CN115741644A - 一种基于模块化的负重无源外骨骼装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，包括由上至下依次设置的上肢助力组件、背部基础组件、髋部助力组件和下肢助力组件；上肢助力组件包括肩部弯杆模块、手部助力模块和用以连接两者的柔性连接件；背部基础组件包括背板、固定装置、安装在背板上的背带组件和设置于背板下部的腰带；髋部助力组件包括骨盆枕、髋部接头和髋部连接器；下肢助力组件包括大腿助力模块、膝部助力模块和脚部助力模块。本装置结构简单，使用方便，通过多种助力模块配合减轻操作者的负担，提高工作效率，同时可以增强用户的力量和耐力，并通过保护用户免受外部冲击来降低受伤风险，有效地适配不同劳动强度的工程工作场景。

Description

一种基于模块化的负重无源外骨骼装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种基于模块化的负重无源外骨骼装置及其使用方法。

背景技术

一般来说，外骨骼是一种靠近动物身体表层并覆盖在身体外部的皮肤附属物，它可以由刚性结构制成。有鉴于此，最近开发出可穿戴在人体上的外骨骼装置，用于运输、工业和军事用途，通过减轻操作者的负担，提高工作效率，防止受伤。用于增强用户的力量和耐力，并通过保护用户免受外部冲击来降低受伤风险。

现有的外骨骼装置通过模仿人体骨骼结构设计为佩戴在人体上，由无弹性且强度高的材料制成，并且将笔直的直构件应用于脊柱，大腿、手臂等，在髋关节、肘部、膝盖等部位应用旋转构件。在解剖学上，人体的轴分为X轴、Y轴、Z轴，X轴是从背部到腹部的前后轴方向， Y轴为穿过左右肩的左右轴方向，Z轴为从脚到头的上下轴方向此时的X-Z平面是将人体等分为左右对称的平面，称为矢状面，Y-Z平面是与正中平面成直角并延伸的垂直平面左右。称为额面，X-Y面是分别垂直于中矢状面和额面的平面。另外，在解剖学上，自由度是关节允许的多个独立运动方向，例如肘关节和膝关节可以在矢状面内旋转，所以自由度为1、腕关节可以在矢状面和额面旋转，所以有2个自由度，肩关节、髋关节、椎骨有3个自由度。参照这样的解剖轴和自由度，人体不仅会做绕人体Z轴对称的运动，例如左右肩前屈、后背，还会使人体X运动。就像高尔夫挥杆运动一样。扭转运动可以在由X 、Y 和 Z 三个轴组成的三维空间中进行，而这种运动是可能的，因为每个椎骨都有 3 个自由度。

作为与外骨骼装置相关的现有技术，现有技术一公开了一种支撑躯干的外骨骼，其形状为在脊椎向前方向的屈曲动作期间减小穿戴者背部的肌肉力。然而，现有技术二中，由于椎骨由单一的直部件构成，多个骨头通过椎间盘连接到多个关节，能够进行扭转操作和3度自由度 由于椎骨的实际操作存在一个问题，即实际操作是不可能的。现有技术三中公开了一种具有机器人外骨骼的步行辅助装置，该机器人外骨骼可以支撑和辅助行动不便的残疾用户并且可以以正常的步行动作移动。然而，在现有技术中，不能通过在腰椎中安装直线构件来进行腰椎中央部的旋转操作。此外，现有技术四中还公开了一种人体下肢公开了一种外骨骼装置，它可以佩戴在下半身，支撑腿部，连接大腿，并允许膝关节伸展。现有技术在中央安装旋转构件和左右腰椎的一部分虽然被形成为具有骨盆结构，但由于它具有1个自由度，因此存在与肩部，腰部的人体实际行走运动不匹配的问题，导致脊椎和骨盆在行走时向中轴的左右方向进行不对称的扭转运动。因此，当佩戴在人体上时，它会左右转动，走路不自然。

综上，现有技术的外骨骼装置佩戴在人体上时，人体的实际操作受到限制，关节的自由度降低，行为变得不自然。现有的外骨骼大多功能单一，只针对某一个部位或者操作，造成使用不便，效果不佳，但如果功能复杂，则设备庞大。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，为了解决上述的技术问题，即本发明公开一种基于模块化的负重无源外骨骼装置及其使用方法，结构简单且使用方便，通过多种助力模块来配合减轻操作者的负担，提高工作效率，降低受伤风险，有效地适配不同劳动强度的工程工作场景。

