CN111615376B - 一种髋关节外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种外骨骼，其特征在于，包括髋部机构（41），该髋部机构（41）包括左髋部（412）和右髋部（413），该左髋部（412）和右髋部（413）各自分别包括至少三个单轴机构协同实现该髋部机构（41）与人体髋部的同构运动。

Description

一种髋关节外骨骼

优先权申请

本申请要求2018年11月29日提交的中国发明专利申请201811433860.9“一种外骨骼”、2019年7月22日提交的中国发明专利申请201910639370.2“一种腰部外骨骼”的优先权，上述优先权发明专利申请以引用方式全文并入。

技术领域

本发明涉及外骨骼负载助力系统，具体地讲，是涉及一种可与穿戴者腰部实现同构运动的可穿戴式外骨骼。

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运输工具进行，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可能因为道路损毁等原因，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，人体还经常需要采用胸前抱、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重的塑料袋，搬运数分钟不到，提拉袋体的手指就会因为受到严重的勒紧和压迫而导致局部缺血，需要换手或休息才能继续搬运。此外，有些物品可能不适宜抱、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，辅助人体承受负重和/或人体自身体重，并通过其机械结构将负重和/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广阔的应用前景。

然而，现有的外骨骼机构往往难以紧密地贴合穿戴者的身体运动，尤其是无法实现与穿戴者的腰部进行同构运动，导致导致用户体验往往较差，感觉被不灵活、坚硬的机械结构束缚或者被架住。因此，如何提高用户体验，使外骨骼装备，尤其使髋关节外骨骼与人体髋关节可以实现流畅、和谐的同构运动，是本发明尝试解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，本发明提供了一种外骨骼，其特征在于，包括髋部机构，所述髋部机构包括左髋部和右髋部，所述左髋部和所述右髋部各自分别包括至少三个单轴机构协同实现所述髋部机构与人体髋部的同构运动。

进一步地，所述至少三个单轴机构包括矢状轴机构、额状轴机构和垂直轴机构；所述矢状轴机构围绕外骨骼矢状轴转动，所述外骨骼矢状轴与人体大腿矢状轴平行；所述额状轴机构围绕外骨骼额状轴转动，所述外骨骼额状轴与人体大腿额状轴平行；所述垂直轴机构围绕外骨骼垂直轴转动，所述外骨骼垂直轴人体大腿垂直轴重合或平行。

.进一步地，所述矢状轴机构与所述垂直轴机构直接连接，并协同运动。

进一步地，所述矢状轴机构与所述垂直轴机构通过快拆方式直接连接。

进一步地，所述额状轴机构与所述矢状轴机构或所述垂直轴机构直接连接，并协同运动。

进一步地，所述额状轴机构与所述矢状轴机构或所述垂直轴机构通过快拆方式直接连接。

进一步地，所述至少三个单轴机构中分别设置有阻尼机构和/或回弹机构。

进一步地，所述阻尼机构包括阻尼力调节机构；所述回弹机构包括回弹力调节机构。

进一步地，所述髋部机构还包括髋部基座；所述矢状轴机构包括矢状轴安装基座；所述额状轴机构包括额状轴安装基座；所述垂直轴机构包括至少一个运动轨道；其中，所述额状轴安装基座被设置在所述至少一个运动轨道上，并可沿所述至少一个运动轨道的长度方向在所述至少一个运动轨道上运动；所述矢状轴安装基座的一侧设置在所述髋部基座内，一侧则连接所述至少一个运动轨道。

进一步地，所述至少一个运动轨道包括滑动连接的滑轨机构和滑车机构；其中，所述滑轨机构的一端连接在所述矢状轴安装基座上，而所述额状轴安装基座则固定在所述滑车机构上，所述滑车机构可沿所述滑轨机构长度方向在所述滑轨机构上滑动，从而使得所述额状轴安装基座在所述滑车机构的带动下，在所述滑轨机构上绕所述垂直轴机构围绕外骨骼垂直轴转动。

进一步地，所述髋部基座内设置有髋部基座调节装置调节所述髋部基座的长度。

进一步地，所述矢状轴安装基座与所述滑轨机构之间采用快拆式连接方式相连。

进一步地，所述矢状轴安装基座和/或额状轴安装基座内设置了阻尼机构和/或回弹机构。

进一步地，所述滑车机构和/或所述额状轴安装基座内设置了旋转阻尼机构和/或双向回弹机构。

进一步地，所述运动轨道包括伸缩杆机构，所述伸缩杆机构的一端安装在所述矢状轴安装基座上，另一端与所述额状轴安装基座固定连接；所述伸缩杆收缩或伸展时带动所述额状轴安装基座绕所述所述外骨骼垂直轴转动。

进一步地，其特征在于，所述伸缩杆机构包括依次套接的内层轨道、内层钢珠套、中层轨道、外层钢珠套、外层轨道和柔性多孔外罩，其中，所述内层钢珠套上均匀设置有多个内层钢珠，使得所述内层钢珠可沿所述内层轨道滑动，且所述中层轨道可沿所述内层钢珠套滑动；所述外层钢珠套上均匀设置有多个外层钢珠，使得所述外层钢珠可沿所述中层轨道滑动，且所述外层轨道可沿所述外层钢珠套滑动。

进一步地，所述髋部机构包括髋部基座，所述髋部机构的左髋部和右髋部分别铰接在所述髋部基座的左右两侧，且所述左髋部和所述右髋部可在水平面内转动；所述垂直轴机构包括由首尾依次相连的多节滑轨构成的运动轨道，以及变曲率滑车机构；所述多节滑轨的首端与所述髋部基座转动连接，其尾端则与另一侧的所述多节滑轨相连；所述变曲率滑车机构安装在所述多节滑轨上，并以在所述运动轨道上滑动；所述矢状轴机构的一端安装在所述变曲率滑车机构上，另一端则连接所述额状轴机构的额状轴安装基座；所述矢状轴机构采用导杆变位机构的形式实现围绕所述外骨骼矢状轴转动。

进一步地，所述变曲率滑车机构包括变曲率主滑车，分别铰接在该变曲率主滑车两侧的变曲率侧滑车，且所述变曲率主滑车和所述变曲率侧滑车以可相对于所述多节滑轨滑动的方式安装在所述运动轨道上。

进一步地，所述变曲率主滑车上与所述侧变曲率滑车铰接处设置有用于限定所述变曲率侧滑车相对于所述变曲率主滑车转动角度的挡块或限位槽。

进一步地，所述导杆变位机构包括导杆、摇杆、活塞缸，以及固定在所述变曲率主滑车上的基座，其中，所述导杆的一端与所述基座的中部铰接，另一端与所述活塞缸内的活塞头固定连接；所述摇杆的一端与所述基座的底部铰接，另一端与所述活塞缸的缸头部铰接；所述活塞缸的底部与所述额状轴安装基座固定连接。

进一步地，所述髋部机构还包括柔性腰带，所述多节滑轨沿所述柔性腰带的长度方向贴合在所述柔性腰带外侧。

进一步地，其特征在于，所述髋部机构还包括设置在所述髋部基座上的髋部宽度调节件，所述髋部调节件位于所述左髋部和所述右髋部之间，且所述髋部宽度调节件驱动所述左髋部和所述右髋部在所述髋部基座上水平相对运动或水平相背运动。

本发明提供了一种腰部外骨骼装置，其特征在于，包括腰部滑轨、腰部滑车、腰部弹性机构；所述腰部滑车可以沿所述腰部滑轨滑动；所述腰部弹性机构被放置在所述腰部滑轨上，并且与所述腰部滑车连接，在所述腰部滑车沿所述腰部滑轨滑动的过程中提供弹性蓄能。

