CN113681545A - 膝关节负功捕捉外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接件和小腿连接件，大腿连接件上设有大腿绑缚机构，小腿连接件上设有小腿绑缚机构，在大腿连接件上设有大腿连接部，在小腿连接件上设有小腿连接部，在小腿连接部上还沿轴向方向设有转动连接轴，大腿连接部和小腿连接部通过转动连接轴进行转动连接，在转动连接轴上还设有卷簧，且卷簧的内端点固定连接在转动连接轴上，卷簧的外端点固定连接在大腿连接部上，以使得伸膝时所述卷簧被压缩吸收负功，并在屈膝时所述卷簧复位为屈膝提供助力。本发明能对膝关节伸膝过程中的负功进行有效吸收，进而减轻负功对膝关节的冲击，对膝关节进行有效保护。

Description

膝关节负功捕捉外骨骼装置

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体涉及一种膝关节负功捕捉外骨骼装置。

背景技术

外骨骼一种能够穿戴在人体上的结构，它能够把人体做出的行为和机械系统的动能紧密联系起来，与此同时，为人提供需要的额外动力，进而增强人体运动机能；外骨骼根据穿戴部位的不同分为上肢外骨骼和下肢外骨骼，上肢外骨骼穿戴在人体上肢，主要为人体上肢的搬运提供助力，下肢外骨骼穿戴在人体的下肢，主要为人体下肢的运动提供助力。

下肢外骨骼根据穿戴部位的不同又可以分为膝关节外骨骼、踝关节外骨骼等，现有技术中的膝关节外骨骼主要是用于对人体膝关节的运动提供助力，如在军事领域，膝关节外骨骼可以通过对军人运动过程中的膝关节提供助力，以增长徒步行走距离，提升负重能力，又如在医疗领域，膝关节外骨骼可以用于患者的步态康复训练，提高康复效果，在助老助残领域，膝关节外骨骼可以用于残疾人的辅助行走、一级帮助老年人恢复行走能力。

现有技术中的下肢外骨骼主要集中在对膝关节提供运动助力方面的研究，而通过对人体膝关节运动过程的研究发现，在人体行走过程中，人体膝关节的运动分为伸膝过程和屈膝过程，在人体膝关节的伸膝过程中存在一部分多余的能量以冲击（或摩擦）的形式作用在膝关节上，该能量称为膝关节负功（以下简称负功），负功对膝关节的冲击是膝关节损伤的主要原因之一。

负功是当伸膝过程结束后，膝关节转角减小到零度后无法继续减小，超出部分的能量讲以股骨与胫骨相撞的方式冲击在膝关节上，在人体伸膝过程中超出部分的能量可以通过下式进行计算：

W _超出能量 =W _肌肉力 +m _小腿 *g*H _{重心改变量} -W _{小腿下落所需最小能量}

上式中的W _超出能量 即为负功；由于负功的存在使得人体每次的伸膝运动膝关节都会受到负功的冲击，进而导致长时间运动后膝关节的损伤。

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：如何提供一种能对膝关节伸膝过程中的负功进行有效吸收，进而减轻负功对膝关节的冲击，对膝关节进行有效保护的膝关节负功捕捉外骨骼装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接件和小腿连接件，所述大腿连接件上设有大腿绑缚机构，所述小腿连接件上设有小腿绑缚机构，在所述大腿连接件靠近所述小腿连接件的一端设有大腿连接部，在所述小腿连接件靠近所述大腿连接件的一端设有小腿连接部，在所述小腿连接部上还沿轴向方向设有转动连接轴，所述大腿连接部和所述小腿连接部通过所述转动连接轴进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，在所述转动连接轴上还设有卷簧，且所述卷簧的内端点固定连接在所述转动连接轴上，所述卷簧的外端点固定连接在大腿连接部上，以使得伸膝时所述卷簧被压缩吸收负功，并在屈膝时所述卷簧复位为屈膝提供助力。

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，单向齿轮和过渡齿轮的正向转动方向为伸膝运动时的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。

本发明的工作原理是：本发明的外骨骼装置在使用时，分别通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将该外骨骼装置穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，大腿连接部和小腿连接部之间通过转动连接轴进行转动来适应人体膝关节的运动，在行走过程的伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，此时小腿连接件也将相对大腿连接件向前摆动，小腿连接部将带动转动连接轴相对于大腿连接部向后转动，由于卷簧的内端点是固定连接在转动连接轴上的，故此时卷簧由于转动连接轴的转动而被压缩并储存弹性势能，同时在伸膝过程中，由于卷簧被压缩，故卷簧将对小腿的下落提供阻力，使得W _{小腿下落所需最小能量}

增大，根据负功的计算公式：

W _超出能量 =W _肌肉力 +m _小腿 *g*H _{重心改变量} -W _{小腿下落所需最小能量}

可以知道，当W_{小腿下落所需最小能量}增大时，可以使得作用在膝关节上的负功降低，进而通过卷簧的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节进行保护的目的。

同时，在屈膝时，由于卷簧在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。

综上，本方案利用伸膝时卷簧的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。

优选的，膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括储能飞轮，所述小腿连接部上还固定连接有关节输入齿轮，所述关节输入齿轮与所述储能飞轮之间通过齿轮传动组进行传动连接，以使得伸膝时所述关节输入齿轮能够经所述齿轮传动组带动所述储能飞轮转动进行储能。