本发明的具体实施方案是这样构成的，它包括由上至下依次设置的上肢助力组件、背部基础组件、髋部助力组件和下肢助力组件；所述上肢助力组件包括肩部弯杆模块、手部助力模块和用以连接两者的柔性连接件；背部基础组件包括背板、至少一个设置于背板上且用以连接肩部弯杆模块的固定装置、安装在背板上的背带组件和设置于背板下部的腰带；髋部助力组件包括骨盆枕、用以将骨盆枕和背板相连接的髋部接头和用以将骨盆枕、下肢助力组件相连接的髋部连接器；下肢助力组件包括大腿助力模块、膝部助力模块和脚部助力模块；所述大腿助力模块包括用以与髋部连接器连接的股连杆以及设置于股连杆下端的缓冲组件；所述膝部助力模块包括上端与缓冲组件连接的膝部接头，所述膝部接头下端设有胫骨部段，该胫骨部段上设有膝部带环；所述脚部助力模块包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板与第二支撑板上端分别与胫骨部段连接，所述第一支撑板与第二支撑板下端之间设有支撑件。

进一步的，所述柔性连接件为具有一定弹性的手部助力带，所述手部助力模块包括手套，手部助力带一端与肩部弯杆模块连接，手部助力带另一端与手套连接。

进一步的，所述肩部弯杆模块包括可替换的肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件；肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件包括肩部直立段以及设置于肩部直立段上方的肩部弯杆件。

进一步的，所述固定装置包括用以固定在背板上的第一固定部件和用以与第一固定部件固连的第二固定部件，所述第一固定部件与第二固定部件可拆连接，所述第一固定部件和第二固定部件内侧均设有半圆形槽孔，两个半圆形槽孔闭合形成用以固定肩部弯杆模块的锁付空间。

进一步的，所述背板靠近使用者背部的一侧设有背部软垫。

进一步的，髋部接头为模块化接头，其包括固定安装在背板上的第一部件以及安装在髋部接头上的第二部件，所述第一部件与第二部件卡接配合；所述第二部件上设有U型固定槽，第一部件为固定凸起，固定凸起沿第二部件的U型固定槽卡入并固定。

进一步的，基于模块化的负重无源外骨骼装置的使用方法，操作者通过穿戴上肢助力组件、背部基础组件、髋部助力组件和下肢助力组件来实现辅助支撑，分散受力进行负荷再分配，减轻脊柱受迫，从而保持正确的姿势，以适合不同高度、不同距离的重物搬运，降低劳动强度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置设计合理，构造简单，使用方便，通过对外骨骼装置进行模块化组合，被佩戴在人体外部以支撑人体，同时支撑人体运动所需的力并提供更高的自由度；通过背部基础模块、肩部助力模块、髋部助力模块和下肢助力组件的巧妙组合，配合使用柔性连接和弹性元件储能的方式，在针对不同工况时分别给手部和背部肌肉卸载，进行负荷再分配，减轻脊柱受迫，保持正确的姿势，以适合不同高度、不同距离的重物搬运，降低劳动强度。