进一步地，所述腰部滑轨由多段可以相对折叠的腰部滑轨片组成。

进一步地，所述腰部弹性机构为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

进一步地，所述腰部滑轨包括左腰部滑轨与右腰部滑轨；所述腰部滑车包括左腰部滑车与右腰部滑车；所述腰部弹性机构包括左腰部弹性机构与右腰部弹性机构；所述左腰部弹性机构被放置在所述左腰部滑轨上，并且与所述左腰部滑车连接，在所述左腰部滑车沿所述左腰部滑轨滑动的过程中提供弹性蓄能；所述右腰部弹性机构被放置在所述右腰部滑轨上，并且与所述右腰部滑车连接，在所述右腰部滑车沿所述右腰部滑轨滑动的过程中提供弹性蓄能。

进一步地，所述腰部滑车连接髋关节矢状轴机构，所述髋关节矢状轴机构与下肢外骨骼装置连接，并且让所述下肢外骨骼装置向人体左右侧翻动。

进一步地，所述髋关节矢状轴机构中设置有侧转弹性蓄能装置。

进一步地，所述侧转弹性蓄能装置为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

进一步地，所述腰部滑车连接髋关节额状轴机构，所述髋关节额状轴机构与下肢外骨骼装置连接，并且让所述下肢外骨骼装置向人体前后翻动。

进一步地，所述髋关节额状轴机构中设置有前后转弹性蓄能装置。

进一步地，所述前后转弹性蓄能装置为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

必须强调的是，在实际使用中，本发明所采用的三个单轴机构是协同运作的。例如，当外骨骼穿戴者外展大腿的同时也向上抬腿时，所述矢状轴机构、所述额状轴机构和所述垂直轴机构同时运作，以取得和穿戴者的同构运动。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术优势：

现有的外骨骼机构通常只能够实现某一个单轴共线，如额状轴(frontal axis)共线，或者矢状轴(sagittal axis)共线，或者人体腰部/大腿的垂直轴(vertical axis)共线，但却不能够实现外骨骼的该三个轴分别与人体相应的三轴同时共线，即难以完全实现外骨骼髋关节与人体髋关节的同构运动。本发明的外骨骼的髋部机构能够紧密的贴合人体运动，在没有侵入穿戴者人体内部的前提下，使得外骨骼的运动轨迹大致与穿戴者的髋部运动相同，即较好地实现了髋关节的同构运动。

同时，外骨骼机构与人体在运动时的贴合度较高，使得外骨骼机构在背负重物时可以更高效地将负重通过外骨骼机构传递到地面，可以在一定程度上提升外骨骼机构的负重效果。

另外，通过设置至少三个单轴机构，可以根据实际应用场景和穿戴者的实际身体状况在不同的轴机构处设置不同的阻尼力和回弹力，让外骨骼装置在实际使用过程中可以更加个性化，更加灵活地符合不同的需求。个性化、可调节地设置阻尼力和回弹力对外骨骼穿戴者非常重要，避免了穿戴者太快速或者幅度太大地运动，让穿戴者的运动可控、稳定、顺畅，避免快速或大幅转动时发生意外。