这样，当人体在做伸膝运动时，人体小腿将相对大腿向前摆动，此时小腿连接件也将相对大腿连接件向前摆动，小腿连接部将带动关节输入齿轮相对于大腿连接部向后转动，而关节输入齿轮的转动再进一步通过齿轮传动组传递到储能飞轮处，利用储能飞轮对伸膝运动过程中的负功进行进一步的吸收，进一步提高了对膝关节的保护效果。

优选的，膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括安装在所述大腿连接件上的发电组件，所述发电组件包括发电机、以及连接在所述发电机的转轴上的输出齿轮，所述输出齿轮与所述齿轮传动组啮合，以使得所述齿轮传动组能够通过所述输出齿轮带动所述发电机的转轴进行转动发电。

这样，当人体的膝关节在运动过程中，小腿相对大腿运动，小腿连接部也将相对大腿连接部运动，进而使得关节输入齿轮跟随小腿连接部转动，关节输入齿轮跟随小腿连接部转动的同时再进一步通过齿轮传动组传递到发电接的输出齿轮上，使得输出齿轮转动，输出齿轮转动再带动发电机的转轴进行转动发电，由此实现了利用膝关节的运动进行发电的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用，且发电组件的设置对膝关节负功的吸收也具有一定的效果，从而进一步减小负功对膝关节的冲击力。

优选的，所述齿轮传动组为单向持续增速齿轮组，所述单向持续增速齿轮组包括与所述关节输入齿轮啮合的单向齿轮组件、以及与所述单向齿轮组件啮合的飞轮齿轮组件，所述输出齿轮与所述飞轮齿轮组件啮合，且所述单向齿轮组件在伸膝过程中能够将所述关节输入齿轮的动力传递到所述飞轮齿轮组件，并在屈膝过程中断开所述关节输入齿轮与所述飞轮齿轮组件之间的动力传递。

这样，在伸膝过程中，关节输入齿轮将动力传递给单向齿轮组件，单向齿轮组件再进一步将动力传递给飞轮齿轮组件，飞轮齿轮组件再带动输出齿轮转动，输出齿轮再带动发电机进行发电，而在屈膝过程中，关节输入齿轮的动力将不能通过单向齿轮组件传递给飞轮齿轮组件，由此实现关节输入齿轮的单向动力传递的目的。

优选的，所述飞轮齿轮组件包括飞轮齿轮系和飞轮轴，所述飞轮轴转动连接在所述大腿连接件上，且所述储能飞轮固定连接在所述飞轮轴上，以使得所述储能飞轮和所述飞轮轴能够同步转动，所述输出齿轮与所述飞轮齿轮系啮合。

这样，输出齿轮与飞轮齿轮系进行啮合，利用飞轮齿轮系带动输出齿轮转动，同时通过将储能飞轮固定在飞轮轴上，当伸膝运动时，关节输入齿轮的动力通过单向齿轮组件传递到飞轮齿轮组件，飞轮轴转动进而带动储能飞轮转动储能，同时飞轮齿轮系带动输出齿轮转动以使得发电机进行发电；在屈膝运动时，关节输入齿轮的动力将不能通过单向齿轮组件传递到飞轮齿轮组件，此时储能飞轮在惯性的作用持续转动，储能飞轮的转动再带动飞轮轴转动，飞轮轴转动再通过飞轮齿轮系带动输出齿轮转动，故此时仍能实现发电机的持续发电效果，提高了发电能量。

优选的，所述单向齿轮组件包括转动连接在所述大腿连接件上的单向轴，所述单向轴上套设有单向齿轮和连轴齿轮，所述单向齿轮与所述关节输入齿轮啮合，所述单向齿轮通过第一单向轴承连接在所述单向轴上，以使得所述单向齿轮正向转动时能够通过所述第一单向轴承带动所述单向轴转动，且所述单向齿轮反向转动时能够相对所述单向轴自由转动，所述连轴齿轮与所述单向轴固定连接，以使得所述连轴齿轮和所述单向轴能够同步转动。

这样，单向齿轮通过第一单向轴承与单向轴进行连接，使得在伸膝时单向齿轮能够同步带动单向轴转动，进而将关节输入齿轮的动力进一步向下传递给飞轮齿轮组件，而在屈膝时单向齿轮在第一单向轴承的作用下将相对单向轴自由转动，即屈膝运动时单向齿轮反向转动，单向轴将处于静止状态，由此关节输入齿轮的动力就不能进一步向下传递给飞轮齿轮组件，进而实现了关节输入齿轮动力的单向传递效果。

优选的，所述飞轮齿轮系包括过渡齿轮和飞轮齿轮，所述过渡齿轮与所述连轴齿轮啮合，且所述过渡齿轮还通过第二单向轴承连接在所述飞轮轴上，以使得所述过渡齿轮正向转动时能够通过所述第二单向轴承带动所述飞轮轴转动，且所述过渡齿轮反向转动时能够相对所述飞轮轴自由转动，所述飞轮齿轮与所述飞轮轴固定连接，以使得所述飞轮齿轮和所述飞轮轴能够同步转动，所述储能分类固定在所述飞轮齿轮上，且所述输出齿轮与所述飞轮齿轮啮合。

