CN112247960A - 一种腿部仿生外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腿部仿生外骨骼装置，包括脚部放置件、固定支架、控制盒和弹性储能件，所述脚部放置件与所述固定支架转动连接，所述弹性储能件与所述固定支架固定连接，所述控制盒固定在所述固定支架上，所述控制盒中安装有控制器、姿态传感器和速度传感器，所述弹性储能件、姿态传感器和速度传感器与所述控制器电连接。本发明可以将用户在使用过程中竖直方向上的无用功转化为用户在水平方向上的驱动力，给运动提供增幅，进而减少装置的能耗；此外，本发明根据运动状态来调整与地面接触部分的弹性储能件的角度和长度，实现在不同的奔跑速度、不同的地形的情况下，都能最大限度的释放外骨骼装置的增幅能力，进一步降低能耗。

Description

一种腿部仿生外骨骼装置

技术领域

本发明涉及助力行走器械技术领域，尤其涉及一种腿部仿生外骨骼装置。

背景技术

外骨骼是高科技制造的焦点之一。不论是影视作品，还是现实生活，外骨骼都代表着高端的科学技术。然而目前市面上的外骨骼应用并不广泛，仅在搬运重物等必须使用人力的重体力场合，或在军事方面有一定的应用，在民用日常中更是罕见。

如今，市面上绝大多数的外骨骼研究都停留在理论阶段，难以实际运用，究其原因有以下几点：性能不足、续航时间短、成本高、沉重、能耗高。而限制外骨骼使用的最大原因在于能耗问题，因为实现更好性能往往需要更加强大的动力，会导致续航时间会变短，如果加大电池则会使得重量增加，同时发热也会提升，对于贴近人体表面的外骨骼来说，发热会造成不适感，严重情况甚至可能烧伤。

因此现有的外骨骼由于能耗高，严重桎梏了当前外骨骼的发展，导致外骨骼的适用环境较窄。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种腿部仿生外骨骼装置，用以解决目前外骨骼装置能耗高的问题。

本发明提供一种腿部仿生外骨骼装置，包括脚部放置件、固定支架、控制盒和弹性储能件，其中，

所述脚部放置件与所述固定支架转动连接，所述弹性储能件与所述固定支架固定连接，所述控制盒固定在所述固定支架上，所述控制盒中安装有控制器、姿态传感器和速度传感器，所述弹性储能件、姿态传感器和速度传感器与所述控制器电连接，

当所述脚部放置件受到竖直方向上的压力时，所述弹性储能件将竖直方向上的压力转化为水平方向上的驱动力，所述控制器根据所述姿态传感器检测到的运动角度信号以及所述速度传感器检测到的速度信号，发出控制信号至所述弹性储能件，以使所述弹性储能件伸缩，调整所述弹性储能件与地面接触部分的长度和角度。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述脚部放置件包括踏板和转动支架，所述踏板与所述固定支架转动连接，所述转动支架位于所述踏板的底部、并与所述踏板转动连接，所述弹性储能件穿过所述转动支架。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述踏板上设置有防滑螺纹。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述腿部仿生外骨骼装置还包括至少两根弹性绳，两根所述弹性绳的一端均与所述踏板固定连接，两根所述弹性绳的另一端均与所述固定支架固定连接。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述固定支架包括固定板和若干个支撑杆，所述固定板与所述踏板转动连接，所述支撑杆固定于所述固定板上，所述弹性储能件与所述支撑杆固定连接，两根所述弹性绳的另一端分别与一支撑杆固定连接。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述弹性储能件的形状为弧形。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述弹性储能件包括弹性件和长度调节装置，所述弹性件的一端与所述支撑杆固定连接，所述长度调节装置与所述控制器电连接，所述弹性件在受到竖直方向上的压力时弯曲，并具有水平方向上的运动趋势，所述长度调节装置可根据所述控制器发出的控制信号，伸出或者缩进所述弹性件的另一端，以调整所述弹性储能件与地面接触部分的长度和角度。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述长度调节装置包括气缸和伸缩件，所述气缸与所述控制器电连接，所述气缸的输出轴与所述伸缩件连接，所述气缸根据所述控制信号带动所述伸缩件伸出或缩进所述弹性件的另一端。

