CN115157216A - 一种运动自适应负重助力下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动自适应负重助力下肢外骨骼，包括腰部组件、腿部组件和踝关节组件；腰部组件中腰部第一旋转件通过第一纵向转动件与腰部主板连接，腰部第二旋转件和腰部第一支撑杆通过第一竖向转动件连接，腰部第三旋转件和腰部第二支撑杆通过第二纵向转动件连接；腿部组件中大腿杆上活动套设有大腿绑缚机构，小腿杆上活动套设有小腿绑缚机构；踝关节组件中踝关节连接件通过球轴承与踝关节主体进行周向360°的转动连接。本发明能满足人体髋关节和踝关节的屈/伸、内旋/外旋和外展/内收运动的三自由度运动，以及膝关节的屈伸运动，同时能够提高人体腿部外旋/内旋时人体与外骨骼的协同性，从而提高穿戴的舒适性和运动灵活性。

Description

一种运动自适应负重助力下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体涉及一种运动自适应负重助力下肢外骨骼。

背景技术

负重助力外骨骼是一种穿戴于人体，协同人体运动并提供助力的辅助装置，可广泛应用于军事、消防、救灾和登山等需要背负沉重物资，而车辆无法到达的复杂环境情况。负重助力外骨骼可帮助人体携带更多物资，提升人体耐力，缩短物资运输时间，减轻重物对人体的负担，特别是降低长期负重对人体腰部和下肢关节的影响，具有广泛的市场前景。负重助力外骨骼虽然能够辅助人体背负更多物资，但距离实际应用仍然具有很多挑战，如灵活性和舒适度，负重助力外骨骼应避免在实际运动中阻碍人体，造成不好的体验感。

负重助力下肢外骨骼是一种穿戴于人体下肢的外骨骼，人体下肢关节结构复杂，如申请号为CN202011455996.7的发明专利申请中公开了一种下肢外骨骼助力器，包括大腿连接件；小腿连接件；足底支撑件；大腿连接件和小腿连接件在与佩戴者膝关节相应的位置转动连接，小腿支撑件和足底支撑件在与佩戴者踝关节相应的位置转动连接；大腿连接件和小腿连接件的转动连接处设有第一扭簧，还设有用于感知大腿连接件和小腿连接件之间夹角变化的角度传感器；第一扭簧两端分别固定在大腿连接件和小腿连接件上；足底支撑件上设有第二扭簧；第一扭簧连接有调节机构，调节机构由能够处理角度传感器反馈信号的控制件控制，可调节第一扭簧的松紧程度，上述下肢外骨骼可对佩戴者进行助力，结构简单、整体重量较轻，提高了可穿戴性，但是上述下肢外骨骼仅仅只能满足膝关节和踝关节的屈伸运动，整体穿戴的灵活性较差，用户体验感也较差。

包括具有屈/伸、内旋/外旋和外展/内收运动的三自由度的髋关节和踝关节，以及被简化为只有屈/伸运动的单自由度膝关节，外骨骼应满足同构设计思想，在负重前行时，保持各关节的运动灵活性与稳定性，提升用户的体验感。因此，有必要研究各关节的合理布局，并设置相应的弹性装置来提升外骨骼的整体性能。

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：如何提供一种能满足人体髋关节和踝关节的屈/伸、内旋/外旋和外展/内收运动的三自由度运动，以及膝关节的屈伸运动，同时能够提高人体腿部外旋/内旋时人体与外骨骼的协同性，从而提高穿戴的舒适性和运动灵活性的运动自适应负重助力下肢外骨骼。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种运动自适应负重助力下肢外骨骼，包括腰部组件、腿部组件和踝关节组件；

所述腰部组件包括腰部主板，在所述腰部主板上沿轴向方向的两侧对称设有腰部第一旋转件，所述腰部第一旋转件通过第一纵向转动件与所述腰部主板转动连接，以与髋关节的内旋和外旋运动相适应，在所述腰部第一旋转件远离其连接所述腰部主板的一端连接有腰部第一支撑杆，所述腰部第一支撑杆远离其连接所述腰部第一旋转件的一端设有腰部第二旋转件，所述腰部第二旋转件和所述腰部第一支撑杆之间通过第一竖向转动件进行转动连接，以与髋关节的内收和外展运动相适应，所述腰部第二旋转件远离其连接所述腰部第一支撑杆的一端沿纵向方向向前延伸并连接有腰部第二支撑杆，所述腰部第二支撑杆远离其连接所述腰部第二旋转件的一端设有腰部第三旋转件，所述腰部第三旋转件和所述腰部第二支撑杆之间通过第二纵向转动件进行转动连接，所述腰部第三旋转件包括上旋转件和下旋转件，所述上旋转件通过所述第二纵向转动件与所述腰部第二支撑杆转动连接，所述上旋转件和所述下旋转件通过第一轴向转动件进行转动连接，以与髋关节的屈伸运动相适应；

所述腿部组件包括大腿杆和小腿杆，所述大腿杆一端与所述下旋转件固定连接，所述大腿杆的另一端与所述小腿杆之间通过第二轴向转动件转动连接，以与膝关节的屈伸运动相适应，在所述大腿杆上活动套设有大腿绑缚机构，以使得所述大腿绑缚机构能够在所述大腿杆上竖向滑动和转动，在所述小腿杆上活动套设有小腿绑缚机构，以使得所述小腿绑缚机构能够在所述小腿杆上竖向滑动和转动；

所述踝关节组件包括踝关节主体和踝关节连接件，所述踝关节连接件与所述小腿杆固定连接，且所述踝关节连接件通过球轴承与所述踝关节主体进行周向360°的转动连接，以与踝关节的三自由度运动相适应。

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。且本方案中的初始状态为人体直立时的状态，即初始状态时人体膝关节的弯曲角度为0°。

本发明的工作原理是：本方案的运动自适应负重助力下肢外骨骼在使用时，通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将该下肢外骨骼穿戴在人体下肢。在运动过程中，腰部第一旋转件和腰部主板通过第一纵向转动件进行转动连接，可以与人体髋关节的内旋和外旋运动相适应，腰部第一支撑杆和腰部第二旋转件之间通过第一竖向转动件进行转动连接，可以与人体髋关节的内收和外展运动相适应，上旋转件和下旋转件之间通过第一轴向转动件进行转动连接，可以与人体髋关节的屈伸运动相适应，由此实现髋关节屈/伸、内旋/外旋和外展/内收的三自由度运动，此外，为了进一步提高下肢外骨骼的穿戴的灵活性，在上旋转件和腰部第二支撑杆之间通过第二纵向转动件增加一个旋转自由度，由此可以提高人体腿部外展/内收时人体与下肢外骨骼的协同性；而对于踝关节的三自由度运动，通过将踝关节连接件和踝关节主体之间采用球轴承进行360°的周向转动连接，来满足踝关节的三自由度运动；而对于膝关节的屈伸运动，通过将大腿杆和小腿杆采用第二轴向转动件进行转动连接，以满足膝关节的屈伸运动，另外，将大腿绑缚机构和小腿绑缚机构分别活动连接在大腿杆和小腿杆上，即大腿和小腿的绑缚机构均采用非固定的安装方式，实现大腿绑缚机构和小腿绑缚机构在大腿杆和小腿杆上的滑动和转动，由此可以减少或避免人机运动过程中绑缚机构与人体腿部之间的摩擦，提高人体腿部外旋/内旋时人体与下肢外骨骼的协同性。

综上，本方案能够满足人体髋关节和踝关节的屈/伸、内旋/外旋和外展/内收运动的三自由度运动，以及膝关节的屈伸运动，同时能够提高人体腿部外旋/内旋时人体与外骨骼的协同性，从而提高穿戴的舒适性和运动灵活性。

