CN111096876B - 下肢负重移动外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢负重移动外骨骼，包括背板部件、髋关节驱动器部件和大腿连接部件，其中，所述髋关节驱动器部件有两个且分别与所述背板部件的两端连接，所述大腿连接部件有两个且分别与两个所述髋关节驱动器部件相连；当人体髋关节处于摆动期时，屈曲的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，伸展的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于能量释放状态，以辅助人体负重移动。本发明可以辅助人体负重向前移动，为负重移动用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重，具有更广阔的市场前景。

Description

下肢负重移动外骨骼

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种下肢负重移动外骨骼。

背景技术

本发明的主要应用领域有民用、医疗、军事等领域，主要应用对象是下肢负重移动外骨骼。在民用领域方面，负重移动外骨骼机器人可以用于抢险救援，减轻救援人员运送设备的负担；医疗领域方面，与康复外骨骼机器人不同，负重移动外骨骼机器人可以帮助医务人员轻松地移动患者，更方便地照顾患者；军事领域方面，负重移动外骨骼机器人可以提高战场的救援效率，帮助更多的受伤人员，并可以解决士兵负重携行问题，提升士兵作战效能。因此，这一设备对于以上领域来说都具有积极的意义。

当前，国内外均对下肢负重移动外骨骼进行了一系列研究，也在核心技术和实际应用方面取得了丰硕的成果。现有的下肢外骨骼设备主要分为动力和无动力两种。动力外骨骼的发展始于上世纪60年代，经历了探索、积累到快速发展等阶段。目前，最具代表性的军用动力外骨骼为美国加州大学伯克利分校2000年开始研制的BLEEX，它通过由力传感器、倾角传感器、足底压力传感器和陀螺仪组成的传感器系统测量行走中的各类参数，通过线性液压驱动自行保持平衡，穿戴者仅需要提供导向就可以实现机器人的运动。动力助力外骨骼从最初主要致力于增强人体承受和背负负载的能力，已经发展到致力于轻型化、智能化和更好的人机融合。虽然BLEEX等动力外骨骼已经实现了需求，使穿戴者可以携带75磅负载，在3.2km/h的平均速度下行走，但是由于这类外骨骼通常具有复杂的电控、传感和动力系统，其体积和重量通常较大，维修保养不易，而且价格高昂，不能大量投入使用。

最具代表性的无动力负重移动外骨骼机器人由美国麻省理工学院研发。该项目的目的是研究和开发一款轻盈高效的被动式的外骨骼助力机器人，能够使士兵在负载36公斤的情况下以1m/s的速度行走，其中80％的负重被传递到地面上。驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节屈曲过程中运动弹簧储存能量，伸展运动时弹簧释放能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统由安装在外骨骼外壳上的桥式应变片传感器和安装在膝关节的电位计组成，用于控制膝关节处的磁流变阻尼器。相比动力式外骨骼设备复杂的控制系统和庞大的驱动装置，无动力式助力外骨骼设备通过将负重传递到地面上来减少人体承受的重量，同时通过弹簧储能，将重心下降时的能量存储起来，在髋关节伸展时释放能量，目的在于减少行走能耗；变阻尼器用于缓冲脚跟着地带来的冲击力，起保护膝关节的作用，驱动部分起到将周期性的冲击力均匀化，降低损伤的同时增加了持续行走的能力。

无动力负重移动外骨骼虽然在平地上的表现较好，但是由于无能量输入，无法实际做功，在爬坡或上楼梯的过程中起到的辅助作用有限。此外，由于负重行走过程中髋关节屈曲所消耗的能量占行走过程总能耗的比例低于30％，因此外骨骼通过在屈髋阶段提供助力提升士兵负重行走的效果并不理想。动力助力外骨骼机器人的综合表现较好，但是除了结构复杂外，还有一个问题就是需要电机间歇性提供极大扭矩，这不仅增加了控制系统的复杂程度，还增加了对于电机的要求，从而增加了动力外骨骼机器人的体积和重量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种下肢负重移动外骨骼，为用户尤其是负重移动的用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重。