优选的，所述的腿部仿生外骨骼装置中，所述弹性件包括弯曲部和接触部，所述弯曲部的一端与所述支撑杆固定连接，所述弯曲部的另一端与所述接触部的一端转动连接，所述长度调节装置嵌设于所述接触部的内部，并可伸出或缩进所述接触部的另一端，以调整所述接触部与地面接触部分的长度和角度。

【有益效果】

本发明提供的腿部仿生外骨骼装置，通过设置弹性储能件，可以将用户在使用过程中竖直方向上的无用功转化为用户在水平方向上的驱动力，给运动提供增幅，进而减少装置的能耗；此外，本发明根据运动状态来调整与地面接触部分的弹性储能件的角度和长度，实现在不同的奔跑速度、不同的地形的情况下，都能最大限度的释放外骨骼装置的增幅能力，进一步降低能耗，从而使外骨骼装置能够适用于民用场合；另外，由于能够在垂直方向上进行大范围移动，因此可以规避岩石台阶等障碍物，在特殊复杂硬质地形可以发挥作用。

附图说明

图1为本发明提供的腿部仿生外骨骼装置的一较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的腿部仿生外骨骼装置中，控制盒的一较佳实施例的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的腿部仿生外骨骼装置，包括脚部放置件1、固定支架2、控制盒3和弹性储能件4，其中，

所述脚部放置件1与所述固定支架2转动连接，所述弹性储能件4与所述固定支架2固定连接，所述控制盒3固定在所述固定支架2上，所述控制盒3中安装有控制器31、姿态传感器32和速度传感器33，所述弹性储能件4、姿态传感器32和速度传感器33与所述控制器31电连接。

当所述脚部放置件1受到竖直方向上的压力时，所述弹性储能件4将竖直方向上的压力转化为水平方向上的驱动力，所述控制器31根据所述姿态传感器32检测到的运动角度信号以及所述速度传感器33检测到的速度信号，发出控制信号至所述弹性储能件4，以使所述弹性储能件4伸缩，调整所述弹性储能件4与地面接触部分的长度和角度。

具体来说，所述脚部放置件1用于放置操作者的脚部，使用时，可利用胶带或锁扣将操作者脚部固定在所述脚部放置件1上，所述支架2作为整个装置的支撑机构。所述控制盒3中的姿态传感器32和速度传感器33用于检测整个装置的运动状态，进而使所述控制器31可根据运动状态来调整与地面接触部分的弹性储能件4的角度和长度，实现在不同的奔跑速度、不同的地形的情况下，都能最大限度的释放外骨骼装置的增幅能力，具体实施时，当所述控制器31检测到操作者身体前倾角度达到30°时，与地面接触部分会伸长4cm，进而使得装置在人体不同倾斜幅度的情况下，都能获得最大的摩擦力，以及最佳运动方向，最大限度的释放外骨骼的增幅性能。所述弹性储能件4用于储能操作者在跑步时因抬腿和后蹬时在垂直方向上产生的无用功，将其转化为水平方向上的能量，以此来达到增幅腿部性能的目的，具体的，当操作者抬腿或后蹬时，会向下挤压所述脚部放置件，进而使所述固定支架2也具有向下运动的趋势，产生向下的压力，固定支架2具有向下运动的趋势时，会挤压所述弹性储能件4，使所述弹性储能件4向下弯曲，当所述弹性储能件4向下弯曲时会具有向上的弹力，由于操作者在运动时，会与地面形成一定的角度，故向上的弹力会被分解为水平方向和竖直方向上的力，即产生了竖直方向的驱动力，达到运动增幅的目的。

本发明由于利用弹性储能件来储能运动时产生的无用功，并转化为驱动力来实现运动增幅，降低了外骨骼装置的能耗，此外，根据运动状态来调整与地面接触部分的弹性储能件的角度和长度，实现在不同的奔跑速度、不同的地形的情况下，都能最大限度的释放外骨骼装置的增幅能力，进一步降低能耗，从而使外骨骼装置能够适用于民用场合。

