CN113768761A - 一种无动力下肢外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

一种无动力下肢外骨骼装置，包括从上至下依次连接的腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；腰部包括中板、两个柔性模块、两个腰板和两个滑动体，中板为矩形伸缩架结构，中板固定安装在腰部后侧，两个柔性模块的结构相同且左右对称固定在中板两侧，两个柔性模块另一端与腰板后侧固定连接，两个腰板的前侧均设置有腰带扣，两个腰带扣之间连接有腰绑带，两个滑动体分别左右对称滑动设置在两个腰板上，滑动体一端通过腰板上的轨道槽与腰板连接，另一端与髋关节底壳铰接。本发明结构简单、运动灵活、舒适性高、易于穿戴，能有效减轻身体负担，辅助穿戴者行走，帮助下肢无力者恢复步行能力。

Description

一种无动力下肢外骨骼装置

技术领域

本发明属于外骨骼助力装置技术领域，具体涉及一种无动力下肢外骨骼装置。

背景技术

外骨骼助力装置是一种仿人体的骨骼构造且协同穿戴者运动的机械装置，用于辅助穿戴者行走。外骨骼按是否使用能源划分为无动力外骨骼和动力外骨骼。

动力外骨骼需要能源提供动力，如内燃机、电池等装置，除此之外还需要电机、传感器、控制器等元器件，导致动力外骨骼结构复杂、续航能力弱、价格昂贵、维修费用高，不利于推广使用。

无动力外骨骼不需要额外的动力来源，相对于动力外骨骼，其结构简单、续航能力强、价格便宜、方便维修，有利于推广使用。

现有的无动力外骨骼灵活性和穿戴舒适性较差，且无弹性储能机构，不能实现运动省力。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、运动灵活、舒适性高、易于穿戴、结构尺寸可调节、能使正常穿戴者省力、下肢运动障碍者部分恢复正常运动的无动力下肢外骨骼装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无动力下肢外骨骼装置，其特征在于，包括从上至下依次连接的腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；所述腰部包括中板、两个柔性模块、两个腰板和两个滑动体，中板为矩形伸缩架结构，中板固定安装在腰部后侧，两个柔性模块的结构相同且左右对称固定在中板两侧，两个柔性模块另一端与腰板后侧固定连接，两个腰板的前侧均设置有腰带扣，两个腰带扣之间连接有腰绑带，两个滑动体分别左右对称滑动设置在两个腰板上，滑动体一端通过腰板上的轨道槽与腰板连接，另一端与髋关节底壳铰接；所述髋关节包括两组髋关节仿骨架，两组髋关节仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组髋关节仿骨架的上侧分别与两个腰部的滑动体固定连接；所述大腿包括两组大腿仿骨架，两组大腿仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组大腿仿骨架的上侧分别与两个髋关节仿骨架的下侧固定连接；所述膝关节包括两组膝关节仿骨架，两组膝关节仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组膝关节仿骨架的上侧分别与两组大腿仿骨架的下侧固定连接；所述小腿包括两组小腿仿骨架，两组小腿仿骨架与大腿仿骨架的结构相同，且左右对称设置，两组小腿仿骨架的上侧分别与两组膝关节仿骨架的下侧固定连接；所述踝关节包括两组踝关节仿骨架，两组踝关节仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组踝关节仿骨架的上侧分别与两组小腿仿骨架的下侧固定连接，左侧的踝关节仿骨架包括球壳和球形关节，球壳与小腿部仿骨架的下端连接，球形关节下端与足仿骨架固定连接，球形关节沿球壳内的弧形槽孔转动，球形关节也沿球壳外弧形槽转动；所述足部包括两组足仿骨架，两组足仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组足仿骨架的上侧分别与两组踝关节仿骨架的下侧铰接，左侧的足仿骨架包括三角支架和脚板，三角支架上端通过销轴与踝关节的球形关节连接，三角支架下端通过螺钉与脚板固定连接。

髋关节仿骨架包括底壳、上壳和扭簧，底壳一端与滑动体固定连接，底壳另一端与上壳转动连接，上壳与大腿仿骨架固定连接，底壳和上壳包裹扭簧，扭簧一端与底壳接触，扭簧另一端与上壳接触。

