CN110640721A - 一种新型无源人体负重外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型无源人体负重外骨骼，可有效卸载人体所背负重量，辅助人体进行负重行走，增强人体负重能力和负重行走续航能力。相较于传统下肢外骨骼而言，本发明采用无膝关节设计，可以在下肢运动支撑相产生更好的负重支撑和卸载作用，在摆动相实现自由摆动，在保证负重外骨骼功能的同时简化设计。本外骨骼功能通过纯机械设计来实现，无需传感、控制和动力装置，可避免布线、噪声等问题，能够有效降低自重、提高负载自重比、延长续航能力、增强环境适应性和工作可靠性。

Description

一种新型无源人体负重外骨骼

技术领域

本发明涉及穿戴式装备技术领域，具体涉及一种新型无源人体负重外骨骼。

背景技术

人体外骨骼作为现代化穿戴式装备，主要用于增强人体负重和机动能力，同时为穿戴者提供保护。近年来，伴随社会进步和老龄化发展加快，人体外骨骼得到了迅速的发展。传统外骨骼与人体同构，运动过程中与人体保持同步。目前，对外骨骼系统的设计与研究已初具形态，但在技术和用户体验上仍拥有很大提升空间。

由于人体结构复杂，很难通过机械结构模拟实现，通常将人体步行时单条腿运动分为摆动相与支撑相，摆动相为足底与地面无接触阶段，支撑相为足部与地面接触阶段。目前，各类同构外骨骼在支撑相条件下要求外骨骼膝关节保持很大刚度，而在摆动相条件下要求能实现自由弯曲，这就要求同构外骨骼需要十分复杂的传感系统、动力系统、控制系统以及十分高效的人体运动意图预测算法和控制策略来实现人体步态的灵活转换，否则会严重削弱外骨骼综合效能。与此同时，传感系统、动力系统和控制系统的存在，必然会带来布线复杂、续航能力受限、环境适应性和工作可靠性下降等问题，还会显著增加外骨骼自重。

例如专利号为CN201120010944.9专利名称为一种有四只外骨骼下肢的人体外骨骼助行装置的发明，其使用了电源、控制装置、传感器和驱动装置，使得其结构布线复杂、续航能力受限。如专利CN201721139616.2下肢外骨骼机器人及康复机器人作为康复医疗结构，同样包含了驱动系统及控制系统，且如现有大部分外骨骼，该结构膝关选用单转轴结构完成下肢小腿伴随人体运动，该设计方法不利于上身重力传递至地面，且外骨骼下肢弯曲后，需要人与电机共同作用使其恢复伸直状态，对穿戴者的舒适度产生影响。CN201810622484.1一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置提供了一种能量迁移方法，有助于提高人体舒适性，但介于弹簧能量有限，在背负较大重物的情况下作用会被削弱，负重行走情况下辅助效果有限。

发明内容

本发明所要解决的问题是，针对上述现有技术中的缺点，提出创新方案，尤其是一种能够有效解决因传感系统、动力系统和控制系统的存在，带来的布线复杂、续航能力受限、环境适应性和工作可靠性下降等问题的方案。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，包括背髋膝结构、踝部结构，两部分于人体膝关节位置处上下相连，通过螺母控制整体长度。

所述背髋膝结构包括背板、腰部轴、背架底座、腰部连杆、髋关节连杆、髋关节轴、大腿部连接件。背板通过轴销与背架底座相连，通过腰部轴连接背架底座与腰部连杆和腰部连杆与髋关节连杆，髋关节连杆通过髋关节轴与大腿部连接件相连，大腿部连接件与踝部结构直接相连，可调节结构。