另外，通过在快拆的方式连接矢状轴机构、额状轴机构和垂直轴机构，让外骨骼机构可以灵活地拆卸，让穿戴者可以更加方便地穿脱。

附图说明

图1为现有技术外骨骼的一个实施例的结构示意图；

图2a为本发明的一种外骨骼的髋部机构的一实施例的结构示意图；

图2b为反映图2a中髋部机构的三轴分别与穿戴者的垂直轴、额状轴和矢状轴相对应的示意图；

图2c为反映图2a中髋部机构的矢状轴与矢状轴安装基座相配合，以及额状轴与额状轴安装基座相配合的示意图；

图2d和图2e分别为反映图2b中左髋部和右髋部外展和内收运动的示意图；

图2f为反映图2a中髋部机构的示意图；

图2g为反映髋部基座上的髋部宽度调节件的示意图；

图3a为反映图2b中矢状轴与矢状轴安装基座所构成的快拆式转轴连接机构的剖视图；

图3b和图3c均为图2b中矢状轴安装基座的爆炸示意图；

图4a为图2b中髋部机构的额状轴与额状轴安装基座所构成的快拆式转轴连接机构的剖视图；

图4b、图4c和图4d均为图4a中额状轴安装基座的爆炸示意图；

图4e为反映图4a中额状轴安装基座内双向回弹机构的装配示意图；

图5a、图5b和图5c为图2b中髋部机构的矢状轴安装基座中采用可调阻尼机构的一实施例的示意图；

图6a和图6b均为图2b中滑车机构的一实施例的爆炸示意图；

图6c和图6d均为图2b中滑车机构的一实施例的剖视图；

图6e、图6f和图6g均为反映滑车安装座内的双向回弹机构与滑轨啮合齿轮之间的配合示意图；

图7a为本发明的一种外骨骼的髋部机构的第二实施例的结构示意图；

图7b为反映图7a髋部机构第二实施例大腿外展同构运动时的示意图；

图7c为反映图7a髋部机构第二实施例大腿外旋同构运动时的示意图；

图7d为反映图7a髋部机构第二实施例大腿内收同构运动时的示意图；

图7e为反映图7a髋部机构第二实施例大腿屈曲同构运动时的示意图；

图7f为反映图7a髋部机构第二实施例大腿后伸同构运动时的示意图；

图8a为图7a中髋部机构的爆炸示意图；

图8b为图7a中髋部机构的示意图(俯视图)；

图8c为图7a中髋部机构的示意图(俯视图，右髋部机构解剖图)；

图8d为图7a中髋部机构的示意图(右髋部机构解剖图)；

图8e为图7a中髋部机构穿戴在人体臀部位置的示意图；

图9a为本发明的一种外骨骼的髋部机构的第三实施例的结构示意图；

图9b为反映图9a中变曲率滑车机构沿多节滑轨运动一定距离的示意图；

图9c为图9a中髋部机构的爆炸示意图；

图9d为反映图9a中变曲率滑车机构与多节滑轨配合的示意图；

图9e为反映图9a结构的俯视图；

图9f为反映图9a髋部机构第三实施例大腿外展同构运动时的示意图；

图9g为反映图9a髋部机构第三实施例大腿内收同构运动时的示意图；

图9h为反映图9a髋部机构第三实施例左腿后伸右腿屈曲运动外展同构运动时的示意图；

图10a为反映图9d中变曲率滑车机构中水平滚轮和垂直滚轮的装配示意图；

图10b为反映图9d中变曲率滑车机构的一实施例的爆炸示意图；

图11a为反映图9d中导杆变位机构与变曲率滑车机构相配合的结构示意图；

图11b为图11a中导杆变位机构的爆炸图；

图11c和图11d分别为反映图11a中导杆变位机构外展和内收时导杆顶端与活塞缸缸头部之间的距离变化示意图；

图12为本发明的一种外骨骼的髋部机构中宽度可调的髋部基座的一实施例的爆炸示意图；

图13为本发明的一种外骨骼的髋部机构中宽度可调的髋部基座的又一实施例的爆炸示意图；

图14a为包含本发明一种腰部外骨骼装置实施例的全身外骨骼结构示意图(正视图)；

图14b为包含本发明一种腰部外骨骼装置实施例的外骨骼结构示意图(透视图)；

图14c为包含本发明一种腰部外骨骼装置实施例的外骨骼结构示意图(透视图)；

图15a为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构示意图(正视图)；

图15b为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构示意图(后视图)；

图16a为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构示意图(左视图)。

图16b为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构示意图(右视图)。

图17a为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构示意图(仰视图)。

图17b为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构示意图(俯视图)。

图18a为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构与零部件爆炸图。

图18b为本发明一种腰部外骨骼装置实施例结构与零部件爆炸图。

图19为本发明一种腰部外骨骼装置实施例中腰部弹性机构结构示意图。

图20a为本发明一种腰部外骨骼装置实施例中腰部滑轨机构结构示意图。

图20b为本发明一种腰部外骨骼装置实施例中腰部滑轨机构结构示意图。

图20c为本发明一种腰部外骨骼装置实施例中腰部滑轨机构结构示意图。

图21a为本发明一种腰部外骨骼装置实施例局部结构示意图。

图21b为本发明一种腰部外骨骼装置实施例局部结构示意图。

图21c为本发明一种腰部外骨骼装置实施例局部结构示意图。

上图中编号汇总如下：髋部机构41；髋部基座410；矢状轴安装基座411；左髋部412和右髋部413；额状轴安装基座414；运动轨道415；大腿连杆416；髋部宽度调节件417；拨盘417-1；丝杠417-2；滑车机构4151；滑轨机构4152；左滑块4101、右滑块4102；轨道4103；竖直卡齿4104；矢状轴I1；额状轴I2；

方榫快拆连接头544；第一滚珠545；快拆按钮531；快拆按钮安装孔552；第一滚珠锁止槽532；方榫快拆孔533；花键快拆头541；第一滚珠凹槽534；第二滚珠锁止槽546；花键快拆孔537；第二滚珠凹槽538；阻尼机构55；阻尼盒内盖550；阻尼盒外盖551；阻尼液导流槽553；阻尼液波动块554；阻尼液注入孔555；阻尼液溢流槽556；固定楔口557；调节旋钮558；可调楔面559；阻尼器拨盘5510；盘体5511；阻尼液拨动块5512；回弹机构56；扭簧560；快拆端头的壳体530；外耳5601；扭簧外耳槽5301；扭簧内耳孔5302；快拆轴套539；内耳5602；回弹轴套565；双向回弹安装基座561；顺回弹涡轮562a和逆回弹涡轮562b；顺回弹蜗杆564a、逆回弹蜗杆564b；顺回弹扭簧563a和逆回弹扭簧563b；外耳5601；外耳插孔5621；内耳5602；左内耳滑槽5651a、右内耳滑槽5651b；顺回弹挡块5611a和逆回弹挡块5611b；顺回弹轴套挡块5653和逆回弹轴套挡块5654；

滑车机构4151；滑轨机构4152；滑车安装座4151-1；顶盖4151-11；旋转卡槽4151-12；滑轨啮合滚轮4151-10；滑轨啮合齿轮4151-3；一字槽转轴4151-31；滚轮销4151-101；销孔4151-13；滑轨啮合齿轮安装槽4151-14；阻尼盒安装槽4151-15；滑轨穿孔4151-2；旋转阻尼机构4151-4；旋转阻尼盒4151-41和阻尼液拨片4151-42；双向回弹机构4151-5；外旋发条固定盘4151-51、内旋发条固定盘4151-52、外旋回弹调节齿轮4151-53、内旋回弹调节齿轮4151-54、内旋回弹调节按钮4151-55、外旋回弹调节按钮4151-56、外旋回弹发条4151-57和内旋回弹发条4151-5；外旋发条固定盘齿轮4151-511；外旋发条定位槽4151-512；内旋发条固定盘齿轮4151-521；内旋发条定位槽4151-522；外旋回弹发条4151-57和内旋回弹发条4151-58；外耳4151-571、4151-581；回弹发条的内耳4151-572、4151-582；调节齿轮的转轴4151-50；回弹调节机构安装腔室4151-16；旋钮安装基座4151-551；旋钮本体4151-552；套筒4151-553；旋转卡销4151-554；内旋回弹调节按钮复位弹簧4151-59和外旋回弹调节钮复位弹簧4151-510；

运动轨道415；内层轨道4153、内层钢珠套4154、中层轨道4155、外侧钢珠套4156、外层轨道4157和柔性多空外罩4158；

多节滑轨4121；变曲率滑车机构4122；导杆变位机构4123；卡扣公头M和卡扣母头F；变曲率主滑车4122-1；侧滑车4122-2；水平滚轮4122-3；垂直滚轮4122-4；侧壁4122-11；侧滑车铰接座4122-12；导杆4123-1、摇杆4123-2、矢状轴4123-3、活塞缸4123-4和基座4123-5；主滑车侧壁4122-2；导杆插销孔4123-51和摇杆插销孔4123-52；活塞头4123-41；导杆套4123-11；柔性腰带415-1；固定凸块4121-1；腰围绷带415-11；背部海绵415-12；

腰部外骨骼装置100；腰部滑轨200；腰部滑车202；腰部弹性机构210；环腰部凹槽204；凹槽209；腰部滑车连接块212；螺钉/螺216；腰部弹性机构连接件214；挡板218；背部支撑装置102；下肢外骨骼装置105；大腿弹性蓄能装置104；膝关节外骨骼装置106；小腿外骨骼支撑件108；脚部外骨骼装置110；背负平台103；接触部分207；空间208；腰部滑轨片211；髋关节转连接部300；髋关节矢状轴机构304；髋关节额状轴机构310；侧转弹性蓄能装置302；前后转弹性蓄能装置306；侧转轴307；侧转轴轨道303；髋关节额状轴机构右公部分308；髋关节额状轴机构右母部分309；下肢连接部311；第一接头312；第二接头313。

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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

另外，本发明中的各个实施例是可以组合在一起衍生出其它的技术方案、解决更多的技术问题、产生更多的技术效果的，因此本文中针对各个实施例的描述是可以互相印证、解释、说明、结合、组合、融合的。但是，针对本文中各个实施例的描述可能会涉及到一些相同或相似的用词，如果这些相同或相似的用词在理解和含义上产生冲突或者矛盾，那么以这些用词在各自所属于的实施例的描述部分的理解和含义为准。例如，在不同的实施例中都有可能会出现“基座”、“连接件”、“运动轨道”、“滑轨”、“滑车”等词，那么在实施例一中的“基座”以其在实施例一中的理解和含义为准，在实施例二中的“基座”以其在实施例二中的理解和含义为准。

另外，本文中，使用用于表示元件的诸如“机构”、“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“机构”、“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

名词释义

“同构运动”：本文中的同构运动是指为了能够更紧密地贴合人体运动，外骨骼的腰部/髋部机构的运动规律，与人体髋关节的运动尽量相同，即，由于人体的髋关节是一个空间球关节，可以绕人体矢状轴、额状轴和垂直轴三个自由度方向独立旋转运动，外骨骼的腰部/髋部也要可以绕人体矢状轴、额状轴和垂直轴三个自由度独立旋转运动。

为了能够紧密的贴合人体运动，外骨骼的运动轨迹应尽量与人体相同，但由于外骨骼机械结构穿戴在人体外部，不能够侵入人体内部构造，因此，现有的外骨骼的髋部机构，通常都只能够实现某一个单轴共线(“共线”即是轴线重合或平行的意思)，如额状轴共线，或者矢状轴共线，或者人体大腿的垂直轴共线，但却不能够实现外骨骼的上述三个轴分别与人体相应的三轴同时共线，即难以完全实现与人体髋关节的同构运动(例如图1所展示的机械外骨骼)。基于此，本发明的实施例提供了一种外骨骼，用于在不侵入穿戴者体内的前提下，与穿戴者腰部进行同构运动，具体地，该外骨骼包括髋部机构，且该髋部机构41采用三单轴机构协同运作实现外骨骼髋关节和人体髋关节的同构运动。

