CN214490583U - 仿足弓式下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及人体外骨骼领域，具体涉及仿足弓式下肢外骨骼，为了解决以往的下肢外骨骼没有采用类似人体足弓的结构，绝大多数的下肢外骨骼是直接把连杆或踝关节与足底板相连，重力向下简单直接的传递到足底板，忽略了人体踝足部重要的结构‑足弓的作用，从而不能很好的进行人机协同运动的问题，本实用新型肩部固定机构、腰部固定机构、髋部固定机构、两组大腿固定机构、两组膝部固定机构、两组小腿固定机构和两组足部固定机构由上至下顺次设置，两组大腿固定机构、两组膝部固定机构、两组小腿固定机构和两组足部固定机构均水平对称设置，使外骨骼在负重点及关键结构上与人体结构相似，在运动中能够尽量同步传递，达到人机运动更协调一致的目的。

Description

仿足弓式下肢外骨骼

技术领域

本实用新型涉及人体外骨骼领域，具体涉及仿足弓式下肢外骨骼。

背景技术

国外较早的对外骨骼机器人展开研究，并且一开始只应用在军事领域，“外骨骼助力机器人”这个技术概念最早由Lent在1956年提出，而美国通用电气公司从1960年开始对外骨骼技术进行研究，并在1971年研制出第一台全身增力型外骨骼机器人。2004年，中国科学院合肥智能机械研究所率先开始对下肢外骨骼助力机器人进行研究。经过几十年的发展，外骨骼已逐渐从军事领域应用到民用领域。从功能上来看，外骨骼可以分成两类：一种是增强健康人体负载能力。另一种是增强老年人或患者四肢关节力量。目前欧美和日本等发达国家仍处于领先水平，并且部分产品已投入市场。

“外骨骼”名称来源于生物学，指可为使用者提供保护、支撑、构型等功能的坚硬的外部结构。科研人员根据仿生学理论，将生物外骨骼功能与机械工程技术相结合，设计与研制出了外骨骼助力机器人，其本质就是将人类本身的力量和动作速度放大。广义上来说，外骨骼助力机器人是指任何能够根据实际需求对人体运动进行辅助或者主动助力的人机一体化机器设备。狭义上讲，外骨骼助力机器人是指可穿戴在人体上并能减轻负重或提供支撑的机械装置。

一、下肢外骨骼主要针对以下3种情况设计和开发：①步态恢复，针对中风等运动功能受损患者，恢复其肌肉强度；②辅助步行，针对老年人及残疾人，协助其站立并完成行走等日常活动；③增强体力，针对远足、救援等负重人员，增强其承载能力，防止受伤，降低疲劳感。

近年来，由于人们看到了下肢外骨骼在康复医学、助老助残、助力承载和单兵作战平台应用上的重要学术意义、重大社会需求和应用价值，下肢外骨骼的研究已经成为了机器人学科的一个研究热点。研究者不断探索下肢外骨骼设计与控制的关键问题，寻求结构更轻量化、步态控制更贴合人体柔顺化，和能效比更高的下肢外骨骼设计方案。

与传统机器人系统相比，这类可穿戴智能装备的最大特点，是通过在穿戴者肌骨神经运动控制生物系统与智能机电控制系统之间建立有效的物理和认知交互，使得两者在感知、决策和执行等多个层面融合与互补，最终构建综合一体化的具有“人在环”和“共融”特点的协同运动系统。

相比于传统机器人系统纯粹基于预设控制算法决策与运动控制，这种人机交互系统将人体进化获得的认知智能和自然运动行为，与日益完善的智能化机电系统的传感技术和机械运动控制技术结合。这使得外骨骼这类可穿戴智能装备在获得前所未有的仿生性和环境自适应性的同时，成为穿戴者感知系统的延伸与肢体运动功能的拓展或补充。

人机交互问题涉及到动力外骨骼的机械结构设计、执行器控制，运动感知与识别，以及人机系统整体的协同控制策略等多个方面，具体而言主要需要解决外骨骼与人体之间的三个问题：1.运动学匹配问题；2.动力学匹配问题；3.认知交互问题。

所谓人机交互接口，指的是在人机间建立物理和信息联系的一系列硬件与软件系统，主要可以分为物理交互和认知交互两大部分。物理交互的主要目的是通过外骨骼机械结构与人体肌骨系统之间的物理绑缚和一系列外骨骼关节执行器，实现两者之间的机械能交互。

物理交互与认知交互之间并不是相互孤立的。在与环境的交互过程中，物理交互的存在有助于人机系统根据环境进行适当认知调整。例如由于穿戴外骨骼而引入了额外质量和交互力，穿戴者对自身平衡、步态和关节运动控制的感知、认知过程发生了改变，穿戴者需要通过自身的神经可塑性与自适应性，构建新的适用于人机系统整体的姿态平衡、步态和关节运动控制策略。另一方面，认知交互也有助于改善人机系统的物理交互特性。例如通过采集穿戴者的生物电信号，改变外骨骼的构形和关节刚度参数，确保其与穿戴者或外部环境之间交互的自然和柔顺。

