CN113681546B - 一种滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接板和小腿连接杆，大腿连接板通过大腿绑缚机构与人体大腿进行连接，小腿连接杆通过小腿绑缚机构与人体小腿进行连接；在小腿连接杆靠近大腿连接板的一端设有膝关节拉线盘，膝关节拉线盘与大腿连接板通过第一轴向转动件进行转动连接，在大腿连接板上设有负功捕捉组件，负功捕捉组件包括卷簧，膝关节拉线盘与卷簧之间通过滑轮组件进行连接，以使得所述膝关节拉线盘在伸膝时能够通过滑轮组件带动卷簧压缩储存能量，并在屈膝时卷簧能够复位助力。本方案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

一种滑轮线驱动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，具体涉及一种滑轮线驱动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滑轮线驱动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：

一种滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接板和小腿连接杆，所述大腿连接板通过大腿绑缚机构与人体大腿进行连接，所述小腿连接杆通过小腿绑缚机构与人体小腿进行连接；

在所述小腿连接杆靠近所述大腿连接板的一端设有膝关节拉线盘，所述膝关节拉线盘与所述大腿连接板通过第一轴向转动件进行转动连接，以与人体膝关节的伸膝和屈膝运动相适应；

在所述大腿连接板上设有负功捕捉组件，所述负功捕捉组件包括卷簧，所述膝关节拉线盘与所述卷簧之间通过滑轮组件进行连接，以使得所述膝关节拉线盘在伸膝时能够通过所述滑轮组件带动所述卷簧压缩储存能量，并在屈膝时所述卷簧能够复位助力。

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，且本方案中各零件的正向转动方向均为伸膝运动时各零件对应的转动方向，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，先分别通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将该外骨骼穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，膝关节拉线盘和大腿连接板之间通过第一轴向转动件进行转动连接来适应人体膝关节的运动。

在伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，人体小腿带动小腿连接杆和膝关节拉线盘向前摆动，此时膝关节拉线盘将相对大腿连接板向后转动，膝关节拉线盘转动将通过滑轮组件带动卷簧压缩并储存能量，因此在伸膝过程中，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W _超出能量 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，人体小腿将相对大腿向后摆动，人体小腿带动小腿连接杆和膝关节拉线盘向后摆动，此时膝关节拉线盘将相对大腿连接板向前转动，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，本方案利用在伸膝时利用卷簧的压缩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利用卷簧的复位为膝关节的屈膝运动提供助力。

优选的，所述负功捕捉组件还包括沿轴向设置的中心主轴，所述卷簧套设在所述中心主轴上，在所述卷簧外侧还设有卷簧内壳，所述卷簧内壳连接在所述大腿连接板上，所述卷簧的内端点连接在所述中心主轴上，所述卷簧的外端点连接在所述卷簧内壳上，所述滑轮组件用于与所述中心主轴连接，以使得所述滑轮组件在伸膝时能够带动所述中心主轴正向转动，并在屈膝时能够带动所述中心主轴反向转动。

这样，在伸膝过程中，膝关节拉线盘相对大腿连接板向后转动，膝关节拉线盘转动通过滑轮组件带动中心主轴正向转动，中心主轴正向转动带动卷簧的内端点转动，使得卷簧被压缩以对膝关节的负功进行吸收；在屈膝时，膝关节拉线盘相对大腿连接板向前转动，膝关节拉线盘转动通过滑轮组件带动中心主轴反向转动，同时卷簧复位回弹进一步带动中心主轴反向转动，从而为膝关节的屈膝运动提供助力。

