CN108161981B - 一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置 - Google Patents

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Abstract

一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置，包括：关节座、关节摆架、支撑缸、支撑杆以及弹簧。当人体上半身向前倾斜，穿戴外骨骼一侧的脚底还没有脱离地面的情况下，形成大腿后摆的状态，此时腰部向前移动，而小腿与支撑杆下端处于滞后的位置状态，在此状态形成的过程中，关节摆架围绕轴承Ⅱ向后摆动，因轴承Ⅱ与轴承Ⅰ偏心设置，支撑缸上端与轴承Ⅰ接触部位与轴承Ⅱ轴心的间距逐渐增大，此时支撑缸在内孔Ⅰ中向下滑动，弹簧受到压缩，实现滑蓄能，同时在以上过程中，储液腔中的液压油通过进油孔进入压力腔，进一步推动支撑杆向下移动至最低点，因支撑杆下端固定绑扎于小腿部位，所以形成支撑杆的反作用力向上推动轴承Ⅰ及关节座，减轻对膝关节的压力。

Description

一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置
技术领域
本发明涉及外骨骼技术领域，具体涉及一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置。
背景技术
目前的人体外骨骼装置所用关节主要为轴承类，不具备储能及伸缩功能，多为外接动力驱动，需要电机、电池、芯片等装置，成本比较高，需要定期更换电池或充电，不利于推广普及使用。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种依靠人体自身重力蓄能，且能给相连的部件提供伸张支撑力的外骨骼用蓄能伸缩关节装置。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置，包括：
关节座，通过腰部固定装置固定于使用者腰部，所述关节座上安装有轴承Ⅰ，所述关节座上向外水平延伸设置有中轴，所述中轴的轴线与轴承Ⅰ的轴线相平行，中轴的轴线位于轴承Ⅰ的轴线的上方形成偏心结构；
关节摆架，其上端通过轴承Ⅱ转动安装于中轴上，关节摆架下端内部沿长度方向设置有内孔Ⅰ；
支撑缸，其同轴滑动插装于关节摆架的内孔Ⅰ中，支撑缸顶端封闭，内部具有内孔Ⅱ，所述支撑缸的外壁与内孔Ⅰ的内壁之间形成环形密闭的用于存储液压油的储液腔；
支撑杆，其同轴滑动插装于支撑缸的内孔Ⅱ中，支撑杆通过小腿固定装置固定于使用者的小腿部位，所述支撑杆的上端与内孔Ⅱ的顶部形成密闭的压力腔，所述支撑缸的上端设置有若干进油孔，所述进油孔外侧端与储液腔相连，其内侧端与压力腔相连；以及
弹簧，其位于内孔Ⅰ中且套装于支撑缸外，弹簧推动支撑缸的顶端与轴承Ⅰ的外圈相滑动接触；
当使用者处于站立状态时，轴承Ⅱ的轴心距离支撑缸与轴承Ⅰ接触部位的间距小于轴承Ⅰ相对于轴承Ⅱ的最大偏心距。
为了实现对弹簧辅助弹力的调节，还包括通过螺纹旋合于关节摆架下端的内孔Ⅰ中的调节螺套，所述弹簧的下端与调节螺套的头端相接触，弹簧的上端与支撑缸相连接。
为了使运动顺滑，防止磨损，上述支撑缸的头端与轴承Ⅰ外圈滑动接触部位设置有球头。
为了提高密封性，上述支撑缸与内孔Ⅰ内壁之间设置有密封圈Ⅰ。
为了提高密封性，上述支撑杆与内孔Ⅱ内壁之间设置有密封圈Ⅱ。
为了提高横向支撑，还包括安装于关节摆架与关节座之间的推力轴承。
为了提高密封性，上述调节螺套与内孔Ⅰ内壁之间设置有密封圈Ⅲ，调节螺套与支撑缸外壁之间设置有密封圈Ⅳ。
本发明的有益效果是：当人体上半身向前倾斜，穿戴外骨骼一侧的脚底还没有脱离地面的情况下，形成大腿后摆的状态，此时腰部向前移动，而小腿与支撑杆下端处于滞后的位置状态，在此状态形成的过程中，关节摆架围绕轴承Ⅱ向后摆动，因轴承Ⅱ与轴承Ⅰ偏心设置，支撑缸上端与轴承Ⅰ接触部位与轴承Ⅱ轴心的间距逐渐增大，此时支撑缸在内孔Ⅰ中向下滑动，弹簧受到压缩，实现滑蓄能，同时在以上过程中，储液腔中的液压油通过进油孔进入压力腔，进一步推动支撑杆向下移动至最低点，因支撑杆下端固定绑扎于小腿部位，所以形成支撑杆的反作用力向上推动轴承Ⅰ及关节座，减轻人体重力对膝关节的压力。同时由于内孔Ⅰ的内径大于内孔Ⅱ的内径，因此油液进入压力腔中后可以放大支撑缸的行程，支撑杆下移过程中不但具有偏心量的位移，还具有液压油的增程，因此可以满足使用者腿部伸缩的要求。当使用者上半身进行前移或前倾的动作，运用了部分自身的重力做功，部分重力所做的功转换为弹簧储蓄的能量，在此情况下进一步行走抬大腿时，小腿抬起时，关节摆架围绕轴承Ⅱ的轴心向前回转，此时偏心距减少，弹簧由压缩恢复到伸张，释放所储蓄的能量，推动支撑缸上移，所释放能量帮助实现大腿的抬腿动作，减少了抬腿所需的体力消耗。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的侧视剖面结构示意图；
