CN113858256B - 一种三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节，包括髋支撑板、弹性储能元件、关节组件和腿杆连接件，关节组件包括上关节件和下关节件，髋支撑板的一端容置在上关节件的安装位，通过穿设第一轴将髋支撑板与上关节件转动连接，上关节件与下关节件对接，通过穿设第二轴将上关节件与下关节件转动连接，腿杆连接件的一端容置在下关节件的安装位，通过穿设第三轴将腿杆连接件与下关节件转动连接；其中，关节组件能够通过第一轴、第二轴和第三轴围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，弹性储能元件随着所述髋关节的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力。本发明结构简单且具有关节助力功能的三自由度被动储能助力。

Description

一种三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，特别涉及一种三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节。

背景技术

在高原边境、丛林山地、地震灾区等大型运载设备难以发挥作用的场合，物资背负、抢险救援等任务对工作人员的负重机动能力提出巨大挑战。负重会增加体能消耗，影响机动能力，同时过大负重或过长时间负重会对身体造成伤害，引起肌肉、关节损伤。主动式外骨骼结构复杂且由于采用驱动电机等驱动，存在续航不足、运动灵活受限等问题，难以在以上户外运载及救援场景中应用。

目前无动力外骨骼髋关节存在体积过大、自由度欠缺等问题，穿戴起来体验度差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单，能够匹配人体在行走过程中髋关节的运动规律且具有关节助力功能的三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节。

为实现上述目的，本发明的三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节，髋支撑板、弹性储能元件、关节组件和腿杆连接件，所述关节组件包括上关节件和下关节件，所述髋支撑板的一端容置在所述上关节件的安装位，通过穿设第一轴将所述髋支撑板与所述上关节件转动连接，所述上关节件与所述下关节件对接，通过穿设第二轴将所述上关节件与所述下关节件转动连接，所述腿杆连接件的一端容置在所述下关节件的安装位，通过穿设第三轴将所述腿杆连接件与所述下关节件转动连接；其中，所述弹性储能元件的一端与所述髋支撑板连接，所述弹性储能元件的另一端与所述上关节件连接，所述关节组件能够通过所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，所述弹性储能元件随着所述髋关节的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力。

进一步，所述上关节件包括左、右耳板和底座托，所述左、右耳板对向间隔设置在所述底座托两侧，所述左、右耳板上设置有穿设所述第一轴的通孔，所述左、右耳板之间的间隔空间作为所述髋支撑板的安装位，所述底座托上设置有穿设所述第二轴的通孔，所述底座托上还设置有弧形限位槽，所述第二轴顶端设置有限位凸台，所述第二轴穿设在所述底座托时所述限位凸台定位在所述弧形限位槽中，通过所述限位槽和所述限位凸台配合限定关节组件围绕垂直轴旋转角度。

进一步，所述下关节件包括前、后耳板和顶座托，所述前、后耳板对向间隔设置在所述顶座托两侧，所述前、后耳板上设置有穿设所述第三轴的通孔，所述前、后耳板之间的间隔空间作为所述腿杆连接件的安装位，所述顶座托上设置有穿设所述第二轴的通孔，所述顶座托和所述底座托对接通过将第二轴穿设在各自通孔中以将上关节件和下关节件转动连接。

进一步，所述上关节件上还固设有弹簧挂片，所述弹性储能元件的一端挂设在所述弹簧挂片上，所述弹性储能元件的另一端挂设在髋支撑板上，人体髋关节做屈伸动作带动所述上关节件绕所述第一轴旋转，进而带动所述弹簧挂片上下摆动进行弹性储能和助力。

本发明各机构之间均采用机械连接并采用被动式驱动，无需电力续航，兼具灵活性和稳定性，可以在支撑负重的同时跟随人体灵活运动，并且在髋支撑板和关节组件之间设置了弹性储能元件，提高穿戴舒适性，起到降低代谢能耗、防护肌肉骨骼损伤、减缓疲劳的作用。此外，关节组件集成度高，体积小，紧凑灵活，具有三个自由度，与人体髋关节自由度匹配，使得使用者行走过程中不受髋关节自由度的限制。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节的结构示意图；