附图说明

图1为本发明实施例外骨骼模块示意图。

图2为本发明实施例外骨骼模块背部示意图。

图3为本发明实施例外骨骼模块背部基础模块示意图。

图4为本发明实施例外骨骼模块的背板示意图。

图5为本发明实施例肩部助力模块示意图。

图6为本发明实施例外骨骼模块的手部助力模块示意图。

图7是为本发明实施例固定装置示意图。

图8为本发明实施例腰带示意图。

图9为本发明实施例髋部助力模块立体示意图。

图10为本发明实施例髋部助力模块平面示意图。

图11为本发明实施例髋部接头立体示意图。

图12为本发明实施例下肢助力组件立体示意图。

图13为本发明实施例脚部助力组件示意图。

图中：1-上肢助力组件，1.1-肩部弯杆模块，1.1.1-肩部弯杆件，1.1.2-肩部直立段，1.2-手部助力模块，1.2.1-手部助力带，1.2.2-手套；2-背部基础组件，2.1-固定装置，2.2-背板，2.3-背部软垫，2.4-背带组件，2.41-上背带组，2.4.2-下背带组，2.5-半圆形槽孔，2.6-第一固定部件，2.7-第二固定部件，2.9-腰带；3-髋部助力组件，3.1-盆枕骨，3.1.1-第一部件，3.1.2-第二部件，3.2-髋部连接器，3.3-髋部接头；4-下肢助力组件，4.1-大腿助力模块，4.1.1-股连杆， 4.2-膝部助力模块，4.2.1-膝部接头，4.2.2-胫骨部段，4.2.3-膝部带环，4.3-缓冲组件，4.4-脚部助力模块，4.4.1-第一支撑板，4.4.2-第二支撑板，4.4.3-支撑件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1：如图1-13所示，本实施例中，提供一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，包括由上至下依次设置的上肢助力组件1、背部基础组件2、髋部助力组件3和下肢助力组件4。

上肢助力组件1适于附接到使用者的手和肩，即，分别附接到右手和左肩，以及右手和右肩。

背部基础组件适于沿着使用者的背部附接到使用者的在背部基础组件2上的上部身体；

上述的背部基础组件2和上肢助力组件1形成上部模块的组合件，该组合件例如在使用者用他的上部身体进行重复的工作时具有辅助使用者利用他的上部身体产生所有力的功能。

髋部助力组件3适于附接至使用者的下肢，即，分别附接至使用者的右下肢和使用者的左下肢。

下肢助力组件包括大腿助力模块4.1、膝部助力模块4.2和脚部助力模块4.4；

膝部助力模块4.2适于附接至使用者的小腿，即，分别附接至使用者的右腿的小腿和使用者的左腿的小腿。

脚部助力模块4.4适于附接到使用者的脚，即，分别附接到右脚和左脚。

上述的膝部助力模块4.2和脚部助力模块4.4形成下部模块的组合件，下部模块具有的功能是在使用者用他的下部身体产生的力方面进行辅助，特别是在行走时或者当他运载或移动载荷时。

应该注意的是，背部基础组件2应包括彼此对称的部分。类似地，髋部助力组件3、下肢助力组件4、上肢助力组件1也是如此。

在本发明实施例中，所述上肢助力组件1包括肩部弯杆模块1.1、手部助力模块1.2和用以连接两者的柔性连接件。

上述的肩部弯杆模块1.1包括可替换的肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件；肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件包括肩部直立段1.1.2以及设置于肩部直立段上方的肩部弯杆件1.1.1。

上述的柔性连接件为具有一定弹性的手部助力带1.2.1，所述手部助力模块包括手套1.2.2，手部助力带一端与肩部弯杆模块连接，手部助力带另一端与手套连接。

在本发明实施例中，背部基础组件2包括背板2.2、三个设置于背板的背面上且用以连接肩部弯杆模块的固定装置2.1、安装在背板上的背带组件2.4和设置于背板下部的腰带2.9。

三个固定装置平行设置。

上述的固定装置2.1包括用以固定在背板上的第一固定部件2.6和用以与第一固定部件固连的第二固定部件2.7，所述第一固定部件与第二固定部件可拆连接，所述第一固定部件和第二固定部件内侧均设有半圆形槽孔2.5，两个半圆形槽孔闭合形成用以固定肩部弯杆模块的锁付空间。

上述的背板靠近使用者背部的一侧设有背部软垫2.3。

在本发明实施例中，髋部助力组件3包括骨盆枕3.1、用以将骨盆枕和背板相连接的髋部接头3.3和用以将骨盆枕、下肢助力组件相连接的髋部连接器3.2。

上述的髋部接头为模块化接头，其包括固定安装在背板上的第一部件3.1.1以及安装在髋部接头上的第二部件3.1.2，所述第一部件与第二部件卡接配合；所述第二部件上设有U型固定槽，第一部件为固定凸起，固定凸起沿第二部件的U型固定槽卡入并固定。

在本发明实施例中，所述大腿助力模块4.1包括用以与髋部连接器连接的股连杆4.1.1以及设置于股连杆下端的缓冲组件4.3；所述膝部助力模块4.2包括上端与缓冲组件连接的膝部接头4.2.1，所述膝部接头下端设有胫骨部段4.2.2，该胫骨部段上设有膝部带环4.2.3；所述脚部助力模块4.4包括第一支撑板4.4.1和第二支撑板4.4.2，所述第一支撑板与第二支撑板上端分别与胫骨部段连接，所述第一支撑板与第二支撑板下端之间设有支撑件4.4.3。