根据本发明实施例的下肢负重移动外骨骼，包括：

背板部件，所述背板部件用于适配地佩戴在人体背部；

髋关节驱动器部件，所述髋关节驱动器部件有两个，两个所述髋关节驱动器部件分别与所述背板部件的两端连接，以使两个所述髋关节驱动器部件适配地对应于人体两侧的髋关节处；

大腿连接部件，所述大腿连接部件有两个，两个所述大腿连接部件分别与两个所述髋关节驱动器部件相连，两个所述大腿连接部件分别用于佩戴在人体两条大腿上；

当人体髋关节处于摆动期时，屈曲的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，伸展的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于能量释放状态，以辅助人体负重移动。

根据本发明实施例的下肢负重移动外骨骼，当人体髋关节处于摆动期时，即人体大腿屈曲抬升向前迈进时，屈曲的髋关节对应的髋关节驱动器部件处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，即大腿从抬升的最高点落地向后伸展的过程，伸展的髋关节对应的髋关节驱动器部件释放能量来驱动大腿伸展，抬升重心，由此，可以辅助人体负重向前移动，为用户尤其是负重移动的用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重，具有更广阔的市场前景。

根据本发明的一个实施例，所述髋关节驱动器部件包括：

驱动装置；

机架；

主轴，所述主轴的两端分别可自由转动地安装在所述机架的两端上；

棘爪架，所述棘爪架套装且固定在所述主轴上，所述棘爪架可在第一位置和第二位置之间往复周期性转动，且当人体髋关节处于摆动期时，所述棘爪架从所述第一位置转动到所述第二位置，当人体髋关节处于支撑期时，所述棘爪架从所述第二位置回转到所述第一位置；

棘轮，所述棘轮可自由转动地套装在所述主轴上且与所述驱动装置相连；

棘爪组件，所述棘爪组件包括第一棘爪和第二棘爪，所述第一棘爪可枢转地安装在所述机架上，所述第二棘爪可枢转地安装在所述棘爪架上；

当人体髋关节处于摆动期时，所述第一棘爪与所述棘轮处于拨合状态且所述第二棘爪与所述棘轮相应地处于分离状态，所述棘轮保持静止状态，所述驱动装置储存能量，与此同时，所述棘爪架逆着所述棘轮的棘齿方向从所述第一位置转动到所述第二位置；

当所述棘爪架转动到所述第二位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入拨合状态后，所述第一棘爪与所述棘轮立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，所述驱动装置释放能量带动所述棘轮顺着所述棘轮的棘齿方向运动，从而驱动所述棘爪架同步顺着所述棘轮的棘齿方向转动，直到所述棘爪架转动到所述第一位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入分离状态后，所述第一棘爪与所述棘轮进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期。

根据本发明进一步的实施例，所述驱动装置包括电机、传动组件和扭簧，所述传动组件可自由转动地套装在所述主轴上，所述传动组件的一端与所述电机相连，所述传动组件的另一端与所述扭簧的一端固定，所述扭簧的另一端与所述棘轮固定；

当人体髋关节处于摆动期时，所述第一棘爪与所述棘轮处于拨合状态且所述第二棘爪与所述棘轮相应地处于分离状态，所述棘轮保持静止状态，所述电机驱动所述传动组件转动使得所述扭簧产生扭转变形而储能，与此同时，所述棘爪架逆着所述棘轮的棘齿方向从所述第一位置向所述第二位置转动；

当所述棘爪架转动到所述第二位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入拨合状态后，所述第一棘爪与所述棘轮立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，所述扭簧释放能量带动所述棘轮顺着所述棘轮的棘齿方向运动，从而驱动所述棘爪架同步顺着所述棘轮的棘齿方向转动，直到所述棘爪架转动到所述第一位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入分离状态后，所述第一棘爪与所述棘轮进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期。

根据本发明再进一步的实施例，所述传动组件包括小锥齿轮和大锥齿轮，所述小锥齿轮与所述电机相连，所述小锥齿轮与所述大锥齿轮啮合；所述大锥齿轮可自由转动地套装在所述主轴上且靠近所述机架的一端，所述棘爪架靠近所述机架的另一端，所述棘轮位于所述大锥齿轮和所述棘爪架之间，所述扭簧的一端固定在所述大锥齿轮上。

