CN111702747B - 被动式负重助力下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了被动式负重助力下肢外骨骼，包括臀部组件和腿部组件，腿部组件与对应位置的臀部组件通过第一轴向转动件转动连接；腿部组件包括大腿杆件和小腿杆件，大腿杆件和小腿杆件通过第二轴向转动件转动连接，在小腿杆件的上端开设有凹槽，在凹槽轴向两侧壁上对称设有条形孔，大腿杆件伸入凹槽内，第二轴向转动件能够带动大腿杆件沿所述条形孔滑动，当第二轴向转动件位于条形孔的最上端时，大腿杆件与凹槽的底部之间具有间隙，可以摆动，当第二轴向转动件位于条形孔的最下端时，大腿杆件与凹槽的底部相抵，传递重力。本方案能有效进行人体支撑相重力支撑和摆动相适时的被动助力，人机协同运动一致性好，纯被动使得成本低，使用可靠。

Description

被动式负重助力下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及可穿戴装备技术领域，具体涉及一种被动式负重助力下肢外骨骼。

背景技术

人们在背负重物时，下肢和脊柱会受到巨大压力，而且背负重物重量的极限较小。特别是在道路崎岖的地域，这些地方不能通过车辆，只能靠人来背负重物，而且行走路途较远，自然就需要一种能减轻人体压力，并且可增加背负重量的装置。

由于人体结构复杂，通常将人体步行时单条腿运动分为摆动相与支撑相，摆动相为脚底与地面无接触阶段，支撑相为脚部与地面接触阶段，当人体在负重行走时，人体腿部的运动状态是在支撑相与摆动相之间不断转变。

负重助力下肢外骨骼就是一种能穿戴在人体的下肢，并在人体负重时能为人体提供重力支撑，以减轻人体下肢受到的压力，提高背负重量的装置。

现有技术中的负重助力外骨骼如公开号为CN111096876A中提到一种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。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。

又如公开号为CN110900583A中提到了一种下肢外骨骼助力负重机构，其包括载重件、相互对称的两条负重支链和控制装置，每条负重支链包括调节件、髋关节伺服电机、大腿支撑件、载重支撑件、膝关节伺服电机、小腿支撑件、踝关节脚部件、大腿穿戴环和小腿穿戴环，其中：所述载重件的两端分别与两条负重支链上的调节件的上部铰接，控制装置安装于载重件中；每条负重支链上，调节件的底部两端分别与大腿支撑件的上端和载重支撑件的上端铰接，髋关节伺服电机的输出轴与大腿支撑件的上端连接，膝关节伺服电机的输出轴与小腿支撑件的上端连接，大腿支撑件的下端与小腿支撑件的上端铰接，载重支撑件的下端与小腿支撑件的上端铰接，小腿支撑件的下端与踝关节脚部件铰接，大腿穿戴环与大腿支撑件的中部固定连接，小腿穿戴环与小腿支撑件的上部固定连接，髋关节伺服电机和膝关节伺服电机均与控制装置连接。通过设置载重件和相互对称的两条负重支链，并设置每条负重支链包括调节件、髋关节伺服电机、大腿支撑件、载重支撑件、膝关节伺服电机、小腿支撑件、踝关节脚部件、大腿穿戴环和小腿穿戴环，提供了一种可以在行进过程中根据行进状态自动调节负重重心的装置，使得行进过程中的负重重心偏向作为支撑的负重支链，因而可以减少行进中的负重支链的负重，从而不仅可以减少能量损耗，而且使得本发明的负重比较大。

上述现有技术中提到的负重助力下肢外骨骼均为主动式外骨骼，即它们都是采用电机作为外骨骼的动力来源，电机的动力再通过传动组件传递给储能装置，最后储能装置再通过释放能量为人体负重提供助力，上述主动式的负重助力外骨骼在实际使用时会存在下面的问题：电机和传动组件的设计无疑会大大提高整个外骨骼装置结构的复杂性，同时会使得整个外骨骼装置的重量也大大增加，由此使得整个外骨骼装置的使用成本大大增加，穿着舒适性大大降低。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能有效降低使用成本且穿着舒适性大大提高的具有被动式负重助力效果的下肢外骨骼。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

被动式负重助力下肢外骨骼，包括开口向前呈U型结构的臀部组件，所述臀部组件用于与人体的臀部位置相适应，所述臀部组件的内侧固定连接有腰部组件，所述腰部组件用于缠绕在人体的腰部位置，所述臀部组件的后侧向后延伸设有用于放置重物的置物板，所述臀部组件的轴向两侧还对称设有腿部组件，所述腿部组件与对应位置的所述臀部组件通过第一轴向转动件转动连接，以与人体的髋关节的前屈和后伸运动相适应；

所述腿部组件包括分别用于与人体的大腿和小腿相配合的大腿杆件和小腿杆件，所述大腿杆件上设有用于缠绕在人体的大腿位置的大腿绑带，所述小腿杆件上设有用于缠绕在人体的小腿位置的小腿绑带，所述大腿杆件和所述小腿杆件通过第二轴向转动件转动连接，以与人体膝关节的前屈和后伸运动相适应，在所述小腿杆件用于与所述大腿杆件连接的一端开设有开口朝上且轴向设置的凹槽，在所述凹槽轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿所述小腿杆件的条形孔，所述大腿杆件用于与所述小腿杆件连接的一端伸入所述凹槽内，且在所述大腿杆件上与所述条形孔对应的位置开设有连接孔，所述第二轴向转动件穿过所述条形孔和所述连接孔以实现所述大腿杆件和所述小腿杆件的转动连接，且所述第二轴向转动件能够带动所述大腿杆件沿所述条形孔滑动，当所述第二轴向转动件位于所述条形孔的最上端时，所述大腿杆件与所述凹槽的底部之间具有间隙，当所述第二轴向转动件位于所述条形孔的最下端时，所述大腿杆件与所述凹槽的底部相抵。

