便于在行走或跑步时承载载荷的外骨骼结构的连接装置的制作方法

本发明涉及一种用于外骨骼结构的连接装置以及包括这种类型的装置的外骨骼结构。

背景技术：

在军事领域，步兵通常配备有背包，从而允许他们运输装备。当步兵执行长时间的任务时，背包的质量可以达到50公斤。背包的质量会大大降低步兵的机动性并且导致更大的代谢产物。

此外，背包通常搁置在使用者的肩部或髋部上，这会在肩部处产生肌肉-骨骼问题、会产生皮肤压力或者由于神经压迫而成为神经症状(刺痛感)的根源。

目前的解决方案包括将背包的质量借助于条带分配在肩部上和借助于腹侧带分配在髋部上。然而，这些解决方案并不能完全减轻使用者的负担。

用于力辅助的外骨骼是复制人体骨骼结构并且能够改善人体的体能素质的机械结构。

已经提出了某些外骨骼结构，该外骨骼结构允许将背包的质量置于地面上。

然而，已知的外骨骼结构(有时称为“行走机器人”)具有非常大的体积并且降低使用者的机动性。

特别地，在这些外骨骼结构中，背包的载荷置于外骨骼的下部上，该载荷沿着使用者的腿部延伸到地面。因此，该载荷具有在行走时、特别是在使用者将他的脚部移离地面时对抗使用者的脚部的运动的趋势。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提出一种解决方案，以允许减轻使用者的背包的大部分质量，但是在行走或跑步期间不降低使用者的身体下部的机动性。

该目的由于用于外骨骼结构的连接装置而在本发明的范围内实现，该连接装置包括：

-支撑件，该支撑件旨在附接到腰带，

-输入部件，该输入部件相对于支撑件旋转地安装并且能够连接到外骨骼结构的机械背部组件，

-传动装置，

-第一连接连杆，该第一连接连杆相对于支撑件旋转地安装，第一连接连杆具有通过传动装置连接到输入部件的第一端部和能够连接到外骨骼结构的第一机械腿部组件的第一髋部接头的第二端部，和

-第二连接连杆，该第二连接连杆相对于支撑件旋转地安装，第二连接连杆具有通过传动装置连接到输入部件的第一端部和能够连接到外骨骼结构的第二机械腿部组件的第二髋部接头的第二端部，

传动装置被布置成使得：

-当趋于使输入部件相对于支撑件在第一旋转方向上枢转的载荷施加到输入部件时，传动装置向第一连接连杆传递如下力，该力趋于使第一连接连杆围绕该第一连接连杆的轴线枢转，以将载荷传递到第一机械腿部组件并且移除外骨骼结构的第二机械腿部组件的载荷，和

-当趋于使输入部件在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上枢转的载荷施加到输入部件时，传动装置向第二连接连杆传递如下力，该力趋于使第二连接连杆围绕该第二连接连杆的轴线枢转，以将载荷传递到第二机械腿部组件并且移除外骨骼结构的第一机械腿部组件的载荷。

在行走周期期间，外骨骼结构的机械腿部组件交替地与地面接触。所提出的连接装置允许由背包重量产生的载荷传递到与地面接触的机械腿部组件并且释放与地面不接触的机械腿部组件。

