CN112894769B - 一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，包括两条对称分布的机械腿、设于机械腿顶端并连接两条机械腿的固连板以及与机械腿滑动连接并用于人体上身穿戴的护具，所述机械腿自上而下依次包括相旋转连接的躯干机构、髋部机构、重力平衡机构、单向棘轮棘爪离合器机构和足底机构，所述躯干机构和护具滑动连接，所述足底机构包括用于人体足部穿戴的鞋、足底关节和足底触发组件，所述鞋和足底关节均与足底触发组件相连接，所述足底触发组件和单向棘轮棘爪离合器机构之间设有用于传力的鲍登线，所述足底关节和单向棘轮棘爪离合器机构旋转连接。与现有技术相比，本发明能够支撑人体及负载重力，并能平衡外骨骼自重及人体腿部重力。

Description

一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼

技术领域

本发明属于下肢外骨骼领域，具体涉及一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼。

背景技术

生活中的许多场景都涉及负重行走：在日常民用领域，需要搬运重物，尤其是在物流行业；在军用领域，军人需要背负沉重的背包行进。这些负重行走的活动增加了肌肉负担，加速疲劳，同时有损伤肌骨骼系统的风险。在21世纪初，出现了许多用于负重或康复的外骨骼，但是这些外骨骼以主动驱动为主，即利用动力源给外骨骼输入能量来实现外骨骼的功能，这使得整个系统的质量、成本和控制难度增加。被动式外骨骼很好的回避了这些问题，一方面，它的质量要比主动式的轻得多，另一方面，由于不需要复杂的控制，它往往更加安全可靠。

专利CN110251370A公开了一种被动型重力自平衡下肢外骨骼结构体，是一种非凸出设计的重力平衡机构，整体结构简洁紧凑。该机构的缺点是该外骨骼的大腿和小腿需要与人的大腿和小腿固连在一起，要求外骨骼的髋关节和膝关节和人的髋关节和膝关节对齐，实际上这是很难实现的，这往往导致人机闭链的过约束，当人的关节没有很好的与外骨骼关节对齐时会产生人机内力，使人腿的柔性组织受到拉伸，产生不适感。另外，此专利提出的外骨骼的自由度布局限制在矢状面内，外骨骼限制人体的髋关节外展/内收、旋内/旋外运动。值得注意的是，此外骨骼不包含踝关节，也就是说，整个外骨骼的重力需要人体去承担。而本发明提出的外骨骼仔细检查了外骨骼的自由度分配，使人机闭链自由度适定，下肢可以进行空间运动而不是仅仅局限在矢状面内。我们设计的外骨骼的负重支撑功能使外骨骼可以支撑本身自重并传递至地面。

专利CN112060060A公开了一种主被动混合驱动的下肢助力外骨骼机器人及控制方法。此专利提出一种主被动混合的设计方案，它的髋关节和踝关节设计是被动的，膝关节设计成主动的，利用大腿和小腿安装处的薄膜压力传感器来检测人机交互力进而控制外骨骼运动。实际应用中，薄膜压力传感器的控制方案不可靠，值得注意的是，外骨骼与大腿和小腿安装时往往有一定预紧力(外骨骼需要与人连接)，这使通过检测薄膜压力传感器的力来预测下肢运动变得困难。该外骨骼设计把较重的电机及减速器安装在膝关节附近，这时外骨骼的惯量增大，而该外骨骼又没有对电机重量进行重力平衡，这使得人的髋关节负担增加(该外骨骼的髋关节是被动的)。本发明提出的外骨骼是采用脚底触发器(即足底触发组件)和棘轮棘爪离合器来支撑负重，并利用平行四边形机构及弹簧来实现摆动腿的重力平衡，避开了使用电机，也不需要电气控制。

专利CN111702747A公开了一种被动式负重助力下肢外骨骼。此专利提出一种全被动的负重助力下肢外骨骼，其膝关节拥有滑动、转动双自由度，当背负重物且下肢处于支撑期时，在负重作用下，外骨骼大腿在膝关节连接处向下滑动，使外骨骼大腿下端顶住外骨骼小腿上端，在摩擦力作用下，外骨骼膝关节锁住，从而实现负重支撑。此专利还用弹簧来平衡负重在髋关节处的重力矩，但是，外骨骼的膝关节没有重力平衡。而本发明提出的外骨骼利用平行四边形机构实现外骨骼髋关节和膝关节的平衡，可以通过调整滑轮在板上的位置调整平衡效果，理论上可以实现外骨骼下肢的全重力平衡，且本发明的膝关节设计采用单向棘轮棘爪机构，在双腿支撑时，机构不会出现过约束。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，能够支撑人体及负载重力，并能平衡外骨骼自重及人体腿部重力。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，包括两条对称分布的机械腿、设于机械腿顶端并连接两条机械腿的固连板以及与机械腿滑动连接并用于人体上身穿戴的护具，所述机械腿自上而下依次包括相旋转连接的躯干机构、髋部机构、重力平衡机构、单向棘轮棘爪离合器机构和足底机构，所述躯干机构和护具滑动连接，所述足底机构包括用于人体足部穿戴的鞋、足底关节和足底触发组件，所述鞋和足底关节均与足底触发组件相连接，所述足底触发组件和单向棘轮棘爪离合器机构之间设有用于传力的鲍登线，所述足底关节和单向棘轮棘爪离合器机构旋转连接。护具和鞋是人与外骨骼的接口，鞋穿戴于足部，护具穿戴于人体上身上，鲍登线采用钢丝绳。