优选的，所述滑轮组件包括第一绳索、第二绳索、以及沿竖向设置的轨道支柱，在所述轨道支柱上沿竖向方向开设有滑动槽，在所述滑动槽处滑动连接有动滑轮组，以使得所述动滑轮组能够沿所述滑动槽竖向滑动，在所述轨道支柱的竖向两侧还分别设有第一定滑轮组和第二定滑轮组，所述动滑轮组包括动滑轮和动滑轮支柱，所述第一定滑轮组包括第一定滑轮和第一支柱，所述第二定滑轮组包括第二定滑轮和第二支柱，所述第一绳索的一端与所述第一支柱连接，所述第一绳索的另一端跨越所述动滑轮后用于与所述中心主轴连接，所述第二绳索的一端与所述膝关节拉线盘连接，所述第二绳索的另一端跨越所述动滑轮支柱后与所述第二支柱连接。

这样，行走过程的伸膝运动中，人体小腿将相对大腿向前摆动，膝关节拉线盘相对大腿连接板向后转动，膝关节拉线盘通过第二绳索带动动滑轮沿滑动槽向下滑动，动滑轮沿滑动槽向下滑动使得第一绳索的对应位置同步向下移动，从而使得第一绳索进一步带动中心主轴正向转动，中心主轴正向转动使得卷簧收缩储存弹性势能，以实现对膝关节负功的吸收；在行走过程的屈膝运动中，人体小腿将相对大腿向后摆动，膝关节拉线盘相对大腿连接板向前转动，此时卷簧复位带动中心主轴反向转动，中心主轴反向转动再进一步经第一绳索带动动滑轮沿滑动槽向上移动，动滑轮向上移动将进一步通过第二绳索带动膝关节拉线盘相对大腿连接板向外转动，从而起到对膝关节屈膝动作的助力效果。另外，动滑轮在使用过程中还起到对第一绳索和第二绳索的行程进行加倍的效果，从而提高对膝关节负功的吸收效果和对屈膝动作时的助力效果。

优选的，在所述中心主轴上还设有绕线槽轮，且所述绕线槽轮位于所述大腿连接板和所述卷簧内壳之间，在所述绕线槽轮上开设有绕线槽，所述第一绳索远离其连接所述第一支柱的一端与所述绕线槽轮连接并缠绕在所述绕线槽上。

这样，通过设置绕线槽轮，并将中心主轴与绕线槽轮进行连接，同时第一绳索连接在绕线槽轮上并缠绕在绕线槽上，这样在伸膝时，膝关节拉线盘通过第二绳索带动动滑轮向下移动，动滑轮再带动第一绳索向下移动并通过第一绳索带动绕线槽轮转动，绕线槽轮转动再进一步带动中心主轴转动，中心主轴转动再带动卷簧压缩储存弹性势能，实现对膝关节负功的吸收效果；在屈膝时，卷簧复位带动中心主轴反向转动，中心主轴再带动绕线槽轮反向转动，此时第一绳索将不断缠绕在绕线槽上，同时通过第一绳索带动动滑轮向上移动，动滑轮向上移动再进一步通过第二绳索带动膝关节拉线盘绕大腿连接板向前移动，由此实现对膝关节屈膝运动的助力作用。

优选的，滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置还包括发电组件，所述发电组件包括发电机，所述发电机的转轴上设有发电齿轮，所述中心主轴上还设有卷簧齿轮，在所述发电齿轮和所述卷簧齿轮之间设有过渡齿轮，所述过渡齿轮同时与所述发电齿轮和所述卷簧齿轮啮合，以使得所述卷簧齿轮转动时能够通过所述过渡齿轮带动所述发电齿轮转动。

这样，通过设置发电组件，在行走过程的伸膝运动中，人体小腿将相对大腿向前摆动，膝关节拉线盘相对大腿连接板向后转动，膝关节拉线盘通过第二绳索带动动滑轮沿滑动槽向下滑动，动滑轮沿滑动槽向下滑动使得第一绳索的对应位置同步向下移动，从而使得第一绳索进一步带动绕线槽轮转动，绕线槽轮转动再进一步带动中心主轴转动正向转动，中心主轴正向转动使得卷簧收缩储存弹性势能，同时中心主轴正向转动还将同步带动卷簧齿轮正向转动，卷簧齿轮正向转动再进一步通过过渡齿轮带动发电齿轮正向转动，发电齿轮正向转动再进一步带动发电机的转轴转动，发电机发出电能，在此过程中发电机和卷簧对膝关节的伸膝运动都具有阻尼的作用，从而可以进一步减弱膝关节所受到的冲击，起到对膝关节的保护作用。