这样，在伸膝运动时，关节输入齿轮的动力通过单向齿轮传递到单向轴，单向轴转动再进一步带动连轴齿轮转动，连轴齿轮转动再带动过渡齿轮正向转动，过渡齿轮正向转动带动飞轮轴正向转动，飞轮轴再进一步带动飞轮齿轮和储能飞轮转动，储能飞轮转动进行能量储存，飞轮齿轮转动再进一步通过输出齿轮带动发电机进行转动发电；在屈膝运动时，关节输入齿轮的动力传递到单向齿轮，在第一单向轴承的作用下，单向齿轮在单向轴上自由转动，单向轴处于静止状态，关节输入齿轮的动力不能通过连轴齿轮进一步进行传递，而此时储能飞轮由于惯性作用持续转动，由于储能飞轮、飞轮齿轮和飞轮轴是处于相互锁定状态，故此时储能飞轮的转动将同步带动飞轮齿轮和飞轮轴的转动，同时此时过渡齿轮与飞轮轴处于相对反向转动的状态，故此时过渡齿轮在第二单向轴承的作用下不会跟随飞轮轴转动，而飞轮齿轮转动时将带动输出齿轮转动，输出齿轮转动再带动发电机的转轴进行转动发电。

综上，本方案在伸膝时将关节输入齿轮的动力依次通过单向齿轮、连轴齿轮、过渡齿轮和飞轮齿轮进行传递，一方面传递到储能飞轮处进行能量储存，另一方面带动与飞轮齿轮啮合的输出齿轮转动以带动发电机进行发电；在屈膝过程中，则利用储能飞轮的惯性持续转动带动发电机同方向转动进行发电，由此就实现了将小腿相对于大腿的低频往复摆动转化为发电机轴的高频单向转动的目的，从而实现发电机的持续发电效果。

优选的，所述关节输入齿轮的半径大于所述单向齿轮的半径，以使得所述单向齿轮能够将所述关节输入齿轮的转速进行放大处理，所述飞轮齿轮的半径大于所述输出齿轮的半径，以使得所述输出齿轮能够将所述飞轮齿轮的转速进行放大处理。

这样，关节输入齿轮的半径大于单向齿轮的半径，使得关节输入齿轮的转速经过单向齿轮放大后进行进一步传递，而飞轮齿轮的半径大于输出齿轮的半径，则将飞轮齿轮的低转速运动转换为输出齿轮的高转速运动，从而使得输出齿轮带动发电机轴高速转动，由此提高发电机的发电能力。

优选的，所述大腿绑缚机构包括分别转动连接在所述大腿连接杆上的大腿第一绑缚件和大腿第二绑缚件，所述第一大腿绑缚件通过第一竖向连接件与所述大腿连接件转动连接，所述第二大腿绑缚件通过第二竖向连接件与所述大腿连接件转动连接，在所述大腿第一绑缚件上设有大腿凹形线槽，在所述大腿第二绑缚件上设有大腿锁紧旋钮，所述大腿锁紧旋钮上设有大腿锁紧线，且通过转动所述大腿锁紧旋钮能够调节所述大腿锁紧线的长度，所述大腿锁紧线还能够卡设在所述大腿凹形线槽内，以使得所述大腿第一绑缚件和所述大腿第二绑缚件之间形成用于容纳人体大腿的空间；

所述小腿绑缚机构包括分别连接在所述小腿连接杆上的小腿第一绑缚件和小腿第二绑缚件，在所述小腿第一绑缚件上设有小腿凹形线槽，在所述小腿第二绑缚件上设有小腿锁紧旋钮，所述小腿锁紧旋钮上设有小腿锁紧线，且通过转动所述小腿锁紧旋钮能够调节所述小腿锁紧线的长度，所述小腿锁紧线还能够卡设在所述小腿凹形线槽内，以使得所述小腿第一绑缚件和所述小腿第二绑缚件之间形成用于容纳人体小腿的空间。

这样，大腿第一绑缚件和大腿第二绑缚件均转动连接在大腿连接件上，这样可以使得大腿第一绑缚件和大腿第二绑缚件更好的与不同人体的大腿腿型相贴合，提高穿戴的舒适性，同时在进行穿戴时，将人体大腿放置在大腿第一绑缚件和大腿第二绑缚件之间的空间，然后将大腿锁紧线卡设在大腿凹形线槽内，此时再调节大腿锁紧旋钮，通过调节大腿锁紧按钮来调节大腿锁紧线的长度，使得大腿锁紧线的长度与穿戴者的大腿尺寸相适应，通过大腿锁紧线长度的调节可以满足不同穿戴者的穿戴需求。

同理，在进行小腿绑缚机构的穿戴时，将人体小腿放置在小腿第一绑缚件和小腿第二绑缚件之间的空间，然后将小腿锁紧线卡设在小腿凹形线槽内，此时再调节小腿锁紧旋钮，通过调节小腿锁紧按钮来调节小腿锁紧线的长度，使得小腿锁紧线的长度与穿戴者的小腿尺寸相适应，通过小腿锁紧线长度的调节可以满足不同穿戴者的穿戴需求。

优选的，所述小腿连接件和所述小腿连接部之间通过第一纵向转动件转动连接；

在所述大腿连接件上还设有腰部锁紧旋钮，所述腰部锁紧旋钮上设有腰部锁紧线，且通过转动所述腰部锁紧旋钮能够调节所述腰部锁紧线的长度；

膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括卡扣，所述卡扣上设有连接孔、以及开口向下的卡槽，所述腰部锁紧线穿过所述卡扣上的连接孔。