在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向。

本发明的工作原理为：在使用本发明的被动式负重助力下肢外骨骼时，将臀部组件与人体的臀部位置相对应，腿部组件与人体的腿部位置相对应，然后将腰部组件缠绕在人体的腰部，将大腿杆件和小腿杆件分别通过大腿绑带和小腿绑带与人体的大腿和小腿位置进行连接，由此实现了将本发明的被动式负重助力下肢外骨骼穿戴在人体的目的。

当人体需要负重行走时，将重物放置置物板上，当人体的两条腿均处于支撑相状态时，置物板上重物产生的部分重力经置物板传递给臀部组件，臀部组件再将该重力传递给大腿杆件，大腿杆件在该向下的重力作用下带动第二轴向转动件共同沿条形孔向下移动，直到第二轴向转动件到达条形孔的最下端，此时大腿杆件与凹槽的底部相抵，这样一方面利用大腿杆件对置物板上的重物起到一定的重力平衡和支撑作用，另一方面，传递到大腿杆件的部分重力还将进一步经小腿杆件向下传递到地面，由此减少人体肌肉的用力，减缓肌肉疲劳，提高负重能力；

当人体前行时，向前迈步的腿的状态由支撑相变为摆动相，此时小腿杆件将在自身重力的作用下沿条形孔向下滑动，使得第二轴向转动件回到条形孔最上端的位置，此时大腿杆件与凹槽之间具有间隙，可以摆动，因此大腿杆件和小腿杆件之间能相对转动，以此以来适应人体腿部向前迈进时的运动状态，而在后的腿仍然与地面接触保持为支撑相状态，此时作为与该支撑相状态的腿连接的腿部组件仍然能起到重力平衡和支撑的作用；

当人体继续前进时，向前迈步的腿下落与地面接触成为支撑相，与该腿连接的腿部组件中的大腿杆件沿条形孔向下滑动，使得大腿杆件与凹槽的槽底相抵，以此起到重力平衡和支撑的作用，而在后的腿向上抬起变为摆动相，与该腿连接的腿部组件中的小腿杆件在重力作用下下移，使得该腿处的大腿杆件与凹槽之间具有间隙，小腿杆件和大腿杆件之间能够相对转动以适应该腿的运动状态；

由此，当人体在不断行走过程中，人体的腿部状态交替发生变化，与不同腿部连接的腿部组件的状态也跟随变化，由此使得该外骨骼不仅能起到重力平衡和支撑作用，同时又不影响人正常行走的目的。本方案通过重力平衡和支撑作用，能有效减少伸肌（股四头肌等）用力，由此大大延缓肌肉疲劳，提高人的负重行走能力。

同时，由于本方案中没有采用电机和传动组件等驱动装置，由此也使得本方案的结构大大的简化，使用成本大大的降低，同时由于省去了电机和传动组件等驱动装置，使得整个设备的重量大大减轻，穿着舒适性也大大的提高。由此，本方案能有效进行人体支撑相重力支撑和摆动相适时的被动助力，人机协同运动一致性好，纯被动使得成本低，使用可靠。

优选的，所述腿部组件上滑动套设有弹簧套，在所述臀部组件的轴向两侧还对称设有重力平衡弹簧，所述重力平衡弹簧的上端固定连接在所述臀部组件上，所述重力平衡弹簧的下端固定连接对应侧的所述弹簧套上，所述弹簧套处还设有自攻锁紧螺钉，以使得所述弹簧套能够与所述腿部组件固定连接或沿所述腿部组件滑动。

这样，通过设置重力平衡弹簧，当重物放置在置物板上后，通过调节弹簧套在腿部组件上的位置，可以使得重力平衡弹簧产生一定的预紧力来平衡部分重物的重力，当放置不同重量的重物时，先通过调节弹簧套的位置，使得重力平衡弹簧的预紧力达到合适的大小后，拧紧自攻锁紧螺钉使得弹簧套固定在腿部组件上，由此实现利用重力平衡弹簧来平衡部分重物重力的作用，进一步减轻人体肌肉受力，同时当人体负重前行时，重力平衡弹簧的预紧力会对人体腿部产生一个向前的助力，人体腿部在该向前的助力作用下能更轻松的向前迈步，由此进一步减轻了人体肌肉受力，延缓肌肉疲劳，提高负重能力。

优选的，所述凹槽的底部呈平面结构，所述大腿杆件用于与所述凹槽的底部相抵的端面也呈平面结构。

这样，大腿杆件与凹槽的底部相抵时，由于凹槽的底部和大腿杆件用于与凹槽底部相抵的端面均为平面结构，这样使得凹槽底部和大腿杆件相抵时具有较大的接触面积，同时平面的接触结构使得大腿杆件和凹槽的底部之间不易产生相对滑动，保证了两者接触面位置的稳定性，同时有效传递重力。

优选的，所述连接孔中部位置的四周均向外延伸形成放置空间，在所述第二轴向转动件伸入所述放置空间的位置还套设有能够跟随所述第二轴向转动件运动的助力扭簧，所述助力扭簧的一端作为固定端向下穿过所述大腿杆件后与所述小腿杆件固定连接，所述助力扭簧的另一端作为活动端自由布置在所述放置空间内，且所述助力扭簧的活动端在所述大腿杆件和所述小腿杆件的相对转动角度达到设定值时将与所述大腿杆件相抵，即通常膝关节平路行走角度60度左右时实现平路行走不助力，上下楼梯提供被动助力的效果。