优选的，所述腰部主板沿纵向方向的前侧设有前侧盖板，所述前侧盖板和所述腰部主板之间固定连接，所述腰部主板沿纵向方向的后侧设有两个第一安装座，两个所述第一安装座沿轴向方向布置在所述腰部主板的两侧并与对应位置的所述腰部主板固定连接，所述腰部第一旋转件与对应侧的所述第一安装座通过所述第一纵向转动件进行转动连接。

这样，第一纵向转动件可以采用快拆结构形式的转动连接件，由此可以实现腰部第一旋转件和腰部主板之间的快速装拆和调节，同时第一纵向转动件的连接方式可以实现第一安装座和腰部第一旋转件之间的转动连接，以与人体髋关节的外展和内收运动相适应。

优选的，所述腰部第一支撑杆的一端与所述腰部第一旋转件固定连接，所述腰部第一支撑杆远离其连接所述腰部第一旋转件的一端设有第二安装座，所述第二安装座与所述腰部第二旋转件之间通过所述第一竖向转动件进行转动连接，所述腰部第二旋转件远离其连接所述第二安装座的一端与所述腰部第二支撑杆固定连接。

这样，腰部第一支撑杆通过第二安装座与腰部第二旋转件进行连接，且第二安装座和腰部第二旋转件之间通过第一竖向转动件进行转动连接，以与人体髋关节的内旋和外旋运动相适应。

优选的，在所述上旋转件上沿纵向方向开设有贯穿所述上旋转件的通孔，所述通孔内设有滚针轴承，所述上旋转件通过所述滚针轴承与所述腰部第二支撑杆转动连接，在所述上旋转件的纵向两侧还分别设有与所述上旋转件抵接的前部卡件和后部卡件，所述前部卡件和所述后部卡件均套设在所述腰部第二支撑杆上，以对所述上旋转件进行纵向尺寸的调节和限位；

在所述下旋转件上用于与所述上旋转件连接的一侧开设有安装凹槽，在所述安装凹槽处沿轴向方向开设有贯穿所述下旋转件的第一安装孔，所述上旋转件靠近所述下旋转件的一端伸入所述安装凹槽内，且所述上旋转件在初始状态与所述安装凹槽沿纵向方向后侧的槽壁相抵，在所述上旋转件伸入所述安装凹槽的位置沿轴向方向开设有贯穿所述上旋转件的第一连接孔，所述第一轴向转动件穿过所述第一安装孔和所述第一连接孔，以实现所述下旋转件和所述上旋转件的转动连接。

这样，上旋转件与腰部第二支撑杆之间通过滚针轴承进行转动连接，以此增加一个旋转自由度，提高人体腿部外展/内收时人体与下肢外骨骼的协同性，同时上旋转件通过前部卡件和后部卡件对其进行纵向尺寸的调节和限位。同时，通过在下旋转件上开设安装凹槽，并使得上旋转件在初始状态与所述安装凹槽沿纵向方向后侧的槽壁相抵，这样通过安装凹槽对髋关节的伸展运动进行限制，以更好地进行力学传递。

优选的，所述运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括缓冲辅助组件，所述缓冲辅助组件包括缓冲主体件、推杆和压簧，所述缓冲主体件靠近所述下旋转件的一端与所述下旋转件固定连接，所述压簧设于所述缓冲主体内，所述推杆靠近所述腰部第二旋转件的一端与所述腰部第二旋转件固定连接，所述推杆远离其连接所述腰部第二旋转件的一端滑动伸入所述缓冲主体件内并与所述压簧抵接，在所述推杆伸出所述缓冲主体件的位置还套设有盖板，所述盖板与所述缓冲主体件固定连接，且所述压簧在初始状态时为压缩状态。

这样，缓冲辅助组件中的压簧在静止站立时为压缩状态，在向前伸展时为放松状态，这样就使得本方案的下肢外骨骼在与上肢外骨骼配合背负重物时，缓冲辅助组件能够有效防止重物上下波动对人体造成的不间断冲击影响，由此可以降低人体关节受到的损伤，同时在前行过程中，压簧还能够辅助人体髋关节前向屈曲，从而缓解肌肉疲劳。

优选的，所述腿部组件还包括第一旋转件和第二旋转件，所述第一旋转件的外形轮廓呈凸轮状，且所述第一旋转件的一端与所述大腿杆固定连接，所述第一旋转件远离其连接所述大腿杆的一端通过所述第二轴向转动件与所述第二旋转件转动连接，所述第二旋转件远离其连接所述第一旋转件的一端与所述小腿杆固定连接，且所述大腿杆、所述小腿杆、所述第一旋转件和所述第二旋转件均为空心结构。

这样，第一旋转件和大腿杆连接，第二旋转件和小腿杆连接，然后利用第二轴向转动件将第一旋转件和第二旋转件进行转动连接，由此实现与人体膝关节屈伸运行相适应的效果。同时第一旋转件的凸轮状结构设计，使得第一旋转件和第二旋转件为轴心偏置式结构，由此可防止膝关节在重物力矩作用下轻易弯曲。

优选的，所述运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括内部助力组件，所述内部助力组件安装在所述腿部组件的空心结构内，且所述内部助力组件包括第一助力弹簧、第二助力弹簧和第一钢丝拉绳，所述第一助力弹簧的一端与所述大腿杆固定连接，所述第一助力弹簧的另一端与所述第一钢丝拉绳连接，所述第一钢丝拉绳远离其连接所述第一助力弹簧的一端跨过所述第一旋转件的凸轮状轮廓后与所述第二助力弹簧的一端连接，所述第二助力弹簧远离其连接所述第一钢丝拉绳的一端与所述小腿杆固定连接。

这样，膝关节屈曲运动时，第一旋转件和第二旋转件相对转动，内部第一钢丝拉绳沿第一旋转件的凸轮轮廓走线，使得内部第一助力弹簧和第二助力弹簧受力拉伸变形，且第一助力弹簧和第二助力弹簧在0~60度缓慢拉伸，60度之后快速拉伸，第一助力弹簧和第二助力弹簧拉伸储能，且第一助力弹簧和第二助力弹簧的弹性势能随膝关节屈曲角度增加而增加；在膝关节伸展运动时，第一助力弹簧和第二助力弹簧恢复原长，释放弹性势能，辅助膝关节伸展，实现助力效果。

优选的，所述运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括外部助力组件，所述外部助力组件包括第一固定件、第二固定件、第三助力弹簧和第二钢丝拉绳，所述第一固定件和所述第二固定件沿竖向方向分别固定在所述大腿杆上，且所述第一固定件和所述第二固定件之间通过外部连接件进行连接，所述第三助力弹簧的一端连接在所述第一固定件上，所述第三助力弹簧的另一端与所述第二钢丝拉绳连接，在所述第一旋转件和所述第二旋转件上分别沿竖向方向开设有第一线槽和第二线槽，所述第二钢丝拉绳远离其连接所述第三助力弹簧的一端依次穿过所述第一线槽和所述第二线槽后与所述第二旋转件连接。

这样，为了增大膝关节辅助效果，同时减小第一助力弹簧和第二助力弹簧的安装难度，本方案引入外部助力组件，当膝关节弯曲时，利用外部助力组件中的第三助力弹簧和内部助力组件中的第一、第二助力弹簧同时拉伸以进行蓄能，而在膝关节伸展时，三个助力弹簧则同时释放能量，帮助膝关节伸展，从而增大对膝关节的助力效果。

优选的，在所述大腿杆上固定连接有第三安装座，所述第三安装座上固定连接有第一双头螺柱，所述第一双头螺柱上连接有第一铝套件，所述第一助力弹簧远离其连接所述第一钢丝拉绳的一端与所述第一铝套件连接；