实施例2：在本实施例1的基础上，本实施例中，上肢助力组件包括肩部弯杆模块、手部助力模块和用以连接两者的柔性连接件。

上述的肩部弯杆模块1.1能够被配置为可更换地连接到背部基础组件2。在外骨骼机器人中，当搬运运物品时，手部的载荷往往是垂直向下的重力，且载荷方向与背部基础组件并不在同一垂直线上，因此需要设计一个组件，将手部的载荷转移至背部基础组件和下肢助力组件，实现对手载荷的分担。

肩部弯杆模块的目的是将手部的载荷转移至背部，利用一根弯曲的空心金属杆件，一端与手部助力带相连，另一端与背部基础组件相连，可以将来自手部的载荷转移至背部。作为肩部核心受力件，杆件采用综合性能较好地不锈钢制造，一方面强度较高，也有较好地耐腐蚀和抗氧化能力。空心构造可降低重量，同时留有内部空间，里面穿过手部助力带并固定，形成一个弹性元件。

肩部弯杆模块的高度可调，并且采用螺栓螺母组件与背板连接。

为了以利于使用者根据不同的使用场景选择配置对应的弯杆，上述的肩部弯杆模块包括可替换的肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件。

上述的肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件包括肩部直立段以及设置于肩部直立段上方的肩部弯杆件，肩部直立段经固定装置与背部基础组件连接。

每个肩部弯杆模块1.1在其端部连接手部助力模块1.2的手部助力带1.2.1，手部助力带1.2.1的一端固定连接有助力带末端，通常以摩擦力强的软材料制成，以帮助使用者握住或拿起重物，通过手部助力带1.2.1将大部分重量通过肩部弯杆模块1.1传递到背部基础组件2的固定装置2.1上。

具体地，手部助力带1.2.1利用柔性连接，将来自手部的载荷，传递至肩部弯杆模块，因此手部助力带1.2.1采用了带一定弹性的钢丝绳，并在外表套有耐磨纤维编织套，减少钢丝绳的氧化和生锈，即保证了强度，又简便简单。

在手部助力带1.2.1的一端连接手套1.2.2，手套1.2.2是直接参与搬运的受力部件，同时在搬运过程中也伴随着较大的磨损，因此手套需要具备较好地强度和耐磨性。另外作为人机交互的一部分，手套也应当考虑穿戴员的舒适性，利于穿戴员的长期工作；手套最终选用了高强度和耐磨皮革手套。

如果需要髋部和下肢助力，则进一步再通过髋部、下肢助力组件将重量传递至地面。

在本实施例中，背部基础组件对穿戴式外骨骼有着非常重要的作用：首先，可以起到传递力的作用；在穿戴者进行负重工作时，上肢的载荷通过肩部弯杆模块传递给背部基础组件，并有背部基础组件的各个部分把力分散到身体的其他受力部位，减轻上肢负担。其次，背部基础组件可以固定外骨骼关节，将人体和外骨骼连接在一起。

由于穿戴者高矮胖瘦各不相同，其穿戴尺寸要求也不同，因此背部基础组件需依据尺寸兼容性进行设计以满足穿戴者需求，同时也需要选择合适的材料满足穿戴者的舒适性和轻便性要求。

背部基础组件2包括固定装置2.1、背板2.2、背带和背部软垫2.3，背带使得背板能够紧密地附接到使用者的背部。当背部基础组件2附接到使用者的背部时，固定装置2.1沿背板2.2后部的使用者的脊柱方向延伸。更确切地说，每个固定装置2.1呈块状框架，并且在背板2.2的后方以平行的方式被固定，多个固定装置2.1间隔纵向排布。

上述的固定装置2.1是对接式固定装置。

固定装置2.1包括第一固定部件2.6和第二固定部件2.7，第一固定部件2.6和第二固定部件2.7通常以相对的方式将框架固定在背板上。固定装置的第一固定部件2.6和第二固定部件2.7能够从分离状态转换到结合状态，在分离状态中，第二固定部件2.7与第一固定部件2.6分离，在结合状态中，第二固定部件2.7与第一固定部件2.6结合。