这样，当人体下肢运动，大腿和小腿之间做屈伸运动时，套设在第二轴向转动件上的助力扭簧由于其固定端是固定在小腿杆件上的，故此时助力扭簧能随小腿杆件一起绕大腿杆件转动，当人体在平路上行走时，助力扭簧的活动端在大腿杆件和小腿杆件的相对转动角度达到设定值之前都是出于自由状态，即此时助力扭簧没有产生变形蓄能，只有当人体在进行登山、上下楼梯等大角度运动时，助力扭簧的活动端能随小腿杆件绕大腿杆件的转动角度达到设定值，此时助力扭簧的活动端将与大腿杆件相抵，当人体腿部带动大腿杆件和小腿杆件之间进一步相对转动时，此时助力扭簧持续与大腿杆件相抵并在大腿杆件的作用下产生变形并蓄能，当人体腿部伸展时，助力扭簧复位释放能量为人体膝关节运动提供助力。因此本方案实现了在平路行走时不提供助力、不会产生额外负重，仅在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

所述臀部组件包括U型结构的第一连杆，在所述第一连杆U型结构开口处的轴向两侧对称设有纵向设置的第二连杆，所述第二连杆与对应位置所述第一连杆通过第一竖向转动件转动连接，以与人体的髋关节的内旋和外旋运动相适应，在所述腿部组件的上方还设有竖向的第三连杆，所述第三连杆的下端与所述腿部组件通过第一轴向转动件转动连接，以与人体的髋关节的前屈和后伸运动相适应，所述第三连杆的上端与所述第二连杆通过第一纵向转动件转动连接，以与人体的髋关节的内收和外展运动相适应。

这样，第一连杆和第二连杆通过第一竖向转动件转动连接，以适应人体髋关节的内旋和外旋运动，第三连杆与第二连杆通过第一纵向转动件进行连接，以适应人体髋关节的内收和外展运动，第三连杆与腿部组件通过第一轴向转动件转动连接，以适应人体髋关节的前屈和后伸运动，这样使得该外骨骼具有多个自由度来适应人体髋关节的运动，使得穿戴好该外骨骼后不会对人体髋关节的正常活动产生影响，提高穿着的舒适性。

优选的，所述第一连杆U型结构开口处的两端均沿纵向方向向前延伸形成第一连接凸起，所述第二连杆用于与所述第一连杆连接的一端沿纵向方向开设有第一连接凹槽，所述第一连接凹槽在轴向方向贯穿所述第二连杆，所述第一连接凸起伸入到所述第一连接凹槽内，且所述第一连接凸起和所述第一连接凹槽通过第一竖向转动件转动连接；

在所述第二连杆上还连接有竖向的中间连接块，所述中间连接块的上端向下依次开设有相互连通的开口和卡槽，所述第二连杆能够经所述开口后卡设在所述卡槽内，且所述第二连杆通过所述开口处的连接螺钉与所述中间连接块固定连接，在所述中间连接块的下端沿纵向方向开设有第二连接凹槽，所述第二连接凹槽在轴向方向贯穿所述中间连接块，所述第三连杆的上端能够伸入到所述第二连接凹槽内，且所述第三连杆和所述第二连接凹槽通过第一纵向转动件转动连接；

所述第三连杆的下端沿轴向方向开设有第三连接凹槽，所述第三连接凹槽在纵向方向贯穿所述第三连杆，所述腿部组件的上端伸入到所述第三连接凹槽内，且所述腿部组件与所述第三连接凹槽通过第一轴向转动件转动连接。

这样，通过设置中间连接块，利用中间连接块与第三连杆进行连接，当不同的人体穿戴该外骨骼时，可以通过取下连接螺钉，将中间连接块沿第二连杆滑动来调整中间连接块的位置，以此来更好的适应不同人体的穿着需求。

优选的，所述凹槽沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿所述小腿杆件，所述大腿杆件沿纵向方向的前端与所述凹槽纵向方向的侧壁相抵，且所述凹槽纵向方向的侧壁与槽底的相接位置设有圆弧形的第一倒角，所述大腿杆件与所述第一倒角对应的位置设有第二倒角，所述第一倒角与所述第二倒角之间在凹槽的底部与大腿杆件相抵时具有间隙。

这样，根据人体腿部的运动特点，人体小腿只能绕大腿向后转动，却不能向前转动，因此使得凹槽沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿小腿杆件，以适应人体小腿绕大腿向后转动，大腿杆件沿纵向方向的前端与凹槽纵向方向的侧壁相抵，以限制小腿杆件绕大腿杆件的向前转动，同时通过设置第一倒角和第二倒角，并使得第一倒角与第二倒角之间在凹槽的底部与大腿杆件相抵时具有间隙，这样使得作为支撑相的腿仍然会有一定的摆动空间，以此来更好的适应人体的负重运动。

优选的，所述大腿杆件包括大腿内杆和大腿外杆，所述大腿外杆的上端与所述臀部组件通过第一轴向转动件转动连接，所述大腿外杆的下端沿其长度方向设有的第一滑动槽，所述第一滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述大腿外杆的第一限位孔，所述大腿内杆的下端伸入到所述凹槽内，且所述大腿内杆的上端伸入到所述第一滑动槽内，在所述大腿内杆伸入到所述第一滑动槽内的位置还设有具有弹性的第一限位件，所述第一限位件上设有能够穿出所述第一限位孔的第一调节凸块；

所述小腿杆件包括小腿外杆和小腿内杆，所述小腿外杆的上端通过第二轴向转动件与所述大腿内杆的下端转动连接，所述小腿外杆的下端沿其长度方向设有第二滑动槽，所述第二滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述小腿外杆的第二限位孔，所述小腿内杆的上端伸入到所述第二滑动槽内，在所述小腿内杆伸入到所述第二滑动槽内的位置还设有具有弹性的第二限位件，所述第二限位件上设有能够穿过所述第二限位孔的第二调节凸块。