在行走过程的屈膝运动中，人体小腿将相对大腿向后摆动，膝关节拉线盘相对大腿连接板向前转动，此时卷簧复位带动中心主轴反向转动，中心主轴再带动绕线槽轮反向转动，此时第一绳索将不断缠绕在绕线槽上，同时通过第一绳索带动动滑轮向上移动，动滑轮向上移动再进一步通过第二绳索带动膝关节拉线盘绕大腿连接板向前移动，由此实现对膝关节屈膝运动的助力作用，同时，卷簧复位带动中心主轴反向转动，中心主轴也将带动卷簧齿轮反向转动，卷簧齿轮反向转动再进一步通过过渡齿轮带动发电齿轮反向转动，发电齿轮反向转轴再带动发电机的转轴转动，发电机输出电能，由此在屈膝过程中即实现了对屈膝运动的助力，也实现了发电机的发电效果。

优选的，在所述大腿连接板上还设有卷簧外壳，所述发电机安装在所述卷簧外壳上，且所述发电机和所述发电齿轮分别位于所述卷簧外壳的轴向两侧。

优选的，在所述卷簧外壳上安装有两组发电组件，两组所述发电组件沿纵向方向对称设置在所述中心转轴的两侧，且所述中心转轴与两侧所述发电组件形成的夹角为55-65°。

这样，通过设置两组发电组件，可以利用两组发电组件同时进行发电，提高发电效能。

优选的，所述小腿连接杆包括上连接杆和下连接杆，所述上连接杆的一端与所述膝关节拉线盘铰接，所述上连接杆远离其连接所述膝关节拉线盘的一端沿其长度方向开设有调节槽，所述下连接杆靠近所述上连接杆的一端滑动伸入所述调节槽内，且所述下连接杆上沿其长度方向还开设有调节孔，在所述下连接杆伸入所述调节槽的位置还套设有锁紧套，所述锁紧套处设有锁紧螺钉，所述下连接杆伸入所述调节槽的位置通过所述锁紧螺钉与所述上连接杆连接。

这样，当不同的使用者在穿戴该外骨骼时，调节下连接杆伸入调节槽内的长度，当将上连接杆和下连接杆调节到合适的长度时，利用锁紧螺钉和锁紧套将上连接杆和下连接杆的对应位置进行连接，以此实现对小腿连接杆整体长度的调节，从而更好的满足不同使用者的穿戴需求，提高穿戴舒适性。

优选的，在所述下连接杆远离其连接所述上连接杆的一端设有小腿固定环座，在所述小腿固定环座的纵向两侧还分别转动连接有小腿固定环。

这样，在具体使用时，在两个小腿固定环上还可以设置小腿绑缚带，这样可以将小腿绑缚带、小腿固定环和小腿固定环座之间形成用于容纳人体小腿的空间，从而实现将外骨骼穿戴在人体小腿的目的；同时小腿绑缚带可以为方便长度调节的结构形式，以与不同使用者的小腿尺寸相适应，提高外骨骼穿戴的舒适性。

优选的，所述小腿连接杆与所述膝关节拉线盘之间通过第一纵向转动件进行铰接。

这样，小腿连接杆与膝关节拉线盘之间通过第一纵向转动件进行铰接，使得小腿部分可以绕额状面法线转动，从而提升了该外骨骼装置的灵活性，同时使得不同腿型的人群都能正常穿戴，也可以避免不规范穿戴对该外骨骼造成的损坏。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本方案的外骨骼装置在使用过程中，能够对膝关节处的负功进行有效捕捉，并将捕捉的负功转化为卷簧的弹性势能、发电机的电能以及能量传递传动过程中的损耗，利用发电机和卷簧的阻尼作用削弱膝关节所受到的冲击，对膝关节的负功进行吸收，由此减轻了负功对膝关节的冲击，实现了膝关节的有效保护。