大腿仿骨架包括外壳管、丝杆管套、丝杆和螺母，外壳管包裹在丝杆管套外，外壳管一端通过弓形连接件与膝关节仿骨架固定连接，外壳管另一端悬空，丝杆管套包裹在丝杆外，丝杆管套一端与髋关节仿骨架固定连接，丝杆管套另一端与螺母固定连接，螺母通过在丝杆上轴向位移调节大腿仿骨架长度。

膝关节仿骨架包括膝关节内壳、膝关节外壳和卷簧，膝关节内壳侧面的短方轴通过螺栓与小腿仿骨架连接，膝关节外壳侧面的短方轴通过螺栓与大腿仿骨架连接，卷簧装在膝关节内壳中，卷簧一端穿在膝关节外底壳中间圆柱上的U形通孔中，卷簧另一端通过膝关节内壳内侧边缘的槽缝进行固定。

本发明所提供的一种无动力下肢外骨骼装置，具有依次连接的腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节及足部，腰部提供了给滑动体转动的弯轨，提高了运动的灵活性，并使腰部具有了1个自由度，为腰部在水平面内的旋转，髋关节具有两个自由度，分别为大腿的屈/伸和大腿的外摆/内收，这样设计可以简化设计结构并保证用户穿戴无动力下肢外骨骼装置的运动灵活性，进而提高人体穿戴的舒适性。与现有的外骨骼装置相比，本发明结构简单、运动灵活、舒适性高、易于穿戴。

进一步的，本发明提供的一种无动力下肢外骨骼装置，髋关节具有弹性储能元件，当人的大腿下落时，髋关节仿骨架中的扭簧会拉紧，帮助人体缓冲掉一部分能量，并将能量储存起来，当人的大腿再次抬起时，拉紧的扭簧被放松，储存在弹性元件扭簧中的能量被释放，辅助人抬腿，实现能量的转换和再利用。

进一步的，本发明提供的一种无动力下肢外骨骼装置，膝关节具有弹性储能元件，在人步行过程中，当膝盖屈曲/伸展时，小腿仿骨架带动膝关节内壳绕膝关节外壳转动，卷簧拉紧，帮助穿戴者缓冲部分冲击力。

进一步的，本发明提供的一种无动力下肢外骨骼装置，腰部、大腿和小腿的尺寸均可以调节，以适应不同体形的用户穿戴，适用范围广。

附图说明

图1是一种无动力下肢外骨骼装置的整体结构示意图。

图2是一种无动力下肢外骨骼装置的腰部结构示意图。

图3是一种无动力下肢外骨骼装置的腰部爆炸示意图。

图4是一种无动力下肢外骨骼装置的髋关节爆炸示意图。

图5是一种无动力下肢外骨骼装置的大腿爆炸示意图。

图6是一种无动力下肢外骨骼装置的膝关节爆炸示意图。

图7是一种无动力下肢外骨骼装置的小腿爆炸示意图。

图8是一种无动力下肢外骨骼装置的踝关节和足部爆炸示意图。

附图标记如下：

腰部1、髋关节2、大腿3、膝关节4、小腿5、踝关节6、足部7、中板8、腰板9、腰带扣10、柔性模块11、滑动体12、壳体13连接壳14内滑道方管15弯轨16、轨道槽17、内滑动体18、外滑动体19、短轴20、槽孔21、U型槽22、伸缩架23、底壳24、凸台25、调节板26、扭簧27、和上壳28、螺钉29、Z形板30、丝杆管套31、螺母32、丝杆33、大腿绑带34、角接触球轴承35、推力球轴承36、外壳管37、弓形连接件38、调节旋钮39、外底壳40、内底壳41、卷簧42、螺钉43、外顶壳44、内顶壳45、调节旋钮46、弓形连接件47、外壳管48、推力球轴承49、角接触球轴承50、小腿绑带51、丝杆52、螺母53、丝杆管套54、球壳55、球形关节56、三角支架57、和脚板58。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种无动力下肢外骨骼装置的结构如图1所示，包括从上至下依次连接的腰部1、髋关节2、大腿3、膝关节4、小腿5、踝关节6及足部7。