这样，通过设置大腿内杆和大腿外杆，当需要调节大腿杆件的整体长度时，按下第一调节凸块，由于与第一调节凸块连接的第一限位件具有弹性，第一调节凸块将向内收缩退出第一限位孔，此时移动大腿内杆或大腿外杆，使得大腿内杆和大腿外杆之间相互滑动，大腿杆件的整体长度发生变化，当大腿杆件的整体长度变化到需要的长度时，在第一限位件的弹性复位作用下，第一调节凸块从对应位置的第一限位孔内向外伸出，由此将大腿内杆和大腿外杆的位置进行限定，大腿杆件的长度确定。

同理，当需要调节小腿杆件的整体长度时，按下第二调节凸块，由于与第二调节凸块连接的第二限位件具有弹性，第二调节凸块将向内收缩退出第二限位孔，此时移动小腿内杆或小腿外杆，使得小腿内杆和小腿外杆之间相互滑动，小腿杆件的整体长度发生变化，当小腿杆件的整体长度变化到需要的长度时，在第二限位件的弹性复位作用下，第二调节凸块从对应位置的第二限位孔内向外伸出，由此将小腿内杆和小腿外杆的位置进行限定，小腿杆件的长度确定。

这样，通过调节小腿杆件和大腿杆件的整体长度，使得该外骨骼装置能更好的与不同穿戴该装置的人体的腿部相适应，从而提高穿着的舒适性和助力支撑效果。

优选的，在所述腿部组件的下方还设有用于与人体脚部配合的脚部组件，所述脚部组件通过杆端关节轴承与所述腿部组件进行转动连接，所述杆端关节轴承包括转动连接的球头和球座，所述球座包括安装部和外螺纹部，所述球座的外螺纹部与所述腿部组件进行螺纹连接，所述球头转动连接在所述球座的安装部，所述脚部组件与所述球头固定连接。

这样，脚部组件穿戴在人体脚部，脚部组件通过杆端关节轴承与腿部组件进行连接，从而使得脚部组件能绕腿部组件自由转动，以此来适应人体脚部踝关节位置的运动。

优选的，在所述臀部组件上方还设有用于与人体背部相配合的背部组件，所述背部组件包括背板和背带，所述背板的下端通过竖向的连接杆与所述臀部组件固定连接，在所述背板的上端对称设有两个上连接环，在所述背板的下端位于所述上连接环正下方的位置均设有下连接环，在每个所述上连接环的位置均设有一个背带，所述背带远离其连接所述上连接环的一端用于连接在对应位置的下连接环上。

这样，背部组件用于与人体背部进行连接，在穿戴背部组件时，将肩带从与上连接环或下连接环连接的位置取下，然后将背板与人体背部位置相配合，最后再将肩带取下的一端连接在对应位置的上连接环或是下连接环，背带与腰部组件、大腿绑带和小腿绑带一起实现将该外骨骼装置穿戴在人体身上的目的，同时当人体在负重行走时，背板也能平衡部分重物的重力，从而进一步减轻人体肌肉的受力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为图1中B处的放大示意图；

图4为本发明中腿部组件的爆炸示意图；

图5为图4中C处的放大示意图；

图6为大腿杆件的爆炸示意图；

图7为小腿杆件的爆炸示意图；

图8为腿部为支撑相状态时大腿杆件和小腿杆件配合处的结构示意图；

图9为腿部为摆动相状态时大腿杆件和小腿杆件配合处的结构示意图。

附图标记说明：置物板1、连接杆2、背板3、背带4、腰部组件5、臀部组件6、重力平衡弹簧7、弹簧套8、自攻锁紧螺钉9、大腿绑带10、大腿杆件11、第一调节凸块111、第一限位孔112、大腿外杆113、大腿内杆114、第一限位件115、连接孔116、小腿杆件12、第二调节凸块121、第二限位孔122、条形孔123、凹槽124、第二限位件125、小腿绑带13、第一连杆14、第二连杆15、中间连接块16、第三连杆17、第一限位挡板171、第二限位挡板172、第一竖向转动件18、第一纵向转动件19、第一轴向转动件20、脚部组件21、外螺纹部22、安装部23、球头24、第二轴向转动件25、助力扭簧26。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如附图1到附图7所示，被动式负重助力下肢外骨骼，包括开口向前呈U型结构的臀部组件6，臀部组件6用于与人体的臀部位置相适应，臀部组件6的内侧固定连接有腰部组件5，腰部组件5用于缠绕在人体的腰部位置，臀部组件6的后侧向后延伸设有用于放置重物的置物板1，臀部组件6的轴向两侧还对称设有腿部组件，腿部组件与对应位置的臀部组件6通过第一轴向转动件20转动连接，以与人体的髋关节的前屈和后伸运动相适应；第一轴向转动件20可以采用螺钉加螺母的结构形式，也可以采用其它的结构形式，两个零件的转动连接属于现有技术，在此不做详细说明；

腿部组件包括分别用于与人体的大腿和小腿相配合的大腿杆件11和小腿杆件12，大腿杆件11上设有用于缠绕在人体的大腿位置的大腿绑带10，小腿杆件12上设有用于缠绕在人体的小腿位置的小腿绑带13，大腿杆件11和小腿杆件12通过第二轴向转动件25转动连接，以与人体膝关节的前屈和后伸运动相适应，在小腿杆件12用于与大腿杆件11连接的一端开设有开口朝上且轴向设置的凹槽124，在凹槽124轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿小腿杆件12的条形孔123，大腿杆件11用于与小腿杆件12连接的一端伸入凹槽124内，且在大腿杆件11上与条形孔123对应的位置开设有连接孔116，第二轴向转动件25穿过条形孔123和连接孔116以实现大腿杆件11和小腿杆件12的转动连接，且第二轴向转动件25能够带动大腿杆件11沿条形孔123滑动，当第二轴向转动件25位于条形孔123的最上端时，大腿杆件11与凹槽124的底部之间具有间隙，当第二轴向转动件25位于条形孔123的最下端时，大腿杆件11与凹槽124的底部相抵。

