CN110202542A - 一种外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼，其包括可进行单自由度/三自由度旋转，并能够承重的快拆关节，从而可将各个部分进行模块化，也实现各个模块对接接口标准化。本发明能适应不同髋部体型的穿戴者，能单独及同时将背负式负载和前负负载的重量传递给下肢支撑机构结构，提高负重效率，减少背部、手部、踝关节损伤。

Description

一种外骨骼

技术领域

本发明涉及外骨骼负载助力系统，具体地讲，是涉及一种可用于辅助搬运的可穿戴 式的外骨骼。

背景技术

虽然当今物流运输、物资搬运等可以通过陆海空多种途径进行，然而人力搬运始终 是一种重要且难以替代的搬运方式。例如地质灾害救援时，最急需物质运输时却因为道路损毁，只能靠人力搬运物资。

而人体受到自身生理结构的限制，长时间搬运物资的能力通常难以超过20kg。若采 用背包或背架等负重装置，则长时间负重能力可以提升至30～50kg。但因为背包和背架仍然要依靠人体肩部和背部承受负重重力，并通过人体下肢骨骼肌进行支撑，因此背包 和背架的辅助负重能力有限。

此外，人体还经常采用胸前抱、肩部扛、手部提等方式搬运货物。这些方式搬运重物时，通常不是因为运动过量导致其搬运疲劳，而是因为肩部、手臂、手指等部位长时 间受到局部重压，使局部肢体感觉严重不适，进而达到搬运疲劳极限。例如，手提10kg 重的朔料袋，搬运数分钟不到，提拉袋体的手指就会因为受到严重的勒拉而导致局部缺 血，需要换手或休息才能继续搬运。此外，因为物品不适宜抱、抬、拿等，导致人体上 肢需要额外使出较大的持续力才能将物体抬离地面进行搬运，也是导致搬运效率低下的 重要原因。例如，当人体前抱搬运较重的箱体时，手指受到局部压力会表现出明显的缺 血现象，同时由于手指要一直保持弯曲状态才能抵住箱体下滑，因此小臂肌肉在持续用 劲使手指保持弯曲状态，进而造成搬运较重箱体片刻后立刻感觉到小臂酸痛。

外骨骼装置是一种穿戴在人体外部的机械装置，该装置可以顺应人体肢体运动，辅 助人体承受负重或人体自身体重，并通过其机械结构将负重或人体的重力高效传至地面，甚至辅助人体肢体进行运动，因此它在灾难救援、单兵负重、消防抢险、户外徒步、 物流运输等领域都有较强的应用前景。现今已有多种外骨骼用于辅助人体负重，但它们 大多都采用背部背负的方式搬运物资，个别外骨骼可以采用前置搬运的方式，却难以和 背部背负协同进行，并且尚没有外骨骼可以采用肩扛的方式搬运物资，同时以背负的方 式搬运物质时通常是采用特制的背包装载物资，没有一种能够搬运各种类型、大小的物 资(水罐、米袋、油桶、背包等)，乃至伤员的多功能背负平台，且使用中通常在装载 和卸下货物时需要额外的操作者帮助。

此外，在人体负重行走过程中，穿戴者重心上下移动和地面的高低起伏使外骨骼受 到较大的冲击载荷，而现有的外骨骼技术大多未考虑负重行走时的缓冲功能，个别外骨骼技术在足底或脚踝处加入了缓冲机构，要么使足底装置过于笨重，要么缓冲程度非常 有限，而膝关节、髋关节，乃至腰部都未有考虑缓冲装置。

因此，研究一种能适用多种应用场合，提升穿戴人员的负重效率、减少重物冲击、适应不同身体结构人员穿戴的穿戴式辅助搬运装置意义重大。最接近的现有技术为一种外骨骼辅助支撑装置，通过连接组件将重物的压力通过负重平台传递给外骨骼机构，减 轻背负者的肩部和背部的承重力，或者辅助穿戴者搬运胸前负重，提高承重效率。然而， 现有外骨骼所涉及的负重平台大多只能背负特定大小与形状的物资，不能适应长度和形 状不一的重物，特别是大型货物的搬运(如冰箱、电视、洗衣机等)。同时该装置不能 辅助手抬及肩扛等多种负重与搬运任务(如挑担子、抬担架、搬家具等)，应用范围受 限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种外骨骼，能够适应人体背部的运动。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种外骨骼，包括背负助力机构，所述背负助力机构包括脊椎运动适应机构，用于当所述背负助力机构背负负载或者人体脊椎向前、后、左或右弯曲运动时，适应人体背 部的运动。

其中，所述脊椎运动适应机构为一柔性主体，所述柔性主体上沿长度方向自上而下 均匀设置有多组脊椎运动适应结构，用于当人体向前、后、左或右弯曲运动时，为所述柔性主体提供相应方向的变形空间。

其中，所述脊椎运动适应机构为一弹性背板，且所述弹性背板上远离人体的一侧均 匀间隔设置有多个凸起；或者所述脊椎运动适应机构为多条弹性条状体层叠而成；或者， 所述脊椎运动适应机构为仿生脊椎。

其中，每组脊椎运动适应结构包括自上而下依次交错排列的左倾切槽、后倾切槽、右倾切槽和前倾切槽。

本发明的第二方面，还提供了一种外骨骼，其实现对背负式负重和前抬式负重的单独或协同助力，同时拓宽了负重类型、减少重力对身体冲击。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种外骨骼，其包括力平衡背负机构，用于背负负载和前负负载，所述力平衡背负机构包括通过力传输机构相连的背负助力机构和前负助力机构，其中，所述前负助力机 构通过所述力传输机构将前负负载的重量传递至所述背负助力机构。

其中，所述力传输机构包括左、右两个力传输件和左、右两个具有自锁机构的收缩装置，其中，左、右两个所述力传输件的一端各自分别绕设在左、右两个所述收缩装置 内，且当解锁所述收缩装置内的自锁机构时，所述收缩装置释放缠绕在所述收缩装置内 的力传输件；而

当左、右两个所述力传输件的另一端分别与所述前负助力机构的左、右两侧固定连 接时，左、右两个所述收缩装置则分别固定在所述背负助力机构的左、右两侧；或者， 当左、右两个所述力传输件的另一端分别与所述背负助力机构的左、右两侧固定连接时， 左、右两个所述收缩装置分别固定在所述前负助力机构左、右两侧。

本发明的第三方面，还提供了一种外骨骼，其能够实现外骨骼中各个部件的快拆，从而使得该外骨骼不仅便于收纳，也实现了外骨骼的模块化，进而便于穿戴者进行快速 穿戴。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种外骨骼，其包括可进行单自由度/三自由度旋转，并能够承重的快拆关节，用于将所述外骨骼的各个部分模块化，从而便于拆装、收纳和穿戴。

其中，所述快拆关节为单轴机构。

进一步地，所述快拆关节内设置有阻尼机构，用于吸收所述快拆关节运动过程中的 振动，从而避免所述快拆关节运动过程中较大的冲击力。

更进一步地，所述阻尼机构内设置有预紧力调节机构，用于调节所述阻尼机构的预 紧力。

进一步地，所述快拆关节内设置有回弹机构，用于向所述快拆关节提供恢复力。

更进一步地，所述回弹机构为双向回弹机构。

本发明的第四方面，还提供了一种外骨骼，其能够减小穿戴者运动或者搬运过程中所产生的冲击，从而保护各个关节。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种外骨骼，其包括缓冲装置，用于与所述外骨骼的各个关节配合实现所述外骨骼 各个关节的多自由度运动，同时吸收所述外骨骼负重/运动时各个关节受到的冲击/振动。

其中，所述缓冲装置为可沿轴向压缩或回复运动的多孔弹性结构直线缓冲器。

综上所述，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术效果：

1.采用脊椎运动适应机构，让外骨骼更贴合人体背部，让穿戴外骨骼变得更加舒适。

2.采用力平衡背负机构，让背负式负重和前抬式负重更加协调和平衡。

3.在外骨骼的连接部位采用快拆关节，让穿戴和脱下外骨骼变得更加便捷

4.在外骨骼的各个关节采用缓冲装置，减小了外骨骼穿戴者运动或者搬运过程中所 收到的冲击，从而保护了各个关节。

5.可以实现多功能搬运：穿戴者能实现背负式、肩扛式、手抬式等多种负重的被动式辅助支撑，以及多人协同搬运大型、重型货物，使得背负人员者能承担更重的重物及 不同的负重任务(如：单兵负重、消防、担架、背负伤员等)，使得负重的应用范围更 广。并且，通过快拆关节使得外骨骼各个部件模块化，使得背负式、肩扛式、手抬式等 负重任务可协同进行(例如，多人协同搬运长度较长的重担、重管)也可独立进行，不 相互干涉，提高负重的效率。如在背负救灾装备的同时还可以辅助手抬、肩扛担架等任 务。

