CN215701667U - 一种负重支撑助力外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种负重支撑助力外骨骼装置，包括背部、腰部、髋关节、膝关节和踝关节机构，膝关节机构包括大腿杆和小腿杆，大腿杆和小腿杆通过第一转动支撑机构进行连接，当人体腿部处于摆动相状态时，大腿杆和小腿杆之间能够相对转动，当人体腿部处于支撑相状态时大腿杆和小腿杆能够在竖向方向相抵；踝关节机构与小腿杆的下端通过第二转动支撑机构进行连接，当人体腿部处于摆动相状态时，踝关节机构和小腿杆之间能够相对转动，当人体腿部处于支撑相状态时踝关节机构和小腿杆能够在竖向方向相抵。本方案能使得膝关节机构和踝关节机构在人体脚部处于摆动相状态时满足转动要求，且在支撑相状态时提供重力支撑，以提高负重助力效果。

Description

一种负重支撑助力外骨骼装置

技术领域

本实用新型涉及外骨骼技术领域，具体涉及一种负重支撑助力外骨骼装置。

背景技术

由于人体结构复杂，通常将人体步行时单条腿运动分为摆动相与支撑相，摆动相为脚底与地面无接触阶段，支撑相为脚部与地面接触阶段，当人体在负重行走时，人体腿部的运动状态是在支撑相与摆动相之间不断转变。

外骨骼作为一种可穿戴辅助装置，它将人的智慧和外骨骼的“体能”有机结合在一起，起到增强人体机能的作用。

外骨骼主要包括上肢外骨骼和下肢外骨骼，上肢外骨骼主要用于穿戴在人体上肢，为人体上肢搬运或上肢背负重物提供助力，下肢外骨骼主要用于穿戴在人体下肢，为人体下肢运动提供助力。外骨骼的机械结构是整个系统的基础，它与人体结合，既起到支撑承重作用，又具有传递运动和力的功能，人机之间存在运动耦合作用，其机构设计的合理性将直接影响功能效果。

负重助力外骨骼装置是一种能够为人体背负重物提供助力的外骨骼装置，这种外骨骼装置一般包括置物板、背部机构、腰部机构、髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构，在进行负重助力时，重物放置在置物板上，置物板上重物的部分重力将依次经腰部机构、髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构后传递到地面，以此来实现利用外骨骼装置来承担部分重物的重力作用，进而达到提高负重能力的目的。但这种外骨骼装置在实际使用时，往往会存在下面的问题：为了保证穿戴上该外骨骼装置后人体仍能够正常的运动，外骨骼装置中的膝关节机构和踝关节机构需要有一定的自由度，以此来匹配对应位置人体关节的运动，其中膝关节机构与人体膝关节对应的位置需要能够相对转动来与人体膝关节的前屈和后伸运行相适应，踝关节机构与人体踝关节对应的位置也需要能够相对转动来与人体踝关节的趾屈和背屈运动相适应，这样就使得在膝关节机构和踝关节机构的上述对应位置必然在人体腿部处于摆动相状态时中会存在满足转动要求而设置的间隙，而该间隙的存在会使得重物的重力经膝关节机构和踝关节机构后传递到地面的效果变差，进而会降低外骨骼的负重助力效果。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是：如何提供一种既能使得膝关节机构和踝关节机构在人体脚部处于摆动相状态时满足转动要求，同时又能在支撑相状态时提供重力支撑效果，以提高负重助力效果的负重支撑助力外骨骼装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种负重支撑助力外骨骼装置，包括背部机构、腰部机构、髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构，所述腰部机构上设有用于放置重物的置物板，所述膝关节机构包括大腿杆和小腿杆，所述大腿杆和所述小腿杆通过第一转动支撑机构进行连接，以使得当人体腿部处于摆动相状态时，所述大腿杆和所述小腿杆之间能够相对转动以适应人体腿部的前屈和后伸运动，且当人体腿部处于支撑相状态时，所述大腿杆和所述小腿杆能够在竖向方向相抵以提供支撑助力；所述踝关节机构与所述小腿杆的下端通过第二转动支撑机构进行连接，以使得当人体腿部处于摆动相状态时，所述踝关节机构和所述小腿杆之间能够相对转动以适应人体踝关节的趾屈和背屈运动，且当人体腿部处于支撑相状态时，所述踝关节机构和所述小腿杆能够在竖向方向相抵以提供支撑助力。

本实用新型的工作原理是：本方案的外骨骼装置在使用时，将重物放置在置物板上，重物的部分重力将依次经置物板、腰部机构、髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构传递到地面，由此实现对对背负重物的助力效果。

当人体在行走过程中，人体腿部在抬起处于摆动相状态时，大腿杆和小腿杆之间能够相对转动以适应人体膝关节的前屈和后伸运动，踝关节机构和小腿杆之间也能够相对转动以适应人体踝关节的趾屈和背屈运动，以此来保证人体腿部处于摆动相状态时的正常运动。

当人体腿部与地面接触处于支撑相状态时，大腿杆和小腿杆将在竖向方向相抵，踝关节机构和小腿杆也将在竖向方向相抵，此时重物的部分重力在经过膝关节机构和踝关节机构传递到地面时，大腿杆和小腿杆之间、踝关节机构和小腿杆之间直接相抵而使得间隙为0，由此使得重物的部分重力在经膝关节机构和踝关节机构时能更加有效的传递到地面，进而提高外骨骼的重力平衡和支撑作用，由此提高外骨骼的负重助力效果。

由此，本方案的外骨骼通过第一转动支撑机构对大腿杆和小腿杆的相对状态进行调整，通过第二转动支撑机构对小腿杆和踝关节机构的相对状态进行调整，使得该外骨骼既能在支撑相状态时提高重力平衡和支撑的效果，同时又能使得膝关节机构和踝关节机构在人体脚部处于摆动相状态时满足转动要求，不影响人体的正常行走，由此本方案大大提高了人体的负重行走能力。

优选的，所述第一转动支撑机构包括第一偏置转轴，在所述大腿杆用于与所述小腿杆连接的一端沿纵向方向的后端凸出设有大腿连接部，在所述小腿杆用于与所述大腿杆连接的一端沿纵向方向的后端凸出设有小腿连接部，所述大腿连接部和所述小腿连接部通过所述第一偏置转轴进行转动连接，初始状态下，所述大腿杆用于与所述小腿杆的连接端沿纵向方向的前端面与对应位置所述小腿杆的端面之间呈3-6°的角度设置，且该角度的顶点位于所述第一偏置转轴的轴线上。