在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向。

本发明的工作原理为：在使用本发明的被动式负重助力下肢外骨骼时，将臀部组件6与人体的臀部位置相对应，腿部组件与人体的腿部位置相对应，然后将腰部组件5缠绕在人体的腰部，将大腿杆件11和小腿杆件12分别通过大腿绑带10和小腿绑带13与人体的大腿和小腿位置进行连接，由此实现了将本发明的被动式负重助力下肢外骨骼穿戴在人体的目的。

当人体需要负重行走时，将重物放置置物板1上，当人体的两条腿均处于支撑相状态时，置物板1上重物产生的部分重力经置物板1传递给臀部组件6，臀部组件6再将该重力传递给大腿杆件11，大腿杆件11在该向下的重力作用下带动第二轴向转动件25共同沿条形孔123向下移动，直到第二轴向转动件25到达条形孔123的最下端（如附图8所示），此时大腿杆件11与凹槽124的底部相抵，这样一方面利用大腿杆件11对置物板1上的重物起到一定的重力平衡和支撑作用，另一方面，传递到大腿杆件11的部分重力还将进一步经小腿杆件12向下传递到地面，由此就大大减少了人体肌肉的用力，减缓了肌肉疲劳，提高了负重能力；

当人体前行时，向前迈步的腿的状态由支撑相变为摆动相，此时小腿杆件12将在自身重力的作用下沿条形孔123向下滑动，使得第二轴向转动件25回到条形孔123最上端的位置（如附图9所示），此时大腿杆件11与凹槽124之间具有间隙，可以摆动，因此大腿杆件11和小腿杆件12之间能相对转动，以此来适应人体腿部向前迈进时的运动状态，而在后的腿仍然与地面接触保持为支撑相状态，此时作为与该支撑相状态的腿连接的腿部组件仍然能起到重力平衡和支撑的作用；

当人体继续前进时，向前迈步的腿下落与地面接触成为支撑相，与该腿连接的腿部组件中的大腿杆件11沿条形孔123向下滑动，使得大腿杆件11与凹槽124的槽底相抵，以此起到重力平衡和支撑的作用，而在后的腿向上抬起变为摆动相，与该腿连接的腿部组件中的小腿杆件12在重力作用下下移，使得该腿处的大腿杆件11与凹槽124之间具有间隙，小腿杆件12和大腿杆件11之间能够相对转动以适应该腿的运动状态；

由此，当人体在不断行走过程中，人体的腿部状态交替发生变化，与不同腿部连接的腿部组件的状态也跟随变化，由此使得该外骨骼不仅能起到重力平衡和支撑作用，同时又不影响人正常行走的目的。本方案通过重力平衡和支撑作用，能有效减少伸肌（股四头肌等）用力，由此大大延缓肌肉疲劳，提高人的负重行走能力。

同时，由于本方案中没有采用电机和传动组件等驱动装置，由此也使得本方案的结构大大的简化，使用成本大大的降低，同时由于省去了电机和传动组件等驱动装置，使得整个设备的重量大大减轻，穿着舒适性也大大的提高。

在本实施例中，腿部组件上滑动套设有弹簧套8，在臀部组件6的轴向两侧还对称设有重力平衡弹簧7，重力平衡弹簧7的上端固定连接在臀部组件6上，重力平衡弹簧7的下端固定连接对应侧的弹簧套8上，弹簧套8处还设有自攻锁紧螺钉9，以使得弹簧套8能够与腿部组件固定连接或沿腿部组件滑动。

这样，通过设置重力平衡弹簧7，当重物放置在置物板1上后，通过调节弹簧套8在腿部组件上的位置，可以使得重力平衡弹簧7产生一定的预紧力来平衡部分重物的重力，当放置不同重量的重物时，先通过调节弹簧套8的位置，使得重力平衡弹簧7的预紧力达到合适的大小后，拧紧自攻锁紧螺钉9使得弹簧套8固定在腿部组件上，由此实现利用重力平衡弹簧7来平衡部分重物重力的作用，进一步减轻人体肌肉受力，同时当人体负重前行时，重力平衡弹簧7的预紧力会对人体腿部产生一个向前的助力，人体腿部在该向前的助力作用下能更轻松的向前迈步，由此进一步减轻了人体肌肉受力，延缓肌肉疲劳，提高负重能力。

在本实施例中，凹槽124的底部呈平面结构，大腿杆件11用于与凹槽124的底部相抵的端面也呈平面结构。

这样，大腿杆件11与凹槽124的底部相抵时，由于凹槽124的底部和大腿杆件11用于与凹槽124底部相抵的端面均为平面结构，这样使得凹槽124底部和大腿杆件11相抵时具有较大的接触面积，同时平面的接触结构使得大腿杆件11和凹槽124的底部之间不易产生相对滑动，保证了两者接触面位置的稳定性，同时有效传递重力。

在本实施例中，连接孔116中部位置的四周均向外延伸形成放置空间，在第二轴向转动件25伸入放置空间的位置还套设有能够跟随第二轴向转动件25运动的助力扭簧26，助力扭簧26的一端作为固定端向下穿过大腿杆件11后与小腿杆件12固定连接，助力扭簧26的另一端作为活动端自由布置在放置空间内，且助力扭簧26的活动端在大腿杆件11和小腿杆件12的相对转动角度达到设定值时将与大腿杆件11相抵，小腿杆件12上竖向开设有固定孔，助力扭簧26的固定端伸入到固定孔内。

