CN220218507U - 一种兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种兼顾运动自由度的负载自适应负重外骨骼，属于纯机械式负重外骨骼，通过所设置的滚轮‑拉线结构，使得外骨骼膝盖关节即便没有完全伸直，也能通过背负的重物对膝关节产生的扭矩来提供支撑负重，实现负载自适应支撑，提升了在整个步态中外骨骼的有效支撑区间。本实用新型的髋关节结构是由第三转轴及第四转轴所形成的复合转轴，在运动过程中髋关节整体会自适应的调整位置来匹配人体腿部运动的需求，兼顾了运动自由度。具有结构简单、重量轻、自由度高及有效提升负重效果等优点。

Description

一种兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼

技术领域

本实用新型涉及一种负重类外骨骼，尤其是一种兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼。

背景技术

负重类外骨骼是一种可穿戴设备，设有相接的躯干骨架和承重横梁，与承重横梁左右两端对称设有依次相接的髋关节结构、大腿骨架、膝关节结构、小腿骨架、踝关节结构及足部骨架，可将所背负的重量依次通过躯干骨架、承重横梁、髋关节结构、大腿骨架、膝关节结构、小腿骨架、踝关节结构及足部骨架传递至地面，旨在提高穿戴者负重能力及耐久力。

目前负重类外骨骼有电力驱动及纯机械结构两大类。电力驱动的负重类外骨骼执行器结构复杂，重量大，电池续航有限，骨架结构简易，过于依赖控制系统对人体的复杂动作响应，因而人体穿戴负担大、运动自由度受限且对负载的支撑效果有限。纯机械结构的负重类外骨骼虽然结构轻便，无续航限制，穿戴负担较小，但其膝关节结构是通过限位以及弹性元件组合而成，只有当外骨骼腿部完全伸直（即大小腿形成一条直线）时，膝盖关节达到限位位置才能实现支撑效果，因而支撑效果有限。此外，现有电力驱动以及纯机械负重类外骨骼还存在外骨骼关节点与人体关节在运动过程中会不断相对偏移的问题，关节处弹性元件的存在，进一步影响人体自然步态，增加使用负担，使其在运动过程中产生束缚感并影响自由度。若在髋关节处增加自由度则会导致支撑效果下降，因此现有的负重类外骨骼在兼顾运动自由度及负重效果上存在局限性。

发明内容

本实用新型是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种兼顾运动自由度的负载自适应负重外骨骼。

本实用新型的技术解决方案是：一种兼顾运动自由度的负载自适应负重外骨骼，设有相接的躯干骨架和承重横梁，与承重横梁左右两端对称接有依次相接的髋关节结构、大腿骨架、膝关节结构、小腿骨架、踝关节结构及足部骨架；

所述髋关节结构设有连接基座，连接基座通过竖向设置的第一转轴与承重横梁转动相接，在连接基座上转动相接有横向设置的第二转轴，所述第二转轴的一端与髋关节基座固定相接，髋关节基座的另一端通过横向设置的第三转轴与髋关节连接件的一端铰接，所述髋关节连接件的另一端通过横向设置第四转轴与大腿骨架的上端转动相接，所述第三转轴和第四转轴的轴向一致且与第二转轴的轴向相差90度，在第四转轴上套接有髋关节过线滚轮，所述大腿骨架上端设有位于髋关节过线滚轮下面且与髋关节过线滚轮轴向一致的导向轮，所述大腿骨架的下端通过第一高度调节装置与膝关节结构相接；

所述膝关节结构设有与大腿骨架相接的膝关节骨架，所述膝关节骨架的上端设有横向设置的第五转轴，在第五转轴上固定有膝关节过线轮，所述膝关节骨架的下端有横向设置的第六转轴，与第六转轴转动连接有膝关节滚轮及小腿连接件，所述小腿连接件位于膝关节滚轮外侧，小腿连接件的下端与小腿骨架相接，所述第五转轴与第二转轴的轴向一致，所述在第六转轴与第三转轴的轴向一致；

设有拉线，拉线的上端固定在髋关节基座上，所述拉线依次绕经髋关节过线滚轮、导向轮、膝关节滚轮及膝关节过线轮，拉线的下端固定在小腿连接件上。

优选的结构是所述第一高度调节装置设有固定在大腿骨架一侧的第一高度调节基座，所述膝关节骨架上设有与第一高度调节基座滑动相接的第一滑块，在所述第一滑块上设有多个高度不等的第一键槽，所述大腿骨架另一侧与第一弹片的一端相接，第一弹片的另一端固定有第一键，在大腿骨架上设有第一通孔，所述第一键可穿过第一通孔置于第一键槽中。