附图说明

图1a和图1b分别为本发明的一种外骨骼的两实施例的结构示意图；

图2a和图2b分别为本发明的一种外骨骼中背负助力机构中脊椎运动适应机构的两 个实施例的结构示意图；

图3a和图3b分别为反映本发明的一种外骨骼的柔性主体的结构示意图；

图3c和图3d分别为反映本发明的一种外骨骼的承重台与柔性主体相贴合状态和垂 直竖直平面状态的示意图；’

图4a和图4b分别为反映本发明的一种外骨骼中支撑机构的两个实施例的结构示意 图；

图5a为反映本发明的一种外骨骼的肩部支撑部件的一实施例的结构示意图；

图5b为反映图5a中肩部支撑件铰接在脊椎运动适应结构上的示意图；

图6a、图6b、图6c分别为反映本发明的一种外骨骼的前负助力机构中接触器的三个实施例的结构示意图；

图6d和图6e分别为反映图6c中接触器的不同状态的结构示意图；

图7a为反映本发明的一种外骨骼的收缩装置的爆炸图；

图7b和图7c分别为反映本发明的一种外骨骼的收缩装置作为接触器的示意图和爆 炸图；

图8a、图8b、图8c和图8d分别为本发明的一种外骨骼中的刚性调节机构的示意图；

图9为本发明的一种外骨骼的快拆关节的一实施例的结构示意图；

图10a为反映图9的快拆关节内部结构的示意图；

图10b和图10c均为图9中的快拆关节的爆炸图；

图11a为本发明的一种外骨骼的快拆关节的又一实施例中的方榫快拆连接头的结构 示意图；

图11b为反映图11a中的方榫快拆连接头与方榫快拆端头构成的方榫快拆关节的结 构示意图；

图11c和图11d均为图11b反映的方榫快拆连接头与方榫快拆端头构成的方榫快拆关节的爆炸图；

图12a为本发明的一种外骨骼的快拆关节的再一实施例的结构示意图；

图12b为反映图12a内部结构示意图；

图12c为图12a的快拆关节的爆炸图；

图13a和图13b为反映图12c中的阻尼机构的一实施例的爆炸图；

图13c为反映图13a或图13b中阻尼机构内部的阻尼液的流向示意图；

图14a和图14b为反映图12c中的双向回弹机构的一实施例的爆炸图；

图14c为反映图14a和图14b中双向回弹机构各个部件相配合的示意图；

图15为本发明的一种外骨骼中的缓冲装置的第一实施例的结构示意图；

图16a和图16b分别为图15中的缓冲装置应用于外骨骼的踝关节与足底支撑板之间、外骨骼的髋关节与大腿之间的结构示意图；

图17a为本发明的一种外骨骼的缓冲装置的第二实施例结构示意图；

图17b为图17a中的缓冲装置的爆炸图；

图18a为本发明的一种外骨骼的缓冲装置的第三实施例的爆炸图；

图18b为图18a中的缓冲装置应用于膝关节与小腿之间的结构示意图；

图19为本发明的一种外骨骼的缓冲装置的第四实施例的结构示意图；

图20a和图20b为图1a中外骨骼的髋部机构的一实施例的结构示意图和爆炸图。

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，下面结合附图和实施例对本 发明作进一步说明，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。

名词释义

快拆关节：本文中的快拆关节是指为了实现外骨骼的各个部分的模块化，能够实现 外骨骼各个关节或者各个相连的部件之间的快速拆卸的部位。例如髋关节、膝关节、踝关节，或者背负助力机构中脊椎运动适应机构与髋部机构之间的连接部分，或者脊椎运 动适应机构与肩部支撑机构之间的连接部位等均可被设置成快速拆卸。

实施例一

通常，当穿戴者穿戴外骨骼进行负载或者运动时，穿戴者的背部通常会弯曲，例如， 当穿戴者背负负载或者前负负载时，背部通常都是向前弯曲。因此，为了适应穿戴者背部的弯曲，增加穿戴者背部的舒适度，本发明提供了一种外骨骼，参见图1a和图1b， 本发明的外骨骼包括背负助力机构1，且该背负助力机构1包括脊椎运动适应机构10， 用于当该背负助力机构1背负负载或者穿戴者背部向前、后、左或右弯曲运动时，适应 穿戴者背部的运动。

在一具体实施例中，该背负助力机构1的脊椎运动适应机构10为一柔性主体101，且该柔性主体101上沿长度方向自上而下均匀设置有多组脊椎运动适应结构(也可以不 均匀设置)，用于为穿戴者向前、后、左或右弯曲运动时，为该柔性主体101提供相应 方向的变形空间。具体地，参见图2a和图2b(即图1中的脊椎运动适应机构10的后视 图和左视图)，该每组脊椎运动适应结构包括自上而下依次交错排列的左倾切槽1011、 后倾切槽1012、右倾切槽1013和前倾切槽1014。由于设置有右倾切槽1013，因此，当 穿戴者背部向右倾或向右弯曲(即向图2a中R侧倾斜或弯曲)时，该右倾切槽1013的 槽间隙会随着穿戴者背部右倾角度的增大而扩大，从而使得该柔性主体101随者穿戴者 的背部向右倾/弯曲；同理，当穿戴者背部向左倾或向左弯曲(即向图2a中L侧倾斜或 弯曲)时，该左倾切槽1011的槽间隙会随着穿戴者背部左倾角度的增大而扩大，从而 使得该柔性主体101随者穿戴者的背部向左倾/弯曲；同理，当穿戴者背部向前倾或向 前弯曲(即向图2b中FR侧倾斜或弯曲)时，该前倾切槽1014的槽间隙会随着穿戴者 背部前倾角度的增大而扩大，从而使得该柔性主体101随者穿戴者的背部向前倾/弯曲； 同理，穿戴者背部向后倾或向后弯曲(即向图2b中BE侧倾斜或弯曲)时，该后倾切槽 1012的槽间隙会随着穿戴者背部后倾角度的增大而扩大，从而使得该柔性主体101随者 穿戴者的背部向后倾/弯曲。即本实施例中，通过设置左倾切槽1011、后倾切槽1012、 右倾切槽1013和前倾切槽1014为柔性主体101提供了相应的变形空间，使得该柔性主 体101能够跟随穿戴者背部的弯曲而弯曲，提高了穿戴者背部的舒适度和贴合性。

进一步地，穿戴者背部的运动除了向前、后、左或右弯曲运动，还可能在水平面进行旋转，例如穿戴者背部逆时针或者顺时针旋转，使得穿戴者面部转到背后，因此，为 了适应穿戴者背部的旋转运动，本实施例还在该柔性主体101的底部开设了旋转适应结 构，使得该柔性主体101在水平面可随穿戴者背部旋转而旋转变形。在一具体实施例中， 参见图2a和图2b，该旋转适应结构为在该柔性主体101底部开设的旋转切槽1015。当 然，该旋转适应结构还可采用扭簧，即在该柔性主体101的底部设置成扭簧的形状，或 者直接在该底部连接一个扭簧。

然而，当背负助力机构背负较大的负载时，过于柔软的柔性脊椎很可能由于负载的 重力与柔性脊椎的竖直方向存在偏差，进而对柔性脊椎产生弯曲力矩，而此时的背负助力机构中的脊椎运动适应机构恰恰应该让穿戴者挺直背部，而不是弯腰或者弓背，从而 避免重物负载对穿戴者脊椎的损伤。

有鉴于此，进一步地，本实施例还在该柔性主体101上设置有刚性调节机构，用于调节该柔性主体的刚性，进而避免重物负载对穿戴者脊椎的损伤。在一具体实施例中， 参见图3a和图3b，该刚性调节机构包括设置在柔性主体101内的左右两根拉线1031， 相应地，该柔性主体101的左右两侧均沿长度方向并列设置有第一拉线通道1016和第 二拉线通道1017，其中，位于右侧的拉线1031的固定端固定在右侧的第一拉线通道1016 底部，该右侧的拉线1031的自由端则穿入该右侧的第一拉线通道1016，并从该右侧的 第一拉线通道1016顶部穿出，然后绕过设置在右侧的第一拉线通道和第二拉线通道顶 部之间的滑轮1018，再从右侧的该第二拉线通道1017顶部穿入，最后从右侧的该第二 拉线通道1017的底部穿出；同理，位于左侧的拉线1031的固定端固定在左侧的第一拉 线通道1016底部，该左侧的拉线1031的自由端则穿入该左侧的第一拉线通道1016，并 从该左侧的第一拉线通道1016顶部穿出，然后绕过设置在左侧的第一拉线通道1016和 第二拉线通道1017顶部之间的滑轮1018，再从左侧的该第二拉线通道1017顶部穿入， 最后从左侧的该第二拉线通道1017的底部穿出。即该左右两侧的拉线1031分别依次穿 过相应侧的第一拉线通道1016和第二拉线通道1017，并由相应侧的第二拉线通道1017 底部穿出，从而使得当同时向下拉动左右两根拉线1031的自由端时，该两个拉线1031 产生的拉力将压缩各组脊椎运动适应结构，从而提高了柔性主体101的刚性。

