CN117944020A - 一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及外骨骼技术领域,且公开一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置。腰部固定机构与臀部支撑件之间采用铰链连接,臀部支撑件与大腿支撑件固定连接,大腿支撑件与小腿支撑件之间采用销轴连接,小腿支撑件通过踝关节连接杆与脚部支撑件连接;气缸一通过销轴分别与大腿支撑件和连接板相连接;缓冲弹簧二嵌套在气缸一的外侧;连接板与小腿支撑件相连接;支撑杆与连接板固定连接;气缸二通过销轴分别与小腿支撑件和前脚掌相连接;缓冲弹簧一嵌套在气缸二的外侧。本发明适用于人体站立和下蹲姿态之间的切换,可以为下蹲姿态提供持续的支撑,同时气缸和缓冲弹簧可以为人体站立提供驱动力,起到减轻人体负担的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,属于下肢外骨骼技术领域。
背景技术
在进行一些采摘、植苗、流水线装配等人工作业时,工人需要在站立和下蹲姿态之间进行频繁切换。在站立和下蹲姿态之间切换时,工作人员的下肢承受很大的负担,消耗大量的体力,导致工作效率低下。下肢外骨骼可以为穿戴者提供下肢支撑力,从而节省体力支出。
但传统的外骨骼多需要外在的动力源提供动力,属于有源外骨骼,并且大多以辅助站立行走姿态为主。如哈尔滨工业大学李洪武等人所设计的装置“一种下肢助力外骨骼机器人”(申请号202210373267.X),通过两个电机分别带动人体的大腿和小腿前后摆动,从而实现对人体的行走助力。但该装置提供的下肢助力外骨骼不能为下蹲姿态提供支撑,同时还需要为电机提供电源,体积较大,重量较重,导致便携性较差,其应用场景受到一定的限制。
无源外骨骼不需要外在的电源提供动力源,能够大大减小外骨骼的重量,而且不需要复杂的控制系统,因此它具有价格低、便携性好等优势。中国专利“一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼”(申请号202110836544.1)通过在膝关节处设置一组扭簧,将其作为储能组件,收集人体在行走过程中的能量,并在适当的时候释放,从而降低人在步行过程中的能耗。但该专利同样不能为下蹲姿态提供持续的支撑,更不适用于站立和下蹲姿态之间进行频繁切换的工作场合。
因此,为需要在站立和下蹲姿态之间进行频繁切换的工作人员提供一种无源下肢支撑装置是有必要的。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足,提供一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,包括腰部固定机构、臀部支撑件3、大腿支撑件4、小腿支撑件9、脚部支撑件、缓冲弹簧一17、气缸二27、下蹲支撑机构、大腿固定机构、小腿固定机构和脚部固定机构;所述腰部固定机构包括腰部护板2和腰部绑带1;所述腰部护板2的两侧设置有扁平通孔;所述腰部绑带1穿过腰部护板2两侧的扁平通孔与腰部护板2相连接;所述臀部支撑件3通过铰链与腰部护板2相连接;所述臀部支撑件3的下端为柱形空心套筒结构;所述大腿支撑件4的上端为柱形结构;所述大腿支撑件4上端的柱形结构嵌套在臀部支撑件3下端的柱形空心套筒中,并采用螺栓固定连接;所述大腿支撑件4的下端设有销孔;所述小腿支撑件9的上端设有销孔;所述大腿支撑件4的下端销孔与小腿支撑件9的上端销孔通过销轴连接;所述小腿支撑件9的下端固定设置有踝关节连接杆21;所述小腿支撑件9上设置有通孔;所述脚部支撑件包括后脚掌14