CN113319824B - 一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，包括单侧或者双侧使用的储能盒，储能盒一端与连接绳的一端连接，连接绳另一端与一只脚踝挂钩处连接，储能盒通过内侧壳与减重腰带支架相配合，储能盒另一端引出的绳经过减重腰带支架后与另一只脚的脚踝挂钩连接，或者再经过对侧的储能盒与另一只脚的脚踝挂钩连接；本发明的储能盒，根据人在行走过程中，机械能内部的动能和势能之间亦在不断进行转化，有些机械能的损耗是由于肌肉对关节和肢体做负功造成的特点，对这部分能量进行收集并加以利用，对于这部分损耗的能量通过本发明的储能盒进行储存与能量，并在肌肉做正功的时候进行释放，以达到节省代谢能，起到助力的作用。

Description

一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼

技术领域

本发明涉及人体外骨骼技术领域，特别涉及一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，实现双腿之间互助。

背景技术

现有柔性外骨骼产品均采用电机驱动关节，整体尺寸大，重量大，电池续航能力差，人体穿戴体验感差，并且与人体运动配合性不足。

专利号CN201911337197.7公开了一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，在人行走过程中，机械能内部的动能和势能之间亦在不断进行转化。人体正常行走过程中，有些机械能的损耗是由于肌肉对关节和肢体做负功造成的，对于这部分损耗的能量，可以通过一种人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼产品来进行储存与利用。该发明通过控制电磁铁通断电，间接控制弹簧钢片的形变，从而实现摩擦块与套筒的抱紧与释放，实现能量的管理。但是长久使用，会存在以下问题；(1)由于人体行走频率较高，需要电磁铁频繁通断电，磁铁发热现象明显，造成控制失灵。(2)利用电磁铁吸合控制弹簧钢片变形，所需磁力较大，对电流要求较高，人体自身携带电源规模受限。(3)利用摩擦块锁紧套筒，控制套筒的转向，当卷簧储存能量较大，套筒所需的制动扭矩较高，利用摩擦力锁止套筒反转，可靠性不高。(4)当锁紧套筒时，所需摩擦力较大，频繁锁紧，对于摩擦块损耗较大，降低使用寿命。(5)人体穿戴结构设计较为简单，与人体贴合部分支具考虑欠缺，穿戴舒适性较差。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，解决能量管理部分机械结构设计的不足，本发明的目的在于提供一种具有卷簧能量管理装置的柔性外骨骼，具有能够频繁操作、同时穿戴舒适的特点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，包括单侧或者双侧使用的储能盒1，储能盒1的一端与连接绳29的一端连接，连接绳29另一端与一只脚踝挂钩31-1处连接，储能盒1通过内侧壳2与减重腰带支架30相配合，储能盒1另一端引出的绳28经过减重腰带支架30后与另一只脚的脚踝挂钩31-2连接，或者再经过对侧的储能盒1与另一只脚的脚踝挂钩31-2连接。

所述的储能盒1由内侧壳2和外侧壳19构成一个盒体将内部零件集成在盒内，连接绳29一端与脚踝挂钩31-1处连接，另一端与储能盒1内的一级卷簧盒17内壁连接，一级卷簧盒17的内壁通过插销方式与一级蜗卷弹簧15连接，一级蜗卷弹簧15内端通过插销方式固定连接在固定轴18端部的十字锁块18-1上，十字锁块18-1固定在外侧壳19上；

一级卷簧盒17与十字锁块18-1之间通过A轴承16配合连接，一级卷簧盒17内侧使用A挡板14将一级蜗卷弹簧15限位；一级卷簧盒17通过固定轴18穿过A挡板14与棘爪13连接，且A挡板14和一级卷簧盒17上固定的扭簧压住棘爪13，使得棘爪13与棘轮10的槽始终接触；

棘轮10与二级卷簧盒9通过螺纹连接，二级卷簧盒9的内壁通过插销方式与二级蜗卷弹簧8外端连接，二级蜗卷弹簧8内端与轴套11通过插销方式固定连接；二级卷簧盒9内侧使用B挡板7将二级蜗卷弹簧8限位；B挡板7另一侧为大齿轮6穿在轴套11上，轴套11套接在固定轴18上并通过使用B轴承3和C轴承12内外配合连接使得轴套11运动但内部的固定轴18不动；同时穿在轴套11上的还包括弹簧5和离合器4，弹簧5位于离合器4与大齿轮6之间减小离合器4在轴套11上的轴向窜动，离合器4另一侧为方盒内侧壳2，离合器4通过滑槽约束在轴套11上的径向转动并实现轴向运动来与方盒内侧壳2或大齿轮6啮合；