更进一步地，为了起到缓冲的作用，本实施例中还在该拉线1031的固定端固定有弹性部件1032(具体地，该弹性部件1032为弹簧，相应地，在该拉线1031的固定端连 接有头盖1033，从而将该头盖1033固定在该弹簧的一端，而拉线1031的自由端则穿过 该弹簧并进入第一拉线通道1016内)，从而当向下拉动拉线1031时，该拉线1031首先 压缩弹性部件1032，该弹性部件1032再反作用力于该柔性主体101上以压缩各组脊椎 运动适应结构，直至该弹性部件的反作用力与该拉线1031的拉力达到力平衡。

当然，本实施例中，该脊椎运动适应机构10也可不采用柔性主体，而是采用具有一定弯曲弹性材料制成的弹性背板102，参见图1b和图4a，且该弹性背板102能够随 穿戴者背部弯曲而弯曲，并能够给予穿戴者背部反作用力(当然该弹性背板也就无需刚 性调节机构)。进一步地，当穿戴者背负重物时，为了防止弹性背板102向远离穿戴者 背部方向弯曲(即避免穿戴者背部朝背后弯曲)，因此，还可在该弹性背板102远离穿 戴者背部的一侧均匀间隔设置多个凸台1021(具体地，该凸台可呈水平条形状)，且相 邻的凸起间有微量宽度的缝隙，从而使弹性背板102很容易向靠近人体背部方向弯曲(即 人体弓背运动)。

实施例二

通常，当穿戴者背负负载较重时，由穿戴者手动下拉拉线来调节柔性主体101的刚性是不够理想的，因此，本发明提出了另一种外骨骼，其包括上述实施例一中的各个部 件，且相同的部件采用相同的附图标记，这里不再赘述。然而，不同的是，本实施例 中，通过将外骨骼中背负助力机构1中的背负承重机构11与上述实施例一中的刚性调 节机构相关联，从而将该背负承重机构11所背负负载的重量传递至该刚性调节机构， 进而利用该负载重量对脊椎运动适应结构进行压缩，以达到调节柔性主体101刚性至理 想状态的目的，同时，给予该背负承重机构11以支撑力。

在一具体实施例中，参见图3a，该背负承重机构11包括固定座111，以及铰接在 该固定座111上的承重台112，其中，该固定座111以可相对于该柔性主体101上下滑 动的方式设置在该柔性主体101底部(如将该固定座111直接套设在该柔性主体101的 底部，如图3a)，且该固定座111左右两侧分别与左右两侧的拉线1031的自由端以可拆 卸的方式固定连接，具体地，通过该自由端设置一个球体，在固定座对应于第二拉线通 道底部的位置设置一个用于容纳该球体的凹槽，从而通过该球体与该凹槽的配合实现拉 线自由端的定位。

当初始状态时，该承重台112与该固定座111相贴合，即当不需要在承重台112上搁置重物时，由于该承重台112铰接在该固定座111上，因此，可将该承重台112向上 翻转，使其贴合固定座111，参见图3c，从而实现承重台112的折叠收回，减小背装置 体积；同理，参见图3d，当将该承重台112转动至与该固定座111远离背部/臀部一侧 呈45°-90°时，该承重台112与该固定座111远离背部/臀部的一侧形成一个容纳负载 承重空间，且当该承重空间内放置负载时，该固定座111在负载重量的作用下，沿该柔 性主体101底部向下滑动，并带动左右两根拉线1031的自由端向下移动(具体地，通 过底部凹槽带动球体，再由球体带动左右两根拉线1031的自由端向下移动)，从而通过 该承重台112、固定座111和左右两根拉线1031，将背负负载的重量传递至柔性主体101， 并对柔性主体101上的多组脊椎运动适应结构进行挤压，并最终达到力平衡，同时，该 柔性主体101的刚性也达到最佳。

进一步地，该背负承重机构11还包括设置在所述承重台112下方的支撑机构113，用于当该承重台负重时，支撑该承重台112。在一具体实施例中，参见图4a，该支撑机 构113包括分别固定在该承重台112背面的第一碰角1131，以及固定在该固定座112 外侧面(即远离穿戴者臀部/腰部的侧面)上的第二碰角1132，且当承重台112与该固 定座111外侧面呈90°时，该第一碰角1131与该第二碰角1132相接触，从而实现对该 承重台112的支撑。当然，本实施例中，也可不设置两个碰角，而是设置只一个支撑角， 且该支撑角固定在该固定座112的外侧面，从而当承重台112与固定座111外侧面呈 90°时，该支撑角抵住该承重台112的背面(当然，该支撑角也可以是直接固定在该承 重台112的背面，因此，当该承重台112与固定座111外侧面呈90°时，该支撑角抵住 该固定座111的外侧面)，从而给予承重台112一个支撑力。在另一具体实施例中，该 支撑机构113为一气推杆1134，该气推杆1134的两端则分别与该承重台112的背面和 固定座111的外侧面相连，参见图4b。

当然，本实施例中，当该脊椎运动适应机构10不采用柔性主体101，而采用弹性背板102时，则不需要该刚性调节机构，而是直接将该承重机构11中的固定座111直接 设置在该弹性背板102的底端，具体地，参见图4a，在固定座111上端开设楔槽，并将 弹性背板102的下端可插入并固定在固定座111上端的楔槽中，然后在该固定座111上 端楔槽内设置滑动轨道和锁死机构，且该弹性背板102下端可沿该固定座111上端楔槽 内的滑动轨道滑动，并通过锁死机构锁死，即该弹性背板102在该轨道内滑动的距离可 调节，当其滑动到需要的距离时，则通过该锁死机构锁死，也即是说，通过在该固定座 111上端楔槽内设置滑动轨道，从而使得该背负助力机构与穿戴者背部贴合竖直方向的 长度可调节，以满足不同身高穿戴者的穿戴要求。

实施例三

通常，大部分重物可直接固定在外骨骼的背负助力机构上即可，然而，仍有一些重物采用肩部负载的方式可能更合适，例如，挑担子或重杆或重管等，基于此，本发明还 提供了一种外骨骼，其包括上述实施例一或实施例二中各个部件，相同的部件采用相同 的附图标记，这里不再赘述。然而，不同的是，该外骨骼的背负助力机构包括肩部支撑 件13，其用于辅助穿戴者进行肩部负载。

具体地，参见图4a和图5a，肩部支撑件13包括与脊椎运动适应机构10(如柔性 主体或弹性背板)相连的肩部基座131，以及两个肩部负重平台132，且两个肩部负重 平台132分别设置在该肩部基座131的左右两侧，其中，该肩部负重平台132与穿戴者 肩部结构相适应的肩部适应主体1321，其中，该肩部适应主体1321与该肩部基座131 相连，且该肩部适应主体1321上开设有横向承重槽1322和纵向承重槽1323，其中，该 横向承重槽1322用于横向放置承重担子(或重杆、重管)，以将重力通过肩部适应主体 1321、肩部基座131传递给脊椎运动适应机构10(当然，该脊椎运动适应机构10也可 进一步将该重力传递给外骨骼的下肢支撑机构)，从而实现单人横挑担子(或重杆、重 管)或多人横向(即左右)合作扛担子(或者重杆、重管)的助力辅助搬运；同理，该 纵向承重槽1323用于纵向放置承重担子(或重杆、重管)，以将重力通过肩部适应主体 1321、肩部基座131传递给脊椎运动适应机构10(当然，该脊椎运动适应机构10也可 进一步将该重力传递给外骨骼的下肢支撑机构)，从而实现单人纵挑担子(或重杆、重 管)或多人纵向(即前后)合作扛担子(或者重杆、重管)的助力辅助搬运。此外，还 可以通过左右两侧的纵向凹槽1323并用，实现两人协作扛担架等搬运方式，或者更多 的穿戴者协同搬运多种重型物资。即，本实施例中的肩部支撑件13的设计让使用者可 以实现多种搬运方式(例如，既可以横向，也可以纵向挑、扛担子等)，缓解了现有技 术中被动式外骨骼装置应用方式单一的问题。当然，本实施例中的该肩部负重平台132 也可不采用在肩部适应主体1321上开设横向/纵向凹槽的方式，也可是在该肩部适应主 体1321上以可拆卸或可绕固定轴线旋转的方式设置凹槽托架，由此单个凹槽托架即可 实现横向、纵向或斜向的管状物资搬运；或者亦可是可绕两轴旋转的支撑托架，用于放 置在肩扛同时需要调整指向角度的装备或仪器。该托架还可进一步设计为带有电机驱动 和控制的稳定平台，用于操控和稳定装备指向。