所述护具沿竖直方向设有成对的导轨，所述躯干机构包括均成对设置的躯干一号板、躯干二号板和置物板，所述躯干一号板呈竖直设置，所述躯干二号板呈水平设置，包括相垂直的躯干二号板Ⅰ和躯干二号板Ⅱ，所述躯干二号板Ⅰ和躯干一号板活动连接，所述躯干二号板Ⅱ和护具相正对，所述躯干二号板Ⅱ上设有与导轨相配合的滑块，所述置物板呈水平设置并与躯干二号板Ⅱ相连接，所述躯干二号板Ⅱ位于护具和置物板之间，所述躯干二号板Ⅱ的端部和固连板活动连接。导轨和机械腿一一对应，机械腿可沿着导轨进行上下滑动。

所述髋部机构包括髋部连接耳、髋部一号板、髋部二号板和髋部三号板，所述髋部连接耳的一端和躯干机构的躯干一号板固接，另一端和髋部一号板旋转连接，所述髋部一号板呈水平设置，所述髋部二号板包括相垂直的髋部二号板Ⅰ和髋部二号板Ⅱ，所述髋部二号板Ⅰ水平设于髋部一号板的底部并与髋部一号板旋转连接，所述髋部二号板Ⅱ呈竖直设置并与重力平衡机构旋转连接，所述髋部三号板包括髋部三号板Ⅰ、髋部三号板Ⅱ和髋部三号板Ⅲ，所述髋部三号板Ⅰ和髋部三号板Ⅲ相平行并均呈竖直设置，所述髋部三号板Ⅱ水平设于髋部三号板Ⅰ和髋部三号板Ⅲ之间，所述髋部三号板Ⅰ设于髋部二号板Ⅰ的顶部，所述髋部三号板Ⅲ和重力平衡机构旋转连接。髋部三号板Ⅰ和髋部三号板Ⅲ上均竖直设有绳索安装座安装槽，可以根据需要补偿的重力平衡程度调整绳索安装座在绳索安装座安装槽中的位置。髋部机构具有三个自由度，分别由髋部连接耳和髋部一号板的连接处(为旋转关节R6)、髋部一号板和髋部二号板Ⅰ的连接处(为旋转关节R5)、髋部二号板Ⅱ和重力平衡机构的连接处(为旋转关节R4)提供。

所述重力平衡机构包括重力平衡一号板、重力平衡二号板、重力平衡三号板、重力平衡一号传力组件和重力平衡二号传力组件，所述重力平衡一号板和重力平衡二号板相平行，所述重力平衡一号板的上端和髋部机构的髋部二号板Ⅱ旋转连接，下端设有棘轮，所述棘轮和单向棘轮棘爪离合器机构旋转连接，所述髋部机构的髋部三号板Ⅲ、重力平衡三号板、重力平衡二号板和单向棘轮棘爪离合器机构自上而下依次旋转连接，所述重力平衡一号传力组件自上而下依次包括一号绳索安装座、一号绳索和一号拉簧，所述一号绳索安装座可活动地设置在髋部三号板Ⅰ的侧壁上，所述一号拉簧的下端固定在重力平衡一号板上，所述一号绳索位于一号绳索安装座和一号拉簧的上端之间，所述重力平衡二号传力组件自上而下依次包括二号绳索安装座、二号绳索和二号拉簧，所述二号绳索安装座可活动地设置在髋部三号板Ⅲ的侧壁上，所述二号拉簧的下端固定在重力平衡二号板上，所述二号绳索位于二号绳索安装座和二号拉簧的上端之间。重力平衡机构和单向棘轮棘爪离合器机构中的离合器板形成平行四边形机构，平行四边形机构可发生变形，从而实现力的传导，该平行四边形机构采用空间错位布局的方式，即重力平衡一号板相对重力平衡二号板错位布局，重力平衡一号传力组件在靠近人体的内侧，重力平衡二号传力组件在远离人体的外侧，这使得平行四边形机构在运动过程中，各个构件之间不会相互干涉。在工作时，第一拉簧被拉伸，使髋部二号板Ⅱ和重力平衡一号板Ⅰ产生相对旋转，从而在连接处产生拉力力矩，抵抗外骨骼自重在此处产生的重力力矩，第二拉簧被拉伸，使重力平衡三号板和髋部三号板Ⅲ产生相对旋转，从而在连接处产生拉力力矩，抵抗外骨骼自重在此处产生的重力力矩，从而实现重力平衡。

所述重力平衡一号板包括同轴设置并活动连接的重力平衡一号板Ⅰ和重力平衡一号板Ⅱ，所述重力平衡一号板Ⅰ和髋部机构的髋部二号板Ⅱ旋转连接，所述棘轮设于重力平衡一号板Ⅱ的下端。

所述重力平衡二号板包括同轴设置并活动连接的重力平衡二号板Ⅰ和重力平衡二号板Ⅱ，所述重力平衡二号板Ⅰ和重力平衡三号板旋转连接，所述重力平衡二号板Ⅱ和单向棘轮棘爪离合器机构旋转连接。

