CN111759682A - 一种无动力人体下肢助力外骨骼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无动力人体下肢助力外骨骼装置，包括左部分、右部分、腰带，每部分包括：髋关节机构：包括一导杆，一凸轮，该凸轮外有一凸轮外壳，该凸轮外壳上固定压簧仓，压簧仓内有强弹簧，凸轮外壳固定一大腿杆，该大腿杆顶端固定一启动杆；膝关节机构：包括导向滑轮，一小腿杆，该小腿杆外套一个小腿杆套筒，该小腿杆底部安有接触环，长支撑杆，短支撑杆，一膝关节支撑板。本发明的髋关节机构可实现步行储能与助力，膝关节通过连杆机构可将负载传递到地面，进而保护人体的膝关节等下肢各关节。具有结构简洁、质量轻、使用简单、稳定可靠等优点。在助力步行、减缓人体膝关节等下肢关节磨损有很广阔的应用前景。

Description

一种无动力人体下肢助力外骨骼装置
技术领域
本发明涉及一种人体下肢助力装置，尤其涉及一种无动力人体下肢助力外骨骼装置。
背景技术
老龄化趋势的逐渐增强促进了医学技术以及器械领域不断发展，老年人对下肢助力装置的需求越来越多。众所周知，老年人的身体机能会随着年龄的增加缓慢退化，尤其是各个肌肉的力量以及关节的磨损。这不仅会使老年人在日常活动的过程中伴随着疼痛感，更增加了老年人失衡甚至是摔倒的风险。因此，设计一款用于老年人的可穿戴下肢助力设备成为了迫切的需要，其产品更是具有广阔的市场空间和应用前景。
关于下肢助力装置，国内外早已有研究，目前应用普遍的是动力外骨骼。动力外骨骼是近年来一种新兴的机器人类型，可理解为一种结合了人的智能和机器人机械能量的人机结合可穿戴装备。但是外骨骼的研究是一个多学科交叉的工程学问题，涉及自动控制、机械设计、材料学、液压与气压传动、仿生学等许多领域，外骨骼的运行需要大量的动力学综合运算，故控制算法上比较复杂。
综合国内外下肢助力装置的研究情况来看，其中绝大部分研究的方向都是机电一体化的重型设备。老年人穿上这些动力外骨骼，非但可以健步如飞，甚至还能背负一些较重的货物。这些重型助力设备虽然可以达到为各种行动助力的目的，但存在结构笨重，控制与传感极其复杂，续航能力差，成本高等不可避免的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种无动力人体下肢助力外骨骼装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的无动力人体下肢助力外骨骼装置，包括左部分和右部分，每部分分别包括髋关节固定板15，两部分的髋关节固定板15之间通过腰带16连接，所述髋关节固定板15上装有髋关节机构，所述髋关节机构的下端装有膝关节机构；
所述髋关节机构包括装于所述髋关节固定板15上的导杆1、凸轮2和凸轮外壳3，固定在所述凸轮2上的圆柱销插进所述导杆1上的导轨槽内，所述凸轮外壳3上固定有压簧仓4，所述压簧仓4内设有储能弹簧，所述压簧仓4顶部与顶针仓底部通过螺纹连接，所述凸轮外壳3下端连接有大腿杆5，所述大腿杆5下端固定有启动杆6；
所述膝关节机构包括与所述启动杆6连接的膝关节支撑板13、短支撑杆12和长支撑杆11，所述膝关节支撑板13的下端连接有小腿杆8，所述小腿杆8外套一个小腿杆套筒10，所述小腿杆8底部安有接触环9，所述膝关节支撑板13与短支撑杆12通过圆柱销连接，所述长支撑杆11的一端与短支撑杆12通过螺钉固定，另一端通过螺钉固定于所述小腿杆套筒10上；