在一具体实施例中，参见图4a，该肩部支撑件13的肩部基座131与两个肩部负重平台一体成型而成，且其以可相对于该脊椎运动适应机构10上下移动的方式相连，从 而可调节该肩部支撑件13的高度，以适应不同背长的人体；具体地，通过在该肩部基 座131底部设置一个楔槽，而该脊椎运动适应机构10的顶部，如柔性主体101的顶端 或者弹性背板102的顶端可插入该楔槽中，并通过在该楔槽中设置不同高度的固定孔来 实现肩部平台高度的调节，以适应不同背长的人体(在一些实施例中，该固定孔也可以 设置在弹性背板或柔性主体上)。进一步地，该肩部基座131下端的楔槽中设置有滑动 轨道和锁死机构，该弹性背板102/柔性主体101上端可沿该肩部基座131下端楔槽内的 轨道滑动，并通过锁死机构锁死，即该弹性背板102/柔性主体101在该轨道内滑动的距 离可调节，当其滑动到需要的距离时，则通过该锁死机构锁死，也即是说，通过在肩部 基座131下端楔槽内设置滑动轨道，从而使得该背负助力机构与穿戴者背部贴合竖直方 向的长度可调节，以满足不同身高穿戴者的穿戴要求。

在另一具体实施例中，参见图5a，该肩部基座131包括两个分别与左右两个肩部负重平台相连的第一连接臂1311，以及两个分别与脊椎运动适应机构10相连的第二连接 臂1312，且该第一连接臂1311与该第二连接臂1312相连(且两者连接处圆弧过渡，或 第一连接臂和第二连接臂一体成型)，从而使得该第二连接臂1312、第一连接臂1311 和肩部负重平台132依次相连形成位于脊椎运动适应机构10上方的悬臂机构。具体地， 左右两个第二连接臂1312上各自设置有一铰接座1313，柔性主体101(或弹性背板102) 顶部沿竖直方向并列设置两个铰接座1313，当将左右两个悬臂机构均设置在该脊椎运动 适应机构10上时，两个第二连接臂1312上的铰接座1313上下交错排列，参见图5b， 因此，采用两个“T”字形铰接头进行铰接时，该铰接头的一端与该柔性主体101(或弹 性背板)上的铰接座铰接，另一端与第二连接臂上的铰接座相连，从而将两个悬臂铰接 在该脊椎运动适应机构10上。

实施例四

如前所述，现有的外骨骼大多都采用背部背负负载的方式搬运物资，个别外骨骼可 以采用前置搬运的方式，但却难以和背部背负协同进行。有鉴于此，本发明提供了一种外骨骼，其包括前负助力机构2，力传输机构3和背负助力机构1，且该前负助力机构2 通过力传输机构3与该背负助力机构1相连形成一个力平衡背负机构，从而通过该前负 助力机构2和力传输机构3将前负负载的重量传递至背负助力机构1，以与该背负助力 机构1协同作用。

其中，该前负助力机构2包括左、右两个接触器21。

在一具体实施例中，参见图6a，该接触器21包括手掌支撑垫211、手指支撑垫212和穿戴件213，其中，手掌支撑垫211的一端与力传输件31的固定端相连，另一端与手 指支撑垫212铰接，穿戴件213设置在手掌支撑垫212上。进一步地，该手指支撑垫212 的背面还设置有用于夹持在手指之间的夹持部214。

在另一具体实施例中，参见图6b，该接触器21除了包括手掌支撑垫211、手指支撑垫212外，还包括指间连接件215，而手掌支撑垫211和手指支撑垫212分别与指间连 接件215的两端铰接，手掌支撑垫211还与力传输件31的固定端相连。进一步地，该 接触器21还包括设置在手指支撑垫212末端的指尖保护套216。

在另一具体实施例中，参见图6c，每个接触器21包括手掌支撑垫211和钩状负重部217，该钩状负重部217的一端与该手掌支撑211垫转动连接，且手掌支撑垫211上 设置有横截面呈L字形的容纳槽，参见图6d。当初始状态时，该钩状负重部位217于该 容纳槽上，与该手掌支撑垫211形成一个可贴合在前抬负载侧表面的表面接触器，参见 图6c；或者当该钩状负重部217转动至与竖直平面垂直状态时，该钩状负重部217与 该手掌支撑垫211形成横截面呈L形承重机构，用于前抬负载，参见图6d；或者，当钩 状负重部217转动至与竖直平面平行时，该钩状负重部217用于提拉负载，参见图6e。

其中，该力传输机构3包括左、右两个力传输件31，以及左、右两个具有自锁机构的收缩装置32，且该左、右力传输件31的一端分别绕设在左、右收缩装置32内，且当 解锁该收缩装置32的自锁机构时，该收缩装置32将释放缠绕在该收缩装置32内的力 传输件31，而左、右两个力传输件31的另一端则分别固定在该背负助力机构1的肩部 支撑件的左、右两侧相连(如分别固定在左右两个肩部负重平台前端端部)，相应地， 左、右两个收缩装置32则分别固定在前负助力机构的左、右两侧，如分别固定在左右 两个接触器上。当然，本实施例中，也可将该左、右两个力传输件31的另一端则分别 固定在前负助力机构2的左、右两侧上，而左、右两个收缩装置32则分别固定在该背 负助力机构1的肩部支撑件的左、右两侧(例如内嵌在左右两个肩部负重平台内部)。

在一具体实施例中，参见图7a，该收缩装置32包括壳体320通过转轴设置在该壳体320内的绕线盘321(力传输件，如拉线，的一端缠绕在该绕线盘321上)，以及与该 绕线盘321同轴设置的棘轮322，该壳体320上设置有与该棘轮322相配合的棘爪323， 以及分别位于该棘爪323相对两侧的弹性件324和解锁滑块325，当初始状态时，该解 锁滑块325位于壳体320上的解锁滑块槽3201内的顶端(即自锁区域)时，解锁滑块 325抵住该棘爪323，使得该棘爪323压缩该弹性件324，同时紧紧抵在棘轮322的齿轮 之间，从而实现自锁。当滑动解锁滑块325至解锁滑块槽3201内的底端(即解锁区域) 时，该解锁滑块325不再抵住棘爪323，使得棘爪323受到弹性件324的作用力，远离 棘轮322的齿轮，从而实现解锁。当然，本实施例中，也可将该收缩装置320的壳体3201 直接作为手掌支撑垫211，并在该壳体3201上设置用于收纳钩状负重部217的容纳槽， 参见图7b和图7c，其工作原理与上述的接触器的工作原理相同，这里不再赘述。其中， 该背负助力机构1可采用上述实施例一、二或三中的任意一种外骨骼的背负助力机构1 (相同的部件采用相同的附图标记，这里不再赘述)，且当该外骨骼中的脊椎运动适应 机构10采用柔性主体(且该柔性主体上沿长度方向自上而下均匀设置有多组脊椎运动 适应结构，且底部设置有旋转切槽)时，该柔性主体101上的刚性调节机构除了包括如 实施例一或二中记载的，设置在柔性主体101内的两根拉线1031、第一拉线通道1016、 第二拉线通道1017、滑轮1018、弹性部件1032、头盖1033等部件外，参见图8a、图 8b和图8c，该刚性调节机构，还包括两根用于传递前负载的力传输线1034，相应地， 该柔性主体101内部的左右两侧均沿长度方向并列设置有两个第三、第四拉线通道1019、1020(且其位于上述的第一组拉线通道，即左侧第一、二拉线通道1016、1017， 和第二组拉线通道，即右侧第一、二拉线通道1016、1017，之间)，且位于右侧的该力 传输线1034的固定端固定在位于右侧的该第三拉线通道1019顶端，位于右侧的力传输 线的1034的活动端则穿入该右侧的第三拉线通道1019内，并从该右侧的第三拉线通道 1019底部穿出，然后绕过设置在右侧的第三拉线通道1019和第四拉线通道1020底部之 间的滑轮，再从右侧的该第四拉线通道1020底部穿入，最后从右侧的该第四拉线通道 1020的顶部穿出与肩部支撑件13的左侧相连(如与左悬臂的第二连接臂底部相连)；同 理，位于左侧的力传输线1034的固定端固定在左侧的第三拉线通道1019顶部，其自由 端则穿入该左侧的第三拉线通道1019内，并从该左侧的第三拉线通道1019底部穿出， 然后绕过设置在左侧的第三拉线通道1019和第四拉线通道1020底部之间的滑轮1018， 再从左侧的该第四拉线通道1020底部穿入，最后从左侧的该第四拉线通道1020的顶部 穿出与肩部支撑件13的右侧相连(如与右侧悬臂的第二连接臂底部相连)。即该左右两 侧的力传输线1034分别依次穿过相应侧的第三拉线通道1019和第四拉线通道1020，并 由相应侧的第四拉线通道1020顶部穿出分别与肩部支撑件13的左右两侧交叉相连(即 左侧力传输线1034与肩部支撑件13的右侧相连，右侧力传输线1034与肩部支撑件13 的左侧相连)；从而使得当前负助力机构2负载负荷时，由于前负助力机构2通过力传 输机构3将负荷的重力传递至肩部支撑件13，因此，该两根力传输线1034为肩部支撑 件13提供与该前负负荷的重力相抗衡的作用力，从而达到力平衡；并且，由于该力传 输线1034穿越柔性主体101两次，并且在两端分别由拉线滑轮和拉线弹簧向柔性主体 施力，因此，当肩部支撑件13的悬臂前部受到前负载重压时，该力传输线的拉紧力会 同时将柔性脊椎的后部拉紧，从而避免柔性主体在悬臂受到前负负载的压力时，因力臂 的存在而被迫弯曲。