对外骨骼助力助行机器人的控制有很多种方法，例如:操作者控制，肌电信号控制，预编程控制，主从控制，直接力反馈控制，地面反作用力控制，ZMP控制，灵敏度放大控制等，而无论使用哪一种控制方法，都必须实现人机一体化、智能化。

外骨骼机器人是一种复杂的人机耦合系统，穿戴在人身上，为穿戴者提供助力，实现人机协同运动。在人机协同运动时，保证动态稳定是一切关键技术研究的前提，无论是助力外骨骼机器人还是康复外骨骼机器人，在人机协同运动时都需要保持一个平衡，即达到人机系统的稳定性。

目前，外骨骼助力机器人以由电力、液压、气压为动力来源，存在质量重、成本高、使用不方便等问题，另一方面，能源及续航问题也是影响外骨骼助力机器人发展的重要因素。

而无动力外骨骼助力机器人是新兴的研究方向，其研发过程涉及人体解剖学、生物力学、机械设计、材料学等多个学科，不仅需要研究人员充分掌握相关理论知识，而且需要相关技术水平保持跟进。

目前，制约其发展的关键技术有以下几个方面：

(1)机械结构。设计时应基于人体运动谱复现的仿生构型，能够根据使用者进行尺寸调节；要保证外骨骼结构紧凑、材料的强度高密度低，满足轻量化的使用要求。

(2)负载能力。目前其承载能力与动力型外骨骼的助力效果还有很大差距，因此研究人员不仅要加紧高性能助力元件的研发，同时也要探索其他无动力的助力方式，以设计出助力效果更好的产品。

(3)人机协同性。人体与外骨骼机器人的关节轴线会存在一定偏差，导致运动时人机之间产生不良的交互力。研究人员曾分别尝试多种方式解决人机轴线不重合问题，但效果都不甚理想，因此这仍是今后的研究重点。

(4)控制精度。目前，无动力外骨骼助力机器人使用弹簧为驱动部件时，导致控制精度低，应继续设计制造新的产品来增加外骨骼的活动精度。

(5)舒适性设计。无动力外骨骼应以“刚柔相济，人机一体为”为指导思想，以“人主机辅、以人为本”为设计思想。

(6)作动器元件。作动器元件是无动力外骨骼助力机器人研发的核心元件，也是影响其发展的重要因素。随着材料科学的发展，希望可借助新材料进一步丰富无动力助力机器人助力元件。

二、人体下肢运动过程中主要涉及髋关节、膝关节、踝关节和足部等。每个关节有不同的运动方式和运动角度范围，其中关节的运动方式可分为三类：屈伸运动，即围绕冠状轴运动；内收与外展运动，即围绕矢状轴运动；内外旋运动，即围绕垂直轴运动。

1.髋关节是多轴性球窝关节，由股骨的股骨头和髋骨的髋臼组成。髋关节能绕三个基本轴运动，其基本运动方向有：屈、伸、内收、外展、旋内、旋外。

2.膝关节作为人体最大最复杂的关节，在人体生物力学中扮演重要角色。它在参与下肢活动的同时还要承受较大压力，起着对人体承重，传递载荷的作用，同时允许股骨和胫骨间较大的运动幅度。从功能上来讲，在站立位时膝关节能支持体重而不需要肌肉的收缩，在步行时，正常的膝关节通过减少身体重心垂直和侧方的震荡来减少能量的消耗。下肢的活动又通常是由多关节协同运动来完成，下肢各个关节联系紧密，彼此之间可以相互影响。

3.踝关节是下肢运动链三大关节中最远端的关节。在站立、行走、跑、跳等动作中，踝关节的稳定性和灵活性起着十分重要的作用。踝关节通常与足部作为一个整体联合运动。踝、足的内在结构和复杂动力学组织能吸收各种振动、提供机体运动时的稳定性，并在直立和步行情况下推动身体前进。为了完成正常的运动功能，踝和足还具有能在不同时刻和不同位置上承受身体速度、运动方向和路面条件等复杂变化引起的较高负荷的作用。踝足部的运动主要表现为多关节相互配合下的三维复合运动，其特点是稳定中有灵活。

足与踝通常协同运动。从整体而言，描述足踝的运动可以利用标准的人体三维空间平面：足部绕冠状轴在矢状面上的相对运动为背伸与跖屈；足部绕矢状轴在冠状面的相对运动为内翻和外翻；足部在水平面绕垂直轴的相对运动为内收和外展。然而，在实际生活中，由于足跟部的关节轴多为斜行，故足踝部的运动主要表现为多关节相互配合下的三维复合运动，其特点是稳定中有灵活。常用的描述术语为旋前、旋后。旋前包括外翻、外展和背伸动作；旋后为内翻、内收及跖屈动作的合并。除跖屈与背伸运动主要发生在踝关节外，其余方向上的运动则主要由足部关节完成。