根据本发明的一些实施例，还包括拨柱组件，所述拨柱组件包括棘爪架第一拨柱、棘爪架第二拨柱、机架拨合销和机架拨柱；其中，所述棘爪架第一拨柱和所述棘爪架第二拨柱间隔开地固定在所述棘爪架上，所述棘爪架第一拨柱至所述主轴的距离大于所述棘爪架第二拨柱至所述主轴的距离，所述棘爪架第一拨柱用于将所述第一棘爪与所述棘轮拨合，所述棘爪架第二拨柱用于将所述第一棘爪与所述棘轮剥离；所述机架拨合销和机架拨柱间隔开地固定在所述机架上；所述机架拨合销用于将所述第二棘爪与所述棘轮拨合，所述机架拨柱用于将所述第二棘爪与所述棘轮拨离。

根据本发明进一步的实施例，所述机架拨合销沿所述棘轮的径向方向布置且远离所述第一棘爪，当所述棘爪架转到所述第二位置时，所述机架拨合销挤压所述第二棘爪的外侧面，使得所述第二棘爪与所述棘轮拨合。

根据本发明再进一步的实施例，所述机架拨合销与所述机架之间设有内置弹簧。

根据本发明进一步的实施例，拨柱组件还包括第一棘爪限位柱，所述第一棘爪限位柱固定在所述机架上且临近于所述第一棘爪，当所述棘爪架第二拨柱拨离所述第一棘爪时，所述第一棘爪限位柱限制所述第一棘爪的位移。

根据本发明进一步的实施例，所述机架拨柱平行于所述主轴的轴向方向，所述棘爪架上设有弧形滑孔，所述机架拨柱穿过所述弧形滑孔，当所述棘爪架转到所述第一位置时，所述机架拨柱位于所述第二棘爪与所述棘轮之间并将所述第二棘爪从所述棘轮上拨离。

根据本发明进一步的实施例，所述棘爪架第一拨柱平行与所述主轴轴向方向，当所述棘爪架转到所述第一位置时且在所述机架拨柱先拨离所述第二棘爪后，所述棘爪架第一拨柱用于挤压所述第一棘爪的外侧面，使得所述第一棘爪与所述棘轮拨合；

所述棘爪架第二拨柱平行于所述主轴轴向方向，当所述棘爪架转到所述第二位置时且在所述机架拨合销先拨合所述第二棘爪架后，所述棘爪架第二拨柱位于所述第一棘爪与所述棘轮之间并将所述第一棘爪从所述棘轮上拨离。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的下肢负重移动外骨骼的立体示意图。

图2为本发明实施例的下肢负重移动外骨骼的髋关节驱动器部件的一个结构示意图。

图3为本发明实施例的下肢负重移动外骨骼的髋关节驱动器部件的一个侧面局部示意图。

图4为图3中A-A处的剖面结构示意图。

图5为本发明实施例的下肢负重移动外骨骼的髋关节驱动器部件的摆动期储能过程的一个示意图。

图6为本发明实施例的下肢负重移动外骨骼的髋关节驱动器部件的支撑期释放能量过程的一个示意图。

图7为本发明实施例的下肢负重移动外骨骼的髋关节驱动器部件的另一个剖面结构示意图。

附图标记：

下肢负重移动外骨骼1000

髋关节驱动器部件1

驱动装置11 电机111 小锥齿轮112 大锥齿轮113 扭簧114 电机支架115

机架12 第一机架121 第二机架122 第三机架123

主轴13

棘爪架14 弧形滑孔141

棘轮15

第一棘爪161 第一棘爪162

棘爪架第一拨柱171 棘爪架第二拨柱172 机架拨合销173 机架拨柱174

第一棘爪限位柱175

背板部件2 背板主体21 延伸臂22

大腿连接部件3

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

综合考虑负重行走时人体运动特点，本发明旨在利用小电机带动扭簧进行储能，并通过棘轮双棘爪机构进行离合，在摆动期(髋关节屈曲)储存能量，在支撑期(髋关节伸展)释放能量，提供助力，实现基于棘轮双棘爪髋关节驱动器的负重移动外骨骼设计。