更进一步地，本实施例中，该刚性调节机构还包括两根力传输线1034，相应地，该柔性主体101内部还在靠近人体背部一侧的左右两边均沿长度方向并列设置有两个第 五、第六拉线通道1021、1022，且其连接方式与上述的两根力传输线1034和第三、第 四拉线通道的连接方式和工作原理相同，这里不再赘述，也即是说，本实施例中不仅在 该柔性主体101远离人体背部的一侧设置左右两根力传输线1034和相应的第三、第四 拉线通道，还在柔性主体101靠近人体背部一侧设置左右两根力传输线及其相应的第五、 第六拉线通道，参见图8b、图8c和图8d，从而为肩部支撑件13的左右两侧(如左悬 臂和右悬臂)分别各自设置一个后力传输线和侧力传输线，进而为肩部支撑件13提供 与前负助力机构所负重重力相抗衡的反力，同时也向脊椎施力。当然，本实施例中，该 刚性调节机构中还可增加力传输线和相应的拉线通道，即该刚性调节机构中可设置至少 两个力传输线和至少两个相应的拉线通道。

如前所述，为了起到缓冲的作用，参见图8a和图8b，本实施例中还在该力传输线1034的固定端固定有弹性部件1032(具体地，该弹性部件1032为弹簧，相应地，在力 传输线1034的固定端连接有头盖1033，从而将该头盖1033固定在该弹簧的一端，而力 传输线1034的自由端则穿过该弹簧并进入相应的拉线通道内)，从而当拉动力传输线 1034时，该力传输线1034首先压缩弹性部件1033，该弹性部件1033再反作用力于该 柔性主体101上以压缩各组脊椎运动适应结构，直至该弹性部件的反作用力与该力传输 线1034的拉力达到力平衡。

当然，在另一具体实施例中，该两个力传输线1034的自由端也可以不与肩部支撑件13相连，而是直接由穿戴者手动拉住该两个力传输线1034的自由端，从而压缩各组 脊椎运动适应结构，提高柔性主体的刚性也是可以理解的。

实施例五

目前的外骨骼大多都是整体组装的，收纳时难以快速拆装成若干个独立模块分别存 放，非常地占用空间，而穿戴时，也是依次穿戴整机的各个部分，非常的繁琐，只要一 个部位出错，其它部位也不能正确穿戴甚至无法穿戴；且当某个部分损坏时，通常是整 机返厂维修，而不是将某个独立模块返厂维修或者直接替换，且在返修期间用户无法继 续使用，这不仅增加了用户或者厂家的维修成本，也降低了用户体验，因此，本发明还 提供了一种外骨骼，其包括可进行单自由度/三自由度旋转，并能够承重，还具有阻尼 和回弹功能的快拆关节5，用于将外骨骼的各个部分模块化、对接口标准化，从而保证 外骨骼各个关节在具备旋转、承重、阻尼回弹的基础上，依然可以便于拆装、收纳和穿 戴。具体地，本实施例中该快拆关节为单轴机构，以实现单自由度旋转，或者，由三个 单轴机构进行组合实现三自由度旋转。

当该快拆关节为单轴机构时，参见图9，该快拆关节5包括第一连杆51和第二连 接杆52，其中，该第一连杆51的一端设置有快拆端头53，第二连杆52的一端设置有 快拆连接头54，且该快拆连接头54与该快拆端头53转动连接。

在一具体实施例中，参见图10a和图10b、图10c，该快拆端头53包括壳体530， 以可相对于该壳体530转动的方式安装在该壳体530内的快拆按钮531，其中，该快拆 按钮531包括用于穿戴者按压的接触部5311，其一端穿出壳体，另一端依次连接有用于 将上述快拆连接头54从该快拆端头53解锁的解锁部5312，以及用于将快拆连接头54 定位的锁扣部5313(该锁扣部转动连接在该壳体内)。具体地，该解锁部5312呈长方形 或方形滑块，该锁扣部5313呈八角螺母状，且其底部的宽度逐渐减小，从而在底部形 成一个楔面5314，相应地，该快拆连接头上设置有与该锁扣部5313相配合的内八边孔 541，且顶部有缺口542。当该快拆连接头54从该壳体530上的快拆插入孔插入时，顶 部缺口542的两边分别沿该楔面5314逐渐上移，从而推动该快拆按钮53整体向右滑动， 且当顶部缺口542的两边逐渐从楔面过渡到锁扣部5313顶部时，(在按钮复位弹簧的作 用下)快拆按钮531向左移动复位，同时，该快拆连接头54的内八边孔541扣合在锁 扣部5313上，从而当转动该快拆连接头54时，该快拆按钮531也转动；而当要快速拆 解是，直接按压接触部5311，使得快拆按钮531整体向右移动，即锁扣部5313从内八 边孔541移出，使得解锁部移至内八边孔541内，至此，该快拆连接头54从该解锁部 表面滑落，从而实现快拆。

在另一具体实施例中，参见图11a、图11b、图11c和图11d，该快拆端头53的壳 体530内(的快拆轴承上)设置有方榫快拆孔533，而该快拆连接头54上不开设内八边 孔541和顶部缺口542，而是在该快拆连接头54上设置方榫544，且该方榫544内设快 拆按钮531，且该方榫544的端部设置有一滚珠，而快拆按钮531的端部也设置有一滚 珠凹槽543，且当按压该快拆按钮531时，该滚珠凹槽543移动至滚珠下方，从而滚珠 下落至该滚珠凹槽543内，进而使得该方榫可插入或滑出该方榫快拆孔533，且插入后 即可不再按压快拆按钮。进一步地，该方榫快拆孔533的端部设置有滚珠锁止槽532， 从而当方榫544插入该方榫快拆孔533内，且滚珠移动至该滚珠锁止槽532位置时，由 于快拆按钮的复位弹簧的作用，该方榫将滚珠顶至该滚珠锁止槽532内，进而使得第一 连杆和第二连杆在单自由度旋转轴向上锁止。而当需要快拆时，按压快拆按钮，使得滚 珠落入方榫或快拆按钮上的滚粗凹槽内，然后将方榫抽出，此时可不按压按钮直接将方 榫抽取出即可。

在另一具体实施例中，参见图12a和图12b、图12c，该快拆连接头54不是采用方榫，而是采用花键快拆头，且其端部设置有滚珠锁止槽546，相应地，该快拆端头53 的壳体530内设置有花键快拆孔537、快拆按钮531，该快拆按钮内设复位弹簧，且内 壁上开设有滚珠凹槽538。当将花键快拆头插入花键快拆孔537内，同时，按压快拆按 钮531以压缩复位弹簧，从而露出滚珠凹槽538，且花键快拆头将滚珠顶入滚珠凹槽538； 当花键快拆头已经完全插入花键快拆孔537后，释放快拆按钮531，使其在复位弹簧的 作用下朝端盖外侧顶出，而快拆按钮531内侧的滚珠凹槽538则滑移出滚珠对应的位置， 滚珠被迫顶入花键快拆头上对应的滚珠锁止槽546内，进而避免花键快拆头自行脱落。 采用花键快拆头的技术优点是可以设置更多的角度，但是采用花键的成本会相对更高。

进一步地，现有的旋转关节要么是主动式的驱动，要么是被动的驱动，而被动式驱动的外骨骼中，几乎都没有考虑到阻尼和反馈力特性。对于没有阻尼和反馈力特性的 外骨骼关节，其动态响应特性非常敏感，在实际使用中没法有效降低振动、晃动等 影响，机构的运动位置和承力特性容易出现失稳的情况。在实际使用过程中，没有 阻尼和回弹特性的外骨骼会让穿戴者感觉容易出现大幅度的晃动，并且在承力的情 况下容易出现突然闪动的情况。因为外骨骼利用连杆铰接的死点原理进行支撑，而 死点原理是一种很容易失稳的临界稳定状态，因此如果不加入阻尼和回弹特性，装 置容易出现快速失稳的运动，这种运动在用户体验中就是装置从一个稳定位置快速 闪动至另一种稳定位置，这种运动有可能会使穿戴者难以应付，甚至严重时有受伤 的风险。

有鉴于此，本实施例中的快拆关节还包括阻尼机构55和/或回弹机构56。

在一具体实施例中，参见图10a、10b、图10c、图11b、图11c和图11d，该阻尼 机构55包括相互配合的阻尼盒内盖550和阻尼盒外盖551，其中，阻尼盒外盖551上和 阻尼盒内盖550的中部均开设有与快拆按钮531相配合的快拆按钮安装孔552，且该阻 尼盒内盖550面向快拆按钮531的一侧，沿该快拆按钮孔552的周向设置有阻尼液导流 槽553，而该阻尼盒外盖551背向快拆按钮531的一侧，对应于阻尼液导流槽553的方 向设置有阻尼液波动块554，而阻尼盒外盖551/阻尼盒内盖550上沿该快拆按钮安装孔 552的周向均匀设置有阻尼液注入孔555。

