CN212287630U - 一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分、腰带部分、髋关节部分、大腿部分、膝关节部分、小腿部分、足部；腰带部分连接在背架部分的下侧，腰带部分两侧的下方均连接有一套由髋关节部分、大腿部分、膝关节部分、小腿部分、足部构成的下肢外骨骼，腰带部分两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；本实用新型设计的外骨骼系统在为穿戴者提供步行助力及辅助支撑负重的前提下，提高了人机协同的各个关节自由度的活动范围，从而不影响穿戴者的自然步态。

Description

一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统

技术领域

本实用新型属于刚性助力外骨骼技术领域，尤其是一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统。

背景技术

随着科技水平的快速发展，当前世界各国军队的单兵作战装备种类数量日益丰富，同时单兵作业时所需携带装备的重量也大幅增加。特别是士兵在远距离负重行军或者在高原坏境下作业时，需要一种可穿戴式外骨骼系统提供步行助力以及对士兵负重的辅助支撑，并且不会妨碍士兵的肢体动作，从而提高单兵的作业能力。在上述应用场景下，外骨骼系统的特性应当主要体现于人机交互力柔顺，结构强度高，系统可靠，质量轻，惯性小，尤其是对关节能够产生足够的扭矩，以提高士兵穿戴外骨骼系统后的步行能力，以及能够将士兵负重转移到外骨骼上减轻士兵的负担。

当前外骨骼主要分为柔性外骨骼和刚性外骨骼，其中柔性外骨骼采用符合人体工程学的布带、鲍登线、电机作为驱动装置，虽然能够提供柔顺的人机交互力且质量轻，惯性小，但是由于柔性结构不能对士兵的负重提供辅助支撑，所以柔性外骨骼必然不能满足上述需求。

而现有的刚性外骨骼大多采用液压驱动或电机驱动，且体积大，质量重，肢体关节惯量大，关节自由度活动范围不高，对士兵下肢活动影响较大，影响了穿戴者的自然步态。

实用新型内容

本实用新型提供一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，以解决上述所提到的现有刚性外骨骼系统限制穿戴者各关节自由度活动范围进而影响其自然步态的问题。本实用新型设计的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统在提高士兵的步行能力以及为士兵提供负重支撑的同时，又能提供给士兵各个关节较大的活动范围，从而不影响士兵的自然步态以及轻便的穿戴体验。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分1 、腰带部分2 、髋关节部分3 、大腿部分4 、膝关节部分5 、小腿部分6 、足部7 ；

腰带部分2 连接在背架部分1 的下侧，腰带部分2 两侧的下方均连接有一套由髋关节部分3 、大腿部分4 、膝关节部分5 、小腿部分 6 、足部7 构成的下肢外骨骼，腰带部分2 两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；

其中，背架部分1 包括背带11 、背架12 ；腰带部分2 包括腰带模块21 、腰带22 ；髋关节部分3 包括髋关节连接板31 、髋关节电机座32 、髋关节电机33 、髋关节输出轴34、髋关节外展内收支架 35 、髋关节内外旋连接块36 ；大腿部分4 包括大腿杆41 、大腿绑缚42 ；膝关节部分5 包括膝关节连接板51 、膝关节挡板52 、轴承挡圈53 、膝关节轴承54、膝关节转轴55 、膝关节弹簧56 、膝关节弹簧下挡板57 、膝关节弹簧上挡板58 ；小腿部分6 包括小腿杆61 、小腿绑缚62 ；足部7 包括踝部绑缚71 、小腿弹簧管72 、足底限位螺钉73 、足底弹簧74 、足底弹簧挡块75 ；

两根背架12 的上端设置有上下排布的微孔，通过微孔用缝制的方法连接两根柔性的背带11 ；两根背架12 的下端设置有将两根背架12 的下部连接在一起的背架连接板；腰带模块21 为若干片状部件组合而成的链带，通过增、减片状部件的数量来调节腰带部分2 的长度；背架连接板的左、右两侧均连接有腰带模块21 ，两侧的腰带模块21 的另一端连接在腰带 22 的两侧上；两侧的髋关节连接板31 的上部通过螺栓固定在两侧的腰带模块21 的片状部件上；