4.足的运动足既可以离开地面，与小腿之间作自由运动，又可以站立于地面之上承受体重，或在传递推力时运动。后者的运动是非常有限的，并且部分运动是由于强加于小腿的体重所致，同时也是肌肉收缩的结果。主动运动发生在踝关节、距跟舟关节和距下关节。在踝关节，运动几乎仅限于背屈和跖屈，在跖屈时可轻微旋转；在距跟舟关节和距下关节，运动范围较大，可进行大幅度的足内翻和足外翻。

人类进化过程中为了负重行走和吸收震荡，足跗骨和跖骨借助韧带牢固相连，构成具有少许活动的凸向上方的弓形骨骼结构，称为足弓。

足弓习惯上分为足纵弓和足横弓，足弓的高度因人而异，尤其是足纵弓的内侧部，在运动的不同阶段，其高度呈动态变化。通常认为足弓主要依靠骨的形态和韧带的维系，有关肌肉的作用居于次要,通常把足的纵向弯曲描述为由内、外侧纵弓组成。是根据足内、外侧区骨的排列和功能的不同而划分的。

纵弓：包括内侧纵弓和外侧纵弓，均止于跟骨结节。

内侧纵弓由跟、距、舟三块楔骨及第一至第三跖骨组成。距骨头是足弓的最高点，跟骨是弓的后支柱，其他组成部分则形成弓的前支柱。此弓前端的承重点主要在第一跖骨头。内侧织弓的特点是较长较高,活动性大，富于弹性，又称弹性足弓，为足弓的主要运动部分，使足可以适应不同的路面，并把来自胫骨的负荷传至足的前、中、后部，有缓冲作用。

外侧纵弓由跟、骰骨及第四、第五跖骨构成，弓的最高点在骰骨。跟骨亦作为后支柱，其内侧结节形成后支点。第五跖骨头为前支点，是此弓前端的承重点。外侧纵弓的特点是较低较短，站立时几乎近地平面，弹性差，活动度小，比较稳定，主要作用是承载重力，又称支撑足弓。

横弓：在前足的横切面上，由骰骨、三块楔骨与跖骨排列而成，向前足背隆起的弓形。其最高点在中间楔骨。各骨均作拱桥形排列，它们的背侧面一般较跖侧面大，上宽下窄，形成跖面的深凹。各跖骨头站立时完全着地，其上下有背侧韧带和跖侧韧带连接。横弓为中足提供横向稳定性。在承受体重的状态下，足横弓受压轻度下降，通过跖骨头来分担所承受的体重。

足弓的维持，足弓由肌腱、肌肉、筋膜、韧带及骨骼共同支持，其稳定性的维持可分为骨性因素和软组织因素两个方面。一方面，楔形足骨维持足弓的骨性结构；另一方面，则是韧带、筋膜的弹性和肌肉收缩、肌腱等软组织保持着足弓的弹性及形态。

足弓的形态结构，决定了足弓的功能，其主要功能有：

(1)支持体重：站立时体重经踝至距骨，再经足弓分布于3个负重点，即跟骨结节、第一跖骨头处及第五跖骨头,双足6个点成为强有力的支柱，以保证直立时足底支撑的稳固性。

(2)缓冲震荡：当身体跳跃或从高处落下着地时，足弓弹性起着重要的缓冲震荡的作用，在行走，尤其是长途跋涉时，足弓的弹性对身体重力下传和地面反弹力间的节奏也有着缓冲作用。

(3)保护作用，足弓的拱形结构能保护足底的血管和神经免受压迫。

(4)增强适应：足弓存在一定的活动度，具有柔韧性，使足在着地时能适应不同的路面。

(5)推进作用：足弓具有坚韧性和弹性，可以使足在离开地面时获得一定的推进力，有利于行走、跑、跳等活动。

另外，在仿人机器人研究中，较多应用了被动柔性足趾关节、弹性缓冲吸震足底等，但足弓的结构功能和足部的空间多维配合运动却被忽略。应该说研究人体足部主要结构的功能特性并将其应用到仿人机器人的足部结构设计和行走控制中，对提高仿人机器人的行走性能具有深远意义。

根据足弓的结构功能及受力情况，从人体解剖学和运动学的角度来设计、研究具有仿足弓结构的踝足部外骨骼，未见报道。

在以往的文献报道和研究中，绝大多数的下肢外骨骼设计是直接把连杆或踝关节与足底板相连，重力向下简单直接的传递到足底板，忽略了人体踝足部重要的结构-足弓的作用。而人体重力经踝关节向下传递至足弓，经过分散、缓冲、稳定等作用，最后在足底与地面进行力的交互。由于人体足部与外骨骼结构的不同，使人体足部与外骨骼在运动中受力后的传递时间、过程、效应不同，甚至出现不良交互力，导致人体踝足部与踝足部外骨骼的运动节奏不能协调一致，从而影响了人体及下肢外骨骼的运动。

本专利通过采用类似于足弓的外骨骼结构，使踝足部外骨骼的主要受力部位及传递过程与人体踝足部主要受力部位及传递过程相似，达到或基本达到踝足部外骨骼能够与人体踝足部同步分散重力、缓冲震荡、维持足底稳固性等的目的，从而提高人机协同性。