这样，小腿连接件和小腿连接部之间通过第一纵向转动件转动连接，使得小腿连接件可以绕额状面法线转动，提升了整个外骨骼装置穿戴的灵活性，同时使不同腿型的人群都能正常穿戴，还也可以避免不规范穿戴对外骨骼转置造成的损坏。

同时，通过设置卡扣和腰部锁紧旋钮，具体使用时，可以将卡扣上的卡槽挂在人体上的腰带或裤包上，然后利用腰部锁紧线来调节卡扣的高度，以满足不同身高人体的使用需求，同时还能防止整个外骨骼装置在行走过程中下滑，保证了外骨骼装置在使用过程中的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明可以有效捕捉膝关节处负功并将其转化为电能。

2.本发明用卷簧的阻尼效果减弱负功对膝关节的冲击，起到了保护膝关节的目的。

3.本发明采用多个具有单向转动效果的齿轮构成齿轮传动组， 。

4.本发明小腿部分可以绕额状面法线转动，提升了外骨骼装置的灵活性，同时使不同腿型的人群都能正常穿戴，也可以避免不规范穿戴对外骨骼装置造成的损坏。

5.本发明结构小巧、重量轻、穿戴方便舒适，适合在户外活动中随身携带，解决了户外移动用电问题，实现电能长时间无限续航，应用于行军作战、抢险救灾、登山探险等户外活动中。

6.本发明不需要刻意花费人力和时间就可以实现电能的补充。

7.本发明还具有一定的屈膝助力效果。

附图说明

图1为本发明膝关节负功捕捉外骨骼装置的结构示意图；

图2为本发明膝关节负功捕捉外骨骼装置另一视角的结构示意图（未显示卡扣、小腿绑缚机构和大腿绑缚机构）；

图3为本发明膝关节负功捕捉外骨骼装置的爆炸示意图（未显示卡扣、小腿绑缚机构和大腿绑缚机构）；

图4为本发明膝关节负功捕捉外骨骼装置中小腿连接件和小腿绑缚机构处的结构示意图；

图5为本发明膝关节负功捕捉外骨骼装置中大腿连接件和大腿绑缚机构处的结构示意图。

附图标记说明：大腿连接件1、小腿连接件2、输出齿轮3、储能飞轮4、关节输入齿轮5、大腿绑缚机构6、大腿第二绑缚件61、大腿第一绑缚件62、大腿锁紧旋钮63、大腿凹形线槽64、第二竖向连接件65、第一竖向连接件66、小腿绑缚机构7、小腿第二绑缚件71、小腿第一绑缚件72、小腿锁紧旋钮73、小腿凹形线槽74、第一纵向转动件8、腰部锁紧旋钮9、腰部锁紧线91、卡扣10、卡槽101、单向齿轮11、连轴齿轮12、过渡齿轮13、飞轮齿轮14、飞轮轴15、发电机16、单向轴17、小腿连接部18、转动连接轴19、大腿连接部20、卷簧21、卷簧盘22。

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3所示，膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接件1和小腿连接件2，大腿连接件1上设有大腿绑缚机构6，小腿连接件2上设有小腿绑缚机构7，在大腿连接件1靠近小腿连接件2的一端设有大腿连接部20，在小腿连接件2靠近大腿连接件1的一端设有小腿连接部18，在小腿连接部18上还沿轴向方向设有转动连接轴19，大腿连接部20和小腿连接部18通过转动连接轴19进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，在转动连接轴19上还设有卷簧21，且卷簧21的内端点固定连接在转动连接轴19上，卷簧21的外端点固定连接在大腿连接部20上，以使得伸膝时卷簧21被压缩吸收负功，并在屈膝时卷簧21复位为屈膝提供助力。具体使用时，卷簧21处还设有卷簧21盘22，以对卷簧21进行限位。

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，单向齿轮和过渡齿轮的正向转动方向为伸膝运动时的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。

本发明的工作原理是：本发明的外骨骼装置在使用时，分别通过大腿绑缚机构6和小腿绑缚机构7将该外骨骼装置穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，大腿连接部20和小腿连接部18之间通过转动连接轴19进行转动来适应人体膝关节的运动，在行走过程的伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，此时小腿连接件2也将相对大腿连接件1向前摆动，小腿连接部18将带动转动连接轴19相对于大腿连接部20向后转动，由于卷簧21的内端点是固定连接在转动连接轴19上的，故此时卷簧21由于转动连接轴19的转动而被压缩并储存弹性势能，同时在伸膝过程中，由于卷簧21被压缩，故卷簧21将对小腿的下落提供阻力，使得W _{小腿下落所需最小能量} 增大，根据负功的计算公式：

W _超出能量 =W _肌肉力 +m _小腿 *g*H _{重心改变量} -W _{小腿下落所需最小能量}

可以知道，当W_{小腿下落所需最小能量}增大时，可以使得作用在膝关节上的负功降低，进而通过卷簧21的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节进行保护的目的。

同时，在屈膝时，由于卷簧21在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧21储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。

综上，本方案利用伸膝时卷簧21的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。

在本实施例中，膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括储能飞轮4，小腿连接部18上还固定连接有关节输入齿轮5，关节输入齿轮5与储能飞轮4之间通过齿轮传动组进行传动连接，以使得伸膝时关节输入齿轮5能够经齿轮传动组带动储能飞轮4转动进行储能。