更确切地说，对于每个机械腿部组件：

-在站立阶段(对应于脚部与地面接触的时间段)期间，载荷通过机械腿部组件传递到地面，和

-在摆动阶段期间，当脚部不再与地面接触时，机械腿部组件没有由背包产生的任何载荷，使得摆动的脚自由移动。

此外，当使用者站立不动时，外骨骼结构的机械腿部组件同时与地面接触。所提出的连接装置允许通过将由背包产生的载荷分配在两个机械腿部组件上来分摊该载荷。

连接装置还可以具有以下特征：

-输入部件相对于支撑件滑动地安装，

-输入部件通过滑动部和圆柱形销相对于支撑件滑动地安装，该圆柱形销能够在滑动部内部滑动并且相对于滑动部转动，

-输入部件具有第一分支和第二分支，该第一分支具有一个通过传动装置连接到第一连接连杆的端部，该第二分支具有一个通过传动装置连接到第二连接连杆的端部，

-传动装置是滑轮和线缆装置，

-传动装置包括第一线缆和第二线缆，该第一线缆将输入部件连接到第一连接连杆的第一端部，该第二线缆将输入部件连接到第二连接连杆的第一端部，

-该装置包括第一滑轮，该第一滑轮旋转地安装在支撑件上，并且其中，第一线缆将输入部件连接到第一连接连杆的第一端部，同时该第一线缆将自身支撑在第一滑轮的圆周表面上，

-该装置包括第二滑轮，该第二滑轮旋转地安装在支撑件上，并且其中，第二线缆将输入部件连接到第二连接连杆的第一端部，同时该第二线缆将自身支撑在第二滑轮的圆周表面上，

-第一滑轮和第二滑轮具有重合的旋转轴线，

-传动装置包括第一滑轮、第一线缆以及第三线缆，该第一滑轮旋转地安装在支撑件上，该第一线缆将输入部件连接到第一滑轮，该第三线缆将第一滑轮连接到第一连接连杆的第一端部，

-第一线缆将自身支撑在第一滑轮的第一圆周表面上，并且第三线缆将自身支撑在第一滑轮的第三圆周表面上，第三圆周表面的半径小于第一圆周表面的半径，

-传动装置包括第二滑轮、第二线缆以及第四线缆，该第二滑轮旋转地安装在支撑件上，该第二线缆将输入部件连接到第二滑轮，该第四线缆将第二滑轮连接到第二连接连杆的第一端部，

-第二线缆将自身支撑在第二滑轮的第二圆周表面上，并且第四线缆将自身支撑在第二滑轮的第四圆周表面上，第四圆周表面的半径小于第二圆周表面的半径，

-第一滑轮和/或第二滑轮具有与第一连接连杆的和/或第二连接连杆的旋转轴线重合的旋转轴线。

本发明还包括一种外骨骼结构，该外骨骼结构包括：

-腰带，该腰带能够包围使用者的腰部，

-第一机械腿部组件，该第一机械腿部组件能够沿着使用者的第一条腿延伸，

-第二机械腿部组件，该第二机械腿部组件能够沿着使用者的第二条腿延伸，

-机械背部组件，该机械背部组件能够沿着使用者的背部延伸以用于承载载荷，

-如先前所限定的连接装置，该连接装置的输入部件连接到背部结构，支撑件附接到腰带，第一连接连杆具有经由第一髋部接头连接到第一机械腿部组件的第二端部，并且第二连接连杆具有经由第二髋部接头连接到第二机械腿部组件的第二端部。

附图说明

其它特征和优点将通过以下描述揭示，所述描述完全是说明性的和非限制性的并且必须参照附图阅读，在附图中：

-图1以前视图示意性地示出了根据本发明的一个实施例的外骨骼结构，

-图2以侧视图示意性地示出了图1的外骨骼结构，

-图3和图4示意性地示出了根据本发明的第一实施例的连接装置，

-图5是说明图3和图4的连接装置的操作的概略原理图，

-图6示意性地示出了根据本发明的第二实施例的连接装置。

具体实施方式

在图1和图2中，外骨骼结构1包括腰带2、第一机械腿部组件3、第二机械腿部组件4和机械背部组件5。

腰带2能够包围使用者的腰部。腰带2围绕使用者的腰部设置并支撑在使用者的髋部上。腰带可以支撑电池和控制单元，该电池允许对外骨骼结构的不同致动器供应电力，该控制单元被编程为控制不同的致动器。电池和控制单元附接到腰带。