所述重力平衡一号板上活动设有多个重力平衡一号滑轮，所述一号绳索自上而下依次经过多个重力平衡一号滑轮的导向最后和一号拉簧相连接。

所述重力平衡三号板上活动设有多个重力平衡二号滑轮，所述二号绳索自上而下依次经过多个重力平衡二号滑轮的导向最后和二号拉簧相连接。重力平衡一号板和重力平衡三号板上均设有多个滑轮安装槽，可以根据需要补偿的重力平衡程度调整滑轮的位置达到平衡效果，实现外骨骼下肢的全重力平衡。

所述单向棘轮棘爪离合器机构包括离合器板、棘爪、离合器传力组件和复位拉簧，所述离合器板的上端和重力平衡机构的重力平衡一号板旋转连接，所述离合器板的中部和重力平衡机构的重力平衡二号板旋转连接，所述棘爪旋转设于离合器一号板的上端并与棘轮相啮合，所述离合器传力组件包括缓冲拉簧、鲍登线和鲍登线套，所述缓冲拉簧的上端设于棘爪上，下端和鲍登线相连接，所述鲍登线套设置在离合器板上并位于缓冲拉簧的下方，所述鲍登线的主体位于鲍登线套中，两端部伸出鲍登线套外，鲍登线能相对鲍登线套进行滑动，所述复位拉簧的上端设于棘爪上，下端活动设于离合器板上。单向棘轮棘爪离合器机构的离合器板和重力平衡机构的棘轮之间的连接处(为旋转关节R3)提供一个自由度。本发明中的单向棘轮棘爪离合器机构是作为膝关节进行工作的，在双腿进行支撑时，不会出现过约束的状态。

所述离合器板包括同轴设置并活动连接的离合器板Ⅰ和离合器板Ⅱ，所述离合器板Ⅰ的上端和重力平衡机构的重力平衡一号板旋转连接，所述离合器板Ⅰ的中部和重力平衡二号板旋转连接，所述离合器板Ⅱ和足底关节旋转连接。

所述单向棘轮棘爪离合器机构还包括设于离合器板Ⅰ上的鲍登线套安装板，所述鲍登线套的上端和鲍登线套安装板相连接。

所述足底触发组件包括用于放置鞋的底板、足底一号板、足底二号板、足底三号板、传力销和复位压簧，所述底板的外侧壁上设有足底二号滑轮，所述足底一号板、足底二号板、足底三号板自上而下依次间隔水平设置于底板的外侧，所述足底二号板和足底三号板均与底板相连接，所述足底一号板的内侧壁上设有足底一号滑轮，所述传力销自上而下依次贯穿足底一号板、足底二号板和足底三号板并突出足底三号板外，所述复位压簧位于足底二号板和足底三号板之间并套设在传力销外，所述鲍登线套的下端和底板的外侧壁相连接，所述足底二号滑轮位于鲍登线套的下方，所述鲍登线从鲍登线套中伸出依次经足底二号滑轮和足底一号滑轮最后固定在足底二号板上。足底触发组件通过机械方式检测足底是否与地面接触，并根据检测的结果控制单向棘轮棘爪离合器机构的棘爪运动。复位压簧用于帮助传力销在下端未着地时，使其复位至下极限位置。

所述足底关节包括连接座和Y型连接件，所述连接座设置在底板上，所述Y型连接件的底部和连接座旋转连接，所述Y型连接件的顶部和单向棘轮棘爪离合器机构旋转连接。足底关节具有两个自由度，分别由连接座和Y型连接件的连接处(为旋转关节R1)、Y型连接件和单向棘轮棘爪离合器机构的连接处(为旋转关节R2)提供。

所述足底触发组件还包括套设在传力销外的限位轴套，所述限位轴套设于复位压簧的下端和足底三号板之间。

所述足底触发组件还包括辅助销，所述辅助销自上而下依次贯穿足底一号板和足底二号板。传力销、辅助销和足底一号板的布局抑制了传力销绕其自身轴线的旋转。

所述底板的外端向上延伸设有围壁，所述足底二号板和足底三号板均与围壁连接，所述围壁上水平向外突出设有凸台，所述鲍登线套贯穿插设在凸台中。

本发明的下肢外骨骼为被动式，包含两个主要功能，一个是负重支撑功能，用于将负重的力传递至地面，另一个是重力平衡功能，能够支撑人体及负载重力，并能平衡外骨骼自重及人体腿部重力。本发明的外骨骼通过足底触发组件、单向棘轮棘爪机构和合理的自由度布局来实现被动的负重支撑，并利用平行四边形机构及基于弹簧的重力平衡技术来实现摆动腿和外骨骼自身的重力平衡，避开了使用电机，也不需要电气控制，减轻搬运重物时下肢负担，也减小外骨骼自重对下肢运动的消极影响。在人体步行过程中，当脚部与地面接触时，这条腿的外骨骼起到负重支撑的功能；当脚部腾空时，这条腿的外骨骼产生自重平衡的作用。本发明的外骨骼共具有十三个自由度，每侧机械腿各具有六个自由度，其中髋部提供三个自由度，足底关节提供两个自由度，单向棘轮棘爪离合器机构和重力平衡机构共同提供一个自由度，当足底与地面接触时，由于单向棘轮棘爪离合器机构和重力平衡机构单向锁死，每条机械腿的自由度为5，最后机械腿和护具之间的连接处具有一个自由度，外骨骼的自由度布局使人机闭链为恰定系统，使得下肢可以进行空间运动而不是仅仅局限在矢状面内。