2、本方案利用膝关节的运动带动发电机进行发电，发出的电可用于外部充电设备和用电设备的使用，不需要额外耗费人力和时间对用电设备的电量进行补充，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。

3、本方案通过滑轮组件的特性，实现将膝关节的往复间歇性低频反复屈伸运动转化为发电机持续的高频转动的效果。

4、本方案通过卷簧周期性收缩与释放实现对膝关节负功的阻尼效果以及对屈膝运动时的助力效果。

5、本方案通过将小腿连接杆与膝关节拉线盘之间进行转动连接，使小腿部分可以绕额状面法线转动，由此提升了外骨骼装置的灵活性，同时使得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。

附图说明

图1为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置的结构示意图；

图2为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置的局部爆炸示意图（未示出小腿连接杆部分）

图3为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置中轨道支柱处的结构示意图；

图4为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置轨道支柱处去除上支柱时的结构示意图；

图5为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置中第一绳索和第二绳索的连接示意图；

图6为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置中小腿连接杆处的结构示意图；

图7为本发明滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置中小腿连接杆处的局部爆炸示意图。

附图标记说明：大腿连接板1、小腿连接杆2、上连接杆21、调节槽211、下连接杆22、调节孔221、锁紧螺钉23、小腿固定环座24、小腿固定环25、锁紧套26、膝关节拉线盘3、第一纵向转动件4、第一轴向转动件5、轨道支柱6、滑动槽61、上支柱62、第一定滑轮63、动滑轮64、第二定滑轮65、下支柱66、第一支柱67、动滑轮支柱68、第二支柱69、卷簧齿轮7、过渡齿轮8、发电齿轮9、中心主轴10、卷簧11、卷簧内壳12、卷簧外壳13、发电机14、绕线槽轮15、第一绳索16、第二绳索17。

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和附图2所示，一种滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接板1和小腿连接杆2，大腿连接板1通过大腿绑缚机构与人体大腿进行连接，小腿连接杆2通过小腿绑缚机构与人体小腿进行连接；

在小腿连接杆2靠近大腿连接板1的一端设有膝关节拉线盘3，膝关节拉线盘3与大腿连接板1通过第一轴向转动件5进行转动连接，以与人体膝关节的伸膝和屈膝运动相适应；

在大腿连接板1上设有负功捕捉组件，负功捕捉组件包括卷簧11，膝关节拉线盘3与卷簧11之间通过滑轮组件进行连接，以使得膝关节拉线盘3在伸膝时能够通过滑轮组件带动卷簧11压缩储存能量，并在屈膝时卷簧11能够复位助力。

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，且本方案中各零件的正向转动方向均为伸膝运动时各零件对应的转动方向，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，先分别通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将该外骨骼穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，膝关节拉线盘3和大腿连接板1之间通过第一轴向转动件5进行转动连接来适应人体膝关节的运动。

在伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，人体小腿带动小腿连接杆2和膝关节拉线盘3向前摆动，此时膝关节拉线盘3将相对大腿连接板1向后转动，膝关节拉线盘3转动将通过滑轮组件带动卷簧11压缩并储存能量，因此在伸膝过程中，由于卷簧11被压缩，故卷簧11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W _超出能量 降低，进而通过卷簧11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，人体小腿将相对大腿向后摆动，人体小腿带动小腿连接杆2和膝关节拉线盘3向后摆动，此时膝关节拉线盘3将相对大腿连接板1向前转动，由于卷簧11在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧11储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。