第一机械腿部组件3沿着使用者的第一下部构件(右腿)延伸。第一机械腿部组件3能够附接到第一下部构件，以在行走或跑步期间辅助第一下部构件的运动。

第二机械腿部组件4沿着使用者的第二下部构件(左腿)延伸。第二机械腿部组件4能够附接到第二下部构件，以在行走或跑步期间辅助第二下部构件的运动。

应注意，第一机械腿部组件3和第二机械腿部组件4彼此对称。因此，这些组件3和4包括相同或相似的部分。

第一机械组件3包括第一股骨部件31、第一胫骨部件32和第一脚部部件33。

第一股骨部件31包括旨在沿着使用者的第一大腿(右大腿)延伸的第一股骨部段311，和能够包围使用者的第一大腿以将股骨部段311附接到第一大腿的附接条带312。

第一胫骨部件32包括旨在沿着使用者的第一小腿(右小腿)延伸的第一胫骨部段321，和能够包围使用者的第一小腿以将胫骨部段321附接到第一小腿的附接条带322。

第一脚部部件33附接到使用者的第一只鞋35，例如附接到鞋37的鞋底351。第一脚部部件33可以通过螺钉附接到鞋底371。

第一股骨部段311包括通过第一髋部接头34连接到腰带2的第一端部313，和通过第一膝部接头35连接到第一胫骨部段321的第二端部314。

第一胫骨部段321包括通过第一膝部接头35连接到第一股骨部段311的第一端部323，和通过第一踝部接头36连接到第一脚部部件33的第二端部324。

第二机械组件4与第一机械组件3对称。

第二机械组件4还包括第二股骨部件41、第二胫骨部件42和第二脚部部件43。

第二股骨部件41包括旨在沿着使用者的第二大腿(左大腿)延伸的第二股骨部段411，和能够包围使用者的第二大腿以将股骨部段411附接到第二大腿的附接条带412。

第二胫骨部件42包括旨在沿着使用者的第二小腿(左小腿)延伸的第二胫骨部段421，和能够包围使用者的第二小腿以将胫骨部段421附接到第二小腿的附接条带422。

第二脚部部件43附接到使用者的第二只鞋47，例如附接到鞋47的鞋底471。第二脚部部件43可以通过螺钉固定到鞋底471。

第二股骨部段411包括通过第二髋部接头44连接到腰带2的第一端部413，和通过第二膝部接头45连接到第二胫骨部段421的第二端部414。

第二胫骨部段421包括通过第二膝部接头45连接到第二股骨部段411的第一端部423，和通过第二踝部接头46连接到第二脚部部件43的第二端部424。

髋部接头34、44和膝部接头35、45可以包括致动器，该致动器允许在髋部或膝部的弯曲或伸展运动期间辅助使用者。

机械背部组件5(图2中可见)能够沿着使用者的背部延伸，以用于承载载荷6(例如背包)。

外骨骼结构1还包括连接装置7，该连接装置允许机械背部组件5连接到腰带2以及连接到机械腿部组件3和机械腿部组件4。

当载荷6附接到机械背部组件5时，载荷6经由腰带2以及机械腿部组件3和机械腿部组件4传递到地面。

图3和图4示意性地示出了根据第一实施例的连接装置7，该连接装置将机械背部组件5连接到腰带2以及连接到机械腿部组件3和机械腿部组件4。

连接装置7包括支撑件71、输入部件72、传动装置73、第一连接连杆74和第二连接连杆75。

支撑件71附接到腰带2。

输入部件72连接到机械背部组件5。输入部件72通过滑动部711和圆柱形销721相对于支撑件71滑动地安装，该圆柱形销721能够在滑动部711内部滑动并且相对于滑动部711转动。更确切地说，销721固定地安装在输入部件72上，滑动部711固定地安装在支撑件71上。因此，当使用者自身保持在站立位置时，销721和滑动部711允许输入部件72相对于支撑件71在基本上竖直的方向上平移。销721和滑动部711还允许输入部件72相对于支撑件71沿着与使用者的矢状轴线平行的旋转轴线旋转。