优选的结构是所述小腿连接件的下端设有插头，插头上有第二键槽，所述小腿骨架顶端设有与插头匹配的第二插槽，在插槽内设有与第二键槽对应的第二通孔，所述小腿骨架外侧与第二弹片的一端相接，第二弹片的另一端固定有第二键，所述第二键可穿过第二通孔置于第二键槽中，所述小腿骨架（6）的上下两端还分别设有上穿戴衬板和下穿戴衬板。

优选的结构是所述小腿骨架与踝关节结构之间设有第二高度调节装置，所述第二高度调节装置设有固定在小腿骨架一侧的第二高度调节基座，与第二高度调节基座滑动相接的第二滑块，在所述第二滑块上设有多个高度不等的第三键槽，所述小腿骨架另一侧与第三弹片的一端相接，第三弹片的另一端固定有第三键，在小腿骨架上设有第三通孔，所述第三键可穿过第三通孔置于第三键槽中，所述第二滑块的下端通过横向设置的第七转轴与踝关节结构上端铰链，所述踝关节结构下端通过的横向设置的第八转轴与足部骨架铰接，所述足部骨架的下端固定有足底防滑垫，所述第七转轴与第二转轴的轴向一致，所述第八转轴与第三转轴的轴向一致。

优选的结构是所述拉线的上端固定连接有固定键，固定键插入设置于髋关节基座的插孔内，使拉线的上端固定在髋关节基座上。

优选的结构是所述第二转轴的另一端与大腿骨架的上端之间相接有弹性元件。

本实用新型属于纯机械式负重外骨骼，通过所设置的滚轮-拉线结构，使得外骨骼膝盖关节即便没有完全伸直，也能通过背负的重物对膝关节产生的扭矩来提供支撑负重，实现负载自适应支撑，提升了在整个步态中外骨骼的有效支撑区间。本实用新型的髋关节结构是由第三转轴及第四转轴所形成的复合转轴，在运动过程中髋关节整体会自适应的调整位置来匹配人体腿部运动的需求，兼顾了运动自由度。具有结构简单、重量轻、自由度高及有效提升负重效果等优点。

附图说明

图1、2是本实用新型实施例的整体结构示意图。

图3、4、5、6、7、8、9是本实用新型实施例髋关节结构、大腿骨架及膝关节结构的结构示意图。

图10、11、12、13是本实用新型实施例小腿骨架、踝关节结构及足部骨架的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的兼顾运动自由度的负载自适应负重外骨骼，如图1-13所示，与现有的纯机械式负重外骨骼结构相同的结构是设有相接的躯干骨架1和承重横梁2，与承重横梁2左右两端对称接有依次相接的髋关节结构3、大腿骨架4、膝关节结构5、小腿骨架6、踝关节结构7及足部骨架8，与现有技术不同的结构如下：

所述髋关节结构3设有连接基座3-1，连接基座3-1通过竖向设置的第一转轴3-2与承重横梁2转动相接，在连接基座3-1上转动相接有横向设置的第二转轴3-3，所述第二转轴3-3的一端与髋关节基座3-4固定相接，髋关节基座3-4的另一端通过横向设置的第三转轴3-5与髋关节连接件3-6的一端铰接，所述髋关节连接件3-6的另一端通过横向设置第四转轴3-7与大腿骨架4的上端转动相接，所述第三转轴3-5和第四转轴3-7的轴向一致且与第二转轴3-3的轴向相差90度，最好是在所述第二转轴3-3的另一端与大腿骨架4的上端之间相接有弹性件3-9，弹性元件3-9可采用乳胶类材料或弹力带或金属弹簧等制成，其作用是以躯干骨架1为基础为大腿骨架4提供弹性拉力，抵消重量。在第四转轴3-7上套接有髋关节过线滚轮3-8，所述大腿骨架4上端设有位于髋关节过线滚轮3-8下面且与髋关节过线滚轮3-8轴向一致的导向轮4-1，所述大腿骨架4的下端通过第一高度调节装置4-2与膝关节结构5相接；

第一高度调节装置4-2可以是多种结构，但最佳结构是设有固定在大腿骨架4内侧的第一高度调节基座4-2-1，所述膝关节骨架5-1上设有与第一高度调节基座4-2-1滑动相接的第一滑块4-2-2，在所述第一滑块4-2-2上设有多个高度不等的第一键槽4-2-3，所述大腿骨架4外侧与金属制成的第一弹片4-2-4的一端相接，第一弹片4-2-4的另一端固定有第一键4-2-5，在大腿骨架4上设有第一通孔4-2-6，所述第一键4-2-5可穿过第一通孔4-2-6置于第一键槽4-2-3中，从而实现膝关节结构5和大腿骨架4之间的锁定、解锁，并且以此实现大腿骨架4整体高度调节；

