CN108095980B - 一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于下肢助力外骨骼领域，并公开了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，包括腰部弧形支撑组件、髋关节组件、大腿组件和弹性元件连接组件，腰部弧形支撑组件包括围托和柔性绷带；髋关节组件包括髋关节内收外展连接件和髋关节屈曲伸展连接件；大腿组件包括大腿外侧连杆、大腿前环箍和大腿后环箍；弹性元件连接组件包括L型悬臂、力臂、拉绳离合器、拉伸弹簧和柔性绳。本发明通过随关节角度触发的拉绳离合器，使得拉伸弹簧在人体髋关节做负功时拉伸存储人体机械能、做正功时收缩释放该能量，最终实现对人体机械能的分时调控，辅助髋关节的运动，减少行走时的代谢能消耗，具有结构简单、成本低、重量轻、穿戴舒适的特点。

Description

一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置

技术领域

本发明属于下肢助力外骨骼领域，更具体地，涉及一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置。

背景技术

传统的轮式车辆运载工具容易受到地形条件的限制，而人体下肢对复杂路面良好的适应能力使得其在这类场合中具有不可替代性。然而，人类的体力却无法和车辆的承载能力相比，由于肢体内部大量软组织的摩擦，以及足底滑动摩擦等耗散能的存在，肢体单位体重的代谢能利用率并不十分经济。同时，长时间行走所引起的肌肉疲劳、代谢能消耗等因素均使得人体的身体机能变弱。下肢外骨骼作为一款将人的智慧与机器的力量相结合的穿戴型机械装置，在增强人体运动能力、降低人体代谢能消耗方面具有潜在优势，因此，研发实用的机器人外骨骼装置，具有重要的科学意义和迫切的现实需求。

按照外部动力源的有无，下肢外骨骼可分为主动外骨骼和被动外骨骼。主动外骨骼通常包含动力源、驱动器、传感器、控制系统，通常利用外部能源代替肌肉做功来辅助或增强下肢运动功能。这类外骨骼多面向下肢功能不健全的康复训练患者亦或是需要实现在负重条件下轻松行走的士兵，多存在结构复杂、体积笨重、成本高等缺点，仅适用于康复医疗、单兵作战等特殊场合。而相比之下，被动外骨骼无需借助任何外部能源，仅利用人体行走过程中被动存储的弹性势能实现下肢运动辅助，通过合理布置和设计弹性元件来降低代谢能消耗，改善行走耐力，具有结构简单、重量轻、成本低的优点，因此更适合下肢功能健全的正常人日常生活使用，应用前景更为广阔。

目前，国内外已开发出部分下肢被动外骨骼装置，主要针对行走、跳跃、奔跑等运动模式下的多个关节或单个关节的运动辅助，然而能实现减少代谢能消耗的装置却寥寥无几。就单关节辅助而言，踝关节作为人体行走过程中做正功最多的远端关节，其在减少代谢能消耗上的显著优势已经得到了较为充分的利用，且已有相应踝关节被动外骨骼装置问世。相比之下，髋关节作为人体行走过程中的第二大正功关节，其做功仅稍次于踝关节，但在整个行走过程中也占据较大比重，且作为人体下肢的近端关节，设计合理的髋关节外骨骼装置更有望在不显著改变人体质心的条件下，降低行走的代谢能消耗。然而，目前的髋关节外骨骼均为主动外骨骼，其有源供电方式和较大的质量严重制约了其在降低代谢能消耗方面的潜在优势。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，以达到减少人体自然行走时代谢能消耗的目的，其结构简单、成本低、穿戴舒适且可以降低人体自然行走时的代谢能消耗。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，其特征在于，包括腰部弧形支撑组件、髋关节组件、大腿组件和弹性元件连接组件，其中

所述腰部弧形支撑组件包括围托和第一柔性绷带，所述第一柔性绷带的两端分别连接所述围托的两侧，用于与所述围托配合围住腰部以提供受力支撑；

所述髋关节组件具有两组并且它们左右对称设置，每组所述髋关节组件均包括髋关节内收外展连接件和髋关节屈曲伸展连接件，其中，所述髋关节内收外展连接件的上端固定连接在所述围托上，该髋关节内收外展连接件的下端通过第一铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件的上端，以便所述髋关节屈曲伸展连接件能沿身体冠状面左右摆动；