这样，通过设置第一偏置转轴，并将第一偏置转轴连接在纵向方向的后端，初始状态下，且大腿杆用于与小腿杆连接端沿纵向方向的前端面与对应位置小腿杆的端面之间呈3-6°的角度设置，当人体腿部处于摆动相状态时，小腿杆在重力作用下绕大腿杆转动，使得大腿杆和小腿杆连接的端面具有间隙并呈一定角度设置，由此来保证大腿杆和小腿杆之间的相对转动，当人体腿部处于支撑相状态时，置物板上重物的部分重力传递到大腿杆处，大腿杆在该重力的作用下带动第一偏置转轴绕小腿杆转动3-6°的角度后将与小腿杆的端面相抵，以此通过大腿杆和小腿杆的相互抵接来提高重力平衡和支撑的效果。同时，大腿杆用于与小腿杆连接端沿纵向方向的前端面与对应位置小腿杆的端面之间呈3-6°角度设置还能对小腿杆绕大腿杆向前转动的角度进行限位，由此实现对人体膝关节前屈运动的限位作用。

另外，上述角度的设置和第一偏置转轴沿纵向方向的后端设置还可以防止膝关节在重物重力的力矩下轻易发生旋转运动，进一步提高支撑阶段的承重效果。

优选的，在所述第一偏置转轴上还套设有第一助力扭簧，在所述大腿杆上开设有活动空间，所述第一助力扭簧的一端作为固定端连接在所述小腿杆上，所述第一助力扭簧的另一端作为活动端自由布置在所述大腿杆的活动空间内，且所述第一助力扭簧的活动端在所述大腿杆和所述小腿杆相对转动角度达到设定值时将与所述大腿杆相抵。

这样，在第一偏置转轴上套设第一助力扭簧，当人体下肢运动，大腿和小腿之间做屈伸运动时，由于第一助力扭簧的固定端是固定连接在小腿杆上的，此时第一助力扭簧会跟随小腿杆一起绕大腿杆转动，当人体在平路上行走时，第一助力扭簧的活动端在大腿杆的活动空间内自由活动，即此时第一助力扭簧没有产生变形储能；而当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，膝关节角度和力矩随着楼梯高度或负荷重量的增加而增加，角度随高度增加引起的增加率高于负荷重量的增加，而随着膝关节角度的增加，伸膝肌的力臂减小，肌力的增加速率高于力矩，因此，膝关节助力/扭矩需要随着膝关节角度的增加而显著增加，以实现实质性的辅助效果，本方案的第一助力扭簧的活动端在进行大角度运动时，第一助力扭簧的活动端将与大腿杆相抵，当人体腿部带动小腿杆和大腿杆之间进一步转动时，此时第一助力扭簧持续与大腿杆相抵并在大腿杆的作用下发生变形并蓄能，当人体腿部伸展时，第一助力扭簧将复位释放能力为人体膝关节的运动提供助力，由此本方案实现了在平路行走时不提供助力，不产生额外负重，仅在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

优选的，所述第一转动支撑机构包括第一轴向转动件，在所述小腿杆用于与所述大腿杆连接的一端开设有开口朝上的第一凹槽，在所述第一凹槽轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿所述小腿杆的第一条形孔，所述大腿杆用于与所述小腿杆连接的一端伸入所述第一凹槽内，且在所述大腿杆上与所述第一条形孔对应的位置开设有第一连接孔，所述第一轴向转动件穿过所述第一条形孔和所述第一连接孔以实现所述大腿杆和所述小腿杆的连接，且所述第一轴向转动件能够带动所述大腿杆沿所述第一条形孔竖向滑动，所述第一轴向转动件在人体腿部处于摆动相状态时将位于所述第一条形孔的最上端，以使得所述大腿杆与所述第一凹槽的底部之间具有间隙，所述第一轴向转动件在人体腿部处于支撑相状态时能够带动所述大腿杆沿所述第一条形孔滑动到所述第一条形孔的最下端，以使得所述大腿杆与所述第一凹槽的底部相抵。

这样，当人体需要负重行走时，置物板上重物产生的部分重力经置物板依次传递给腰部机构和髋关节机构，髋关节机构再将该重力传递给大腿杆，大腿杆在该向下的重力作用下带动第一轴向转动件共同沿第一条形孔向下移动，直到第一轴向转动件到达第一条形孔的最下端，此时大腿杆与第一凹槽的底部相抵，这样一方面利用大腿杆对置物板上的重物起到一定的重力平衡和支撑作用，另一方面，传递到大腿杆的部分重力还将进一步经小腿杆向下传递到地面，由此减少人体肌肉的用力，减缓肌肉疲劳，提高负重能力；

当人体前行时，向前迈步的腿的状态由支撑相变为摆动相，此时小腿杆将在自身重力的作用下沿第一条形孔向下滑动，使得第一轴向转动件回到第一条形孔最上端的位置，此时大腿杆与第一凹槽之间具有间隙，可以摆动，因此大腿杆和小腿杆之间能相对转动，以此以来适应人体腿部向前迈进时的运动状态，而在后的腿仍然与地面接触保持为支撑相状态，此时作为与该支撑相状态的腿连接的腿部组件仍然能起到重力平衡和支撑的作用；

由此，当人体在不断行走过程中，人体的腿部状态交替发生变化，由此使得该外骨骼不仅能起到重力平衡和支撑作用，同时又不影响人正常行走的目的。

优选的，所述第一凹槽沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿所述小腿杆，且初始状态下，所述大腿杆沿纵向方向的前端与所述第一凹槽沿纵向方向的前端相抵，以使得所述大腿杆能够相对所述小腿杆向后转动以与人体膝关节的前屈运动相适应，且所述大腿杆在相对所述小腿杆向前转动时，所述第一凹槽的侧壁将与所述大腿杆相抵以限制所述大腿杆相对所述小腿杆向前转动。

这样，根据人体腿部运动特点，人体小腿只能绕大腿向后转动，却不能向前转动，因此本方案中第一凹槽沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿小腿杆，以适应人体小腿绕大腿向后转动，大腿杆沿纵向方向的前端与第一凹槽沿纵向方向的前端相抵，可以限制小腿绕大腿的向前转动，以此使得该外骨骼更好的人体膝关节的运行相适应。

优选的，所述第二转动支撑机构包括第二轴向转动件，在所述踝关节机构用于与所述小腿杆连接的一端开设有开口朝上的第二凹槽，在所述第二凹槽轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿所述踝关节机构的第二条形孔，所述小腿杆用于与所述踝关节机构连接的一端伸入所述第二凹槽内，且在所述小腿杆上与所述第二条形孔对应的位置开设有第二连接孔，所述第二轴向转动件穿过所述第二条形孔和所述第二连接孔以实现所述小腿杆和所述踝关节机构的连接，且所述第二轴向转动件能够带动所述小腿杆沿所述第二条形孔竖向滑动，所述第二轴向转动件在人体腿部处于摆动相状态时将位于所述第二条形孔的最上端，以使得所述小腿杆与所述第二凹槽的底部之间具有间隙，所述第二轴向转动件在人体腿部处于支撑相状态时能够带动所述小腿杆沿所述第二条形孔滑动到所述第二条形孔的最下端，以使得所述小腿杆与所述第二凹槽的底部相抵。