所述膝关节结构5设有与大腿骨架4相接的膝关节骨架5-1，所述膝关节骨架5-1的上端设有横向设置的第五转轴5-2，在第五转轴5-2上固定有膝关节过线轮5-3，所述膝关节骨架5-1的下端有横向设置的第六转轴5-4，与第六转轴5-4转动连接有膝关节滚轮5-5及小腿连接件5-6，所述小腿连接件5-6位于膝关节滚轮5-5外侧，小腿连接件5-6的下端与小腿骨架6相接，所述第五转轴5-2与第二转轴3-3的轴向一致，所述在第六转轴5-4与第三转轴3-5的轴向一致；

设有拉线9，拉线9的上端固定连接有固定键9-1，固定键9-1插入设置于髋关节基座3-4的插孔内，使拉线9的上端固定在髋关节基座3-4上，所述拉线9依次绕经髋关节过线滚轮3-8、导向轮4-1、膝关节滚轮5-5及膝关节过线轮5-3，拉线9的下端固定在小腿连接件5-6上，可以采用顶丝及其它压紧方式以及粘接、锁定等方式将拉线9的末端固定于小腿连接部件5-6上。

小腿连接件5-6的下端与小腿骨架6之间可以采用磁吸、旋转拧紧、压紧等方式实现大腿骨架4与小腿骨架6之间的固定连接及快拆，最好的结构是在小腿连接件5-6的下端设有插头5-6-1，插头5-6-1上有第二键槽5-6-2，所述小腿骨架6顶端设有与插头5-6-1匹配的第二插槽6-1，在插槽6-1内设有与第二键槽5-6-2对应的第二通孔6-2，所述小腿骨架6外侧与金属制成的第二弹片6-3的一端相接，第二弹片6-3的另一端固定有第二键6-4，所述第二键6-4可穿过第二通孔6-2置于第二键槽5-6-2中，所述小腿骨架6的上下两端还分别设有上穿戴衬板6-5和下穿戴衬板6-6，用于连接纺织物以将小腿骨架6固定于人体小腿；

所述小腿骨架6与踝关节结构7之间设有第二高度调节装置7-1，所述第二高度调节装置7-1同样可以使多种结构形式，但最好的结构是设有固定在小腿骨架6内侧的第二高度调节基座7-1-1，与第二高度调节基座7-1-1滑动相接的第二滑块7-1-2，在所述第二滑块7-1-2上设有多个高度不等的第三键槽7-1-3，所述小腿骨架6外侧与金属制成的第三弹片7-1-4的一端相接，第三弹片7-1-4的另一端固定有第三键7-1-5，在小腿骨架7上设有第三通孔7-1-6，所述第三键7-1-5可穿过第三通孔7-1-6置于第三键槽7-1-3中，所述第二滑块7-1-2的下端通过横向设置的第七转轴7-2与踝关节结构7上端铰链，所述踝关节结构7下端通过的横向设置的第八转轴7-3与足部骨架8铰接，所述足部骨架8的下端固定有足底防滑垫8-1，所述第七转轴7-2与第二转轴3-3的轴向一致，所述第八转轴7-3与第三转轴3-5的轴向一致。

Claims (6)

1.一种兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼，设有相接的躯干骨架（1）和承重横梁（2），与承重横梁（2）左右两端对称接有依次相接的髋关节结构（3）、大腿骨架（4）、膝关节结构（5）、小腿骨架（6）、踝关节结构（7）及足部骨架（8），其特征在于：

所述髋关节结构（3）设有连接基座（3-1），连接基座（3-1）通过竖向设置的第一转轴（3-2）与承重横梁（2）转动相接，在连接基座（3-1）上转动相接有横向设置的第二转轴（3-3），所述第二转轴（3-3）的一端与髋关节基座（3-4）固定相接，髋关节基座（3-4）的另一端通过横向设置的第三转轴（3-5）与髋关节连接件（3-6）的一端铰接，所述髋关节连接件（3-6）的另一端通过横向设置第四转轴（3-7）与大腿骨架（4）的上端转动相接，所述第三转轴（3-5）和第四转轴（3-7）的轴向一致且与第二转轴（3-3）的轴向相差90度，在第四转轴（3-7）上套接有髋关节过线滚轮（3-8），所述大腿骨架（4）上端设有位于髋关节过线滚轮（3-8）下面且与髋关节过线滚轮（3-8）轴向一致的导向轮（4-1），所述大腿骨架（4）的下端通过第一高度调节装置（4-2）与膝关节结构（5）相接；