所述踝部结构包括小腿部连杆端盖、踝部扭簧、小腿部连杆、踝部扭簧轴承、踝部扭簧轴、踝部扭簧齿轮、踝部转板齿轮、踝部转板轴、转板固定件、转板限位螺钉、转板伸缩件、转板齿条，转板限位挂钩，转板单向轴承，连杆单向轴承。小腿部连杆端盖安装于小腿部连杆下端靠近人体一面上侧圆孔中，通过螺钉，于中间位置螺纹孔处于踝部扭簧轴相连，用于限位踝部扭簧，踝部扭簧安装于小腿部连杆和小腿部连杆端盖之间，踝部扭簧轴承安装于小腿部连杆下端远离人体一面上侧槽孔内，轴承内圈与踝部扭簧轴配合，踝部扭簧齿轮安装于踝部扭簧轴上，通过键与轴固连，与踝部转板齿轮啮合，连杆单向轴承安装于小腿部连杆下端远离人体一面的下侧圆孔内，轴承内圈与踝部转板轴配合，转板单向轴承外圈与踝部转板齿轮内侧圆孔配合，内圈与踝部转板轴配合，踝部转板轴末端插入转板固定件，两者之间有键约束，转板限位挂钩上圆孔安装于转板固定件下沿圆柱凸起上，两者之间添加扭簧，转板齿条通过螺钉安装于转板伸缩件上，两者固连，转板伸缩件两端两圆柱与转板固定件两侧圆柱通孔配合，可沿通孔上下移动，末端安装转板限位螺钉用于限位，转板伸缩件与转板固定件之间安装压簧，小腿部连杆安装于大腿部连接件下端矩形孔内，可调节长度。

进一步的，所述腰部连接杆正视图与侧视图均成L形，上端留有圆孔与腰部连杆和腰部轴配合，末端呈U型接口，与髋关节轴和大腿部连接件配合。

进一步的，所述小腿部连接件，末端有一L型凸起，用于转板限位挂钩配合限位，下端有两圆孔，其中上侧圆孔外围向人体方向凸出一圆壁，用于包裹踝部扭簧。

进一步的，所述踝部转板齿轮，外侧为齿轮，内部加工一圆形深孔，用于配合转板单向轴承。

进一步的，所述转板固定件，外侧为齿轮，内部加工一圆形深孔，用于配合转板单向轴承。

进一步的，所述转板限位挂钩为一J型零件，挂钩末端平常状态钩挂于小腿部连接件末端L型凸起上，挂钩末端于零件中间位置掏出一空槽，用于为转板齿条让出运动空间，上端有一圆孔，配合转板固定件下沿的圆柱轴。

进一步的，所述转板固定件为一钝角等腰三角形零件，钝角处有一圆孔，用于配合转板固定轴，两侧锐角处加工两圆柱筒，用于配合转板伸缩件上两侧圆柱轴，三角形长轴外侧加工一矩形凸起，用于限位转板限位挂钩，另加工一圆柱轴，用于配合限位转板限位挂钩前端圆孔。一侧短边上加工一圆柱凸起，结构运动时，在转板齿条上的矩形孔槽内上下运动，辅助限位。

进一步的，所述转板伸缩件成一U型零件，底端为一圆弧支撑相时与地面接触。圆弧上加工一矩形平台，作为齿条底座，用于安装转板齿条，平台上端侧伸一矩形凸起，用于运动过程中的限位，零件两端有两长圆柱轴，用于安装在转板固定件两端的圆筒内配合完成上下伸缩运动，圆柱轴末端安装转板限位螺钉。

进一步的，小腿部连杆安装于大腿部连接件下端矩形孔内并自由滑动，矩形孔一侧开一纵向深槽，深槽贯通矩形孔孔壁，大腿连接件低端外侧纵向深槽旁设计两螺纹孔，通过两螺纹孔内螺钉的松紧可以控制大腿连接件底端发生形变，使矩形孔中两较大面之间的距离缩短或扩大，控制两零件之间的压力，从而改变滑动摩擦力，对整体长度进行调节，当需要调节长度时，放松螺母，减小摩擦，改变长度，当到达合适长度时，紧固螺钉，增大摩擦，完成结构的锁紧。