在所述小腿杆上固定连接有第四安装座，所述第四安装座上固定连接有第二双头螺柱，所述第二双头螺柱上连接有第二铝套件，所述第二助力弹簧远离其连接所述第一钢丝拉绳的一端与所述第二铝套件连接；

在所述第一固定件上连接有第三铝套件，所述第三助力弹簧远离其连接所述第二钢丝拉绳的一端与所述第三铝套件连接。

优选的，所述大腿绑缚机构包括大腿前侧绑缚件和大腿主体绑缚件，所述大腿主体绑缚件活动套设在所述大腿杆上，所述大腿主体绑缚件和所述大腿前侧绑缚件通过第二竖向转动件转动连接，以使得所述大腿主体绑缚件和所述大腿前侧绑缚件能够相对转动，在所述大腿前侧绑缚件上还设有第五安装座，所述第五安装座上安装有大腿锁紧旋扣，所述大腿锁紧旋扣上连接有大腿织线，以使得所述大腿锁紧旋扣转动时能够带动所述大腿织线伸长或缩短，所述大腿织线远离其连接所述大腿锁紧旋扣的一端固定连接在所述大腿主体绑缚件上，以通过所述大腿锁紧旋扣的转动实现所述大腿前侧绑缚件和所述大腿主体绑缚件的锁紧连接。

这样，大腿主体绑缚件和大腿前侧绑缚件通过第二竖向转动件转动连接，使得大腿主体绑缚件和大腿前侧绑缚件能够相对转动来满足不同人体大腿处的穿戴需求，同时当穿戴完成后，通过旋转大腿锁紧旋扣，使得大腿织线缩短，以实现将大腿绑缚机构穿戴在人体大腿的目的。同时，当穿戴该下肢外骨骼进行重物背负时，大腿的大面积绑缚还可抵消背部重物对下肢外骨骼产生的不利力矩。

优选的，所述小腿绑缚机构包括两个小腿前侧绑缚件和小腿主体绑缚件，所述小腿主体绑缚件活动套设在所述小腿杆上，两个所述小腿前侧绑缚件分别设置在所述小腿主体绑缚件的两侧，所述小腿主体绑缚件和所述小腿前侧绑缚件通过第三竖向转动件转动连接，以使得所述小腿主体绑缚件和所述小腿前侧绑缚件能够相对转动，在其中一个所述小腿前侧绑缚件上还设有第六安装座，所述第六安装座上安装有小腿锁紧旋扣，所述小腿锁紧旋扣上连接有小腿织线，以使得所述小腿锁紧旋扣转动时能够带动所述小腿织线伸长或缩短，所述小腿织线远离其连接所述小腿锁紧旋扣的一端固定连接在另一个所述小腿前侧绑缚件上，以通过所述小腿锁紧旋扣的转动实现所述小腿前侧绑缚件和所述小腿主体绑缚件的锁紧连接。

这样，小腿绑缚机构整体采用三段式的连接结构，其中，小腿主体绑缚件和小腿前侧绑缚件通过第三竖向转动件转动连接，使得小腿主体绑缚件和小腿前侧绑缚件能够相对转动来满足不同人体小腿处的穿戴需求，同时当穿戴完成后，通过旋转小腿锁紧旋扣，使得小腿织线缩短，以实现将小腿绑缚机构穿戴在人体小腿的目的。同时，当穿戴该下肢外骨骼进行重物背负时，小腿的大面积绑缚还可抵消背部重物对下肢外骨骼产生的不利力矩。

优选的，所述大腿杆包括大腿上杆和大腿下杆，所述大腿上杆的上端用于与所述下旋转件固定连接，所述大腿下杆的下端用于与所述第一旋转件连接，所述大腿上杆的下端沿其长度方向开设有大腿滑动槽，在所述大腿滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述大腿上杆的大腿连接孔，在所述大腿下杆的上端沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述大腿下杆的大腿安装孔，所述大腿下杆滑动伸入到所述大腿滑动槽内，以使得所述大腿安装孔能够与不同位置的所述大腿连接孔对应，且所述大腿安装孔与对应位置的所述大腿连接孔通过大腿紧固件进行连接；

所述小腿杆包括小腿上杆和小腿下杆，所述小腿上杆的上端用于与所述第二旋转件连接，所述小腿下杆的下端用于与所述踝关节组件连接，所述小腿下杆的上端沿其长度方向开设有小腿滑动槽，在所述小腿滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述小腿下杆的小腿连接孔，在所述小腿上杆的下端沿其长度方向分布有多个轴向贯穿所述小腿上杆的小腿安装孔，所述小腿上杆滑动伸入到所述小腿滑动槽内，以使得所述小腿安装孔能够与不同位置的所述小腿连接孔对应，且所述小腿安装孔与对应位置的所述小腿连接孔通过小腿紧固件进行连接。

这样，当需要调节大腿杆的整体长度时，将大腿下杆沿大腿滑动槽滑动，使得大腿下杆上的大腿安装孔与大腿上杆上不同位置的大腿连接孔进行对应，然后再通过大腿紧固件将大腿安装孔和大腿连接孔进行连接固定，由此达到调整大腿杆整体长度的目的。

当需要调节小腿杆的整体长度时，将小腿上杆沿小腿滑动槽滑动，使得小腿上杆上的小腿安装孔与小腿下杆上不同位置的小腿连接孔进行对应，然后再通过小腿紧固件将小腿安装孔和小腿连接孔进行连接固定，由此达到调整小腿杆整体长度的目的。

由此，通过对大腿杆和小腿杆整体长度的调整，可以使得该外骨骼更好的与不同穿戴者的腿部尺寸相适应，由此进一步提高穿戴的舒适性，更好的满足不同穿戴者的穿戴需求。

与现有技术相比，本方案具有以下优点：

1、本方案的下肢外骨骼具有人机关节运动同构和自适应相容的功能：其中腰部第一旋转件适应人体髋关节的内旋外旋自由度，腰部第二旋转件适应人体髋关节的内收外展自由度，腰部第三旋转件适应人体髋关节的屈伸自由度；第一、第二旋转件适应人体膝关节的屈伸自由度；球轴承适应人体踝关节的趾屈/背屈、内旋/外旋和外摆/内收三自由度。同时，髋关节屈伸自由度和内收外展自由度的轴线相交于一点，且髋关节内旋外旋自由度与髋关节另外两个自由度的轴线未相交于一点。为了增加髋关节的运动灵活性，本发明在下肢外骨骼与人体接触的大腿绑缚机构和小腿绑缚机构处创新性地采用非固定设计，此设计可以保证大腿绑缚机构和小腿绑缚机构分别在大腿杆和小腿杆上滑动和转动，以弥补下肢外骨骼的髋关节因内旋外旋自由度与人体髋关节不重合引起的运动偏差。此外，本方案下肢外骨骼的膝关节处采用凸轮式偏置轴心设计，以适配人体膝关节的变轴心结构，而人体膝关节内部结构难以确定，因此下肢外骨骼膝关节与人体膝关节在运动时仍会存在轴心偏差，从而引起关节错位，本发明在外骨骼与人体接触的大腿绑缚机构和小腿绑缚机构创新性地采用非固定设计，并采用分段式设计，大腿绑缚采用两段式设计，小腿绑缚采用三段式设计，可适配不同人群的腿部轮廓，此大腿绑缚机构和小腿绑缚机构的设计可保证人体腿部与下肢外骨骼的紧密接触，并且大腿和小腿绑缚机构可以分别在大腿杆和小腿杆上滑动，避免在运动过程中因外骨骼膝关节转动中心与人体膝关节转动中心不匹配发生人体与外骨骼之间的持续摩擦现象，从而造成绑缚松动，最后影响助力效果，同时大腿和小腿部分的大面积绑缚可抵消背部重物对外骨骼产生的不利力矩。最后，本发明的下肢外骨骼踝关节处采用球轴承设计，以满足踝关节的三自由度需求，人体踝关节主要进行趾屈/背屈运动，应尽量避免外摆/内收，以免造成踝关节扭伤，因此，本发明虽采用具有三自由度的球轴承关节，但采用防外摆的结构设计，保证踝关节在运动过程中的安全。