附图说明

图1基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼的结构示意图；

图2为足底机构的结构示意图；

图3为足底关节、底板和部分单向棘轮棘爪离合器机构的结构示意图；

图4为单向棘轮棘爪离合器机构、部分足底机构和部分重力平衡机构的结构示意图；

图5为图4中A处的放大图；

图6为重力平衡机构、部分单向棘轮棘爪离合器机构和部分髋部机构的结构示意图；

图7为髋部机构和部分重力平衡机构的结构示意图；

图8为髋部机构的结构示意图；

图9为躯干机构、固连板和护具的结构示意图；

图10为穿戴外骨骼搬运负载的侧面效果图；

图11为穿戴外骨骼搬运负载效果图的正面效果图。

图中：1-鞋；2-足底触发组件；201-底板；202-凸台；203-围壁；204-足底二号滑轮；205-传力销；206-足底三号板；207-限位轴套；208-复位压簧；209-足底二号板；210-辅助销；211-足底一号板；212-足底一号滑轮；3-足底关节；301-连接座；302-Y型连接件；303-足底关节轴承；4-单向棘轮棘爪离合器机构；401-离合器板Ⅱ；402-离合器板Ⅰ；403-鲍登线套安装板；404-缓冲拉簧；405-鲍登线；406-棘爪；407-复位拉簧；408-鲍登线套；409-棘爪轴承；5-重力平衡机构；501-棘轮；502-重力平衡一号板Ⅱ；503-重力平衡一号板Ⅰ；504-一号拉簧；505-重力平衡一号滑轮Ⅰ；506-重力平衡一号滑轮Ⅱ；507-棘轮轴承；508-重力平衡三号板；509-重力平衡二号滑轮Ⅰ；510-重力平衡二号滑轮Ⅱ；511-重力平衡二号滑轮Ⅲ；512-二号拉簧；513-重力平衡二号板Ⅱ；514-重力平衡二号板Ⅰ；515-一号绳索安装座；516-二号绳索安装座；517-一号绳索；518-二号绳索；6-髋部机构；601-髋部二号板Ⅱ；602-髋部二号板Ⅰ；603-髋部三号板Ⅰ；604-垫块；605-髋部一号板；606-髋部连接耳；607-髋部三号板Ⅱ；608-髋部三号板Ⅲ；7-躯干机构；701-躯干一号板；702-躯干二号板Ⅰ；703-置物板；704-滑块；705-躯干二号板Ⅱ；8-护具；801-导轨；9-固连板；10-负重。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、2、3、4、5、6、7、8、9所示，一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，包括两条对称分布的机械腿、设于机械腿顶端并连接两条机械腿的固连板9以及与机械腿滑动连接并用于人体上身穿戴的护具8，机械腿自上而下依次包括相旋转连接的躯干机构7、髋部机构6、重力平衡机构5、单向棘轮棘爪离合器机构4和足底机构，躯干机构7和护具8滑动连接，足底机构包括用于人体足部穿戴的鞋1、足底关节3和足底触发组件2，鞋1和足底关节3均与足底触发组件2相连接，足底触发组件2和单向棘轮棘爪离合器机构4之间设有用于传力的鲍登线405，足底关节3和单向棘轮棘爪离合器机构4旋转连接。

如图9所示，护具8沿竖直方向设有成对的导轨801，躯干机构7包括均成对设置的躯干一号板701、躯干二号板和置物板703，躯干一号板701呈竖直设置(躯干一号板701竖直设有一个长槽)，躯干二号板呈水平设置，包括相垂直的躯干二号板Ⅰ702(躯干二号板Ⅰ702上水平设有两个长槽，躯干一号板701的长槽和躯干二号板Ⅰ702的长槽相配合，通过螺钉插设在长槽中用于固定并调节躯干一号板701和躯干二号板Ⅰ702的位置)和躯干二号板Ⅱ705(躯干二号板Ⅱ705上水平设有两个长槽)，躯干二号板Ⅰ702和躯干一号板701活动连接，躯干二号板Ⅱ705和护具8相正对，躯干二号板Ⅱ705上设有与导轨801相配合的滑块704，置物板703(置物板703为L板，短的那部分通过螺钉和躯干二号板Ⅱ705固接)呈水平设置并与躯干二号板Ⅱ705相连接，躯干二号板Ⅱ705位于护具8和置物板703之间，躯干二号板Ⅱ705的端部和固连板9(固连板9上水平设有两个长槽，躯干二号板Ⅱ705的长槽和固连板9的长槽相配合，通过螺钉插设在长槽中用于固定并调节躯干二号板Ⅱ705和固连板9的位置)活动连接。