髋关节连接板31 的上部为带水平通孔的板状，下部为环状连接部，在环状连接部的侧面的内侧边缘位置和外侧边缘位置均设置有一圈安装孔，髋关节电机33 的侧面上也设置有一圈安装孔，髋关节电机座32 为中部带通孔的盖状结构，在带通孔的侧面的上的内侧边缘处和外侧边缘处均设置有一圈安装孔，髋关节电机座32 通过螺钉将髋关节电机33固定安装在髋关节连接板31 下部的环状连接部上；髋关节输出轴34 水平设置，其中部带有通孔，其两端为“L”型衔接部，通过中部的通孔与髋关节电机33 的主轴固定连接，以实现刚性外骨骼系统髋关节的伸展和屈曲自由度；“L”型衔接部的末端设置有通孔；髋关节外展内收支架35 为正八边形的环状结构，在其外周的八个端面上的不连接的四个端面的中部均设置有一个安装孔，“L”型衔接部的末端通过螺钉安装在髋关节外展内收支架35 左、右两侧的内侧；髋关节输出轴34 的“L”型衔接部与髋关节外展内收支架35 左右两侧组成转动自由副；

髋关节内外旋连接块36 为“L”型连接片，其两部分上均设置有安装孔，两个髋关节内外旋连接块36 的一部分分别通过螺钉安装在髋关节外展内收支架35 的上、下的外侧，两个髋关节内外旋连接块36 的另一部分通过螺栓与大腿杆41 的上部固定在一起；髋关节外展内收支架35 的上、下两侧与两个髋关节内外旋连接块36 组成转动自由副，以实现外骨骼系统髋关节的内外旋自由度；

大腿杆41 包括上连接杆、“S”型衔接杆和下连接杆，三者由上到下衔接而成，其中上连接杆的顶部和下部设置有用于安装两个髋关节内外旋连接块 36 的水平通孔，下连接杆的上部设置有大腿绑缚安装孔，大腿绑缚42通过大腿绑缚安装孔固定在下连接杆的上部；在大腿绑缚安装孔下方的下连接杆部分的内部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，膝关节连接板51 的上部通过螺钉固定在该滑槽内，通过将螺钉安装在不同高度的通孔内以调节大腿部分4 的长度；

膝关节连接板51 的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与大腿杆41 下部滑槽配合连接的通孔；竖直连接板的下部衔接有一侧面的中部开有通孔、另一侧的外周端面上设置有一圈连接耳的盖状结构，竖直连接板衔接在盖状结构的周向端面的靠近中间开有通孔的侧面的位置上；在盖状结构的设置有连接耳的一侧的下部朝内开有豁口，膝关节弹簧下挡板57 通过螺钉固定在该豁口处且使其位于盖状结构的内侧；膝关节转轴55 中部轴段的直径较两端的大，在其中部轴段的顶部朝向下设置有凹槽，且在该凹槽左右两侧设置有通孔，膝关节弹簧上挡板58 通过螺栓固定在该中部轴段的凹槽内；膝关节转轴55与膝关节弹簧上挡板58 均安装在膝关节连接板51 的盖状结构的内部，膝关节转轴55 的朝向盖状结构的带有连接耳的一侧的轴向端面上设置有安装孔，膝关节转轴55 两端的轴段上均安装有一个膝关节轴承54 ，轴承挡圈53 通过螺栓固定在膝关节连接板51 的盖状结构的中间开有通孔的侧面上以卡住该侧的膝关节轴承54 ；膝关节挡板52的中部设置有容许膝关节转轴55 的末端通过的通孔，其周向端面朝外设置有一圈连接耳，与膝关节连接板51 的盖状结构上的连接耳通过螺钉紧固连接；膝关节转轴55 的朝向膝关节挡板52 的一侧的末端依次穿过一个膝关节轴承54 、膝关节挡板52 、一个轴承挡圈53 后与小腿杆61的顶部通过螺钉紧固连接；膝关节弹簧56 设置在膝关节弹簧上挡板58 、膝关节弹簧下挡板57 、膝关节连接板51 的盖状结构内侧及膝关节挡板 52 所构成的空间内；膝关节连接板51 的盖状结构的中间开有通孔的侧面上的靠近通孔的位置上设置有用于固定轴承挡圈53 的安装孔，膝关节挡板52 中部的通孔的边缘处同样设置有用于固定轴承挡圈53 的安装孔；膝关节转轴55 分别用两端的轴段及轴肩与膝关节轴承54 形成配合以安装膝关节转轴55 从而实现了膝关节的屈曲伸展自由度；

小腿部分6 包括小腿杆61 、小腿绑缚62 ，小腿杆61 包括上连接段、过渡弯曲部、下连接段，三部分衔接而成，上连接段的顶部设置有用于固定膝关节转轴55 的水平安装孔，下连接段的上部设置有用于安装小腿绑缚62 的水平通孔，下连接段的下部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，用以固定小腿弹簧管72 的上部并调节小腿部分6 长度；小腿绑缚62 通过螺栓与小腿杆61 固定在一起；