综上，本方案利用在伸膝时利用卷簧11的压缩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利用卷簧11的复位为膝关节的屈膝运动提供助力。

在本实施例中，负功捕捉组件还包括沿轴向设置的中心主轴10，卷簧11套设在中心主轴10上，在卷簧11外侧还设有卷簧内壳12，卷簧内壳12连接在大腿连接板1上，卷簧11的内端点连接在中心主轴10上，卷簧11的外端点连接在卷簧内壳12上，滑轮组件用于与中心主轴10连接，以使得滑轮组件在伸膝时能够带动中心主轴10正向转动，并在屈膝时能够带动中心主轴10反向转动。

这样，在伸膝过程中，膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向后转动，膝关节拉线盘3转动通过滑轮组件带动中心主轴10正向转动，中心主轴10正向转动带动卷簧11的内端点转动，使得卷簧11被压缩以对膝关节的负功进行吸收；在屈膝时，膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向前转动，膝关节拉线盘3转动通过滑轮组件带动中心主轴10反向转动，同时卷簧11复位回弹进一步带动中心主轴10反向转动，从而为膝关节的屈膝运动提供助力。

如附图3到附图5所示，在本实施例中，滑轮组件包括第一绳索16、第二绳索17、以及沿竖向设置的轨道支柱6，在轨道支柱6上沿竖向方向开设有滑动槽61，在滑动槽61处滑动连接有动滑轮64组，以使得动滑轮64组能够沿滑动槽61竖向滑动，在轨道支柱6的竖向两侧还分别设有第一定滑轮组和第二定滑轮组，动滑轮组包括动滑轮64和动滑轮64支柱68，第一定滑轮组包括第一定滑轮63和第一支柱67，第二定滑轮组包括第二定滑轮65和第二支柱69，第一绳索16的一端与第一支柱67连接，第一绳索16的另一端跨越动滑轮64后用于与中心主轴10连接，第二绳索17的一端与膝关节拉线盘3连接，第二绳索17的另一端跨越动滑轮支柱68后与第二支柱69连接。具体的，在膝关节拉线盘3上设有线槽和线勾，第二绳索17与膝关节拉线盘3连接的一端固定在线勾上。且第一绳索16和第二绳索17均采用尼龙绳。轨道支柱6包括上支柱62和下支柱66，其中滑轮组件设置在上支柱62和下支柱66之间。

这样，行走过程的伸膝运动中，人体小腿将相对大腿向前摆动，膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向后转动，膝关节拉线盘3通过第二绳索17带动动滑轮64沿滑动槽61向下滑动，动滑轮64沿滑动槽61向下滑动使得第一绳索16的对应位置同步向下移动，从而使得第一绳索16进一步带动中心主轴10正向转动，中心主轴10正向转动使得卷簧11收缩储存弹性势能，以实现对膝关节负功的吸收；在行走过程的屈膝运动中，人体小腿将相对大腿向后摆动，膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向前转动，此时卷簧11复位带动中心主轴10反向转动，中心主轴10反向转动再进一步经第一绳索16带动动滑轮64沿滑动槽61向上移动，动滑轮64向上移动将进一步通过第二绳索17带动膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向外转动，从而起到对膝关节屈膝动作的助力效果。另外，动滑轮64在使用过程中还起到对第一绳索16和第二绳索17的行程进行加倍的效果，从而提高对膝关节负功的吸收效果和对屈膝动作时的助力效果。

在本实施例中，在中心主轴10上还设有绕线槽轮15，且绕线槽轮15位于大腿连接板1和卷簧内壳12之间，在绕线槽轮15上开设有绕线槽，第一绳索16远离其连接第一支柱67的一端与绕线槽轮15连接并缠绕在绕线槽上。具体的，在绕线槽轮15上嵌有滚花螺母，第一绳索16与绕线槽轮15连接的一端固定在该滚花螺母上，以方便第一绳索16的连接。