如图7、8、9所示，髋部机构6包括髋部连接耳606(髋部连接耳606处的虚线为旋转关节R6的旋转轴线)、髋部一号板605、髋部二号板和髋部三号板，髋部连接耳606的一端和躯干机构7的躯干一号板701固接，另一端和髋部一号板605旋转连接，髋部一号板605(髋部一号板605为L板，短的那部分通过轴承和髋部连接耳606旋转连接)呈水平设置，髋部二号板包括相垂直的髋部二号板Ⅰ602(髋部二号板Ⅰ602为L板)和髋部二号板Ⅱ601(髋部二号板Ⅱ601和髋部二号板Ⅰ602短的那部分相平行，并通过螺钉进行连接，髋部二号板Ⅱ601处的虚线为旋转关节R4的旋转轴线)，髋部二号板Ⅰ602水平设于髋部一号板605的底部并与髋部一号板605旋转连接，髋部二号板Ⅱ601呈竖直设置并与重力平衡机构5旋转连接，髋部一号板605和髋部二号板的髋部二号板Ⅰ602之间设有垫块604(垫块604和髋部三号板Ⅰ603处的虚线为旋转关节R5的旋转轴线)，垫块604和髋部一号板605相固接，垫块604和髋部二号板Ⅰ602旋转连接，髋部三号板包括髋部三号板Ⅰ603、髋部三号板Ⅱ607和髋部三号板Ⅲ608(髋部三号板Ⅱ607和髋部三号板Ⅲ608一体成型，髋部三号板Ⅱ607位于髋部三号板Ⅲ608的顶部，髋部三号板Ⅱ607为L板，短的那部分通过螺钉和髋部三号板Ⅰ603相固接)，髋部三号板Ⅰ603和髋部三号板Ⅲ608相平行并均呈竖直设置，髋部三号板Ⅱ607水平设于髋部三号板Ⅰ603和髋部三号板Ⅲ608之间，髋部三号板Ⅰ603(髋部三号板Ⅰ603为L板，短的那部分通过螺钉和髋部二号板Ⅰ602相固接)设于髋部二号板Ⅰ602的顶部，髋部三号板Ⅲ608和重力平衡机构5旋转连接，髋部三号板Ⅰ603和髋部三号板Ⅲ608上均竖直设有绳索安装座安装槽。

如图5、6、7所示，重力平衡机构5包括重力平衡一号板、重力平衡二号板、重力平衡三号板508、重力平衡一号传力组件和重力平衡二号传力组件，重力平衡一号板和重力平衡二号板相平行(重力平衡一号板位于靠近人体的内侧，重力平衡二号板位于远离人体的外侧)，重力平衡一号板包括同轴设置并活动连接的重力平衡一号板Ⅰ503和重力平衡一号板Ⅱ502，重力平衡一号板Ⅰ503和髋部机构6的髋部二号板Ⅱ601旋转连接，重力平衡一号板Ⅱ502的下端设有棘轮501，棘轮501沿周向设有棘齿，棘轮501和单向棘轮棘爪离合器机构4的离合器板Ⅰ之间设有棘轮轴承507(棘轮轴承507处的虚线为旋转关节R3的旋转轴线)进行旋转连接，重力平衡一号板Ⅰ503和重力平衡一号板Ⅱ502上设有相对应的长槽，通过螺钉插设在长槽中用于固定并调节重力平衡一号板Ⅰ503和重力平衡一号板Ⅱ502的位置，髋部机构6的髋部三号板Ⅲ608、重力平衡三号板508、重力平衡二号板和单向棘轮棘爪离合器机构4自上而下依次旋转连接，重力平衡二号板包括同轴设置并活动连接的重力平衡二号板Ⅰ514和重力平衡二号板Ⅱ513，重力平衡二号板Ⅰ514和重力平衡三号板508旋转连接，重力平衡二号板Ⅱ513和单向棘轮棘爪离合器机构4旋转连接，重力平衡二号板Ⅰ514和重力平衡二号板Ⅱ513上设有相对应的长槽，通过螺钉插设在长槽中用于固定并调节重力平衡二号板Ⅰ514和重力平衡二号板Ⅱ513的位置，下端设有棘轮501，重力平衡一号传力组件自上而下依次包括一号绳索安装座515、一号绳索517和一号拉簧504，一号绳索安装座515通过螺钉螺母可活动地设置在髋部三号板Ⅰ603的长槽中，一号拉簧504的下端固定在重力平衡一号板Ⅱ502上，一号绳索517位于一号绳索安装座515和一号拉簧504的上端之间，重力平衡二号传力组件自上而下依次包括二号绳索安装座516、二号绳索518和二号拉簧512，二号绳索安装座516通过螺钉螺母可活动地设置在髋部三号板Ⅲ608的长槽中，二号拉簧512的下端固定在重力平衡二号板Ⅱ513上，二号绳索518位于二号绳索安装座516和二号拉簧512的上端之间。