进一步的，请继续参阅图1，所述脚部放置件1包括踏板11和转动支架12，所述踏板11与所述固定支架12转动连接，所述转动支架12位于所述踏板11的底部、并与所述踏板11转动连接，所述弹性储能件4穿过所述转动支架12。所述踏板11用于放置操作者的脚部，具体实施时，可利用胶带或锁扣将操作者脚部固定在所述踏板11上，所述转动支架12可增加操作者的高度(即操作者的小腿长度)，从而有助于增加操作者的步幅，达到提升前进速度的目的。此外，由于踏板11与所述固定支架12转动连接、转动支架12与踏板11转动连接，方便腿部仿生外骨骼装置的收纳，减小其收纳时的体积，方便用户携带。具体实施时，所述踏板11的大小可根据需求设计，与目标人群的脚部大小适配。

优选的实施例中，所述踏板11上设置有防滑螺纹，方便操作者的使用。

优选的实施例中，所述腿部仿生外骨骼装置还包括至少两根弹性绳5，两根所述弹性绳5的一端均与所述踏板11固定连接，两根所述弹性绳5的另一端均与所述固定支架2固定连接。在折叠状态下，所述弹性绳5处于自然状态，能够避免踏板11松动。在装备状态下，所述弹性绳5被拉伸，故当操作者的脚部踩在踏板11上时，由于弹性绳5的弹力作用，使得所述踏板11可以和脚部贴合，方便操作者的使用。

进一步的，请继续参阅图1，所述固定支架2包括固定板21和若干个支撑杆22，所述固定板21与所述踏板11转动连接，所述支撑杆22固定于所述固定板21上，所述弹性储能件4与所述支撑杆22固定连接，两根所述弹性绳5的另一端分别与一支撑杆22固定连接。由于所述弹性储能件4与所述支撑杆22连接，故能够更好地储存在跑步时因抬腿和后蹬时在垂直方向上产生的无用功，优选的实施例中，所述弹性储能件4连接于所述支撑杆22的上端部，能够更充分的储存在垂直方向上产生的无用功。

请继续参阅图1，所述弹性储能件4的形状为弧形。故当脚部后蹬或者下压时可以弯曲，储存人体在运动过程中在竖直方向上产生的能量，当用户在抬腿以及起步的状态时试图回复原有形状，会释放存储的能量，并尽可能的转换为在运动方向上的动能。

优选的实施例中，所述弹性储能件4包括弹性件41和长度调节装置42，所述弹性件41的一端与所述支撑杆22固定连接，所述长度调节装置42与所述控制器31电连接，所述弹性件41在受到竖直方向上的压力时弯曲，并具有水平方向上的运动趋势，所述长度调节装置42可根据所述控制器31发出的控制信号，伸出或者缩进所述弹性件41的另一端，以调整所述弹性储能件4与地面接触部分的长度和角度。

具体来说，所述弹性件41为储能件，具有一定的弹力，当其受到向下的压力时，所述弹性件41向下弯曲并具有向上的弹力，由于操作者在运动时，会与地面形成一定的角度，故向上的弹力会被分解为水平方向和竖直方向上的力，即产生了竖直方向的驱动力，达到运动增幅的目的。所述长度调节装置42用于调节弹性储能件4与地面接触部分的长度和角度，可根据控制信号自由的在所述弹性件41的另一端进行伸缩，从而调节前蹬和支撑时小腿和地面的角度，在保证稳定性适应不同程度地形环境的同时，提升前进速度。

优选的实施例中，所述长度调节装置42包括气缸和伸缩件，所述气缸与所述控制器电连接，所述气缸的输出轴与所述伸缩件连接，所述气缸根据所述控制信号带动所述伸缩件伸出或缩进所述弹性件41的另一端。

