WO2020211678A1

WO2020211678A1 - 弹性负重外骨骼

Info

Publication number: WO2020211678A1
Application number: PCT/CN2020/083445
Authority: WO
Inventors: 景浩
Original assignee: 景浩
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-10-22

Abstract

一种弹性负重外骨骼，其舍弃了外部动力供给，通过维持重量弹动效果，来得到承重迈步的机会，它不需要外部动力和能源。负重越重，势能就越大动力就越强。弹动的频率越快，机动性就越强。该弹性负重外骨骼的机械结构简单稳定，在降低了技术门槛的同时，也使造价变得低廉。

Description

弹性负重外骨骼

技术领域

[0001] 本发明涉及一种增加人体负重效果的机械外骨骼。

背景技术

[0002] 自从外骨骼概念的出现，各种外骨骼技术都在不断发展。外骨骼的作用主要体现在对身体的增幅，在军用、医疗、工业、运输、民用都有非常好的前景。但是现有的外骨骼技术存在一些难以解决的问题，就是动力和能源问题。让外骨骼技术无法普及。就算小规模使用，也衍生出了很多制约因素，让外骨骼变得有些鸡肋。

发明概述

技术问题

[0003] 现有外骨骼的操纵和动力系统，主要是通过传感器接收控制指令，计算机辅助运算进行操控，再通过液压系统或电力系统提供动力，来达到外骨骼的增幅效果。但是而要想大范围推广外骨骼，就需要让外骨骼做到自载动力和能源系统。但是电池的体积、重量、容量和补充的问题是短时间难以解决的。而且操控和动力系统的效果直接和造价挂钩。高昂的价格、保养和维护费用，也是外骨骼技术的制约因素。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 为了克服上述存在的问题，本发明舍弃了外部动力供给，通过维持重量弹动效果，来得到承重迈步的机会，从而提供的一种弹性负重外骨骼。

[0005] 本发明的原型和总构思：如图 3所示， 1表示重物， 2表示弹性材料， 3表示支撑结构。重物提供重量，弹性材料的上下两端连接连接支撑结构与重物并提供弹性，支撑结构竖直于水平面并支撑重量。在理想状态下：给重物提供一个上下方向的初始动能，在弹性材料 2的作用下，重物的重量会转化为弹性势能，使重物 1来回的上下的弹动。当重物向下弹动时，支撑结构的承重会增加。当重物向上弹动时，支撑结构的承重会减少。在 4的状态，重物在惯性的作用下，向上弹起，此时支撑结构承重会减少，这时控制支撑结构 3迈步前进。当重物在惯性的作用下向下弹动，进入 5的状态，迈步完成，支撑结构 3支撑下弹时的重量。然后在惯性的作用下，再次重物弹起时承重减少进行迈步，重物落下时承重增加进行支撑。通过持续维持重量的弹动提供动力，不断重复上弹迈步，下弹支撑这两个状态，来达到有效负重运动的效果。

[0006] 而本发明就是在此的基础上充分参考身体的结构、腿部的运动变化、平衡性、等要素进行优化。同时通过专门设计的腿部“前倾供力”和“动态支撑”这两个效果，优化了该发明在没有外部动力情况下，腿部关节伸张困难和支撑困难的问题。从而发明出来的一种弹性负重外骨骼。

[0007] 本发明所采用的技术方案：一种弹性负重外骨骼，其特征在于：包括承载机构、弹性机构、支撑机构和控制机构，其中：承载机构在人体的腰胯部与背部，固定身体与负重物体并承载重量，支撑机构是依附于身体背部和腿侧的机械骨架，可以支撑重量和迈步，且与承载机构有可以上下滑动的滑轨连接，弹性机构在与滑轨相同的方向，连接承载机构与支撑机构并提供弹性，控制机构在支撑机构的关节处，可以控制支撑机构在运动时支撑重量和迈步，在支撑机构的支撑下，承载机构带动人体与负重物体，可以在弹性机构和滑轨的作用下上下弹动，控制机构控制支撑机构在向下弹动状态可以支撑重量，在向上弹动状态可以由人体控制迈步。