这样，当人体在做伸膝运动时，人体小腿将相对大腿向前摆动，此时小腿连接件2也将相对大腿连接件1向前摆动，小腿连接部18将带动关节输入齿轮5相对于大腿连接部20向后转动，而关节输入齿轮5的转动再进一步通过齿轮传动组传递到储能飞轮4处，利用储能飞轮4对伸膝运动过程中的负功进行进一步的吸收，进一步提高了对膝关节的保护效果。

在本实施例中，膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括安装在大腿连接件1上的发电组件，发电组件包括发电机16、以及连接在发电机16的转轴上的输出齿轮3，输出齿轮3与齿轮传动组啮合，以使得齿轮传动组能够通过输出齿轮3带动发电机16的转轴进行转动发电。

这样，当人体的膝关节在运动过程中，小腿相对大腿运动，小腿连接部18也将相对大腿连接部20运动，进而使得关节输入齿轮5跟随小腿连接部18转动，关节输入齿轮5跟随小腿连接部18转动的同时再进一步通过齿轮传动组传递到发电接的输出齿轮3上，使得输出齿轮3转动，输出齿轮3转动再带动发电机16的转轴进行转动发电，由此实现了利用膝关节的运动进行发电的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用，且发电组件的设置对膝关节负功的吸收也具有一定的效果，从而进一步减小负功对膝关节的冲击力。

在本实施例中，齿轮传动组为单向持续增速齿轮组，单向持续增速齿轮组包括与关节输入齿轮5啮合的单向齿轮组件、以及与单向齿轮组件啮合的飞轮齿轮组件，输出齿轮3与飞轮齿轮组件啮合，且单向齿轮组件在伸膝过程中能够将关节输入齿轮5的动力传递到飞轮齿轮组件，并在屈膝过程中断开关节输入齿轮5与飞轮齿轮组件之间的动力传递。

这样，在伸膝过程中，关节输入齿轮5将动力传递给单向齿轮组件，单向齿轮组件再进一步将动力传递给飞轮齿轮组件，飞轮齿轮组件再带动输出齿轮3转动，输出齿轮3再带动发电机16进行发电，而在屈膝过程中，关节输入齿轮5的动力将不能通过单向齿轮组件传递给飞轮齿轮组件，由此实现关节输入齿轮5的单向动力传递的目的。

在本实施例中，飞轮齿轮组件包括飞轮齿轮系和飞轮轴15，飞轮轴15转动连接在大腿连接件1上，且储能飞轮4固定连接在飞轮轴15上，以使得储能飞轮4和飞轮轴15能够同步转动，输出齿轮3与飞轮齿轮系啮合。

这样，输出齿轮3与飞轮齿轮系进行啮合，利用飞轮齿轮系带动输出齿轮3转动，同时通过将储能飞轮4固定在飞轮轴15上，当伸膝运动时，关节输入齿轮5的动力通过单向齿轮组件传递到飞轮齿轮组件，飞轮轴15转动进而带动储能飞轮4转动储能，同时飞轮齿轮系带动输出齿轮3转动以使得发电机16进行发电；在屈膝运动时，关节输入齿轮5的动力将不能通过单向齿轮组件传递到飞轮齿轮组件，此时储能飞轮4在惯性的作用持续转动，储能飞轮4的转动再带动飞轮轴15转动，飞轮轴15转动再通过飞轮齿轮系带动输出齿轮3转动，故此时仍能实现发电机16的持续发电效果，提高了发电能量。

在本实施例中，单向齿轮组件包括转动连接在大腿连接件1上的单向轴17，单向轴17上套设有单向齿轮11和连轴齿轮12，单向齿轮11与关节输入齿轮5啮合，单向齿轮11通过第一单向轴承连接在单向轴17上，以使得单向齿轮11正向转动时能够通过第一单向轴承带动单向轴17转动，且单向齿轮11反向转动时能够相对单向轴17自由转动，连轴齿轮12与单向轴17固定连接，以使得连轴齿轮12和单向轴17能够同步转动。

这样，单向齿轮11通过第一单向轴承与单向轴17进行连接，使得在伸膝时单向齿轮11能够同步带动单向轴17转动，进而将关节输入齿轮5的动力进一步向下传递给飞轮齿轮14组件，而在屈膝时单向齿轮11在第一单向轴承的作用下将相对单向轴17自由转动，即屈膝运动时单向齿轮11反向转动，单向轴17将处于静止状态，由此关节输入齿轮5的动力就不能进一步向下传递给飞轮齿轮组件，进而实现了关节输入齿轮5动力的单向传递效果。

在本实施例中，飞轮齿轮14系包括过渡齿轮13和飞轮齿轮14，过渡齿轮13与连轴齿轮12啮合，且过渡齿轮13还通过第二单向轴承连接在飞轮轴15上，以使得过渡齿轮13正向转动时能够通过第二单向轴承带动飞轮轴15转动，且过渡齿轮13反向转动时能够相对飞轮轴15自由转动，飞轮齿轮14与飞轮轴15固定连接，以使得飞轮齿轮14和飞轮轴15能够同步转动，储能分类固定在飞轮齿轮14上，且输出齿轮3与飞轮齿轮14啮合。