本申请的无源人体负重外骨骼整体结构省略膝关节结构，在伴随人体运动的过程中，改变外骨骼下肢长度，支撑相时为最长，用于辅助人体支撑重物，将重力传导至地面，当摆动相时，则通过踝部结构的旋转和伸缩，缩短单腿长度，从而在摆动过程中不会因与地面接触而产生阻力。以单腿为例，在迈步过程中，腿前迈，摆动相转换为支撑相，脚落地之前，外骨骼整体长度处于最长的状态，足部下落开始，转板伸缩件底端圆弧状结构接触地面并开始沿转板固定件圆筒方向开始向上滑动，转板伸缩件运动带动转板齿条，进而带踝部动转板齿轮运动，将运动通过踝部卷簧齿轮以及踝部卷簧轴传递至踝部卷簧，此时因为在转板限位挂钩和连杆单向轴承共同作用下，转板固定件无法转动，处于完全锁死状态，提供稳定支撑，重物下落压缩转板伸缩件的能量以弹性势能的形式储存在踝部卷簧中。

步态运动至支撑相中间位置时，由于转板齿条一直上升，到达极限位置，转板伸缩件下沿上的齿条安装平台上升，将转板限位挂钩顶起，结构解锁，转板限位挂钩顶起后转板固定件在踝部卷簧及重力的作用下发生转动，然后由转板伸缩件上的齿条安装平台上的侧伸矩形凸起与小腿部连杆下端L型凸起卡住，结构进入新的闭锁状态，使转板固定件继续保持无法转动的状态。

步态运动至支撑相中间位置后，大腿开始向后摆动，重心前移，转板伸缩件在转板弹簧的作用下，开始伸长，向下运动，由于转板伸缩件中限位部分较于转板限位挂钩限位位置稍靠后，所以转板限位挂钩在扭簧的作用下再次落下时不会挂住小腿部连杆下端L型凸起，所以当转板伸缩件上的齿条安装平台上的侧伸矩形凸起脱离小腿部连杆下端L型凸起后，会在踝部卷簧的作用下，推动转板固定件转动，转动同时，转板伸缩件持续向外伸出，直至抵达转板限位螺钉的限制位置停止，踝部结构中的旋转部分较长部分移动至上侧，较短部分移动至下方，同时腿部进行摆动，在摆动的过程中，外骨骼整体长度处于较短的状态，所以不会与地面接触进而影响人的正常行走。

旋转一周后，转板限位挂钩再次挂在小腿部连杆下方L型凸起上，限制转板固定件的转动，进入下一个步态周期。

本发明的技术效果如下：

(1)本发明为纯机械设计，零部件结构简单，无需考虑续航能力，既不会因为能源问题而增加自重，也不会因为传感、动力和控制问题而降低环境适应性和工作可靠性。

(2)本发明省略膝关节，简化外骨骼总体结构，重力直接通过刚性杆件传递至地面，增加外骨骼辅助支撑能力，提供更好卸载效果，并不影响穿戴者正常行走。

(3)本发明通过人体运动和灵巧结构设计，完成支撑相和摆动相的步态转换。

附图说明

图1为本发明新型无源人体负重外骨骼整体结构示意图。

图2为本发明背髋膝结构爆炸图。

图3为本发明踝部结构爆炸图。

其中，1-背髋膝结构、2-踝部结构、101-背板、102-腰部轴、103-背架底座、104-腰部连杆、105-髋关节连杆、106-髋关节轴、107-大腿部连接件、201-小腿部连杆端盖、202-踝部卷簧、203-小腿部连杆、204-踝部卷簧轴承、205-踝部卷簧轴、206-踝部卷簧齿轮、207-踝部转板齿轮、208-踝部转板轴、209-转板固定件、210-转板限位螺钉、211-转板伸缩件、212-转板齿条，213-转板限位挂钩，214-转板单向轴承，215-连杆单向轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1，新型无源人体负重外骨骼整体结构示意图，包括背髋膝结构1、踝部结构2，两部分于人体膝关节位置处上下相连，通过螺母控制整体长度。

如图2，背髋膝结构爆炸图，包括背板101、腰部轴102、背架底座103、腰部连杆104、髋关节连杆105、髋关节轴106、大腿部连接件107。背板101通过轴销与背架底座103相连，通过腰部轴102连接背架底座102与腰部连杆和腰部连杆104与髋关节连杆105，髋关节连杆105通过髋关节轴106与大腿部连接件107相连，大腿部连接件107与踝部结构2直接相连，可调节结构。