这样，当人体需要负重行走时，置物板上重物产生的部分重力经置物板依次传递给腰部机构、髋关节机构和大腿杆，大腿杆再将该重力传递给小腿杆，小腿杆在该向下的重力作用下带动第二轴向转动件共同沿第二条形孔向下移动，直到第二轴向转动件到达第二条形孔的最下端，此时小腿杆与第二凹槽的底部相抵，这样一方面利用小腿杆对置物板上的重物起到一定的重力平衡和支撑作用，另一方面，传递到小腿杆的部分重力还将进一步经踝关节机构向下传递到地面，由此减少人体肌肉的用力，减缓肌肉疲劳，提高负重能力；

当人体前行时，向前迈步的腿的状态由支撑相变为摆动相，此时踝关节机构将在自身重力的作用下沿第二条形孔向下滑动，使得第二轴向转动件回到第二条形孔最上端的位置，此时小腿杆与第二凹槽之间具有间隙，可以摆动，因此小腿杆和踝关节机构之间能相对转动，以此以来适应人体踝关节向前迈进时的运动状态。

优选的，所述踝关节机构包括踝关节连接件和脚部组件，所述踝关节连接件采用硬质弹性材料制成，所述脚部组件包括脚底板、以及能够通过调整长度以用于将人体脚部固定在所述脚底板上的脚部绑缚带。

这样，人体在背负重物时，重物的重力通过该外骨骼后最终经踝关节机构传递到地面，通过将踝关节连接件采用硬质弹性材料制成，使得踝关节连接件即具有较好的使用强度，同时当重力传递到踝关节连接件处时，硬质弹性材料制成的踝关节连接件具有一定的柔性化，此时柔性化的设计可以对传递到该处的作用力起到缓冲减震的效果，同时还具有降噪的功能，柔性化的设计对于踝关节也具有一定的保护作用。同时脚部组件在穿戴时，还可以通过调整脚部绑缚带的长度来更好的与不同人体的脚部尺寸相适应。

优选的，所述腰部机构包括腰部贴板和合页组件，所述腰部贴板上沿轴向方向开设有贯穿所述腰部贴板的安装通孔，在所述腰部贴板的轴向两端均设有横向连接杆，所述横向连接杆靠近所述腰部贴板的一端滑动伸入到安装通孔内，且所述横向连接杆伸入到安装通孔的部分与所述腰部贴板通过第一紧定螺钉进行连接，在所述横向连接杆远离所述腰部贴板的一端通过第二紧定螺钉与所述合页组件连接，所述合页组件包括多个竖向设置且沿轴向分布的合页，所述合页组件远离其连接所述横向连接杆的一端与髋关节机构连接。

这样，在腰部贴板的两端设置横向连接杆，将横向连接杆沿安装通孔移动，移动到位后，将腰部贴板和横向连接杆再通过第一紧定螺钉进行连接，这样就可以通过调节横向连接杆在安装通孔的位置，实现腰部贴板和横向连接杆整体长度的调节，同时合页组件中多个竖向设置且沿轴向分布的合页，可以通过调整合页的角度和位置使得腰部机构更加紧密的贴合于人体，合页组件与横向连接杆一起，可更好的适应穿戴者的不同腰部宽度和厚度以及行走过程中对应位置组织的变形，进一步提高穿戴的舒适性。

优选的，所述髋关节机构包括第一旋转臂、第二旋转臂和支撑块，所述第一旋转臂靠近所述合页组件的一端与所述合页组件固定连接，所述第一旋转臂远离所述合页组件的一端通过倾斜向下设置并通过第三轴向转动件与所述第二旋转臂连接，以与人体髋关节的前屈和后伸运动相适应，所述第二旋转臂远离所述第一旋转臂的一端竖向下设置并通过第一纵向转动件与所述支撑块连接，以与人体髋关节的外展和内收运动相适应，所述支撑块远离所述第二旋转臂的一端竖向下设置并与所述大腿杆连接；

在所述第二旋转臂用于与所述第一旋转臂连接的一端开设有第三凹槽，所述第三凹槽沿纵向方向的前端贯穿所述第二旋转臂，所述第一旋转臂用于与所述第二旋转臂连接的一端伸入所述第三凹槽内，且初始状态下，所述第一旋转臂沿纵向方向的后端与所述第三凹槽纵向方向后端的侧壁相抵。

这样，第一旋转臂与第二旋转臂通过第三轴向转动件进行连接，以适应人体髋关节的前屈和后伸运动，第二旋转臂与支撑块之间通过第一纵向转动件进行连接，以适应人体髋关节的外展和内收运动，同时，根据人体髋关节的运动特点，人体髋关节只能进行前屈运动而不能进行后伸运动，因此本方案通过设置第三凹槽，并将第三凹槽沿纵向方向的前端向外延伸到贯穿第二旋转臂，这样可以使得第二旋转臂在绕第一旋转臂向前转动时的运动不受限制，以此来适应人体髋关节的前屈运动，同时初始状态下，第一旋转臂下端沿纵向方向的后端与第三凹槽纵向方向后端的侧壁相抵，这样可以使得第二旋转臂无法绕第一旋转臂向后转动，从而避免人体髋关节的后伸运动。通过对髋关节的伸展运动规律的研究，我们发现，当上身保持直立状态时，髋关节向后伸展会受到臀肌的阻碍，运动范围有限，而想要继续向后伸展，上身与下肢会一直维持直线状态，也就是髋关节向后伸展，上身向前倾斜，因此若设置髋关节的后伸运动范围，负重时重物产生的向后倾倒的力矩会直接作用在人体上身的肩部和腰部，使得人体会有向后倾倒的趋势，而为了保持站立的稳定性，需要施加额外的力来保持上身的平衡，这对于人体是不利的，因此本方案通过限制髋关节向后的伸展运动，进一步提高穿戴该外骨骼后人体的负重能力。

优选的，在所述大腿杆用于与所述支撑块连接的一端还设有减震弹簧和安装座，在所述支撑块用于与所述大腿杆连接的一端沿竖向方向开设有安装连接孔，所述大腿杆用于与所述支撑块连接的一端伸入所述安装连接孔内并通过连接螺钉与所述支撑块固定连接，所述减震弹簧套设在所述大腿杆上，且所述减震弹簧的两端分别抵接在所述安装座和所述支撑块上。

这样，套设在大腿杆上的减震弹簧还能对人体行走过程中产生的冲击进行有效的缓冲和吸收，从而进一步提高该外骨骼装置穿着的舒适性和负重能力。

优选的，在所述第一轴向转动件上还套设有第二助力扭簧，在所述大腿杆上开设有活动空间，所述第二助力扭簧的一端作为固定端连接在所述小腿杆上，所述第二助力扭簧的另一端作为活动端自由布置在所述大腿杆的活动空间内，且所述第二助力扭簧的活动端在所述大腿杆和所述小腿杆相对转动角度达到设定值时将与所述大腿杆相抵。

