CN107378915B - 一种基于能量回馈的下肢助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量回馈的下肢助力装置，包括分别穿戴与人体的腰部和两腿部的腰部装置和腿部装置、连接腰部装置和腿部装置的拉索，所述腿部装置包括上支板、下支板、转轴、绕线轮，所述上支板与转轴固定连接，所述下支板与绕线轮固定连接，所述绕线轮与转轴可转动地同轴相连，所述绕线轮上设置有第一发条弹簧组件；所述的腰部装置通过束带固定在人体的腰部，包括连接束带的底座、安装板、电机组件、滚轮和第二通发条弹簧组件；所述的拉索一端缠绕固定在绕线轮上，另一端缠绕固定在所述滚轮上。本发明通过利用发条弹簧和发电机使关节减速或协同驱动关节运动，部分地代替肌肉驱动关节运动的功能，从而减少人运动时的生物能支出。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源领域，具体涉及一种能够实现能量回馈的下肢助力装置。
背景技术
随着科学技术的发展，可穿戴设备越来越多地走进人们的生活。利用可穿戴式的人体动能捕获装置为可穿戴的电子设备供电也成为人们关注的热点。然而，人体动能捕获器在捕获能量的同时，是以人体支出额外生物能为代价的。人体支出的这部分额外生物能可能会影响人的正常活动，给人体带来不适感。因此，有必要寻找一种新的方法，既可以辅助人体的运动，减少生物能的支出，同时还能够捕获人体动能，且不给人体带来不适感。
发明内容
为解决上述问题，提出了一种可实现能量回馈的下肢助力装置，它利用特殊的机构辅助人体下肢关机运动加速或减速，从而部分代替人体肌肉的功能，实现人体行走的助力，同时捕获人体动能并转换为电能。
本发明实现发明目的的具体技术方案是：
一种基于能量回馈的下肢助力装置，包括分别穿戴与人体的腰部和两腿部的腰部装置和腿部装置、连接腰部装置和腿部装置的拉索， 所述的腿部装置包括固定在大腿外侧的上支板、固定在小腿外侧的下支板、和膝关节轴同轴的转轴、绕线轮，所述上支板与转轴固定连接，所述下支板与绕线轮固定连接，所述绕线轮与转轴可转动地同轴相连，所述绕线轮上设置有同时与绕线轮和转轴相作用的第一发条弹簧组件；所述的腰部装置通过束带固定在人体的腰部，包括连接束带的底座、固定在底座一端的安装板、固定在所述底座上的电机组件、同轴地连接于所述电机组件输出端的滚轮和第二通发条弹簧组件；所述的拉索一端缠绕固定在绕线轮上，另一端缠绕固定在所述滚轮上。
进一步地，所述的电机组件包括发电机、加速齿轮组、蓄电装置，所述加速齿轮组的壳体一端与发电机通过螺纹连接成一体，所述发电机通过螺纹连接安装板，所述安装板通过螺钉与底座固连，所述加速齿轮组的输出轴与所述发电机的输入轴相连接，所述蓄电装置与发电机电路连接。
进一步地，所述的第二发条弹簧组件包括用于固定缠绕所述拉索滚轮、卷簧盖、位于卷簧盖内的第二发条弹簧、卷簧封盖，所述的滚轮同轴地固定在所述加速齿轮组的输入轴上，所述的卷簧盖通过螺钉与安装板固定连接，所述第二发条弹簧的内圈与滚轮固连，外圈与卷簧盖固连，所述的卷簧盖密封固定在所述卷簧盖的开口处。
进一步地，所述底座靠近人体的一面设置有螺纹孔以及用于套在束带上的矩形槽，使用紧固件固定底座和束带。
进一步地，所述的上支板通过大腿紧固组件固定在大腿外侧，所述的大腿紧固组件包括紧贴大腿前后侧的上固定板、通过螺钉固定连接在所述上固定板中部的弧形上连接环、使所述上固定板的与人体大腿紧密贴合的上绑带，所述上连接环中间部位及上支板上设置有若干相同间距的螺纹孔，通过螺纹紧固件将上支板固定连接上连接环；