如图3，踝部结构爆炸图，包括小腿部连杆端盖201、踝部卷簧202、小腿部连杆203、踝部卷簧轴承204、踝部卷簧轴205、踝部卷簧齿轮206、踝部转板齿轮207、踝部转板轴208、转板固定件209、转板限位螺钉210、转板伸缩件211、转板齿条212，转板限位挂钩213，转板单向轴承214，连杆单向轴承215。小腿部连杆端盖201安装于小腿部连杆203下端靠近人体一面上侧圆孔中，通过螺钉，于中间位置螺纹孔处于踝部扭簧轴205相连，用于限位踝部扭簧202，踝部扭簧202安装于小腿部连杆203和小腿部连杆端盖201之间，踝部扭簧轴承204安装于小腿部连杆203下端远离人体一面上侧槽孔内，轴承内圈与踝部扭簧轴205配合，踝部扭簧齿轮206安装于踝部扭簧轴205上，通过键与轴固连，与踝部转板齿轮207啮合，连杆单向轴承215安装于小腿部连杆203下端远离人体一面的下侧圆孔内，轴承内圈与踝部转板轴208配合，转板单向轴承214外圈与踝部转板齿轮207内侧圆孔配合，内圈与踝部转板轴208配合，踝部转板轴208末端插入转板固定件209，两者之间有键约束，转板限位挂钩213上圆孔安装于转板固定件209下沿圆柱凸起上，两者之间添加扭簧，转板齿条212通过螺钉安装于转板伸缩件211上，两者固连，转板伸缩件211两端两圆柱与转板固定件209两侧圆柱通孔配合，可沿通孔上下移动，末端安装转板限位螺钉210用于限位，转板伸缩件211与转板固定件209之间安装压簧，小腿部连杆203安装于大腿部连接件107下端矩形孔内，可调节长度。

腰部连接杆104正视图与侧视图均成L形，上端留有圆孔与腰部连杆104和腰部轴102配合，末端呈U型接口，与髋关节轴106和大腿部连接件107配合。

小腿部连接件203，末端有一L型凸起，用于转板限位挂钩213配合限位，下端有两圆孔，其中上侧圆孔外围向人体方向凸出一圆壁，用于包裹踝部扭簧202。

踝部转板齿轮207，外侧为齿轮，内部加工一圆形深孔，用于配合转板单向轴承214。

转板固定件209，外侧为齿轮，内部加工一圆形深孔，用于配合转板单向轴承214。

转板限位挂钩213为一J型零件，挂钩末端平常状态钩挂于小腿部连接件203末端L型凸起上，挂钩末端于零件中间位置掏出一空槽，用于为转板齿条212让出运动空间，上端有一圆孔，配合转板固定件209下沿的圆柱轴。

转板固定件209为一钝角等腰三角形零件，钝角处有一圆孔，用于配合转板固定轴，两侧锐角处加工两圆柱筒，用于配合转板伸缩件211上两侧圆柱轴，三角形长轴外侧加工一矩形凸起，用于限位转板限位挂钩213，另加工一圆柱轴，用于配合限位转板限位挂钩213前端圆孔。一侧短边上加工一圆柱凸起，结构运动时，在转板齿条212上的矩形孔槽内上下运动，辅助限位。

转板伸缩件211成一U型零件，底端为一圆弧支撑相时与地面接触。圆弧上加工一矩形平台，作为齿条底座，用于安装转板齿条212，平台上端侧伸一矩形凸起，用于运动过程中的限位，零件两端有两长圆柱轴，用于安装在转板固定件209两端的圆筒内配合完成上下伸缩运动，圆柱轴末端安装转板限位螺钉210。