输入部件72具有u形的大体形状，该输入部件具有第一分支722和第二分支723。第一分支722具有第一端部724，第二分支723具有第二端部725。

传动装置73包括第一滑轮76、第二滑轮77、第一线缆78和第二线缆79。

第一滑轮76围绕第一旋转轴线763旋转地安装在支撑件71上。第一滑轮76包括第一轮761，该第一轮761具有第一圆周表面762。第一圆周表面762可以具有用于接纳和引导第一线缆78的第一凹部。

第二滑轮77围绕第二旋转轴线773也旋转地安装在支撑件71上。第二滑轮77包括第二轮771，该第二轮771具有第二圆周表面772。第二圆周表面772可以具有用于接纳和引导第二线缆79的第二凹部。

两个滑轮76和77可以并排设置并且具有不同且平行的旋转轴线763和773，或者叠置设置同时使它们的旋转轴线763和773重合。

第一连接连杆74旋转地安装在支撑件71上。优选地，第一连接连杆74围绕旋转轴线743旋转地安装，该旋转轴线743与使用者的第一髋关节(右髋关节)的内收/外展轴线重合。第一连接连杆74具有通过传动装置73连接到输入部件72的第一端部741和连接到第一机械腿部组件3的第一髋部接头34的第二端部742。

第二连接连杆75相对于支撑件71旋转地安装。优选地，第二连接连杆75围绕旋转轴线753旋转地安装，该旋转轴线753与第一连接连杆74的旋转轴线743平行并且与使用者的第二髋关节(左髋关节)的内收/外展轴线重合。第二连接连杆75具有通过传动装置73连接到输入部件72的第一端部751和连接到第二机械腿部组件4的第二髋部接头44的第二端部752。

第一线缆78将输入部件72连接到第一连接连杆74，从而该第一线缆将自身支撑在第一滑轮76的圆周表面762上。更确切地说，第一线缆78具有第一端部781和第二端部782，该第一端部781附接到输入部件72的第一端部724，该第二端部782附接到第一连接连杆74的第一端部741。

同样地，第二线缆79将输入部件72连接到第二连接连杆75，从而该第二线缆将自身支撑在第二滑轮77的圆周表面771上。更确切地说，第二线缆79具有第一端部791和第二端部792，该第一端部791附接到输入部件72的第二端部725，该第二端部792附接到第二连接连杆75的第一端部751。

此外，如在图4中可以看到的，每个连接连杆74、75可以通过铰接部段84、85连接到相应的机械腿部组件3、4。更确切地说，第一部段84包括通过枢轴连接件843铰接的两个部段部分841和842，从而允许两个部段部分相对于彼此围绕竖直轴线旋转。同样地，第二部段85包括通过枢轴连接件853铰接的两个部段部分851和852，从而允许两个部段部分相对于彼此围绕竖直轴线旋转。枢轴连接件843和853允许适应使用者的髋部的向内和向外旋转运动。

图5示出了连接装置7的操作原理。

连接装置7以如下方式进行操作。

当使用者站立而支撑在他的两条腿上时，在静止位置，由机械背部组件5支撑的载荷6的重量传递到输入部件72(箭头a)。该重量具有使第一线缆78和第二线缆79处于张紧状态的作用。施加在第一线缆78上的张力与施加在第二线缆79上的张力相同。该张力等于载荷的一半。

这样的结果是，第一线缆78将第一力施加在第一连接连杆74上，该第一力趋于使第一连接连杆74在第一旋转方向(箭头b)上枢转。

同样地，第二线缆79将第二力施加在第二连接连杆75上，该第二力趋于使第二连接连杆75在与第一旋转方向相反的第二旋转方向(箭头c)上枢转。

因此，第一连接连杆74将第一力传递到第一机械腿部组件3，并且第二连接连杆75将第二力传递到第二机械腿部组件4。第一力和第二力相同，使得两个机械腿部组件3和4支撑相同的支撑力，该支撑力等于载荷的一半。