这样，在第一轴向转动件上套设第二助力扭簧，当人体下肢运动，大腿和小腿之间做屈伸运动时，由于第二助力扭簧的固定端是固定连接在小腿杆上的，此时第二助力扭簧会跟随小腿杆一起绕大腿杆转动，当人体在平路上行走时，第二助力扭簧的活动端在大腿杆的活动空间内自由活动，即此时第二助力扭簧没有产生变形储能；而当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，膝关节角度和力矩随着楼梯高度或负荷重量的增加而增加，角度随高度增加引起的增加率高于负荷重量的增加，而随着膝关节角度的增加，伸膝肌的力臂减小，肌力的增加速率高于力矩，因此，膝关节助力/扭矩需要随着膝关节角度的增加而显著增加，以实现实质性的辅助效果，本方案的第二助力扭簧的活动端在进行大角度运动时，第二助力扭簧的活动端将与大腿杆相抵，当人体腿部带动小腿杆和大腿杆之间进一步转动时，此时第二助力扭簧持续与大腿杆相抵并在大腿杆的作用下发生变形并蓄能，当人体腿部伸展时，第二助力扭簧将复位释放能力为人体膝关节的运动提供助力，由此本方案实现了在平路行走时不提供助力，不产生额外负重，仅在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

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髋关节机构连接，所述大腿下杆的下端用于与所述小腿杆连接，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大腿下杆的下端连接，所述小腿下杆的下端用于与所述踝关节机构连接，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。

优选的，所述置物板通过安装块连接在所述腰部贴板上，所述安装块包括第一安装部和第二安装部，所述第一安装部连接在所述腰部贴板上，且所述第一安装部和所述第二安装部通过第四轴向转动件转动连接。

这样，当需要安装或拆卸置物板时，直接将置物板与第二安装部之间进行安装或拆卸即可，同时当置物板安装在下背板上且未放置重物时，将置物板连同第二安装部绕第一安装部转动，以此可以实现将置物板进行折叠的目的。

优选的，所述背部机构包括上背板和下背板，所述下背板与所述腰部贴板连接，且在所述上背板和所述下背板之间还竖向设有背部调节杆，在所述背部调节杆上沿其长度方向设有多个调节安装孔，在所述上背板上还设有能够与所述调节安装孔连接的上连接孔，在所述下背板上还设有能够与所述调节安装孔连接的下连接孔，所述上连接孔和所述下连接孔均能与不同位置的所述调节安装孔固定连接，以实现所述上背板和所述下背板竖向距离的调节。

这样，当不同使用者在穿戴该背负装置时，为了使得背部机构能更好的与穿戴者的背部尺寸相适应，可以通过调节上背板和下背板之间的背部调节杆，使得背板调节杆上不同位置的调节安装孔分别与上背板上的上连接孔和下背板上的下连接孔相对应，当下背板和上背板之间的竖向距离与穿戴者的背部尺寸相适应后，再分别将上连接孔和下连接孔与对应位置的调节安装孔进行固定连接，由此实现根据不同穿戴者的情况对背部机构的尺寸进行适应性调节，进而提高穿戴舒适性和贴合性的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置的结构示意图；

图2为为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的前侧结构示意图；

图3为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的前侧结构正视图；

图4为图3中A处的放大示意图；

图5为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的后侧结构示意图；

图6为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的局部爆炸示意图；

图7为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中踝关节机构与小腿杆连接处的结构示意图；

图8为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中踝关节机构与小腿杆处的局部爆炸示意图；

图9为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中腰部机构的前侧结构示意图；

图10为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中腰部机构的后侧结构示意图；

图11为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置髋关节机构的结构示意图；

图12为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中髋关节机构的爆炸示意图；

图13为本实用新型实施例一中负重支撑助力外骨骼装置中背部机构的结构示意图；

图14为本实用新型实施例二中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的前侧结构示意图；

图15为本实用新型实施例二中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的后侧结构示意图；

图16为本实用新型实施例二中负重支撑助力外骨骼装置中膝关节机构的局部爆炸示意图。

附图标记说明：背部机构1、上背板101、下背板102、背部调节杆103、调节安装孔1031、腰部机构2、腰部贴板201、横向连接杆202、合页组件203、安装块204、髋关节机构3、第一旋转臂301、第二旋转臂302、第三凹槽3021、支撑块303、安装连接孔3031、第三轴向转动件304、第一纵向转动件305、膝关节机构4、大腿杆401、大腿上杆4011、大腿下杆4012、大腿安装孔4013、小腿杆402、小腿上杆4021、小腿下杆4022、小腿连接孔4023、第一偏置转轴403、安装座404、减震弹簧405、第一助力扭簧406、第一轴向转动件407、第二助力扭簧408、第一凹槽409、第一条形孔410、踝关节机构5、第二条形孔501、第二轴向转动件502、踝关节连接件503、第二凹槽5031、脚底板504、脚部绑缚带505、置物板6、大腿绑缚机构7、小腿绑缚机构8。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例一：

如附图1和附图2所示，一种负重支撑助力外骨骼装置，包括背部机构1、腰部机构2、髋关节机构3、膝关节机构4和踝关节机构5，腰部机构2上设有用于放置重物的置物板6，膝关节机构4包括大腿杆401和小腿杆402，大腿杆401和小腿杆402通过第一转动支撑机构进行连接，以使得当人体腿部处于摆动相状态时，大腿杆401和小腿杆402之间能够相对转动以适应人体腿部的前屈和后伸运动，且当人体腿部处于支撑相状态时，大腿杆401和小腿杆402能够在竖向方向相抵以提供支撑助力；踝关节机构5与小腿杆402的下端通过第二转动支撑机构进行连接，以使得当人体腿部处于摆动相状态时，踝关节机构5和小腿杆402之间能够相对转动以适应人体踝关节的趾屈和背屈运动，且当人体腿部处于支撑相状态时，踝关节机构5和小腿杆402能够在竖向方向相抵以提供支撑助力。

本实用新型的工作原理是：本方案的外骨骼装置在使用时，将重物放置在置物板6上，重物的部分重力将依次经置物板6、腰部机构2、髋关节机构3、膝关节机构4和踝关节机构5传递到地面，由此实现对对背负重物的助力效果。

当人体在行走过程中，人体腿部在抬起处于摆动相状态时，大腿杆401和小腿杆402之间能够相对转动以适应人体膝关节的前屈和后伸运动，踝关节机构5和小腿杆402之间也能够相对转动以适应人体踝关节的趾屈和背屈运动，以此来保证人体腿部处于摆动相状态时的正常运动。

当人体腿部与地面接触处于支撑相状态时，大腿杆401和小腿杆402将在竖向方向相抵，踝关节机构5和小腿杆402也将在竖向方向相抵，此时重物的部分重力在经过膝关节机构4和踝关节机构5传递到地面时，大腿杆401和小腿杆402之间、踝关节机构5和小腿杆402之间直接相抵而使得间隙为0，由此使得重物的部分重力在经膝关节机构4和踝关节机构5时能更加有效的传递到地面，进而提高外骨骼的重力平衡和支撑作用，由此提高外骨骼的负重助力效果。