[0008] 进一步，所述的承载机构包括腰胯部固定带、背部靠板、承重托盘，腰胯部固定带后面与背部靠板刚接，背部靠板后面与承重托盘刚接，所述的背部靠板中间有上下方向的滑轨，与背部支撑结构的滑轨相互作用。

[0009] 所述的弹性机构由弹性材料构成，连接支撑机构与承载机构，在支撑机构的支撑下，为承载机构提供弹性。

[0010] 所述的支撑机构包括背部支撑框架、两个腿部支撑机构，所述背部支撑框架，连接弹性机构，中间有上下方向的滑轨，下面的左右方向各铰接一个腿部支撑机构；所述的腿部支撑机构包括大腿支撑机构、膝关节结构、小腿与脚部机构 ; 所述大腿支撑机构包括四个转轴和四条边，四个转轴和四条边构成了一个平行四边形结构，通过平行四边形的变形来达到大腿的前后摆动的效果，平行四边形机构的上边有圆柱形结构，与背部支撑框架铰接组成一个左右侧抬腿效果的转轴，平行四边型机构的下面边与膝关节一体，平行四边形机构前面边向下的转轴处，有与转轴同圆心的齿轮结构；所述膝关节结构，固定大腿四边形结构下边的两个转轴与小腿前支撑结构向上处转轴，这三个转轴的距离，使大腿四边形机构前边向下处的齿轮结构与小腿前支撑结构向上处的齿轮结构咬合，膝关节结构在小腿前支撑结构上面的转轴外，有与其转轴同圆心的扇形齿轮结构；所述小腿与脚部机构包括小腿前支撑结构、扫动齿轮、小腿后支撑结构、脚部杠杆、脚部固定结构，所述小腿前支撑结构向上的转轴处，有与转轴同圆心的齿轮结构，所述扫动齿轮铰接在小腿前支撑结构后，与膝关节齿轮结构咬合，小腿后支撑结构铰接扫动齿轮和脚部杠杆的后端，所述的脚部杠杆，以小腿前支撑结构下面的转轴为支点，前端铰接脚部固定结构的前端，所述的脚部固定结构，前端固定身体脚部，后端与小腿前支撑结构下面的转轴连接。

[0011] 所述的控制机构包括锁死控制结构、压板、大腿前后摆动锁死结构，所述锁死控制结构在承载机构上，上下方向对应压板，所述压板有弹性结构，压板铰接在背部支撑框架与大腿四边形结构铰接的转轴外壳上，所述大腿前后摆锁死机构包括压帽、弹簧，和齿轮咬合结构，大腿前后摆锁死机构在大腿四边形上边的圆柱形结构内部，压帽在压板下圆柱形结构的孔中露出，连接齿轮咬合结构，齿轮咬合结构接弹簧，固定在圆柱形结构内壁转轴上。

[0012] 外骨骼的使用效果：在支撑机构的支撑下，人体提供初始动能，通过弹性机构把身体和负重物体的重量，沿着滑轨的方向转化为上下弹动的弹性势能，在重量向下弹动时承重会增加，控制机构会受力锁死支撑机构，替人体支撑重量。在重量向上弹动时承重减少、控制机构张开，由人体和重量弹起时的惯性支撑重量并控制迈步。人体只需要维持上下弹动的惯性、控制迈步，就能使外骨骼达到有效的负重运动效果。

发明的有益效果

有益效果

[0013] 不需要外部动力和能源，同时也减少动力和能源问题了对外骨骼的限制。身体与负重物体的重量由外骨骼承载，直接有效的减少了负重对人体力的消耗。负重越重，弹性势能就越大，动力越强。每次弹动为一次迈步机会，弹动的频率越快，机动性就越强。机械结构简单稳定，在降低了技术门槛的同时，也使造价变得低廉。