和前脚掌18;所述后脚掌14和前脚掌18通过铰链相连接;所述后脚掌14上设有凸台;所述后脚掌14的凸台为中空结构,且两侧设有销孔;所述踝关节连接杆21安装在后脚掌14的凸台中空结构内,且与凸台两侧的销孔相连接;所述前脚掌18上设置有通孔;所述气缸二27通过销轴分别与小腿支撑件9上的通孔和前脚掌18上的通孔相连接;所述缓冲弹簧一17嵌套在气缸二27的外侧;所述缓冲弹簧一17的两端固定在气缸二27上;所述大腿支撑件4的背部为凹槽结构;所述大腿支撑件4的背部凹槽内固定设置有连接块一23和连接块四30;所述连接块一23和连接块四30上设置有同轴的销孔;所述小腿支撑件9的背部为凹槽结构;所述小腿支撑件9的背部凹槽内固定设置有连接块二24和连接块三25;所述连接块二24和连接块三25上设置有同轴的销孔;所述下蹲支撑机构与连接块一23、连接块四30、连接块二24和连接块三25相连接;所述大腿固定机构与大腿支撑件4相连接;所述小腿固定机构与小腿支撑件9相连接;所述脚部固定机构与后脚掌14和前脚掌18相连接。
所述下蹲支撑机构包括气缸一22、缓冲弹簧二28、连接板26和支撑杆29;所述气缸一22的一端通过销轴与连接块一23和连接块四30上的销孔相连接,另一端通过销轴与连接板26相连接;所述缓冲弹簧二28嵌套在气缸一22的外侧;所述缓冲弹簧二28的两端固定在气缸一22上;所述连接板26通过销轴与连接块二24和连接块三25上的销孔相连接;所述支撑杆29为“T”形结构;所述支撑杆29的上端与连接板26通过螺栓固定连接。
所述大腿固定机构包括大腿安装卡槽5、大腿安装卡环一6、大腿安装卡环二7和大腿绑带8;所述大腿安装卡槽5通过螺栓固定在大腿支撑件4上;所述大腿安装卡环一6和大腿安装卡环二7固定安装在大腿安装卡槽5的两侧;所述大腿安装卡环一6和大腿安装卡环二7上均设置有卡环;所述大腿绑带8的两端分别与大腿安装卡环一6和大腿安装卡环二7上的卡环相连接;所述小腿固定机构包括小腿安装卡槽10、小腿安装卡环一11、小腿安装卡环二12和小腿绑带13;所述小腿安装卡槽10通过螺栓固定在小腿支撑件9上;所述小腿安装卡环一11和小腿安装卡环二12固定安装在小腿安装卡槽10的两侧;所述小腿安装卡环一11和小腿安装卡环二12上均设置有卡环;所述小腿绑带13的两端分别与小腿安装卡环一11和小腿安装卡环二12上的卡环相连接;所述脚部固定机构包括脚部安装卡环一15、脚部安装卡环二16、脚部绑带一19和脚部绑带二20;所述脚部安装卡环一15和脚部安装卡环二16上均设有卡环;所述脚部安装卡环一15和脚部安装卡环二16对称固定在后脚掌14的两侧;所述脚部绑带一19的两端分别与脚部安装卡环一15和脚部安装卡环二16上的卡环相连接;所述脚部绑带二20固定连接在前脚掌18上。
本发明的有益效果在于:本发明提供一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,在人体下蹲状态时,通过大腿支撑件、气缸一、缓冲弹簧二、连接板、支撑杆、小腿支撑件、气缸二、缓冲弹簧一和脚部支撑件完成对人体重力的传导,能够使人体的重力传递到脚部支撑件和支撑杆上,并为下蹲姿态时的人体下肢提供持续的支撑。
当人体在由下蹲姿态转变为站立姿态时,气缸一、缓冲弹簧二、气缸二和缓冲弹簧一释放压缩动力,为人体的下肢提供起立时的动力,起到减轻人体负担的作用,适合在站立和下蹲姿态之间进行频繁切换的工作场合。
本发明属于无源结构,无需电池供电,也不需要复杂的控制系统,因此具有结构简单、体积小、重量轻、便携性好等优点,并且可以在野外长时间使用而无需考虑电池电量的问题。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图。