由此，本方案的外骨骼通过第一转动支撑机构对大腿杆401和小腿杆402的相对状态进行调整，通过第二转动支撑机构对小腿杆402和踝关节机构5的相对状态进行调整，使得该外骨骼既能提高重力平衡和支撑的效果，同时又能使得膝关节机构4和踝关节机构5在人体脚部处于摆动相状态时满足转动要求，不影响人体的正常行走，由此本方案大大提高了人体的负重行走能力。

如附图3和附图4所示，在本实施例中，第一转动支撑机构包括第一偏置转轴403，在大腿杆401用于与小腿杆402连接的一端沿纵向方向的后端凸出设有大腿连接部，在小腿杆402用于与大腿杆401连接的一端沿纵向方向的后端凸出设有小腿连接部，大腿连接部和小腿连接部通过第一偏置转轴403进行转动连接，初始状态下，大腿杆401用于与小腿杆402的连接端沿纵向方向的前端面与对应位置小腿杆402的端面之间呈3-6°的角度设置（具体为附图4中的角度ɵ），且该角度的顶点位于第一偏置转轴403的轴线上。

这样，通过设置第一偏置转轴403，并将第一偏置转轴403连接在纵向方向的后端，初始状态下，且大腿杆401用于与小腿杆402连接端沿纵向方向的前端面与对应位置小腿杆402的端面之间呈3-6°的角度设置，当人体腿部处于摆动相状态时，小腿杆402在重力作用下绕大腿杆401转动，使得大腿杆401和小腿杆402连接的端面具有间隙并呈一定角度设置，由此来保证大腿杆401和小腿杆402之间的相对转动，当人体腿部处于支撑相状态时，置物板6上重物的部分重力传递到大腿杆401处，大腿杆401在该重力的作用下带动第一偏置转轴403绕小腿杆402转动3-6°的角度后将与小腿杆402的端面相抵，以此通过大腿杆401和小腿杆402的相互抵接来提高重力平衡和支撑的效果。同时，大腿杆401用于与小腿杆402连接端沿纵向方向的前端面与对应位置小腿杆402的端面之间呈3-6°角度设置还能对小腿杆402绕大腿杆401向前转动的角度进行限位，由此实现对人体膝关节前屈运动的限位作用。

另外，上述角度的设置和第一偏置转轴403沿纵向方向的后端设置还可以防止膝关节在重物重力的力矩下轻易发生旋转运动，进一步提高支撑阶段的承重效果。

如附图5所示，在本实施例中，在第一偏置转轴403上还套设有第一助力扭簧406，在大腿杆401上开设有活动空间，第一助力扭簧406的一端作为固定端连接在小腿杆402上，第一助力扭簧406的另一端作为活动端自由布置在大腿杆401的活动空间内，且第一助力扭簧406的活动端在大腿杆401和小腿杆402相对转动角度达到设定值时将与大腿杆401相抵。

这样，在第一偏置转轴403上套设第一助力扭簧406，当人体下肢运动，大腿和小腿之间做屈伸运动时，由于第一助力扭簧406的固定端是固定连接在小腿杆402上的，此时第一助力扭簧406会跟随小腿杆402一起绕大腿杆401转动，当人体在平路上行走时，第一助力扭簧406的活动端在大腿杆401的活动空间内自由活动，即此时第一助力扭簧406没有产生变形储能；而当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，膝关节角度和力矩随着楼梯高度或负荷重量的增加而增加，角度随高度增加引起的增加率高于负荷重量的增加，而随着膝关节角度的增加，伸膝肌的力臂减小，肌力的增加速率高于力矩，因此，膝关节助力/扭矩需要随着膝关节角度的增加而显著增加，以实现实质性的辅助效果，本方案的第一助力扭簧406的活动端在进行大角度运动时，第一助力扭簧406的活动端将与大腿杆401相抵，当人体腿部带动小腿杆402和大腿杆401之间进一步转动时，此时第一助力扭簧406持续与大腿杆401相抵并在大腿杆401的作用下发生变形并蓄能，当人体腿部伸展时，第一助力扭簧406将复位释放能力为人体膝关节的运动提供助力，由此本方案实现了在平路行走时不提供助力，不产生额外负重，仅在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

如附图6所示，在本实施例中，在大腿杆401上还设有大腿绑缚机构7，大腿杆401包括大腿上杆4011和大腿下杆4012，大腿上杆4011的上端用于与髋关节机构3连接，大腿下杆4012的下端用于与小腿杆402连接，大腿上杆4011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4011的大腿连接孔，在大腿下杆4012的上端沿其长度方向分布有多个轴向贯穿大腿下杆4012的大腿安装孔4013，大腿下杆4012滑动伸入到大腿滑动槽内，以使得大腿安装孔4013能够与不同位置的大腿连接孔对应，且大腿安装孔4013与对应位置的大腿连接孔通过大腿紧固件进行连接；

在小腿杆402上还设有小腿绑缚机构8，小腿杆402包括小腿上杆4021和小腿下杆4022，小腿上杆4021的上端用于与大腿下杆4012的下端连接，小腿下杆4022的下端用于与踝关节机构5连接，小腿下杆4022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4022的小腿连接孔4023，在小腿上杆4021的下端沿其长度方向分布有多个轴向贯穿小腿上杆4021的小腿安装孔，小腿上杆4021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4023对应，且小腿安装孔与对应位置的小腿连接孔4023通过小腿紧固件进行连接。

这样，当需要调节大腿杆401的整体长度时，将大腿下杆4012沿大腿滑动槽滑动，使得大腿下杆4012上的大腿安装孔4013与大腿上杆4011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4013和大腿连接孔进行连接固定，由此达到调整大腿杆401整体长度的目的。

当需要调节小腿杆402的整体长度时，将小腿上杆4021沿小腿滑动槽滑动，使得小腿上杆4021上的小腿安装孔与小腿下杆4022上不同位置的小腿连接孔4023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4023进行连接固定，由此达到调整小腿杆402整体长度的目的。

由此，通过对大腿杆401和小腿杆402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。

如附图7和附图8所示，在本实施例中，第二转动支撑机构包括第二轴向转动件502，在踝关节机构5用于与小腿杆402连接的一端开设有开口朝上的第二凹槽5031，在第二凹槽5031轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿踝关节机构5的第二条形孔501，小腿杆402用于与踝关节机构5连接的一端伸入第二凹槽5031内，且在小腿杆402上与第二条形孔501对应的位置开设有第二连接孔，第二轴向转动件502穿过第二条形孔501和第二连接孔以实现小腿杆402和踝关节机构5的连接，且第二轴向转动件502能够带动小腿杆402沿第二条形孔501竖向滑动，第二轴向转动件502在人体腿部处于摆动相状态时将位于第二条形孔501的最上端，以使得小腿杆402与第二凹槽5031的底部之间具有间隙，第二轴向转动件502在人体腿部处于支撑相状态时能够带动小腿杆402沿第二条形孔501滑动到第二条形孔501的最下端，以使得小腿杆402与第二凹槽5031的底部相抵。