参见图2、图3，所述腰部1包括壳体13、伸缩架23、连接壳14、内滑道方管15、腰板9和滑动体12，中板8包括壳体13和伸缩架23，壳体13包括左壳体和右壳体，左壳体上有与右壳体相配合的导板，以实现中板8的水平滑动，伸缩架23包括四根螺栓连接的杆件，伸缩架上侧两个杆件通过短轴20在槽孔21内转动，另外两个杆件通过壳体内侧的U型槽22调节中板8的长度，柔性模块11包括连接壳14和内滑道方管15，连接壳14通过机械咬合和螺钉固定，内滑道方管15与连接壳14内侧对应的方管口相配合，内滑道方管15能够沿着连接壳14内壁的方向滑动，腰板9与连接壳14通过螺栓固定连接，滑动体12包括内滑动体18和外滑动体19，外滑动体19与髋关节2连接，内滑动体18内侧有与腰板9上弯轨16相匹配的轨道槽17，以实现腰部1在水平面内的旋转。

参见图4，所述髋关节包括底壳24、调节板26、扭簧27和上壳28，底壳24一端与扭簧27接触，另一端与滑动体12连接，扭簧27一端与底壳24连接，另一端与上壳28连接，在扭簧27和底壳24之间设置一个调节板26，以实现对扭簧27预紧力的调节，并在调节板26端面上设置一个凸台25限制扭簧27的转动，上壳28和底壳24通过螺钉29连接，还通过Z 形板30与大腿3连接。当人步行时，大腿3抬起，髋关节上壳28绕髋关节2朝前屈方向转动，髋关节上壳28带动扭簧27的一端一起朝前屈转动，扭簧27放松，储存在扭簧27的能量被释放。当大腿3下落时，髋关节上壳28绕髋关节2朝后伸方向转动，髋关节上壳28带着扭簧27的一端一起朝后伸方向转动，扭簧27拉紧，帮助人体缓冲掉一部分能量，并将能量储存起来，用于大腿3再次抬起。

参见图5，所述大腿包括外壳管37、丝杆管套31、丝杆33和螺母32，外壳管37包裹在丝杆管套31外，外壳管37一端通过弓形连接件38与膝关节4固定连接，外壳管37另一端悬空，丝杆管套31包裹在丝杆33外，丝杆管套31一端与髋关节2固定连接，丝杆管套31另一端与螺母32固定连接，丝杆33通过推力球轴承36和角接触球轴承35定位于丝杆管套31内，使丝杆33与外壳管37轴向定位，螺母32通过螺钉连接固定在丝杆管套31一端，大腿绑带34通过螺钉与外壳管37固定连接，丝杆螺母结构在轴向上能够提供足够的支撑力，且能够轴向自锁，并通过调节旋钮39使大腿3的长度得到调节。

参见图6，所述膝关节包括外底壳40、内底壳41、卷簧42、内顶壳45和外顶壳44，其中，膝关节内顶壳45/内底壳41组成膝关节内壳，膝关节外顶壳44/外底壳40组成膝关节外壳，卷簧42一端穿在膝关节外底壳40中间圆柱上的U形通孔中，卷簧42另一端通过膝关节内壳内侧边缘的槽缝进行固定，膝关节外底壳40、外顶壳44、内底壳41和内顶壳45通过螺钉43固定连接。步行时，膝盖屈曲/伸展，小腿5带动膝关节内壳绕膝关节外壳转动，卷簧42拉紧，帮助穿戴者缓冲掉部分能量，并将能量储存起来，用于膝关节再次屈伸，当用户穿戴无动力下肢外骨骼装置后，人体膝关节的向后屈伸运动范围为0°-120°。

参见图7，所述小腿包括外壳管48、丝杆管套54、丝杆52和螺母53，外壳管48包裹在丝杆管套54外，外壳管48一端通过弓形连接件47与膝关节4固定连接，外壳管48另一端悬空，丝杆管套54包裹在丝杆52外，丝杆管套54一端与踝关节6固定连接，丝杆管套54另一端与螺母53固定连接，丝杆52通过推力球轴承49和角接触球轴承50定位于丝杆管套54内，使丝杆52与外壳管48轴向定位，螺母53通过螺钉连接固定在丝杆管套54一端，小腿绑带51通过螺钉与外壳管58固定连接，丝杆螺母结构在轴向上能够提供足够的支撑力，且能够轴向自锁，并通过调节旋钮46使小腿5的长度得到调节。

