CN114504469A - 外骨骼系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

外骨骼系统及其制造方法。本申请公开了一种体外支承系统，包括：肩部组件、背部组件、髋部组件、膝部组件和脚部组件，肩部组件与使用者的负载接合，各个组件联接成传递使用者的负载。其中，髋部组件包括第一储能装置，第一储能装置储存使用者在移动身体时通过骨盆和髋关节伸展产生的能量，并在使用者的身体进行相反方向的移动时释放所储存的能量。本申请还公开了一种制造体外支承系统的方法。

Description

外骨骼系统及其制造方法

技术领域

本申请大体涉及体外支承系统的领域，更具体地，涉及一种无动力储能型体外支承系统的技术领域。

背景技术

助力外骨骼的研究开始于20世纪60年代末期，主要在欧美等一些发达国家开展。

开发外骨骼的最初目的是增强人体承载负载的能力。

最早的代表性助力外骨骼是美国通用电器公司研制的Hardiman1 全身外骨骼。

到2000年以后，美国国防高级研究项目署(Darpa)开始进行增强人体机能的外骨骼EHPA项目研究，目标是增加地面士兵的战斗能力。

美国麻省理工学院开发的准被动式外骨骼助力机器人，能够将 80％的人体负重传递到地面。美国雷神(Raython)研制的XOS全身式助力外骨骼能举起90.7kg的重物，同时使人体感觉只有9kg，使得常人可单手平举23kg重物。

2004年，伯克利大学研制的单兵助力外骨骼样机BLEEX包括背包式外架、助力腿、动力源、通讯与控制系统以及液压驱动装置，系统可负重34kg。二代主力外骨骼HULC，可轻松背起90kg重物，结构较之前简洁。

海军航空工程学院2006年研制的NAELES能量辅助外骨骼服，可承载15kg，实现外骨骼的负重行走。哈尔滨工业大学2011年研制的下肢助力外骨骼，自重38kg，可负载30kg。电子科技大学PRMI 实验室下肢助力外骨骼可负重30kg，自重21.5kg，可进行人体运动意图检测，并实现人体跟随运动。中国兵器208所、北京中航双兴公司、航天科工二院206所等均有单兵外骨骼产品推出。

除了支承自身重量和增强承载能力外，外骨骼还可提供一定的支承力来承载穿戴者自身的体重，从而在劳动过程中降低使用者的身体疲劳度。

日本东京大学研制的农业助力服Wearable Agriculture Robot用于改善农名和园丁等人群的工作负担，助力服自重26kg，可使穿戴者轻松举起20kg的重物。

本田公司2009年研制的Walking assist device下肢外骨骼可以减小人体能量消耗11％左右。意大利BE全身型外骨骼，由意大利国防部支持研发，自重160kg，单手可承载50kg重物，可实现与人体的顺利跟随。韩国DSME公司2014年研制的下肢助力外骨骼DSMEwearable robot可用来帮助工人完成体力工作，有效负载30kg。法国 RB3D公司生产的海格力斯外骨骼，可搬运100kg重物，民用级别自重30kg。

在医疗健康领域中，外骨骼也有很多研发和应用实例。

华中科技大学LEE纯被动下肢助力外骨骼，用于人体膝关节出力，降低人体行走过程中膝关节的扭矩和功耗，可分担膝关节承受的人体自重的20％。

2009年，美国弗罗里达州人与机器认识研究院推出IHMC外骨骼机器人，可帮助下肢残障患者行走。2012年研发的X1宇航员外骨骼，自重减至25kg，可提供助力、康复治疗、步态修复等帮助。日本筑波大学压法的HAL系列机器人，自重约23kg，可帮助下肢有残疾的人重新站立并能行走，也可用于减轻搬运工人的劳动强度。日本立命馆大学2013年研发的eXoskeleton系列混合动力外骨骼机器人可以用来助老助残，并可以用来负重行走，自重约33kg。

日本神奈川工科大学研制的Power Assisting Suit外骨骼机器人，可以用来照顾残疾或者失去行动能力的病人。

由上述示例可知，在现有技术中，对外骨骼的研究主要侧重在对髋、膝关节的伸展/弯曲自由度的助力以及对人体自身的辅助支承领域。在军事领域中，外骨骼主要用于增强士兵行走和负重能力。在民用领域中，使用外骨骼的一个示例是减轻使用者的劳动强度。另一示例是辅助截瘫患者站立并重新建立行走功能、以及为下肢运动功能减弱的老年人提供站立和行走帮助。