这样，当人体需要负重行走时，置物板6上重物产生的部分重力经置物板6依次传递给腰部机构2、髋关节机构3和大腿杆401，大腿杆401再将该重力传递给小腿杆402，小腿杆402在该向下的重力作用下带动第二轴向转动件502共同沿第二条形孔501向下移动，直到第二轴向转动件502到达第二条形孔501的最下端，此时小腿杆402与第二凹槽5031的底部相抵，这样一方面利用小腿杆402对置物板6上的重物起到一定的重力平衡和支撑作用，另一方面，传递到小腿杆402的部分重力还将进一步经踝关节机构5向下传递到地面，由此减少人体肌肉的用力，减缓肌肉疲劳，提高负重能力；

当人体前行时，向前迈步的腿的状态由支撑相变为摆动相，此时踝关节机构5将在自身重力的作用下沿第二条形孔501向下滑动，使得第二轴向转动件502回到第二条形孔501最上端的位置，此时小腿杆402与第二凹槽5031之间具有间隙，可以摆动，因此小腿杆402和踝关节机构5之间能相对转动，以此以来适应人体踝关节向前迈进时的运动状态。

在本实施例中，踝关节机构5包括踝关节连接件503和脚部组件，踝关节连接件503采用硬质弹性材料制成，脚部组件包括脚底板504、以及能够通过调整长度以用于将人体脚部固定在脚底板504上的脚部绑缚带505。在本具体实施例中，踝关节连接件503401采用TPU98A材料制成。

这样，人体在背负重物时，重物的重力通过该外骨骼后最终经踝关节机构5传递到地面，通过将踝关节连接件503采用硬质弹性材料制成，使得踝关节连接件503即具有较好的使用强度，同时当重力传递到踝关节连接件503处时，硬质弹性材料制成的踝关节连接件503具有一定的柔性化，此时柔性化的设计可以对传递到该处的作用力起到缓冲减震的效果，同时还具有降噪的功能，柔性化的设计对于踝关节也具有一定的保护作用。同时脚部组件在穿戴时，还可以通过调整脚部绑缚带505的长度来更好的与不同人体的脚部尺寸相适应。

如附图9和附图10所示，在本实施例中，腰部机构2包括腰部贴板201和合页组件203，腰部贴板201上沿轴向方向开设有贯穿腰部贴板201的安装通孔，在腰部贴板201的轴向两端均设有横向连接杆202，横向连接杆202靠近腰部贴板201的一端滑动伸入到安装通孔内，且横向连接杆202伸入到安装通孔的部分与腰部贴板201通过第一紧定螺钉进行连接，在横向连接杆202远离腰部贴板201的一端通过第二紧定螺钉与合页组件203连接，合页组件203包括多个竖向设置且沿轴向分布的合页，合页组件203远离其连接横向连接杆202的一端与髋关节机构3连接。

这样，在腰部贴板201的两端设置横向连接杆202，将横向连接杆202沿安装通孔移动，移动到位后，将腰部贴板201和横向连接杆202再通过第一紧定螺钉进行连接，这样就可以通过调节横向连接杆202在安装通孔的位置，实现腰部贴板201和横向连接杆202整体长度的调节，同时合页组件203中多个竖向设置且沿轴向分布的合页，可以通过调整合页的角度和位置使得腰部机构2更加紧密的贴合于人体，合页组件203与横向连接杆202一起，可更好的适应穿戴者的不同腰部宽度和厚度以及行走过程中对应位置组织的变形，进一步提高穿戴的舒适性。

如附图11和附图12所示，在本实施例中，髋关节机构3包括第一旋转臂301、第二旋转臂302和支撑块303，第一旋转臂301靠近合页组件203的一端与合页组件203固定连接，第一旋转臂301远离合页组件203的一端通过倾斜向下设置并通过第三轴向转动件304与第二旋转臂302连接，以与人体髋关节的前屈和后伸运动相适应，第二旋转臂302远离第一旋转臂301的一端竖向下设置并通过第一纵向转动件305与支撑块303连接，以与人体髋关节的外展和内收运动相适应，支撑块303远离第二旋转臂302的一端竖向下设置并与大腿杆401连接；

在第二旋转臂302用于与第一旋转臂301连接的一端开设有第三凹槽3021，第三凹槽3021沿纵向方向的前端贯穿第二旋转臂302，第一旋转臂301用于与第二旋转臂302连接的一端伸入第三凹槽3021内，且初始状态下，第一旋转臂301沿纵向方向的后端与第三凹槽3021纵向方向后端的侧壁相抵。

这样，第一旋转臂301与第二旋转臂302通过第三轴向转动件304进行连接，以适应人体髋关节的前屈和后伸运动，第二旋转臂302与支撑块303之间通过第一纵向转动件305进行连接，以适应人体髋关节的外展和内收运动，同时，根据人体髋关节的运动特点，人体髋关节只能进行前屈运动而不能进行后伸运动，因此本方案通过设置第三凹槽3021，并将第三凹槽3021沿纵向方向的前端向外延伸到贯穿第二旋转臂302，这样可以使得第二旋转臂302在绕第一旋转臂301向前转动时的运动不受限制，以此来适应人体髋关节的前屈运动，同时初始状态下，第一旋转臂301下端沿纵向方向的后端与第三凹槽3021纵向方向后端的侧壁相抵，这样可以使得第二旋转臂302无法绕第一旋转臂301向后转动，从而避免人体髋关节的后伸运动。通过对髋关节的伸展运动规律的研究，我们发现，当上身保持直立状态时，髋关节向后伸展会受到臀肌的阻碍，运动范围有限，而想要继续向后伸展，上身与下肢会一直维持直线状态，也就是髋关节向后伸展，上身向前倾斜，因此若设置髋关节的后伸运动范围，负重时重物产生的向后倾倒的力矩会直接作用在人体上身的肩部和腰部，使得人体会有向后倾倒的趋势，而为了保持站立的稳定性，需要施加额外的力来保持上身的平衡，这对于人体是不利的，因此本方案通过限制髋关节向后的伸展运动，进一步提高穿戴该外骨骼后人体的负重能力。

在本实施例中，在大腿杆401用于与支撑块303连接的一端还设有减震弹簧405和安装座404，在支撑块303用于与大腿杆401连接的一端沿竖向方向开设有安装连接孔3031，大腿杆401用于与支撑块303连接的一端伸入安装连接孔内并通过连接螺钉与支撑块303固定连接，减震弹簧405套设在大腿杆401上，且减震弹簧405的两端分别抵接在安装座404和支撑块303上。

这样，套设在大腿杆401上的减震弹簧405还能对人体行走过程中产生的冲击进行有效的缓冲和吸收，从而进一步提高该外骨骼装置穿着的舒适性和负重能力。同时，该减震弹簧405与硬质弹性材料制成的踝关节连接件503共同作用，能对人体行走过程中产生的冲击进行更为有效的缓冲和吸收。