图2为本发明一实施例的三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节的结构爆炸示意图；

图3为本发明一实施例的关节组件的装配示意图；

图4为本发明一实施例的关节组件旋转角度限位结构的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”、“左右方向”、“上下方向”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1-4所示，本发明的三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节包括髋支撑板1、弹性储能元件2、关节组件和腿杆连接件5，所述关节组件包括上关节件3和下关节件4，所述髋支撑板1的一端容置在所述上关节件3的安装位，通过穿设第一轴305将所述髋支撑板1与所述上关节件3转动连接，所述上关节件3与所述下关节件4对接，通过穿设第二轴314将所述上关节件3与所述下关节件4转动连接，所述腿杆连接件5的一端容置在所述下关节件4的安装位，通过穿设第三轴403将所述腿杆连接件5与所述下关节件4转动连接；其中，所述弹性储能元件2的一端与所述髋支撑板1连接，所述弹性储能元件2的另一端与所述上关节件3连接，所述关节组件能够通过所述第一轴305、所述第二轴314和所述第三轴403围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，所述弹性储能元件2随着髋关节的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力。

所述上关节件3包括左、右耳板和底座托，所述左、右耳板对向间隔设置在所述底座托两侧，所述左、右耳板上设置有穿设所述第一轴305的通孔，左、右耳板上的通孔沿左右方向布置，左、右耳板上的通孔处设置有轴承303、轴承垫片302和锁定螺钉304，第一轴305穿过左、右耳板上的通孔并通过轴承303支撑，在第一轴305端部拧入锁定螺钉304将第一轴305定位在上关节件3上，右耳板的外侧通过螺钉307固定设置有端盖306，端盖306可以防止轴承303从上关节件3处脱出。所述左、右耳板之间的间隔空间作为所述髋支撑板1的安装位，所述底座托上设置有穿设所述第二轴314的通孔，所述底座托上还设置有弧形限位槽31，所述第二轴314顶部向径向延伸设置有限位凸台32，所述第二轴314穿设在所述底座托时所述限位凸台32定位在所述弧形限位槽31中，通过所述限位槽31和所述限位凸台32配合限定关节组件围绕垂直轴旋转角度。限位凸台32在弧形限位槽31中的移动范围限定了关节组件旋转的最大角度。髋支撑板1与上关节件3之间具有屈伸角度限位，满足人体髋关节运动范围。

所述下关节件4包括前、后耳板和顶座托，所述前、后耳板对向间隔设置在所述顶座托两侧，所述前、后耳板上设置有穿设所述第三轴403的通孔，前、后耳板上的通孔沿前、后方向布置，前、后耳板上的通孔处设置有轴承303、轴承垫片402和锁定螺钉304，第三轴403穿过前、后耳板上的通孔并通过轴承303支撑，在第三轴403端部拧入锁定螺钉304将第三轴305定位在下关节件4上，前、后耳板的外侧通过螺钉307固定设置有端盖306，端盖306可以防止轴承303从下关节件4处脱出。所述前、后耳板之间的间隔空间作为所述腿杆连接件5的安装位，所述顶座托上设置有穿设所述第二轴314的通孔，所述顶座托和所述底座托对接通过将第二轴314穿设在各自通孔中以将上关节件3和下关节件4转动连接，底座托和顶座托处设置有轴承313、轴承316和锁紧螺母317，第二轴314穿过底座托和顶座托的通孔通过轴承313和轴承316支撑，在第二轴314端部拧入锁紧螺母317使其沿轴向定位，并在第二轴314和下关节件3上插入销315，使下关节件3和第二轴314操持径向运动一致。轴承垫片302和轴承垫片402顶住轴承内圈和中间结构体填补间隙，保证运动中不晃动。