2、本发明的下肢外骨骼对人体膝关节具有被动助力的效果。从人体负重姿态分析可知，人体负重时，上半身倾斜角度随着背负重物重量的增加而增加。为实现被动式助力，本发明在与髋关节的屈伸运动相适应的腰部第三旋转件处取消向后的伸展自由度，保证静态站立时，重物重力可传递至腰部第三旋转件处的限位面，以最后传递至人体下肢和地面。此外，本发明在腰部第三旋转件和腰部第二旋转件之间设置了缓冲辅助组件，在静态站立时，压簧处于压缩状态，在髋关节前向屈曲时，压簧逐渐恢复原长；缓冲辅助组件可有效缓冲运动过程中因重物与人体重心上下波动频率不一致引起的冲击，提升减重效果；同时在髋关节屈曲时，压簧恢复原长，释放弹性势能，辅助人体髋关节屈曲，减少腿部肌肉用力，缓解肌肉疲劳。另外，本发明在膝关节处采用偏置轴心设计，可形成一定的力臂，降低膝关节在重物重力作用下发生弯曲的可能性。同时，膝关节的内部采用双助力弹簧的设计，最大限度地利用两端杆件空间，同时保证了膝关节满足人体正常运动时的屈曲角度，而为了降低内部助力弹簧安装的难度，同时为了增大膝关节辅助效果与力传递性能，本发明在膝关节的前侧还设置了易安装的外部助力组件，配合内部的双助力弹簧的结构，在膝关节弯曲时均被动拉伸，储能弹性势能，在膝关节伸展时，释放弹性势能，实现对膝关节的被动式助力。同时，外部采用较大刚度的弹簧助力结构，可进一步确保膝关节在重物重力作用下保持直立的静态稳定状态，提升力学传递性能。

3、本发明在踝关节处采用球轴承连接，并采用蜂窝状结构设计，且整体选用柔性材料进行3D打印制作，在人机系统接触地面瞬间，可缓冲地面给予人体的地面支反力，降低人体踝关节受到的冲击力。此外，踝关节还采用防内收的宽大外支撑设计，可防止踝关节发生偶然性扭伤。

4、本方案的下肢外骨骼各部分采用模块化设计并能够实现快速调节的效果。本发明采用模块化设计，具体可分为腰部组件、腿部组件和踝关节组件。实际穿戴时，腰部主板与腰部组件通过第一纵向转动件连接为背部整体；腿部组件通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构实现下肢外骨骼与人体之间的连接，并通过特定的旋扣实现快速调节与拆卸；腿部组件与腰部组件整体通过双头螺柱实现快速连接与拆卸，腰部组件与腿部组件连接的管件开设有均匀的通孔，通过按压双头螺柱可实现快速调节；同理，腿部组件与踝关节组件通过双头螺柱实现快速连接和拆卸，踝关节组件与腿部组件连接的管件开设有均匀的通孔，通过按压双头螺柱可实现快速调节；踝关节组件与人体踝关节通过卡扣实现快速穿戴与解脱，并通过特定的卡扣机构实现调节功能。

5、本方案的下肢外骨骼在负重前行时，重物对于人体的负担一部分能够经过大腿和小腿绑缚机构分散至人体下肢腿部，另一部分还能够经过下肢外骨骼结构传递至地面，从而减轻重物对人体的负担，实现有效传递重物重量，减少人体关节和肌肉受到损伤的目的。

附图说明

图1为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼的结构示意图；

图2为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中腰部组件和缓冲辅助组件的前侧结构示意图；

图3为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中腰部组件和缓冲辅助组件的后侧结构示意图；

图4为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中腰部组件和缓冲辅助组件连接处的局部剖视图；

图5为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中腿部组件的后侧结构示意图；

图6为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中腿部组件的前侧结构示意图；

图7为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中腿部组件的剖视图；

图8为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中大腿绑缚机构的结构示意图；

图9为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中小腿绑缚机构的结构示意图；

图10为本发明运动自适应负重助力下肢外骨骼中踝关节组件和小腿杆连接处的爆炸示意图。

附图标记说明：腰部组件1、腰部主板101、前侧盖板102、腰部第一旋转件103、腰部第一支撑杆104、第二安装座105、第一竖向转动件106、腰部第二旋转件107、腰部第二支撑杆108、上旋转件109、下旋转件110、第一轴向转动件111、前部卡件112、后部卡件113、第一纵向转动件114、第一安装座115、腿部组件2、大腿杆201、小腿杆202、第二旋转件203、第二线槽2031、第一旋转件204、第一线槽2041、第二轴向转动件205、踝关节组件3、踝关节连接件301、球轴承302、踝关节主体303、大腿绑缚机构4、大腿主体绑缚件401、大腿前侧绑缚件402、大腿锁紧旋扣403、大腿织线404、小腿绑缚机构5、小腿主体绑缚件501、小腿前侧绑缚件502、小腿锁紧旋扣503、小腿织线504、缓冲辅助组件6、缓冲主体件601、压簧602、盖板603、紧固件604、推杆605、外部助力组件7、第一固定件701、外部连接件702、第二固定件703、第三助力弹簧704、第二钢丝拉绳705、内部助力组件8、第一助力弹簧801、第一钢丝拉绳802、第二助力弹簧803、第二铝套件804、第一铝套件805。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如附图1到附图10所示，一种运动自适应负重助力下肢外骨骼，包括腰部组件1、腿部组件2和踝关节组件3；

腰部组件1包括腰部主板101，在腰部主板101上沿轴向方向的两侧对称设有腰部第一旋转件103，腰部第一旋转件103通过第一纵向转动件114与腰部主板101转动连接，以与髋关节的内旋和外旋运动相适应，在腰部第一旋转件103远离其连接腰部主板101的一端连接有腰部第一支撑杆104，腰部第一支撑杆104远离其连接腰部第一旋转件103的一端设有腰部第二旋转件107，腰部第二旋转件107和腰部第一支撑杆104之间通过第一竖向转动件106进行转动连接，以与髋关节的内收和外展运动相适应，腰部第二旋转件107远离其连接腰部第一支撑杆104的一端沿纵向方向向前延伸并连接有腰部第二支撑杆108，腰部第二支撑杆108远离其连接腰部第二旋转件107的一端设有腰部第三旋转件，腰部第三旋转件和腰部第二支撑杆108之间通过第二纵向转动件进行转动连接，腰部第三旋转件包括上旋转件109和下旋转件110，上旋转件109通过第二纵向转动件与腰部第二支撑杆108转动连接，上旋转件109和下旋转件110通过第一轴向转动件111进行转动连接，以与髋关节的屈伸运动相适应；

腿部组件2包括大腿杆201和小腿杆202，大腿杆201一端与下旋转件110固定连接，大腿杆201的另一端与小腿杆202之间通过第二轴向转动件205转动连接，以与膝关节的屈伸运动相适应，在大腿杆201上活动套设有大腿绑缚机构4，以使得大腿绑缚机构4能够在大腿杆201上竖向滑动和转动，在小腿杆202上活动套设有小腿绑缚机构5，以使得小腿绑缚机构5能够在小腿杆202上竖向滑动和转动；