实用新型内容

本实用新型专利的目的：本实用新型是为了解决以往的下肢外骨骼没有采用类似人体足弓的结构，绝大多数的下肢外骨骼是直接把连杆或踝关节与足底板相连，重力向下简单直接的传递到足底板，忽略了人体踝足部重要的结构-足弓的作用，从而不能很好的进行人机协同运动的问题，提出一种仿足弓式下肢外骨骼。

本实用新型的目的是这样实现的：仿足弓式下肢外骨骼，它包括肩部固定机构、腰部固定机构、髋部固定机构、两组大腿固定机构、两组膝部固定机构、两组小腿固定机构和两组足部固定机构；

肩部固定机构、腰部固定机构、髋部固定机构、两组大腿固定机构、两组膝部固定机构、两组小腿固定机构和两组足部固定机构由上至下顺次设置，两组大腿固定机构、两组膝部固定机构、两组小腿固定机构和两组足部固定机构均水平对称设置。

进一步地，所述肩部固定机构和腰部固定机构通过伸缩连接杆A连接，腰部固定机构和髋部固定机构通过伸缩连接杆B连接。

再进一步地，所述肩部固定机构包括定位杆A、伸缩杆A和固定件A；

所述定位杆A水平设置，定位杆A的每端分别与一个伸缩杆A的一端连接，每个伸缩杆A上设有一个固定件A。

进一步地，所述腰部固定机构包括定位杆B、伸缩杆B和固定件B；

所述定位杆B水平设置，定位杆B的每端分别与一个伸缩杆B的一端连接，所述伸缩杆B呈L状，两个伸缩杆B对称设置，每个伸缩杆B的另一端均向前延伸且通过固定件B连接。

再进一步地，所述髋部固定机构包括定位杆C、伸缩杆C、固定件C和防脱定位件；

所述定位杆C水平设置，定位杆C的每端分别与一个伸缩杆C的一端连接，所述伸缩杆C呈L状，两个伸缩杆C对称设置，每个伸缩杆C的另一端均向前延伸且通过固定件C连接；

每个伸缩杆C下方均连接一个防脱定位件，每个防脱定位件上设有一个定位凹坑，两个定位凹坑相对设置。

进一步地，所述大腿固定机构包括大腿护板定位杆、大腿护板和固定件D；

所述大腿护板定位杆上端与伸防脱定位件转动连接，大腿护板定位杆下端与膝部固定机构转动连接，大腿护板为条状弧形板，大腿护板由一端至另一端斜向向下设置，大腿护板的一端与大腿护板定位杆的中部连接，大腿护板的另一端悬空设置，大腿护板上设置有固定件D。

再进一步地，所述小腿固定机构包括小腿护板定位杆、小腿护板辅助定位杆、小腿护板和固定件E；

所述小腿护板定位杆上端与膝部固定机构转动连接，小腿护板定位杆下端与足部固定机构转动连接，小腿护板为倒V状弧形板，小腿护板的一端与小腿护板定位杆连接，小腿护板的另一端与小腿护板辅助定位杆的上端连接，小腿护板辅助定位杆的下端与足部固定机构转动连接，小腿护板上设置有固定件E。

进一步地，所述膝部固定机构包括扭簧；

扭簧的一端与大腿护板定位杆的下端连接，扭簧的另一端与小腿护板定位杆的上端连接。

再进一步地，所述足部固定机构包括两个脚跟部固定杆、两个脚掌部固定杆、固定件F、固定件G和固定件H；

所述脚跟部固定杆和脚掌部固定杆均呈L状，两个脚跟部固定杆对称设置且通过固定件F连接，两个脚掌部固定杆对称设置且通过固定件G连接，同侧的脚跟部固定杆和脚掌部固定杆通过固定件H连接；

一个脚跟部固定杆与小腿护板定位杆的下部转动连接，另一个脚跟部固定杆与小腿护板辅助定位杆的下部转动连接，一个脚掌部固定杆与小腿护板定位杆的下部转动连接，另一个脚掌部固定杆与小腿护板辅助定位杆的下部转动连接，

进一步地，所述固定件A、固定件B、固定件C、固定件D、固定件E、固定件F、固定件G和固定件H均为带状，且均设有连接扣或魔术贴。

一、足部由于体重主要经足弓分布于3个负重点(跟骨结节、第一跖骨头处及第五跖骨头),靠双足6个点来保证直立时足底支撑的稳固性，因此在足部分别设有双足8个抓钩，即每侧足部都有4个抓钩(两个脚跟部固定杆和两个脚掌部固定杆)分别抓持在穿鞋时脚掌和足跟两侧的位置(经第一跖骨内侧及第五跖骨的外侧及跟骨结节内外侧),再呈直角转折延伸至鞋底2厘米左右，自脚掌和足跟两侧斜向上适应踝足部的弯曲分别到内外踝的上方连接于两侧的外骨骼踝关节。