整体结构为无膝关节设计，在伴随人体运动的过程中，改变外骨骼下肢长度，支撑相时为最长，用于辅助人体支撑重物，将重力传导至地面，当摆动相时，则通过踝部结构的旋转和伸缩，缩短单腿长度，从而在摆动过程中不会因与地面接触而产生阻力。以单腿为例，在迈步过程中，腿前迈，摆动相转换为支撑相，脚落地之前，外骨骼整体长度处于最长的状态，足部下落开始，转板伸缩件211底端圆弧状结构接触地面并开始沿转板固定件209圆筒方向开始向上滑动，转板伸缩件运动211带动转板齿条212，进而带踝部动转板齿轮207运动，将运动通过踝部卷簧齿轮206以及踝部卷簧轴传递至踝部卷簧202，此时因为在转板限位挂钩213和连杆单向轴承215共同作用下，转板固定件209无法转动，处于完全锁死状态，提供稳定支撑，重物下落压缩转板伸缩件211的能量以弹性势能的形式储存在踝部卷簧中。本专利为无膝关节设计，这里这句话所描述的意思是：相较于其他有膝关节的设计而言，本专利无膝关节设计的优点是“可以在下肢运动支撑相产生更好的负重支撑和卸载作用”。

步态运动至支撑相中间位置时，由于转板齿条212一直上升，到达极限位置，转板伸缩件下沿上的齿条安装平台上升，将转板限位挂钩213顶起，结构解锁，转板限位挂钩213顶起后转板固定件209在踝部卷簧202及重力的作用下发生转动，然后由转板伸缩件211上的齿条安装平台上的侧伸矩形凸起与小腿部连杆203下端L型凸起卡住，结构进入新的闭锁状态，使转板固定件209继续保持无法转动的状态。

步态运动至支撑相中间位置后，大腿开始向后摆动，重心前移，转板伸缩件211在转板弹簧216的作用下，开始伸长，向下运动，由于转板伸缩件211中限位部分较于转板限位挂钩213限位位置稍靠后，所以转板限位挂钩213在扭簧的作用下再次落下时不会挂住小腿部连杆203下端L型凸起，所以当转板伸缩件211上的齿条安装平台上的侧伸矩形凸起脱离小腿部连杆203下端L型凸起后，会在踝部卷簧202的作用下，推动转板固定件209转动，转动同时，转板伸缩件211持续向外伸出，直至抵达转板限位螺钉210的限制位置停止，踝部结构2中的旋转部分较长部分移动至上侧，较短部分移动至下方，同时腿部进行摆动，在摆动的过程中，外骨骼整体长度处于较短的状态，所以不会与地面接触进而影响人的正常行走。

旋转一周后，转板限位挂钩213再次挂在小腿部连杆203下方L型凸起上，限制转板固定件的转动，进入下一个步态周期。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，包括背髋膝结构(1)、踝部结构(2)，两部分于人体膝关节位置处上下相连，通过螺母控制整体长度；

所述背髋膝结构(1)包括背板(101)、腰部轴(102)、背架底座(103)、腰部连杆(104)、髋关节连杆(105)、髋关节轴(106)、大腿部连接件(107)；背板(101)通过轴销与背架底座(103)相连，通过腰部轴(102)连接背架底座(103)与腰部连杆和腰部连杆(104)与髋关节连杆(105)；髋关节连杆(105)通过髋关节轴(106)与大腿部连接件(107)相连；大腿部连接件(107)与踝部结构(2)直接相连，可调节结构长度；