重力平衡一号板Ⅰ503上设有多个滑轮安装槽，通过螺钉螺母和滑轮安装槽的配合活动设有多个重力平衡一号滑轮(包括重力平衡一号滑轮Ⅰ505和重力平衡一号滑轮Ⅱ506)，重力平衡一号滑轮Ⅰ505和重力平衡一号滑轮Ⅱ506的具体设置位置详见图6，一号绳索517自上而下依次经过重力平衡一号滑轮Ⅰ505和重力平衡一号滑轮Ⅱ506的导向最后和一号拉簧504相连接，重力平衡三号板508上设有多个滑轮安装槽，通过螺钉螺母和滑轮安装槽的配合活动设有多个重力平衡二号滑轮(包括重力平衡二号滑轮Ⅰ509、重力平衡二号滑轮Ⅱ510和重力平衡二号滑轮Ⅲ511)，重力平衡二号滑轮Ⅰ509、重力平衡二号滑轮Ⅱ510和重力平衡二号滑轮Ⅲ511的具体设置位置详见图6，二号绳索518自上而下依次经过重力平衡二号滑轮Ⅱ510、重力平衡二号滑轮Ⅰ509和重力平衡二号滑轮Ⅲ511的导向最后和二号拉簧512相连接。

如图3、4、5、6所示，单向棘轮棘爪离合器机构4包括离合器板、棘爪406、离合器传力组件、鲍登线套安装板403和复位拉簧407，离合器板包括同轴设置并活动连接的离合器板Ⅰ402和离合器板Ⅱ401，离合器板Ⅰ402和离合器板Ⅱ401上设有相对应的长槽，通过螺钉螺母插设在长槽中用于固定并调节离合器板Ⅰ402和离合器板Ⅱ401的位置，离合器板Ⅰ402的上端和重力平衡机构5的棘轮501旋转连接，离合器板Ⅰ402的中部和重力平衡二号板Ⅱ513旋转连接，离合器板Ⅱ401和足底关节3旋转连接，棘爪406通过棘爪轴承409旋转设于离合器板Ⅰ402的上端并与棘轮501相啮合，鲍登线套安装板403设置在离合器板Ⅰ402上，离合器传力组件包括缓冲拉簧404、鲍登线405和鲍登线套408，缓冲拉簧404的上端设于棘爪406上，下端和鲍登线405相连接，鲍登线套408的上端和鲍登线套安装板403相连接并位于缓冲拉簧404的下方，鲍登线405的主体位于鲍登线套408中，两端部伸出鲍登线套408外，复位拉簧407的上端设于棘爪406上，下端活动设于离合器板Ⅰ402上，复位拉簧407和缓冲拉簧404分位于棘爪406的两侧，离合器板Ⅰ402上设有长槽，复位拉簧407的下端通过螺钉螺母和长槽相配合进而调节复位拉簧407的预拉伸量。

如图2、3、4所示，足底触发组件2包括用于放置鞋1的底板201(鞋1通过螺钉和底板201相固接)、足底一号板211、足底二号板209、足底三号板206、传力销205、复位压簧208、限位轴套207、辅助销210，底板201的外端向上延伸设有围壁203，围壁203上水平向外突出设有凸台202，鲍登线套408贯穿插设在凸台202中，围壁203上设有足底二号滑轮204，足底二号滑轮204位于鲍登线套408的下方，足底一号板211、足底二号板209、足底三号板206自上而下依次间隔水平设置于底板201的外侧，足底一号板211和足底二号板209上设有两个通孔，一个用于插设传力销205，一个用于插设辅助销210，足底三号板206上设有一个通孔用于插设传力销205，足底三号板206的水平长度均小于足底一号板211和足底二号板209的水平长度，用于插设辅助销210的两个通孔位于同一竖直线上，用于插设传力销205的三个通孔位于同一竖直线上，足底二号板209和足底三号板206均与围壁203相连接(足底二号板209和足底三号板206均为L板，通过螺钉和围壁203相固接)，足底二号滑轮204位于足底三号板206的旁边，足底一号板211为L板，短的部分的内侧壁上设有足底一号滑轮212，传力销205呈圆柱体，自上而下依次贯穿足底一号板211、足底二号板209和足底三号板206并突出足底三号板206外，辅助销210呈圆柱体，设置在传力销205的旁边，辅助销210自上而下依次贯穿足底一号板211和足底二号板209，足底一号板211通过螺钉分别和传力销205和辅助销210相固接，复位压簧208和限位轴套207均位于足底二号板209和足底三号板206之间并套设在传力销205外，限位轴套207通过紧定螺钉与传力销205固连，复位压簧208位于限位轴套207的上方，复位压簧208的上端和足底二号板209相固接，复位压簧208的下端和限位轴套207相固接，鲍登线405从鲍登线套408中伸出依次经足底二号滑轮204和足底一号滑轮212最后固定在足底二号板209上，足底关节3包括连接座301和Y型连接件302，连接座301(连接座301处的虚线为旋转关节R1的旋转轴线)设置在底板201上，Y型连接件302的底部和连接座301旋转连接，Y型连接件302的顶部和单向棘轮棘爪离合器机构4的离合器板Ⅱ401之间设有足底关节轴承303(足底关节轴承303处的虚线为旋转关节R2的旋转轴线)进行旋转连接。