图2为本发明的背部结构示意图。
图3为本发明中大腿支撑件的背部结构示意图。
图4为本发明中小腿支撑件的背部结构示意图。
图5为本发明中脚部支撑件的结构示意图。
图6为本发明中臀部支撑件的结构示意图。
图7为本发明中连接板的结构示意图。
图8为本发明中支撑杆的结构示意图。
附图中:
1-腰部绑带、2-腰部护板、3-臀部支撑件、4-大腿支撑件、5-大腿安装卡槽、6-大腿安装卡环一、7-大腿安装卡环二、8-大腿绑带、9-小腿支撑件、10-小腿安装卡槽、11-小腿安装卡环一、12-小腿安装卡环二、13-小腿绑带、14-后脚掌、15-脚部安装卡环一、16-脚部安装卡环二、17-缓冲弹簧一、18-前脚掌、19-脚部绑带一、20-脚部绑带二、21-踝关节连接杆、22-气缸一、23-连接块一、24-连接块二、25-连接块三、26-连接板、27-气缸二、28-缓冲弹簧二、29-支撑杆、30-连接块四。
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描述,但它们不是对本发明的限制:
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示,一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,包括腰部固定机构、臀部支撑件3、大腿支撑件4、小腿支撑件9、脚部支撑件、缓冲弹簧一17、气缸二27、下蹲支撑机构、大腿固定机构、小腿固定机构和脚部固定机构;所述腰部固定机构包括腰部护板2和腰部绑带1;所述腰部护板2的两侧设置有扁平通孔;所述腰部绑带1穿过腰部护板2两侧的扁平通孔与腰部护板2相连接;所述臀部支撑件3通过铰链与腰部护板2相连接;所述臀部支撑件3的下端为柱形空心套筒结构;所述大腿支撑件4的上端为柱形结构;所述大腿支撑件4上端的柱形结构嵌套在臀部支撑件3下端的柱形空心套筒中,并采用螺栓固定连接;所述大腿支撑件4的下端设有销孔;所述小腿支撑件9的上端设有销孔;所述大腿支撑件4的下端销孔与小腿支撑件9的上端销孔通过销轴连接;所述小腿支撑件9的下端固定设置有踝关节连接杆21;所述小腿支撑件9上设置有通孔;所述脚部支撑件包括后脚掌14和前脚掌18;所述后脚掌14和前脚掌18通过铰链相连接;所述后脚掌14上设有凸台;所述后脚掌14的凸台为中空结构,且两侧设有销孔;所述踝关节连接杆21安装在后脚掌14的凸台中空结构内,且与凸台两侧的销孔相连接;所述前脚掌18上设置有通孔;所述气缸二27通过销轴分别与小腿支撑件9上的通孔和前脚掌18上的通孔相连接;所述缓冲弹簧一17嵌套在气缸二27的外侧;所述缓冲弹簧一17的两端固定在气缸二27上;所述大腿支撑件4的背部为凹槽结构;所述大腿支撑件4的背部凹槽内固定设置有连接块一23和连接块四30;所述连接块一23和连接块四30上设置有同轴的销孔;所述小腿支撑件9的背部为凹槽结构;所述小腿支撑件9的背部凹槽内固定设置有连接块二24和连接块三25;所述连接块二24和连接块三25上设置有同轴的销孔;所述下蹲支撑机构与连接块一23、连接块四30、连接块二24和连接块三25相连接;所述大腿固定机构与大腿支撑件4相连接;所述小腿固定机构与小腿支撑件9相连接;所述脚部固定机构与后脚掌14和前脚掌18相连接。
所述下蹲支撑机构包括气缸一22、缓冲弹簧二28、连接板26和支撑杆29;所述气缸一22的一端通过销轴与连接块一23和连接块四30上的销孔相连接,另一端通过销轴与连接板26相连接;所述缓冲弹簧二28嵌套在气缸一22的外侧;所述缓冲弹簧二28的两端固定在气缸一22上;所述连接板26通过销轴与连接块二24和连接块三25上的销孔相连接;所述支撑杆29为“T”形结构;所述支撑杆29的上端与连接板26通过螺栓固定连接。