这样，当人体下肢运动，大腿和小腿之间做屈伸运动时，套设在第二轴向转动件25上的助力扭簧26由于其固定端是固定在小腿杆件12上的，故此时助力扭簧26能随小腿杆件12一起绕大腿杆件11转动，当人体在平路上行走时，助力扭簧26的活动端在大腿杆件11和小腿杆件12的相对转动角度达到设定值之前都是出于自由状态，即此时助力扭簧26没有产生变形蓄能，只有当人体在进行登山、上下楼梯等大角度运动时，助力扭簧26的活动端能随小腿杆件12绕大腿杆件11的转动角度达到设定值，此时助力扭簧26的活动端将与大腿杆件11相抵，当人体腿部带动大腿杆件11和小腿杆件12之间进一步相对转动时，此时助力扭簧26持续与大腿杆件11相抵并在大腿杆件11的作用下产生变形并蓄能，当人体腿部伸展时，助力扭簧26复位释放能量为人体膝关节运动提供助力。因此本方案实现了在平路行走时不提供助力、不会产生额外负重，仅在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

臀部组件6包括U型结构的第一连杆14，在第一连杆14U型结构开口处的轴向两侧对称设有纵向设置的第二连杆15，第二连杆15与对应位置第一连杆14通过第一竖向转动件18转动连接，以与人体的髋关节的内旋和外旋运动相适应，在腿部组件的上方还设有竖向的第三连杆17，第三连杆17的下端与腿部组件通过第一轴向转动件20转动连接，以与人体的髋关节的前屈和后伸运动相适应，第三连杆17的上端与第二连杆15通过第一纵向转动件19转动连接，以与人体的髋关节的内收和外展运动相适应。

这样，第一连杆14和第二连杆15通过第一竖向转动件18转动连接，以适应人体髋关节的内旋和外旋运动，第三连杆17与第二连杆15通过第一纵向转动件19进行连接，以适应人体髋关节的内收和外展运动，第三连杆17与腿部组件通过第一轴向转动件20转动连接，以适应人体髋关节的前屈和后伸运动，这样使得该外骨骼具有多个自由度来适应人体髋关节的运动，使得穿戴好该外骨骼后不会对人体髋关节的正常活动产生影响，提高穿着的舒适性。

在本实施例中，第一连杆14U型结构开口处的两端均沿纵向方向向前延伸形成第一连接凸起，第二连杆15用于与第一连杆14连接的一端沿纵向方向开设有第一连接凹槽124，第一连接凹槽124在轴向方向贯穿第二连杆15，第一连接凸起伸入到第一连接凹槽124内，且第一连接凸起和第一连接凹槽124通过第一竖向转动件18转动连接；

在第二连杆15上还连接有竖向的中间连接块16，中间连接块16的上端向下依次开设有相互连通的开口和卡槽，第二连杆15能够经开口后卡设在卡槽内，且第二连杆15通过开口处的连接螺钉与中间连接块16固定连接，在中间连接块16的下端沿纵向方向开设有第二连接凹槽124，第二连接凹槽124在轴向方向贯穿中间连接块16，第三连杆17的上端能够伸入到第二连接凹槽124内，且第三连杆17和第二连接凹槽124通过第一纵向转动件19转动连接；

第三连杆17的下端沿轴向方向开设有第三连接凹槽124，第三连接凹槽124在纵向方向贯穿第三连杆17，腿部组件的上端伸入到第三连接凹槽124内，且腿部组件与第三连接凹槽124通过第一轴向转动件20转动连接。

这样，通过设置中间连接块16，利用中间连接块16与第三连杆17进行连接，当不同的人体穿戴该外骨骼时，可以通过取下连接螺钉，将中间连接块16沿第二连杆15滑动来调整中间连接块16的位置，以此来更好的适应不同人体的穿着需求。

在本实施例中，对应于人体髋关节的各转动连接处均设有限位结构，以此来与人体髋关节的运动幅度相适应，在第三连杆17的纵向两侧分别设有第一限位挡板171和第二限位挡板172，且第一限位挡板171位于纵向方向的前侧，第二限位挡板172位于纵向方向的后侧，当腿部组件绕第三连杆17向前转动时，第一限位挡板171对向前转动的幅度进行限位，当腿部组件绕第三连杆17向后转动时，第二限位挡板172对向后转动的幅度进行限位。

在本实施例中，凹槽124沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿小腿杆件12，大腿杆件11沿纵向方向的前端与凹槽124纵向方向的侧壁相抵，且凹槽124纵向方向的侧壁与槽底的相接位置设有圆弧形的第一倒角，大腿杆件11与第一倒角对应的位置设有第二倒角，第一倒角与第二倒角之间在凹槽124的底部与大腿杆件11相抵时具有间隙。

这样，根据人体腿部的运动特点，人体小腿只能绕大腿向后转动，却不能向前转动，因此使得凹槽124沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿小腿杆件12，以适应人体小腿绕大腿向后转动，大腿杆件11沿纵向方向的前端与凹槽124纵向方向的侧壁相抵，以限制小腿杆件12绕大腿杆件11的向前转动，同时通过设置第一倒角和第二倒角，并使得第一倒角与第二倒角之间在凹槽124的底部与大腿杆件11相抵时具有间隙，这样使得作为支撑相的腿仍然会有一定的摆动空间，以此来更好的适应人体的负重运动。