在另一具体实施例中，参见图13a、图13b和图13c，阻尼机构为可调阻尼的阻尼 机构，其也包括相互配合的阻尼盒内盖550和阻尼盒外盖551，该阻尼盒外盖551上和 阻尼盒内盖550的中部均开设有与快拆按钮相配合的快拆按钮安装孔552，且该阻尼盒 内盖550内设置有阻尼液导流槽553，不同的是，本实施例中，该阻尼液导流槽553的 顶部设置有阻尼液溢流槽556，该阻尼液溢流槽556的上方设置有上下两个固定楔口 557，且该两个固定楔口557之间设置有阻尼调节旋钮558，该调节旋钮558上以可相对 于该调节旋钮558左右移动的方式设置在该调节旋钮558上的可调楔面559，从而由该 可调楔面559与固定楔口558之间的间隙构成了阻尼液的流量可调通路A，参见图13c， 即可通过旋转调节旋钮558来调节可调楔面559左右移动的距离，从而改变可调流量通 路A的大小；而阻尼液溢流槽556则构成了阻尼液的流量固定通路B，参见图13c，即 其流通的阻尼液的流量大小不可调；另外，该阻尼机构55还包括设置在该阻尼盒内盖 550和阻尼盒外盖551之间的阻尼器拨盘5510，该阻尼器拨盘5510包括盘体5511，以 及设置在该盘梯5511上的阻尼液拨动块5512。

在本发明的一些具体实施例中，所使用的阻尼液是硅油(室温下保持液体状态的线 型聚硅氧烷产品)。在本发明的一些具体实施例中，在打造外骨骼的关节时，采用本身就具有阻尼特性的材料(例如，橡胶、阻尼复合材料、阻尼涂料等)，提升外骨骼各个 关节的阻尼特性。

在一具体实施例中，参见图11c和图11d，该回弹机构56为单向回弹机构，其包 括扭簧560，快拆端头的壳体530内设置有用于容纳扭簧560的外耳5601的扭簧外耳槽 5301，而快拆端头内的快拆轴套539上设置有扭簧内耳孔5302，该扭簧560的内耳5602 则定位于该扭簧内耳孔5302内，而该轴套上还开设有与快拆连接头，如方榫，配合的 快拆孔。

在一具体实施例中，参见图12b和图12c，该回弹机构56为双向回弹机构，具体 地，参见图14a、图14b和图14c，该双向回弹机构包括用于安装回弹轴套565的双向 回弹安装基座561，该双向回弹安装基座561的左右两侧分别安装有顺回弹涡轮562a 和逆回弹涡轮562b，顶部安装有分别于该顺回弹涡轮562a和逆回弹涡轮562b相配合的 顺回弹蜗杆564a、逆回弹蜗杆564b，该双向回弹机构还包括顺回弹扭簧563a和逆回弹 扭簧563b，其中，该顺回弹扭簧563a和逆回弹扭簧563b分别安装在顺回弹涡轮562a 和逆回弹涡轮562b的轴孔内，且顺回弹扭簧563a和逆回弹扭簧563b的外耳5601分别 插入顺回弹涡轮562a和逆回弹涡轮562b上的外耳插孔5621(进一步地，该顺回弹涡轮 562a和逆回弹涡轮562b沿周向设置有多个外耳插孔5621用于根据需要预先调节回弹扭 簧的预紧力)内，该顺回弹扭簧563a和逆回弹扭簧563b的内耳5602则分别位于回弹 轴套565左右两侧的内耳滑槽5651a、5651b内，且该回弹安装基座561内还分别设置 有顺回弹挡块5611a和逆回弹挡块5611b，而回弹轴套565左右两侧的内耳滑槽5651a、 5651b内各自设置有相应的顺回弹轴套挡块5653和逆回弹轴套挡块5654。当将快拆连 接头(如花键式快拆连接头)安装在该回弹轴套565内，并驱动该轴套565顺时针转动 时，该回弹轴套565上的顺回弹轴套挡块5653会带动双向回弹器中的顺回弹扭簧563a 的内耳5602随其旋转，从而产生反向扭力；而逆回弹扭簧563b则被双向回弹安装基座 561上的逆回弹挡块5611b挡住，其逆向扭力不会通过回弹轴套565传至该回弹轴套565 内的快拆连接头轴套(如花键轴套)上。同理，当快拆连接头(如花键式快拆连接头) 驱动快拆连接头轴套逆时针转动时，逆回弹挡块5611b推动逆回弹扭簧563b旋转，从 而造成逆回弹扭簧563b变形，相反其向轴套产生的逆向扭矩会随着旋转程度的增大而增大；此时，顺回弹扭簧563a的内耳5602被顺回弹挡块5611a挡住，因此，可通过旋 转顺回弹蜗杆564a，使得顺回弹涡轮562a顺时针旋转，从而增大回弹扭簧的初始应力， 即本实施例中通过设置顺、逆回弹涡轮562a、562b和蜗杆564a、564b作为双向回弹机 构的初始应力调节机构，从而可分别对顺、逆回弹扭簧的初始应力进行调节，进而使得 该双向回弹机构具有双向差异回弹特性的效果。

实施例六

通常，外骨骼在髋关节、膝关节和踝关节设计上大多采用串联的结构，因此，当穿戴者穿戴外骨骼负重或者较为强烈的运动时，各个部分都将受到较大的冲击力，从而对 外骨骼，甚至穿戴者的骨骼造成伤害。

有鉴于此，为了保证外骨骼在穿戴者负重或者运动时，不被完全压缩，保持一定的缓冲能力，提高抗冲击能力，本发明还提供了一种外骨骼，其包括可与外骨骼各个相应 的关节配合实现各个关节的多自由度运动的同时，吸收外骨骼负重/运动时各个关节所 受到的冲击/振动的缓冲装置43。具体地，该缓冲装置43可采用一弹性变形件或者为可 沿轴向压缩或回复运动的多孔弹性结构直线缓冲器。

在一具体实施例中，参见图15，弹性变形件为蛇形弹簧431，具体地，该蛇形弹簧431为多个水平片簧4311通过弯曲端部4312自上而下依次首尾相接而成，且每个片簧 4311的弯曲端部4312的曲率不同，例如自上而下每个片簧4311的弯曲端部4312的曲 率逐渐减小，或者逐渐增大，当然，也可以根据不同的实际情况对每个片簧的弯曲端部 的曲率、弯曲次数、厚度等参数进行不同的设计。本实施例中，通过设置该蛇形弹簧， 使该片簧刚度具有非线性特性，在随着载荷增加，其等效刚度也会逐渐增大，从而保证 了缓冲装置在外骨骼负载过重时被不完全压缩，保持缓冲能力。

在实际应用中，参见图16a，可将该蛇形弹簧431设置在外骨骼的踝关节45与足 部支撑板46之间，并在该蛇形弹簧431的顶端设置一关节连接机构(例如旋转键槽4313) 与踝关节45转动连接(进一步地，还可在该旋转键槽与踝关节之间设置旋转阻尼器)， 底端通过柔性的过渡曲面与足部支撑板46相连，且两者的中心轴线相互垂直。由于将 该蛇形弹簧设置在踝关节和足部支撑板之间，从而不仅能够起到缓冲的作用，同时，还 能够实现外骨骼踝关节跟随人体脚踝的内外翻运动，并且在内外翻运动中，蛇形弹簧431 随着变形增大会给人体脚踝适当的反馈力，从而能够为穿戴者在不平路面行走时提供额 外的支撑力，进而避免外骨骼、人体系统在运动中因为路面不平而造成崴脚等运动损伤。

由此可知，当该蛇形弹簧431应用于踝关节与足部支撑板之间时，不仅具有缓冲功能，同时还能够兼顾踝关节三自由度运动(例如跟随人体脚踝的内外翻运动)，并且在 屈曲/伸展运动中具有阻尼特性，在外展/内收运动和内旋/外旋运动时具有复原力，避 免脚踝运动损失。

当然，也可将本实施例的该蛇形弹簧设置在外骨骼的其他部分，例如，膝 关节与小腿之间，如图18b，或者髋关节与大腿之间，如图16b，而具体设置位 置以及与各个部分之间的连接关系，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。

当然，本实施例中的该弹性变形件，也可不采用该蛇形弹簧，而是采用压缩弹簧机构、空气弹簧机构、三维弹性镂空材料、以及橡胶体材料、以及通过同极磁铁相斥效应 实现的被动式磁悬浮等机构，本领域技术人员可根据相应的需求进行相应的替换也是可 以理解的。

虽然通过设置弹性变形件来缓冲外骨骼负重或运动过程中的冲击和震动，但由于没 有阻尼特性，也没有对弹性变形件的变形行程进行限制，因此，缓冲装置可能在固有频率附近发生强烈受迫振动，且在收到冲击荷载后也可能需要若干振荡周期，并通过外骨 骼与人体接触的各种摩擦效应才能完全消除冲击荷载能量，从而对人体造成损伤。