所述髋关节固定板15和膝关节支撑板13上分别装有导向滑轮14和7。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的无动力人体下肢助力外骨骼装置，利用凸轮机构和弹簧实现机械设备储能和放能的循环，然后将该循环叠加在人类自身的步行周期上实现助力的目的。整个装置为纯机械结构，无电动机或者其它动力装置，该装置设计结合了人类步行的特点，通过强弹簧作为蓄力装备提供能量，解决了动力外骨骼背负较重货物的问题。装置具有结构简洁、质量轻、使用简单、稳定可靠等优点，在助力步行、减缓人体膝关节等下肢关节磨损有很广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无动力人体下肢助力外骨骼装置的装配结构示意图；
图2为本发明实施例膝关节装配图；
图3为本发明实施例压簧仓爆炸图；
图4为本发明实施例髋关节爆炸图；
图中标号说明如下：
1.导杆，2.凸轮，3.凸轮外壳，4.压簧仓，4-1.顶轮轴承，4-2.顶针(一半)，4-3.强弹簧，4-4.顶针一半，5.大腿杆，6.启动杆，7.滑轮，8.小腿杆，9.接触环，10.小腿杆套筒，11.长支撑杆，12.短支撑杆，13.膝关节支撑板，14.滑轮，15.髋关节固定板，16.腰带，17.螺钉，18.螺钉，19.凸轮固定板，20.螺塞，21.轴套，22.顶轮轴承，23.轴承，24.螺钉，25.轴套，26.轴档，27.销，28.紧定螺钉。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的无动力人体下肢助力外骨骼装置，其较佳的具体实施方式是：
包括左部分和右部分，每部分分别包括髋关节固定板15，两部分的髋关节固定板15之间通过腰带16连接，所述髋关节固定板15上装有髋关节机构，所述髋关节机构的下端装有膝关节机构；
所述髋关节机构包括装于所述髋关节固定板15上的导杆1、凸轮2和凸轮外壳3，固定在所述凸轮2上的圆柱销插进所述导杆1上的导轨槽内，所述凸轮外壳3上固定有压簧仓4，所述压簧仓4内设有储能弹簧，所述压簧仓4顶部与顶针仓底部通过螺纹连接，所述凸轮外壳3下端连接有大腿杆5，所述大腿杆5下端固定有启动杆6；
所述膝关节机构包括与所述启动杆6连接的膝关节支撑板13、短支撑杆12和长支撑杆11，所述膝关节支撑板13的下端连接有小腿杆8，所述小腿杆8外套一个小腿杆套筒10，所述小腿杆8底部安有接触环9，所述膝关节支撑板13与短支撑杆12通过圆柱销连接，所述长支撑杆11的一端与短支撑杆12通过螺钉固定，另一端通过螺钉固定于所述小腿杆套筒10上；
所述髋关节固定板15和膝关节支撑板13上分别装有导向滑轮14和7；
所述储能弹簧用于储存人行走时由于体重和负载导致下肢对地面的冲击力，保护人体的膝关节等下肢关节，在随后抬腿时释放储存的能量，助力下肢行走；
通过旋转压簧仓4来调整压簧仓4的长度控制蓄能弹簧的实际长度与储能，进而实现调整储能大小以适配不同使用者不同程度的助力效果；
所述膝关节支撑板13、短支撑杆12、长支撑杆11和小腿杆套筒10构成双摇杆连杆机构，当外骨骼直立即大腿杆5与小腿杆8在同一条直线时，双摇杆连杆机构形成死点，将体重以及负载有效传递到地面，从而保护使用者的下肢关节；
所述压簧仓4内部包括两个一半顶针4-2和4-4，两个一半顶针和到一起成为一个完成的顶针，顶针的顶部有一顶轮轴承4-1压于压簧仓4的顶部，顶针的底部有一强弹簧4-3作为储能弹簧，将螺塞20拧入压簧仓底部的螺纹，整个压簧仓关闭。
本发明采用被动步行的原理设计出一种无动力人体下肢助力外骨骼装置，以达到保护膝关节和为其步行助力的效果。该发明利用凸轮机构和弹簧实现机械设备储能和放能的循环，然后将该循环叠加在人类自身的步行周期上实现助力的目的。整个装置为纯机械结构，无电动机或者其它动力装置，该装置设计结合了人类步行的特点，通过强弹簧作为蓄力装备提供能量，解决了动力外骨骼背负较重货物的问题。装置具有结构简洁、质量轻、使用简单、稳定可靠等优点，在助力步行、减缓人体膝关节等下肢关节磨损有很广阔的应用前景。