踝关节组件3包括踝关节主体303和踝关节连接件301，踝关节连接件301与小腿杆202固定连接，且踝关节连接件301通过球轴承302与踝关节主体303进行周向360°的转动连接，以与踝关节的三自由度运动相适应。

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。且本方案中的初始状态为人体直立时的状态，即初始状态时人体膝关节的弯曲角度为0°。

本发明的工作原理是：本方案的运动自适应负重助力下肢外骨骼在使用时，通过大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5将该下肢外骨骼穿戴在人体下肢。在运动过程中，腰部第一旋转件103和腰部主板101通过第一纵向转动件114进行转动连接，可以与人体髋关节的内旋和外旋运动相适应，腰部第一支撑杆104和腰部第二旋转件107之间通过第一竖向转动件106进行转动连接，可以与人体髋关节的内收和外展运动相适应，上旋转件109和下旋转件110之间通过第一轴向转动件111进行转动连接，可以与人体髋关节的屈伸运动相适应，由此实现髋关节屈/伸、内旋/外旋和外展/内收的三自由度运动，此外，为了进一步提高下肢外骨骼的穿戴的灵活性，在上旋转件109和腰部第二支撑杆108之间通过第二纵向转动件增加一个旋转自由度，由此可以提高人体腿部外展/内收时人体与下肢外骨骼的协同性；而对于踝关节的三自由度运动，通过将踝关节连接件301和踝关节主体303之间采用球轴承302进行360°的周向转动连接，来满足踝关节的三自由度运动；而对于膝关节的屈伸运动，通过将大腿杆201和小腿杆202采用第二轴向转动件205进行转动连接，以满足膝关节的屈伸运动，另外，将大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5分别活动连接在大腿杆201和小腿杆202上，即大腿和小腿的绑缚机构均采用非固定的安装方式，实现大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5在大腿杆201和小腿杆202上的滑动和转动，由此可以减少或避免人机运动过程中绑缚机构与人体腿部之间的摩擦，提高人体腿部外旋/内旋时人体与下肢外骨骼的协同性。

综上，本方案能够满足人体髋关节和踝关节的屈/伸、内旋/外旋和外展/内收运动的三自由度运动，以及膝关节的屈伸运动，同时能够提高人体腿部外旋/内旋时人体与外骨骼的协同性，从而提高穿戴的舒适性和运动灵活性。

在本实施例中，腰部主板101沿纵向方向的前侧设有前侧盖板102，前侧盖板102和腰部主板101之间固定连接，腰部主板101沿纵向方向的后侧设有两个第一安装座115，两个第一安装座115沿轴向方向布置在腰部主板101的两侧并与对应位置的腰部主板101固定连接，腰部第一旋转件103与对应侧的第一安装座115通过第一纵向转动件114进行转动连接。

这样，第一纵向转动件114可以采用快拆结构形式的转动连接件，由此可以实现腰部第一旋转件103和腰部主板101之间的快速装拆和调节，同时第一纵向转动件114的连接方式可以实现第一安装座115和腰部第一旋转件103之间的转动连接，以与人体髋关节的外展和内收运动相适应。

在本实施例中，腰部第一支撑杆104的一端与腰部第一旋转件103固定连接，腰部第一支撑杆104远离其连接腰部第一旋转件103的一端设有第二安装座105，第二安装座105与腰部第二旋转件107之间通过第一竖向转动件106进行转动连接，腰部第二旋转件107远离其连接第二安装座105的一端与腰部第二支撑杆108固定连接。

这样，腰部第一支撑杆104通过第二安装座105与腰部第二旋转件107进行连接，且第二安装座105和腰部第二旋转件107之间通过第一竖向转动件106进行转动连接，以与人体髋关节的内旋和外旋运动相适应。

在本实施例中，在上旋转件109上沿纵向方向开设有贯穿上旋转件109的通孔，通孔内设有滚针轴承，上旋转件109通过滚针轴承与腰部第二支撑杆108转动连接，在上旋转件109的纵向两侧还分别设有与上旋转件109抵接的前部卡件112和后部卡件113，前部卡件112和后部卡件113均套设在腰部第二支撑杆108上，以对上旋转件109进行纵向尺寸的调节和限位；

在下旋转件110上用于与上旋转件109连接的一侧开设有安装凹槽，在安装凹槽处沿轴向方向开设有贯穿下旋转件110的第一安装孔，上旋转件109靠近下旋转件110的一端伸入安装凹槽内，且上旋转件109在初始状态与安装凹槽沿纵向方向后侧的槽壁相抵，在上旋转件109伸入安装凹槽的位置沿轴向方向开设有贯穿上旋转件109的第一连接孔，第一轴向转动件111穿过第一安装孔和第一连接孔，以实现下旋转件110和上旋转件109的转动连接。

这样，上旋转件109与腰部第二支撑杆108之间通过滚针轴承进行转动连接，以此增加一个旋转自由度，提高人体腿部外展/内收时人体与下肢外骨骼的协同性，同时上旋转件109通过前部卡件112和后部卡件113对其进行纵向尺寸的调节和限位。同时，通过在下旋转件110上开设安装凹槽，并使得上旋转件109在初始状态与安装凹槽沿纵向方向后侧的槽壁相抵，这样通过安装凹槽对髋关节的伸展运动进行限制，以更好地进行力学传递。

在本实施例中，运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括缓冲辅助组件6，缓冲辅助组件6包括缓冲主体件601、推杆605和压簧602，缓冲主体件601靠近下旋转件110的一端与下旋转件110固定连接，压簧602设于缓冲主体内，推杆605靠近腰部第二旋转件107的一端与腰部第二旋转件107固定连接，推杆605远离其连接腰部第二旋转件107的一端滑动伸入缓冲主体件601内并与压簧602抵接，在推杆605伸出缓冲主体件601的位置还套设有盖板603，盖板603与缓冲主体件601通过紧固件604进行固定连接，且压簧602在初始状态时为压缩状态。

这样，缓冲辅助组件6中的压簧602在静止站立时为压缩状态，在向前伸展时为放松状态，这样就使得本方案的下肢外骨骼在与上肢外骨骼配合背负重物时，缓冲辅助组件6能够有效防止重物上下波动对人体造成的不间断冲击影响，由此可以降低人体关节受到的损伤，同时在前行过程中，压簧602还能够辅助人体髋关节前向屈曲，从而缓解肌肉疲劳。

在本实施例中，腿部组件2还包括第一旋转件204和第二旋转件203，第一旋转件204的外形轮廓呈凸轮状，且第一旋转件204的一端与大腿杆201固定连接，第一旋转件204远离其连接大腿杆201的一端通过第二轴向转动件205与第二旋转件203转动连接，第二旋转件203远离其连接第一旋转件204的一端与小腿杆202固定连接，且大腿杆201、小腿杆202、第一旋转件204和第二旋转件203均为空心结构。

这样，第一旋转件204和大腿杆201连接，第二旋转件203和小腿杆202连接，然后利用第二轴向转动件205将第一旋转件204和第二旋转件203进行转动连接，由此实现与人体膝关节屈伸运行相适应的效果。同时第一旋转件204的凸轮状结构设计，使得第一旋转件204和第二旋转件203为轴心偏置式结构，由此可防止膝关节在重物力矩作用下轻易弯曲。

在本实施例中，运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括内部助力组件8，内部助力组件8安装在腿部组件2的空心结构内，且内部助力组件8包括第一助力弹簧801、第二助力弹簧803和第一钢丝拉绳802，第一助力弹簧801的一端与大腿杆201固定连接，第一助力弹簧801的另一端与第一钢丝拉绳802连接，第一钢丝拉绳802远离其连接第一助力弹簧801的一端跨过第一旋转件204的凸轮状轮廓后与第二助力弹簧803的一端连接，第二助力弹簧803远离其连接第一钢丝拉绳802的一端与小腿杆202固定连接。