这样，在伸膝运动时，关节输入齿轮5的动力通过单向齿轮11传递到单向轴17，单向轴17转动再进一步带动连轴齿轮12转动，连轴齿轮12转动再带动过渡齿轮13正向转动，过渡齿轮13正向转动带动飞轮轴15正向转动，飞轮轴15再进一步带动飞轮齿轮14和储能飞轮4转动，储能飞轮4转动进行能量储存，飞轮齿轮14转动再进一步通过输出齿轮3带动发电机16进行转动发电；在屈膝运动时，关节输入齿轮5的动力传递到单向齿轮11，在第一单向轴承的作用下，单向齿轮11在单向轴17上自由转动，单向轴17处于静止状态，关节输入齿轮5的动力不能通过连轴齿轮12进一步进行传递，而此时储能飞轮4由于惯性作用持续转动，由于储能飞轮4、飞轮齿轮14和飞轮轴15是处于相互锁定状态，故此时储能飞轮4的转动将同步带动飞轮齿轮14和飞轮轴15的转动，同时此时过渡齿轮13与飞轮轴15处于相对反向转动的状态，故此时过渡齿轮13在第二单向轴承的作用下不会跟随飞轮轴15转动，而飞轮齿轮14转动时将带动输出齿轮3转动，输出齿轮3转动再带动发电机16的转轴进行转动发电。

综上，本方案在伸膝时将关节输入齿轮5的动力依次通过单向齿轮11、连轴齿轮12、过渡齿轮13和飞轮齿轮14进行传递，一方面传递到储能飞轮4处进行能量储存，另一方面带动与飞轮齿轮14啮合的输出齿轮3转动以带动发电机16进行发电；在屈膝过程中，则利用储能飞轮4的惯性持续转动带动发电机16同方向转动进行发电，由此就实现了将小腿相对于大腿的低频往复摆动转化为发电机16轴的高频单向转动的目的，从而实现发电机16的持续发电效果。

在本实施例中，关节输入齿轮5的半径大于单向齿轮11的半径，以使得单向齿轮11能够将关节输入齿轮5的转速进行放大处理，飞轮齿轮14的半径大于输出齿轮3的半径，以使得输出齿轮3能够将飞轮齿轮14的转速进行放大处理。

这样，关节输入齿轮5的半径大于单向齿轮11的半径，使得关节输入齿轮5的转速经过单向齿轮11放大后进行进一步传递，而飞轮齿轮14的半径大于输出齿轮3的半径，则将飞轮齿轮14的低转速运动转换为输出齿轮3的高转速运动，从而使得输出齿轮3带动发电机16轴高速转动，由此提高发电机16的发电能力。

如附图4和附图5所示，在本实施例中，大腿绑缚机构6包括分别转动连接在大腿连接杆上的大腿第一绑缚件62和大腿第二绑缚件61，第一大腿绑缚件通过第一竖向连接件66与大腿连接件1转动连接，第二大腿绑缚件通过第二竖向连接件65与大腿连接件1转动连接，在大腿第一绑缚件62上设有大腿凹形线槽64，在大腿第二绑缚件61上设有大腿锁紧旋钮63，大腿锁紧旋钮63上设有大腿锁紧线，且通过转动大腿锁紧旋钮63能够调节大腿锁紧线的长度，大腿锁紧线还能够卡设在大腿凹形线槽64内，以使得大腿第一绑缚件62和大腿第二绑缚件61之间形成用于容纳人体大腿的空间；具体的，大腿第一绑缚件62和大腿第二绑缚件61均采用tpu72D柔性材料加工而成；一方面能够更贴合人体腿型，另一方面也能减轻重量。

小腿绑缚机构7包括分别连接在小腿连接杆上的小腿第一绑缚件72和小腿第二绑缚件71，在小腿第一绑缚件72上设有小腿凹形线槽74，在小腿第二绑缚件71上设有小腿锁紧旋钮73，小腿锁紧旋钮73上设有小腿锁紧线，且通过转动小腿锁紧旋钮73能够调节小腿锁紧线的长度，小腿锁紧线还能够卡设在小腿凹形线槽74内，以使得小腿第一绑缚件72和小腿第二绑缚件71之间形成用于容纳人体小腿的空间；具体的，小腿第一绑缚件72和小腿第二绑缚件71均采用tpu95A柔性材料加工，一方面能够更贴合人体腿型，另一方面也能减轻重量。

这样，大腿第一绑缚件62和大腿第二绑缚件61均转动连接在大腿连接件1上，这样可以使得大腿第一绑缚件62和大腿第二绑缚件61更好的与不同人体的大腿腿型相贴合，提高穿戴的舒适性，同时在进行穿戴时，将人体大腿放置在大腿第一绑缚件62和大腿第二绑缚件61之间的空间，然后将大腿锁紧线卡设在大腿凹形线槽64内，此时再调节大腿锁紧旋钮63，通过调节大腿锁紧按钮来调节大腿锁紧线的长度，使得大腿锁紧线的长度与穿戴者的大腿尺寸相适应，通过大腿锁紧线长度的调节可以满足不同穿戴者的穿戴需求。

同理，在进行小腿绑缚机构7的穿戴时，将人体小腿放置在小腿第一绑缚件72和小腿第二绑缚件71之间的空间，然后将小腿锁紧线卡设在小腿凹形线槽74内，此时再调节小腿锁紧旋钮73，通过调节小腿锁紧按钮来调节小腿锁紧线的长度，使得小腿锁紧线的长度与穿戴者的小腿尺寸相适应，通过小腿锁紧线长度的调节可以满足不同穿戴者的穿戴需求。