下面结合图1至图7来描述根据本发明实施例的下肢负重移动外骨骼1000。

如图1所示，根据本发明实施例的下肢负重移动外骨骼1000，包括背板部件2、髋关节驱动器部件1和大腿连接部件3。其中，背板部件2用于适配地佩戴在人体背部；髋关节驱动器部件1有两个，两个髋关节驱动器部件1分别与背板部件2的两端连接，以使两个髋关节驱动器部件1适配地对应于人体两侧的髋关节处；大腿连接部件3有两个，两个大腿连接部件3分别与两个髋关节驱动器部件1相连，两个大腿连接部件3分别用于佩戴在人体两条大腿上；当人体髋关节处于摆动期时，屈曲的髋关节对应的髋关节驱动器部件1处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，伸展的髋关节对应的髋关节驱动器部件1处于能量释放状态，以辅助人体负重移动。

具体而言，背板部件2用于适配地佩戴在人体背部，例如，背板部件2可以包括佩戴时位于人体两侧髋关节之间上方的横向设置的背板主体21和与背板主体21的相对两端分别相连的且分别朝人体髋关节延伸的两个延伸臂22。

髋关节驱动器部件1有两个，两个髋关节驱动器部件1分别与背板部件2的两端连接，以使两个髋关节驱动器部件1适配地对应于人体两侧的髋关节处。可以理解的是，两个髋关节驱动器部件1可以分别通过螺栓固定到背板部件2的两端，例如固定到背板部件2的两个延伸臂22上。

大腿连接部件3有两个，两个大腿连接部件3分别与两个髋关节驱动器部件1相连，两个大腿连接部件3分别用于佩戴在人体两条大腿上。可以理解的是，两个髋关节驱动器部件1还可以分别对应地连接到两个大腿连接部件3上。

也就是说，两个髋关节驱动器部件1分别对应地与背板部件2的两端固定连接，还与两个大腿部件连接，由此，当用户佩戴本发明实施例的下肢负重移动外骨骼1000时，便于力的传递。

当人体髋关节处于摆动期时，即人体大腿屈曲抬升向前迈进时，屈曲的髋关节对应的髋关节驱动器部件1处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，即大腿从抬升的最高点落地向后伸展的过程，伸展的髋关节对应的髋关节驱动器部件1释放能量来驱动大腿伸展，抬升重心，由此可以以辅助人体负重向前移动，可以在用户尤其是负重移动的用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重。

根据本发明实施例的下肢负重移动外骨骼1000，当人体髋关节处于摆动期时，即人体大腿屈曲抬升向前迈进时，屈曲的髋关节对应的髋关节驱动器部件1处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，即大腿从抬升的最高点落地向后伸展的过程，伸展的髋关节对应的髋关节驱动器部件1释放能量来驱动大腿伸展，抬升重心，由此可以以辅助人体负重向前移动，可以在用户尤其是负重移动的用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重，具有更广阔的市场前景。

如图1至图7所示，根据本发明的一个实施例，髋关节驱动器部件1包括驱动装置11、机架12、主轴13、棘爪架14、棘轮15和棘爪组件；其中，主轴13的两端分别可自由转动地安装在机架12的两端上；棘爪架14套装且固定在主轴13上，棘爪架14可在第一位置和第二位置之间往复周期性转动，且当人体髋关节处于摆动期时，棘爪架14从第一位置转动到第二位置，当人体髋关节处于支撑期时，棘爪架14从第二位置回转到第一位置；

棘轮15可自由转动地套装在主轴13上且与驱动装置11相连；棘爪组件包括第一棘爪161和第二棘爪162，第一棘爪161可枢转地安装在机架12上，第二棘爪162可枢转地安装在棘爪架14上；如图5所示，当人体髋关节处于摆动期时，第一棘爪161与棘轮15处于拨合状态且第二棘爪162与棘轮15相应地处于分离状态，棘轮15保持静止状态，驱动装置11储存能量，与此同时，棘爪架14逆着棘轮15的棘齿方向从第一位置转动到第二位置；如图6所示，当棘爪架14转动到第二位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入拨合状态后，第一棘爪161与棘轮15立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，驱动装置11释放能量带动棘轮15顺着棘轮15的棘齿方向运动，从而驱动棘爪架14同步顺着棘轮15的棘齿方向转动，直到棘爪架14转动到第一位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入分离状态后，第一棘爪161与棘轮15进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期。