小腿弹簧管72 的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与小腿杆61 下部滑槽配合连接的通孔，该竖直连接板的下部设置有用于安装踝部绑缚71 的通孔，踝部绑缚71 通过螺栓连接与小腿弹簧管72 连接在一起；

小腿弹簧管72 的竖直连接板的下部衔接一个底面开口的圆筒状的空心杆，且在该空心杆的下部设置有两个相对的水平螺钉孔，足底弹簧74 与足底弹簧挡块75 从上到下放置在该空心杆的内部，足底弹簧挡块75 的两个相对的竖直方向的侧面的中部沿水平方向设置有限位通孔；足底限位螺钉 73 的中部位于足底弹簧挡块75 上的限位通孔内，其两端位于小腿弹簧管72 的空心杆的下部的两个水平螺钉孔内，将底弹簧74 与足底弹簧挡块75 限制在小腿弹簧管72 的空心杆的内部活动，其活动方向为上下方向，活动幅度为足底弹簧挡块75 上的限位通孔的位于上下方向的长度。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于，本实用新型设计的外骨骼系统在为穿戴者提供步行助力及辅助支撑负重的前提下，提高了人机协同的各个关节自由度的活动范围，从而不影响穿戴者的自然步态。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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，其中：

图1是本实用新型外骨骼系统一种实施例的立体结构示意图；

图2是本实用新型外骨骼系统一种实施例的后视结构示意图；

图3是图1的左侧下肢外骨骼爆炸结构示意图；

图4是本实用新型外骨骼系统一种实施例的膝关节弹簧装配示意图；

图5是本实用新型外骨骼系统一种实施例的大腿杆的前视结构示意图下部局部剖视；

图6是本实用新型外骨骼系统一种实施例的大腿杆的侧视结构示意图左侧或右侧视图，下部局部剖视；

图7是本实用新型外骨骼系统一种实施例的小腿杆的前视结构示意图下部局部剖视；

图8是本实用新型外骨骼系统一种实施例的小腿杆的侧视结构示意图左侧或右侧视图，下部局部剖视；

图9是本实用新型外骨骼系统一种实施例的小腿弹簧管的正视结构示意图 前视或后视视图，下部局部剖视；

图10是本实用新型外骨骼系统一种实施例的小腿弹簧管的侧视结构示意图左侧或右侧视图，下部局部剖视；

图11是本实用新型外骨骼系统一种实施例的小腿弹簧管的俯视结构示意图；

图12是本实用新型外骨骼系统一种实施例的足底限位螺钉、足底弹簧、足底弹簧挡块的装配示意图前视或后视视图，小腿弹簧管下部局部剖视；

图13是本实用新型外骨骼系统一种实施例的足底限位螺钉、足底弹簧、足底弹簧挡块的装配示意图左侧或右侧视图，小腿弹簧管下部局部剖视。

具体实施方式

本实用新型提供一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统简称外骨骼系统，参见图1-13 ，其特征在于，包括背架部分1 、腰带部分2 、髋关节部分3 、大腿部分4 、膝关节部分5 、小腿部分6 、足部7 。

腰带部分2 连接在背架部分1 的下侧，腰带部分2 两侧的下方均连接有一套由髋关节部分3 、大腿部分4 、膝关节部分5 、小腿部分 6 、足部7 构成的下肢外骨骼，腰带部分2 两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装。

其中，背架部分1 包括背带11 、背架12 ；腰带部分2 包括腰带模块21 、腰带22 ；髋关节部分3 包括髋关节连接板31 、髋关节电机座32 、髋关节电机33 、髋关节输出轴34、髋关节外展内收支架 35 、髋关节内外旋连接块36 ；大腿部分4 包括大腿杆41 、大腿绑缚42 ；膝关节部分5 包括膝关节连接板51 、膝关节挡板52 、轴承挡圈53 、膝关节轴承54、膝关节转轴55 、膝关节弹簧56 、膝关节弹簧下挡板57 、膝关节弹簧上挡板58 ；小腿部分6 包括小腿杆61 、小腿绑缚62 ；足部7 包括踝部绑缚71 、小腿弹簧管72 、足底限位螺钉73 、足底弹簧74 、足底弹簧挡块75 。

两根背架12 的上端设置有上下排布的微孔，通过微孔用缝制的方法连接两根柔性的背带11 ；两根背架12 的下端设置有将两根背架12 的下部连接在一起的背架连接板；腰带模块21 为若干片状部件组合而成的链带，通过增、减片状部件的数量来调节腰带部分2 的长度；背架连接板的左、右两侧均连接有腰带模块21 ，两侧的腰带模块21 的另一端连接在腰带 22 的两侧上；