请继续参阅图1，进一步的实施例中，所述弹性件41包括弯曲部411和接触部412，所述弯曲部411的一端与所述支撑杆22固定连接，所述弯曲部411的另一端与所述接触部412的一端转动连接，所述长度调节装置42嵌设于所述接触部412的内部，并可伸出或缩进所述接触部412的另一端，以调整所述接触部412与地面接触部分的长度和角度。本实施例通过将所述弹性件41设置成转动连接的两段，在不使用时，可将接触部412和弯曲部411折叠，进而减小整个装置的占用体积，方便携带。

优选的实施例中，所述控制器可采用管形测量单元来实现加速度、速度和姿态的监测，性能稳定，此外，所述控制器还用于监测装置的里程和剩余电量等数据，并通过蓝牙、WIFI等通讯方式发送至移动终端，给用户的使用进一步提供便利。

综上所述，本发明提供的腿部仿生外骨骼装置，通过设置弹性储能件，可以将用户在使用过程中竖直方向上的无用功转化为用户在水平方向上的驱动力，给运动提供增幅，进而减少装置的能耗；此外，本发明根据运动状态来调整与地面接触部分的弹性储能件的角度和长度，实现在不同的奔跑速度、不同的地形的情况下，都能最大限度的释放外骨骼装置的增幅能力，进一步降低能耗，从而使外骨骼装置能够适用于民用场合；另外，由于能够在垂直方向上进行大范围移动，因此可以规避岩石台阶等障碍物，在特殊复杂硬质地形可以发挥作用。

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揭露的技术范围内，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。

Claims (9)

1.一种腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，包括脚部放置件、固定支架、控制盒和弹性储能件，其中，

所述脚部放置件与所述固定支架转动连接，所述弹性储能件与所述固定支架固定连接，所述控制盒固定在所述固定支架上，所述控制盒中安装有控制器、姿态传感器和速度传感器，所述弹性储能件、姿态传感器和速度传感器与所述控制器电连接，

当所述脚部放置件受到竖直方向上的压力时，所述弹性储能件将竖直方向上的压力转化为水平方向上的驱动力，所述控制器根据所述姿态传感器检测到的运动角度信号以及所述速度传感器检测到的速度信号，发出控制信号至所述弹性储能件，以使所述弹性储能件伸缩，调整所述弹性储能件与地面接触部分的长度和角度。

2.根据权利要求1所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述脚部放置件包括踏板和转动支架，所述踏板与所述固定支架转动连接，所述转动支架位于所述踏板的底部、并与所述踏板转动连接，所述弹性储能件穿过所述转动支架。

3.根据权利要求2所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述踏板上设置有防滑螺纹。

4.根据权利要求2所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述腿部仿生外骨骼装置还包括至少两根弹性绳，两根所述弹性绳的一端均与所述踏板固定连接，两根所述弹性绳的另一端均与所述固定支架固定连接。

5.根据权利要求4所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述固定支架包括固定板和若干个支撑杆，所述固定板与所述踏板转动连接，所述支撑杆固定于所述固定板上，所述弹性储能件与所述支撑杆固定连接，两根所述弹性绳的另一端分别与一支撑杆固定连接。

6.根据权利要求1所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述弹性储能件的形状为弧形。

7.根据权利要求4所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述弹性储能件包括弹性件和长度调节装置，所述弹性件的一端与所述支撑杆固定连接，所述长度调节装置与所述控制器电连接，所述弹性件在受到竖直方向上的压力时弯曲，并具有水平方向上的运动趋势，所述长度调节装置可根据所述控制器发出的控制信号，伸出或者缩进所述弹性件的另一端，以调整所述弹性储能件与地面接触部分的长度和角度。

8.根据权利要求7所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述长度调节装置包括气缸和伸缩件，所述气缸与所述控制器电连接，所述气缸的输出轴与所述伸缩件连接，所述气缸根据所述控制信号带动所述伸缩件伸出或缩进所述弹性件的另一端。

9.根据权利要求7所述的腿部仿生外骨骼装置，其特征在于，所述弹性件包括弯曲部和接触部，所述弯曲部的一端与所述支撑杆固定连接，所述弯曲部的另一端与所述接触部的一端转动连接，所述长度调节装置嵌设于所述接触部的内部，并可伸出或缩进所述接触部的另一端，以调整所述接触部与地面接触部分的长度和角度。

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