对附图的简要说明

附图说明

[0014] 图 1是本发明的主视图（左）和效果图（右）

[0015] 图 2是本发明的侧视图（左）和效果图（右）

[0016] 图 3原型的示意图

[0017] 图 4是承载结构的不意图

[0018] 图 5是锁死结构的示意图

[0019] 图 6是腿部支撑结构的示意图。

发明实施例

具体实施方式

[0020] 本发明如附图所示，一种弹性负重外骨骼，包括承载机构 5、弹性机构 6、支撑机构 7和控制机构 8组成，其特征是承载机构 5在人体的腰胯部与背部，固定身体与负重的物体，支撑机构 7是依附于身体背部和腿侧的机械骨架，与承载机构 5有可以上下滑动的滑轨 9连接，弹性机构 6在与滑轨相同的方向，连接承载机构与支撑机构并提供弹性，控制机构 8在支撑机构的两侧的关节处，可以控制支撑机构在运动时支撑重量和迈步。人体提供初始动能给承载机构 5, 把身体和负重物体的重量通过弹性机构 6, 转化为上下弹动的弹性势能。在支撑结构 7的支撑下，重量的上下弹动，可以往复性的减少或增加支撑结构 7的承重。在重量向下弹动时承重增加，控制机构 8锁死支撑机构 7的腿部，替人体支撑重量。在重量弹起时承重会减少，控制机构 8张开外骨骼腿部关节可以活动，由人体和重量弹起时的惯性支撑重量和控制迈步。以一次重量的上下弹动，为一次迈步效果，通过维持重量的上下弹动，来达到负重运动的效果。

[0021] 进一步，所述的承载机构 5如附图 4所示，包括腰胯部固定带 10、背部靠板 11、承重托盘 12, 腰胯部固定带后面与背部靠板刚接，背部靠板后面与承重托盘刚接，所述的背部靠板中有上下方向的滑轨 13, 与背部支撑结构的滑轨 14相互作用，只能上下滑动。承载机构的主要作用是使外骨骼承载并固定身体与负重物体。

[0022] 所述的弹性机构 6如图 4所示，由弹性材料 15构成。弹性机构的作用是连接支撑机构与承载机构，在支撑机构的支撑下，为承载机构提供弹性。

[0023] 所述的支撑机构 7如图 1所示，包括背部支撑框架 16、两个腿部支撑机构 17, 所述背部支撑框架 16，中间有上下方向的滑轨 9, 下面的左右方向各铰接一个腿部支撑机构 17。所述的腿部支撑机构 17如图 6所示，包括大腿支撑机构 18、膝关节结构 19、小腿与脚部机构 20。所述大腿支撑机构 18包括四个转轴和四条边，四个转轴和四条边组成了一个平行四边形结构 21，外骨骼的前后摆腿动作通过平行四边形结构的变形来完成。平行四边形机构的上边有圆柱形结构 22, 与背部支撑框架 16 （图一）铰接组成一个侧抬腿效果的转轴 23 （图一），平行四边型机构 21的下面边与膝关节结构 19一体，平行四边形机构前边向下的转轴 24处，有与转轴同圆心的齿轮结构，所述膝关节结构 19, 固定大腿四边形结构下边的两个转轴 24、 25与转轴 27，这三个转轴的距离，使转轴 24处的齿轮结构与转轴 2 7处的齿轮结构咬合，膝关节结构在转轴 27外，有与其转轴同圆心的扇形齿轮结构 28，所述小腿与脚部机构包括小腿前支撑结构 26、扫动齿轮 29、小腿后支撑结构 30、脚部杠杆 31、脚部固定结构 32，所述小腿前支撑结构向上的转轴 27处，有与转轴同圆心的齿轮结构，所述扫动齿轮 29铰接在小腿前支撑结构 26后面，与膝关节扇形齿轮结构 28咬合，小腿后支撑结构 30铰接扫动齿轮 29和脚部杠杆 31的后端，所述的脚部杠杆 31，以小腿前支撑结构 26下面的转轴 33为支点，前端铰接脚部固定结构 32的前端，所述的脚部固定结构，后端与小腿支撑结构下面的转轴 33连接。

[0024] 腿部支撑机构动态支撑和前倾供力的效果：支撑机构 7的腿部支撑机构 17在负重运动中分为“锁死支撑”和“控制迈步”这两种状态，分别对应外骨骼的重量下弹和重量上弹这两种状态。锁死支撑是为了重量快下弹到最低的临界点时锁死结构提供支撑和上弹的支撑力。控制迈步是外骨骼负重运动的基础要求。但是经过模拟，重量向上弹起时腿部解锁后，仍会受到一部分重量和支撑结构本身重量的影响，需要人体腿部去支撑重量，而且在重量向下弹动时，控制机构 8进行下压锁死的时候，依旧需要人体腿部提供一种向上的力量进行支撑才方便锁死，不然负重效果很一般。

