡勾(10)、两个导轨(16)、两个储能弹簧(17)、两个复位弹簧(18)、两条第一牵引驱动钢丝绳(19)、两条第二牵引驱动钢丝绳(28)、两个辅助滑轮(13)、两个换向滑轮(21)和两个连杆(29)；髋关节主要由髋关节滑轮(23)组成，膝关节主要由膝关节滑轮(24)组成；驱动电机(2)的轴向竖向设置并安装在背部(7)的外表面上，两个导轨(16)安装在背部(7)的外表面上，驱动电机(2)的输出端与丝杠副(4)的丝杠的上端连接，丝杠副(4)的丝杠的下端通过轴承与背部(7)转动连接，丝杠副(4)的螺母上安装有储能弹簧牵引板(5)，两个导轨(16)和两个弹簧(17)各自竖向并排设置在丝杠副(4)的两侧；储能弹簧牵引板(5)的下方由上至下依次布置有储能弹簧释放板(9)和连接板(20)；储能弹簧牵引板(5)的两端和储能弹簧释放板(9)的两端分别能在两个导轨(16)上上下滑动，两个弹簧(17)分别与储能弹簧牵引板(5)和储能弹簧释放板(9)连接，储能弹簧释放板(9)的上表面开设有一个顶孔，顶孔处布置有回程戳杆(6)，回程戳杆(6)的上端固接在储能弹簧牵引板(5)上；

两个卡勾(10)镜像设置，卡勾(10)的一端套装在与背部(7)连接的轴承外缘上，卡勾(10)的另一端卡在与储能弹簧释放板(9)连接的轴承外缘上，卡勾(10)的一端与连杆(29)的一端铰接，连杆(29)的另一端与连接板(20)铰接，连接板(20)滑动安装在背部(7)的外表面上，每个卡勾(10)通过一个复位弹簧(18)与背部(7)连接，拉环(11)安装在背部(7)的侧部，拉环(11)通过拉绳(12)与连接板(20)连接；

两个换向滑轮(21)镜像设置在两个卡勾(10)的下方并转动安装在背部(7)的外表面上，左腿和右腿各分别布置有一个辅助滑轮(13)、一个髋关节滑轮(23)和一个膝关节滑轮(24)；背部(7)的两个侧部各转动安装有一个辅助滑轮(13)，两个辅助滑轮(13)镜像设置，背部(7)的两个侧部各转动安装有一个髋关节滑轮(23)，两个髋关节滑轮(23)镜像设置且布置在两个辅助滑轮(13)的下方，大腿(14)的上端与髋关节滑轮(23)的轮轴转动连接，大腿(14)的下端与膝关节滑轮(24)的轮轴转动连接，膝关节滑轮(24)固定在小腿(15)上，髋关节滑轮(23)和膝关节滑轮(24)的轴向平行，小腿(15)与安装在足部(26)上的踝关节(25)铰接；辅助压簧机构(27)包括两个钩压件(27-1)和压簧(27-2)；压簧(27-2)套装在两个钩压件(27-1)上，一个钩压件(27-1)的钩端钩在压簧(27-2)的一端，一个钩压件(27-1)的另一端穿出压簧(27-2)的另一端，另一个钩压件(27-1)的钩端钩在压簧(27-2)的另一端，另一个钩压件(27-1)的另一端穿出压簧(27-2)的一端，辅助压簧机构(27)和第二牵引驱动钢丝绳(28)布置在大腿(14)内；

第一牵引驱动钢丝绳(19)的一端固接在储能弹簧释放板(9)上，第一牵引驱动钢丝绳(19)的另一端依次绕过换向滑轮(21)、辅助滑轮(13)和髋关节滑轮(23)并与所述一个钩压件(27-1)的另一端连接，第二牵引驱动钢丝绳(28)的一端与所述另一个钩压件(27-1)的另一端连接，第二牵引驱动钢丝绳(28)的另一端固接在膝关节滑轮(24)上。

2.根据权利要求1所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：连接板(20)为T形连接板，两个连杆(29)与T形连接板的横臂两端铰接，拉绳(12)与T形连接板的竖臂连接。

3.根据权利要求1或2所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：驱动电机(2)为伺服电机。

4.根据权利要求3所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：它还包括四个滑块(8)，储能弹簧牵引板(5)两端和储能弹簧释放板(9)的两端各自安装有一个滑块(8)，滑块(8)滑动安装在导轨(16)上。

5.根据权利要求1、2或4所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：它还包括过渡板(30)，过渡板(30)布置在储能弹簧释放板(9)的下方并安装在背部(7)的外表面上，卡勾(10)的一端套装在与过渡板(30)连接的轴承外缘上，连接板(20)布置在过渡板(30)的下部。

6.根据权利要求5所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：它还包括两个转向滑轮(22)，左腿和右腿各分别布置有一个转向滑轮(22)，两个转向滑轮(22)镜像设置，两个转向滑轮(22)转动安装在背部(7)的侧部，换向滑轮(21)与转向滑轮(22)的轴向垂直，辅助滑轮(13)与髋关节滑轮(23)的轴向平行，第一牵引驱动钢丝绳(19)的另一端依次绕过换向滑轮(21)、转向滑轮(22)、辅助滑轮(13)和髋关节滑轮(23)并与所述一个钩压件(27-1)的另一端连接。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：两个钩压件(27-1)均为V形钩压件，钩压件(27-1)的两臂的端部向外弯曲并钩在压簧(27-2)上。

8.根据权利要求7所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：它还包括另一个回程戳杆(6)，两个回程戳杆(6)并列设置，储能弹簧释放板(9)的上表面开设有两个顶孔，每个顶孔处布置有回程戳杆(6)，回程戳杆(6)的上端固接在储能弹簧牵引板(5)上。

9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的弹簧储能弹跳外骨骼，其特征在于：它还包括两个肩带(1)，两个肩带(1)安装在背部(7)上。