所述大腿组件设置有两组并且它们分别连接在一组所述髋关节组件上，每组所述大腿组件均包括大腿外侧连杆、大腿前环箍和大腿后环箍，其中，所述大腿外侧连杆的上端通过第二铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件的下端，以便所述大腿外侧连杆沿身体矢状面前后摆动，所述大腿前环箍的一端和大腿后环箍的一端分别通过销轴铰接在所述大腿外侧连杆的下端，并且它们的另一端通过第二柔性绷带连接在一起；

所述弹性元件连接组件设置有两组并且每组所述弹性元件连接组件分别连接一组所述腰部弧形支撑组件和一组所述大腿组件，每组所述弹性元件连接组件均包括L型悬臂、力臂、拉绳离合器、拉伸弹簧和柔性绳，其中，所述L型悬臂安装在所述围托上，所述力臂安装在所述L型悬臂上，所述拉绳离合器的上端连接在所述力臂上且该拉绳离合器的下端连接所述拉伸弹簧的上端，所述拉伸弹簧的下端连接所述柔性绳的上端，所述柔性绳的下端连接在所述大腿前环箍上。

优选地，所述围托包括左右对称的两个托体，并且这两个所述托体通过后侧水平长度调节杆连接，所述后侧水平长度调节杆上设置有多个按一定间距排列的调节孔，每个所述托体上也设置了螺纹孔，以便于后侧水平长度调节杆通过螺栓将两个托体连接在一起。

优选地，每个所述L型悬臂的一端分别连接在所述围托上而另一端通过前侧水平长度调节杆连接，并且所述前侧水平长度调节杆上设置有多个按一定间距排列的调节孔，每个所述L型悬臂上也设置了螺纹孔，以便于前侧水平长度调节杆通过螺栓将两个L型悬臂连接在一起。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明结合人体行走步态特点及髋关节做功特点，利用弹性元件高效的能量转化效率取代低能量转化效率的人体肌骨组织，通过随关节角度触发的拉绳离合器，使得拉伸弹簧在人体髋关节做负功时拉伸存储人体机械能、做正功时收缩释放该能量，最终实现对人体机械能的分时调控，辅助髋关节的运动，减少行走时的代谢能消耗，具有结构简单、成本低、重量轻、穿戴舒适的特点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中髋关节组件的分解示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1、图2，一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，包括腰部弧形支撑组件I、髋关节组件II、大腿组件III和弹性元件连接组件IV，其中

所述腰部弧形支撑组件I包括围托1和第一柔性绷带3，所述第一柔性绷带3的两端分别连接所述围托1的两侧，以用于与所述围托1配合围住腰部以提供受力支撑；

所述髋关节组件II具有两组并且它们左右对称设置，每组所述髋关节组件II均包括髋关节内收外展连接件4和髋关节屈曲伸展连接件5，其中，所述髋关节内收外展连接件4的上端固定连接在所述围托1上，该髋关节内收外展连接件4的下端通过第一铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件5的上端，以便所述髋关节屈曲伸展连接件5能沿身体冠状面左右摆动；

所述大腿组件III设置有两组并且它们分别连接在一组所述髋关节组件II上，每组所述大腿组件III均包括大腿外侧连杆6、大腿前环箍9和大腿后环箍10，其中，所述大腿外侧连杆6的上端通过第二铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件5的下端，以便所述大腿外侧连杆6沿身体矢状面前后摆动，所述大腿前环箍9的一端和大腿后环箍10的一端分别通过销轴7铰接在所述大腿外侧连杆6的下端，并且它们的另一端通过第二柔性绷带8连接在一起；

所述弹性元件连接组件IV设置有两组并且每组所述弹性元件连接组件分别连接一组所述腰部弧形支撑组件I和一组所述大腿组件III，每组弹性元件连接组件IV均包括L型悬臂15、力臂14、拉绳离合器13、拉伸弹簧12和柔性绳11，其中，所述L型悬臂15安装在所述围托1上，所述力臂14安装在所述L型悬臂15上，所述拉绳离合器13的上端连接在所述力臂14上且该拉绳离合器13的下端连接所述拉伸弹簧12的上端，所述拉伸弹簧12的下端连接所述柔性绳11的上端，所述柔性绳11的下端连接在所述大腿前环箍9上。

进一步，所述围托1包括左右对称的两个托体，并且这两个所述托体通过后侧水平长度调节杆2连接，所述后侧水平长度调节杆2上设置有多个按一定间距排列的调节孔，每个所述托体1上也设置了螺纹孔，以便于后侧水平长度调节杆2通过螺栓将两个托体1连接在一起。