具体地说，驱动装置11主要作用提供和传递动力。

机架12，可以采用分体式结构，包括第一机架121、第二机架122和第三机架123，第一机架121、第二机架122和第三机架123通过组装固定而形成外壳，以方便安装和容纳其他功能部件。

主轴13的两端分别可自由转动地安装在机架121的两端上，也就是说，主轴13的一端可以通过一个第一轴承安装在机架12的一端上，主轴13的另一端可以通过另一个第一轴承安装在机架12的另一端上，这样主轴13可以相对于机架12自由转动，即主轴13的转动不受机架12的约束，主轴13相当于人体下肢关节，例如，将本发明实施例的下肢负重移动外骨骼1000佩戴在用户身体上，对应的人体髋关节和髋关节驱动器部件1的主轴13可以同步同向转动。这里需要说明的是，主轴13可以与大腿连接部件3相连，便于通过主轴13以及大腿连接部件3与人体大腿之间进行力的传递。

棘爪架14套装且固定在主轴13上，例如，棘爪架14可以通过键固定在主轴13上，使得棘爪架14与主轴13可以同步同向转动；棘爪架14可在第一位置和第二位置之间往复周期性转动，且当人体髋关节处于摆动期时，棘爪架14从第一位置转动到第二位置，当人体髋关节处于支撑期时，棘爪架14从第二位置回转到第一位置，可以与用户行走时大腿交替往复周期性运动的步调节奏基本一致。

棘轮15可自由转动地套装在主轴13上，例如棘轮15可以通过第二轴承如深沟球轴承套装在主轴13上，可以使棘轮15转动不受主轴13的约束；棘轮15与驱动装置11相连，以便驱动装置11驱动棘轮15转动。

棘爪组件包括第一棘爪161和第二棘爪162，第一棘爪161可枢转地安装在机架12上，第二棘爪162可枢转地安装在棘爪架14上；当人体髋关节处于摆动期时，对应于人体大腿屈曲抬升向前迈进的过程，屈曲的髋关节对应的髋关节驱动器部件1的第一棘爪161与棘轮15处于拨合状态且第二棘爪162与棘轮15相应地处于分离状态，棘轮15保持静止状态，驱动装置11储存能量，与此同时，棘爪架14随着人体髋关节向前屈曲而同步逆着棘轮15的棘齿方向从第一位置转动到第二位置；当棘爪架14转动到第二位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入拨合状态后，第一棘爪161与棘轮15立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，对应大腿从抬升的最高点落地向后伸展，伸展的髋关节对应的髋关节驱动器部件1的驱动装置11释放能量带动棘轮15顺着棘轮15的棘齿方向运动，从而驱动棘爪架14机主轴13同步顺着棘轮15的棘齿方向转动，通过主轴13将力量传递给对应的大腿连接部件3，来驱动大腿伸展，抬升重心，由此可以以辅助人体负重向前移动，可以辅助用户尤其是负重移动的用户在平地行走、爬坡或上楼梯。需要特别说明的是，当棘爪架14转动到第二位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入拨合状态后，第一棘爪161与棘轮15立即进入分离状态，这样可以避免棘轮15空转而浪费驱动装置11储存的能量。

驱动装置11释放能量直到棘爪架14转动到第一位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入分离状态后，第一棘爪161与棘轮15进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期，以此往复周期性运动，实现连续负重移动。这里需要特别说明的是，棘爪架14转动到第一位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入分离状态后，第一棘爪161与棘轮15进入拨合状态，这是由于如果先拨合第一棘爪161，则会卡住棘爪架14无法继续旋转，第二棘爪162架14无法触碰到机架拨柱174而被拨开。

该实施例的下肢负重移动外骨骼1000的核心部件是由棘轮15、第一棘爪161和第二棘爪162构成的棘轮15双棘爪机构，该机构利用较小的体积实现了柔性双离合的功能，控制方便、结构简单，质量较小，能耗低，成本低，更便于携带和使用，因此，具有更广阔的市场前景。在此基础上结合驱动装置11，进一步实现周期性推动下肢负重移动的动能。