本发明的无动力人体下肢助力外骨骼装置，具有结构简洁、质量轻、使用简单、稳定可靠等优点。该装置可以在没有电动机驱动的前提下使用纯机械结构完成助力行走保护膝关节等下肢关节的目的，在使用的时候，膝关节机构和髋关节机构配合协调并且使用时动作连贯，在不给使用者带来额外负担的前提下就可以完成助力。
本发明中：
所述装置不含电机，不含电源，不含配套的控制电路，整体设备全部由纯机械结构组成。使用压簧的能量作为动力达到助力效果。
所述膝关节处的长支撑杆11、一短支撑杆12和一膝关节支撑板13机构具有“死点”的力学稳定状态，以达到可以传递极大的应力，保护使用者自身膝关节的目的。
所述的凸轮2与导杆1没有采用实际的滑块机构，而是直接将圆柱销套进导杆的导轨槽内形成高副来替代了控制用的滑块。
所述的压簧仓4顶部与顶针仓底部使用螺纹连接，可以通过旋转压簧仓来调整压簧仓的长度并以此控制弹簧的实际长度，进而改变压簧的压缩工况，实现适配不同使用者实现不同程度的助力效果。
所述的转动副采用的连接方式都是螺栓连接和圆柱销连接。
所述的膝关节支撑板13的形状设计成为三角形，稳定性好。
所述的膝关节整体使用四杆机构。
优点及功效：
1、不含电机，不含电源，不含配套的控制电路，整体设备全部由纯机械结构组成。
2、设计时使机械结构简单高效，以降低设备重量，增加其可靠性。
3、膝关节处的机构具有“死点”的力学稳定状态，以达到可以传递极大的应力，保护使用者自身膝关节的目的。
4、步行助力设备先于使用者自身的膝关节吸收足部触地的冲击能量，并且保存在设备的储能装置中，避免使用者自身膝关节与地面的冲击，以达到保护膝关节的目的。
5、步行设备在使用者迈腿，即髋关节施加主要力矩时同步释放储存的能量，在髋关节处提供额外的转矩以达到助力的效果。
6、步行辅助设备的关节活动空间大于使用者自身的活动空间，避免设备妨碍使用者自身的活动，造成强烈的束缚感。
7、该设备设计成各部位可调整的结构，以便于适应各类身高和体型的使用者。同时该设备主要储能弹簧的刚度也应当设计成可调结构，以适配不同下肢力量的使用者。
8、选用轻质材料，以提高其机械效率。
9、步行辅助设备设计轻薄，同时便于使用者穿戴和脱下，同时外观设计尽量美观。
具体实施例：
如图1至图4所示，包括左部分、右部分、腰带，每部分可划分为髋关节机构和膝关节机构。如图1所示为该装置的装配图。
髋关节机构：包括一导杆1，一凸轮2，该导杆与该凸轮的连接处没有采用实际的滑块机构，而是直接将圆柱销套进导杆的导轨槽内形成高副来替代了控制用的滑块。该凸轮外有一凸轮外壳3，该凸轮外壳上固定有压簧仓4，压簧仓内有储能弹簧，该压簧仓顶部与顶针仓底部使用螺纹连接，可以通过旋转压簧仓来调整压簧仓的长度并以此控制弹簧的实际长度，进而改变压簧的压缩工况，实现适配不同使用者实现不同程度的助力效果。该凸轮外壳外固定一大腿杆5，该大腿杆顶端固定一启动杆6；
膝关节机构：包括两导向滑轮7和14，一膝关节支撑板13，一短支撑杆12，该膝关节支撑板和该短支撑杆通过圆柱销连接，一长支撑杆11，该长支撑杆的一端和该短支撑杆通过螺钉固定，另一端通过螺钉固定于膝关节支撑板上，一小腿杆8，该小腿杆外套一个小腿杆套筒10，该小腿杆底部安有一接触环9；腰带16，该腰带系于人体的腰部。
如图2所示为膝关节机构装配图，小腿杆套筒10，长支撑杆11，短支撑杆12，膝关节支撑板13通过螺钉固定于启动杆6上，短支撑杆12通过销连接膝关节支撑板13，短支撑板11通过螺钉和长支撑杆12固定，小腿杆套筒10通过紧定螺钉28固定于小腿杆8上，小腿杆末端连有接触环9，以起到支撑作用。
如图3所示，为髋关节机构爆炸图，导杆1和凸轮2之间通过一圆柱销27固定，圆柱销外安有轴套25，轴套25顶部装有轴档26，圆柱销套进导杆的导轨槽内形成高副来替代了控制用的滑块。凸轮2外有一凸轮外壳3，该凸轮2和凸轮外壳3之间有一凸轮固定板19，凸轮固定板19中间安装有轴承23，使凸轮2可以正常转动，起到润滑作用，凸轮外壳3固定于髋关节固定板15上，另有一压簧仓4安装于凸轮外壳上，压簧仓内有储能弹簧，该压簧仓顶部与顶针仓底部使用螺纹连接，可以通过旋转压簧仓来调整压簧仓的长度并以此控制弹簧的实际长度，进而改变压簧的压缩工况，实现适配不同使用者实现不同程度的助力效果。