进一步，每个所述L型悬臂15的一端分别连接在所述围托1上而另一端通过前侧水平长度调节杆16连接，并且所述前侧水平长度调节杆16上设置有多个按一定间距排列的调节孔，每个所述L型悬臂15上也设置了螺纹孔，以便于前侧水平长度调节杆16通过螺栓将两个L型悬臂15连接在一起。

进一步，本发明的拉绳离合器13为现有的比较常规的结构，其结构可以是在盒体内安装两个可以相对旋转的离合盘，每个离合盘上分别连接一根绳子，其中一根绳子连接在力臂14上，而另一根绳子连接拉伸弹簧12的上端，两个离合盘通过凸台和弧形槽配合实现离合控制，而其中一个离合盘可以固定在盒体上；或者，也可以采用在盒体内安装一根固定轴，固定轴上穿装涡卷弹簧，涡卷弹簧的一端连接在固定轴上而另一端安装绳子，绳子再连接拉伸弹簧12的一端。

本发明的围托1弧线与人体腰部弧线吻合，其上均匀分布有圆形透气孔便于散热且外表面上布置有加强筋，所述围托1背部挡板部分在受力时与人体背部紧密贴合，防止翻转，同时，两侧及后侧外表面上均设置有凸台平面，平面上钻有螺纹孔，用于固定髋关节内收外展连接件4、L型悬臂15以及后侧水平长度调节件2。所述后侧水平长度调节件2连接左、右两个围托1，其上分布有按一定间距排列的调节孔，通过螺钉固定在所述围托1后侧外表面凸台平面上，可根据不同穿戴者进行宽度调整。

本发明的髋关节内收外展连接件4与髋关节屈曲伸展连接件5分别形成内收外展自由度与屈曲伸展自由度，其中，屈曲伸展自由度轴线通过人体髋关节转动中心。所述髋关节内收外展连接件4上端通过螺钉固定在所述围托1侧边凸台平面上，所述髋关节内收外展连接件4下端设有圆柱形槽孔，内部安装有深沟球轴承41，所述深沟球轴承41外圈利用两圆柱形槽孔间凸台结构进行轴向定位，所述深沟球轴承41内圈利用套筒42进行轴向定位，所述髋关节屈曲伸展连接件5上端通过连接螺栓45与所述髋关节内收外展连接件4下端转动连接形成内收外展自由度，所述套筒42间隔所述髋关节内收外展连接件4与所述髋关节屈曲伸展连接件5以减小相对转动时的接触摩擦。所述髋关节屈曲伸展连接件5下端设有圆柱形槽孔，内部安装有深沟球轴承51，槽孔一侧U型槽中弹性挡圈52对所述深沟球轴承51外圈进行轴向定位，所述深沟球轴承51内圈利用套筒53进行轴向定位，大腿外侧连杆6通过连接螺栓56与所述髋关节屈曲伸展连接件5形成屈曲伸展自由度，套筒53间隔所述髋关节屈曲伸展连接件5与所述大腿外侧连杆6以减小相对转动时的接触摩擦。

本发明的大腿外侧连杆6在拉伸弹簧12拉长或收缩时替人体下肢分担沿腿方向的部分拉伸弹簧作用力，其上端有按一定间距排列的调节孔，便于根据穿戴者腿长进行长度调整。所述大腿前环箍9上设置有凸台结构，为柔性绳11提供连接附着点，所述大腿前环箍9、大腿后环箍10与所述大腿外侧连杆6末端通过销轴7转动连接以适应不同穿戴者腿围，所述大腿前环箍9、大腿后环箍10通过柔性绷带8与人体下肢相连，跟随人体运动。

本发明的L型悬臂15一端通过螺钉固定在所述围托1的侧边凹平面内，所述前侧水平长度调节件16连接所述L型悬臂15另一端，通过螺钉固定在所述L型悬臂15外侧，其上分布有按一定间距排列的调节孔，调节前后宽度保持一致。所述力臂14一端通过螺钉固定在所述L型悬臂15外侧平面凹槽内，其中心轴线位于人体髋关节矢状面内，保证拉伸弹簧12的作用力作用于矢状面内，所述拉绳离合器13通过挂钩悬挂于力臂14一端，在运动过程中可绕其转动，所述拉伸弹簧12通过开口挂钩与拉绳离合器13串连，所述柔性绳11连接拉伸弹簧12与大腿前环箍9。