根据本发明进一步的实施例，驱动装置11包括电机111(例如小电机)、传动组件和扭簧114，传动组件可自由转动地套装在主轴13上，传动组件的一端与电机111相连，传动组件的另一端与扭簧114的一端固定，扭簧114的另一端与棘轮15固定；当人体髋关节处于摆动期时，第一棘爪161与棘轮15处于拨合状态且第二棘爪162与棘轮15相应地处于分离状态，棘轮15保持静止状态，电机111驱动传动组件转动使得扭簧114产生扭转变形而储能，与此同时，棘爪架14逆着棘轮15的棘齿方向从第一位置向第二位置转动；当棘爪架14转动到第二位置时，第二棘爪162与棘轮15先进入拨合状态后，第一棘爪161与棘轮15立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，扭簧114释放能量带动棘轮15顺着棘轮15的棘齿方向运动，从而驱动棘爪架14及主轴13同步顺着棘轮15的棘齿方向转动，直到棘爪架14转动到第一位置时，在这个支撑期过程中，通过主轴13及对应的大腿连接部件3驱动该大腿，使人体负重前移。当棘爪架14转动到第一位置时第二棘爪162与棘轮15先进入分离状态后，第一棘爪161与棘轮15进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期。

根据本发明再进一步的实施例，传动组件包括小锥齿轮112和大锥齿轮113，小锥齿轮112与电机111相连，小锥齿轮112与大锥齿轮113啮合；大锥齿轮113可自由转动地套装在主轴13上且靠近机架12的一端，棘爪架14靠近机架12的另一端，棘轮15位于大锥齿轮113和棘爪架14之间，扭簧114的一端固定在大锥齿轮113。可以理解的是，传动组件采用啮合的小锥齿轮112和大锥齿轮113，结构简单，有利于将电机111输出的运动进行转向和放大，有利于摆动期扭簧114储存更多的能量

根据本发明再进一步的实施例，驱动装置11还包括电机支架115，电机支架115与机架12固定，电机111安装在电机支架115上。由此，利用电机支架115对电机111定位，电机111固定方便，结构可靠。可选的，电机支架115固定在机架12的上部，使用控制方便。

如图5和图6所示，根据本发明的一些实施例，还包括拨柱组件，拨柱组件包括棘爪架第一拨柱171、棘爪架第二拨柱172、机架拨合销173和机架拨柱174；其中，棘爪架第一拨柱171和棘爪架第二拨柱172间隔开地固定在棘爪架14上，棘爪架第一拨柱171至主轴13的距离大于棘爪架第二拨柱172至主轴13的距离，棘爪架第一拨柱171用于将第一棘爪161与棘轮15拨合，棘爪架第二拨柱172用于将第一棘爪161与棘轮15剥离；机架拨合销173和机架拨柱174间隔开地固定在机架12上；机架拨合销173用于将第二棘爪162与棘轮15拨合，机架拨柱174用于将第二棘爪162与棘轮15拨离。

由此，当棘爪架14转动到第一位置时，机架拨柱174先将第二棘爪162与棘轮15拨离后，接着，棘爪架第一拨柱171将第一棘爪161拨合，这是人体髋关节处于摆动期时，对应于人体大腿屈曲抬升向前迈进的过程，棘轮15保持静止状态，驱动装置11储存能量，与此同时，棘爪架14随着人体髋关节向前屈曲而同步逆着棘轮15的棘齿方向从第一位置转动到第二位置；当棘爪架14转动到第二位置时，机架拨合销173将第二棘爪162与棘轮15先拨合后，接着，棘爪架第二拨柱172再将第一棘爪161与棘轮15立即拨离，这时人体髋关节进入支撑期，对应大腿从抬升的最高点落地向后伸展，伸展的髋关节对应的髋关节驱动器部件1的驱动装置11释放能量带动棘轮15顺着棘轮15的棘齿方向运动，从而驱动棘爪架14机主轴13同步顺着棘轮15的棘齿方向转动，通过主轴13将力量传递给对应的大腿连接部件3，来驱动大腿伸展，抬升重心，由此可以以辅助人体负重向前移动，可以辅助用户尤其是负重移动的用户在平地行走、爬坡或上楼梯。

