免动力外骨骼设备的制作方法

本实用新型涉及一种辅助人体负重的省力设备，具体涉及一种免动力外骨骼设备。

背景技术：

目前，外骨骼设备在一些国家的军队里研究的比较多，而且都在向大承重、高移动速度、灵活度等方向发展，设备带有电池、内燃机等外部能量源和电机、传感器等给外骨骼提供能量，有军队或者一些公司也有研究如载重机器狗等可以在复杂的森林里运送物资的，但这些设备具有造价高、外部能源续航能力短等缺点，所以目前这些设备还处在研究阶段，还没真正进入市场，其高昂的造价也使普通用户无法承受。

人体在搬运重物时重物通过肩膀、躯干、大小腿和脚掌等各个环节的传递把重力传递到地面，这样人体的每个部位都需要绷紧肌肉才能支撑重物的重量，虽然重物一直处于一定的高度不做功，但人体却需要消耗非常多的能量支撑整个重物。因此，有必要设计一种无需外部能量、结构简单、成本低廉的辅助人体搬运重物的省力设备。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种免动力外骨骼设备，它能够支撑重物的大部分重量，只需由使用者的腿部提供牵引力和平衡力即可。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种免动力外骨骼设备，其包括承重架和两个支撑腿，所述承重架的两侧分别与两个支撑腿的上端部活动连接，所述两个支撑腿能够相对承重架前后摆动；所述支撑腿是由上腿杆和下腿杆组成，所述承重架与上腿杆的上端部活动连接，所述上腿杆能够相对承重架前后摆动；所述上腿杆的下端部与下腿杆的上端部活动连接，所述下腿杆能够相对上腿杆前后摆动；所述上腿杆安装有大腿连接件，所述下腿杆安装有小腿连接件。

在进一步的优选方案中，该免动力外骨骼设备还包括两个足平台，两个足平台分别与两个下腿杆相连接。

在进一步的一优选方案中，所述上腿杆是由上腿前进杆和上腿侧摆杆组成，所述承重架与上腿侧摆杆的上端部活动连接，所述上腿侧摆杆能够相对承重架前后摆动；所述上腿侧摆杆的下端部与上腿前进杆的上端部活动连接，所述上腿前进杆能够相对上腿侧摆杆左右摆动；所述上腿前进杆的下端部与下腿杆的上端部活动连接，所述下腿杆能够相对上腿前进杆前后摆动。

在进一步的一优选方案中，所述上腿侧摆杆与上腿前进杆之间设置有侧摆缓冲支撑件。

在进一步的另一优选方案中，所述上腿杆是由上腿前进杆和上腿侧摆杆组成，所述承重架与上腿侧摆杆的上端部活动连接，所述上腿侧摆杆能够相对承重架左右摆动；所述上腿侧摆杆的下端部与上腿前进杆的上端部活动连接，所述上腿前进杆能够相对上腿侧摆杆前后摆动；所述上腿前进杆的下端部与下腿杆的上端部活动连接，所述下腿杆能够相对上腿前进杆前后摆动。

在进一步的另一优选方案中，所述承重架与上腿侧摆杆之间设置有侧摆缓冲支撑件。

在进一步的优选方案中，所述上腿杆与下腿杆之间设置有下蹲缓冲支撑件。

在进一步的优选方案中，所述大腿连接件包含大腿支架和大腿固定件，所述大腿固定件通过大腿支架安装在上腿杆上，所述小腿连接件包含小腿支架和小腿固定件，所述小腿固定件通过小腿支架安装在下腿杆上。

在进一步的优选方案中，所述承重架上设置有手扶杆、后靠杆和座椅中的至少一者。

在进一步的优选方案中，所述上腿杆和下腿杆均采用可调节长度的伸缩结构。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：由于此设备的动力由使用者的腿部提供动力，不存在续航能力短的缺点，重物绝大部分的重力都由外骨骼设备支撑，使用者只需要提供牵引力和平衡力即可，只要使用者体力足够就可以带动这套设备。其承重量的大小由使用者的体力和使用路况（即水平路面和上下坡路面等情况）决定，承重在20到60千克范围时使用者长期感受到的重量在5到10千克左右而已，已经可以满足正常的使用了，而且其低廉的造价和轻便的重量也是普通用户可以接受的。其原理很简单，比较近似的例子如人体挑担子时需要花费很大的力气，而骑自行车时载重100千克也可以比较轻松地在路上行驶，这100千克的重物是通过车轮传递到路面的，所以很轻松，人体只需要提供牵引力和平衡力即可。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构示意图。