所述大腿固定机构包括大腿安装卡槽5、大腿安装卡环一6、大腿安装卡环二7和大腿绑带8;所述大腿安装卡槽5通过螺栓固定在大腿支撑件4上;所述大腿安装卡环一6和大腿安装卡环二7固定安装在大腿安装卡槽5的两侧;所述大腿安装卡环一6和大腿安装卡环二7上均设置有卡环;所述大腿绑带8的两端分别与大腿安装卡环一6和大腿安装卡环二7上的卡环相连接;所述小腿固定机构包括小腿安装卡槽10、小腿安装卡环一11、小腿安装卡环二12和小腿绑带13;所述小腿安装卡槽10通过螺栓固定在小腿支撑件9上;所述小腿安装卡环一11和小腿安装卡环二12固定安装在小腿安装卡槽10的两侧;所述小腿安装卡环一11和小腿安装卡环二12上均设置有卡环;所述小腿绑带13的两端分别与小腿安装卡环一11和小腿安装卡环二12上的卡环相连接;所述脚部固定机构包括脚部安装卡环一15、脚部安装卡环二16、脚部绑带一19和脚部绑带二20;所述脚部安装卡环一15和脚部安装卡环二16上均设有卡环;所述脚部安装卡环一15和脚部安装卡环二16对称固定在后脚掌14的两侧;所述脚部绑带一19的两端分别与脚部安装卡环一15和脚部安装卡环二16上的卡环相连接;所述脚部绑带二20固定连接在前脚掌18上。
一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置的工作原理如下:通过腰部固定机构、大腿固定机构、小腿固定机构和脚部固定机构将下肢支撑装置固定在工作人员的下肢上。当人体下蹲时,腰部护板2跟随人体的腰部运动,人体的臀部和大腿为臀部支撑件3和大腿支撑件4提供旋转的驱动力,大腿支撑件4带动缓冲弹簧二28和气缸一22向下压缩,此时连接板26绕着连接块二24和连接块三25上的销孔转动,使支撑杆29接触地面;随着缓冲弹簧二28和气缸一22继续压缩,缓冲弹簧二28的弹力和气缸一22气压推力与人体作用于大腿支撑件4上的重力相等时,便达到稳定状态,为下蹲姿态时的人体下肢提供持续的支撑;人体下蹲的同时,气缸二27和缓冲弹簧一17可以为小腿支撑件9的旋转提供缓冲。当人体从下蹲姿态转变到站立姿态时,缓冲弹簧二28、气缸一22、气缸二27和缓冲弹簧一17释放压缩动力,为大腿支撑件4和小腿支撑件9提供旋转动力,为人体的站立提供驱动力,起到减轻人体负担的作用。
总之,以上所述仅为本发明的较佳实施范例,凡依本申请专利的范围所作的均等变化与修饰,皆应属于本发明的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,其特征在于,包括腰部固定机构、臀部支撑件(3)、大腿支撑件(4)、小腿支撑件(9)、脚部支撑件、缓冲弹簧一(17)、气缸二(27)、下蹲支撑机构、大腿固定机构、小腿固定机构和脚部固定机构;所述腰部固定机构包括腰部护板(2)和腰部绑带(1);所述腰部护板(2)的两侧设置有扁平通孔;所述腰部绑带(1)穿过腰部护板(2)两侧的扁平通孔与腰部护板(2)相连接;所述臀部支撑件(3)通过铰链与腰部护板(2)相连接;所述臀部支撑件(3)的下端为柱形空心套筒结构;所述大腿支撑件(4)的上端为柱形结构;所述大腿支撑件(4)上端的柱形结构嵌套在臀部支撑件(3)下端的柱形空心套筒中,并采用螺栓固定连接;所述大腿支撑件(4)的下端设有销孔;所述小腿支撑件(9)的上端设有销孔;所述大腿支撑件(4)的下端销孔与小腿支撑件(9)的上端销孔通过销轴连接;所述小腿支撑件(9)的下端固定设置有踝关节连接杆(21);所述小腿支撑件(9)上设置有通孔;