所述片状部件为一侧的中部有凹槽且与其相对的另一侧的中部设置有凸块的结构，在其凹槽的上下方向上设置有贯通的通孔，在凸块的上下方向上也设置有通孔，凹槽与凸块的尺寸相匹配，通过两个片状部件上的凹槽与凸块对接并在两者上下方向上的通孔内装入卡钉以实现两者连接；所述背架连接板的左、右两侧的中部均设置有与片状部件上的凸块相匹配的凹槽，且在凹槽的上下方向上设置有用于连接片状部件的凸块的通孔；每一个片状部件的中部设置有水平通孔，腰带22 的两侧通过缝制连接在腰带模块21 的片状部件上，两侧的髋关节连接板31 的上部通过螺栓固定在两侧的腰带模块21 的片状部件上；通过调整腰带模块21 上片状部件的数量，使腰带部分2 达到既能调节外骨骼系统腰围以适应士兵穿脱防弹衣两种情形又将背架的负重传递到足底的目的。

髋关节连接板31 的上部为带水平通孔的板状，下部为环状连接部，在环状连接部的侧面的内侧边缘位置和外侧边缘位置均设置有一圈安装孔，髋关节电机33 的侧面上也设置有一圈安装孔，髋关节电机座32 为中部带通孔的盖状结构，在带通孔的侧面的上的内侧边缘处和外侧边缘处均设置有一圈安装孔，髋关节电机座32 通过螺钉将髋关节电机33固定安装在髋关节连接板31 下部的环状连接部上；髋关节输出轴34 水平设置，其中部带有通孔，其两端为“L”型衔接部，通过中部的通孔与髋关节电机33 的主轴固定连接，以实现刚性外骨骼系统髋关节的伸展和屈曲自由度；“L”型衔接部的末端设置有通孔；髋关节外展内收支架35 为正八边形的环状结构，在其外周的八个端面上的不连接的四个端面的中部均设置有一个安装孔，“L”型衔接部的末端通过螺钉安装在髋关节外展内收支架35 左、右两侧的内侧；

髋关节输出轴34 的“L”型衔接部与髋关节外展内收支架35 左右两侧组成转动自由副，并在两个零件的接触面间髋关节输出轴的“L”型衔接部的外侧与髋关节外展内收支架的内侧之间放置一个铜垫片，以减轻髋关节输出轴34 与髋关节外展内收支架35 由于相对转动而导致的零件磨损，由该转动副可以实现刚性外骨骼系统髋关节的外展和内收自由度；

髋关节内外旋连接块36 为“L”型连接片，其两部分上均设置有安装孔，两个髋关节内外旋连接块36 的一部分分别通过螺钉安装在髋关节外展内收支架35 的上、下的外侧，两个髋关节内外旋连接块36 的另一部分通过螺栓与大腿杆41 的上部固定在一起；髋关节外展内收支架35 的上、下两侧与两个髋关节内外旋连接块36 组成转动自由副，以实现外骨骼系统髋关节的内外旋自由度。

髋关节电机33 的一侧与髋关节连接板31 用圆周阵列的8*M3的螺栓连接，另一侧用8*M3的螺栓与髋关节电机座32 连接，同时髋关节连接板31 与髋关节电机座32 用4*M4的螺栓连接以固定髋关节电机33 ；髋关节电机33 的主轴通过6*M3的螺钉与髋关节输出轴34 连接。

大腿杆41 包括上连接杆、“S”型衔接杆和下连接杆，三者由上到下衔接而成，其中上连接杆的顶部和下部设置有用于安装两个髋关节内外旋连接块 36 的水平通孔，下连接杆的上部设置有大腿绑缚安装孔，大腿绑缚42通过大腿绑缚安装孔固定在下连接杆的上部，以方便穿戴者穿戴外骨骼系统，并使得外骨骼系统能够将髋关节电机33 的力矩传给穿戴者的髋关节，以实现步行助力及负重支撑。在大腿绑缚安装孔下方的下连接杆部分的内部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，通孔间距10mm，膝关节连接板51 的上部通过螺钉固定在该滑槽内，通过将螺钉安装在不同高度的通孔内以调节大腿部分4 的长度即髋关节转动中心到膝关节转动中心间的距离。

大腿杆41 下部滑槽上的通孔数量为七组两侧各一个称为一组，膝关节连接板51的上端开有一个通孔，膝关节连接板51 的上端通过螺钉固定在大腿杆41 下部滑槽内，因此，大腿部分长度的可调节范围为60mm。