这样，膝关节屈曲运动时，第一旋转件204和第二旋转件203相对转动，内部第一钢丝拉绳802沿第一旋转件204的凸轮轮廓走线，使得内部第一助力弹簧801和第二助力弹簧803受力拉伸变形，且第一助力弹簧801和第二助力弹簧803在0~60度缓慢拉伸，60度之后快速拉伸，第一助力弹簧801和第二助力弹簧803拉伸储能，且第一助力弹簧801和第二助力弹簧803的弹性势能随膝关节屈曲角度增加而增加；在膝关节伸展运动时，第一助力弹簧801和第二助力弹簧803恢复原长，释放弹性势能，辅助膝关节伸展，实现助力效果。

在本实施例中，运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括外部助力组件7，外部助力组件7包括第一固定件701、第二固定件703、第三助力弹簧704和第二钢丝拉绳705，第一固定件701和第二固定件703沿竖向方向分别固定在大腿杆201上，且第一固定件701和第二固定件703之间通过外部连接件702进行连接，第三助力弹簧704的一端连接在第一固定件701上，第三助力弹簧704的另一端与第二钢丝拉绳705连接，在第一旋转件204和第二旋转件203上分别沿竖向方向开设有第一线槽2041和第二线槽2031，第二钢丝拉绳705远离其连接第三助力弹簧704的一端依次穿过第一线槽2041和第二线槽2031后与第二旋转件203连接。

这样，为了增大膝关节辅助效果，同时减小第一助力弹簧801和第二助力弹簧803的安装难度，本方案引入外部助力组件7，当膝关节弯曲时，利用外部助力组件7中的第三助力弹簧704和内部助力组件8中的第一、第二助力弹簧803同时拉伸以进行蓄能，而在膝关节伸展时，三个助力弹簧则同时释放能量，帮助膝关节伸展，从而增大对膝关节的助力效果。

在本实施例中，在大腿杆201上固定连接有第三安装座，第三安装座上固定连接有第一双头螺柱，第一双头螺柱上连接有第一铝套件805，第一助力弹簧801远离其连接第一钢丝拉绳802的一端与第一铝套件805连接；

在小腿杆202上固定连接有第四安装座，第四安装座上固定连接有第二双头螺柱，第二双头螺柱上连接有第二铝套件804，第二助力弹簧803远离其连接第一钢丝拉绳802的一端与第二铝套件804连接；

在第一固定件701上连接有第三铝套件，第三助力弹簧704远离其连接第二钢丝拉绳705的一端与第三铝套件连接。

在本实施例中，大腿绑缚机构4包括大腿前侧绑缚件402和大腿主体绑缚件401，大腿主体绑缚件401活动套设在大腿杆201上，大腿主体绑缚件401和大腿前侧绑缚件402通过第二竖向转动件转动连接，以使得大腿主体绑缚件401和大腿前侧绑缚件402能够相对转动，在大腿前侧绑缚件402上还设有第五安装座，第五安装座上安装有大腿锁紧旋扣403，大腿锁紧旋扣403上连接有大腿织线404，以使得大腿锁紧旋扣403转动时能够带动大腿织线404伸长或缩短，大腿织线404远离其连接大腿锁紧旋扣403的一端固定连接在大腿主体绑缚件401上，以通过大腿锁紧旋扣403的转动实现大腿前侧绑缚件402和大腿主体绑缚件401的锁紧连接。

这样，大腿主体绑缚件401和大腿前侧绑缚件402通过第二竖向转动件转动连接，使得大腿主体绑缚件401和大腿前侧绑缚件402能够相对转动来满足不同人体大腿处的穿戴需求，同时当穿戴完成后，通过旋转大腿锁紧旋扣403，使得大腿织线404缩短，以实现将大腿绑缚机构4穿戴在人体大腿的目的。同时，当穿戴该下肢外骨骼进行重物背负时，大腿的大面积绑缚还可抵消背部重物对下肢外骨骼产生的不利力矩。

在本实施例中，小腿绑缚机构5包括两个小腿前侧绑缚件502和小腿主体绑缚件501，小腿主体绑缚件501活动套设在小腿杆202上，两个小腿前侧绑缚件502分别设置在小腿主体绑缚件501的两侧，小腿主体绑缚件501和小腿前侧绑缚件502通过第三竖向转动件转动连接，以使得小腿主体绑缚件501和小腿前侧绑缚件502能够相对转动，在其中一个小腿前侧绑缚件502上还设有第六安装座，第六安装座上安装有小腿锁紧旋扣503，小腿锁紧旋扣503上连接有小腿织线504，以使得小腿锁紧旋扣503转动时能够带动小腿织线504伸长或缩短，小腿织线504远离其连接小腿锁紧旋扣503的一端固定连接在另一个小腿前侧绑缚件502上，以通过小腿锁紧旋扣503的转动实现小腿前侧绑缚件502和小腿主体绑缚件501的锁紧连接。

这样，小腿主体绑缚件501和小腿前侧绑缚件502通过第三竖向转动件转动连接，使得小腿主体绑缚件501和小腿前侧绑缚件502能够相对转动来满足不同人体小腿处的穿戴需求，同时当穿戴完成后，通过旋转小腿锁紧旋扣503，使得小腿织线504缩短，以实现将小腿绑缚机构5穿戴在人体小腿的目的。同时，当穿戴该下肢外骨骼进行重物背负时，小腿的大面积绑缚还可抵消背部重物对下肢外骨骼产生的不利力矩。

在本实施例中，大腿杆201包括大腿上杆和大腿下杆，大腿上杆的上端用于与下旋转件110固定连接，大腿下杆的下端用于与第一旋转件204连接，大腿上杆的下端沿其长度方向开设有大腿滑动槽，在大腿滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿大腿上杆的大腿连接孔，在大腿下杆的上端沿其长度方向分布有多个轴向贯穿大腿下杆的大腿安装孔，大腿下杆滑动伸入到大腿滑动槽内，以使得大腿安装孔能够与不同位置的大腿连接孔对应，且大腿安装孔与对应位置的大腿连接孔通过大腿紧固件进行连接；

小腿杆202包括小腿上杆和小腿下杆，小腿上杆的上端用于与第二旋转件203连接，小腿下杆的下端用于与踝关节组件3连接，小腿下杆的上端沿其长度方向开设有小腿滑动槽，在小腿滑动槽的侧壁上沿其长度方向分布有多个轴向贯穿小腿下杆的小腿连接孔，在小腿上杆的下端沿其长度方向分布有多个轴向贯穿小腿上杆的小腿安装孔，小腿上杆滑动伸入到小腿滑动槽内，以使得小腿安装孔能够与不同位置的小腿连接孔对应，且小腿安装孔与对应位置的小腿连接孔通过小腿紧固件进行连接。

这样，当需要调节大腿杆201的整体长度时，将大腿下杆沿大腿滑动槽滑动，使得大腿下杆上的大腿安装孔与大腿上杆上不同位置的大腿连接孔进行对应，然后再通过大腿紧固件将大腿安装孔和大腿连接孔进行连接固定，由此达到调整大腿杆201整体长度的目的。

当需要调节小腿杆202的整体长度时，将小腿上杆沿小腿滑动槽滑动，使得小腿上杆上的小腿安装孔与小腿下杆上不同位置的小腿连接孔进行对应，然后再通过小腿紧固件将小腿安装孔和小腿连接孔进行连接固定，由此达到调整小腿杆202整体长度的目的。