“矢状轴机构”：本文中的矢状轴机构指的是能够与人体髋关节或大腿矢状轴同构运动的外骨骼机构(即人体髋关节或大腿的内收和外展)。矢状轴机构可以设置在人体背部(例如，实施例一中的矢状轴安装基座411和实施例二中的矢状轴安装基座411的位置)，也可以设置在人体大腿的外侧(例如，在实施例三中，矢状轴机构采用导杆变位机构4123的结构；在实施例六，矢状轴机构采用髋关节矢状轴机构304)。

“额状轴机构”：本文中的额状轴机构指的是能够与人体髋关节或大腿额状轴同构运动的外骨骼机构(即人体髋关节或大腿的屈和伸)。额状轴机构可以设置在人体大腿的外侧，可以直接连接在垂直轴机构所包括的运动轨道上(例如，实施例一和实施例二中的414)，也可以设置在矢状轴机构的下端，通过矢状轴机构间接连到垂直轴机构所包括的运动轨道上(例如，实施例三的414和实施例六中的310)。

“垂直轴机构”：本文中的额状轴机构指的是能够与人体髋关节或大腿额状轴同构运动的外骨骼机构(即人体髋关节或大腿在旋转，包括内旋和外旋)。在本发明的一些实施例中，“垂直轴机构”包括了至少一个运动轨道/滑轨。

实施例一 滑轨式带回弹阻尼的三单轴快拆腰部装置

参见图2a-图2e，在本实施例中，该髋部机构41包括髋部基座410，分别设置在该髋部基座410左右两侧的矢状轴安装基座411，该髋部机构41还包括左髋部412和右髋部413，且所述左髋部412和所述右髋部413各自通过与相应的矢状轴安装在左右两侧的矢状轴安装基座411上，且该左髋部412和右髋部413的矢状轴分别与人体左右大腿的矢状轴共线(即矢状轴线重合或平行)，从而使得该外骨骼的下肢大腿部分能够实现外展(参见图2d)或内收运动(参见图2e)。

参见图2b和图2c，在一具体实施例中，该左髋部412和右髋部413均包括一额状轴安装基座414，以及为该额状轴安装基座414提供运动线路的运动轨道415(具体地，该运动轨道的形状为弧形，或者其它能够与人体髋部/腰部形体相贴合的形状)，其中，左右两侧的运动轨道415的中心轴分别与人体的左髋部和右髋部的垂直轴重合(即该髋部机构41的左髋部412和右髋部413各自的运动轨道分别与人体左大腿和右大腿的垂直轴重合)；而该额状轴安装基座414设置在该运动轨道415上，并可沿该运动轨道415的长度方向在该运动轨道415上运动，从而使得该额状轴安装基座414可绕人体大腿的垂直轴转动，进而实现下肢大腿部分的内旋或外旋。具体地，该运动轨道415包括滑动连接的滑车机构4151和滑轨机构4152，其中，该滑轨机构4152的中心轴与同侧人体大腿的垂直轴重合(例如，左髋部412的滑轨机构4152的中心轴与人体左大腿的垂直轴重合)，且该滑轨机构4152的一端通过矢状轴I1安装在矢状轴安装基座411上，而另一端为自由端，而上述的额状轴安装基座414则固定在该滑车机构4151上，该滑车机构4151可沿该滑轨机构4152长度方向在该滑轨机构4152上滑动，从而使得该额状轴安装基座414在该滑车机构4151的带动下，绕该滑轨机构4152的中心轴，即人体大腿的垂直轴转动，从而实现外骨骼中下肢大腿部分的内旋或外旋。

参见图2b和图2c，本实施例中，该矢状轴安装基座411与左髋部412/右髋部413之间采用快拆式转轴连接方式来实现(即该矢状轴安装基座411与左髋部412/右髋部413的转轴，即矢状轴，构成快拆式转轴连接机构)，使得该矢状转轴I1锁定在该矢状轴安装基座411内，并可相对于该矢状轴安装基座411转动。而当需要将外骨骼快速拆卸时，则通过直接按压或者旋转相应的辅助部件，使得矢状转轴从该矢状轴安装基座411内解锁，从而可将其从该矢状轴安装基座411内快速拆卸。

参见图3a，在一具体实施例中，该左髋部412/右髋部413一端的矢状转轴I1采用方榫快拆连接头544，该方榫快拆连接头544内设快拆按钮531，且该方榫快拆连接头544的端部设置有第一滚珠545，而快拆按钮531的端部也设置有第一滚珠凹槽534，且当按压该快拆按钮531时，该第一滚珠凹槽534移动至第一滚珠545下方，从而第一滚珠545下落至该第一滚珠凹槽534内，进而使得该方榫快拆连接头544可插入或滑出该额状轴安装基座414内设的方榫快拆孔533，且该方榫快拆连接头544插入后即可实现稳定连接，无需再按压快拆按钮531。进一步地，该方榫快拆孔533的端部设置有第一滚珠锁止槽532，从而当方榫快拆连接头544，即矢状轴I1插入该方榫快拆孔533内，且第一滚珠545移动至该第一滚珠锁止槽532位置时，由于快拆按钮531的复位弹簧的作用，该方榫快拆连接头544将第一滚珠545顶至该第一滚珠锁止槽532内，进而使得左髋部412/右髋部413和矢状轴安装基座411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531，使得第一滚珠545落入方榫快拆连接头544或快拆按钮上的第一滚珠凹槽534内，然后将方榫快拆连接头544，即矢状轴I1抽出，此时可不按压按钮直接将方榫快拆连接头544抽取出即可。

同理，参见图2b、2c和4a，在一具体实施例中，该额状轴安装基座414与大腿连杆416之间也可采用快拆式转轴连接方式来实现(即该大腿连杆的转轴，即额状轴I2，与该额状轴安装基座构成快拆式转轴连接机构)，从而使得大腿连杆416的一端通过额状轴I2与该额状轴安装基座414转动连接。具体地，在该额状轴安装基座414内开设花键快拆孔537和快拆按钮531，该快拆按钮531内设复位弹簧，且内壁上开设有第二滚珠凹槽538，而大腿连杆416一端的额状转轴I2采用花键快拆头541，其端部设置有第二滚珠锁止槽546，当将花键快拆头541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，从而露出第二滚珠凹槽538，从而花键快拆头541将第二滚珠顶入第二滚珠凹槽538内；当花键快拆头541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内侧的第二滚珠凹槽538则滑移出第二滚珠对应的位置，第二滚珠被迫顶入花键快拆头上对应的第二滚珠锁止槽546内，进而避免花键快拆头541自行脱落。

进一步地，参见图3a和图4a，本实施例的快拆式转轴连接机构中还可设置相应的阻尼机构55，即该矢状轴安装基座411和/或该额状轴安装基座414内有阻尼机构55，产生缓冲作用。

参见图3b和图3c，具体地，该矢状轴安装基座411内靠近快拆连接头544(即矢状状轴I1)插入孔的一端设置有阻尼机构55，其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，且该阻尼盒内盖550面向快拆按钮531的一侧，沿该快拆按钮安装孔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。

当然，在一些实施例中，该阻尼机构55也可采用可调阻尼的阻尼机构，具体地，参见图5a、图5b和图5c，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，且该阻尼盒内盖550内设置有阻尼液导流槽553，且该阻尼液导流槽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557之间的间隙构成了阻尼液的流量可调通路A，参见图5c，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5c，即其流通的阻尼液的流量大小则不可调；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。在一些实施例中，该阻尼机构55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，也可以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。

进一步地，本实施例中矢状轴安装基座411和额状轴安装基座414内均安装有回弹机构56，具体地，参见4a，该矢状轴安装基座411内设置有单回弹机构56，该额状轴安装基座414内设置有双回弹机构。