在本实施例中，置物板6通过安装块204连接在腰部贴板201上，安装块204包括第一安装部和第二安装部，第一安装部连接在腰部贴板201上，且第一安装部和第二安装部通过第四轴向转动件转动连接。

这样，当需要安装或拆卸置物板6时，直接将置物板6与第二安装部之间进行安装或拆卸即可，同时当置物板6安装在下背板102上且未放置重物时，将置物板6连同第二安装部绕第一安装部转动，以此可以实现将置物板6进行折叠的目的。

如附图13所示，在本实施例中，背部机构1包括上背板101和下背板102，下背板102与腰部贴板201连接，且在上背板101和下背板102之间还竖向设有背部调节杆103，在背部调节杆103上沿其长度方向设有多个调节安装孔1031，在上背板101上还设有能够与调节安装孔1031连接的上连接孔，在下背板102上还设有能够与调节安装孔1031连接的下连接孔，上连接孔和下连接孔均能与不同位置的调节安装孔1031固定连接，以实现上背板101和下背板102竖向距离的调节。

这样，当不同使用者在穿戴该背负装置时，为了使得背部机构1能更好的与穿戴者的背部尺寸相适应，可以通过调节上背板101和下背板102之间的背部调节杆103，使得背板调节杆上不同位置的调节安装孔1031分别与上背板101上的上连接孔和下背板102上的下连接孔相对应，当下背板102和上背板101之间的竖向距离与穿戴者的背部尺寸相适应后，再分别将上连接孔和下连接孔与对应位置的调节安装孔1031进行固定连接，由此实现根据不同穿戴者的情况对背部机构1的尺寸进行适应性调节，进而提高穿戴舒适性和贴合性的目的。

实施例二：与实施例一的不同之处在于：

如附图14到附图16所示，在本实施例中，第一转动支撑机构包括第一轴向转动件407，在小腿杆402用于与大腿杆401连接的一端开设有开口朝上的第一凹槽409，在第一凹槽409轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿小腿杆402的第一条形孔410，大腿杆401用于与小腿杆402连接的一端伸入第一凹槽409内，且在大腿杆401上与第一条形孔410对应的位置开设有第一连接孔，第一轴向转动件407穿过第一条形孔410和第一连接孔以实现大腿杆401和小腿杆402的连接，且第一轴向转动件407能够带动大腿杆401沿第一条形孔410竖向滑动，第一轴向转动件407在人体腿部处于摆动相状态时将位于第一条形孔410的最上端，以使得大腿杆401与第一凹槽409的底部之间具有间隙，第一轴向转动件407在人体腿部处于支撑相状态时能够带动大腿杆401沿第一条形孔410滑动到第一条形孔410的最下端，以使得大腿杆401与第一凹槽409的底部相抵。

这样，当人体需要负重行走时，置物板6上重物产生的部分重力经置物板6依次传递给腰部机构2和髋关节机构3，髋关节机构3再将该重力传递给大腿杆401，大腿杆401在该向下的重力作用下带动第一轴向转动件407共同沿第一条形孔410向下移动，直到第一轴向转动件407到达第一条形孔410的最下端，此时大腿杆401与第一凹槽409的底部相抵，这样一方面利用大腿杆401对置物板6上的重物起到一定的重力平衡和支撑作用，另一方面，传递到大腿杆401的部分重力还将进一步经小腿杆402向下传递到地面，由此减少人体肌肉的用力，减缓肌肉疲劳，提高负重能力；

当人体前行时，向前迈步的腿的状态由支撑相变为摆动相，此时小腿杆402将在自身重力的作用下沿第一条形孔410向下滑动，使得第一轴向转动件407回到第一条形孔410最上端的位置，此时大腿杆401与第一凹槽409之间具有间隙，可以摆动，因此大腿杆401和小腿杆402之间能相对转动，以此以来适应人体腿部向前迈进时的运动状态，而在后的腿仍然与地面接触保持为支撑相状态，此时作为与该支撑相状态的腿连接的腿部组件仍然能起到重力平衡和支撑的作用；

由此，当人体在不断行走过程中，人体的腿部状态交替发生变化，由此使得该外骨骼不仅能起到重力平衡和支撑作用，同时又不影响人正常行走的目的。

在本实施例中，第一凹槽409沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿小腿杆402，且初始状态下，大腿杆401沿纵向方向的前端与第一凹槽409沿纵向方向的前端相抵，以使得大腿杆401能够相对小腿杆402向后转动以与人体膝关节的前屈运动相适应，且大腿杆401在相对小腿杆402向前转动时，第一凹槽409的侧壁将与大腿杆401相抵以限制大腿杆401相对小腿杆402向前转动。

这样，根据人体腿部运动特点，人体小腿只能绕大腿向后转动，却不能向前转动，因此本方案中第一凹槽409沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿小腿杆402，以适应人体小腿绕大腿向后转动，大腿杆401沿纵向方向的前端与第一凹槽409沿纵向方向的前端相抵，可以限制小腿绕大腿的向前转动，以此使得该外骨骼更好的人体膝关节的运行相适应。

在本实施例中，在第一轴向转动件407上还套设有第二助力扭簧408，在大腿杆401上开设有活动空间，第二助力扭簧408的一端作为固定端连接在小腿杆402上，第二助力扭簧408的另一端作为活动端自由布置在大腿杆401的活动空间内，且第二助力扭簧408的活动端在大腿杆401和小腿杆402相对转动角度达到设定值时将与大腿杆401相抵。

这样，在第一轴向转动件407上套设第二助力扭簧408，当人体下肢运动，大腿和小腿之间做屈伸运动时，由于第二助力扭簧408的固定端是固定连接在小腿杆402上的，此时第二助力扭簧408会跟随小腿杆402一起绕大腿杆401转动，当人体在平路上行走时，第二助力扭簧408的活动端在大腿杆401的活动空间内自由活动，即此时第二助力扭簧408没有产生变形储能；而当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，膝关节角度和力矩随着楼梯高度或负荷重量的增加而增加，角度随高度增加引起的增加率高于负荷重量的增加，而随着膝关节角度的增加，伸膝肌的力臂减小，肌力的增加速率高于力矩，因此，膝关节助力/扭矩需要随着膝关节角度的增加而显著增加，以实现实质性的辅助效果，本方案的第二助力扭簧408的活动端在进行大角度运动时，第二助力扭簧408的活动端将与大腿杆401相抵，当人体腿部带动小腿杆402和大腿杆401之间进一步转动时，此时第二助力扭簧408持续与大腿杆401相抵并在大腿杆401的作用下发生变形并蓄能，当人体腿部伸展时，第二助力扭簧408将复位释放能力为人体膝关节的运动提供助力，由此本方案实现了在平路行走时不提供助力，不产生额外负重，仅在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型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，那些对本实用新型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，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种负重支撑助力外骨骼装置，包括背部机构、腰部机构、髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构，所述腰部机构上设有用于放置重物的置物板，其特征在于，所述膝关节机构包括大腿杆和小腿杆，所述大腿杆和所述小腿杆通过第一转动支撑机构进行连接，以使得当人体腿部处于摆动相状态时，所述大腿杆和所述小腿杆之间能够相对转动以适应人体腿部的前屈和后伸运动，且当人体腿部处于支撑相状态时，所述大腿杆和所述小腿杆能够在竖向方向相抵以提供支撑助力；所述踝关节机构与所述小腿杆的下端通过第二转动支撑机构进行连接，以使得当人体腿部处于摆动相状态时，所述踝关节机构和所述小腿杆之间能够相对转动以适应人体踝关节的趾屈和背屈运动，且当人体腿部处于支撑相状态时，所述踝关节机构和所述小腿杆能够在竖向方向相抵以提供支撑助力。