本发明中各构件旋转连接处均设置轴承，通过轴承进行旋转连接，螺钉也可采用其他紧固件进行替换，多个板上均设有长槽，以适应不同身高和体型的穿戴者。

本发明在使用过程中，如图10、11所示，将负重10放置在置物板703上，双腿均处于支撑状态时，两条机械腿也处于支撑状态，由于两侧的足底触发组件2使单向棘轮棘爪离合器机构4的棘爪406嵌入棘轮501中，锁死旋转关节R3，即此时负重10的重力通过机械腿传递至地面；当一侧腿处于支撑状态，另一侧腿处于摆动状态时，与支撑腿对应的机械腿的旋转关节R3锁死，而与摆动腿对应的机械腿旋转关节R3打开，负重10的重力通过支撑腿对应的机械腿传递至地面。重力平衡机构4使得机械腿的重力被弹簧力补偿，在摆动期，下肢只需提供力带动机械腿运动，而无需克服机械腿重力做功。具体地，当足底与地面接触，传力销205在地面作用力下沿轴线向上移动，带动足底一号滑轮212向上移动，这个位移使得鲍登线405暴露在鲍登线套408外部的部分变长，即拉动鲍登线套408内部的鲍登线405使其产生拉力，进而控制单向棘轮棘爪机构4的棘爪406嵌入棘轮501的棘齿中，从而限制离合器板Ⅰ402相对于重力平衡一号板Ⅱ502的屈曲运动(如图4所示，屈曲运动的方向为右边箭头所示的方向)，由于缓冲拉簧404可被拉伸，限制离合器板Ⅰ402仍可相对于重力平衡一号板Ⅱ502作伸展运动(如图4所示，伸展运动的方向为左边箭头所示的方向)，即棘轮501与离合器板Ⅰ402间的夹角不能减小，但可以增加，实现了单向棘轮棘爪的功能。当足底离开地面时，在复位压簧208的作用下，传力销205复位，返回初始下极限位置，鲍登线405重新退回鲍登线套408中，在复位拉簧407的作用下，棘爪406从棘轮501的棘齿中退出，旋转关节R3的单向旋转约束解除，即实现了离合器的功能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，包括两条对称分布的机械腿、设于机械腿顶端并连接两条机械腿的固连板(9)以及与机械腿滑动连接并用于人体上身穿戴的护具(8)，所述机械腿自上而下依次包括相旋转连接的躯干机构(7)、髋部机构(6)、重力平衡机构(5)、单向棘轮棘爪离合器机构(4)和足底机构，所述躯干机构(7)和护具(8)滑动连接，所述足底机构包括用于人体足部穿戴的鞋(1)、足底关节(3)和足底触发组件(2)，所述鞋(1)和足底关节(3)均与足底触发组件(2)相连接，所述足底触发组件(2)和单向棘轮棘爪离合器机构(4)之间设有用于传力的鲍登线(405)，所述足底关节(3)和单向棘轮棘爪离合器机构(4)旋转连接；

所述髋部机构(6)包括髋部连接耳(606)、髋部一号板(605)、髋部二号板和髋部三号板，所述髋部连接耳(606)的一端和躯干机构(7)固接，另一端和髋部一号板(605)旋转连接，所述髋部一号板(605)呈水平设置，所述髋部二号板包括相垂直的髋部二号板Ⅰ(602)和髋部二号板Ⅱ(601)，所述髋部二号板Ⅰ(602)水平设于髋部一号板(605)的底部并与髋部一号板(605)旋转连接，所述髋部二号板Ⅱ(601)呈竖直设置并与重力平衡机构(5)旋转连接，所述髋部三号板包括髋部三号板Ⅰ(603)、髋部三号板Ⅱ(607)和髋部三号板Ⅲ(608)，所述髋部三号板Ⅰ(603)和髋部三号板Ⅲ(608)相平行并均呈竖直设置，所述髋部三号板Ⅱ(607)水平设于髋部三号板Ⅰ(603)和髋部三号板Ⅲ(608)之间，所述髋部三号板Ⅰ(603)设于髋部二号板Ⅰ(602)的顶部，所述髋部三号板Ⅲ(608)和重力平衡机构(5)旋转连接；

所述重力平衡机构(5)包括重力平衡一号板、重力平衡二号板、重力平衡三号板(508)、重力平衡一号传力组件和重力平衡二号传力组件，所述重力平衡一号板和重力平衡二号板相平行，所述重力平衡一号板的上端和髋部二号板Ⅱ(601)旋转连接，下端设有棘轮(501)，所述棘轮(501)和单向棘轮棘爪离合器机构(4)旋转连接，所述髋部三号板Ⅲ(608)、重力平衡三号板(508)、重力平衡二号板和单向棘轮棘爪离合器机构(4)自上而下依次旋转连接，所述重力平衡一号传力组件自上而下依次包括一号绳索安装座(515)、一号绳索(517)和一号拉簧(504)，所述一号绳索安装座(515)可活动地设置在髋部三号板Ⅰ(603)的侧壁上，所述一号拉簧(504)的下端固定在重力平衡一号板上，所述一号绳索(517)位于一号绳索安装座(515)和一号拉簧(504)的上端之间，所述重力平衡二号传力组件自上而下依次包括二号绳索安装座(516)、二号绳索(518)和二号拉簧(512)，所述二号绳索安装座(516)可活动地设置在髋部三号板Ⅲ(608)的侧壁上，所述二号拉簧(512)的下端固定在重力平衡二号板上，所述二号绳索(518)位于二号绳索安装座(516)和二号拉簧(512)的上端之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述护具(8)沿竖直方向设有成对的导轨(801)，