参见图3b和图3c，该矢状轴安装基座411内的单回弹机构为扭簧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。

参见图4b、图4c、图4d和图4e，该额状轴安装基座414内的双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可以分别插入顺回弹涡轮562a和逆回弹涡轮562b上的外耳插孔5621内(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)，该顺回弹扭簧563a和逆回弹扭簧563b的内耳5602可以分别插入回弹轴套565左右两侧的内耳滑槽5651a、5651b内，且该双向回弹安装基座561内还分别设置有顺回弹挡块5611a和逆回弹挡块5611b，且回弹轴套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(即额状状轴I2)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(即额状状轴I2)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。综上所述，本实施例中通过设置顺、逆回弹涡轮562a、562b和顺、逆回弹蜗杆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，从而增加了外骨骼机构的可调节性和适应性，能够针对不同的使用者的身体特点和不同的应用场景进行调节。

在一些实施例中，参见图2a和图2b，该滑轨机构4152为弧形，且内侧带齿的滑轨，当然该滑轨机构4152也可呈其它能够与人体髋部/腰部形体相贴合的形状。

本实施例中，参见图6a、图6b、图6c、图6d和图6e，该滑车机构4151包括滑车安装座4151-1，和分别设置在该滑车安装座4151-1内顶部和底部、并与该滑轨相啮合的滑轨啮合滚轮4151-10(其通过滚轮销4151-101固定在滑车机构4151的滑车安装座4151-1内，具体地，参加图6b，可在该滑车安装座4151-1侧壁的顶部和底部分布开设相应的销孔4151-13用于固定该滚轮销4151-101)；以及设置在该滑车安装座4151-1内的、与该滑轨内侧齿相啮合的滑轨啮合齿轮4151-3(具体地，参见图6c和图6d，通过在该滑车安装座4151-1内开设滑轨啮合齿轮安装槽4151-14，即将该滑轨啮合齿轮4151-3安装在该安装槽4151-14内即可)。其中，该滑车安装座4151-1上设置有贯穿该滑车安装座4151-1的滑轨穿孔4151-2，即通过该滑轨穿孔4151-2将该滑车安装座4151-1安装在该滑轨机构4152上，从而使得可在外作用力的驱动下，驱动该滑车安装座4151-1沿该滑轨4152来回运动即可实现大腿连杆的内旋或外旋运动。

进一步地，本实施例中，该滑车安装座4151-1内还设置旋转阻尼机构4151-4和双向回弹机构4151-5，具体地，参见图6a、图6b、图6c、图6d，该旋转阻尼机构4151-4包括相互配合的(花键状的)旋转阻尼盒4151-41和阻尼液拨片4151-42。具体地，参见图6c，通过在该滑车安装座4151-1底部，位于滑轨啮合齿轮安装槽4151-14的下方设置一个相应的花键状的阻尼盒安装槽4151-15来安装该旋转阻尼盒4151-41，从而当将其安装在该阻尼盒安装槽4151-15内时，该旋转阻尼盒4151-41位于该滑轨啮合齿轮4151-3的正下方，而由于该旋转阻尼液拨片4151-42与该滑轨啮合齿轮4151-3同轴设置，且位于该滑轨啮合齿轮4151-3的底部，则当将滑轨啮合齿轮4151-3安装在该滑车安装座4151-1内相应的安装槽内时，该滑轨啮合齿轮4151-3底部的旋转阻尼液拨片4151-42则自动插入该阻尼盒安装槽4151-15内的旋转阻尼盒4151-41内，并与之配合，参见图6e和图6f。

参见图6a、图6b、图6c、图6d，该双向回弹机构4151-5包括：外旋发条固定盘4151-51、内旋发条固定盘4151-52、外旋回弹调节齿轮4151-53、内旋回弹调节齿轮4151-54、内旋回弹调节按钮4151-55、外旋回弹调节按钮4151-56、外旋回弹发条4151-57和内旋回弹发条4151-58。

其中，内旋发条固定盘4151-52和外旋发条固定盘4151-51均与该滑轨啮合齿轮4151-3同轴设置(并安装在上述的滑轨啮合齿轮安装槽4151-14内，当然也可相应地在顶盖上也设置相应用于容纳发条固定盘的容纳腔与之对应)，且三者自上而下依次设置排列(具体地，可通过分别在该外旋发条固定盘4151-51和内旋发条固定盘4151-52的中心轴处开设转轴穿孔，使得位于底部的滑轨啮合齿轮4151-3的一字槽转轴4151-31依次穿过该外旋发条固定盘4151-51和内旋发条固定盘4151-52上的转轴穿孔与滑车安装座的顶盖4151-11转动连接即可)。

其中，该内旋发条固定盘4151-52和外旋发条固定盘4151-51均包括用于与相应的外旋/内旋回弹调节齿轮相结合的外旋发条固定盘齿轮4151-511、内旋发条固定盘齿轮4151-521，且为了将该外旋发条固定盘4151-511固定在该滑轨啮合齿轮4151-3上方，并与之同轴转动，因此，在滑轨啮合齿轮4151-3上对应设置的凸台，而在该外旋发条固定盘齿轮4151-511底部设置与该凸台紧固配合的容纳槽，同时，在该外旋发条固定盘齿轮4151-511顶部设置凸起的外旋发条定位槽4151-512，而在该内旋发条固定盘齿轮4151-521底部设置与该外旋发条定位槽4151-512紧固配合的容纳槽，当然，其顶部也相应设置有凸起的内旋发条定位槽4151-522，从而当将外旋回弹发条和内旋回弹发条分别放置在相应的定位槽(即外旋发条定位和内旋发条定位)内时，回弹发条(即外旋回弹发条4151-57和内旋回弹发条4151-58)的外耳4151-571、4151-581则与该定位槽内(外旋发条定位槽4151-512和内旋发条定位槽4151-522)设置的发条固定外耳槽固定连接，而回弹发条的内耳4151-572、4151-582则与贯穿该容纳槽和定位槽的一字槽转轴上的槽相配合；

其中，内旋回弹调节齿轮4151-54和外旋回弹调节齿轮4151-53分别与内旋发条固定盘4151-52和外旋发条固定盘4151-51相啮合，且该调节齿轮(即内旋回弹调节齿轮4151-54和外旋回弹调节齿轮4151-53)的转轴4151-50的一端呈为圆柱状，并安装在位于回弹调节机构安装腔室4151-16底部的安装轴定位孔内，而与调节按钮(即内旋回弹调节按钮4151-55或外旋回弹调节按钮4151-56)配合的一端呈十字形，即该调节齿轮通过圆柱状的一端固定在滑车安装座4151-1内，通过十字形状的另一端与调节按钮配合。