固定装置包括固定地安装在背板2.2上的第一固定部件2.6和自由地安装在第一固定部件2.6的第二固定部件2.7。更确切地说，第一固定部件2.6附接到背板2.2。第二固定部件2.7附接到第一固定部件2.6。第二固定部件2.7能够紧密且牢固地固定到第一固定部件2.6，从而使得肩部弯杆模块1.1能够可逆地附接到背板2.2。

第一固定部件2.6内侧设有半圆形槽孔，第二固定部件2.7也设有和第一固定部件2.6相同规格的半圆形槽孔，第一固定部件2.6和第二固定部件2.7的每个槽孔对应闭合形成直径不大于肩部弯杆模块的肩部直立段直径的圆孔，从而固定时将其牢固地固定在背板2.2上。

背部基础组件中的腰带，主要用于穿戴者和外骨骼机器人的穿戴位置，使用时需要考虑穿戴者的舒适性。在穿戴者运动时，髋关节绕竖直轴的旋转运动需要由腰部组件来承受，要求腰部组件具有一定的变形能力来适应穿戴者的腰部运动，所以腰部组件不宜使用刚性结构。所以腰带2.9既要具有一定的硬度在支撑身体的同时可以用于安装腿部组件，同时其还具有一定的柔韧性，方便穿戴者在一定范围内进行扭转运动。因此在腰部结构设计中，为满足操作舒适性要求，整个腰带2.9部分采用加厚的帆布进行制作，具有轻便、耐磨和透气的特点，适用于长时间的穿戴。腰带2.9的材质优选尼龙材质；

在该实施例其中一个方式中，其上设有插扣尼龙松紧带，可以对人体的腰围进行尺寸调节，保证腰带2.9和背板可以和身体贴合，满足不同穿戴者的尺寸兼容性需求。并附有带弹性的魔术贴方便拆卸。

为了减轻穿戴时腰部的负载感，同时更好将外骨骼固定在穿戴者身上，在背板2.2的侧部，根据选择地枢转设置两组上、下背带组2.4.1&2.4.2，上、下背带组分别包括两个上、下背带，以将使用者的躯干牢固地与背板结合，保护使用者的脊柱。从而让穿戴者的肩部分担一部分机器人施加在穿戴者腰部的重量。背带2.4.1&2.4.1端部设有背带接头2.8；优选的，根据载荷受力最优原则，背带接头2.8附接在背板上的固定装置两侧。

在实施例其中一个方式中，背带采用了帆布制作，并在胸前安装有两个插扣尼龙松紧带，肩带的松紧成都可以根据穿戴者的身形进行手动调节。并附有带弹性的魔术贴方便拆卸。

背板2.2是整个背部基础组件的核心受力部件，也是整个外骨骼的核心部件，一方面用于安装与人体连接的肩带、胸带与背板等固定件，另一方面，传递外骨骼不同部位之间的力和载荷。作为核心受力部件，背板采用性能较好的不锈钢板，一方面强度较高，也有较好地耐腐蚀和抗氧化能力。不锈钢板上布置有多个接头，用于将外骨骼机器人的各个部件连接起来。

在本实施例中，髋部助力组件3包括能够助力使用者髋部和股部的骨盆枕3.1。骨盆枕3.1靠近使用者的股部设置并支撑在使用者的股部和髋部上，以传递来自背部基础组件2的负载至下肢助力组件4。

每个背部基础组件2通过髋部接头3.3连接到背部基础组件2。

髋部接头是使得髋部助力组件2能够被附接到背部基础组件2的模块化接头。

图示意性地示出了模块化接头。

在这些图中所示的实施例中，模块化接头是所谓的“卡销式”附接装置。模块化接头能够从分离状态转换到结合状态，在分离状态中，背部基础组件2与髋部助力组件3分离，在结合状态中，髋部助力组件3附接到背部基础组件2。

在本实施例其中一个方式中，模块化接头包括固定地安装在背部基础组件2上的第一部件3.1.1和固定地安装在髋部助力组件3上的第二部件3.1.2。更确切地说，第一部件3.1.1附接到背板延伸部，第二部件3.1.2附接到骨盆枕。