参见图8，所述踝关节和足部包括球壳55、球形关节56、三角支架57和脚板58，球壳55一端与小腿外壳管48通过螺钉固定连接，球形关节另一端通过三角支架57与脚板 58固定连接，球形关节56可以沿球壳55内的弧形槽孔转动，完成踝关节6的趾屈/背伸，球形关节56也可以沿两个球壳配合形成的外弧形槽转动，完成踝关节6的外展/内收，脚板 58两侧有U形槽孔，穿戴者在穿戴脚板58时，通过布带条将脚板58绑缚在运动鞋底下即可，当用户穿戴无动力下肢外骨骼装置后，人体踝关节的跖屈/背屈的运动范围为(0°-20°， 0°-25°)。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种无动力下肢外骨骼装置，其特征在于，包括从上至下依次连接的腰部、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；所述腰部包括中板、两个柔性模块、两个腰板和两个滑动体，中板为矩形伸缩架结构，中板固定安装在腰部后侧，两个柔性模块的结构相同且左右对称固定在中板两侧，两个柔性模块另一端与腰板后侧固定连接，两个腰板的前侧均设置有腰带扣，两个腰带扣之间连接有腰绑带，两个滑动体分别左右对称滑动设置在两个腰板上，滑动体一端通过腰板上的轨道槽与腰板连接，另一端与髋关节底壳铰接；所述髋关节包括两组髋关节仿骨架，两组髋关节仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组髋关节仿骨架的上侧分别与两个腰部的滑动体固定连接；所述大腿包括两组大腿仿骨架，两组大腿仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组大腿仿骨架的上侧分别与两个髋关节仿骨架的下侧固定连接；所述膝关节包括两组膝关节仿骨架，两组膝关节仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组膝关节仿骨架的上侧分别与两组大腿仿骨架的下侧固定连接；所述小腿包括两组小腿仿骨架，两组小腿仿骨架与大腿仿骨架的结构相同，且左右对称设置，两组小腿仿骨架的上侧分别与两组膝关节仿骨架的下侧固定连接；所述踝关节包括两组踝关节仿骨架，两组踝关节仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组踝关节仿骨架的上侧部分别与两组小腿仿骨架的下侧固定连接，左侧的踝关节仿骨架包括球壳和球形关节，球壳与小腿仿骨架的下端连接，球形关节下端与足仿骨架固定连接，球形关节沿球壳内的弧形槽孔转动，球形关节也沿球壳外弧形槽转动；所述足部包括两组足仿骨架，两组足仿骨架的结构相同且左右对称设置，两组足仿骨架的上侧分别与两组踝关节仿骨架的下侧铰接，左侧的足仿骨架包括三角支架和脚板，三角支架上端通过销轴与踝关节的球形关节连接，三角支架下端通过螺钉与脚板固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种无动力下肢外骨骼装置，其特征在于，所述髋关节仿骨架包括底壳、上壳和扭簧，底壳一端与滑动体固定连接，底壳另一端与上壳转动连接，上壳与大腿仿骨架固定连接，底壳和上壳包裹扭簧，扭簧一端与底壳接触，扭簧另一端与上壳接触。

3.根据权利要求1所述的一种无动力下肢外骨骼装置，其特征在于，所述大腿仿骨架包括外壳管、丝杆管套、丝杆和螺母，外壳管包裹在丝杆管套外，外壳管一端通过弓形连接件与膝关节仿骨架固定连接，外壳管另一端悬空，丝杆管套包裹在丝杆外，丝杆管套一端与髋关节仿骨架固定连接，丝杆管套另一端与螺母固定连接，螺母通过在丝杆上轴向位移调节大腿仿骨架长度。

4.根据权利要求1所述的一种无动力下肢外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节仿骨架包括膝关节内壳、膝关节外壳和卷簧，膝关节内壳侧面的短方轴通过螺栓与小腿仿骨架连接，膝关节外壳侧面的短方轴通过螺栓与大腿仿骨架连接，卷簧装在膝关节内壳中，卷簧一端穿在膝关节外底壳中间圆柱上的形U通孔中，卷簧另一端通过膝关节内壳内侧边缘的槽缝进行固定。

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