图中，1.轴承Ⅰ2.关节摆架 3.支撑缸 4.调节螺套 5.球头 6.储液腔 7.进油孔8.支撑杆 9.压力腔 10.弹簧 11.密封圈Ⅰ12.密封圈Ⅱ13.密封圈Ⅲ14.密封圈Ⅳ15.关节座 16.推力轴承 17.中轴 18.轴承Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。
一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置，包括：关节座15，通过腰部固定装置固定于使用者腰部，关节座15上安装有轴承Ⅰ1，关节座15上向外水平延伸设置有中轴17，中轴17的轴线与轴承Ⅰ1的轴线相平行，中轴17的轴线位于轴承Ⅰ1的轴线的上方形成偏心结构；关节摆架2，其上端通过轴承Ⅱ18转动安装于中轴17上，关节摆架2下端内部沿长度方向设置有内孔Ⅰ；支撑缸3，其同轴滑动插装于关节摆架2的内孔Ⅰ中，支撑缸3顶端封闭，内部具有内孔Ⅱ，支撑缸3的外壁与内孔Ⅰ的内壁之间形成环形密闭的用于存储液压油的储液腔6；支撑杆8，其同轴滑动插装于支撑缸3的内孔Ⅱ中，支撑杆8通过小腿固定装置固定于使用者的小腿部位，支撑杆8的上端与内孔Ⅱ的顶部形成密闭的压力腔9，支撑缸3的上端设置有若干进油孔7，进油孔7外侧端与储液腔6相连，其内侧端与压力腔9相连；以及弹簧10，其位于内孔Ⅰ中且套装于支撑缸3外，弹簧10推动支撑缸3的顶端与轴承Ⅰ1的外圈相滑动接触；当使用者处于站立状态时，轴承Ⅱ18的轴心距离支撑缸3与轴承Ⅰ1接触部位的间距小于轴承Ⅰ1相对于轴承Ⅱ18的最大偏心距。在行走过程中，当人体上半身向前倾斜，穿戴外骨骼一侧的脚底还没有脱离地面的情况下，形成大腿后摆的状态，此时腰部向前移动，而小腿与支撑杆下端处于滞后的位置状态，在此状态形成的过程中，关节摆架2围绕轴承Ⅱ18向后摆动，因轴承Ⅱ18与轴承Ⅰ1偏心设置，支撑缸3上端与轴承Ⅰ1接触部位与轴承Ⅱ18轴心的间距逐渐增大，此时支撑缸3在内孔Ⅰ中向下滑动，弹簧10受到压缩，实现蓄能，同时在以上过程中，储液腔6中的液压油通过进油孔7进入压力腔9，进一步推动支撑杆8向下移动至最低点，因支撑杆8下端固定绑扎于小腿部位，所以形成支撑杆8的反作用力向上推动轴承Ⅰ1及关节座15，减轻人体重力对膝关节的压力。同时由于内孔Ⅰ的内径大于内孔Ⅱ的内径，因此油液进入压力腔9中后可以放大支撑缸3的行程，支撑杆8下移过程中不但具有偏心量的位移，还具有液压油的增程，因此可以满足使用者腿部伸缩的要求。当使用者上半身进行前移或前倾的动作，运用了部分自身的重力做功，部分重力所做的功转换为弹簧10储蓄的能量，在此情况下进一步行走抬大腿时，小腿抬起时，关节摆架2围绕轴承Ⅱ18的轴心向前回转，此时偏心距减少，弹簧由压缩恢复到伸张，释放所储蓄的能量，推动支撑缸3上移，所释放能量帮助实现大腿的抬腿动作，减少了抬腿所需的体力消耗，以上过程实现了人体在行走过程中，运用部分重力做功辅助行走的效应对人体行走起到助力作用，同时减轻了膝盖的承重负荷，特别是给腿部有残疾的人及老年人提供一定有益的行走帮助。外骨骼用蓄能伸缩关节装置也可以作为关节安装于外骨骼膝关节部位，起到助力及支撑有益效果。
还可以包括通过螺纹旋合于关节摆架2下端的内孔Ⅰ中的调节螺套4，弹簧10的下端与调节螺套4的头端相接触，弹簧10的上端与支撑缸3相连接。通过旋转调节螺套4可以使其调整在内孔Ⅰ中的长度，从而使弹簧10的压缩量可以得到调整，从而实现了弹簧10辅助抬腿时的辅助力可调。
优选的，支撑缸3的头端与轴承Ⅰ1外圈滑动接触部位设置有球头5。关节摆架2摆动时，球头5与轴承Ⅰ1外表面接触，理论上形成点接触，从而有效降低摩擦力，不但提高了运行的平顺性，同时提高了使用寿命。还可以包括安装于关节摆架2与关节座15之间的推力轴承16。推力轴承16可以承受关节摆架2摆动时其沿中轴17轴线方向对关节座15产生的轴向力，从而配合轴承Ⅱ18使用，使得关节座15可以承受轴向力和径向力，提高使用寿命。
进一步的，支撑缸3与内孔Ⅰ内壁之间设置有密封圈Ⅰ11，密封圈Ⅰ11提高支撑缸3在内孔Ⅰ中滑动时的密封性，防止油液泄露。支撑杆8与内孔Ⅱ内壁之间设置有密封圈Ⅱ12，密封圈Ⅱ12提高支撑杆8沿内孔内孔Ⅱ滑动时的密封性，防止油液泄露。调节螺套4与内孔Ⅰ内壁之间设置有密封圈Ⅲ13，调节螺套4与支撑缸3外壁之间设置有密封圈Ⅳ14。密封圈Ⅲ13防止油液从内孔Ⅰ与调节螺套4之间泄露，密封圈Ⅳ14防止油液从支撑缸3与调节螺套4之间泄露。