膝关节连接板51 的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与大腿杆41 下部滑槽配合连接的通孔；竖直连接板的下部衔接有一侧面的中部开有通孔、另一侧的外周端面上设置有一圈连接耳的盖状结构，竖直连接板衔接在盖状结构的周向端面的靠近中间开有通孔的侧面的位置上；在盖状结构的设置有连接耳的一侧的下部朝内开有豁口，膝关节弹簧下挡板57 通过螺钉固定在该豁口处且使其位于盖状结构的内侧；膝关节转轴55 中部轴段的直径较两端的大，在其中部轴段的顶部朝向下设置有凹槽，且在该凹槽左右两侧设置有通孔，膝关节弹簧上挡板58 通过螺栓固定在该中部轴段的凹槽内。膝关节转轴55与膝关节弹簧上挡板58 均安装在膝关节连接板51 的盖状结构的内部，膝关节转轴55 的朝向盖状结构的带有连接耳的一侧的轴向端面上设置有安装孔，膝关节转轴55 两端的轴段上均安装有一个膝关节轴承54 ，轴承挡圈53 通过螺栓固定在膝关节连接板51 的盖状结构的中间开有通孔的侧面上以卡住该侧的膝关节轴承54 ；膝关节挡板52的中部设置有容许膝关节转轴55 的末端通过的通孔，其周向端面朝外设置有一圈连接耳，与膝关节连接板51 的盖状结构上的连接耳通过螺钉紧固连接；膝关节转轴55 的朝向膝关节挡板52 的一侧的末端依次穿过一个膝关节轴承54 、膝关节挡板52 、一个轴承挡圈53 后与小腿杆61的顶部通过螺钉紧固连接；膝关节弹簧56 设置在膝关节弹簧上挡板58 、膝关节弹簧下挡板57 、膝关节连接板51 的盖状结构内侧及膝关节挡板 52 所构成的空间内；膝关节连接板51 的盖状结构的中间开有通孔的侧面上的靠近通孔的位置上设置有用于固定轴承挡圈53 的安装孔，膝关节挡板52 中部的通孔的边缘处同样设置有用于固定轴承挡圈53 的安装孔；

膝关节转轴55 分别用两端的轴段及轴肩与膝关节轴承54 形成配合以安装膝关节转轴55 从而实现了膝关节的屈曲伸展自由度；另外在膝关节转轴55 的顶部和膝关节连接板51 的底部均开有槽口和螺栓孔用来固定膝关节弹簧上挡板58 和膝关节弹簧下挡板57 ，并将膝关节弹簧56放入膝关节弹簧上挡板58 和膝关节弹簧下挡板57 之间，且位于穿戴者的后侧，以提供支撑负重的助力。图4 所示位置弹簧为自由状态，也即人腿直立时的位置弹簧为自由状态，当穿戴者开始走路或者上楼梯时人体和负重的重心会降低，膝关节会屈曲，从而上下挡板压缩弹簧，此时是由穿戴者和负重共同做功，将一部分负重的重力势能转换为弹簧的弹性势能储存起来；当膝关节由屈曲运动转变为伸展运动时，弹簧储存的弹性势能被释放，帮助穿戴者对抗负重的重力做功，从而达到支撑负重的目的。

小腿部分6 包括小腿杆61 、小腿绑缚62 ，小腿杆61 包括上连接段、过渡弯曲部、下连接段，三部分衔接而成，上连接段的顶部设置有用于固定膝关节转轴55 的水平安装孔，下连接段的上部设置有用于安装小腿绑缚62 的水平通孔，下连接段的下部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，通孔间距10mm，用以固定小腿弹簧管72 的上部并调节小腿部分6 长度。小腿绑缚62 通过螺栓与小腿杆61 固定在一起，小腿绑缚62 绑在穿戴者小腿上以固定外骨骼系统。

小腿杆61 下部滑槽上的通孔数量为七组两侧各一个称为一组，小腿弹簧管72 的上端开有一个通孔，小腿弹簧管72 的上端通过螺钉固定在小腿杆61 下部滑槽内，因此，小腿部分长度的可调节范围为60mm。

小腿弹簧管72 的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与小腿杆61 下部滑槽配合连接的通孔，该竖直连接板的下部设置有用于安装踝部绑缚71 的通孔，踝部绑缚71 通过螺栓连接与小腿弹簧管72 连接在一起，踝部绑缚71 固定在穿戴者的踝部。