[0025] 为了解决这个问题本发明在腿部支撑机构中添加了一种“动态支撑” 的优化效果。如图 6所示，大腿支撑机构组成了一个平行四边形结构 21。大腿平行四边形结构在运动时，可以通过变形达到前后摆腿的动作，而且可以保持上半身处于竖直状态，因为在上面边 22铰接在背部支撑框架上。同时大腿支撑机构在抬腿时，平行四边形机构的前面边和下面边角度会变小，前面边在膝关节 24处与小腿前支撑结构在膝关节 27处受齿轮咬合相互作用，所以抬腿的时候，大小腿支撑机构会向膝关节合起来，大小腿支撑机构作用的相对幅度受转轴 24和转轴 27 半径的大小影响。又同时因为平行四边形结构的下边在膝关节上，抬腿的时候大小腿支撑机构会向膝关节合起来，所以抬腿的时候小腿前支撑结构 26和膝关节的角度会发生变化，而在膝关节上的扫动齿轮 28会和与小腿前支撑结构铰接的扫动齿轮 29咬合并相互作用，所以抬腿时扫动齿轮 29会逆时针转动，同时带动与之铰接的小腿后支撑结构 30发生变化，小腿后支撑结构 30会带动与之连接的脚部杠杆 31和与 31连接的脚部固定结构 32发生变化。所以抬腿的时候平行四边形结构 21变形大腿抬腿，大小腿支撑机构在膝关节合起来，脚部固定机构 32 和小腿前支撑结构 26角度变大。因为整个外骨骼腿部支撑机构是相互作用的，控制机构只要锁死平行四边形结构 21的其中一个转轴，整条腿都会锁死提供支持。同理脚部固定机构在落地的时候，只要脚部固定机构 33和小腿前支撑机构 2 6的角度不变，扫动齿轮 29就不会转动，大小腿支撑机构在膝关节就不会合起来，腿部支撑机构就可以提供支撑力。

[0026] “前倾供力”效果主要是为了搭配动态支撑效果设计的。搭配动态支撑，就是腿部在解锁状态迈步前进时，一条腿向前抬腿迈步，后腿在迈步时脚部不动，但腿会向前倾斜，此时脚部固定结构 32和小腿前支撑结构 26的角度变小（如图 6 左下图所示），在杠杆 31的作用下，通过后支撑结构 30拉动扫动齿轮 29为膝关节提供伸张力，解决在没有外部动力的情况下关节伸张困难的问题，为外骨骼提供支撑力。而且迈步时会随着腿部结构和脚部机构的角度的变化，进行持续的支撑变化，达到“动态支撑” 的效果。

[0027] 所述的控制机构 8如图 5所示，包括控制锁死结构 34、压板 35、大腿前后摆动锁死结构 36, 所述控制锁死结构 34在承载结构 5上，上下方向对应压板 35, 所述压板有弹性结构 37, 压板铰接在背部支撑框架与大腿四边形结构铰接的转轴外壳 3 8上，所述大腿前后摆锁死机构 36包括压帽 39、弹簧 40, 和齿轮咬合结构 41，大腿前后摆锁死机构在大腿四边形上边的圆柱形结构 22内部，压帽在压板下圆柱形结构 22的孔中露出，连接齿轮咬合结构 41，齿轮咬合结构接弹簧 40，固定在圆柱形结构内壁转轴 42上。控制机构的主要作用就是在负重运动中，负重机构带动重物向下弹动时压住压板 35，加大压板与转轴 22的摩擦控制侧抬腿运动，压板压住压帽 39带动齿轮咬合结构 41锁死转轴 43, 锁死腿部支撑机构 17为下弹的重量提供支持。