在本实施例中，小腿连接件2和小腿连接部18之间通过第一纵向转动件8转动连接；

在大腿连接件1上还设有腰部锁紧旋钮9，腰部锁紧旋钮9上设有腰部锁紧线91，且通过转动腰部锁紧旋钮9能够调节腰部锁紧线91的长度；

膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括卡扣10，卡扣10上设有连接孔、以及开口向下的卡槽101，腰部锁紧线91穿过卡扣10上的连接孔，具体使用时，还可以在卡扣10上安装电路箱，电路箱内设置充电锂电池、三相整流桥电路、12v固定输出降压模块、0-24v可调降压模块、usb接口母头等，将发电机16发出的电能输送到电路箱内，以向充电锂电池进行充电或通过usb接口母头对用电设备或充电设备进行充电，电路箱内涉及的电路和模块均属于现有技术，故在本方案中不再详细赘述。

这样，小腿连接件2和小腿连接部18之间通过第一纵向转动件8转动连接，使得小腿连接件2可以绕额状面法线转动，提升了整个外骨骼装置穿戴的灵活性，同时使不同腿型的人群都能正常穿戴，还也可以避免不规范穿戴对外骨骼转置造成的损坏。

同时，通过设置卡扣10和腰部锁紧旋钮9，具体使用时，可以将卡扣10上的卡槽101挂在人体上的腰带或裤包上，然后利用腰部锁紧线91来调节卡扣10的高度，以满足不同身高人体的使用需求，同时还能防止整个外骨骼装置在行走过程中下滑，保证了外骨骼装置在使用过程中的稳定性。

在本实施例中，卷簧21采用可拆卸的方式进行安装，以方便后期的维护和更换，同时，通过对卷簧21进行不同程度的预紧可以使得卷簧21伸膝过程中储存不同大小的能量，以保证不同使用情况下的负功捕捉效果，同时还可以使得卷簧21在屈膝过程中释放不同大小的能量，以适应不同身高体重的人群的助力需求。

本方案完整的工作原理为：

在行走过程的伸膝环节，小腿相对大腿向前摆动，带动小腿连接部18与转动连接轴19以及与转动关节轴锁定的关节输入齿轮5相对于大腿连接部20向后转动，此时卷簧21收缩储存弹性势能，关节输入齿轮5带动单向齿轮11正向转动，此转动方向为第一单向轴承与单向轴17锁定的转动方向，单向轴17跟随单向齿轮11转动，同时连轴齿轮12转动，带动过渡齿轮13转动，过渡齿轮13中的第二单向轴承也处于与飞轮轴15锁定的转动方向，进而带动飞轮轴15、飞轮齿轮14、储能飞轮4转动，储能飞轮4有较大的转动惯量，在这个过程中存储较大的转动动能，同时输出齿轮3在飞轮齿轮14的带动下转动，发电机16输出电能，此过程中发电机16、卷簧21具有阻尼效果，用以减弱膝关节所受到的冲击，起到保护膝关节的作用。

在行走过程的屈膝环节，小腿相对大腿向后摆动，带动小腿连接部18与转动连接轴19以及与转动连接轴19锁定的关节输入齿轮5相对于大腿连接部20向前转动，卷簧21中所储存的弹性势能释放，对屈膝进行助力，关节输入齿轮5带动单向齿轮11转动，此转动方向为第一单向轴承与单向轴17分离的转动方向，单向轴17与连轴齿轮12不被带动，因此对飞轮齿轮14组件没有输入，此时储能飞轮4中的转动动能释放，储能飞轮4在惯性作用下带动飞轮轴15和飞轮齿轮14继续向伸膝过程的方向转动，输出齿轮3在飞轮齿轮14的带动下持续转动，发电机16持续输出电能。

此过程中能量转化关系为：

负功被转化为：卷簧21的弹性势能、发电机16的电能、储能飞轮4的转动动能以及能量传递过程中的损耗；

卷簧21的弹性势能用于在屈膝阶段辅助屈膝；

发电机16的电能用于对外输出；

储能飞轮4的转动动能用于带动发电机16持续转动输出电能。

关于卷簧21的预紧：卷簧21的转过角度与弹性势能为二次函数关系，预紧量越大，转动相同角度的弹性势能增量越大。

下面对该外骨骼装置的发电能力进行测试：

测试者身高170cm，体重80kg，测试中的电流电压均为测量的平均值，功率为电压和电流的计算值，测量值与计算值均保留一位小数，发电机使用的是无刷永磁外转子发电机，其输出为三相交流电，在3000r/min时达最大功率50kW，得到的实验数据如下表所示：

根据上述表格数据可以知道，随着人体行走速度的加大，其输出的电压和电流也随之增大。

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 (10)

1.膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，包括大腿连接件和小腿连接件，所述大腿连接件上设有大腿绑缚机构，所述小腿连接件上设有小腿绑缚机构，在所述大腿连接件靠近所述小腿连接件的一端设有大腿连接部，在所述小腿连接件靠近所述大腿连接件的一端设有小腿连接部，在所述小腿连接部上还沿轴向方向设有转动连接轴，所述大腿连接部和所述小腿连接部通过所述转动连接轴进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，在所述转动连接轴上还设有卷簧，且所述卷簧的内端点固定连接在所述转动连接轴上，所述卷簧的外端点固定连接在大腿连接部上，以使得伸膝时所述卷簧被压缩吸收负功，并在屈膝时所述卷簧复位为屈膝提供助力。