小腿弹簧管72 的竖直连接板的下部衔接一个底面开口的圆筒状的空心杆，且在该空心杆的下部设置有两个相对的水平螺钉孔，足底弹簧74 与足底弹簧挡块75 从上到下放置在该空心杆的内部，足底弹簧挡块75 的两个相对的竖直方向的侧面的中部沿水平方向设置有限位通孔；足底限位螺钉 73 的中部位于足底弹簧挡块75 上的限位通孔内，其两端位于小腿弹簧管72 的空心杆的下部的两个水平螺钉孔内，将底弹簧74 与足底弹簧挡块75 限制在小腿弹簧管72 的空心杆的内部活动，其活动方向为上下方向，活动幅度为足底弹簧挡块75 上的限位通孔的位于上下方向的长度。

圆筒状的空心杆的内壁起到引导足底弹簧74 伸缩方向的作用，足底弹簧74 放入杆的内部后，用足底弹簧挡块75 将足底弹簧74 压缩，再用足底限位螺钉73 限制足底弹簧挡块75 的位移范围，使得足底弹簧74能够一直处在压缩状态。在穿戴者的足部由地面转移到悬空状态的过程中，足底弹簧74 能够为穿戴者抬脚提供助力，在穿戴者的足部由悬空转移到地面的过程中，穿戴者及负重的重力势能会转换为足底弹簧74 的弹性势能，起到缓冲的作用，能够让穿戴者的足部平缓舒服的落地并将负重的重力传递到地面上。

本实用新型外骨骼系统为刚性结构，为了在保证系统结构强度的同时携带及穿着轻便，其中各零件材料的选用为:背带11 、腰带22 为编织尼龙材质；背架12 、腰带模块21、髋关节连接板31 、髋关节电机座32 、大腿杆41 、小腿杆61 为碳纤维材质；髋关节输出轴34 、髋关节外展内收支架35 、髋关节内外旋连接块36 、膝关节连接板51 、膝关节挡板52、轴承挡圈53 、膝关节转轴55 、小腿弹簧管72 、足底弹簧挡块75 为7075铝合金材质；大腿绑缚42 、膝关节弹簧下挡板57 、膝关节弹簧上挡板58 、小腿绑缚62 、踝部绑缚71 为黑色尼龙3D打印。所述髋关节电机33 的型号为T-MOTOR的机器人电机AK80系列，其重量只有485g，薄至38.5mm，外骨骼系统的总体重量仅为4.3kg左右。

本实用新型外骨骼系统的工作原理与工作流程：穿戴者通过背带11 、腰带22 、大腿绑缚42 、小腿绑缚62 、踝部绑缚71 将刚性外骨骼系统穿戴在身上，之后开启控制板、电机驱动板和髋关节电机33 的电源，髋关节电机33 得电并按电机驱动板的输出提供一定的力矩给与外骨骼系统，为其提供一个起始驱动力，外骨骼系统开始工作，对穿戴者的髋关节的屈曲和伸展运动进行助力。

外骨骼系统有三个关节，其中包括髋关节部分3 、膝关节部分5 、踝关节部分7 。其中髋关节部分3 有三个自由度，包括一个主动自由度和两个被动自由度：电机驱动的髋关节屈曲伸展提供步行助力、髋关节的外展内收、髋关节内外旋；膝关节部分5 有一个被动自由度：膝关节的屈曲伸展，并且具有弹性储能元件，能够释放和储存能量以提供负重支撑和步行助力；踝关节部分7 有一个被动自由度，有弹性储能元件能够提供负重支撑和步行助力。以上五个自由度都有较大的活动范围，因此几乎不会影响穿戴者的自然步态。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分(1)、腰带部分(2)、髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)；

腰带部分(2)连接在背架部分(1)的下侧，腰带部分(2)两侧的下方均连接有一套由髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)构成的下肢外骨骼，腰带部分(2)两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；

其中，背架部分(1)包括背带(11)、背架(12)；腰带部分(2)包括腰带模块(21)、腰带(22)；髋关节部分(3)包括髋关节连接板(31)、髋关节电机座(32)、髋关节电机(33)、髋关节输出轴(34)、髋关节外展内收支架(35)、髋关节内外旋连接块(36)；大腿部分(4)包括大腿杆(41)、大腿绑缚(42)；膝关节部分(5)包括膝关节连接板(51)、膝关节挡板(52)、轴承挡圈(53)、膝关节轴承(54)、膝关节转轴(55)、膝关节弹簧(56)、膝关节弹簧下挡板(57)、膝关节弹簧上挡板(58)；小腿部分(6)包括小腿杆(61)、小腿绑缚(62)；足部(7)包括踝部绑缚(71)、小腿弹簧管(72)、足底限位螺钉(73)、足底弹簧(74)、足底弹簧挡块(75)；