所述的大齿轮6与其上方的小齿轮22啮合，小齿轮22与小轴23之间通过顶丝固定连接，小轴23上设置有小缠线轮21，小缠线轮21上缠绕有绳28，小轴23通过D轴承20和E轴承24安装在内侧壳2与外侧壳19中；

所述的离合器4的外圆槽与圆柱销25配合连接，圆柱销25套接在驱动电机26的电机轴套上，驱动电机26通过紧固片27与方盒外侧壳19固定连接。

所述的减重腰带支架30包括盆骨架32、内衬垫33、魔术贴子母带34、髋关节卡盘锁35和大腿支具36，盆骨架32通过子母带34与其上附有的魔术贴将使用者的腰部包裹，使腰带支架30固定，在盆骨架32内侧使用魔术贴并附有内衬垫33，大腿支具36分为上、下两部分，上部分与盆骨架32紧固连接，下部分使用弹性绷带与使用者的大腿贴合固定；下部分外侧与内侧壳2表面使用卡扣连接，大腿支具36上、下两部分使用髋关节卡盘锁35连接，髋关节卡盘锁35上有多个分度孔，相邻分度孔之间预留角度，盆骨架32外侧有两个导线孔37为储能盒1导线。

所述的一级卷簧盒17为带有缠线凹槽的轮，轮的内侧为空腔结构放置一级蜗卷弹簧15。

所述的二级蜗簧盒9为圆周光滑的轮，轮的内侧为空腔结构放置二级蜗卷弹簧8。

所述的十字锁块18-1为十字型锁块，在固定轴18的轴端处，与外侧壳19嵌套连接。

本发明在人行走过程中，机械能内部的动能和势能之间亦在不断进行转化。有些机械能的损耗是由于肌肉对关节和肢体做负功造成的，对这部分能量进行收集并加以利用，对于这部分损耗的能量可以通过本发明的一种人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼来进行储存与能量，并在肌肉做正功的时候进行释放，以达到节省代谢能，起到助力的作用。

本发明的有益效果：

1、外骨骼穿戴支具与人体贴合较好，外骨骼的柔性好。

2、利用离合器参与能量管理，控制简单便捷，允许频繁操作。

3、利用端面齿啮合进行锁止，工作性能稳定。

4、本发明可以给受偏瘫等疾病困扰的行走障碍人提供帮助，利用正常侧的下肢的能量为偏瘫侧的下肢提供助力。结构简单、紧凑、拆装方便、操作简便，不仅能对人体机械能进行存储与释放，还可以进行能量的控制与管理。

附图说明

图1为本发明的储能盒1的结构爆炸示意图。

图2为本发明只有一个储能盒1的结构示意图。

图3为本发明有两个储能盒1的结构示意图。

图4为本发明的储能盒1的外部整体示意图。

图5为本发明的储能盒1的整体装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图2或图3，一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，包括单侧或者双侧使用的储能盒1，储能盒1一端与连接绳29的一端相连接，连接绳29另一端与一只脚踝挂钩31-1处连接，储能盒1通过内侧壳2与减重腰带支架30相配合，储能盒1另一端引出的绳28经过减重腰带支架30后与另一只脚的脚踝挂钩31-2连接，或者再经过对侧的储能盒1与另一只脚的脚踝挂钩31-2连接。

参照图1、图4、图5，所述的储能盒1由内侧壳2和外侧壳19构成一个盒体将内部零件集成在盒内，连接绳29一端与脚踝挂钩31-1处连接，另一端与储能盒1内的一级卷簧盒17内壁连接，一级卷簧盒17的内壁通过插销方式与一级蜗卷弹簧15连接，一级蜗卷弹簧15内端通过插销方式固定连接在固定轴18端部的十字锁块18-1上，十字锁块18-1固定在外侧壳19上；

一级卷簧盒17与十字锁块18-1之间通过A轴承16配合连接，一级卷簧盒17内侧使用A挡板14将一级蜗卷弹簧15限位。一级卷簧盒17通过固定轴18穿过A挡板14与棘爪13连接，且A挡板14和一级卷簧盒17上固定的扭簧压住棘爪13，使得棘爪13与棘轮10的槽始终接触；