所述的下支板通过小腿紧固组件固定在小腿外侧，所述的小腿紧固组件包括紧贴小腿前后侧的下固定板、通过螺钉固定连接在所述下固定板中部的弧形下连接环、使所述下固定板的与人体小腿紧密贴合的下绑带，所述下连接环中间部位及下支板上设置有若干相同间距的螺纹孔，通过螺纹紧固件将下支板固定连接下连接环。
进一步地，所述的上固定板和下固定板的横截面呈弧形，采用弹性材料。
进一步地，所述的上固定板和下固定板的上、下端均设置有定位小槽，所述上绑带及下绑带穿过所述定位小槽分别将上固定板和下固定板与人体大腿及小腿紧密贴合固定。
进一步地，所述上支板和下支板上沿长度方向均设置有若干组相同间距的螺纹孔。
进一步地，所述的上支板上通过螺钉还固定设置有导向器，所述导向器的中心设置有供拉索穿过的小孔。
进一步地，所述第一发条弹簧组件包括外卷簧盖、内卷簧盖、第一发条弹簧，所述外卷簧盖与绕线轮固定连接，所述内卷簧盖与外卷簧盖固定连接，所述第一发条弹簧的外圈与内卷簧盖固连，其内圈与转轴固连，当膝关节转动，所述绕线轮相对转轴转动时，第一发条弹簧产生扭转。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的装置中利用固定板的弯曲形状特性与弹性材料特性，使腰部装置与人体紧密贴合且不给人造成不适感。本发明的装置中腰部装置对于人的力作用点在大小腿前后侧，不产生使腿向左右侧翻动的力，与人行走时腿部前后摆动的趋势一致。本发明的装置可通过更换不同直径的内卷簧盖来改变发条弹簧扭转产生的力矩。本发明在膝关节减速时利用发条弹簧发生扭转变形产生的反力矩，和发电机发电产生的反力矩，使关节减速；在膝关节加速时，发条弹簧的弹性势能释放，通过滚轮、拉索和绕线轮驱动关节运动，同时控制膝关节减速时发电机产生的电能反过来驱动发电机，与发条弹簧协同驱动关节运动，部分地代替肌肉驱动关节运动的功能，从而减少人运动时的生物能支出。
附图说明
图1是本发明实施例的下肢助力装置的安装示意图。
图2是本发明实施例中腿部装置的结构示意图。
图3是本发明实施例中导向器的结构示意图。
图4是本发明实施例中腿部装置膝关节部位的结构示意图。
图5是本发明实施例中腰部装置的结构示意图。
图6是本发明实施例中腰部装置分解结构示意图。
图中所示：1-人体；2-腰部装置；3-腿部装置；4-导向器；5-绕线轮；6-第一发条弹簧；7-下支板；8-下固定板；9-下连接环；10-下绑带；11-上绑带；12-上连接环；13-上支板；14-上固定板；15-拉索；16-束带；17-外卷簧盖；18-内卷簧盖；19-转轴；20-底座；21-安装板；22-发电机；23-加速齿轮组；24-滚轮；25-第二发条弹簧；26-卷簧盖；27-卷簧封盖。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
如图1所示，一种基于能量回馈的下肢助力装置，包括分别穿戴与人体1的腰部和两腿部的两套腰部装置2和两套腿部装置3、连接腰部装置2和腿部装置3的拉索15， 所述的腿部装置3包括固定在大腿外侧的上支板13、固定在小腿外侧的下支板7、和膝关节轴同轴的转轴19、绕线轮5，所述上支板13与转轴19固定连接，所述下支板7与绕线轮5固定连接，所述绕线轮5与转轴19可转动地同轴相连，所述绕线轮5上设置有同时与绕线轮5和转轴19相作用的第一发条弹簧组件；所述的两套腰部装置2通过束带16固定在人体1的腰部，包括连接束带16的底座20、固定在底座20一端的安装板21、固定在所述底座20上的电机组件、同轴地连接于所述电机组件输出端的滚轮24和第二通发条弹簧组件，所述底座20靠近人体的一面设置有螺纹孔以及用于套在束带16上的矩形槽，使用紧固件固定底座20和束带16(见图6)。所述的拉索15一端缠绕固定在绕线轮5上，另一端缠绕固定在所述滚轮24上。当膝关节转动时，上支板13和下支板7可相对转动，绕线轮5可绕膝关节轴转动，并带动拉索15直线运动。