两根背架(12)的上端设置有上下排布的微孔，通过微孔用缝制的方法连接两根柔性的背带(11)；两根背架(12)的下端设置有将两根背架(12)的下部连接在一起的背架连接板；腰带模块(21)为若干片状部件组合而成的链带，通过增、减片状部件的数量来调节腰带部分(2)的长度；背架连接板的左、右两侧均连接有腰带模块(21)，两侧的腰带模块(21)的另一端连接在腰带(22)的两侧上；两侧的髋关节连接板(31)的上部通过螺栓固定在两侧的腰带模块(21)的片状部件上；

髋关节连接板(31)的上部为带水平通孔的板状，下部为环状连接部，在环状连接部的侧面的内侧边缘位置和外侧边缘位置均设置有一圈安装孔，髋关节电机(33)的侧面上也设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)为中部带通孔的盖状结构，在带通孔的侧面的上的内侧边缘处和外侧边缘处均设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)通过螺钉将髋关节电机(33)固定安装在髋关节连接板(31)下部的环状连接部上；髋关节输出轴(34)水平设置，其中部带有通孔，其两端为“L”型衔接部，通过中部的通孔与髋关节电机(33)的主轴固定连接，以实现刚性外骨骼系统髋关节的伸展和屈曲自由度；“L”型衔接部的末端设置有通孔；髋关节外展内收支架(35)为正八边形的环状结构，在其外周的八个端面上的不连接的四个端面的中部均设置有一个安装孔，“L”型衔接部的末端通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)左、右两侧的内侧；髋关节输出轴(34)的“L”型衔接部与髋关节外展内收支架(35)左右两侧组成转动自由副；

髋关节内外旋连接块(36)为“L”型连接片，其两部分上均设置有安装孔，两个髋关节内外旋连接块(36)的一部分分别通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)的上、下的外侧，两个髋关节内外旋连接块(36)的另一部分通过螺栓与大腿杆(41)的上部固定在一起；髋关节外展内收支架(35)的上、下两侧与两个髋关节内外旋连接块(36)组成转动自由副，以实现外骨骼系统髋关节的内外旋自由度；

大腿杆(41)包括上连接杆、“S”型衔接杆和下连接杆，三者由上到下衔接而成，其中上连接杆的顶部和下部设置有用于安装两个髋关节内外旋连接块(36)的水平通孔，下连接杆的上部设置有大腿绑缚安装孔，大腿绑缚(42)通过大腿绑缚安装孔固定在下连接杆的上部；在大腿绑缚安装孔下方的下连接杆部分的内部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，膝关节连接板(51)的上部通过螺钉固定在该滑槽内，通过将螺钉安装在不同高度的通孔内以调节大腿部分(4)的长度；

膝关节连接板(51)的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与大腿杆(41)下部滑槽配合连接的通孔；竖直连接板的下部衔接有一侧面的中部开有通孔、另一侧的外周端面上设置有一圈连接耳的盖状结构，竖直连接板衔接在盖状结构的周向端面的靠近中间开有通孔的侧面的位置上；在盖状结构的设置有连接耳的一侧的下部朝内开有豁口，膝关节弹簧下挡板(57)通过螺钉固定在该豁口处且使其位于盖状结构的内侧；膝关节转轴(55)中部轴段的直径较两端的大，在其中部轴段的顶部朝向下设置有凹槽，且在该凹槽左右两侧设置有通孔，膝关节弹簧上挡板(58)通过螺栓固定在该中部轴段的凹槽内；膝关节转轴(55)与膝关节弹簧上挡板(58)均安装在膝关节连接板(51)的盖状结构的内部，膝关节转轴(55)的朝向盖状结构的带有连接耳的一侧的轴向端面上设置有安装孔，膝关节转轴(55)两端的轴段上均安装有一个膝关节轴承(54)，轴承挡圈(53)通过螺栓固定在膝关节连接板(51)的盖状结构的中间开有通孔的侧面上以卡住该侧的膝关节轴承(54)；膝关节挡板(52)的中部设置有容许膝关节转轴(55)的末端通过的通孔，其周向端面朝外设置有一圈连接耳，与膝关节连接板(51)的盖状结构上的连接耳通过螺钉紧固连接；膝关节转轴(55)的朝向膝关节挡板(52)的一侧的末端依次穿过一个膝关节轴承(54)、膝关节挡板(52)、一个轴承挡圈(53)后与小腿杆(61)的顶部通过螺钉紧固连接；膝关节弹簧(56)设置在膝关节弹簧上挡板(58)、膝关节弹簧下挡板(57)、膝关节连接板(51)的盖状结构内侧及膝关节挡板(52)所构成的空间内；膝关节连接板(51)的盖状结构的中间开有通孔的侧面上的靠近通孔的位置上设置有用于固定轴承挡圈(53)的安装孔，膝关节挡板(52)中部的通孔的边缘处同样设置有用于固定轴承挡圈(53)的安装孔；膝关节转轴(55)分别用两端的轴段及轴肩与膝关节轴承(54)形成配合以安装膝关节转轴(55)从而实现了膝关节的屈曲伸展自由度；