棘轮10与二级卷簧盒9通过螺纹连接，二级卷簧盒9的内壁通过插销方式与二级蜗卷弹簧8外端连接，二级蜗卷弹簧8内端与轴套11通过插销方式固定连接；二级卷簧盒9内侧使用B挡板7将二级蜗卷弹簧8限位。B挡板7另一侧为大齿轮6穿在轴套11上，轴套11套接在固定轴18上并通过使用B轴承3和C轴承12内外配合连接使得轴套11运动但内部的固定轴18不动；同时穿在轴套11上的还包括弹簧5和离合器4，弹簧5位于离合器4与大齿轮6之间减小离合器4在轴套11上的轴向窜动，离合器4另一侧为方盒内侧壳2，离合器4通过滑槽约束在轴套11上的径向转动并实现轴向运动来与方盒内侧壳2或大齿轮6啮合；

所述的大齿轮6与其上方的小齿轮22啮合，小齿轮22与小轴23之间通过顶丝固定连接，小轴23上设置有小缠线轮21，小缠线轮21上缠绕有绳28，小轴23通过D轴承20和E轴承24安装在内侧壳2与外侧壳19中；

所述的离合器4的外圆槽与圆柱销25配合连接，圆柱销25套接在驱动电机26的电机轴套上，驱动电机26通过紧固片27使用螺纹与方盒外侧壳19固定连接，利用电机的旋转来驱动离合器实现轴向往复运动。

如图2和图3所示，所述的减重腰带支架30包括盆骨架32、内衬垫33、魔术贴子母带34、髋关节卡盘锁35和大腿支具36，盆骨架32通过子母带34与其上附有的魔术贴将使用者的腰部包裹使腰带支架30固定。因盆骨架32质地较硬，佩戴会让使用者稍感不适，所以在盆骨架32内侧使用魔术贴并附有内衬垫33以减轻不适感。大腿支具36分为上、下两部分，上部分与盆骨架32通过螺钉紧固连接，下部分使用弹性绷带与使用者的大腿贴合固定；下部分外侧与内侧壳2表面使用卡扣连接，大腿支具36上、下两部分使用髋关节卡盘锁35连接，髋关节卡盘锁35上有多个分度孔，相邻孔之间预留角度，使用者可以在其中任意两个孔中旋上螺纹来限制大腿支具36的摆动幅(角)度。盆骨架32外侧有两个导线孔37为储能盒1导线。

所述的一级卷簧盒17为带有缠线凹槽的轮，轮的内侧为空腔结构放置一级蜗卷弹簧15。

所述的二级蜗簧盒9为圆周光滑的轮，轮的内侧为空腔结构放置二级蜗卷弹簧8。

所述的十字锁块18-1为十字型锁块，在固定轴18的轴端处，与外侧壳19嵌套连接，保持固定轴18的连接与固定，防止固定轴18转动。

本发明的工作原理如下：

参照图3，为下肢正常的人行走提供助力，储能盒1是两组，双侧下肢互助：

人体行走时，当右脚跟着地，右脚向后蹬地时带动下连接绳29伸长，连接绳一端与脚踝挂钩31处连接，另一端与一级卷簧盒17内圈连接。连接绳29拉动缠线盒17顺时针旋转动，一级蜗卷弹簧15外端与一级卷簧盒17的内壁通过螺纹连接，一级蜗卷弹簧15内端与固定轴18通过螺纹固定连接。一级卷簧盒17顺时针旋转的同时，带动一级蜗卷弹簧15发生弹性形变，此时一级蜗卷弹簧15储存机械动能。

与此同时，棘爪13通过圆柱销与挡板14和一级卷簧盒17内侧连接，棘爪13被挡板14(一级卷簧盒17)上固定的扭簧压住，保持棘爪13与固定于二级卷簧盒9上的棘轮10槽始终接触。

当一级卷簧盒17顺时针转动，一级蜗卷弹簧15储能的同时，棘爪13推动棘轮10逆时针转动。棘轮10与二级卷簧盒9固定连接，二级卷簧盒9顺时针同步转动。二级蜗卷弹簧8外端与二级卷簧盒9的内壁通过螺纹连接，二级蜗卷弹簧8内端与轴套11通过螺纹固定连接。二级卷簧盒9跟随一级卷簧盒17转动的同时，带动二级蜗卷弹簧8同步储存机械动能，实现了能量的收集。