同时位于第一跖骨头内侧及第五跖骨头外侧的抓钩经足背有可调节距离的粘贴带连接；位于跟骨结节内外侧的抓钩经跟腱后方同样以可调节距离的粘贴带连接；经第一跖骨头内侧(前内)至跟骨结节内侧(后内)的抓钩以及第五跖骨头的外侧(前外)及跟骨结节外侧(后外)的抓钩同样以可调节距离的粘贴带连接。这样就形成了足部外骨骼的弓状结构，形成向前内、前外以及后方的3个负重方向(其负重点基本保持与人体一致)，通过足部4条粘贴带的连接代替韧带等结构维持外骨骼足弓的形态及稳固并起到缓冲震荡等作用。

二、踝关节

由小腿部两侧向下的连杆在内踝或外踝上方与足部同侧的2个抓钩(同侧的脚跟部固定杆和脚掌部固定杆)之间转动(小腿护板定位杆或小腿护板辅助定位杆下端通过轴穿过同侧的脚跟部固定杆和脚掌部固定杆，小腿护板定位杆或小腿护板辅助定位杆位于中间，而脚跟部固定杆在外侧、脚掌部固定杆在内侧，轴上部件的连接间隙处放有弹性件。弹性件为弹簧和弹性橡胶圈的一种或两者的结合使用)连接。

三、小腿部

在内、外踝上方的外骨骼踝关节以连杆向上行5厘米后，分别以护板(小腿护板)的形式与对侧在胫骨前缘以倒V字形相连至胫骨粗隆高度，由其内侧上端发出粘贴带绕小腿后方至外侧的外骨骼加以固定，由其内侧上端还向上经膝关节内侧发出粘贴带挂牢在大腿内侧部的护板上,由其内侧下端发出粘贴带绕小腿后方至外侧的外骨骼加以固定。外侧外骨骼连杆向上与外骨骼膝关节相连。连杆可调节长短5厘米。

四、膝关节

在人体膝关节外侧的外骨骼借鉴了自行车前轮的结构。大腿部连杆发出向下呈半圆形的类似自行车瓦盖的结构在人体膝关节外侧，其前端与小腿部的连杆在直立位时相接触，以防止连杆过度向前。同时，大腿部连杆继续向下在膝关节外侧时，其下端自中间分开，有一轮状结构穿过，在其中点设置轴，连杆下端固定到轴上。轴向前经轮的两侧连接于大腿部连杆发出的半圆形瓦盖的中部，轴向下同样固定中间分开的小腿部连杆，在轮状结构范围内大腿部及小腿部的连杆上设置扭簧，便于其维持直立状态，以及蹲下到直立时的运动，扭簧在人体直立时受力为零。该轮状结构在类似瓦盖的结构中可以进行转动，既完成下蹲或恢复直立的运动。

(方案2)在人体膝关节外侧的外骨骼借鉴了自行车前轮及火车轮的结构。大腿部连杆发出向下呈半圆形的类似自行车瓦盖的结构在人体膝关节外侧，其前端与小腿部的连杆在直立位时相接触，以防止连杆过度向前。同时，大腿部连杆继续向下在膝关节外侧时，其下端自中间分开，有一轮状结构穿过，在其中点设置轴，连杆下端固定到轴上。轴向前经轮的两侧连接于大腿部连杆发出的半圆形瓦盖的中部，再设一轴在轮状结构的下部(近下缘)同样固定中间分开的小腿部连杆，在轮状结构与小腿部的连杆上设置扭簧，便于其维持直立状态，以及蹲下后到直立时的运动，扭簧在人体直立时受力为零。该轮状结构在类似瓦盖的结构中可以进行转动，既完成下蹲或恢复直立的运动。

五、大腿部

在人体大腿部外侧有连杆向上与髋关节相连。连杆在大腿中部高度发出斜向下内到股骨内上髁处的弧形护板，其向下以弹性粘贴带与胫骨粗隆内侧的护板相连。在弧形护板的内侧发出粘贴带绕大腿后部至护板外侧。连杆在大腿上部可调节长度10厘米。在大腿下部连杆为中空，由膝关节向上发出的连杆头部是圆珠形，颈为略细的圆柱形并套以弹簧伸入其中，用螺帽加以固定。

六、髋关节

在人体髋关节外侧有连杆略斜向外上到股骨大转子上方后，斜向上内发出类似股骨颈及股骨头的结构穿过腰部向下发出的固定结构，并设置臼窝，在类股骨颈套以弹性件(弹簧、橡胶圈中的一种或两者的结合使用)，以便于运动。

七、腰部

腰部设有一横杆位于人体髂后上棘上方，可向两侧伸缩(调节长度)至腰部外侧缘转向前，此部长度约10厘米。由横杆转向前部分的前部(竖直向下)和后部(斜向下)分别向下发出连杆并交叉固定，二者与横杆向前部分形成三角形结构。在三角形竖直向下和斜向下的两边之间设置一圆形臼窝，容纳类似股骨头的结构。自横杆前端发出粘贴带经绕腹前部到对侧，加强其稳固性和协同性。