2.根据权利要求1所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述第一转动支撑机构包括第一偏置转轴，在所述大腿杆用于与所述小腿杆连接的一端沿纵向方向的后端凸出设有大腿连接部，在所述小腿杆用于与所述大腿杆连接的一端沿纵向方向的后端凸出设有小腿连接部，所述大腿连接部和所述小腿连接部通过所述第一偏置转轴进行转动连接，初始状态下，所述大腿杆用于与所述小腿杆的连接端沿纵向方向的前端面与对应位置所述小腿杆的端面之间呈3-6°的角度设置，且该角度的顶点位于所述第一偏置转轴的轴线上。

3.根据权利要求2所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，在所述第一偏置转轴上还套设有第一助力扭簧，在所述大腿杆上开设有活动空间，所述第一助力扭簧的一端作为固定端连接在所述小腿杆上，所述第一助力扭簧的另一端作为活动端自由布置在所述大腿杆的活动空间内，且所述第一助力扭簧的活动端在所述大腿杆和所述小腿杆相对转动角度达到设定值时将与所述大腿杆相抵。

4.根据权利要求1所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述第一转动支撑机构包括第一轴向转动件，在所述小腿杆用于与所述大腿杆连接的一端开设有开口朝上的第一凹槽，在所述第一凹槽轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿所述小腿杆的第一条形孔，所述大腿杆用于与所述小腿杆连接的一端伸入所述第一凹槽内，且在所述大腿杆上与所述第一条形孔对应的位置开设有第一连接孔，所述第一轴向转动件穿过所述第一条形孔和所述第一连接孔以实现所述大腿杆和所述小腿杆的连接，且所述第一轴向转动件能够带动所述大腿杆沿所述第一条形孔竖向滑动，所述第一轴向转动件在人体腿部处于摆动相状态时将位于所述第一条形孔的最上端，以使得所述大腿杆与所述第一凹槽的底部之间具有间隙，所述第一轴向转动件在人体腿部处于支撑相状态时能够带动所述大腿杆沿所述第一条形孔滑动到所述第一条形孔的最下端，以使得所述大腿杆与所述第一凹槽的底部相抵。

5.根据权利要求4所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述第一凹槽沿纵向方向的后端向外延伸到贯穿所述小腿杆，且初始状态下，所述大腿杆沿纵向方向的前端与所述第一凹槽沿纵向方向的前端相抵，以使得所述大腿杆能够相对所述小腿杆向后转动以与人体膝关节的前屈运动相适应，且所述大腿杆在相对所述小腿杆向前转动时，所述第一凹槽的侧壁将与所述大腿杆相抵以限制所述大腿杆相对所述小腿杆向前转动。

6.根据权利要求1所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述第二转动支撑机构包括第二轴向转动件，在所述踝关节机构用于与所述小腿杆连接的一端开设有开口朝上的第二凹槽，在所述第二凹槽轴向方向的两侧壁上对称设有竖向设置且在轴向方向上贯穿所述踝关节机构的第二条形孔，所述小腿杆用于与所述踝关节机构连接的一端伸入所述第二凹槽内，且在所述小腿杆上与所述第二条形孔对应的位置开设有第二连接孔，所述第二轴向转动件穿过所述第二条形孔和所述第二连接孔以实现所述小腿杆和所述踝关节机构的连接，且所述第二轴向转动件能够带动所述小腿杆沿所述第二条形孔竖向滑动，所述第二轴向转动件在人体腿部处于摆动相状态时将位于所述第二条形孔的最上端，以使得所述小腿杆与所述第二凹槽的底部之间具有间隙，所述第二轴向转动件在人体腿部处于支撑相状态时能够带动所述小腿杆沿所述第二条形孔滑动到所述第二条形孔的最下端，以使得所述小腿杆与所述第二凹槽的底部相抵。

7.根据权利要求6所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述踝关节机构包括踝关节连接件和脚部组件，所述踝关节连接件采用硬质弹性材料制成，所述脚部组件包括脚底板、以及能够通过调整长度以用于将人体脚部固定在所述脚底板上的脚部绑缚带。

8.根据权利要求1所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述腰部机构包括腰部贴板和合页组件，所述腰部贴板上沿轴向方向开设有贯穿所述腰部贴板的安装通孔，在所述腰部贴板的轴向两端均设有横向连接杆，所述横向连接杆靠近所述腰部贴板的一端滑动伸入到安装通孔内，且所述横向连接杆伸入到安装通孔的部分与所述腰部贴板通过第一紧定螺钉进行连接，在所述横向连接杆远离所述腰部贴板的一端通过第二紧定螺钉与所述合页组件连接，所述合页组件包括多个竖向设置且沿轴向分布的合页，所述合页组件远离其连接所述横向连接杆的一端与髋关节机构连接。

9.根据权利要求8所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，所述髋关节机构包括第一旋转臂、第二旋转臂和支撑块，所述第一旋转臂靠近所述合页组件的一端与所述合页组件固定连接，所述第一旋转臂远离所述合页组件的一端通过倾斜向下设置并通过第三轴向转动件与所述第二旋转臂连接，以与人体髋关节的前屈和后伸运动相适应，所述第二旋转臂远离所述第一旋转臂的一端竖向下设置并通过第一纵向转动件与所述支撑块连接，以与人体髋关节的外展和内收运动相适应，所述支撑块远离所述第二旋转臂的一端竖向下设置并与所述大腿杆连接；

在所述第二旋转臂用于与所述第一旋转臂连接的一端开设有第三凹槽，所述第三凹槽沿纵向方向的前端贯穿所述第二旋转臂，所述第一旋转臂用于与所述第二旋转臂连接的一端伸入所述第三凹槽内，且初始状态下，所述第一旋转臂沿纵向方向的后端与所述第三凹槽纵向方向后端的侧壁相抵。

10.根据权利要求9所述的负重支撑助力外骨骼装置，其特征在于，在所述大腿杆用于与所述支撑块连接的一端还设有减震弹簧和安装座，在所述支撑块用于与所述大腿杆连接的一端沿竖向方向开设有安装连接孔，所述大腿杆用于与所述支撑块连接的一端伸入所述安装连接孔内并通过连接螺钉与所述支撑块固定连接，所述减震弹簧套设在所述大腿杆上，且所述减震弹簧的两端分别抵接在所述安装座和所述支撑块上。

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