图2为本实用新型实施例二的结构示意图。

图3为本实用新型实施例三的结构示意图。

图4为本实用新型实施例四的结构主视图。

图5为本实用新型实施例四的结构右视图。

图6为本实用新型实施例五的结构示意图。

图7为承重架轴、下腿杆轴、足平台轴的受力分析示意图。

图8为上腿杆与下腿杆的连接处放大图。

图9为锁止摩擦片和下蹲缓冲支撑件开关的结构示意图。

图10为摩擦角球铰的构造示意图。

图11为下腿杆与足平台的连接处放大图。

图12为本实用新型实施例六的结构示意图。

图13为带座椅的承重架结构示意图。

图中标记：1-承重架，2-上腿杆，3-下腿杆，4-足平台，5-大腿连接件，6-小腿连接件，8-座椅，11-后靠杆，12-手扶杆，13-承重架轴，21-上腿前进杆，22-上腿侧摆杆，23-侧摆缓冲支撑件，24-下蹲缓冲支撑件，27-侧摆轴，31-下腿杆轴锁止点，33-下腿杆轴，34-下腿杆水平旋转轴，41-足平台轴，51-大腿支架，52-大腿固定件，61-小腿支架，62-小腿固定件，71-下蹲缓冲支撑件开关，72-锁止摩擦片，731-摩擦角球头，732-摩擦角球座。

具体实施方式

为了让本实用新型的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

实施例一：如图1所示，一种免动力外骨骼设备，其包括承重架1和两个支撑腿，所述承重架1的两侧分别与两个支撑腿的上端部活动连接，所述两个支撑腿能够相对承重架1前后摆动；所述支撑腿是由上腿杆2和下腿杆3组成，所述承重架1与上腿杆2的上端部活动连接，所述上腿杆2能够相对承重架1前后摆动；所述上腿杆2的下端部与下腿杆3的上端部活动连接，所述下腿杆3能够相对上腿杆2前后摆动；所述上腿杆2安装有大腿连接件5，所述下腿杆3安装有小腿连接件6。其中，上述的活动连接方式具体可以采用轴承、铰链、柱销或带摩擦角的球座等结构形式，使相连接的两个部件之间能够相对旋转即可。当然，上述的前后摆动不局限于严格意义上的正前正后摆动，也允许是倾斜的前后摆动如八字形等。上述的承重架1与支撑腿的相对关系也不局限于严格意义上的两侧，允许是内侧或者外侧等。

在实施例一中，所述大腿连接件5包含大腿支架51和大腿固定件52，所述大腿固定件52通过大腿支架51安装在上腿杆2上，所述小腿连接件6包含小腿支架61和小腿固定件62，所述小腿固定件62通过小腿支架61安装在下腿杆3上。其中，所述大腿连接件5和小腿连接件6的个数不限且沿相应的腿杆长度方向分布；所述大腿固定件52和小腿固定件62可以是扣合或粘合的套环，但并不局限于环状和闭合形式；所述大腿支架51和小腿支架61可以采用锁付、焊接等方式分别固定在上腿杆2和下腿杆3上，其结构可以是一节或多节连杆，各节连杆之间可以采用铰接等方式连接。另外，所述大腿连接件5和小腿连接件6还可以预先安装在人体上，等需要用到设备时再穿上设备，这样更省时间。上述的大腿连接件5和小腿连接件6不一定要与大、小腿一直保持接触，也允许在受力时才接触。

其中，上述承重架1的作用是运载货物和平衡左右两个支撑腿的交替受力。货物可以堆放在承重架1上或者挂在承重架1的前后、左右侧，承重架1可以通过绑绳等固定在腰上或骨盆位置等。实际使用时，根据货物的不同可以改变承重架1的结构或外挂相应的配件。两个支撑腿的上腿杆2和下腿杆3的作用是支撑货物的重量和交替行走时的复杂受力。