背部

在肩胛骨下角下方设有一横杆，可向两侧伸缩(调节长度)并转至腋下，此部长度约10厘米，自其前端发出粘贴带经绕胸前部到对侧。由两侧肩胛骨下角外侧向下发出两个连杆(可调节长度并设有弹簧)与腰部横杆相连。横杆向上经两侧肩胛骨后方的连杆(可调节长度)与两侧肩胛冈上部之间的横杆相连。由最上部横杆向上发出粘贴带绕肩部经腋下返回固定。

由于以往的踝足部外骨骼设计与人体的踝足部结构不同，许多外骨骼设计以弹簧来达到减震及减重的目的，其受力及传递过程也与人体不同，导致外骨骼不能与人体踝足部运动节奏协调一致。

有益效果：本专利通过采用类似于足弓的外骨骼结构，使踝足部外骨骼的主要受力部位及传递过程与人体踝足部主要受力部位及传递过程相似，达到或基本达到踝足部外骨骼能够与人体踝足部同步分散重力、缓冲震荡、维持足底稳固性等的目的，从而提高人机协同性。从更有利于人机协同的角度出发，使外骨骼在负重点及关键结构(足弓)上与人体结构相似，在运动中能够尽量同步传递，达到人机运动更协调一致的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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。

图1为本实用新型的整体示意图一；

图2为本实用新型的整体示意图二；

图3为小腿护板定位杆和小腿护板辅助定位杆的设置方式一；

图4为小腿护板定位杆和小腿护板辅助定位杆的设置方式二；

图5为膝部固定机构的设置方式一；

图6为膝部固定机构的设置方式二。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

具体实施方式一：仿足弓式下肢外骨骼，它包括肩部固定机构1、腰部固定机构2、髋部固定机构3、两组大腿固定机构4、两组膝部固定机构5、两组小腿固定机构6和两组足部固定机构7；

肩部固定机构1、腰部固定机构2、髋部固定机构3、两组大腿固定机构4、两组膝部固定机构5、两组小腿固定机构6和两组足部固定机构7由上至下顺次设置，两组大腿固定机构4、两组膝部固定机构5、两组小腿固定机构6和两组足部固定机构7均水平对称设置。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式二：所述肩部固定机构1和腰部固定机构2通过伸缩连接杆A8连接，腰部固定机构2和髋部固定机构3通过伸缩连接杆B9连接。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：所述肩部固定机构1包括定位杆A1-1、伸缩杆A1-2和固定件A1-3；

所述定位杆A1-1水平设置，定位杆A1-1的每端分别与一个伸缩杆A1-2的一端连接，每个伸缩杆A1-2上设有一个固定件A1-3。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：所述腰部固定机构2包括定位杆B2-1、伸缩杆B2-2和固定件B2-3；

所述定位杆B2-1水平设置，定位杆B2-1的每端分别与一个伸缩杆B2-2的一端连接，所述伸缩杆B2-2呈L状，两个伸缩杆B2-2对称设置，每个伸缩杆B2-2的另一端均向前延伸且通过固定件B2-3连接。

其他实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：所述髋部固定机构3包括定位杆C3-1、伸缩杆C3-2、固定件C3-3和防脱定位件3-4；

所述定位杆C3-1水平设置，定位杆C3-1的每端分别与一个伸缩杆C3-2的一端连接，所述伸缩杆C3-2呈L状，两个伸缩杆C3-2对称设置，每个伸缩杆C3-2的另一端均向前延伸且通过固定件C3-3连接；

每个伸缩杆C3-2下方均连接一个防脱定位件3-4，每个防脱定位件3-4上设有一个定位凹坑3-5，两个定位凹坑3-5相对设置。

本实施方式中，防脱定位件可为板状结构或框架式结构，防脱定位架呈三角形或梯形。

其他实施方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：所述大腿固定机构4包括大腿护板定位杆4-1、大腿护板4-2和固定件D4-3；

所述大腿护板定位杆4-1上端与伸防脱定位件3-4转动连接，大腿护板定位杆4-1下端与膝部固定机构5转动连接，大腿护板为4-2条状弧形板，大腿护板4-2由一端至另一端斜向向下设置，大腿护板4-2的一端与大腿护板定位杆4-1的中部连接，大腿护板4-2的另一端悬空设置，大腿护板4-2上设置有固定件D4-3。

本实施方式中：每个大腿固定机构含有至少一个固定件D，可选择地，固定件D使用时可以绕过或不绕过大腿护板定位杆，设置一个固定件D时，设置在大腿护板的中上方，设置多个固定件D时，根据实际需要进行设计。

大腿护板定位杆可以使用可以进行长度调节的伸缩杆。

其他实施方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：所述小腿固定机构6包括小腿护板定位杆6-1、小腿护板辅助定位杆6-2、小腿护板6-3和固定件E6-4；

所述小腿护板定位杆6-1上端与膝部固定机构5转动连接，小腿护板定位杆6-1下端与足部固定机构7转动连接，小腿护板6-3为倒V状弧形板，小腿护板6-3的一端与小腿护板定位杆6-1连接，小腿护板6-3的另一端与小腿护板辅助定位杆6-2的上端连接，小腿护板辅助定位杆6-2的下端与足部固定机构转动7连接，小腿护板6-3上设置有固定件E6-4。