这样，通过设置绕线槽轮15，并将中心主轴10与绕线槽轮15进行连接，同时第一绳索16连接在绕线槽轮15上并缠绕在绕线槽上，这样在伸膝时，膝关节拉线盘3通过第二绳索17带动动滑轮64向下移动，动滑轮64再带动第一绳索16向下移动并通过第一绳索16带动绕线槽轮15转动，绕线槽轮15转动再进一步带动中心主轴10转动，中心主轴10转动再带动卷簧11压缩储存弹性势能，实现对膝关节负功的吸收效果；在屈膝时，卷簧11复位带动中心主轴10反向转动，中心主轴10再带动绕线槽轮15反向转动，此时第一绳索16将不断缠绕在绕线槽上，同时通过第一绳索16带动动滑轮64向上移动，动滑轮64向上移动再进一步通过第二绳索17带动膝关节拉线盘3绕大腿连接板1向前移动，由此实现对膝关节屈膝运动的助力作用。

在本实施例中，滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置还包括发电组件，发电组件包括发电机14，发电机14的转轴上设有发电齿轮9，中心主轴10上还设有卷簧齿轮7，在发电齿轮9和卷簧齿轮7之间设有过渡齿轮8，过渡齿轮8同时与发电齿轮9和卷簧齿轮7啮合，以使得卷簧齿轮7转动时能够通过过渡齿轮8带动发电齿轮9转动。

这样，通过设置发电组件，在行走过程的伸膝运动中，人体小腿将相对大腿向前摆动，膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向后转动，膝关节拉线盘3通过第二绳索17带动动滑轮64沿滑动槽61向下滑动，动滑轮64沿滑动槽61向下滑动使得第一绳索16的对应位置同步向下移动，从而使得第一绳索16进一步带动绕线槽轮15转动，绕线槽轮15转动再进一步带动中心主轴10转动正向转动，中心主轴10正向转动使得卷簧11收缩储存弹性势能，同时中心主轴10正向转动还将同步带动卷簧齿轮7正向转动，卷簧齿轮7正向转动再进一步通过过渡齿轮8带动发电齿轮9正向转动，发电齿轮9正向转动再进一步带动发电机14的转轴转动，发电机14发出电能，在此过程中发电机14和卷簧11对膝关节的伸膝运动都具有阻尼的作用，从而可以进一步减弱膝关节所受到的冲击，起到对膝关节的保护作用。

在行走过程的屈膝运动中，人体小腿将相对大腿向后摆动，膝关节拉线盘3相对大腿连接板1向前转动，此时卷簧11复位带动中心主轴10反向转动，中心主轴10再带动绕线槽轮15反向转动，此时第一绳索16将不断缠绕在绕线槽上，同时通过第一绳索16带动动滑轮64向上移动，动滑轮64向上移动再进一步通过第二绳索17带动膝关节拉线盘3绕大腿连接板1向前移动，由此实现对膝关节屈膝运动的助力作用，同时，卷簧11复位带动中心主轴10反向转动，中心主轴10也将带动卷簧齿轮7反向转动，卷簧齿轮7反向转动再进一步通过过渡齿轮8带动发电齿轮9反向转动，发电齿轮9反向转轴再带动发电机14的转轴转动，发电机14输出电能，由此在屈膝过程中即实现了对屈膝运动的助力，也实现了发电机14的发电效果。