小腿部分(6)包括小腿杆(61)、小腿绑缚(62)，小腿杆(61)包括上连接段、过渡弯曲部、下连接段，三部分衔接而成，上连接段的顶部设置有用于固定膝关节转轴(55)的水平安装孔，下连接段的上部设置有用于安装小腿绑缚(62)的水平通孔，下连接段的下部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，用以固定小腿弹簧管(72)的上部并调节小腿部分(6)长度；小腿绑缚(62)通过螺栓与小腿杆(61)固定在一起；

小腿弹簧管(72)的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与小腿杆(61)下部滑槽配合连接的通孔，该竖直连接板的下部设置有用于安装踝部绑缚(71)的通孔，踝部绑缚(71)通过螺栓连接与小腿弹簧管(72)连接在一起；

小腿弹簧管(72)的竖直连接板的下部衔接一个底面开口的圆筒状的空心杆，且在该空心杆的下部设置有两个相对的水平螺钉孔，足底弹簧(74)与足底弹簧挡块(75)从上到下放置在该空心杆的内部，足底弹簧挡块(75)的两个相对的竖直方向的侧面的中部沿水平方向设置有限位通孔；足底限位螺钉(73)的中部位于足底弹簧挡块(75)上的限位通孔内，其两端位于小腿弹簧管(72)的空心杆的下部的两个水平螺钉孔内，将底弹簧(74)与足底弹簧挡块(75)限制在小腿弹簧管(72)的空心杆的内部活动，其活动方向为上下方向，活动幅度为足底弹簧挡块(75)上的限位通孔的位于上下方向的长度。

2.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述片状部件为一侧的中部有凹槽且与其相对的另一侧的中部设置有凸块的结构，在其凹槽的上下方向上设置有贯通的通孔，在凸块的上下方向上也设置有通孔，凹槽与凸块的尺寸相匹配，通过两个片状部件上的凹槽与凸块对接并在两者上下方向上的通孔内装入卡钉以实现两者连接；所述背架连接板的左、右两侧的中部均设置有与片状部件上的凸块相匹配的凹槽，且在凹槽的上下方向上设置有用于连接片状部件的凸块的通孔。

3.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，每一个片状部件的中部设置有水平通孔，腰带(22)的两侧通过缝制连接在腰带模块(21)的片状部件上。

4.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，髋关节输出轴的“L”型衔接部的外侧与髋关节外展内收支架的内侧之间放置一个铜垫片。

5.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，髋关节电机(33)的一侧与髋关节连接板(31)用圆周阵列的8*M3的螺栓连接，另一侧用8*M3的螺栓与髋关节电机座(32)连接，同时髋关节连接板(31)与髋关节电机座(32)用4*M4的螺栓连接以固定髋关节电机(33)；髋关节电机(33)的主轴通过6*M3的螺钉与髋关节输出轴(34)连接。

6.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，大腿杆(41)下部滑槽上的通孔数量为七组，通孔间距10mm，膝关节连接板(51)的上端开有一个通孔，膝关节连接板(51)的上端通过螺钉固定在大腿杆(41)下部滑槽内，因此，大腿部分长度的可调节范围为60mm。

7.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，小腿杆(61)下部滑槽上的通孔数量为七组，通孔间距10mm，小腿弹簧管(72)的上端开有一个通孔，小腿弹簧管(72)的上端通过螺钉固定在小腿杆(61)下部滑槽内，因此，小腿部分长度的可调节范围为60mm。

8.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，背带(11)、腰带(22)为编织尼龙材质；背架(12)、腰带模块(21)、髋关节连接板(31)、髋关节电机座(32)、大腿杆(41)、小腿杆(61)为碳纤维材质；髋关节输出轴(34)、髋关节外展内收支架(35)、髋关节内外旋连接块(36)、膝关节连接板(51)、膝关节挡板(52)、轴承挡圈(53)、膝关节转轴(55)、小腿弹簧管(72)、足底弹簧挡块(75)为7075铝合金材质；大腿绑缚(42)、膝关节弹簧下挡板(57)、膝关节弹簧上挡板(58)、小腿绑缚(62)、踝部绑缚(71)为黑色尼龙3D打印。

9.根据权利要求1所述的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述髋关节电机(33)的型号为T-MOTOR的机器人电机AK80系列，其重量485g，薄至38.5mm，外骨骼系统的总体重量仅为4.3kg。

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