在人体自然行走的一个步态周期内，髋关节角度变化带动拉绳离合器13转动或锁死，当拉绳离合器13转动时，此时柔性绳11长度变长，拉伸弹簧12不产生形变，无辅助效应；当拉绳离合器13锁死时，此时柔性绳11长度不变，拉伸弹簧12产生形变，辅助人体髋关节运动。根据髋关节角度变化规律及做功特点，该装置工作过程可分为四个阶段，下面以脚跟着地时为初始状态，详细说明各个阶段的工作过程。应注意，初始状态时髋关节处于最大屈曲角度，当髋关节由零度变为伸展角度时，髋关节做功由正功变为负功；当髋关节由最大伸展角度屈曲为零度时，髋关节做功由负功变为正功。

人体在穿戴上本装置后，本装置的工作情况如下：

第一阶段，髋关节做伸展运动从最大屈曲角度运动至零度，拉绳离合器13转动，柔性绳11处于松弛状态，拉伸弹簧12不产生形变，没有作用力，不辅助人体髋关节运动。

第二阶段，髋关节做伸展运动从零度运动至最大伸展角度，此阶段为髋关节的负功阶段，拉绳离合器13锁死，柔性绳11处于张紧状态带动拉伸弹簧12拉伸储能，拉伸弹簧12的拉力作用于大腿前环箍9上，其中，垂直腿方向的作用力绕人体髋关节形成与髋关节运动方向相反的髋屈力矩，辅助人体髋关节做负功。

第三阶段，髋关节做屈曲运动从最大伸展角度运动至零度，此阶段为髋关节的正功阶段，拉绳离合器13仍锁死，柔性绳11处于张紧状态，拉伸弹簧12收缩释能，形成与髋关节运动方向相同的髋屈力矩，辅助人体髋关节做正功。

第四阶段，髋关节做屈曲运动从零度运动至最大屈曲角度，柔性绳11由张紧变为松弛，没有作用力，不辅助人体髋关节运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，其特征在于，包括腰部弧形支撑组件、髋关节组件、大腿组件和弹性元件连接组件，其中

所述腰部弧形支撑组件包括围托和第一柔性绷带，所述第一柔性绷带的两端分别连接所述围托的两侧，用于与所述围托配合围住腰部以提供受力支撑；

所述髋关节组件具有两组并且它们左右对称设置，每组所述髋关节组件均包括髋关节内收外展连接件和髋关节屈曲伸展连接件，其中，所述髋关节内收外展连接件的上端固定连接在所述围托上，该髋关节内收外展连接件的下端通过第一铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件的上端，以便所述髋关节屈曲伸展连接件能沿身体冠状面左右摆动；

所述大腿组件设置有两组并且它们分别连接在一组所述髋关节组件上，每组所述大腿组件均包括大腿外侧连杆、大腿前环箍和大腿后环箍，其中，所述大腿外侧连杆的上端通过第二铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件的下端，以便所述大腿外侧连杆沿身体矢状面前后摆动，所述大腿前环箍的一端和大腿后环箍的一端分别通过销轴铰接在所述大腿外侧连杆的下端，并且它们的另一端通过第二柔性绷带连接在一起；

所述弹性元件连接组件设置有两组并且两组所述弹性元件连接组件的一端分别连接于所述腰部弧形支撑组件，另一端分别连接一组所述大腿组件，每组所述弹性元件连接组件均包括L型悬臂、力臂、拉绳离合器、拉伸弹簧和柔性绳，其中，所述L型悬臂安装在所述围托上，所述力臂安装在所述L型悬臂上，所述拉绳离合器的上端连接在所述力臂上且该拉绳离合器的下端连接所述拉伸弹簧的上端，所述拉伸弹簧的下端连接所述柔性绳的上端，所述柔性绳的下端连接在所述大腿前环箍上。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，其特征在于，所述围托包括左右对称的两个托体，并且这两个所述托体通过后侧水平长度调节杆连接，所述后侧水平长度调节杆上设置有多个按一定间距排列的调节孔，每个所述托体上也设置了螺纹孔，以便于后侧水平长度调节杆通过螺栓将两个托体连接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，其特征在于，每个所述L型悬臂的一端分别连接在所述围托上而另一端通过前侧水平长度调节杆连接，并且所述前侧水平长度调节杆上设置有多个按一定间距排列的调节孔，每个所述L型悬臂上也设置了螺纹孔，以便于前侧水平长度调节杆通过螺栓将两个L型悬臂连接在一起。