有鉴于此，进一步地，本实施例中的该缓冲装置43还设置了阻尼机构，用于当外骨骼负重/运动时，耗散运动过程中的振动能量，例如耗散该缓冲装置与外骨骼的关节 之间的位移或速度差异等。

在一具体实施例中，参见图17a和图17b，该阻尼机构为直线阻尼机构，具体地， 该直线阻尼机构包括一竖直片簧432、直线阻尼盒433以及阻尼盒安装块434，其中， 该直线阻尼盒433包括片状推杆4330、阻尼液拨片4331，以及内部设置有多层阻尼液 导流槽4333的阻尼盒体4332，阻尼盒体端盖4334，其中，该竖直片簧432重叠设置在 上述蛇形弹簧431一侧，且该竖直片簧432的底部固定在该片状推杆4330的顶端，该 片状推杆4330的底端则与该阻尼液拨片4331固定连接，且该阻尼液拨片4331与该竖 直片簧432分别位于该片状推杆4330相对立的两侧；该阻尼液拨片4331与该阻尼盒体 4332内的多层阻尼液导流槽4333相配合(即该阻尼液拨片4331可沿该多层阻尼液导流 槽4333在竖直方向上上下滑动)，并由阻尼盒体端盖4334密封，而该直线阻尼盒433 的阻尼盒体4332则通过阻尼盒安装块434固定在蛇形弹簧431的底部(即远离关节的 一端)，从而使得该竖直片簧432底部也只能沿竖直方向滑动，并由于阻尼液的作用， 使得缓冲过程中具有一定的阻尼特性，从而在运动过程中，能够向穿戴者提供较大的恢 复力，避免人体行走过程中出现前后闪动失稳的现象。

在实际应用中，该直线阻尼机构与蛇形弹簧431一样，设置在踝关节和足底支撑板之间。具体地，该直线阻尼机构的竖直片簧432的顶部与蛇形弹簧431一样通过关节连 接机构，如旋转键槽，与踝关节转动连接，且竖直片簧432在贴近人体的一侧，而该直 线阻尼机构的阻尼盒安装块434底端则与足部支撑板之间相连。由于在蛇形弹簧431的 一侧设置了直线阻尼机构，且该竖直片簧的底部只能够沿竖直方向滑动，因此，能够满 足踝关节在矢状面内的弯曲和伸展运动，同时，当踝关节需要外展/内收运动时，可通 过弯折该竖直片簧432和蛇形弹簧431实现；当踝关节需要内旋/外旋运动时，可通过 扭曲该竖直片簧和蛇形弹簧实现，并且，在踝关节进行外展/内收运动，或者内旋/外 旋运动时，该直线阻尼机构和蛇形弹簧能够给予一定的关节复原力，从而避免在运动过 程中造成外骨骼的失稳，进而避免人体受到外骨骼的非正常作用力导致关节损伤；同时， 在人体穿戴该外骨骼负重行走过程中，足底支撑板触地时所带来的冲击载荷，和行走中 负重势能上下起伏带来的系统振动，也会在该直线阻尼机构和蛇形弹簧的作用下得到减 缓和抑制，且此过程中，蛇形弹簧431的多个水平片簧4311的弯曲刚度要远低于竖直 片簧432承受沿表面方向压缩受力的刚度，因此，蛇形弹簧431会迅速压缩或舒张来响 应冲击和振动，而具有较高垂直刚度的竖直片簧432则会将踝关节端的运动轨迹传至直 线阻尼盒下端，两端的位移差驱使直线阻尼盒内部的阻尼液拨片上下滑动，并推动硅油 等阻尼液体在直线阻尼内的导流槽中往复流动，进而耗散冲击载荷或受迫振动输入的能 量，避免缓冲装置出现明显共振。

本实施例中，通过设置竖直片簧432，并将其与直线阻尼盒一起构成限制弹性变形件的压缩行程的行程限制机构。这是因为弹性变形件的压缩行程较大，若不对其压缩行 程进行限制，当外骨骼在负重条件下，若单边腿交替悬空和触地(负载和空载周期出现)， 弹性变形件的回弹行程过大，从而导致外骨骼尺寸上的明显变化，进而可能对人体造成 损伤。

当然，本实施例中该弹性变形件的压缩行程限制的方式/行程限制机构的实现形式 并不局限于此，也可以单独采用滑块滑槽机构实现，或者将直线运动转换为旋转运动，并通过旋转角度限制机构来实现。

在另一具体实施例中，参见图18a和图18b，将直线运动转换为旋转运动，并通过旋转角度来限制弹性变形件的压缩行程的阻尼机构，其也包括关节连接机构(如旋转键 槽4313)、蛇形弹簧431、竖直片簧432、行程限制机构和阻尼耗散机构。不同的是，本 实施例中的该行程限制机构包括：尺寸调节块4361、齿条导轨块4362、连接杆4363、 尺寸调节卡榫4364、预紧力调节钮4365、预紧力调节不完全齿轮4366、预紧力调节复 位弹簧4367；其中，阻尼耗散机构包括旋转阻尼齿轮4371、旋转阻尼底座4372、尺寸 调节弹簧4373，以及连接杆安装盖组成4374。其中，蛇形弹簧431和竖直片簧432顶 端的关节连接机构具有相同形状的多边形对接孔，用于与关节转轴进行转动连接(进一 步地还可设置旋转阻尼)；两者垂直重叠安置，这样可以使装置更紧凑，但也可以分开 布置；蛇形弹簧431底部的尺寸连接端4314插入尺寸调节块4361的对应楔槽内，而齿 条导轨块4362穿过竖直片簧432上的滑轨4320，并插入尺寸调节块4361上的齿条导轨 固定槽43610中，并且通过螺钉、螺孔或者粘接等方式将蛇形弹簧431下端的尺寸连接 端4314、尺寸调节块4361和齿条导轨块4362固定连接，并且竖直片簧432被夹在齿条 导轨块4362与尺寸调节块4361中间，只能相对于尺寸调节块4361进行垂直方向的滑 动，但竖直片簧432上方未进入齿条导轨块4362的部分在外力作用下可以发生弯曲变 形，并且会产生相应的回复力，由此来顺应关节处的外展/内收运动与外旋/内旋运动； 相应的蛇形弹簧431底部的尺寸导轨连接端4314虽然与尺寸调节块4361固定连接无法 发生弯曲或压缩变形，但其上部折叠弯曲区域却可产生明显的压缩变形或弯曲变形，由 此同时满足关节运动和冲击缓冲运动。其中，连接杆4363顶端开有截面轮廓与蛇形弹 簧431、竖直片簧432、尺寸调节块4361的齿条导轨块4362组合而成的组合片簧结构 截面轮廓相对应的楔槽43630，由此该组合片簧机构能够顺畅地插入该安装槽内，并在 适当的位置固定，以适应不同穿戴者的身体尺寸差异；具体而言，固定组合片簧机构与 连接杆4363相对位置的方式是采用弹簧卡榫机构，其中尺寸调节块4361两侧均匀等距布置有卡槽结构，在本实施例中该卡槽的轮廓为半圆柱形；显然也可以采用矩形、梯形、 三角形等截面轮廓的卡槽；而具有弹性回复力的卡榫机构则安置在连接杆4363上设置 的卡榫安装槽中；具体而言，本实施例中的尺寸调节卡榫4364在尺寸调节块4361两侧 各设置两个圆柱体卡销装置，由此确保该尺寸调节卡榫4364机构能够可靠地承受由外 骨骼上部传递下来的外骨骼本身和负重的重力，同时在开槽截面轮廓与组合片簧机构外 形轮廓完全相同的帮助下，避免该缓冲机构固定在腿部连接杆内时出现各方向的晃动。

然而，行程限制机构的移动范围通常小于弹性变形体的最大压缩行程，因此不论行 程限制机构具体限制弹性变形体在哪段范围内变形，都只能适应某一特定的载荷范围(过轻的负重会导致弹性变形体几乎不响应，过重的负重则会导致弹性变形体始终被压 缩至行程限制机构的最低位置，两种情况都无法再进一步缓冲)。

因此，更进一步地，为了让缓冲装置能够在不同负重条件下，始终使得弹性变形件在最佳行程范围内变形，本实施例还在该缓冲装置上增设了预紧力调节机构。

在一具体实施例中，参见图17a和图17b，该预紧力调节机构具体为通过在竖直片簧432上自上而下依次设置有多个预紧力调节孔435，相应地，片状推杆4330的顶部与 该竖直片簧432相连接的位置设置有预紧力调节滑槽4336，且该预紧力调节滑槽4336 与该通过预紧力调节螺栓4337与该预紧力调节孔435配合。