根据本发明进一步的实施例，机架拨合销173沿棘轮15的径向方向布置且远离第一棘爪161，当棘爪架14转到第二位置时，机架拨合销173挤压第二棘爪162的外侧面，使得第二棘爪162与棘轮15拨合。由此，机架拨合销173位置设置合理。

根据本发明再进一步的实施例，机架拨合销173与机架12之间设有内置弹簧。由此，在保证第二棘爪162先与棘轮15拨合上的同时留有伸缩余量，可以让棘爪架14继续旋转，通过棘爪架第二拨柱172拨开第一棘爪161。

根据本发明进一步的实施例，拨柱组件还包括第一棘爪限位柱175，第一棘爪限位柱175固定在机架12上且临近于第一棘爪161，当棘爪架第二拨柱172拨离第一棘爪161时，第一棘爪限位柱175限制第一棘爪161的位移，在当棘爪架14转到第一位置时机架拨柱174将第二棘爪162拨离后，有利于棘爪架第一拨柱171将第一棘爪161拨合。

根据本发明进一步的实施例，机架拨柱174平行于主轴13的轴向方向，棘爪架14上设有弧形滑孔141，机架拨柱174穿过弧形滑孔141，从而可以确保棘爪架14在第一位置和第二位置之间往复转动时不会与机架拨柱174发生干涉，当棘爪架14转到第一位置时，机架拨柱174位于第二棘爪162与棘轮15之间并将第二棘爪162从棘轮15上拨离。

根据本发明进一步的实施例，棘爪架第一拨柱171平行与主轴13轴向方向，当棘爪架14转到第一位置时且在机架拨柱174先拨离第二棘爪162后，棘爪架第一拨柱171用于挤压第一棘爪161的外侧面，使得第一棘爪161与棘轮15拨合；棘爪架第二拨柱172平行于主轴13轴向方向，当棘爪架14转到第二位置时且在机架拨合销173先拨合第二棘爪162架14后，棘爪架第二拨柱172位于第一棘爪161与棘轮15之间并将第一棘爪161从棘轮15上拨离。由此，棘爪架第一拨柱171和棘爪架第二拨柱172布置位置合理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种下肢负重移动外骨骼，其特征在于，包括：

背板部件，所述背板部件用于适配地佩戴在人体背部；

髋关节驱动器部件，所述髋关节驱动器部件有两个，两个所述髋关节驱动器部件分别与所述背板部件的两端连接，以使两个所述髋关节驱动器部件适配地对应于人体两侧的髋关节处；

大腿连接部件，所述大腿连接部件有两个，两个所述大腿连接部件分别与两个所述髋关节驱动器部件相连，两个所述大腿连接部件分别用于佩戴在人体两条大腿上；

当人体髋关节处于摆动期时，屈曲的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，伸展的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于能量释放状态，以辅助人体负重移动；

所述髋关节驱动器部件包括：

驱动装置；

机架；

主轴，所述主轴的两端分别可自由转动地安装在所述机架的两端上；

棘爪架，所述棘爪架套装且固定在所述主轴上，所述棘爪架可在第一位置和第二位置之间往复周期性转动，且当人体髋关节处于摆动期时，所述棘爪架从所述第一位置转动到所述第二位置，当人体髋关节处于支撑期时，所述棘爪架从所述第二位置回转到所述第一位置；

棘轮，所述棘轮可自由转动地套装在所述主轴上且与所述驱动装置相连；

棘爪组件，所述棘爪组件包括第一棘爪和第二棘爪，所述第一棘爪可枢转地安装在所述机架上，所述第二棘爪可枢转地安装在所述棘爪架上；

当人体髋关节处于摆动期时，所述第一棘爪与所述棘轮处于拨合状态且所述第二棘爪与所述棘轮相应地处于分离状态，所述棘轮保持静止状态，所述驱动装置储存能量，与此同时，所述棘爪架逆着所述棘轮的棘齿方向从所述第一位置转动到所述第二位置；

当所述棘爪架转动到所述第二位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入拨合状态后，所述第一棘爪与所述棘轮立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，所述驱动装置释放能量带动所述棘轮顺着所述棘轮的棘齿方向运动，从而驱动所述棘爪架同步顺着所述棘轮的棘齿方向转动，直到所述棘爪架转动到所述第一位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入分离状态后，所述第一棘爪与所述棘轮进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期。