在本实施例中，大腿杆件11包括大腿内杆114和大腿外杆113，大腿外杆113的上端与臀部组件6通过第一轴向转动件20转动连接，大腿外杆113的下端沿其长度方向设有的第一滑动槽，第一滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿大腿外杆113的第一限位孔112，大腿内杆114的下端伸入到凹槽124内，且大腿内杆114的上端伸入到第一滑动槽内，在大腿内杆114伸入到第一滑动槽内的位置还设有具有弹性的第一限位件115，第一限位件115上设有能够穿出第一限位孔112的第一调节凸块111；

小腿杆件12包括小腿外杆和小腿内杆，小腿外杆的上端通过第二轴向转动件25与大腿内杆114的下端转动连接，小腿外杆的下端沿其长度方向设有第二滑动槽，第二滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿小腿外杆的第二限位孔122，小腿内杆的上端伸入到第二滑动槽内，在小腿内杆伸入到第二滑动槽内的位置还设有具有弹性的第二限位件125，第二限位件125上设有能够穿过第二限位孔122的第二调节凸块121。

这样，通过设置大腿内杆114和大腿外杆113，当需要调节大腿杆件11的整体长度时，按下第一调节凸块111，由于与第一调节凸块111连接的第一限位件115具有弹性，第一调节凸块111将向内收缩退出第一限位孔112，此时移动大腿内杆114或大腿外杆113，使得大腿内杆114和大腿外杆113之间相互滑动，大腿杆件11的整体长度发生变化，当大腿杆件11的整体长度变化到需要的长度时，在第一限位件115的弹性复位作用下，第一调节凸块111从对应位置的第一限位孔112内向外伸出，由此将大腿内杆114和大腿外杆113的位置进行限定，大腿杆件11的长度确定。

同理，当需要调节小腿杆件12的整体长度时，按下第二调节凸块121，由于与第二调节凸块121连接的第二限位件125具有弹性，第二调节凸块121将向内收缩退出第二限位孔122，此时移动小腿内杆或小腿外杆，使得小腿内杆和小腿外杆之间相互滑动，小腿杆件12的整体长度发生变化，当小腿杆件12的整体长度变化到需要的长度时，在第二限位件125的弹性复位作用下，第二调节凸块121从对应位置的第二限位孔122内向外伸出，由此将小腿内杆和小腿外杆的位置进行限定，小腿杆件12的长度确定。

这样，通过调节小腿杆件12和大腿杆件11的整体长度，使得该外骨骼装置能更好的与不同穿戴该装置的人体的腿部相适应，从而提高穿着的舒适性和助力支撑效果。

在本实施例中，在腿部组件的下方还设有用于与人体脚部配合的脚部组件21，脚部组件21通过杆端关节轴承与腿部组件进行转动连接，杆端关节轴承包括转动连接的球头24和球座，球座包括安装部23和外螺纹部22，球座的外螺纹部22与腿部组件进行螺纹连接，球头24转动连接在球座的安装部23，脚部组件21与球头24固定连接，脚部组件21包括开口朝向呈U型结构的脚部限位块，在脚部限位块的开口位置设有脚部绑带，在将脚部组件与人体的脚部进行配合时，人体的脚部伸入到脚部限位块内，然后将人体脚部的前侧位置穿过脚部绑带，由此将脚部组件与人体的脚部进行了连接。

这样，脚部组件21穿戴在人体脚部，脚部组件21通过杆端关节轴承与腿部组件进行连接，从而使得脚部组件21能绕腿部组件自由转动，以此来适应人体脚部踝关节位置的运动。

在本实施例中，在臀部组件6上方还设有用于与人体背部相配合的背部组件，背部组件包括背板3和背带4，背板3的下端通过竖向的连接杆2与臀部组件6固定连接，在背板3的上端对称设有两个上连接环，在背板3的下端位于上连接环正下方的位置均设有下连接环，在每个上连接环的位置均设有一个背带4，背带4远离其连接上连接环的一端用于连接在对应位置的下连接环上。

这样，背部组件用于与人体背部进行连接，在穿戴背部组件时，将肩带从与上连接环或下连接环连接的位置取下，然后将背板3与人体背部位置相配合，最后再将肩带取下的一端连接在对应位置的上连接环或是下连接环，背带4与腰部组件5、大腿绑带10和小腿绑带13一起实现将该外骨骼装置穿戴在人体身上的目的，同时当人体在负重行走时，背板3也能平衡部分重物的重力，从而进一步减轻人体肌肉的受力。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，包括开口向前呈U型结构的臀部组件，所述臀部组件用于与人体的臀部位置相适应，所述臀部组件的内侧固定连接有腰部组件，所述腰部组件用于缠绕在人体的腰部位置，所述臀部组件的后侧向后延伸设有用于放置重物的置物板，所述臀部组件的轴向两侧还对称设有腿部组件，所述腿部组件与对应位置的所述臀部组件通过第一轴向转动件转动连接，以与人体的髋关节的前屈和后伸运动相适应；

所述腿部组件包括分别用于与人体的大腿和小腿相配合的大腿杆件和小腿杆件，所述大腿杆件上设有用于缠绕在人体的大腿位置的大腿绑带，所述小腿杆件上设有用于缠绕在人体的小腿位置的小腿绑带，所述大腿杆件和所述小腿杆件通过第二轴向转动件转动连接，以与人体膝关节的前屈和后伸运动相适应，在所述小腿杆件用于与所述大腿杆件连接的一端开设有开口朝上且轴向设置的凹槽，在所述凹槽轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿所述小腿杆件的条形孔，所述大腿杆件用于与所述小腿杆件连接的一端伸入所述凹槽内，且在所述大腿杆件上与所述条形孔对应的位置开设有连接孔，所述第二轴向转动件穿过所述条形孔和所述连接孔以实现所述大腿杆件和所述小腿杆件的转动连接，且所述第二轴向转动件能够带动所述大腿杆件沿所述条形孔滑动，当所述第二轴向转动件位于所述条形孔的最上端时，所述大腿杆件与所述凹槽的底部之间具有间隙，当所述第二轴向转动件位于所述条形孔的最下端时，所述大腿杆件与所述凹槽的底部相抵；