在现有技术中，外骨骼通常自重较大，限制穿戴期间行走的稳定性。另外，现有外骨骼的动力系统、机械结构和控制系统较复杂，使得制造和维护的成本较高，而且穿戴过程繁复，通常需要专业的训练。

在很多领域中，操作者需要在较长时间内承载较重负载来执行运动幅度不大的操作。例如，在医疗领域中，很多手术需要较长时间。在此期间，医生需要一直保持站立姿态进行手术。另外，除了正常的手术器械之外，医生在很多情况下还要穿戴重达十几公斤的铅衣长时间进行手术。在这种情况下，手术期间的负载容易对医生的颈椎、肩关节、腰椎以及下肢膝关节造成不可逆的损伤，这些职业病严重影响医生的身体健康，可能缩短医生的职业。

因而，非常期望获得一种结构简单、自重轻、操作简单的体外支承系统，该体外支承系统能够降低在较长时间内承载较重负载来执行运动幅度不大操作的使用者的身体各关节负荷，从而降低职业病的风险。

发明内容

针对现有技术中的以上至少一个不足，本公开提供了能够解决或至少缓解上述问题的体外支承系统及其制造方法。

本公开一方面提供了一种体外支承系统，包括：肩部组件、背部组件、髋部组件、膝部组件和脚部组件，所述肩部组件与所述使用者的负载接合，各个组件联接成传递所述使用者的负载。所述髋部组件包括第一储能装置，所述第一储能装置储存所述使用者在移动身体时通过骨盆和髋关节伸展产生的能量，并在所述使用者的身体进行相反方向的移动时释放所储存的能量。

根据本申请的实施方式，所述膝部组件包括第二储能装置，所述第二储能装置在所述使用者移动身体时储存膝关节伸展产生的能量，并在所述膝关节弯曲时释放所储存的能量。

根据本申请的实施方式，所述脚部组件包括第三储能装置，所述第三储能装置在所述使用者的小腿绕脚踝向前摆动时存储能量，在站立状态下释放所储存的能量。

根据本申请的实施方式，所述背部组件包括铰接件，所述铰接件与所述髋部组件联接，使得背部组件能够围绕所述铰接件左右摆动。

根据本申请的实施方式，所述背部组件能够调节地联接至所述髋部组件，以调节所述背部组件与所述髋部组件之间的距离。

根据本申请的实施方式，所述第一储能装置包括涡轮、蜗杆和扭转弹簧，所述扭转弹簧设置成围绕所述髋部组件的中心轴，并与所述涡轮接合，以驱动所述涡轮。

根据本申请的实施方式，所述第二储能装置在站立姿态下，通过所述膝部组件的上部膝关节储能装置座和下部膝关节储能装置座拉紧并弹性固定所述膝部组件的上部膝关节与下部膝关节，以及在行走状态下，所述第二储能装置释放能量以辅助膝关节弯曲。

根据本申请的实施方式，所述第三储能装置在所述使用者的小腿绕脚踝向前摆动时存储能量，在站立状态下所述第三储能装置释放能量。

本公开的另一方面提供了一种制造体外支承系统的方法，该方法包括以下步骤：

将肩部组件、背部组件、髋部组件、膝部组件和脚部组件联接成传递所述使用者的负载；

将所述肩部组件设置成能够与使用者的负载接合；

将所述髋部组件设置为包括第一储能装置，所述第一储能装置储存所述使用者在移动身体时通过骨盆和髋关节伸展产生的能量，并在所述使用者的身体进行相反方向的移动时释放所储存的能量。