在本实施例中，在大腿连接板1上还设有卷簧外壳13，发电机14安装在卷簧外壳13上，且发电机14和发电齿轮9分别位于卷簧外壳13的轴向两侧。

在本实施例中，在卷簧外壳13上安装有两组发电组件，两组发电组件沿纵向方向对称设置在中心转轴的两侧，且中心转轴与两侧发电组件形成的夹角为55-65°。

这样，通过设置两组发电组件，可以利用两组发电组件同时进行发电，提高发电效能。

如附图6和附图7所示，在本实施例中，小腿连接杆2包括上连接杆21和下连接杆22，上连接杆21的一端与膝关节拉线盘3铰接，上连接杆21远离其连接膝关节拉线盘3的一端沿其长度方向开设有调节槽211，下连接杆22靠近上连接杆21的一端滑动伸入调节槽211内，且下连接杆22上沿其长度方向还开设有调节孔221，在下连接杆22伸入调节槽211的位置还套设有锁紧套26，锁紧套26处设有锁紧螺钉23，下连接杆22伸入调节槽211的位置通过锁紧螺钉23与上连接杆21连接。具体的，下连接杆22可以采用两根下连接管组成，两根下连接管之间具有间隙，该间隙形成调节孔221，以方便对小腿连接杆2的整体长度进行调节。

这样，当不同的使用者在穿戴该外骨骼时，调节下连接杆22伸入调节槽211内的长度，当将上连接杆21和下连接杆22调节到合适的长度时，利用锁紧螺钉23和锁紧套26将上连接杆21和下连接杆22的对应位置进行连接，以此实现对小腿连接杆2整体长度的调节，从而更好的满足不同使用者的穿戴需求，提高穿戴舒适性。

在本实施例中，在下连接杆22远离其连接上连接杆21的一端设有小腿固定环座24，在小腿固定环座24的纵向两侧还分别转动连接有小腿固定环25。

这样，在具体使用时，在两个小腿固定环25上还可以设置小腿绑缚带，这样可以将小腿绑缚带、小腿固定环25和小腿固定环座24之间形成用于容纳人体小腿的空间，从而实现将外骨骼穿戴在人体小腿的目的；同时小腿绑缚带可以为方便长度调节的结构形式，以与不同使用者的小腿尺寸相适应，提高外骨骼穿戴的舒适性。

在本实施例中，小腿连接杆2与膝关节拉线盘3之间通过第一纵向转动件4进行铰接。

这样，小腿连接杆2与膝关节拉线盘3之间通过第一纵向转动件4进行铰接，使得小腿部分可以绕额状面法线转动，从而提升了该外骨骼装置的灵活性，同时使得不同腿型的人群都能正常穿戴，也可以避免不规范穿戴对该外骨骼造成的损坏。

在本实施例中，卷簧11可预紧可拆卸，通过进行不同程度的预紧可以使得卷簧11在回弹中释放不同大小的能量，以适应不同身高体重的人群，同时卷簧11使用寿命有限，会产生疲劳，可拆卸设计方便卷簧11的更换，保证负功捕捉的效果良好；卷簧11在使用前需进行足够的预紧，使卷簧11在伸膝阶段可以储存足够的能量，卷簧11在伸膝过程中随绕线槽轮15旋转而收缩并储存弹性势能，在屈膝过程中回弹释放弹性势能，并带动绕线槽轮15回转。

本方案中：

膝关节负功被转化为：卷簧11的弹性势能、发电机14的电能一级能量传递过程中的损耗。

卷簧11复位时的弹性势能释放被转化为：发电机14的电能、滑轮组件运动所需能量以及用于对屈膝运行进行助力。

本方案的卷簧11在使用前需进行足够的预紧，以使得卷簧11能在伸膝过程中能够储存足够的能量（卷簧11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）。

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 (8)

1.一种滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，包括大腿连接板和小腿连接杆，所述大腿连接板通过大腿绑缚机构与人体大腿进行连接，所述小腿连接杆通过小腿绑缚机构与人体小腿进行连接；

在所述小腿连接杆靠近所述大腿连接板的一端设有膝关节拉线盘，所述膝关节拉线盘与所述大腿连接板通过第一轴向转动件进行转动连接，以与人体膝关节的伸膝和屈膝运动相适应；

在所述大腿连接板上设有负功捕捉组件，所述负功捕捉组件包括卷簧，所述膝关节拉线盘与所述卷簧之间通过滑轮组件进行连接，以使得所述膝关节拉线盘在伸膝时能够通过所述滑轮组件带动所述卷簧压缩储存能量，并在屈膝时所述卷簧能够复位助力；