当连接绳29伸长至最长时，一级蜗卷弹簧15的缠线盒17停止转动。棘爪13锁住二级卷簧盒9外侧的棘轮10。驱动电机26通电工作，以恒定转速驱动圆柱销25转动，带动离合器4在轴套11上轴向往复运动，当离合器4与方盒内侧壳2啮合时，锁住轴套11的顺时针转动，同时二级卷簧盒9的内侧也停止转动，两个缠线盒此时均锁止，实现了能量的管理。

当右脚尖开始蹬地后，连接绳29长度开始收缩，一级卷簧盒17逆时针旋转，一级蜗卷弹簧15释放能量，棘爪13顶起扭簧，在棘轮10槽上滑过，一级卷簧盒17反转，连接绳29。一级卷簧盒17和一级蜗卷弹簧15复位，为下一周期准备。但二级蜗卷弹簧8此时依然保持锁止。

在左脚蹬地需要能量时，驱动电机26旋转使离合器4脱离方盒内侧壳2，与大齿轮6的端面齿啮合，轴套11为空心嵌套轴，内侧与固定轴18通过B轴承3和C轴承12连接，外侧通过键与离合器4连接。

轴套11在二级蜗卷弹簧8的恢复力下，从二级蜗卷弹簧8内侧端开始释放能量，通过轴套11，带动离合器4转动，离合器通过和大齿轮6的端面齿啮合带动大齿轮6顺时针转动。大齿轮6与小齿轮22啮合，大齿轮6顺时针转动带动小齿轮22逆时针转动。

小齿轮22与小轴23之间采用顶丝固定连接，当小齿轮22逆时针转动时，带动小轴23逆时针转动。当二级蜗卷弹簧8释放能量的同时，小缠线轮21迅速缠上绳28绷紧。拉伸连接左脚踝处的绳28，起到助力效果。实现了能量的迁移。

当左脚助力完成后，左脚向前挥摆时，连接左脚踝的绳28复位，此时，离合器4脱离大齿轮6，小缠线轮21空转。绳28复位，为下一阶段准备。

至此完成右腿能量向左腿能量的收集、管理与迁移，左腿向右腿迁移能量同理，不再赘述。

当被偏瘫等疾病困扰，或是步行功能障碍的人使用时，只需要使用单侧下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼康复机器人。收集正常一侧的下肢的动力，通过能量的管理，迁移到病变一侧的下肢，为病变一侧下肢的运动提供助力。

当双腿行走的正常人使用时，使用双侧下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼。收集一侧下肢的动力，通过能量的管理，迁移到另一侧的下肢，双腿相互提供助力。

固定轴18与外侧壳19固定连接，轴套11内侧与固定轴18通过B轴承3和C轴承12连接。外侧通过插销方式与二级蜗卷弹簧8连接。

小缠线轮21与小轴23通过平键与卡簧连接固定，保证小缠线轮21拉上绳28助力后，小腿向前挥摆时，带动上绳28复位。

上述蜗卷弹簧外圈的端头通过螺纹与滑轮内壁固定连接。蜗卷弹簧内圈的端头通过螺纹与轴固定连接。

一级卷簧盒17通过棘爪带动二级卷簧盒9转动。棘爪13与一级卷簧盒17连接，同时棘爪13在弹簧片的作用下保持与二级卷簧盒9上固定的棘轮10始终接触。

一级卷簧盒17与二级卷簧盒9内的蜗卷弹簧均从蜗卷弹簧的外端随缠线盒的转动收集能量；一级卷簧盒17内的蜗卷弹簧从外端随缠线盒的转动而释放能量，而二级卷簧盒9内的蜗卷弹簧从内端随轴套11的转动而释放能量。

当被偏瘫等疾病困扰或行走功能障碍的人使用时，人体单侧下肢助力：例如偏瘫侧为人体左下肢，左腿行走障碍而右下肢行走正常，则将右侧下肢的机械动能传递给左侧下肢，实现行走助力。

综上所述，本发明提供的一种人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼，既可以为偏瘫患者提供单侧助力，提高单侧偏瘫患者的行走能力，又可以为正常人的下肢行走提供双侧相互助力。该柔性外骨骼不受外界环境条件限制，不借助外界能量参与转换，实现人体机械能量之间的收集、管理与迁移。该装置效率高，反应迅速，充分匹配人体运动周期。使用柔性弹性绳，可以使外骨骼充分与人体接触，减少人体与外骨骼之间的运动干涉冲突。外骨骼结构简单，穿戴方便，重量轻，人体额外负担少。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，其特征在于，包括单侧或者双侧使用的储能盒(1)，储能盒(1)的一端与连接绳(29)的一端相连接，连接绳(29)另一端与一只脚踝挂钩(31-1)处连接，储能盒(1)通过内侧壳(2)与减重腰带支架(30)相配合，储能盒(1)另一端引出的绳(28)经过减重腰带支架(30)后与另一只脚的脚踝挂钩(31-2)连接，或者再经过对侧的储能盒(1)与另一只脚的脚踝挂钩(31-2)连接；