实施例一的工作原理是：当人体穿戴此设备负重直立的时候，一方面人的体重通过脚部传递到地面；另一方面承重架1上的重物通过上腿杆2、下腿杆3传递到地面。

实施例二：如图2所示，该免动力外骨骼设备在实施例一的基础上还包括两个足平台4，两个足平台4分别与两个下腿杆3的下部内侧相焊接。其中，上述足平台4的主要作用是为了传递使用者的体重，但并不是必须的部件，例如使用者可通过绳子、大腿连接件5或小腿连接件6将体重传递到两个支撑腿上。上述足平台4可以固定鞋子或者直接用特制的鞋子代替。

实施例二的工作原理是：当人体穿戴此设备负重直立的时候，一方面人的体重通过脚部、足平台4和下腿杆3传递到地面；另一方面承重架1上的重物通过上腿杆2和下腿杆3传递到地面。

实施例三：如图3所示，该免动力外骨骼设备与实施例二的主要区别在于：两个足平台4分别与两个下腿杆3的下端部相铰接。

其中，所述上腿杆2和下腿杆3均采用可调节长度的伸缩结构，所述上腿杆2、下腿杆3和足平台4的结构和长度可以模拟人体的大腿、小腿和脚，这样髋关节、膝关节和踝关节在大、小腿弯曲的时候会比较流畅，走路时不会别扭。例如，所述上腿杆2可以由两个杆件组成，通过两个杆件之间的固定销等方式调整上腿杆2的长度，同样下腿杆3也可以由两个杆件组成，通过调整长度以适合不同身高的使用者。

实施例三的工作原理是：当人体穿戴此设备负重直立的时候，一方面人的体重通过脚部和足平台4传递到地面；另一方面承重架1上的重物通过承重架轴13、上腿杆2、下腿杆轴33、下腿杆3、足平台轴41和足平台4传递到地面。

实施例四：如图4~5所示，该免动力外骨骼设备与实施例三的主要区别在于：（1）所述上腿杆2是由上腿前进杆21和上腿侧摆杆22组成，所述承重架1与上腿侧摆杆22的上端部横向活动连接，所述上腿侧摆杆22能够相对承重架1前后摆动；所述上腿侧摆杆22的下端部与上腿前进杆21的上端部纵向活动连接，所述上腿前进杆21能够相对上腿侧摆杆22左右摆动，所述上腿前进杆21的下端部与下腿杆3的上端部横向活动连接，所述下腿杆3能够相对上腿前进杆21前后摆动；（2）所述上腿侧摆杆22与上腿前进杆21之间设置有侧摆缓冲支撑件23；（3）所述上腿杆2与下腿杆3之间设置有下蹲缓冲支撑件24，具体是上腿前进杆21与下腿杆3之间设置有下蹲缓冲支撑件24。

实施例一至三的上腿杆2、下腿杆3只能前后摆动，不能左右摆动，而人体在挑担子等负重情况下，左右脚都会习惯性地往内侧摆动，使得重心和脚掌基本在同一个竖直方向上，因此实施例四采用上腿侧摆杆22。其中，所述侧摆缓冲支撑件23和下蹲缓冲支撑件24均采用液压缸，当然也可以采用气压缸或其他装置；在上腿杆2、下腿杆3不受力的时候，所述侧摆缓冲支撑件23和下蹲缓冲支撑件24可以自由伸缩；在受力状态下，侧摆缓冲支撑件23几乎不能伸缩，下蹲缓冲支撑件24允许快速伸展、缓慢收缩。当然，所述侧摆缓冲支撑件23和下蹲缓冲支撑件24的伸缩状态并不局限于此，具体根据人体的移动状态来改变。

实施例五：如图6所示，该免动力外骨骼设备与实施例四的主要区别在于：（1）所述承重架1上设置有手扶杆12，所述手扶杆12的个数不限，其结构可以是垂直、水平、异形或其他形式，其作用是通过手额外控制承重架1的平衡；（2）所述承重架1上设置有后靠杆11，所述后靠杆11的个数也不限，其可以用来接触背部、腰部或肩部等人体部位，或者通过绳索等把人体与后靠杆11连接在一起，其作用是通过人体躯干额外控制承重架1的平衡。