所述踝部结构(2)包括小腿部连杆端盖(201)、踝部扭簧(202)、小腿部连杆(203)、踝部扭簧轴承(204)、踝部扭簧轴(205)、踝部扭簧齿轮(206)、踝部转板齿轮(207)、踝部转板轴(208)、转板固定件(209)、转板限位螺钉(210)、转板伸缩件(211)、转板齿条(212)，转板限位挂钩(213)，转板单向轴承(214)，连杆单向轴承(215)；小腿部连杆端盖(201)安装于小腿部连杆(203)下端靠近人体一面上侧圆孔中，通过螺钉，于中间位置螺纹孔处于踝部扭簧轴(205)相连；踝部扭簧(202)用于限位，踝部扭簧(202)安装于小腿部连杆(203)和小腿部连杆端盖(201)之间；踝部扭簧轴承(204)安装于小腿部连杆(203)下端远离人体一面上侧槽孔内，轴承内圈与踝部扭簧轴(205)配合；踝部扭簧齿轮(206)安装于踝部扭簧轴(205)上，通过键与轴固连，与踝部转板齿轮(207)啮合；连杆单向轴承(215)安装于小腿部连杆(203)下端远离人体一面的下侧圆孔内，轴承内圈与踝部转板轴(208)配合，转板单向轴承(214)外圈与踝部转板齿轮(207)内侧圆孔配合，内圈与踝部转板轴(208)配合，踝部转板轴(208)末端插入转板固定件(209)，两者之间有键约束；转板限位挂钩(213)上圆孔安装于转板固定件(209)下沿圆柱凸起上，两者之间添加扭簧，转板齿条(212)通过螺钉安装于转板伸缩件(211)上，两者固连，转板伸缩件(211)两端两圆柱与转板固定件(209)两侧圆柱通孔配合，可沿通孔上下移动，末端安装转板限位螺钉(210)用于限位，转板伸缩件(211)与转板固定件(209)之间安装压簧；小腿部连杆(203)安装于大腿部连接件(107)下端矩形孔内，可调节长度。

2.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述腰部连接杆(104)正视图与侧视图均成L形，上端留有圆孔与腰部连杆(104)和腰部轴(102)配合，末端呈U型接口，与髋关节轴(106)和大腿部连接件(107)配合。

3.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述小腿部连接件(203)，末端有一L型凸起，用于转板限位挂钩(213)配合限位，下端有两圆孔，其中上侧圆孔外围向人体方向凸出一圆壁，用于包裹踝部扭簧(202)。

4.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述踝部转板齿轮(207)，外侧为齿轮，内部加工一圆形深孔，用于配合转板单向轴承(214)。

5.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述转板固定件(209)，外侧为齿轮，内部加工一圆形深孔，用于配合转板单向轴承(214)。

6.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述转板固定件(209)为一钝角等腰三角形零件，钝角处有一圆孔，用于配合转板固定轴，两侧锐角处加工两圆柱筒，用于配合转板伸缩件(211)上两侧圆柱轴，三角形长轴外侧加工一矩形凸起，用于限位转板限位挂钩(213)，另加工一圆柱轴，用于配合限位转板限位挂钩(213)前端圆孔；一侧短边上加工一圆柱凸起，结构运动时，在转板齿条(212)上的矩形孔槽内上下运动，辅助限位。

7.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述转板伸缩件(211)成一U型零件，底端为一圆弧支撑相时与地面接触；圆弧上加工一矩形平台，作为齿条底座，用于安装转板齿条(212)，平台上端侧伸一矩形凸起，用于运动过程中的限位，零件两端有两长圆柱轴，用于安装在转板固定件(209)两端的圆筒内配合完成上下伸缩运动，圆柱轴末端安装转板限位螺钉(210)。

8.根据权利要求3所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，所述转板限位挂钩(213)为一J型零件，挂钩末端平常状态钩挂于小腿部连接件(203)末端L型凸起上，挂钩末端于零件中间位置掏出一空槽，用于为转板齿条(212)让出运动空间，上端有一圆孔，配合转板固定件(209)下沿的圆柱轴。

9.根据权利要求1所述的一种新型无源人体负重外骨骼，其特征在于，小腿部连杆(203)安装于大腿部连接件(107)下端矩形孔内并自由滑动，矩形孔一侧开一纵向深槽，深槽贯通矩形孔孔壁，大腿连接件(107)底端外侧纵向深槽旁设计两螺纹孔，通过两螺纹孔内螺钉的松紧可以控制大腿连接件(107)低端发生形变，使矩形孔中两较大面之间的距离缩短或扩大，控制两零件之间的压力，从而改变滑动摩擦力，对整体长度进行调节，当需要调节长度时，放松螺母，减小摩擦，改变长度，当到达合适长度时，紧固螺钉，增大摩擦，完成结构的锁紧。

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