与现有技术相比，本申请具有下列至少一个技术效果：

1.自重轻，结构简单可靠，制造维修成本低；

2.可充分利用使用者在移动过程中所产生的能量，减轻使用者躯干自重以及穿戴负载等对使用者产生的负荷；以及辅助使用者保持站立并将使用者的穿戴负荷卸于大地。

3.多个可调节结构，从而能够通过简单的调整而适应不同体型的使用者。

4.穿戴过程简单方便，节约时间成本。

附图说明

通过阅读参照附图所做出的以下详细描述，本申请的其它特征、目的和有益效果会更明显。不同附图中的相同或相似的元件用相同的附图标记来表示。在附图中：

图1示出了根据本申请实施方式的体外支承系统的立体图；

图2示出了根据本申请实施方式的肩部组件的局部立体图；

图3示出了根据本申请实施方式的背部组件的局部立体图；

图4示出了根据本申请实施方式的髋部组件的局部立体图，其中，髋部组件处于站立状态，并且髋部组件打开以示出髋部组件的内部结构。

图5示出了根据本申请实施方式的髋部组件的局部立体图，其中，髋部组件处于就座状态，并且髋部组件打开以示出髋部组件的内部结构。

图6示出了根据本申请实施方式的膝部组件的局部立体图，其中，膝部组件处于站立状态；

图7示出了根据本申请实施方式的膝部组件的局部立体图，其中，膝部组件处于就座状态；

图8示出了根据本申请实施方式的脚部组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

应理解的是，虽然用语第一、第二等在本文中可以用来描述各种元件、部件、组件或部分，但是这些部件、元件、组件或部分不应被这些用语限制。这些用语仅用于将一个元件、部件、组件或部分与另一个元件、部件、组件或部分区分开。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一元件、第一部件、第一组件、或第一部分可被称作第二元件、第二部件、第二组件、或第二部分。

诸如“在...之下”、“在...下方”、“下”、“在...之上”、“上”、“上端部”、或“下端部”等空间相对用语可在本文中为了描述便利而使用，以描述如附图中所示的一个部件或特征与另一个部件(另外多个部件)或另一个特征(另外多个特征)的关系。应理解的是，除了附图中描绘的方向之外，空间相对用语还意在涵盖装置在使用中或操作中的不同的方向。例如，如果附图中的装置翻转，则描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件将定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示例性用语“在... 下方”可包含在...之上和在...下方两个方向。

本文中使用的用辞仅用于描述具体实施方式的目的，并不旨在限制本申请。如在本文中使用的，除非上下文中明确地另有指示，否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。如在本文中使用的，用语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。诸如“...中的至少一个”的表述当出现在元件的列表之后时，修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下结合具体实施方式进一步描述本申请。

图1示出了根据本申请的一个实施方式的体外支承系统的整体立体图。该体外支承系统为无动力随行辅助支承式体外支承系统。如图 1所示，该体外支承系统处于站立姿态，即，处于穿戴在站立的使用者身上的状态。如图1所示，体外支承系统包括肩部组件1、背部组件2、髋部组件3、膝部组件4和脚部组件5。在该体外支承系统的穿戴状态下，肩部组件1位于使用者的背后。肩部组件1的上部位于使用者的肩部上，与使用者身上的负载接合以承载该负载，其中，该负载例如为铅衣。肩部组件1的下部与背部组件2接合，以将载荷传递至背部组件2。

背部组件2附接至使用者的腰部，例如通过带粘扣带的绑带附接至使用者的腰部。背部组件2的宽度可调节，以更好地适应不同体型的使用者。背部组件2还设置有铰接件，使得体外支承系统的位于背部组件2下方的左右侧各组件可同时旋转，从而便于使用者快速穿戴该体外支承系统。

背部组件2下部联接至髋部组件3，以将负载传递至髋部组件3。另外，髋部组件3包括储能装置。髋部组件3可处于站立状态和就座状态，在站立状态，该储能装置通过调节其预紧力储存使用者在身体移动时骨盆和髋关节伸展产生的能量，并同样在使用者的身体进行相反方向的移动时，释放该能量，从而减轻使用者的负荷。在处于就座姿态时，髋部组件3的储能装置可设置为脱离接合，从而便于就座。

髋部组件3在下方联接至膝部组件4，以将负载传递至膝部组件4。膝部组件4包括储能装置。膝部组件4可处于站立行走状态和就座状态。在站立行走状态，该储能装置储存使用者在身体移动时膝关节伸展产生的能量，并在膝关节弯曲时，释放该能量，从而辅助膝关节弯曲，以减轻使用者的负荷。在处于就座姿态时，膝部组件4的储能装置保持储能，从而便于就座。

膝部组件4在下方联接至脚部组件5，以将负载传递至脚部组件5。脚部组件5包括储能装置。脚部组件5与使用者的脚步联接，并将所有负载传递至地面。脚部组件5可处于行走状态和站立状态。在行走状态，脚部组件5的储能装置在使用者的小腿绕脚踝向前摆动时存储能量。在站立状态下，脚部组件5的储能装置释放能量，以辅助使用者保持小腿直立，从而进一步降低使用者行走和站立时的负荷。

图2示出了根据本申请实施方式的肩部组件1的局部立体图。如图1所示，肩部组件1包括肩部托11和背部杆12。肩部托11通常为两个，在穿戴状态下分别位于使用者的双肩上，并且与使用者身上的诸如铅衣的负载接合，从而传递使用者需要承载的负荷。背部件12与肩部托11接合，以将肩部托11上的负荷通过背部件12传递至该体外支承系统的其余部分。在该实施方式中，背部件12为杆状件，以简化结构，减轻自重。背部件12通常位于使用者背部，从而避免妨碍使用者的操作。然而，可设想的是，在一些实施方式中，背部件12也可设置在使用者的胸前。