所述上关节件3上还固设有弹簧挂片308，弹簧挂片308通过螺钉309固定在上关节件的左耳板上，弹簧挂片308端部具有通孔，扣环311通过螺钉312和自润滑轴套310固定在弹簧挂片308端部，通过自润滑轴套310确保扣环311转动灵活，髋支撑板1上设置有吊环102，弹性储能元件2的一端挂设在所述弹簧挂片308的扣环311上，所述弹性储能元件2的另一端挂设在髋支撑板1的吊环102上，人体髋关节做屈伸动作带动所述上关节件3绕所述第一轴305旋转，进而带动所述弹簧挂片308上下摆动进行弹性储能和助力。弹性储能元件2长度、刚度可配置，以匹配不同工况，例如不同坡度、不同负重、行走或搬运。弹簧挂片308角度可配置，以匹配不同工况，例如不同坡度，不同负重，行走或搬运。

综上，本发明外骨骼髋关节具有以下优点：

1)关节集成度高，体积小，紧凑灵活，具有三个自由度，与人体髋关节自由度匹配，使得使用者行走过程中不受髋关节自由度的限制；

2)关节弹性助力，无需外部能源，在步态周期中通过弹簧储能、释放助力，实现行走助力；

3)髋部弹簧亦提供与背部负载反向的力矩，起到平衡抗倾覆的作用，减小人体肩部、腰部发力；

4)蹲起时亦能起到助力效果；

5)模块化设计，弹簧长度、刚度可配置，弹簧挂片角度可配置，可匹配不同工况，例如不同坡度、不同负重、行走或搬运。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1.一种三自由度被动储能助力的外骨骼髋关节，其特征在于，包括髋支撑板、弹性储能元件、关节组件和腿杆连接件，所述关节组件包括上关节件和下关节件，所述髋支撑板的一端容置在所述上关节件的安装位，通过穿设第一轴将所述髋支撑板与所述上关节件转动连接，所述上关节件与所述下关节件对接，通过穿设第二轴将所述上关节件与所述下关节件转动连接，所述腿杆连接件的一端容置在所述下关节件的安装位，通过穿设第三轴将所述腿杆连接件与所述下关节件转动连接；其中，所述弹性储能元件的一端与所述髋支撑板连接，所述弹性储能元件的另一端与所述上关节件连接，所述关节组件能够通过所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴围绕冠状轴、垂直轴、矢状轴旋转，所述弹性储能元件随着所述髋关节的矢状面内屈伸动作做弹性储能和助力；所述上关节件上还固设有弹簧挂片，所述弹性储能元件的一端挂设在所述弹簧挂片上，所述弹性储能元件的另一端挂设在髋支撑板上，人体髋关节做屈伸动作带动所述上关节件绕所述第一轴旋转，进而带动所述弹簧挂片上下摆动进行弹性储能和助力。

2.如权利要求1所述的外骨骼髋关节，其特征在于，所述上关节件包括左、右耳板和底座托，所述左、右耳板对向间隔设置在所述底座托两侧，所述左、右耳板上设置有穿设所述第一轴的通孔，所述左、右耳板之间的间隔空间作为所述髋支撑板的安装位，所述底座托上设置有穿设所述第二轴的通孔，所述底座托上还设置有弧形限位槽，所述第二轴顶部设置有限位凸台，所述第二轴穿设在所述底座托时所述限位凸台定位在所述弧形限位槽中，通过所述限位槽和所述限位凸台配合限定关节组件围绕垂直轴旋转角度。

3.如权利要求2所述的外骨骼髋关节，其特征在于，所述下关节件包括前、后耳板和顶座托，所述前、后耳板对向间隔设置在所述顶座托两侧，所述前、后耳板上设置有穿设所述第三轴的通孔，所述前、后耳板之间的间隔空间作为所述腿杆连接件的安装位，所述顶座托上设置有穿设所述第二轴的通孔，所述顶座托和所述底座托对接通过将第二轴穿设在各自通孔中以将上关节件和下关节件转动连接。

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