实施例六：如图12所示，该免动力外骨骼设备与实施例四的主要区别在于：（1）所述承重架1与上腿侧摆杆22的上端部纵向活动连接，所述上腿侧摆杆22能够相对承重架1左右摆动；所述上腿侧摆杆22的下端部与上腿前进杆21的上端部横向活动连接，所述上腿前进杆21能够相对上腿侧摆杆22前后摆动；（2）所述承重架1与上腿侧摆杆22之间设置有侧摆缓冲支撑件23；（3）所述大腿固定件52和小腿固定件62均为弧形固定件，使用时可以通过绳子、粘合扣或卡扣等方式绑定腿部。

如图7所示，行走时承重架轴13、下腿杆轴33、足平台轴41的轴心不在一条直线上，重物的重量加载到承重架轴13上，根据平行四边形法则受力分析得知，承重架轴13除了大部分重力指向下腿杆轴33外，还有一部分力指向左侧，同理下腿杆轴33除了大部分重力指向足平台轴41外，还有一部分力指向右侧。因为上腿杆2和下腿杆3是通过各自的连接件连接在大、小腿上的，所以这个分力产生的扭力会由下腿杆轴33对应的膝盖承受。以负重100千克，承重架轴13和下腿杆轴33、下腿杆轴33和足平台轴41的受力分力夹角为5度为例，根据受力分析可算得大概的扭力为8千克左右乘以上腿杆2（或者下腿杆3）的长度，人体需要克服这部分的扭力或者说平衡力，但不需要提供支撑100千克的重力，即达到了省力的效果，当然还可以通过优化设计减小这个夹角的角度来减小受力大小。承重架轴13和足平台轴41也有受力，这两个力的方向基本与重力的方向一致，所以其水平分力也不大，通过腰部和踝关节足以调节和控制。

当人体在走路过程中，如图4所示，图中右侧上腿杆2、下腿杆3抬起来时，承重架1上的重物通过左侧的上腿杆2、下腿杆3支撑起重量，同时有一个向右的分力，人可以感受到这个分力然后通过身体给设备一个向左的推力（本能反应），再加上右侧的上腿杆2、下腿杆3失去支撑的时间（即走路时间）只有不到1秒，所以整个设备和人体并不会向右倒，在人体走动时左右支撑腿会交替地支撑重物，设备会有一个周期性的向左向右的小摆动。但整个重心一直维持在一定的高度，所以尽管是负重100千克，人体所需要承受的只是向前的推力和维持不要摔倒的平衡力即可，原理比较类似于平板车或者自行车的载重原理，重物通过车轮传递到地面，在水平路上行走时重心高度维持不变并不需要消耗很多能量，只有在上坡的瞬间需要消耗比较多的能量。

在上面的分析过程中，可以发现在支撑腿受力时，该受力的上腿杆2和下腿杆3还是处于自由状态，即整个重心可以以下腿杆轴33为轴心向后倒或者向前倒，这个很不稳定，需要膝盖绷紧提供平衡力，那么在这里通过重力的分力把上腿杆2和下腿杆3锁紧为一体就可以省略掉这部分的力量了，具体做法如下。如图7所示，让三个支撑点处于不在一条直线上，通过前面的分析知道这会产生一个分力，然后如图8所示，在上腿杆2和下腿杆3接触的位置设置下腿杆轴锁止点31以使上腿杆2和下腿杆3在重物重力分力的作用下锁止为一体，可以减少膝盖的这部分受力，当然下腿杆轴锁止点31的结构和位置并不局限于此，例如可以采用图9所示的锁止摩擦片结构，即在下腿杆轴33的周侧面设置有两片锁止摩擦片72，当两片锁止摩擦片72相互接触并在重力作用下时会产生摩擦力，也可以起到锁止的作用。同理，还可以采用如图10所示的摩擦角球铰结构，其中摩擦角球头731和摩擦角球座732相互接触后在重力的作用下产生摩擦阻力，同样可以起到锁止的作用。