其中，内旋回弹调节按钮4151-55和外旋回弹调节按钮4151-56以转动连接的方式安装在该滑车安装座4151-1的顶部，且分别位于同轴设置的该外旋发条固定盘4151-51和内旋发条固定盘4151-52的两侧(具体地，通过在滑车安装座4151-1内的滑轨啮合齿轮安装槽4151-14的左右两侧分别开设相应的回弹调节机构安装腔室4151-16)。具体地，该调节按钮(即内旋回弹调节按钮4151-55或外旋回弹调节按钮4151-56)包括可安装在滑车安装座顶盖4151-11上的旋钮安装槽内的呈圆柱状的旋钮安装基座4151-551(外旋回弹调节按钮4151-55的旋钮安装基座的尺寸比内旋回弹调节按钮4151-56的旋钮安装基座的尺寸大)，以及分布位于该旋钮安装基座4151-551两侧(即顶部和底部)的旋钮本体4151-552(其顶端与该滑车安装座顶盖4151-11上的旋转卡槽4151-12配合)和与上述调节齿轮的转轴4151-50配合的套筒4151-553，其中，旋钮本体4151-552呈圆筒状，且其内部开设有六角孔，其筒壁上靠近该旋钮安装基座4151-551处，沿周向均匀分布有四个与滑车安装座的顶盖4151-11上旋转卡槽4151-12相匹配的旋转卡销4151-554(可以是1个、2个或3个，也可以是4个以上)；而该套筒4151-553内部开设有与调节齿轮的十字转轴相配合的十字型内孔，从而使得该调节齿轮通过该十字形转轴和该套筒与调节按钮相配合，且该调节齿轮与该调节按钮的旋钮安装基座4151-551之间还设置有旋钮复位弹簧，即内旋回弹调节按钮复位弹簧4151-59和外旋回弹调节钮复位弹簧4151-510。

实施例二 带柔性结构回弹的伸缩杆式快拆腰部装置

本发明还提供了另一种外骨骼，其包括髋部机构41，该髋部机构41也与上述实施例一相同，包括髋部基座410，以及通过矢状轴安装基座411安装在该髋部基座左右两侧的左髋部412和右髋部413，且该左髋部412和右髋部413的矢状轴分别与人体左右大腿的矢状轴共线(即重合或平行)，从而使得该外骨骼的下肢大腿部分能够实现外展或内收运动，而该左髋部412和右髋部413也包括一额状轴安装基座414，以及为该额状轴安装基座414提供运动线路的运动轨道415，不同的是，本实施例中的该运动轨道415为一中心轴与人体垂直轴重合的伸缩杆机构，其一端通过矢状轴安装在上述的矢状轴安装基座411上，另一端与该额状轴安装基座414固定连接，从而当该伸缩杆收缩时，带动该额状轴安装基座414绕该伸缩杆的中心轴转动。

参见图7和图8，在一具体实施例中，该伸缩杆包括依次套接的内层轨道4153、内层钢珠套4154、中层轨道4155、外侧钢珠套4156、外层轨道4157和柔性多空外罩4158，其中，内功钢珠套4154上均匀设置有多个内层钢珠，使得该内层钢珠可沿该内层轨道4153滑动，且中层轨道4155可沿该内层钢珠套4154滑动；外层钢珠套4156上均匀设置有多个外层钢珠，使得外层钢珠可沿中层轨道滑动4155，且外层轨道4157可沿外层钢珠套4156滑动。

实施例三 多节滑轨导杆变位三单轴腰部装置

本发明还提供了另一种外骨骼，其包括髋部机构41，该髋部机构41的结构也与上述实施例一相同，包括髋部基座410，以及安装在该髋部基座410左右两侧的左髋部412和右髋部413，然而不同的是，在本实施例中，该髋部基座410的左右两侧并没有设置矢状轴安装基座，该左髋部412和右髋部413是分别铰接在该髋部基座410的左右两侧，并可在水平面内以人体中心轴或者人体的垂直轴为转轴转动的，参见图9a和图9b。

在一具体实施例中，参见图9c，该左髋部412和右髋部413均包括由首尾依次相连的多节滑轨4121构成的运动轨道，以及变曲率滑车机构4122、导杆变位机构4123，而额状轴安装基座414则安装在该导杆变位机构4123上；其中，该多节滑轨4121首尾相连后形成的运动轨道的中心轴与人体的垂直轴相重合，而该首尾相连的多节滑轨4121的首端与该髋部基座410铰接，其尾端与另一侧的多节滑轨4121的尾端相连(具体地，可分别在两侧的尾端设置卡扣公头M和卡扣母头F，从而通过卡扣公头M和卡扣母头F的卡接将两侧尾端相连，且还可调节卡扣母头F和卡扣公头M两者卡接的长度，从而调节该运动轨道的大小)，而该变曲率滑车机构4122安装在该多节滑轨4121上，并以多节滑轨4121，即运动轨道的中心轴为转轴在该多节滑轨4121上滑动，从而使得该额状轴安装基座414可在该变曲率滑车机构4122的带动下沿该多节滑轨4121移动。

参见图10a和图10b，本实施例中，该变曲率滑车机构4122包括变曲率主滑车4122-1，两个侧滑车4122-2，四个水平滚轮4122-3(当然也可对应侧滑车分别各对应设置1、2、3或4个以上的水平滚轮)，四个垂直滚轮4122-4(当然也可对应侧滑车分别各对应设置1、2、3或4个以上的垂直滚轮)，其中，该变曲率主滑车4122-1包括贴合在滑轨上的侧壁4122-11，以及设置在该侧壁4122-11上下两侧的侧滑车铰接座4122-12，而侧滑车铰接座4122-12的横截面呈的L字形(即顶部的侧滑车铰接座4122-12呈倒置的L字形)，从而当两个侧滑车铰接座4122-12分别固定在该侧壁4122-11的上下两侧时，该侧壁贴合在该多节滑轨4121的外侧，而L字形的侧滑车铰接座4122-12的长边则贴合在该多节滑轨4121的内侧，并分别通过在该侧壁的顶部和底部，以及两个侧滑车铰接座的长边上设置相应的水平滚轮安装腔室，使得该变曲率主滑车4122-1可沿滑轨滑动；相应地，在侧滑车4122-2的顶部和底部分别设置垂直滚轮安装腔室，则使得侧滑车也可沿滑轨滑动，且该垂直滚轮4122-4会根据滑轨曲率变化调整侧滑车的朝向，使该滑车机构能够适应多节滑轨曲率变化带来的影响，这样的结构设计能让髋关节外外骨骼更灵活地适应不同体型的穿戴者。进一步地，还可通过设置该侧滑车铰接座与侧滑车铰接处设置挡块或者直接设定一个限位槽，从而限定侧滑车4122-2可相对于主滑车4122-1转动的角度，让其转动范围可控

参见图11a、11b和图11c，本实施例中，该导杆变位机构4123包括导杆4123-1、摇杆4123-2、矢状轴4123-3、活塞缸4123-4和基座4123-5，其中，基座4123-5固定在主滑车侧壁4122-1的外侧，且其中部和底部分别开设有导杆插销孔4123-51和摇杆插销孔4123-52，该导杆4123-1的一端贯穿该活塞缸4123-4内的活塞头固定连接(具体地，参见图11b，该导杆4123-1的一端贯穿该活塞缸的缸盖，并伸入该活塞缸内与活塞头4123-41固定连接)，另一端通过导杆套4123-11与该矢状轴4123-3转动连接，而该矢状轴4123-3则通过该导杆插销孔4123-51水平固定在基座4123-5上，并可相对于该基座4123-5转动，而该活塞缸4123-4的缸头部也设置有铰接孔，而摇杆4123-2的两端通过插销、该摇杆插销孔4123-52和该缸头部的铰接孔分别铰接在该基座4123-5的底部以及活塞缸4123-4的缸头部；而该活塞缸4123-4的底部则固定有额状轴安装基座414。

本实施例中，由于摇杆4123-2的两端分别与基座4123-5底部和活塞缸4123-4的缸头部铰接，从而使基座4123-5、导杆4123-1、活塞缸4123-4、摇杆4123-2形成导杆滑块机构，并以固定在变曲率主滑车4122-1上的基座4123-5为该四杆机构的机架，进而使得当活塞和导杆随大腿转动时，活塞缸4123-4的缸头部到导杆4123-1顶端的距离H逐渐改变，参见图11a、图11c和图11d，即当大腿外展运动时，活塞缸4123-4的缸头部与导杆4123-1顶部之间的距离逐渐缩短；而大腿内翻运动时，活塞缸4123-4的缸头部与导杆4123-1顶部之间的距离逐渐增长，直到极限位置，参见图11d，此时，导杆4123-1的轴线与摇杆4123-2两铰接孔的连线共线。这种极限位置状态下，如果大腿继续内翻，活塞缸4123-4距导杆4123-1顶部的距离会缩小。