Claims (7)

1.一种外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于，包括：
关节座（15），通过腰部固定装置固定于使用者腰部，所述关节座（15）上安装有轴承Ⅰ（1），所述关节座（15）上向外水平延伸设置有中轴（17），所述中轴（17）的轴线与轴承Ⅰ（1）的轴线相平行，中轴（17）的轴线位于轴承Ⅰ（1）的轴线的上方形成偏心结构；
关节摆架（2），其上端通过轴承Ⅱ（18）转动安装于中轴（17）上，关节摆架（2）下端内部沿长度方向设置有内孔Ⅰ；
支撑缸（3），其同轴滑动插装于关节摆架（2）的内孔Ⅰ中，支撑缸（3）顶端封闭，内部具有内孔Ⅱ，所述支撑缸（3）的外壁与内孔Ⅰ的内壁之间形成环形密闭的用于存储液压油的储液腔（6）；
支撑杆（8），其同轴滑动插装于支撑缸（3）的内孔Ⅱ中，支撑杆（8）通过小腿固定装置固定于使用者的小腿部位，所述支撑杆（8）的上端与内孔Ⅱ的顶部形成密闭的压力腔（9），所述支撑缸（3）的上端设置有若干进油孔（7），所述进油孔（7）外侧端与储液腔（6）相连，其内侧端与压力腔（9）相连；以及
弹簧（10），其位于内孔Ⅰ中且套装于支撑缸（3）外，弹簧（10）推动支撑缸（3）的顶端与轴承Ⅰ（1）的外圈相滑动接触；
当使用者处于站立状态时，轴承Ⅱ（18）的轴心距离支撑缸（3）与轴承Ⅰ（1）接触部位的间距小于轴承Ⅰ（1）相对于轴承Ⅱ（18）的最大偏心距。
2.根据权利要求1所述的外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于：还包括通过螺纹旋合于关节摆架（2）下端的内孔Ⅰ中的调节螺套（4），所述弹簧（10）的下端与调节螺套（4）的头端相接触，弹簧（10）的上端与支撑缸（3）相连接。
3.根据权利要求1所述的外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于：所述支撑缸（3）的头端与轴承Ⅰ（1）外圈滑动接触部位设置有球头（5）。
4.根据权利要求1所述的外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于：所述支撑缸（3）与内孔Ⅰ内壁之间设置有密封圈Ⅰ（11）。
5.根据权利要求1所述的外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于：所述支撑杆（8）与内孔Ⅱ内壁之间设置有密封圈Ⅱ（12）。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于：还包括安装于关节摆架（2）与关节座（15）之间的推力轴承（16）。
7.根据权利要求2所述的外骨骼用蓄能伸缩关节装置，其特征在于：所述调节螺套（4）与内孔Ⅰ内壁之间设置有密封圈Ⅲ（13），调节螺套（4）与支撑缸（3）外壁之间设置有密封圈Ⅳ（14）。
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