所述负功捕捉组件还包括沿轴向设置的中心主轴，所述卷簧套设在所述中心主轴上，在所述卷簧外侧还设有卷簧内壳，所述卷簧内壳连接在所述大腿连接板上，所述卷簧的内端点连接在所述中心主轴上，所述卷簧的外端点连接在所述卷簧内壳上，所述滑轮组件用于与所述中心主轴连接，以使得所述滑轮组件在伸膝时能够带动所述中心主轴正向转动，并在屈膝时能够带动所述中心主轴反向转动；

所述滑轮组件包括第一绳索、第二绳索、以及沿竖向设置的轨道支柱，在所述轨道支柱上沿竖向方向开设有滑动槽，在所述滑动槽处滑动连接有动滑轮组，以使得所述动滑轮组能够沿所述滑动槽竖向滑动，在所述轨道支柱的竖向两侧还分别设有第一定滑轮组和第二定滑轮组，所述动滑轮组包括动滑轮和动滑轮支柱，所述第一定滑轮组包括第一定滑轮和第一支柱，所述第二定滑轮组包括第二定滑轮和第二支柱，所述第一绳索的一端与所述第一支柱连接，所述第一绳索的另一端跨越所述动滑轮后用于与所述中心主轴连接，所述第二绳索的一端与所述膝关节拉线盘连接，所述第二绳索的另一端跨越所述动滑轮支柱后与所述第二支柱连接。

2.根据权利要求1所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，在所述中心主轴上还设有绕线槽轮，且所述绕线槽轮位于所述大腿连接板和所述卷簧内壳之间，在所述绕线槽轮上开设有绕线槽，所述第一绳索远离其连接所述第一支柱的一端与所述绕线槽轮连接并缠绕在所述绕线槽上。

3.根据权利要求1所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置还包括发电组件，所述发电组件包括发电机，所述发电机的转轴上设有发电齿轮，所述中心主轴上还设有卷簧齿轮，在所述发电齿轮和所述卷簧齿轮之间设有过渡齿轮，所述过渡齿轮同时与所述发电齿轮和所述卷簧齿轮啮合，以使得所述卷簧齿轮转动时能够通过所述过渡齿轮带动所述发电齿轮转动。

4.根据权利要求3所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，在所述大腿连接板上还设有卷簧外壳，所述发电机安装在所述卷簧外壳上，且所述发电机和所述发电齿轮分别位于所述卷簧外壳的轴向两侧。

5.根据权利要求4所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，在所述卷簧外壳上安装有两组发电组件，两组所述发电组件沿纵向方向对称设置在所述中心主轴的两侧，且所述中心主 轴与两侧所述发电组件形成的夹角为55-65°。

6.根据权利要求1所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述小腿连接杆包括上连接杆和下连接杆，所述上连接杆的一端与所述膝关节拉线盘铰接，所述上连接杆远离其连接所述膝关节拉线盘的一端沿其长度方向开设有调节槽，所述下连接杆靠近所述上连接杆的一端滑动伸入所述调节槽内，且所述下连接杆上沿其长度方向还开设有调节孔，在所述下连接杆伸入所述调节槽的位置还套设有锁紧套，所述锁紧套处设有锁紧螺钉，所述下连接杆伸入所述调节槽的位置通过所述锁紧螺钉与所述上连接杆连接。

7.根据权利要求6所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，在所述下连接杆远离其连接所述上连接杆的一端设有小腿固定环座，在所述小腿固定环座的纵向两侧还分别转动连接有小腿固定环。

8.根据权利要求1所述的滑轮线驱动膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述小腿连接杆与所述膝关节拉线盘之间通过第一纵向转动件进行铰接。

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