如图5和图6所示，所述的电机组件包括发电机22、加速齿轮组23、蓄电装置，所述加速齿轮组23的壳体一端与发电机22通过螺纹连接成一体，所述发电机22通过螺纹连接安装板21，所述安装板21通过螺钉与底座20固连，所述加速齿轮组23的输出轴与所述发电机22的输入轴相连接，所述蓄电装置与发电机22电路连接。
如图6所示，所述的第二发条弹簧组件包括用于固定缠绕所述拉索15滚轮24、卷簧盖26、位于卷簧盖26内的第二发条弹簧25、卷簧封盖27，所述的滚轮24同轴地固定在所述加速齿轮组23的输入轴上，所述的卷簧盖26通过螺钉与安装板21固定连接，所述第二发条弹簧25的内圈与滚轮24固连，外圈与卷簧盖26固连，所述的卷簧盖26密封固定在所述卷簧盖26的开口处，实现发电机22、加速齿轮组23、安装板21和卷簧盖26同轴连接且与底座20相对固定。
所述拉索15穿过导向器4后与滚轮24缠绕连接，膝关节转动时，绕线轮5也实现转动，通过拉索15拉动滚轮24转动，运动经过加速齿轮组23加速，驱动发电机22发电，产生电能。当发电机22做电动机使用时，给其输入电能，发电机22带动滚轮24、拉索15、绕线轮5运动，最终驱动膝关节运动。
如图2所示，所述的上支板13通过大腿紧固组件固定在大腿外侧，所述的大腿紧固组件包括紧贴大腿前后侧的上固定板14、通过螺钉固定连接在所述上固定板14中部的弧形上连接环12、使所述上固定板14的与人体大腿紧密贴合的上绑带11，所述上连接环12中间部位及上支板13上设置有若干相同间距的螺纹孔，通过螺纹紧固件将上支板13固定连接上连接环12，从而使上支板13的固定位置在大腿的外侧面，因上连接环12的固定位置在大腿的前后面，从而使装置对于人的力作用点在大腿前后侧，不产生使腿向左右侧翻动的力，与人行走时腿部前后摆动的趋势一致；
所述的下支板7通过小腿紧固组件固定在小腿外侧，所述的小腿紧固组件包括紧贴小腿前后侧的下固定板8、通过螺钉固定连接在所述下固定板8中部的弧形下连接环9、使所述下固定板8的与人体小腿紧密贴合的下绑带10，所述下连接环9中间部位及下支板7上设置有若干相同间距的螺纹孔，通过螺纹紧固件将下支板7固定连接下连接环9，从而使下支板7的固定位置在小腿的外侧面，因下连接环9的固定位置在大小腿的前后面，从而使装置对于人的力作用点在小腿前后侧，不产生使腿向左右侧翻动的力，与人行走时腿部前后摆动的趋势一致。
所述的上固定板14和下固定板8的横截面呈弧形，采用弹性材料。同时，所述的上固定板14和下固定板8的上、下端均设置有定位小槽，所述上绑带11及下绑带10穿过所述定位小槽分别将上固定板14和下固定板8与人体大腿及小腿紧密贴合固定。所述上固定板14和下固定板8的形状、材质及连接方式可以使上固定板14和下固定板8不易从人体脱落，并且不给人体造成不适，提高佩戴的舒适度。
所述上支板13和下支板7上沿长度方向均设置有若干组相同间距的螺纹孔，由此一来，当不同腿长的人佩戴时，可以根据自身的身体特征及舒适性需要，灵活地调节大腿紧固组件和小腿紧固组件的位置，从而是腿部装置3满足不同身体条件人群的需要，提高适用范围。