[0028] 外骨骼使用方式：在支撑机构 7的支撑下，人体提供初始动能，通过弹性机构 6 把承载身体和负重物体重量的承载机构 5，沿着滑轨 9的方向转化为上下弹动的弹性势能，重量向上或向下的弹动，可以往复性的减少或增加外骨骼的承重。在重量向下弹动时承重会增加，控制机构 8的压板 35会受力锁死支撑机构 7，替人体支撑重量。在重量向上弹动时承重减少、控制机构张开，由人体和重量弹起时的惯性支撑重量并控制迈步。人体只要维持外骨骼承载机构 5上下弹动的惯性、控制迈步，就能使外骨骼达到有效负重运动的效果。

Claims

权利要求书

[权利要求 1] 一种弹性负重外骨骼，其特征在于：包括承载机构、弹性机构、支撑机构和控制机构，其中：承载机构在人体的腰胯部与背部，固定身体与负重物体并承载重量，支撑机构是依附于身体背部和腿侧的机械骨架，可以支撑重量和迈步，且与承载机构有可以上下滑动的滑轨连接，弹性机构在与滑轨相同的方向，连接承载机构与支撑机构并提供弹性，控制机构在支撑机构的关节处，可以控制支撑机构在运动时支撑重量和迈步，在支撑机构的支撑下，承载机构带动人体与负重物体，可以在弹性机构和滑轨的作用下上下弹动，控制机构控制支撑机构在向下弹动状态可以支撑重量，在向上弹动状态可以由人体控制迈步。

[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的弹性负重外骨骼，其特征在于：所述的承载机构包括腰胯部固定带、背部靠板、承重托盘，腰胯部固定带后面与背部靠板刚接，背部靠板后面与承重托盘刚接，所述的背部靠板中间有上下方向的滑轨，与背部支撑结构的滑轨相互作用。

[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的弹性负重外骨骼，其特征在于：所述的弹性机构由弹性材料构成，连接支撑机构与承载机构，在支撑机构的支撑下，为承载机构提供弹性。

[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的弹性负重外骨骼，其特征在于：所述的支撑机构包括背部支撑框架、两个腿部支撑机构，所述背部支撑框架，连接弹性机构，中间有上下方向的滑轨，下面的左右方向各铰接一个腿部支撑机构；所述的腿部支撑机构包括大腿支撑机构、膝关节结构、小腿与脚部机构；所述大腿支撑机构包括四个转轴和四条边，四个转轴和四条边构成了一个平行四边形结构，通过平行四边形的变形来达到大腿的前后摆动的效果，平行四边形机构的上边有圆柱形结构，与背部支撑框架铰接组成一个左右侧抬腿效果的转轴，平行四边型机构的下面边与膝关节一体，平行四边形机构前面边向下的转轴处，有与转轴同圆心的齿轮结构；所述膝关节结构，固定大腿四边形结构下边的两个转轴与小腿前支撑结构向上处转轴，这三个转轴的距离，使大腿四边形机构前边向下处的齿轮结构与小腿前支撑结构向上处的齿轮结构咬合，膝关节结构在小腿前支撑结构上面的转轴外，有与其转轴同圆心的扇形齿轮结构；所述小腿与脚部机构包括小腿前支撑结构、扫动齿轮、小腿后支撑结构、脚部杠杆、脚部固定结构，所述小腿前支撑结构向上的转轴处，有与转轴同圆心的齿轮结构，所述扫动齿轮铰接在小腿前支撑结构后，与膝关节齿轮结构咬合，小腿后支撑结构铰接扫动齿轮和脚部杠杆的后端，所述的脚部杠杆，以小腿前支撑结构下面的转轴为支点，前端铰接脚部固定结构的前端，所述的脚部固定结构，前端固定身体脚部，后端与小腿前支撑结构下面的转轴连接。

[权利要求 5] 根据权利要求 1所述的弹性负重外骨骼，其特征在于：所述的控制机构包括锁死控制结构、压板、大腿前后摆动锁死结构，所述锁死控制结构在承载机构上，上下方向对应压板，所述压板有弹性结构，压板铰接在背部支撑框架与大腿四边形结构铰接的转轴外壳上，所述大腿前后摆锁死机构包括压帽、弹簧，和齿轮咬合结构，大腿前后摆锁死机构在大腿四边形上边的圆柱形结构内部，压帽在压板下圆柱形结构的孔中露出，连接齿轮咬合结构，齿轮咬合结构接弹簧，固定在圆柱形结构内壁转轴上。