第一部件3.1.1能够卡扣第二部件3.1.2到中，从而使得背部基础组件2能够可逆地附接到背部基础组件2。

第二部件3.1.2包括两个U型固定槽，该两个U型固定槽在第二部件3.1.2的主体中形成在沿横向延伸的位置处。每个槽孔从第二部件3.1.2的自由边缘延伸并且具有端部。此外，每个U型固定槽具有U形形状并且包括两个竖直的部分和一横向的部分。第一直的部分沿平行于引导表面的轴线Y的方向从起于槽孔的入口的自由边缘延伸到横向的部分。横向的部分从第一直的部分延伸到第二直的部分。第二直的部分从横向的部分延伸到接近端部。

第一部件3.1.1能够通过U型固定材插入到第二部件3.1.2中。将第一部件3.1.1能够通过槽孔插入到第二部件3.1.2中是通过彼此接触的凸起和轨道来引导的。第一部件3.1.1包括位于沿直径相对的位置并且从外表面突出的两个固定凸起。当第一部件3.1.1插入到第二部件3.1.2中时，固定凸起能够接合在第二部件3.1.2的槽孔中。

在本实施例另一方式中，为提高工作状态下的安全性，模块化接头31还包括第一弹性返回元件，该第一弹性返回元件能够沿与第一方向相反的第二方向对第一部件3.1.1进行加载。因此，第一弹性元件倾向于阻止第一部件3.1.1插入到第二部件3.1.2中；在解锁定位置，第一部件3.1.1从第二部件3.1.2脱离，在结合状态中，第一部件3.1.接合在第二部件3.1.2中。

模块化接头31的锁定是通过将第一部件3.1.1通过第二部件3.1.2的插入开口插入到第二部件3.1.2中来完成的。在该插入期间，每个固定凸起被引入到各自的U型固定槽中。然后，第二部件3.1.2相对于第一部件3.1.1移动，以使每个固定凸起在其中接纳该销的U型固定槽滑动。由于U型固定槽的形状，固定凸起从槽孔的入口滑动到槽孔的端部需要第二部件3.1.2相对于第一部件3.1.1进行平行于轴线X的平移运动。第二部件3.1.2首先沿与由弹性元件施加的返回力相反的第一方向(插入方向)相对于第一部件3.1.1被平移。然后，第二部件3.1.2沿与第一方向相反的第二方向平移。

一旦固定凸起位于U型固定槽的端部处，则第二部件3.1.2被固定凸起阻止相对于第一部件3.1.1进行平移。此外，第一弹性返回元件沿第二方向对第二部件3.1.2进行加载，这具有使固定凸起保持紧靠槽孔的端部的效果。弹性元件和突出部止挡槽孔中的固定凸起并防止固定凸起从固定凸起脱离；在到位之后，通过施加安全销或螺钉，以将第二部件3.1.2以这种方式固定到第一部件3.1.1上。

髋部助力组件3还包括髋部连接器3.2，髋部连接器3.2允许在使用者的髋部进行负重时将髋部助力组件3与下肢助力组件4连接。

在本实施例中，髋部连接器3.2还可以包括第二弹性返回元件，该第二弹性返回元件被布置成在使用者从就坐位置或蹲下位置站起来时施加辅助的弹性返回力。第二弹性返回元件可以包括预加载的弹簧，该预加载的弹簧设置在髋部连接器3.2的第一部件和第二部件之间并施加弹性返回力。

更确切地说，第二弹性返回元件被布置成使得：

在第一部件相对于第二部件运动的第一角度范围内，第二弹性返回元件不对第一部件施加任何返回力，该第一角度范围对应于当使用者行走或跑步时第一部件所处于的角度范围，并且

在第一部件相对于第二部件运动超过第一角度，第二弹性返回元件对第一部件施加返回力，超过第一角度的使用场景对应于当使用者就坐或蹲下时第一部件相对于定子的旋转范围。

第一旋转方向是当使用者使大腿相对于髋部弯曲时(当使用者就坐或蹲下时)第一部件相对于第二部件的旋转方向。

第二旋转方向是当使用者使大腿相对于上部身体伸展时(当使用者在就坐或蹲下之后起立时)第一部件相对于第二部件的旋转方向。

也就是说，当第一部件位于第二角度范围内时，第二弹性返回元件对第一部件施加返回力，该返回力倾向于在髋部的弯曲运动期间阻止髋部助力组件3相对于下肢助力组件4旋转并且在髋部的伸展运动期间辅助背部基础组件2相对于下肢助力组件4旋转。