图3示出了根据本申请实施方式的背部组件2的局部立体图。从图3中可看出，肩部组件1的背部杆12从上方与背部组件2接合，从而传递负荷。背部杆12与背部组件2的接合是可调节的，使得肩部组件1的肩部托11与背部组件2距离可调节，以便适合不同体型的使用者。

如图3所示，背部组件2包括背部板21、铰接件22和紧固件23。背部组件2的宽度可通过调整紧固件23进行调节，从而适应不同体型的使用者，以提高适用性。在图3所示的实施方式中，背部板21中具有通孔阵列，可通过将紧固件23紧固在通孔阵列中的不同通孔来调整背部板21的宽度。可设想的是，可采用任何其他适用的机构来实现背部板21宽度的可调节性，而不超出本申请的保护范围。

背部组件2通过铰接件22与髋部组件3的骨盆托31联接。铰接件22设置成使得骨盆托31可绕铰接件22的铰接轴线枢转，从而带动髋部组件3、膝部组件4和脚部组件5枢转。这使得整个体外支承系统可对于使用者“打开”和“闭合”，从而使得使用者更容易穿戴该体外支承系统。

另外，铰接件22与髋部组件3的骨盆托31之间采用可调节式联接，使得可调节背部板21与骨盆托31之间的距离，以适应适应不同体型的使用者，从而提高适用性。在图3所示的实施方式中，铰接件 22与髋部组件3的骨盆托31通过长型孔联接，从而实现背部板21与骨盆托31之间距离的可调节性。

图4示出了根据本申请实施方式的髋部组件3的局部立体图。如图4所示，髋部组件3处于站立状态。为了清楚地示出该实施方式中的髋部组件3的具体结构，在图4中髋部组件处于打开状态。髋部组件3包括骨盆托31、骨盆锁32、中间盘33、大腿支腿34、储能装置 310和骨盆锁轴37。

骨盆托31通过骨盆锁轴37与骨盆锁32联接。在该站立状态下，骨盆锁32锁定骨盆托31和中间盘33，以及骨盆托31和大腿支腿34 绕中心轴39旋转。

在该实施方式中，储能装置310包括涡轮35、蜗杆36和扭转弹簧38。储能装置310位于大腿支腿34中。扭转弹簧38设置成围绕中心轴39，并与涡轮35接合，以由涡轮35驱动或驱动涡轮35，从而储存或释放能量。蜗杆36设置在大腿支腿34中，且与涡轮35接合，从而彼此驱动。

在初次穿戴该体外支承系统时，使用者可调节36蜗杆，以调节预紧力，从而使使用者感受到背部板21有通过骨盆和髋关节的适当弹力。使用者可遵循由小到大的原则来调节预紧力，从而确定使使用者在重心在矢状面前后转移过程中感受到适度的推弹力。

图5示出了根据本申请实施方式的髋部组件3的局部立体图。如图5所示，髋部组件3处于就座状态。与图4类似，为了清楚地示出该实施方式中的髋部组件3的具体结构，在图5中髋部组件处于打开状态。在该实施方式中，在将体外支承系统从站立姿态转换至就座姿态之前，使用者按压骨盆锁32，从而使骨盆锁轴37从骨盆托31脱出，从而使骨盆托31与中间盘33分离。在这种情况下，诸如大腿支腿34 的组件可绕绕中心轴39旋转自由旋转。

图6示出了根据本申请实施方式的膝部组件4的局部立体图。如图6所示，膝部组件4处于站立状态。在该实施方式中，膝部组件4 包括大腿支杆41、上部膝关节42、膝关节铰接件43、下部膝关节44、储能装置45、小腿支杆46、上部膝关节储能装置座47和下部膝关节储能装置座48。在该实施方式中，储能装置为拉伸弹簧。

膝部组件4通过大腿支杆41与髋部组件3中的大腿支腿43联接，从而将负载传递至膝部组件4。上部膝关节42通过膝关节铰接件43 与下部膝关节44联接，并绕膝关节铰接件43转动。拉伸弹簧45配置成在站立姿态下，通过上部膝关节储能装置座47和下部膝关节储能装置座48拉紧并弹性固定上部膝关节42与下部膝关节44。在行走状态下，拉伸弹簧45辅助膝关节弯曲。

图7示出了根据本申请实施方式的膝部组件4的局部立体图。如图7所示，膝部组件4处于就座状态。在该实施方式中，在就座状态下，拉伸弹簧45绕过膝关节铰接件43，将膝部组件4弯曲成图7所示的就座弯曲形态，同时保持拉紧和弹性固定。