所述脚部支撑件包括后脚掌(14)和前脚掌(18);所述后脚掌(14)和前脚掌(18)通过铰链相连接;所述后脚掌(14)上设有凸台;所述后脚掌(14)的凸台为中空结构,且两侧设有销孔;所述踝关节连接杆(21)安装在后脚掌(14)的凸台中空结构内,且与凸台两侧的销孔相连接;所述前脚掌(18)上设置有通孔;所述气缸二(27)通过销轴分别与小腿支撑件(9)上的通孔和前脚掌(18)上的通孔相连接;所述缓冲弹簧一(17)嵌套在气缸二(27)的外侧;所述缓冲弹簧一(17)的两端固定在气缸二(27)上;所述大腿支撑件(4)的背部为凹槽结构;所述大腿支撑件(4)的背部凹槽内固定设置有连接块一(23)和连接块四(30);所述连接块一(23)和连接块四(30)上设置有同轴的销孔;所述小腿支撑件(9)的背部为凹槽结构;所述小腿支撑件(9)的背部凹槽内固定设置有连接块二(24)和连接块三(25);所述连接块二(24)和连接块三(25)上设置有同轴的销孔;所述下蹲支撑机构与连接块一(23)、连接块四(30)、连接块二(24)和连接块三(25)相连接;所述大腿固定机构与大腿支撑件(4)相连接;所述小腿固定机构与小腿支撑件(9)相连接;所述脚部固定机构与后脚掌(14)和前脚掌(18)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,其特征在于,所述下蹲支撑机构包括气缸一(22)、缓冲弹簧二(28)、连接板(26)和支撑杆(29);所述气缸一(22)的一端通过销轴与连接块一(23)和连接块四(30)上的销孔相连接,另一端通过销轴与连接板(26)相连接;所述缓冲弹簧二(28)嵌套在气缸一(22)的外侧;所述缓冲弹簧二(28)的两端固定在气缸一(22)上;所述连接板(26)通过销轴与连接块二(24)和连接块三(25)上的销孔相连接;所述支撑杆(29)为“T”形结构;所述支撑杆(29)的上端与连接板(26)通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于站立和下蹲姿态切换的无源下肢支撑装置,其特征在于,所述大腿固定机构包括大腿安装卡槽(5)、大腿安装卡环一(6)、大腿安装卡环二(7)和大腿绑带(8);所述大腿安装卡槽(5)通过螺栓固定在大腿支撑件(4)上;所述大腿安装卡环一(6)和大腿安装卡环二(7)固定安装在大腿安装卡槽(5)的两侧;所述大腿安装卡环一(6)和大腿安装卡环二(7)上均设置有卡环;所述大腿绑带(8)的两端分别与大腿安装卡环一(6)和大腿安装卡环二(7)上的卡环相连接;所述小腿固定机构包括小腿安装卡槽(10)、小腿安装卡环一(11)、小腿安装卡环二(12)和小腿绑带(13);所述小腿安装卡槽(10)通过螺栓固定在小腿支撑件(9)上;所述小腿安装卡环一(11)和小腿安装卡环二(12)固定安装在小腿安装卡槽(10)的两侧;所述小腿安装卡环一(11)和小腿安装卡环二(12)上均设置有卡环;所述小腿绑带(13)的两端分别与小腿安装卡环一(11)和小腿安装卡环二(12)上的卡环相连接;所述脚部固定机构包括脚部安装卡环一(15)、脚部安装卡环二(16)、脚部绑带一(19)和脚部绑带二(20);所述脚部安装卡环一(15)和脚部安装卡环二(16)上均设有卡环;所述脚部安装卡环一(15)和脚部安装卡环二(16)对称固定在后脚掌(14)的两侧;所述脚部绑带一(19)的两端分别与脚部安装卡环一(15)和脚部安装卡环二(16)上的卡环相连接;所述脚部绑带二(20)固定连接在前脚掌(18)上。
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