所述膝关节结构（5）设有与大腿骨架（4）相接的膝关节骨架（5-1），所述膝关节骨架（5-1）的上端设有横向设置的第五转轴（5-2），在第五转轴（5-2）上固定有膝关节过线轮（5-3），所述膝关节骨架（5-1）的下端有横向设置的第六转轴（5-4），与第六转轴（5-4）转动连接有膝关节滚轮（5-5）及小腿连接件（5-6），所述小腿连接件（5-6）位于膝关节滚轮（5-5）外侧，小腿连接件（5-6）的下端与小腿骨架（6）相接，所述第五转轴（5-2）与第二转轴（3-3）的轴向一致，所述第六转轴（5-4）与第三转轴（3-5）的轴向一致；

设有拉线（9），拉线（9）的上端固定在髋关节基座（3-4）上，所述拉线（9）依次绕经髋关节过线滚轮（3-8）、导向轮（4-1）、膝关节滚轮（5-5）及膝关节过线轮（5-3），拉线（9）的下端固定在小腿连接件（5-6）上。

2.根据权利要求1所述的兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼，其特征在于：所述第一高度调节装置（4-2）设有固定在大腿骨架（4）一侧的第一高度调节基座（4-2-1），所述膝关节骨架（5-1）上设有与第一高度调节基座（4-2-1）滑动相接的第一滑块（4-2-2），在第一滑块（4-2-2）上设有多个高度不等的第一键槽（4-2-3），所述大腿骨架（4）另一侧与第一弹片（4-2-4）的一端相接，第一弹片（4-2-4）的另一端固定有第一键（4-2-5），在大腿骨架（4）上设有第一通孔（4-2-6），所述第一键（4-2-5）可穿过第一通孔（4-2-6）置于第一键槽（4-2-3）中。

3.根据权利要求1或2所述的兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼，其特征在于：所述小腿连接件（5-6）的下端设有插头（5-6-1），插头（5-6-1）上有第二键槽（5-6-2），所述小腿骨架（6）顶端设有与插头（5-6-1）匹配的第二插槽（6-1），在插槽（6-1）内设有与第二键槽（5-6-2）对应的第二通孔（6-2），所述小腿骨架（6）外侧与第二弹片（6-3）的一端相接，第二弹片（6-3）的另一端固定有第二键（6-4），所述第二键（6-4）可穿过第二通孔（6-2）置于第二键槽（5-6-2）中，所述小腿骨架（6）的上下两端还分别设有上穿戴衬板（6-5）和下穿戴衬板（6-6）。

4.根据权利要求3所述的兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼，其特征在于：所述小腿骨架（6）与踝关节结构（7）之间设有第二高度调节装置（7-1），所述第二高度调节装置（7-1）设有固定在小腿骨架（6）一侧的第二高度调节基座（7-1-1），与第二高度调节基座（7-1-1）滑动相接的第二滑块（7-1-2），在所述第二滑块（7-1-2）上设有多个高度不等的第三键槽（7-1-3），所述小腿骨架（6）另一侧与第三弹片（7-1-4）的一端相接，第三弹片（7-1-4）的另一端固定有第三键（7-1-5），在小腿骨架（6）上设有第三通孔（7-1-6），所述第三键（7-1-5）可穿过第三通孔（7-1-6）置于第三键槽（7-1-3）中，所述第二滑块（7-1-2）的下端通过横向设置的第七转轴（7-2）与踝关节结构（7）上端铰链，所述踝关节结构（7）下端通过的横向设置的第八转轴（7-3）与足部骨架（8）铰接，所述足部骨架（8）的下端固定有足底防滑垫（8-1），所述第七转轴（7-2）与第二转轴（3-3）的轴向一致，所述第八转轴（7-3）与第三转轴（3-5）的轴向一致。

5.根据权利要求4所述的兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼，其特征在于：所述拉线（9）的上端固定连接有固定键（9-1），固定键（9-1）插入设置于髋关节基座（3-4）的插孔内，使拉线（9）的上端固定在髋关节基座（3-4）上。

6.根据权利要求5所述的兼顾运动自由度的负载自适应负重类外骨骼，其特征在于：所述第二转轴（3-3）的另一端与大腿骨架（4）的上端之间相接有弹性元件（3-9）。