进一步地，本实施例中，可通过往活塞缸4123-4的活塞腔室内导入一部分阻尼液(例如，硅油阻尼液)，由于活塞头4123-41上有细微小孔可以将活塞头上下两端的腔室连通，但由于孔径很小，因此活塞头4123-41在腔室中上下移动时会导致阻尼液缓慢的经过活塞头4123-41的穿孔；另一方面，由于导杆4123-1的截面积与活塞缸4123-4的腔室的截面积接近，因此当导杆41234-1深入活塞缸4123-4内时，活塞缸4123-4中残留的空余空间(包含阻尼液和空气)要远小于导杆4123-1全部在活塞缸4123-4之外时的空余总体积，也就是说，当导杆4123-1压入活塞缸4123-4时，活塞缸4123-4内的气液混合体(空气与硅油的混合体)总体积被压缩，压强增高，进而给导杆4123-1提供反向推力，并且活塞头4123-41上的小孔使导杆4123-1插入或取出运动时具有明显的阻尼力，让外骨骼机构的运动在阻力作用下更加稳定和流畅。

进一步地，参见图9c，为了提高穿戴者的舒适性，本实施例的该髋部机构还包括柔性腰带415-1，且多节滑轨4121沿该柔性腰带415-1的长度方向贴合在该柔性腰带415-1的外侧，具体地，可通过在该多节滑轨4121的内侧设置固定凸块4121-1，从而当两侧的多节滑轨4121通过卡扣母头F和卡扣公头M卡接后，该固定凸块4121-1紧压在柔性腰围，进而将该髋部机构固定在穿戴者的腰间。更进一步地，还可在该柔性腰带415-1的两端设置用于调节腰围绷带415-11，而对应于髋部基座410的位置则设置背部海绵垫415-12。

实施例四

本发明还提供了另外一种外骨骼，其包括与上述实施例一至三中任意一种髋部机构，这里不再赘述，不同的是，本实施例的外骨骼的髋部机构还包括设置在该髋部基座410上的髋部宽度调节件417，即通过该髋部宽度调节件来来驱动左髋部412和右髋部413在髋部基座410上水平相对运动或水平相背运动，从而调节左髋部412和右髋部412两者之间的距离，进而使得髋部机构41可适应于不同腰围的穿戴者。

在一具体实施例中，参见图12，该髋部宽度调节件417为带有拨盘417-1，且该拨盘417-1两边分别设置有正负螺纹的丝杠417-2，则左右两侧的额状轴安装基座414分别与该丝杠417-2两端螺纹连接，而左髋部412和右髋部413则分别通过相应的转轴与该额状轴转动连接，则当拨动该丝杠417-2中间的拨盘417-1时，该丝杠驱动该左髋部412和右髋部413在髋部基座410上水平相对运动，从而实现髋部宽度的减小，或者水平相背运动，从而实现髋部宽度的增加，进而适应不同宽度髋部/腰部的穿戴者。

当然，本实施例中，也可直接采用工字形的髋部基座，然后在该髋部基座的左右两侧分别开设多个宽度调节孔，且左髋部和右髋部的一端各自通过相应的转轴与该髋部基座左右两侧的宽度调节孔相配合，从而与该髋部基座转动连接，进而通过将左髋部和右髋部与不同位置的宽度调节孔相配合，实现髋部的宽度调节。

实施例五

本发明还提供了另外一种外骨骼，其包括与上述实施例一至三中任意一种髋部机构，这里不再赘述，不同的是，参见图13，本实施例中，该髋部基座410也可直接采用两个在水平方向上可相互滑动的左、右滑块4101、4102来实现(左滑块与左髋部412的一端相连，右滑块与右髋部413的一端相连)，左滑块4101上沿水平方向设置有上下两个相互平行的轨道4103，相应地，右滑块4102上沿水平方向设置有上下两个相互平台的凸台，即通过控制该凸台与轨道4103上左右滑动的距离来调节髋部机构的宽度。进一步地，还在上下两个轨道4103之间，以及上下两个凸台之间均设置若干竖直卡齿4104，从而可通过控制左滑块4101和右滑块4102之间卡齿相啮合的高度，进而调节髋部机构与背负助力机构相连接的长度，以适应不同人体结构。

实施例六

在一些实施例中，本发明还提供了一种腰部外骨骼装置100，其特征在于，包括腰部滑轨200、腰部滑车202、腰部弹性机构210；所述腰部滑车202可以沿所述腰部滑轨200滑动；所述腰部弹性机构210被放置在所述腰部滑轨上，并且与所述腰部滑车202连接，在所述腰部滑车202沿所述腰部滑轨200滑动的过程中提供弹性蓄能。

在现有技术中，为了让外骨骼更好地将承重负担通过腰部外骨骼卸载到下肢外骨骼，进而到地面上，腰部外骨骼与下肢外骨骼(例如大腿外骨骼)连接在一起，往往无法分开各自转动，限制了人体腰部与大腿相对转动的自由度。在本发明中，既通过将腰部与下肢外骨骼的连接方式改为滑车、滑轨模式来增加了腰部左右转动的自由度(即围绕人体垂直轴旋转，例如内旋和外旋)，又通过弹性蓄能装置来限制、控制腰部转动的幅度，保证了负重力从上往下传导的顺利进行，不影响外骨骼整体的负重效果。

在一些实施例中，所述腰部滑轨200上设置有一个供腰部弹性机构210滑动的环腰部凹槽204，提供阻尼力来控制、稳定外骨骼穿戴者的运动-凹槽部分标示为209。所述腰部弹性机构210被放置在所述环腰部凹槽204中的凹槽209内。

在一些实施例中，所述腰部滑轨200上还设置有腰部滑车连接块212，所述腰部滑车连接块212可以通过螺钉/螺216等固定件与腰部滑车202上对应的腰部弹性机构连接件214固定连接。在一些实施例中，所述腰部滑车连接块212两侧设置有拉簧，当所述腰部滑车202相对所述腰部滑轨200发生滑动时(例如，当人站立着转动腰部时，所述腰部滑车202被下肢外骨骼牵扯住，无法动，而腰部滑轨200跟随人体腰部运动，沿aa’方向(图21a)，即围绕人体垂直轴的旋转，例如，内旋和外旋)，所述腰部滑车连接块212两侧的拉簧一侧被拉伸，一侧被挤压，给腰部转动带来了阻尼，让人体不能够太快速或者幅度太大地转动腰部。这样增加了腰部转动时虽然灵活，但是可控、稳定、顺畅，避免快速或大幅转动时发生意外。请注意，所述腰部弹性机构210不仅仅可以采用附图中的拉簧机构，事实上，还可以采用气推杆或阻尼液等方式来产生阻尼作用。

在一些实施例中，所述环腰部凹槽204的端口设置有挡板218，将所述腰部弹性机构210固定封闭在所述环腰部凹槽204的凹槽209内。

在一些实施例中，本发明腰部外骨骼装置100与背部支撑装置102、下肢外骨骼装置105(例如，玻纤片、金属片、金属杆)、大腿弹性蓄能装置104(例如，扭簧、拉簧、压簧或气推杆)、膝关节外骨骼装置106(例如，偏心轮结构)、小腿外骨骼支撑件108、脚部外骨骼装置110。