当使用者行走时，使用者将自身交替地支撑在他的第一条腿(右腿)和第二条腿(左腿)上，这导致输入部件72围绕其旋转轴线轻微地摆动。

在行走周期的第一阶段期间，当使用者被支撑在他的第一条腿上时，输入部件72具有相对于支撑部件71在第一旋转方向(箭头d)上围绕该输入部件的旋转轴线枢转的趋势。

输入部件72在第一方向上的旋转具有拉伸第一线缆78和松弛第二线缆79的作用。换句话说，第一线缆78中的张力变得大于第二线缆79中的张力。第一线缆78向第一连接连杆74传递一种力，该力趋于使第一连接连杆74相对于支撑部件71在第一旋转方向(箭头b)上围绕该第一连接连杆的旋转轴线743枢转。这具有以下作用：施加在机械背部组件5上的总载荷通过第一连接连杆74经由第一髋部接头34传递到第一机械腿部组件3。

相反地，传递到第二机械腿部组件4的载荷的比例大大减小，这允许使用者能够将他的第二条腿在不施加过大的力的情况下从地面抬起。

在行走周期的第二阶段期间，当使用者将自身支撑在他的第二条腿上时，输入部件72具有相对于支撑部件71在第二旋转方向(箭头e)上围绕该输入部件的旋转轴线枢转的趋势，该第二旋转方向与第一旋转方向相反。

输入部件72在第二方向上的旋转具有拉伸第二线缆79和松弛第一线缆78的作用。换句话说，第二线缆79中的张力变得大于第一线缆78中的张力。第二线缆79向第二连接连杆75传递一种力，该力趋于使第二连接连杆75相对于支撑部件71在第二旋转方向(箭头c)上围绕该第二连接连杆的旋转轴线753枢转。这具有以下作用：施加在机械背部组件5上的总载荷通过第二连接连杆75经由第二髋部接头44传递到第二机械腿部组件4。

相反地，传递到第一机械腿部组件3的载荷的比例大大减小，这允许使用者能够将他的第一条腿在没有过大的力的情况下从地面抬起。

因此，在行走周期期间，载荷交替地传递到第一机械腿部组件3和第二机械腿部组件4。由于所提出的连接装置7，载荷始终传递到与地面接触的机械腿部组件3或机械腿部组件4。另一个机械腿部组件仅支撑减小比例的载荷，使得使用者可以容易地抬起相应的腿。

图6示意性地示出了根据第二实施例的连接装置7。

正如第一实施例中那样，连接装置7包括支撑件71、输入部件72、传动装置73、第一连接连杆74和第二连接连杆75。

支撑件71附接到腰带2。

输入部件72连接到机械背部组件5。输入部件72通过滑动部711和销721相对于支撑件71滑动地安装，该销721能够在滑动部711内部滑动并且相对于滑动部711转动。

在该第二实施例中，输入部件72具有倒置t形的大体形状，该输入部件具有第一分支722和第二分支723。第一分支722具有第一端部724，第二分支723具有第二端部725。

传动装置73包括第一滑轮76、第二滑轮77、第三滑轮86、第四滑轮87、第一线缆78、第二线缆79、第三线缆88和第四线缆89。

第一滑轮76围绕第一旋转轴线763旋转地安装在支撑件71上。第一滑轮76包括第一轮761，该第一轮761具有两个具有不同半径的圆周表面762和764。圆周表面764的半径小于圆周表面762的半径。圆周表面762可以具有用于接纳和引导第一线缆78的凹部。圆周表面764也可以具有用于接纳和引导第三线缆88的凹部。

第二滑轮77围绕第二旋转轴线773也旋转地安装在支撑件71上。第二滑轮77包括第二轮771，该第二轮771也具有两个圆周表面772和774。圆周表面774的半径小于圆周表面772的半径。圆周表面772可以具有用于接纳和引导第二线缆79的凹部。第四圆周表面764可以具有用于接纳和引导第四线缆89的凹部。