由此，通过对大腿杆201和小腿杆202整体长度的调整，可以使得该外骨骼更好的与不同穿戴者的腿部尺寸相适应，由此进一步提高穿戴的舒适性，更好的满足不同穿戴者的穿戴需求。

与现有技术相比，本方案的下肢外骨骼具有人机关节运动同构和自适应相容的功能：其中腰部第一旋转件103适应人体髋关节的内旋外旋自由度，腰部第二旋转件107适应人体髋关节的内收外展自由度，腰部第三旋转件适应人体髋关节的屈伸自由度；第一、第二旋转件203适应人体膝关节的屈伸自由度；球轴承302适应人体踝关节的趾屈/背屈、内旋/外旋和外摆/内收三自由度。同时，髋关节屈伸自由度和内收外展自由度的轴线相交于一点，且髋关节内旋外旋自由度与髋关节另外两个自由度的轴线未相交于一点。为了增加髋关节的运动灵活性，本发明在下肢外骨骼与人体接触的大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5处创新性地采用非固定设计，此设计可以保证大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5分别在大腿杆201和小腿杆202上滑动和转动，以弥补下肢外骨骼的髋关节因内旋外旋自由度与人体髋关节不重合引起的运动偏差。此外，本方案下肢外骨骼的膝关节处采用凸轮式偏置轴心设计，以适配人体膝关节的变轴心结构，而人体膝关节内部结构难以确定，因此下肢外骨骼膝关节与人体膝关节在运动时仍会存在轴心偏差，从而引起关节错位，本发明在外骨骼与人体接触的大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5创新性地采用非固定设计，并采用分段式设计，大腿绑缚采用两段式设计，小腿绑缚采用三段式设计，可适配不同人群的腿部轮廓，此大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5的设计可保证人体腿部与下肢外骨骼的紧密接触，并且大腿和小腿绑缚机构5可以分别在大腿杆201和小腿杆202上滑动，避免在运动过程中因外骨骼膝关节转动中心与人体膝关节转动中心不匹配发生人体与外骨骼之间的持续摩擦现象，从而造成绑缚松动，最后影响助力效果，同时大腿和小腿部分的大面积绑缚可抵消背部重物对外骨骼产生的不利力矩。最后，本发明的下肢外骨骼踝关节处采用球轴承302设计，以满足踝关节的三自由度需求，人体踝关节主要进行趾屈/背屈运动，应尽量避免外摆/内收，以免造成踝关节扭伤，因此，本发明虽采用具有三自由度的球轴承302关节，但采用防外摆的结构设计，保证踝关节在运动过程中的安全。本发明的下肢外骨骼对人体膝关节具有被动助力的效果。从人体负重姿态分析可知，人体负重时，上半身倾斜角度随着背负重物重量的增加而增加。为实现被动式助力，本发明在与髋关节的屈伸运动相适应的腰部第三旋转件处取消向后的伸展自由度，保证静态站立时，重物重力可传递至腰部第三旋转件处的限位面，以最后传递至人体下肢和地面。此外，本发明在腰部第三旋转件和腰部第二旋转件107之间设置了缓冲辅助组件6，在静态站立时，压簧602处于压缩状态，在髋关节前向屈曲时，压簧602逐渐恢复原长；缓冲辅助组件6可有效缓冲运动过程中因重物与人体重心上下波动频率不一致引起的冲击，提升减重效果；同时在髋关节屈曲时，压簧602恢复原长，释放弹性势能，辅助人体髋关节屈曲，减少腿部肌肉用力，缓解肌肉疲劳。另外，本发明在膝关节处采用偏置轴心设计，可形成一定的力臂，降低膝关节在重物重力作用下发生弯曲的可能性。同时，膝关节的内部采用双助力弹簧的设计，最大限度地利用两端杆件空间，同时保证了膝关节满足人体正常运动时的屈曲角度，而为了降低内部助力弹簧安装的难度，同时为了增大膝关节辅助效果与力传递性能，本发明在膝关节的前侧还设置了易安装的外部助力组件7，配合内部的双助力弹簧的结构，在膝关节弯曲时均被动拉伸，储能弹性势能，在膝关节伸展时，释放弹性势能，实现对膝关节的被动式助力。同时，外部采用较大刚度的弹簧助力结构，可进一步确保膝关节在重物重力作用下保持直立的静态稳定状态，提升力学传递性能。本发明在踝关节处采用球轴承302连接，并采用蜂窝状结构设计，且整体选用柔性材料进行3D打印制作，在人机系统接触地面瞬间，可缓冲地面给予人体的地面支反力，降低人体踝关节受到的冲击力。此外，踝关节还采用防内收的宽大外支撑设计，可防止踝关节发生偶然性扭伤。本方案的下肢外骨骼各部分采用模块化设计并能够实现快速调节的效果。本发明采用模块化设计，具体可分为腰部组件1、腿部组件2和踝关节组件3。实际穿戴时，腰部主板101与腰部组件1通过第一纵向转动件114连接为背部整体；腿部组件2通过大腿绑缚机构4和小腿绑缚机构5实现下肢外骨骼与人体之间的连接，并通过特定的旋扣实现快速调节与拆卸；腿部组件2与腰部组件1整体通过双头螺柱实现快速连接与拆卸，腰部组件1与腿部组件2连接的管件开设有均匀的通孔，通过按压双头螺柱可实现快速调节；同理，腿部组件2与踝关节组件3通过双头螺柱实现快速连接和拆卸，踝关节组件3与腿部组件2连接的管件开设有均匀的通孔，通过按压双头螺柱可实现快速调节；踝关节组件3与人体踝关节通过卡扣实现快速穿戴与解脱，并通过特定的卡扣机构实现调节功能。本方案的下肢外骨骼在负重前行时，重物对于人体的负担一部分能够经过大腿和小腿绑缚机构5分散至人体下肢腿部，另一部分还能够经过下肢外骨骼结构传递至地面，从而减轻重物对人体的负担，实现有效传递重物重量，减少人体关节和肌肉受到损伤的目的。

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)

1.一种运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，包括腰部组件、腿部组件和踝关节组件；

所述腰部组件包括腰部主板，在所述腰部主板上沿轴向方向的两侧对称设有腰部第一旋转件，所述腰部第一旋转件通过第一纵向转动件与所述腰部主板转动连接，以与髋关节的内旋和外旋运动相适应，在所述腰部第一旋转件远离其连接所述腰部主板的一端连接有腰部第一支撑杆，所述腰部第一支撑杆远离其连接所述腰部第一旋转件的一端设有腰部第二旋转件，所述腰部第二旋转件和所述腰部第一支撑杆之间通过第一竖向转动件进行转动连接，以与髋关节的内收和外展运动相适应，所述腰部第二旋转件远离其连接所述腰部第一支撑杆的一端沿纵向方向向前延伸并连接有腰部第二支撑杆，所述腰部第二支撑杆远离其连接所述腰部第二旋转件的一端设有腰部第三旋转件，所述腰部第三旋转件和所述腰部第二支撑杆之间通过第二纵向转动件进行转动连接，所述腰部第三旋转件包括上旋转件和下旋转件，所述上旋转件通过所述第二纵向转动件与所述腰部第二支撑杆转动连接，所述上旋转件和所述下旋转件通过第一轴向转动件进行转动连接，以与髋关节的屈伸运动相适应；

所述腿部组件包括大腿杆和小腿杆，所述大腿杆一端与所述下旋转件固定连接，所述大腿杆的另一端与所述小腿杆之间通过第二轴向转动件转动连接，以与膝关节的屈伸运动相适应，在所述大腿杆上活动套设有大腿绑缚机构，以使得所述大腿绑缚机构能够在所述大腿杆上竖向滑动和转动，在所述小腿杆上活动套设有小腿绑缚机构，以使得所述小腿绑缚机构能够在所述小腿杆上竖向滑动和转动；