另外，可以根据实际需求(例如，所需背负重物的重量、形状等)，在腰部外骨骼装置100上设置背负平台103。所述背负平台的结构可以根据实际情况进行设计和改变。例如，如图3所示，可以将背负平台103与腰部轨道200的接触部分207设计为L型结构，所述L型的长边短于所述腰部轨道200，因此，当背负平台103被打开(即处于可以承载重物的打开状态时)，所述L型长边接触部分207与所述腰部轨道200中间便会形成一个空间208，用户用力推动所述背负平台103可以让背负平台通过一个卡榫机构牢牢地卡在所述腰部外骨骼装置上。这样可以增加背负平台103在打开承重时的稳定性和牢固程度。

在一些实施例中，所述腰部滑轨200由多段可以相对折叠的腰部滑轨片211组成。将所述腰部滑轨200设计成多段式结构是为了让人体在穿戴该腰部外骨骼装置时能否符合不同的人体需求-例如，因为腰部的粗细不同，所述腰部滑轨200围绕腰部的弯曲程度、弧度自然也会有差异，采用多段式结构让所述腰部滑轨200更容易弯曲，更好地适应不同粗细的腰。

在一些实施例中，所述腰部弹性机构210为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

在一些实施例中，所述腰部滑轨200包括左腰部滑轨与右腰部滑轨；所述腰部滑车202包括左腰部滑车与右腰部滑车；所述腰部弹性机构210包括左腰部弹性机构与右腰部弹性机构；所述左腰部弹性机构210被放置在所述左腰部滑轨200上，并且与所述左腰部滑车202连接，在所述左腰部滑车202沿所述左腰部滑轨200滑动的过程中提供弹性蓄能；所述右腰部弹性机构210被放置在所述右腰部滑轨200上，并且与所述右腰部滑车202连接，在所述右腰部滑车202沿所述右腰部滑轨200滑动的过程中提供弹性蓄能。在一些实施例中，左右两侧的腰部弹性机构210通过腰中部连接块连接，左右两侧既可以是独立分开运转，也可以是整体运转。

在一些实施例中，所述腰部滑车202连接髋关节转连接部300，所述髋关节转连接部300包括髋关节矢状轴机构304和髋关节额状轴机构310。

在一些实施例中，所述腰部滑车202连接髋关节矢状轴机构304，所述髋关节矢状轴机构304与下肢外骨骼装置105连接，并且让所述下肢外骨骼装置105可以有向人体左右侧翻动的自由度(即沿bb’方向(图21a)，人体髋关节/大腿的外展和内收)。

在一些实施例中，所述髋关节矢状轴机构304中设置有侧转弹性蓄能装置302。

在一些实施例中，所述侧转弹性蓄能装置302为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

在一些实施例中，所述腰部滑车202连接髋关节额状轴机构310，所述髋关节额状轴机构310与下肢外骨骼装置105连接，并且让所述下肢外骨骼装置105向人体前后翻动(即沿cc’方向(图21c)，人体髋关节/大腿的屈伸)。

在一些实施例中，所述髋关节额状轴机构310中设置有前后转弹性蓄能装置306。

在一些实施例中，所述前后转弹性蓄能装置306为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

在一些实施例中，所述髋关节额状轴机构310右公母两部分308、309组合在一起，其中放置有前后转弹性蓄能装置(扭簧)306。所述扭簧又放置在下肢连接部311中。308上设置有第一接头312，309上设置有第二接头313，所述第一接头312和所述第二接头313可以合在一起，其中设置有侧转轴307。所述侧转弹性蓄能装置302与所述侧转轴307连接，使所述侧转轴307还可以在人体前后抬腿、侧抬腿等动作中，还可以沿侧转轴轨道303移动。这使得人体在抬腿过程中不仅有了围绕侧转轴307左右侧转动的自由度，还有了沿侧转轴轨道303移动(即沿dd’方向)的自由度，而且沿这个自由度的移动式受到阻尼作用的(由拉簧302产生)。这样保证在增加自由度的同时，确保移动的稳定性和可控性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。例如，实施例一、二和三中的额状轴机构414可以实施例六中的髋关节额状轴机构310的结构。实施例一和三中的运动轨道(垂直轴机构)也可以采用实施例六中腰部滑轨的结构。

Claims (10)

1.一种外骨骼，其特征在于，包括髋部机构，所述髋部机构包括左髋部和右髋部，所述左髋部和所述右髋部各自分别包括至少三个单轴机构协同实现所述髋部机构与人体髋部的同构运动；

所述至少三个单轴机构包括矢状轴机构、额状轴机构和垂直轴机构；所述矢状轴机构围绕外骨骼矢状轴转动，所述外骨骼矢状轴与人体大腿矢状轴平行；所述额状轴机构围绕外骨骼额状轴转动，所述外骨骼额状轴与人体大腿额状轴平行；所述垂直轴机构围绕外骨骼垂直轴转动，所述外骨骼垂直轴人体大腿垂直轴重合或平行；所述髋部机构包括髋部基座，所述髋部机构的左髋部和右髋部分别铰接在所述髋部基座的左右两侧，且所述左髋部和所述右髋部可在水平面内转动；

所述垂直轴机构包括由首尾依次相连的多节滑轨构成的运动轨道，以及变曲率滑车机构；所述多节滑轨的首端与所述髋部基座转动连接，其尾端则与另一侧的所述多节滑轨相连；所述变曲率滑车机构安装在所述多节滑轨上，并以在所述运动轨道上滑动；

所述矢状轴机构的一端安装在所述变曲率滑车机构上，另一端则连接所述额状轴机构的额状轴安装基座；

所述矢状轴机构采用导杆变位机构的形式实现围绕所述外骨骼矢状轴转动。

2.如权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述变曲率滑车机构包括变曲率主滑车，分别铰接在该变曲率主滑车两侧的变曲率侧滑车，且所述变曲率主滑车和所述变曲率侧滑车以可相对于所述多节滑轨滑动的方式安装在所述运动轨道上。

3.如权利要求2所述的外骨骼，其特征在于，所述变曲率主滑车上与所述变曲率侧滑车铰接处设置有用于限定所述变曲率侧滑车相对于所述变曲率主滑车转动角度的挡块。

4.如权利要求2所述的外骨骼，其特征在于，所述变曲率主滑车上与所述变曲率侧滑车铰接处设置有用于限定所述变曲率侧滑车相对于所述变曲率主滑车转动角度的限位槽。

5.如权利要求2所述的外骨骼，其特征在于，所述导杆变位机构包括导杆、摇杆、活塞缸，以及固定在所述变曲率主滑车上的基座，其中，所述导杆的一端与所述基座的中部铰接，另一端与所述活塞缸内的活塞头固定连接；所述摇杆的一端与所述基座的底部铰接，另一端与所述活塞缸的缸头部铰接；所述活塞缸的底部与所述额状轴安装基座固定连接。

6.如权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述髋部机构还包括柔性腰带，所述多节滑轨沿所述柔性腰带的长度方向贴合在所述柔性腰带外侧。

7.如权利要求1-6中任一项权利要求所述的外骨骼，其特征在于，所述髋部机构还包括设置在所述髋部基座上的髋部宽度调节件，所述髋部宽度调节件位于所述左髋部和所述右髋部之间。

8.如权利要求7所述的外骨骼，所述髋部宽度调节件驱动所述左髋部和所述右髋部在所述髋部基座上水平相对运动或水平相背运动。

9.如权利要求5所述的外骨骼，其特征在于，所述活塞头上设置有细微小孔可以将所述活塞头上下两端的活塞腔室连通。

10.如权利要求9所述的外骨骼，其特征在于，在所述活塞腔室内导入阻尼液。

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