2.根据权利要求1所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括储能飞轮，所述小腿连接部上还固定连接有关节输入齿轮，所述关节输入齿轮与所述储能飞轮之间通过齿轮传动组进行传动连接，以使得伸膝时所述关节输入齿轮能够经所述齿轮传动组带动所述储能飞轮转动进行储能。

3.根据权利要求2所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括安装在所述大腿连接件上的发电组件，所述发电组件包括发电机、以及连接在所述发电机的转轴上的输出齿轮，所述输出齿轮与所述齿轮传动组啮合，以使得所述齿轮传动组能够通过所述输出齿轮带动所述发电机的转轴进行转动发电。

4.根据权利要求3所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述齿轮传动组为单向持续增速齿轮组，所述单向持续增速齿轮组包括与所述关节输入齿轮啮合的单向齿轮组件、以及与所述单向齿轮组件啮合的飞轮齿轮组件，所述输出齿轮与所述飞轮齿轮组件啮合，且所述单向齿轮组件在伸膝过程中能够将所述关节输入齿轮的动力传递到所述飞轮齿轮组件，并在屈膝过程中断开所述关节输入齿轮与所述飞轮齿轮组件之间的动力传递。

5.根据权利要求4所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述飞轮齿轮组件包括飞轮齿轮系和飞轮轴，所述飞轮轴转动连接在所述大腿连接件上，且所述储能飞轮固定连接在所述飞轮轴上，以使得所述储能飞轮和所述飞轮轴能够同步转动，所述输出齿轮与所述飞轮齿轮系啮合。

6.根据权利要求5所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述单向齿轮组件包括转动连接在所述大腿连接件上的单向轴，所述单向轴上套设有单向齿轮和连轴齿轮，所述单向齿轮与所述关节输入齿轮啮合，所述单向齿轮通过第一单向轴承连接在所述单向轴上，以使得所述单向齿轮正向转动时能够通过所述第一单向轴承带动所述单向轴转动，且所述单向齿轮反向转动时能够相对所述单向轴自由转动，所述连轴齿轮与所述单向轴固定连接，以使得所述连轴齿轮和所述单向轴能够同步转动。

7.根据权利要求6所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述飞轮齿轮系包括过渡齿轮和飞轮齿轮，所述过渡齿轮与所述连轴齿轮啮合，且所述过渡齿轮还通过第二单向轴承连接在所述飞轮轴上，以使得所述过渡齿轮正向转动时能够通过所述第二单向轴承带动所述飞轮轴转动，且所述过渡齿轮反向转动时能够相对所述飞轮轴自由转动，所述飞轮齿轮与所述飞轮轴固定连接，以使得所述飞轮齿轮和所述飞轮轴能够同步转动，所述储能分类固定在所述飞轮齿轮上，且所述输出齿轮与所述飞轮齿轮啮合。

8.根据权利要求7所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述关节输入齿轮的半径大于所述单向齿轮的半径，以使得所述单向齿轮能够将所述关节输入齿轮的转速进行放大处理，所述飞轮齿轮的半径大于所述输出齿轮的半径，以使得所述输出齿轮能够将所述飞轮齿轮的转速进行放大处理。

9.根据权利要求1所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述大腿绑缚机构包括分别转动连接在所述大腿连接杆上的大腿第一绑缚件和大腿第二绑缚件，所述第一大腿绑缚件通过第一竖向连接件与所述大腿连接件转动连接，所述第二大腿绑缚件通过第二竖向连接件与所述大腿连接件转动连接，在所述大腿第一绑缚件上设有大腿凹形线槽，在所述大腿第二绑缚件上设有大腿锁紧旋钮，所述大腿锁紧旋钮上设有大腿锁紧线，且通过转动所述大腿锁紧旋钮能够调节所述大腿锁紧线的长度，所述大腿锁紧线还能够卡设在所述大腿凹形线槽内，以使得所述大腿第一绑缚件和所述大腿第二绑缚件之间形成用于容纳人体大腿的空间；

所述小腿绑缚机构包括分别连接在所述小腿连接杆上的小腿第一绑缚件和小腿第二绑缚件，在所述小腿第一绑缚件上设有小腿凹形线槽，在所述小腿第二绑缚件上设有小腿锁紧旋钮，所述小腿锁紧旋钮上设有小腿锁紧线，且通过转动所述小腿锁紧旋钮能够调节所述小腿锁紧线的长度，所述小腿锁紧线还能够卡设在所述小腿凹形线槽内，以使得所述小腿第一绑缚件和所述小腿第二绑缚件之间形成用于容纳人体小腿的空间。

10.根据权利要求1所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述小腿连接件和所述小腿连接部之间通过第一纵向转动件转动连接；

在所述大腿连接件上还设有腰部锁紧旋钮，所述腰部锁紧旋钮上设有腰部锁紧线，且通过转动所述腰部锁紧旋钮能够调节所述腰部锁紧线的长度；

膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括卡扣，所述卡扣上设有连接孔、以及开口向下的卡槽，所述腰部锁紧线穿过所述卡扣上的连接孔。

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