所述踝关节组件包括踝关节主体和踝关节连接件，所述踝关节连接件与所述小腿杆固定连接，且所述踝关节连接件通过球轴承与所述踝关节主体进行周向360°的转动连接，以与踝关节的三自由度运动相适应。

2.根据权利要求1所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述腰部主板沿纵向方向的前侧设有前侧盖板，所述前侧盖板和所述腰部主板之间固定连接，所述腰部主板沿纵向方向的后侧设有两个第一安装座，两个所述第一安装座沿轴向方向布置在所述腰部主板的两侧并与对应位置的所述腰部主板固定连接，所述腰部第一旋转件与对应侧的所述第一安装座通过内嵌锁紧螺母和所述第一纵向转动件进行转动连接。

3.根据权利要求2所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述腰部第一支撑杆的一端与所述腰部第一旋转件固定连接，所述腰部第一支撑杆远离其连接所述腰部第一旋转件的一端设有第二安装座，所述第二安装座与所述腰部第二旋转件之间通过所述第一竖向转动件进行转动连接，所述腰部第二旋转件远离其连接所述第二安装座的一端与所述腰部第二支撑杆固定连接。

4.根据权利要求3所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，在所述上旋转件上沿纵向方向开设有贯穿所述上旋转件的通孔，所述通孔内设有滚针轴承，所述上旋转件通过所述滚针轴承与所述腰部第二支撑杆转动连接，在所述上旋转件的纵向两侧还分别设有与所述上旋转件抵接的前部卡件和后部卡件，所述前部卡件和所述后部卡件均套设在所述腰部第二支撑杆上，以对所述上旋转件进行纵向尺寸的调节和限位；

在所述下旋转件上用于与所述上旋转件连接的一侧开设有安装凹槽，在所述安装凹槽处沿轴向方向开设有贯穿所述下旋转件的第一安装孔，所述上旋转件靠近所述下旋转件的一端伸入所述安装凹槽内，且所述上旋转件在初始状态与所述安装凹槽沿纵向方向后侧的槽壁相抵，在所述上旋转件伸入所述安装凹槽的位置沿轴向方向开设有贯穿所述上旋转件的第一连接孔，所述第一轴向转动件穿过所述第一安装孔和所述第一连接孔，以实现所述下旋转件和所述上旋转件的转动连接。

5.根据权利要求4所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括缓冲辅助组件，所述缓冲辅助组件包括缓冲主体件、推杆和压簧，所述缓冲主体件靠近所述下旋转件的一端与所述下旋转件固定连接，所述压簧设于所述缓冲主体内，所述推杆靠近所述腰部第二旋转件的一端与所述腰部第二旋转件固定连接，所述推杆远离其连接所述腰部第二旋转件的一端滑动伸入所述缓冲主体件内并与所述压簧抵接，在所述推杆伸出所述缓冲主体件的位置还套设有盖板，所述盖板与所述缓冲主体件固定连接，且所述压簧在初始状态时为压缩状态。

6.根据权利要求5所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述腿部组件还包括第一旋转件和第二旋转件，所述第一旋转件的外形轮廓呈凸轮状，且所述第一旋转件的一端与所述大腿杆固定连接，所述第一旋转件远离其连接所述大腿杆的一端通过所述第二轴向转动件与所述第二旋转件转动连接，所述第二旋转件远离其连接所述第一旋转件的一端与所述小腿杆固定连接，且所述大腿杆、所述小腿杆、所述第一旋转件和所述第二旋转件均为空心结构。

7.根据权利要求6所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括内部助力组件，所述内部助力组件安装在所述腿部组件的空心结构内，且所述内部助力组件包括第一助力弹簧、第二助力弹簧和第一钢丝拉绳，所述第一助力弹簧的一端与所述大腿杆固定连接，所述第一助力弹簧的另一端与所述第一钢丝拉绳连接，所述第一钢丝拉绳远离其连接所述第一助力弹簧的一端跨过所述第一旋转件的凸轮状轮廓后与所述第二助力弹簧的一端连接，所述第二助力弹簧远离其连接所述第一钢丝拉绳的一端与所述小腿杆固定连接。

8.根据权利要求7所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述运动自适应负重助力下肢外骨骼还包括外部助力组件，所述外部助力组件包括第一固定件、第二固定件、第三助力弹簧和第二钢丝拉绳，所述第一固定件和所述第二固定件沿竖向方向分别固定在所述大腿杆上，且所述第一固定件和所述第二固定件之间通过外部连接件进行连接，所述第三助力弹簧的一端连接在所述第一固定件上，所述第三助力弹簧的另一端与所述第二钢丝拉绳连接，在所述第一旋转件和所述第二旋转件上分别沿竖向方向开设有第一线槽和第二线槽，所述第二钢丝拉绳远离其连接所述第三助力弹簧的一端依次穿过所述第一线槽和所述第二线槽后与所述第二旋转件连接。

9.根据权利要求8所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，在所述大腿杆上固定连接有第三安装座，所述第三安装座上固定连接有第一双头螺柱，所述第一双头螺柱上连接有第一铝套件，所述第一助力弹簧远离其连接所述第一钢丝拉绳的一端与所述第一铝套件连接；

在所述小腿杆上固定连接有第四安装座，所述第四安装座上固定连接有第二双头螺柱，所述第二双头螺柱上连接有第二铝套件，所述第二助力弹簧远离其连接所述第一钢丝拉绳的一端与所述第二铝套件连接；

在所述第一固定件上连接有第三铝套件，所述第三助力弹簧远离其连接所述第二钢丝拉绳的一端与所述第三铝套件连接。

10.根据权利要求9所述的运动自适应负重助力下肢外骨骼，其特征在于，所述大腿绑缚机构包括大腿前侧绑缚件和大腿主体绑缚件，所述大腿主体绑缚件活动套设在所述大腿杆上，所述大腿主体绑缚件和所述大腿前侧绑缚件通过第二竖向转动件转动连接，以使得所述大腿主体绑缚件和所述大腿前侧绑缚件能够相对转动，在所述大腿前侧绑缚件上还设有第五安装座，所述第五安装座上安装有大腿锁紧旋扣，所述大腿锁紧旋扣上连接有大腿织线，以使得所述大腿锁紧旋扣转动时能够带动所述大腿织线伸长或缩短，所述大腿织线远离其连接所述大腿锁紧旋扣的一端固定连接在所述大腿主体绑缚件上，以通过所述大腿锁紧旋扣的转动实现所述大腿前侧绑缚件和所述大腿主体绑缚件的锁紧连接；

所述小腿绑缚机构包括两个小腿前侧绑缚件和小腿主体绑缚件，所述小腿主体绑缚件活动套设在所述小腿杆上，两个所述小腿前侧绑缚件分别设置在所述小腿主体绑缚件的两侧，所述小腿主体绑缚件和所述小腿前侧绑缚件通过第三竖向转动件转动连接，以使得所述小腿主体绑缚件和所述小腿前侧绑缚件能够相对转动，在其中一个所述小腿前侧绑缚件上还设有第六安装座，所述第六安装座上安装有小腿锁紧旋扣，所述小腿锁紧旋扣上连接有小腿织线，以使得所述小腿锁紧旋扣转动时能够带动所述小腿织线伸长或缩短，所述小腿织线远离其连接所述小腿锁紧旋扣的一端固定连接在另一个所述小腿前侧绑缚件上，以通过所述小腿锁紧旋扣的转动实现所述小腿前侧绑缚件和所述小腿主体绑缚件的锁紧连接。

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