另外，如图3所示，所述的上支板13上通过螺钉还固定设置有导向器4，所述导向器4的中心设置有供拉索15穿过的小孔。具体实施时，所述小孔上覆盖有摩擦系数小且耐磨的材料，拉索15穿过该小孔并沿着小孔的走向进行直线运动，因此运动产生的摩擦力较小。改变导向器4在上支板13的位置，既可以改变拉索15从绕线轮5延伸出的位置，也可改变与腰部装置2连接的走向，满足不同身体条件人群的需要，提高适用范围。
如图4所示，所述第一发条弹簧组件包括外卷簧盖17、内卷簧盖18、第一发条弹簧6，所述外卷簧盖17与绕线轮5固定连接，所述内卷簧盖18与外卷簧盖17固定连接，所述第一发条弹簧6的外圈与内卷簧盖18固连，其内圈与转轴19固连，当膝关节转动，所述绕线轮5相对转轴19转动时，第一发条弹簧6产生扭转。实施过程中，改变内卷簧盖18的直径可以改变发条弹簧6的预紧圈数，从而改变变形时产生的扭转力矩。
所述腿部装置3与腰部装置2的第一发条弹簧6和第二发条弹簧25在膝关节转动的同时产生扭转变形。人行走过程中，当小腿从抬起到放下过程中，膝关节的运动需要减速，关节运动通过绕线轮5和滚轮24使第一发条弹簧6和第二发条弹簧25发生扭转变形并产生反力矩，而绕线轮5又通过拉索15、滚轮24和加速齿轮组23使发电机22高速转动并产生反力矩，第一发条弹簧6和第二发条弹簧25与发电机22产生的反力矩最终作用到关节上，使关节减速，部分地代替肌肉使关节的运动减速的功能，有效地减少了生物能的支出，第一发条弹簧6和第二发条弹簧25同时储蓄弹性势能；相反，当膝关节的运动需要加速时，第一发条弹簧6和第二发条弹簧25的弹性势能释放，通过滚轮24、拉索15和绕线轮5驱动关节运动，与此同时，控制膝关节减速时发电机22产生的电能反过来驱动发电机22，发电机逆转为电动机，与第一发条弹簧6和第二发条弹簧25协同驱动关节运动，部分地代替肌肉驱动关节运动的功能，从而减少人运动时的生物能支出，
上述装置基于能量回馈的并对下肢运动产生助力的原理具体包括：
膝关节的运动传递给绕线轮5，绕线轮5通过拉索15拉动滚轮24转动，运动经过加速齿轮组23加速，驱动发电机22发电，产生电能。当发电机22做电动机使用时，给其输入电能，发电机22带动滚轮24、拉索15、绕线轮5运动，最终驱动膝关节运动。
当膝关节的运动需要减速时，关节运动通过绕线轮5和滚轮24使第一发条弹簧6和第二发条弹簧25发生扭转变形并产生反力矩，绕线轮5又通过拉索15、滚轮24和加速齿轮组23使发电机22高速转动并产生反力矩，第一发条弹簧6和第二发条弹簧25和发电机22产生的反力矩并最终作用到关节上，使关节减速，部分地代替肌肉使关节的运动减速的功能，有效地减少了生物能的支出，第一发条弹簧6和第二发条弹簧25同时储蓄弹性势能。
当膝关节的运动需要加速时，第一发条弹簧6和第二发条弹簧25的弹性势能释放，通过滚轮24、拉索15和绕线轮5驱动关节运动，与此同时，控制膝关节减速时发电机22产生的电能反过来驱动发电机22，发电机22逆转为电动机，与第一发条弹簧6和第二发条弹簧25协同驱动关节运动，部分地代替肌肉驱动关节运动的功能，从而减少人运动时的生物能支出。
所述发电机22在关节减速时，会进行高速地转动，从而产生电能，所产生的电能通过整流调压电路后，储蓄到蓄电池中，为人体随身携带的电子产品供电。当膝关节加速时，可控制蓄电池中的电能驱动发电机22转动，发电机逆转为电动机，与发条弹簧6和25协同驱动关节运动。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于能量回馈的下肢助力装置，包括分别穿戴于人体(1)的腰部和两腿部的腰部装置(2)和腿部装置(3)、连接腰部装置(2)和腿部装置(3)的拉索(15)，其特征在于：