本实施方式中：每个小腿固定机构含有至少一个固定件E，可选择地，固定件E使用时可以绕过或不绕过小腿护板定位杆，设置一个固定件D时，设置在小腿护板的上方，设置多个固定件D时，根据实际需要进行设计；

小腿护板定位杆可以使用可以进行长度调节的伸缩杆。

其他实施方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：所述膝部固定机构5包括扭簧5-1；

扭簧5-1的一端与大腿护板定位杆4-1的下端连接，扭簧5-1的另一端与小腿护板定位杆6-1的上端连接。

本实施方式中膝部固定机构有两种设置方式；

设置方式一：大腿护板定位杆下方制成圆盘状壳体，小腿护板定位杆上方制成可在圆盘状壳体内摆动的圆盘，圆盘状壳体的圆周方向开设一条弧形槽口，弧形槽口为小腿护板定位杆摆动的行程区间，弧形槽口的大小为一端的中部延伸至下部，大腿护板定位杆和小腿护板定位杆通过轴连接，扭簧设置在轴上，扭簧的一个力臂与小腿护板定位杆固定连接，扭簧的另一个力臂设置在弧形槽口的最上部。

设置方式二：大腿护板定位杆和小腿护板定位杆通过轴连接，扭簧设置在轴上，扭簧的一个力臂与小腿护板定位杆固定连接，扭簧的另一个力臂与大腿护板定位杆固定连接；或扭簧的两个力臂均限制在小腿护板定位和大腿护板定位杆的行程内；

可选择地，大腿护板定位杆下端设有一段型腔，型腔内设有一根行程杆，行程杆杆体上设有压力弹簧，行程杆顶端有挡头，压力弹簧设置在挡头和型腔之间，当人使用时，可以完成膝盖部运动的减震。

其他实施方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：所述足部固定机构7包括两个脚跟部固定杆7-1、两个脚掌部固定杆7-2、固定件F7-3、固定件G7-4和固定件H7-5；

所述脚跟部固定杆7-1和脚掌部固定杆7-2均呈L状，两个脚跟部固定杆7-1对称设置且通过固定件7-3F连接，两个脚掌部固定杆7-2对称设置且通过固定件G7-4连接，同侧的脚跟部固定杆7-1和脚掌部固定杆7-2通过固定件H7-5连接；

一个脚跟部固定杆7-1与小腿护板定位杆6-1的下部转动连接，另一个脚跟部固定杆7-1与小腿护板辅助定位杆6-2的下部转动连接，一个脚掌部固定杆7-2与小腿护板定位杆6-1的下部转动连接，另一个脚掌部固定杆7-2与小腿护板辅助定位杆6-2的下部转动连接。

本实施方式中，用到的小腿护板定位杆和小腿护板辅助定位杆有两种方式用于连接；

设置方式一：小腿护板定位杆和小腿护板辅助定位杆的下端均分叉设置，脚跟部固定杆或脚掌部固定杆通过轴设置在小腿护板定位杆的分叉之间，两个分叉中部有弹簧进行锁紧脚跟部固定杆或脚掌部固定杆通过轴的位置，小腿护板辅助定位杆与小腿护板定位杆的设置方式相同。

设置方式二：小腿护板定位杆和小腿护板辅助定位杆的下端均由一根轴穿过，脚跟部固定杆或脚掌部固定杆通过轴设置在小腿护板定位杆的两侧，小腿护板辅助定位杆与小腿护板定位杆的设置方式相同。

其他实施方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：所述固定件A1-3、固定件B2-3、固定件C3-3、固定件D4-3、固定件E6-4、固定件F7-3、固定件G7-4和固定件H7-5均为带状，且均设有连接扣或魔术贴。

其他实施方式与具体实施方式九相同。

其他实施方式：可选择地，为了加固，大腿护板和小腿护板可通过弹性连接带进行连接，膝关节处根据需要可以设置盖板。

工作原理：人体重力经踝关节向下传递至足弓，经过分散、缓冲、稳定等作用，最后在足底与地面进行力的交互。体重主要经足弓分布于3个负重点(跟骨结节、第一跖骨头处及第五跖骨头),靠双足6个点来保证直立时足底支撑的稳固性，为了使人体足部与外骨骼足部结构的相同或相似，使人体踝足部与外骨骼踝足部在运动中受力后的传递时间、过程、效应相同，使人体踝足部与踝足部外骨骼的运动节奏能协调一致，减少不良交互力，从而达到人体与下肢外骨骼的协同运动的目的。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：它包括肩部固定机构(1)、腰部固定机构(2)、髋部固定机构(3)、两组大腿固定机构(4)、两组膝部固定机构(5)、两组小腿固定机构(6)和两组足部固定机构(7)；