在直立状态下，因为左右支撑腿都受力，所以侧摆缓冲支撑件23处在锁止状态，同时下腿杆轴锁止点31处在锁止状态，这时的受力跟图3基本一致。当在走路状态时，如图4右侧的上腿杆2、下腿杆3抬起时，通过之前的分析知道承重架1上的重物有个向右的分力，在没有侧摆缓冲支撑件23时承重架1会以侧摆轴27为轴心向右倒，使得大腿与腰接触的髋关节、骨盆等位置需要承受很大的侧压力，这时如果加入侧摆缓冲支撑件23，那么在侧摆缓冲支撑件23的锁止状态下使得上腿侧摆杆22和上腿前进杆21连成一体，这样就等同于图3的效果了。同时左右脚允许前后左右移动，在前面分析知道右侧的上腿杆2、下腿杆3可以往前、往接近重心的内侧移动，着地后侧摆缓冲支撑件23又再次锁止右侧的上腿前进杆21和上腿侧摆杆22，达到了行走稳定性的要求。

前面分析的都是在水平路上行走的过程，这里也需要考虑上下坡的复杂路段。在水平路上走时，重心的高度一直维持在一定的范围内，所以走起路来比较轻松；在上坡时需要让重物的势能增加，需要消耗较多的能量，体现在上坡时迈出去的大小腿还没伸直就已经碰到地面了，大、小腿需要顶着重力从弯曲到登直，对应的是上腿杆2、下腿杆3的三个受力点：承重架轴13、下腿杆轴33、足平台轴41形成的夹角距离180度较大时就开始要受力，直到它们越过180度后被下腿杆轴锁止点31锁止，在这个过程中需要消耗能量让髋关节、膝关节和踝关节的共同发力提供这部分力量。在下坡时迈出去的大小腿伸直后还够不着地面，这时需要承重侧的膝盖弯曲，对应的是受力的下腿杆轴33对应的上腿杆2、下腿杆3需要弯曲，因为势能下降释放能量做功的原因，使得下降（弯曲）速度会很快，膝盖需要消耗能量去支撑这部分力量，如果控制不好有可能会失控导致摔倒等，所以实施例四和实施例五提供了下蹲缓冲支撑件24，一旦要使受力的上腿杆2、下腿杆3弯曲的话就会减缓其弯曲速度，让重力势能以液压油的内能释放掉，让膝盖减少支撑的力量，达到下坡可控的效果。

如图6所示，其中大腿连接件5和小腿连接件6跟上腿杆2、下腿杆3的接触关系，使得它们在以直立的使用者为参照点时都只能进行上下左右转动、移动，并不能进行前后移动，前后移动必须跟上腿杆2、下腿杆3一致，而上腿杆2、下腿杆3针对承重架1来说只能前后左右上下移动，并不能旋转运动，不管腿脚的位置和状态如何，只要腿脚能提供往前或者往后的推力时上腿杆2、下腿杆3就一定会在大腿连接件5、小腿连接件6的带动下同步前后左右移动，解决了目前外骨骼与人体固定点容易移位的问题。如果上腿杆2、下腿杆3与承重架1的关系可以转动的话，那么在腿脚往前或者往后移动时上腿杆2、下腿杆3有可能会在阻力的作用下旋转而不是跟着前后移动，即腿脚的移动功能失效。

如图11所示的是下腿杆3与足平台4的接触细节，之前的分析都只讲到前进后退的动作，转弯的动作还没实现，这里的其中一种实现方式是在下腿杆3与足平台4之间加一个下腿杆水平旋转轴34，这样的话就可以让脚实现转弯的效果了，当然不局限于此，例如也可以在承重架1与上腿杆2之间加一个水平旋转轴，同样可以实现转弯的效果，当然这个水平旋转轴也可以用图10的方式。

针对前面分析的侧摆缓冲支撑件23和下蹲缓冲支撑件24在上腿杆2、下腿杆3受力和不受力的过程中控制的伸缩状态，这个可以参照图9的下蹲缓冲支撑件开关71，这个控制方式是当上腿杆2与下腿杆3伸直时下蹲缓冲支撑件开关71被触发，关闭了油或气体的通路，当上腿杆2与下腿杆3弯曲时打开了油或气体的通路，达到了控制的效果，当然也可以用其他方式如压力让油路或气体断路或通路的方式控制液压缸或气压缸，不局限于此。

特别需要说明的是，该设备还可以在承重架1上设置座椅8，如图13所示。这样可以把使用者的大部分重量通过座椅8传递给承重架1，其原理类似于自行车，骑自行车时双脚只需要提供牵引力，并不需要支撑身体的重力，身体的重量通过座椅8传递给车轮是一个道理的。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。