图8示出了根据本申请实施方式的脚部组件5。如图8所示，脚部组件5包括小腿支腿51、储能装置座52、储能装置53、脚托54、脚托支架挡块55、绑带座56、脚托储能装置挡块57。在该实施方式中，储能装置为扭转弹簧。

在穿戴过程中，使用者只需将鞋套在脚托54内，并通过绑带56 固定即可穿戴好脚部组件5。

如上所述，脚部组件5可处于行走状态和站立状态。在行走状态，脚部组件5的扭转弹簧53在使用者的小腿绕脚踝向前摆动时存储能量。在站立状态下，脚部组件5的扭转弹簧53释放能量，以辅助使用者保持小腿直立，从而进一步降低使用者行走和站立时的负荷。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

虽然已经描述了本发明的优选示例，但是本领域技术人员可根据已知的基本发明构思对这些示例进行各种变型或修改。所附的权利要求旨在被认为包括优选的示例以及落入本发明的范围中的所有变型或修改。

显然，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对本发明进行各种变型或修改。因此，如果这些变型或修改属于权利要求和等同技术的范围，则它们也可落入本发明的范围中。

附图标记的说明

1 肩部组件

2 背部组件

3 髋部组件

4 膝部组件

5 脚部组件

11 肩部托

12 背部杆

21 背部板

22 铰接件

23 紧固件

31 骨盆托

32 骨盆锁

33 中间盘

34 大腿支腿

310 储能装置

35 涡轮

36 蜗杆

37 骨盆锁轴

38 扭转弹簧

39 中心轴

41 大腿支杆

42 上部膝关节

43 膝关节铰接件

44 下部膝关节

45 储能装置

46 小腿支杆

47 上部膝关节储能装置座

48 下部膝关节储能装置座

51 小腿支腿

52 储能装置座

53 储能装置

54 脚托

55 脚托支架挡块

56 绑带座

57 脚托储能装置挡块。

Claims (10)

1.一种体外支承系统，包括：肩部组件、背部组件、髋部组件、膝部组件和脚部组件，所述肩部组件与所述使用者的负载接合，各个组件联接成传递所述使用者的负载，

其中，所述髋部组件包括第一储能装置，所述第一储能装置储存所述使用者在移动身体时通过骨盆和髋关节伸展产生的能量，并在所述使用者的身体进行相反方向的移动时释放所储存的能量。

2.根据权利要求1所述的体外支承系统，其中，所述膝部组件包括第二储能装置，所述第二储能装置在所述使用者移动身体时储存膝关节伸展产生的能量，并在所述膝关节弯曲时释放所储存的能量。

3.根据权利要求1所述的体外支承系统，其中，所述脚部组件包括第三储能装置，所述第三储能装置在所述使用者的小腿绕脚踝向前摆动时存储能量，在站立状态下释放所储存的能量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的体外支承系统，其中，所述肩部组件能够调节地联接至所述背部组件，以调节所述肩部组件与所述背部组件之间的距离。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的体外支承系统，其中，所述背部组件包括铰接件，所述铰接件与所述髋部组件联接，使得所述背部组件能够围绕所述铰接件左右摆动。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的体外支承系统，其中，所述背部组件能够调节地联接至所述髋部组件，以调节所述背部组件与所述髋部组件之间的距离。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的体外支承系统，其中，所述第一储能装置包括涡轮、蜗杆和扭转弹簧，所述扭转弹簧设置成围绕所述髋部组件的中心轴，并与所述涡轮接合，以驱动所述涡轮。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的体外支承系统，其中，所述第二储能装置在站立姿态下，通过所述膝部组件的上部膝关节储能装置座和下部膝关节储能装置座拉紧并弹性固定所述膝部组件的上部膝关节与下部膝关节，以及在行走状态下，所述第二储能装置释放能量以辅助膝关节弯曲。

9.根据权利要求3所述的体外支承系统，其中，所述第三储能装置在所述使用者的小腿绕脚踝向前摆动时存储能量，在站立状态下所述第三储能装置释放能量。

10.一种制造体外支承系统的方法，包括：

将肩部组件、背部组件、髋部组件、膝部组件和脚部组件联接成传递所述使用者的负载；

将所述肩部组件设置成能够与使用者的负载接合；

将所述髋部组件设置为包括第一储能装置，所述第一储能装置储存所述使用者在移动身体时通过骨盆和髋关节伸展产生的能量，并在所述使用者的身体进行相反方向的移动时释放所储存的能量。

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