第一连接连杆74相对于支撑件71旋转地安装。更确切地说，第一连接连杆74围绕与第一滑轮76的旋转轴线763重合的旋转轴线旋转地安装。第一连接连杆74具有通过传动装置73连接到输入部件72的第一端部741和连接到第一机械腿部组件3的第一髋部接头34的第二端部742。

第二连接连杆75相对于支撑件71旋转地安装。更确切地说，第二连接连杆75围绕与第二滑轮77的旋转轴线重合的旋转轴线753旋转地安装。第二连接连杆75具有通过传动装置73连接到输入部件72的第一端部751和连接到第二机械腿部组件4的第二髋部接头44的第二端部752。

第一线缆78将输入部件72连接到第一滑轮76，同时该第一线缆将自身支撑在第一滑轮76的圆周表面762上。第三线缆88将第一滑轮连接到第一连接连杆74，同时该第三线缆将自身支撑在第一滑轮76的圆周表面764和第三滑轮86的圆周表面862上。

更确切地说，第一线缆78具有第一端部781和第二端部782，该第一端部781附接到输入部件72的第一端部724，该第二端部782附接到第一滑轮76的第一圆周表面762。

第三线缆88具有第一端部881和第二端部882，该第一端部881附接到第一滑轮76的圆周表面764，该第二端部882附接到第一连接连杆74的第一端部741。

同样地，第二线缆79将输入部件72连接到第二滑轮77，同时该第二线缆将自身支撑在第二滑轮77的圆周表面772上。第四线缆89将第二滑轮77连接到第二连接连杆75，同时该第四线缆将自身支撑在第二滑轮77的圆周表面774和第四滑轮87的圆周表面872上。

更确切地说，第二线缆79具有第一端部791和第二端部792，该第一端部791附接到输入部件72的第二端部725，该第二端部792附接到第二滑轮77的圆周表面772。

第四线缆89具有第一端部891和第二端部892，该第一端部891附接到第二滑轮77的圆周表面774，该第二端部892附接到第二连接连杆75的第一端部751。

由于每个滑轮76(或者77)具有两个具有不同半径的圆周表面762和764(或者772和774)，因此传动装置73允许由第一线缆78(或者第二线缆88)施加的、传递到第三线缆88(或者传递到第四线缆89)的张力倍增。

这种构造允许获得特别紧凑的传动装置73。

在操作中，输入部件72在第一旋转方向(箭头d)上的旋转具有拉伸第一线缆78的作用。第一线缆78向第一滑轮76传递一种力，该力趋于使第一滑轮76相对于支撑部件71在第一旋转方向(箭头b)上围绕该第一滑轮的旋转轴线763枢转。

第一滑轮76在第一旋转方向上的旋转具有使第三线缆88缠绕在第一滑轮76上的作用。然而，由于圆周表面764的半径小于圆周表面762的半径，因此传递到第三线缆88的张力大于由第一线缆78施加的张力。

相反地，输入部件72在第二旋转方向(箭头e)上的旋转具有拉伸第二线缆79的作用。第二线缆79向第二滑轮77传递一种力，该力趋于使第二滑轮77相对于支撑部件71在第二旋转方向(箭头c)上围绕该第二滑轮的旋转轴线773枢转。

第二滑轮77在第二旋转方向上的旋转具有使第四线缆89缠绕在第二滑轮77上的作用。然而，由于圆周表面774的半径小于圆周表面772的半径，因此传递到第四线缆89的张力大于由第二线缆79施加的张力。

正如第一实施例中那样，在行走周期期间，载荷交替地传递到第一机械腿部组件3和第二机械腿部组件4。由于所提出的连接装置7，载荷始终传递到与地面接触的机械腿部组件3或机械腿部组件4。另一个机械腿部组件仅支撑减小比例的载荷，使得使用者可以容易地抬起相应的腿。