2.根据权利要求1所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，所述驱动装置包括

电机、传动组件和扭簧，所述传动组件可自由转动地套装在所述主轴上，所述传动组件的一端与所述电机相连，所述传动组件的另一端与所述扭簧的一端固定，所述扭簧的另一端与所述棘轮固定；

当人体髋关节处于摆动期时，所述第一棘爪与所述棘轮处于拨合状态且所述第二棘爪与所述棘轮相应地处于分离状态，所述棘轮保持静止状态，所述电机驱动所述传动组件转动使得所述扭簧产生扭转变形而储能，与此同时，所述棘爪架逆着所述棘轮的棘齿方向从所述第一位置向所述第二位置转动；

当所述棘爪架转动到所述第二位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入拨合状态后，所述第一棘爪与所述棘轮立即进入分离状态，这时人体髋关节进入支撑期，所述扭簧释放能量带动所述棘轮顺着所述棘轮的棘齿方向运动，从而驱动所述棘爪架同步顺着所述棘轮的棘齿方向转动，直到所述棘爪架转动到所述第一位置时，所述第二棘爪与所述棘轮先进入分离状态后，所述第一棘爪与所述棘轮进入拨合状态，这时人体髋关节再次处于摆动期。

3.根据权利要求2所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，所述传动组件包括小锥齿轮和大锥齿轮，所述小锥齿轮与所述电机相连，所述小锥齿轮与所述大锥齿轮啮合；所述大锥齿轮可自由转动地套装在所述主轴上且靠近所述机架的一端，所述棘爪架靠近所述机架的另一端，所述棘轮位于所述大锥齿轮和所述棘爪架之间，所述扭簧的一端固定在所述大锥齿轮上。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，还包括拨柱组件，所述拨柱组件包括棘爪架第一拨柱、棘爪架第二拨柱、机架拨合销和机架拨柱；其中，所述棘爪架第一拨柱和所述棘爪架第二拨柱间隔开地固定在所述棘爪架上，所述棘爪架第一拨柱至所述主轴的距离大于所述棘爪架第二拨柱至所述主轴的距离，所述棘爪架第一拨柱用于将所述第一棘爪与所述棘轮拨合，所述棘爪架第二拨柱用于将所述第一棘爪与所述棘轮剥离；所述机架拨合销和机架拨柱间隔开地固定在所述机架上；所述机架拨合销用于将所述第二棘爪与所述棘轮拨合，所述机架拨柱用于将所述第二棘爪与所述棘轮拨离。

5.根据权利要求4所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，所述机架拨合销沿所述棘轮的径向方向布置且远离所述第一棘爪，当所述棘爪架转到所述第二位置时，所述机架拨合销挤压所述第二棘爪的外侧面，使得所述第二棘爪与所述棘轮拨合。

6.根据权利要求5所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，所述机架拨合销与所述机架之间设有内置弹簧 。

7.根据权利要求4所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，拨柱组件还包括第一棘爪限位柱，所述第一棘爪限位柱固定在所述机架上且临近于所述第一棘爪，当所述棘爪架第二拨柱拨离所述第一棘爪时，所述第一棘爪限位柱限制所述第一棘爪的位移。

8.根据权利要求4所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，所述机架拨柱平行于所述主轴的轴向方向，所述棘爪架上设有弧形滑孔，所述机架拨柱穿过所述弧形滑孔，当所述棘爪架转到所述第一位置时，所述机架拨柱位于所述第二棘爪与所述棘轮之间并将所述第二棘爪从所述棘轮上拨离。

9.根据权利要求4所述的下肢负重移动外骨骼，其特征在于，所述棘爪架第一拨柱平行与所述主轴轴向方向，当所述棘爪架转到所述第一位置时且在所述机架拨柱先拨离所述第二棘爪后，所述棘爪架第一拨柱用于挤压所述第一棘爪的外侧面，使得所述第一棘爪与所述棘轮拨合；

所述棘爪架第二拨柱平行于所述主轴轴向方向，当所述棘爪架转到所述第二位置时且在所述机架拨合销先拨合所述第二棘爪架后，所述棘爪架第二拨柱位于所述第一棘爪与所述棘轮之间并将所述第一棘爪从所述棘轮上拨离。