第一角度范围对应于连杆相对于水平面的例如介于-20度到50度之间的弯曲或伸展运动。因此，在使用者的运动的第一角度范围内，使用者得益于通过髋部连接器32的被动辅助；第二弹性元件可支撑抵靠抵接部，从而使得弹簧能够保持被预加载。抵接部相对于髋部助力组件3的位置可以进行调节，以便能够改变上文限定的角度范围。

在本实施例中，下肢助力组件4包括能够为使用者的大腿支撑助力的股连杆，所述第二弹性返回元件设置于髋部连接器3.2处，以使得髋部连接器在髋部助力组件和下肢助力组件之间施加旋转的预紧力。

具体地，下肢助力组件包括大腿助力模块，包括被设计成沿着使用者的大腿延伸的股连杆和沿着小腿延伸的胫骨部端。

在本实施例一个方式中，股连杆下端设有缓冲组件4.3，能够在背部基础组件2连接后通过抵抗反向力的方式缩短，从而将外部施加的力进行辅助支撑，并使得调节膝部接头4.2.1与胫骨部端之间的距离变化。

在实施例另一个方式中，通过设置类似于螺钉的锁定装置，可使得股连杆4.2能够相对于膝部接头4.2.1固定不动。

特别地，缓冲组件4.3可以包括第一套筒、第二套筒和第三弹性返回元件，该第一套筒能够相对于第二套筒被旋转驱动以在压缩或伸展或扭转运动期间相对于连杆旋转驱动。

膝部接头4.2.1被布置成当使用者从就座或蹲下位置起立时施加辅助致动器的弹性返回力。

每个膝部助力模块4.2包括膝部接头4.2.1和能够附接到使用者的小腿的胫骨部端4.2.2。

胫骨部端包括被设计成沿着使用者的小腿延伸的胫骨部段和能够包围使用者的小腿以将部段附接到小腿的膝部带环4.2.3，胫骨部端通过膝部接头4.2.1连接到股连杆4.2。

膝部带环采用了帆布和魔术贴的组合，可以将来自下肢重量补偿带的载荷转移至小腿上。帆布保证了膝部带环的轻便与透气，而魔术贴则使得膝部带环带有着不错的尺寸适应能力，能够快速穿戴。膝部带环和脚部带环通过一小段弹力带（橡胶带）相连，以补偿穿戴者在蹲下和脚部动作时的距离改变，并在伸长时积蓄能量，在收缩时释放能量，起到增加力量的作用。

在本实施例中，脚部助力模块4.4包括第一支撑板4.4.1、第一支撑板4.4.2和能够附接在第一和第一支撑板之间的支撑件4.4.3，支撑件4.4.3用于支撑地面。

在本实施例一个方式中，第一支撑板4.4.1和第一支撑板4.4.2以有限的角度能够相对于在膝部助力模块4.2的胫骨部段摆动，以将脚部助力模块4.4相对于到膝部助力模块4.2有一定的自由度，使得在弯曲或伸展运动期间、在内转或外转运动期间以及在使用者的脚踝外翻或内翻运动期间脚部助力模块4.4能够相对于膝部助力模块4.2旋转。

在本实施例另一个方式中，脚部助力模块还包括使用者的脚相对于小腿的旋转运动期间的第四弹性元件。

第四弹性元件包括由弹性体材料形成的预先压缩在第一支撑板4.4.1、第一支撑板4.4.2和胫骨部段之间的环。第四弹性元件能够施加倾向于阻止胫骨部段相对于第一支撑板4.4.1、第一支撑板4.4.2的相对旋转的返回力。