肩部固定机构(1)、腰部固定机构(2)、髋部固定机构(3)、两组大腿固定机构(4)、两组膝部固定机构(5)、两组小腿固定机构(6)和两组足部固定机构(7)由上至下顺次设置，两组大腿固定机构(4)、两组膝部固定机构(5)、两组小腿固定机构(6)和两组足部固定机构(7)均水平对称设置。

2.根据权利要求1所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述肩部固定机构(1)和腰部固定机构(2)通过伸缩连接杆A(8)连接，腰部固定机构(2)和髋部固定机构(3)通过伸缩连接杆B(9)连接。

3.根据权利要求1所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述肩部固定机构(1)包括定位杆A(1-1)、伸缩杆A(1-2)和固定件A(1-3)；

所述定位杆A(1-1)水平设置，定位杆A(1-1)的每端分别与一个伸缩杆A(1-2)的一端连接，每个伸缩杆A(1-2)上设有一个固定件A(1-3)。

4.根据权利要求3所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述腰部固定机构(2)包括定位杆B(2-1)、伸缩杆B(2-2)和固定件B(2-3)；

所述定位杆B(2-1)水平设置，定位杆B(2-1)的每端分别与一个伸缩杆B(2-2)的一端连接，所述伸缩杆B(2-2)呈L状，两个伸缩杆B(2-2)对称设置，每个伸缩杆B(2-2)的另一端均向前延伸且通过固定件B(2-3)连接。

5.根据权利要求4所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述髋部固定机构(3)包括定位杆C(3-1)、伸缩杆C(3-2)、固定件C(3-3)和防脱定位件(3-4)；

所述定位杆C(3-1)水平设置，定位杆C(3-1)的每端分别与一个伸缩杆C(3-2)的一端连接，所述伸缩杆C(3-2)呈L状，两个伸缩杆C(3-2)对称设置，每个伸缩杆C(3-2)的另一端均向前延伸且通过固定件C(3-3)连接；

每个伸缩杆C(3-2)下方均连接一个防脱定位件(3-4)，每个防脱定位件(3-4)上设有一个定位凹坑(3-5)，两个定位凹坑(3-5)相对设置。

6.根据权利要求5所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述大腿固定机构(4)包括大腿护板定位杆(4-1)、大腿护板(4-2)和固定件D(4-3)；

所述大腿护板定位杆(4-1)上端与伸防脱定位件(3-4)转动连接，大腿护板定位杆(4-1)下端与膝部固定机构(5)转动连接，大腿护板(4-2)为条状弧形板，大腿护板(4-2) 由一端至另一端斜向向下设置，大腿护板(4-2)的一端与大腿护板定位杆(4-1)的中部连接，大腿护板(4-2)的另一端悬空设置，大腿护板(4-2)上设置有固定件D(4-3)。

7.根据权利要求6所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述小腿固定机构(6)包括小腿护板定位杆(6-1)、小腿护板辅助定位杆(6-2)、小腿护板(6-3)和固定件E(6-4)；

所述小腿护板定位杆(6-1)上端与膝部固定机构(5)转动连接，小腿护板定位杆(6-1)下端与足部固定机构(7)转动连接，小腿护板(6-3)为倒V状弧形板，小腿护板(6-3)的一端与小腿护板定位杆(6-1)连接，小腿护板(6-3)的另一端与小腿护板辅助定位杆(6-2)的上端连接，小腿护板辅助定位杆(6-2)的下端与足部固定机构转动(7)连接，小腿护板(6-3)上设置有固定件E(6-4)。

8.根据权利要求7所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述膝部固定机构(5)包括扭簧(5-1)；

扭簧(5-1)的一端与大腿护板定位杆(4-1)的下端连接，扭簧(5-1)的另一端与小腿护板定位杆(6-1)的上端连接。

9.根据权利要求7所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述足部固定机构(7)包括两个脚跟部固定杆(7-1)、两个脚掌部固定杆(7-2)、固定件F(7-3)、固定件G(7-4)和固定件H(7-5)；

所述脚跟部固定杆(7-1)和脚掌部固定杆(7-2)均呈L状，两个脚跟部固定杆(7-1)对称设置且通过固定件F(7-3)连接，两个脚掌部固定杆(7-2)对称设置且通过固定件G(7-4)连接，同侧的脚跟部固定杆(7-1)和脚掌部固定杆(7-2)通过固定件H(7-5)连接；

一个脚跟部固定杆(7-1)与小腿护板定位杆(6-1)的下部转动连接，另一个脚跟部固定杆(7-1)与小腿护板辅助定位杆(6-2)的下部转动连接，一个脚掌部固定杆(7-2)与小腿护板定位杆(6-1)的下部转动连接，另一个脚掌部固定杆(7-2)与小腿护板辅助定位杆(6-2)的下部转动连接。

10.根据权利要求9所述的仿足弓式下肢外骨骼，其特征在于：所述固定件A(1-3)、固定件B(2-3)、固定件C(3-3)、固定件D(4-3)、固定件E(6-4)、固定件F(7-3)、固定件G(7-4)和固定件H(7-5)均为带状，且均设有连接扣或魔术贴。

Images