所述腿部组件上滑动套设有弹簧套，在所述臀部组件的轴向两侧还对称设有重力平衡弹簧，所述重力平衡弹簧的上端固定连接在所述臀部组件上，所述重力平衡弹簧的下端固定连接对应侧的所述弹簧套上，所述弹簧套处还设有自攻锁紧螺钉，以使得所述弹簧套能够与所述腿部组件固定连接或沿所述腿部组件滑动。

2.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述凹槽的底部呈平面结构，所述大腿杆件用于与所述凹槽的底部相抵的端面也呈平面结构。

3.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述连接孔中部位置的四周均向外延伸形成放置空间，在所述第二轴向转动件伸入所述放置空间的位置还套设有能够跟随所述第二轴向转动件运动的助力扭簧，所述助力扭簧的一端作为固定端向下穿过所述大腿杆件后与所述小腿杆件固定连接，所述助力扭簧的另一端作为活动端自由布置在所述放置空间内，且所述助力扭簧的活动端在所述大腿杆件和所述小腿杆件的相对转动角度达到设定值时将与所述大腿杆件相抵。

4.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述臀部组件包括U型结构的第一连杆，在所述第一连杆U型结构开口处的轴向两侧对称设有纵向设置的第二连杆，所述第二连杆与对应位置所述第一连杆通过第一竖向转动件转动连接，以与人体的髋关节的内旋和外旋运动相适应，在所述腿部组件的上方还设有竖向的第三连杆，所述第三连杆的下端与所述腿部组件通过第一轴向转动件转动连接，以与人体的髋关节的前屈和后伸运动相适应，所述第三连杆的上端与所述第二连杆通过第一纵向转动件转动连接，以与人体的髋关节的内收和外展运动相适应。

5.根据权利要求4所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述第一连杆U型结构开口处的两端均沿纵向方向向前延伸形成第一连接凸起，所述第二连杆用于与所述第一连杆连接的一端沿纵向方向开设有第一连接凹槽，所述第一连接凹槽在轴向方向贯穿所述第二连杆，所述第一连接凸起伸入到所述第一连接凹槽内，且所述第一连接凸起和所述第一连接凹槽通过第一竖向转动件转动连接；

在所述第二连杆上还连接有竖向的中间连接块，所述中间连接块的上端向下依次开设有相互连通的开口和卡槽，所述第二连杆能够经所述开口后卡设在所述卡槽内，且所述第二连杆通过所述开口处的连接螺钉与所述中间连接块固定连接，在所述中间连接块的下端沿纵向方向开设有第二连接凹槽，所述第二连接凹槽在轴向方向贯穿所述中间连接块，所述第三连杆的上端能够伸入到所述第二连接凹槽内，且所述第三连杆和所述第二连接凹槽通过第一纵向转动件转动连接；

所述第三连杆的下端沿轴向方向开设有第三连接凹槽，所述第三连接凹槽在纵向方向贯穿所述第三连杆，所述腿部组件的上端伸入到所述第三连接凹槽内，且所述腿部组件与所述第三连接凹槽通过第一轴向转动件转动连接。

6.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述凹槽沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿所述小腿杆件，所述大腿杆件沿纵向方向的前端与所述凹槽纵向方向的侧壁相抵，且所述凹槽纵向方向的侧壁与槽底的相接位置设有圆弧形的第一倒角，所述大腿杆件与所述第一倒角对应的位置设有第二倒角，所述第一倒角与所述第二倒角之间在所述凹槽的底部与所述大腿杆件相抵时具有间隙。

7.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述大腿杆件包括大腿内杆和大腿外杆，所述大腿外杆的上端与所述臀部组件通过第一轴向转动件转动连接，所述大腿外杆的下端沿其长度方向设有的第一滑动槽，所述第一滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述大腿外杆的第一限位孔，所述大腿内杆的下端伸入到所述凹槽内，且所述大腿内杆的上端伸入到所述第一滑动槽内，在所述大腿内杆伸入到所述第一滑动槽内的位置还设有具有弹性的第一限位件，所述第一限位件上设有能够穿出所述第一限位孔的第一调节凸块；

所述小腿杆件包括小腿外杆和小腿内杆，所述小腿外杆的上端通过第二轴向转动件与所述大腿内杆的下端转动连接，所述小腿外杆的下端沿其长度方向设有第二滑动槽，所述第二滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述小腿外杆的第二限位孔，所述小腿内杆的上端伸入到所述第二滑动槽内，在所述小腿内杆伸入到所述第二滑动槽内的位置还设有具有弹性的第二限位件，所述第二限位件上设有能够穿过所述第二限位孔的第二调节凸块。

8.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，在所述腿部组件的下方还设有用于与人体脚部配合的脚部组件，所述脚部组件通过杆端关节轴承与所述腿部组件进行转动连接，所述杆端关节轴承包括转动连接的球头和球座，所述球座包括安装部和外螺纹部，所述球座的外螺纹部与所述腿部组件进行螺纹连接，所述球头转动连接在所述球座的安装部，所述脚部组件与所述球头固定连接。

9.根据权利要求1所述的被动式负重助力下肢外骨骼，其特征在于，在所述臀部组件上方还设有用于与人体背部相配合的背部组件，所述背部组件包括背板和背带，所述背板的下端通过竖向的连接杆与所述臀部组件固定连接，在所述背板的上端对称设有两个上连接环，在所述背板的下端位于所述上连接环正下方的位置均设有下连接环，在每个所述上连接环的位置均设有一个背带，所述背带远离其连接所述上连接环的一端用于连接在对应位置的下连接环上。

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