所述的腿部装置(3)包括固定在大腿外侧的上支板(13)、固定在小腿外侧的下支板(7)、和膝关节轴同轴的转轴(19)、绕线轮(5)，所述上支板(13)与转轴(19)固定连接，所述下支板(7)与绕线轮(5)固定连接，所述绕线轮(5)与转轴(19)可转动地同轴相连，所述绕线轮(5)上设置有同时与绕线轮(5)和转轴(19)相作用的第一发条弹簧组件；
所述的腰部装置(2)通过束带(16)固定在人体(1)的腰部，包括连接束带(16)的底座(20)、固定在底座(20)一端的安装板(21)、固定在所述底座(20)上的电机组件、同轴地连接于所述电机组件输出端的滚轮(24)和第二发条弹簧组件；
所述的电机组件包括发电机(22)、加速齿轮组(23)、蓄电装置，所述加速齿轮组(23)的壳体一端与发电机(22)通过螺纹连接成一体，所述发电机(22)通过螺纹连接安装板(21)，所述安装板(21)通过螺钉与底座(20)固连，所述加速齿轮组(23)的输出轴与所述发电机(22)的输入轴相连接，所述蓄电装置与发电机(22)电路连接；
所述的拉索(15)一端缠绕固定在绕线轮(5)上，另一端缠绕固定在所述滚轮(24)上；所述的第二发条弹簧组件包括卷簧盖(26)、位于卷簧盖(26)内的第二发条弹簧(25)、卷簧封盖(27)，所述的滚轮(24)同轴地固定在所述加速齿轮组(23)的输入轴上，所述的卷簧盖(26)通过螺钉与安装板(21)固定连接，所述第二发条弹簧(25)的内圈与滚轮(24)固连，外圈与卷簧盖(26)固连，所述的卷簧封盖(27)密封固定在所述卷簧盖(26)的开口处；
所述的上支板(13)通过大腿紧固组件固定在大腿外侧，所述的大腿紧固组件包括紧贴大腿前后侧的上固定板(14)、通过螺钉固定连接在所述上固定板(14)中部的弧形的上连接环(12)、使所述上固定板(14)与人体大腿紧密贴合的上绑带(11)，所述上连接环(12)中间部位及上支板(13)上设置有若干相同间距的螺纹孔，通过螺纹紧固件将上支板(13)固定连接上连接环(12)；
所述的下支板(7)通过小腿紧固组件固定在小腿外侧，所述的小腿紧固组件包括紧贴小腿前后侧的下固定板(8)、通过螺钉固定连接在所述下固定板(8)中部的弧形的下连接环(9)、使所述下固定板(8)与人体小腿紧密贴合的下绑带(10)，所述下连接环(9)中间部位及下支板(7)上设置有若干相同间距的螺纹孔，通过螺纹紧固件将下支板(7)固定连接下连接环(9)；所述底座(20)靠近人体的一面设置有螺纹孔以及用于套在束带(16)上的矩形槽，使用紧固件固定底座(20)和束带(16)；所述的上固定板(14)和下固定板(8)的横截面呈弧形，采用弹性材料；所述的上固定板(14)和下固定板(8)的上、下端均设置有定位小槽，所述上绑带(11)及下绑带(10)穿过所述定位小槽分别将上固定板(14)和下固定板(8)与人体大腿及小腿紧密贴合固定；所述上支板(13)和下支板(7)上沿长度方向均设置有若干组相同间距的螺纹孔；所述的上支板(13)上通过螺钉还固定设置有导向器(4)，所述导向器(4)的中心设置有供拉索(15)穿过的小孔。
2.根据权利要求1所述的基于能量回馈的下肢助力装置，其特征在于：所述第一发条弹簧组件包括外卷簧盖(17)、内卷簧盖(18)、第一发条弹簧(6)，所述外卷簧盖(17)与绕线轮(5)固定连接，所述内卷簧盖(18)与外卷簧盖(17)固定连接，所述第一发条弹簧(6)的外圈与内卷簧盖(18)固连，其内圈与转轴(19)固连，当膝关节转动，所述绕线轮(5)相对转轴(19)转动时，第一发条弹簧(6)产生扭转。
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