将第一支撑板4.4.1和第二支撑板连接到胫骨部段，同时在第一支撑板4.4.1和第二支撑板之间形成角度。

支撑件4.4.3在其被设计成与地面接触的下表面上可以具有例如由有槽橡胶制成的防滑表层。

脚部助力模块4.4可以与重型工程操作鞋一起使用。鞋还可以包括保护脚的前部的外壳和/或由金属制成的加强元件。

支撑件4.4.3被设计成支撑使用者的靴子底部。

支撑件4.4.3被设计成当使用者站在地面上时支撑在地面上。支撑件4.4.3被布置成使得支撑件4.4.3被设置在使用者的鞋的鞋底底下方并且设置在形成于鞋底中且介于跟部和前端部之间的凹槽中。

在实施例其中一方式中，第一支撑板4.4.1和第二支撑板4.4.2形成V形弹簧。当鞋的鞋底与地面接触时弹簧能够被压缩(第一支撑板4.4.1和第二支撑板4.4.2移动得更远离彼此)，并且当鞋的鞋底不与地面接触时弹簧扩展(第一支撑板4.4.1和第二支撑板4.4.2移动接近彼此，因此确保脚步助力组件倾向于按压在鞋的上，而不是抬起靴子时脚部助力组件脱落。

脚部助力模块4.4可以与标准的工程用靴子一起使用，并且不需要修改或调整靴子。

脚部助力模块4.4还使得由使用者携带的载荷能够转移到地面上，包括在行走阶段期间，并且这适用于任何类型的地形。

在本实施例中，操作者通过穿戴上肢助力组件、背部基础组件、髋部助力组件和下肢助力组件来实现辅助支撑，分散受力进行负荷再分配，减轻脊柱受迫，从而保持正确的姿势，以适合不同高度、不同距离的重物搬运，降低劳动强度。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，其特征在于，包括由上至下依次设置的上肢助力组件、背部基础组件、髋部助力组件和下肢助力组件；

所述上肢助力组件包括肩部弯杆模块、手部助力模块和用以连接两者的柔性连接件；

背部基础组件包括背板、至少一个设置于背板上且用以连接肩部弯杆模块的固定装置、安装在背板上的背带组件和设置于背板下部的腰带；

髋部助力组件包括骨盆枕、用以将骨盆枕和背板相连接的髋部接头和用以将骨盆枕、下肢助力组件相连接的髋部连接器；

下肢助力组件包括大腿助力模块、膝部助力模块和脚部助力模块；所述大腿助力模块包括用以与髋部连接器连接的股连杆以及设置于股连杆下端的缓冲组件；所述膝部助力模块包括上端与缓冲组件连接的膝部接头，所述膝部接头下端设有胫骨部段，该胫骨部段上设有膝部带环；所述脚部助力模块包括第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板与第二支撑板上端分别与胫骨部段连接，所述第一支撑板与第二支撑板下端之间设有支撑件。

2.根据权利要求1所述的一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，其特征在于，所述柔性连接件为具有一定弹性的手部助力带，所述手部助力模块包括手套，手部助力带一端与肩部弯杆模块连接，手部助力带另一端与手套连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，其特征在于，所述肩部弯杆模块包括可替换的肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件；肩部低弯杆组件或肩部高弯杆组件包括肩部直立段以及设置于肩部直立段上方的肩部弯杆件。

4.根据权利要求1所述的一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，其特征在于，所述固定装置包括用以固定在背板上的第一固定部件和用以与第一固定部件固连的第二固定部件，所述第一固定部件与第二固定部件可拆连接，所述第一固定部件和第二固定部件内侧均设有半圆形槽孔，两个半圆形槽孔闭合形成用以固定肩部弯杆模块的锁付空间。

5.根据权利要求1所述的一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，其特征在于，所述背板靠近使用者背部的一侧设有背部软垫。

6.根据权利要求1所述的一种基于模块化的负重无源外骨骼装置，其特征在于，髋部接头为模块化接头，其包括固定安装在背板上的第一部件以及安装在髋部接头上的第二部件，所述第一部件与第二部件卡接配合；所述第二部件上设有U型固定槽，第一部件为固定凸起，固定凸起沿第二部件的U型固定槽卡入并固定。

7.一种利用如权利要求1所述的一种基于模块化的负重无源外骨骼装置的使用方法，其特征在于，操作者通过穿戴上肢助力组件、背部基础组件、髋部助力组件和下肢助力组件来实现辅助支撑，分散受力进行负荷再分配，减轻脊柱受迫，从而保持正确的姿势，以适合不同高度、不同距离的重物搬运，降低劳动强度。

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