所述躯干机构(7)包括均成对设置的躯干一号板(701)、躯干二号板和置物板(703)，所述躯干一号板(701)呈竖直设置，所述躯干二号板呈水平设置，包括相垂直的躯干二号板Ⅰ(702)和躯干二号板Ⅱ(705)，所述躯干二号板Ⅰ(702)和躯干一号板(701)活动连接，所述躯干二号板Ⅱ(705)和护具(8)相正对，所述躯干二号板Ⅱ(705)上设有与导轨(801)相配合的滑块(704)，所述置物板(703)呈水平设置并与躯干二号板Ⅱ(705)相连接，所述躯干二号板Ⅱ(705)位于护具(8)和置物板(703)之间，所述躯干二号板Ⅱ(705)的端部和固连板(9)活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述重力平衡一号板包括同轴设置并活动连接的重力平衡一号板Ⅰ(503)和重力平衡一号板Ⅱ(502)，所述重力平衡一号板Ⅰ(503)和髋部二号板Ⅱ(601)旋转连接，所述棘轮(501)设于重力平衡一号板Ⅱ(502)的下端；

所述重力平衡二号板包括同轴设置并活动连接的重力平衡二号板Ⅰ(514)和重力平衡二号板Ⅱ(513)，所述重力平衡二号板Ⅰ(514)和重力平衡三号板(508)旋转连接，所述重力平衡二号板Ⅱ(513)和单向棘轮棘爪离合器机构(4)旋转连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述重力平衡一号板上活动设有多个重力平衡一号滑轮(505、506)，所述一号绳索(517)自上而下依次经过多个重力平衡一号滑轮(505、506)的导向最后和一号拉簧(504)相连接；

所述重力平衡三号板(508)上活动设有多个重力平衡二号滑轮(509、510、511)，所述二号绳索(518)自上而下依次经过多个重力平衡二号滑轮(509、510、511)的导向最后和二号拉簧(512)相连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述单向棘轮棘爪离合器机构(4)包括离合器板、棘爪(406)、离合器传力组件和复位拉簧(407)，所述离合器板的上端和重力平衡一号板旋转连接，所述离合器板的中部和重力平衡二号板旋转连接，所述棘爪(406)旋转设于离合器一号板的上端并与棘轮(501)相啮合，所述离合器传力组件包括缓冲拉簧(404)、鲍登线(405)和鲍登线套(408)，所述缓冲拉簧(404)的上端设于棘爪(406)上，下端和鲍登线(405)相连接，所述鲍登线套(408)设置在离合器板上并位于缓冲拉簧(404)的下方，所述鲍登线(405)的主体位于鲍登线套(408)中，两端部伸出鲍登线套(408)外，所述复位拉簧(407)的上端设于棘爪(406)上，下端活动设于离合器板上。

6.根据权利要求5所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述离合器板包括同轴设置并活动连接的离合器板Ⅰ(402)和离合器板Ⅱ(401)，所述离合器板Ⅰ(402)的上端和重力平衡一号板旋转连接，所述离合器板Ⅰ(402)的中部和重力平衡二号板旋转连接，所述离合器板Ⅱ(401)和足底关节(3)旋转连接；

所述单向棘轮棘爪离合器机构(4)还包括设于离合器板Ⅰ(402)上的鲍登线套安装板(403)，所述鲍登线套(408)的上端和鲍登线套安装板(403)相连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述足底触发组件(2)包括用于放置鞋(1)的底板(201)、足底一号板(211)、足底二号板(209)、足底三号板(206)、传力销(205)和复位压簧(208)，所述底板(201)的外侧壁上设有足底二号滑轮(204)，所述足底一号板(211)、足底二号板(209)、足底三号板(206)自上而下依次间隔水平设置于底板(201)的外侧，所述足底二号板(209)和足底三号板(206)均与底板(201)相连接，所述足底一号板(211)的内侧壁上设有足底一号滑轮(212)，所述传力销(205)自上而下依次贯穿足底一号板(211)、足底二号板(209)和足底三号板(206)并突出足底三号板(206)外，所述复位压簧(208)位于足底二号板(209)和足底三号板(206)之间并套设在传力销(205)外，所述鲍登线(405)从单向棘轮棘爪离合器机构(4)中伸出依次经足底二号滑轮(204)和足底一号滑轮(212)最后固定在足底二号板(209)上，

所述足底关节(3)包括连接座(301)和Y型连接件(302)，所述连接座(301)设置在底板(201)上，所述Y型连接件(302)的底部和连接座(301)旋转连接，所述Y型连接件(302)的顶部和单向棘轮棘爪离合器机构(4)旋转连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于负重支撑与自重平衡的下肢外骨骼，其特征在于，所述足底触发组件(2)还包括套设在传力销(205)外的限位轴套(207)，所述限位轴套(207)设于复位压簧(208)的下端和足底三号板(206)之间，

所述足底触发组件(2)还包括辅助销(210)，所述辅助销(210)自上而下依次贯穿足底一号板(211)和足底二号板(209)，

所述底板(201)的外端向上延伸设有围壁(203)，所述足底二号板(209)和足底三号板(206)均与围壁(203)连接，所述围壁(203)上水平向外突出设有凸台(202)。

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