压簧仓4使用螺塞20封闭，髋关节固定板15上有一凸起的轴，在轴上安有轴承24，以便和凸轮外壳3连接。髋关节固定板上安有两个螺钉17和18，作用是安装腰带16。
如图4所示，为压簧仓爆炸图，压簧仓4内部可分为四个部分，包含：两个顶针4-2和4-4，两个一半顶针合在一起成为一个完成的顶针，顶针的顶部有一顶轮轴承4-1压于压簧仓的顶部，顶针的底部有一强弹簧4-3，作为储存能量的重要零件，将螺塞21拧入压簧仓底部的螺纹，整个压簧仓关闭。强弹簧在压簧仓内部工作，四个零件相互配合达成工作效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明纰漏的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种无动力人体下肢助力外骨骼装置，其特征在于，包括左部分和右部分，每部分分别包括髋关节固定板(15)，两部分的髋关节固定板(15)之间通过腰带(16)连接，所述髋关节固定板(15)上装有髋关节机构，所述髋关节机构的下端装有膝关节机构；
所述髋关节机构包括装于所述髋关节固定板(15)上的导杆(1)、凸轮(2)和凸轮外壳(3)，固定在所述凸轮(2)上的圆柱销插进所述导杆(1)上的导轨槽内，所述凸轮外壳(3)上固定有压簧仓(4)，所述压簧仓(4)内设有储能弹簧，所述压簧仓(4)顶部与顶针仓底部通过螺纹连接，所述凸轮外壳(3)下端连接有大腿杆(5)，所述大腿杆(5)下端固定有启动杆(6)；
所述膝关节机构包括与所述启动杆(6)连接的膝关节支撑板(13)、短支撑杆(12)和长支撑杆(11)，所述膝关节支撑板(13)的下端连接有小腿杆(8)，所述小腿杆(8)外套一个小腿杆套筒(10)，所述小腿杆(8)底部安有接触环(9)，所述膝关节支撑板(13)与短支撑杆(12)通过圆柱销连接，所述长支撑杆(11)的一端与短支撑杆(12)通过螺钉固定，另一端通过螺钉固定于所述小腿杆套筒(10)上；
所述髋关节固定板(15)和膝关节支撑板(13)上分别装有导向滑轮(14和7)。
2.根据权利要求1所述的无动力人体下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述储能弹簧用于储存人行走时由于体重和负载导致下肢与地面的冲击力，保护人体的膝关节等下肢关节，在随后抬腿时释放储存的能量，助力下肢行走；
通过旋转压簧仓(4)来调整压簧仓(4)的长度控制蓄能弹簧的实际长度与储能，进而实现调整储能大小以适配不同使用者不同程度的助力效果。
3.根据权利要求2所述的无动力人体下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节支撑板(13)、短支撑杆(12)、长支撑杆(11)和小腿杆套筒(10)构成双摇杆连杆机构，当外骨骼站立或大腿杆(5)与小腿杆(8)在同一条直线时，双摇杆连杆机构形成死点，将体重以及负载有效传递到地面，从而保护使用者的下肢关节。
4.根据权利要求1、2或3所述的无动力人体下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述压簧仓(4)内部包括两个一半顶针(4-2和4-4)，两个一半顶针和到一起成为一个完成的顶针，顶针的顶部有一顶轮轴承(4-1)压于压簧仓(4)的顶部，顶针的底部有一强弹簧(4-3)作为储能弹簧，将螺塞(21)拧入压簧仓底部的螺纹，整个压簧仓关闭。
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