由于当外骨骼负重明显改变时，该缓冲装置的蛇形弹簧431在静态下会相对于原先 负重时的状态出现明显的压缩(负重增重时)或伸长(负重减轻时)，且当原先负重超 过一定程度，而当撤去该负重或者减轻时，蛇形弹簧的伸长长度会超出直线阻尼行程范 围，因此，当新的负重静态压置在外骨骼上时，取下上述的预紧力调节螺栓4337，并将 预紧力调节滑槽4336固定在合适的预紧力调节孔435上，使静态状态下阻尼液拨片4331 始终处于整个直线阻尼盒433滑动行程中的上部(即可向缓冲压缩方向进行较大行程滑 移)，从而调节该直线阻尼机构的预紧力。

实际上，由于采用了变刚度的蛇形弹簧431，使得不同负重条件下该蛇形弹簧431都能具有客观的变形区间，然而，蛇形弹簧431的最大压缩行程可能会大于直线阻尼机 构的工作行程(直线阻尼盒433的滑动区间)，因此，若不对蛇形弹簧431的压缩行程 进行限制，当卸下负载时，可能会导致蛇形弹簧431的长度出现大幅度的回弹，从而造 成外骨骼尺寸的明显变化，进而对穿戴者的骨胳或肌肉造成损伤。有鉴于此，为了使得 外骨骼能够在不同的负重条件下都能够正常工作，需要采用行程限制机构控制蛇形弹簧 431的压缩和回弹范围，具体地，本实施例中通过由预紧力调节孔435、预紧力调节滑 槽4336和预紧力调节螺栓4337等构成的行程限制机构来调节蛇形弹簧431的预紧力， 从而实现对蛇形弹簧431的压缩和回弹范围的控制，即通过调节直线阻尼盒433内阻尼 液拨片4331相对于竖直片簧432的位置来实现对蛇形弹簧431的压缩行程的调节，也 即预紧力的调节。

在一具体实施例中，该直线阻尼盒433的多层阻尼液导流槽4333分为上下两层的回流结构，即上层为阻尼液拨片提供完整的滑动空间，下层为阻尼液回流层，该阻尼盒 体4332的回流层中部上开设有用于安装旋转阻尼调节阀4338的调节阀安装孔4339。旋 转阻尼调节阀4338通过阻尼盒体4332侧面的阻尼外壳安装孔43310装入多层阻尼液导 流槽4333中，并通过一字起等工具可以旋转阻尼液导流槽4333内部的旋转阻尼调节阀 4338，当旋转阻尼调节阀4338与多层阻尼液导流槽4333流向平行时，阻尼液能以较大 的横截面积通过阻尼液回流层，当旋转阻尼调节阀4338与多层阻尼液导流槽4333流向 垂直时，阻尼液回流层的最小横截面积最小，此时，该缓冲装置的阻尼机构的阻尼效果 明显最强。

当然，本实施例中的该直线阻尼盒433也可不采用上下两层的回流结构的多层阻尼 液导流槽4333，而是采用左右分布的形式。参见图19，在一具体实施例中，而该直线 阻尼盒433分为左侧的阻尼系数可调回流区域，以及右侧的拨片导流区域,该左侧阻尼 系数可调回流区域内的上部设置有两个半楔状挡块43331，该右侧拨片导流区域内并列 设置有多个阻尼液导流槽4333，且左右两个半楔状(或直接三角形状的)挡块43331 的外侧设置有溢流槽43332。另外，为了适应该直线阻尼盒433，本实施例中的该旋转 阻尼调节阀4338包括阻尼调节丝杠43382、阻尼调节旋钮43381和等腰梯形状/楔形的 阻尼调节块43383。其中，该阻尼调节旋钮43381设置在阻尼调节丝杠43382的顶端， 而该阻尼调节丝杠43382的底端则通过阻尼盒体4332顶部左侧的调节阀安装孔4339安 装在阻尼盒体内(并抵住阻尼盒体内底部)，而阻尼调节块43383以可相对于该阻尼调 节丝杠43382上下移动的方式设置在该阻尼调节丝杠43382上，并靠近该阻尼调节丝杠 43382底端一侧，且两个半楔状挡块43331分别位于该等腰梯形状的阻尼调节块43383 上底边的两侧(具体地，两个半楔状挡块43331的斜边各自分别与该阻尼调节块43383 的两侧斜边平行)，而该阻尼调节块43383的底部自下底边向两侧腰/斜边的方向开设导 流口，从而在阻尼调节块43383的两侧腰/斜边上形成可调截面回流槽43384，当旋转阻 尼调节旋钮43381时，其带动阻尼调节丝杠43382旋转，则阻尼调节块43383沿该阻尼 调节丝杠43382轴向上下移动，进而使得可调截面回流槽43384逐渐靠近/远离半楔状 挡块43331，即实现流通截面的调节。

参见图19，当该可调截面回流槽43383距离半楔状挡块43331最远(例如当阻尼调节块43383移动至阻尼调节丝杠43382底部)时，由于可调截面回流槽43384与半楔状 挡块43331之间的间隙最大，因此，可调截面回流槽43384允许阻尼液通过的横截面积 达到最大，此时，阻尼系数达到最小；当该可调截面回流槽43383距离半楔状挡块43331 最近时(例如当阻尼调节块43383移动至阻尼调节丝杠43382上部)，由于，阻尼调节 块43383的两侧腰/斜边与阻尼调节丝杠43382顶部两侧的两个半楔状挡块43331的斜 边完全重合，即可调截面回流槽43383被半楔状挡块43331所密封，因此，阻尼液只能 通过两个半楔状挡块43331外侧的溢流槽43332流过少许，此时，阻尼系数达到最大。

实施例七

本实施例中该外骨骼包括上述任一实施例中的各个部件，相同的部件采用相同的附 图标记。不同的是，本实施例中，该外骨骼设置有用于与上述的背负助力机构1和下肢机构4耦联的髋部机构，从而将背负助力机构1的负载(甚至前负助力机构2通过力传 输机构3传递至该背负助力机构2的负载)传递至下肢机构4。

在一具体实施例中，参见图20a和图20b，该髋部机构41，包括左髋部410a、右髋 部410b、弹性锁死对接头411、卡榫端盖412、卡榫安装座413、锁死卡榫414、背部连 接夹板415、快拆416和髋关节417(可采用上述实施例中的快拆关节的结构实现)。

其中，左髋部410a包括两个平行水平面的轨道4101和设置在两个轨道4101之间的若干竖直面的卡齿4102，如图20a所示；右髋部410b包括两个平行水平面的凸台4103 和设置再两个凸台4103之间的若干竖直面的卡齿4104；其工作原理为：使用时，将左 髋部410a水平轨道4101和右髋部410b的水平凸台4103扣合在一起，并被卡榫安装座 413和背部连接夹板415夹紧即可，从而将卡榫安装座413所受到的负重重力(来自背 负助力机构)分摊到左髋部410a和右髋部410b的髋关节417的关节轴承处。而左髋部 410a的卡齿4102和右髋部410b的竖直面卡齿4104相互扣合，使髋部机构41正好贴合 人体的腰部宽度。当然，本实施例中，若髋部机构41的宽度与穿戴者腰宽不符，只需 松开背部连接夹板415上的快拆416，便可水平滑动左髋部410a和右髋部410b，将两 者的不同竖直面的卡齿扣合在一起，从而获得理想的腰部宽度。

其中，该对接头411与上述固定座111连接，确保背负助力机构1和/或前负助力 机构2的重量传递到该髋部机构41，背部连接夹板415和快拆416配合可将髋部机构 41和下肢支撑机构4快速锁死或解开，实现将髋部机构41承担的重量传递给下肢支撑 机构4，如图1b所示。

在一具体实施例中，卡榫端盖412和卡榫安装座413可以采用一体化结构，也可设计为可以锁死或解开的两个独立部件。弹性锁死对接头411与锁死卡榫414可以配合锁 死或解开；背部连接夹板415可分为两面，锁死卡榫414固定安装在背部连接夹板415 的其中一面上，组装该背部连接夹板415时，将夹板的两面扣在一起，再用快拆件416 (在图20a所示的实施例中快拆416共有两个，可以分别嵌入背部连接夹板415上端的 两侧凹槽中)将背部连接夹板415的两面稳固地锁死在一起。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性 的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保 护范围内。

Claims (7)

1.一种外骨骼，其特征在于，包括可进行单自由度/三自由度旋转，并能够承重的快拆关节，用于将所述外骨骼的各个部分模块化。

2.如权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述快拆关节为单轴机构。

3.如权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述快拆关节内设置有阻尼机构，用于吸收所述快拆关节运动过程中的振动。

4.如权利要求3所述的外骨骼，所述阻尼机构内设置有预紧力调节机构，用于调节所述阻尼机构的预紧力。

5.如权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述快拆关节内设置有回弹机构，用于向所述快拆关节提供恢复力。

6.如权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述回弹机构为双向回弹机构。

7.如权利要求6所述的外骨骼，其特征在于，所述双向回弹机构内设置有初始应力调节机构，用于分别调节所述双向回弹机构两个方向的初始应力。