所述的储能盒(1)由内侧壳(2)和外侧壳(19)构成一个盒体将内部零件集成在盒内，连接绳(29)一端与脚踝挂钩(31-1)处连接，另一端与储能盒(1)内的一级卷簧盒(17)内壁连接，一级卷簧盒(17)的内壁与一级蜗卷弹簧(15)连接，一级蜗卷弹簧(15)内端固定连接在固定轴(18)端部的十字锁块(18-1)上，十字锁块(18-1)固定在外侧壳(19)上；

一级卷簧盒(17)与十字锁块(18-1)之间通过A轴承(16)配合连接，一级卷簧盒(17)内侧使用A挡板(14)将一级蜗卷弹簧(15)限位；一级卷簧盒(17)通过固定轴(18)穿过A挡板(14)与棘爪(13)连接，且A挡板(14)和一级卷簧盒(17)上固定的扭簧压住棘爪(13)，使得棘爪(13)与棘轮(10)的槽始终接触；

棘轮(10)与二级卷簧盒(9)连接，二级卷簧盒(9)的内壁与二级蜗卷弹簧(8)外端连接，二级蜗卷弹簧(8)内端与轴套(11)固定连接；二级卷簧盒(9)内侧使用B挡板(7)将二级蜗卷弹簧(8)限位；B挡板(7)另一侧为大齿轮(6)穿在轴套(11)上，轴套(11)套接在固定轴(18)上并通过使用B轴承(3)和C轴承(12)内外配合连接，使得轴套(11)运动但内部的固定轴(18)不动；同时穿在轴套(11)上的还包括弹簧(5)和离合器(4)，弹簧(5)位于离合器(4)与大齿轮(6)之间减小离合器(4)在轴套(11)上的轴向窜动，离合器(4)另一侧为内侧壳(2)，离合器(4)通过滑槽约束在轴套(11)上的径向转动并实现轴向运动来与内侧壳(2)或大齿轮(6)啮合；

所述的大齿轮(6)与其上方的小齿轮(22)啮合，小齿轮(22)与小轴(23)之间固定连接，小轴(23)上设置有小缠线轮(21)，小缠线轮(21)上缠绕有绳(28)，小轴(23)通过D轴承(20)和E轴承(24)安装在内侧壳(2)与外侧壳(19)中；

所述的离合器(4)的外圆槽与圆柱销(25)配合连接，圆柱销(25)套接在驱动电机(26)的电机轴套上，驱动电机(26)通过紧固片(27)与外侧壳(19)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，其特征在于，所述的减重腰带支架(30)包括盆骨架(32)、内衬垫(33)、魔术贴、子母带(34)、髋关节卡盘锁(35)和大腿支具(36)，盆骨架(32)通过子母带(34)与其上附有的魔术贴将使用者的腰部包裹使减重腰带支架(30)固定，在盆骨架(32)内侧使用魔术贴并附有内衬垫(33)，大腿支具(36)分为上、下两部分，上部分与盆骨架(32)紧固连接，下部分使用弹性绷带与使用者的大腿贴合固定；下部分外侧与内侧壳(2)表面连接，大腿支具(36)上、下两部分使用髋关节卡盘锁(35)连接，髋关节卡盘锁(35)上有多个分度孔，相邻孔之间预留角度，盆骨架(32)外侧有两个导线孔为储能盒(1)导线。

3.根据权利要求1所述的一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，其特征在于，所述的一级卷簧盒(17)为带有缠线凹槽的轮，轮的内侧为空腔结构，放置一级蜗卷弹簧(15)。

4.根据权利要求1所述的一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，其特征在于，所述的二级卷簧盒(9)为圆周光滑的轮，轮的内侧为空腔结构，放置二级蜗卷弹簧(8)。

5.根据权利要求1所述的一种具有能量离合管理装置的柔性外骨骼，其特征在于，所述的十字锁块(18-1)为十字型锁块，在固定轴(18)的轴端处，与外侧壳(19)嵌套连接。

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