无源下肢外骨骼的助力装置

1.本实用新型涉及一种无源下肢外骨骼的助力装置，属于被动下肢外骨骼技术领域。


背景技术：

2.下肢外骨骼技术的本质是一种并联穿戴于人体外侧，并在伴随人体运动的过程中起到实时增强人体力量与耐力的机械装置，特别是二十世纪九十年代以来，外骨骼技术发展迅猛，国内外许多大学和研究机构都在从事下肢外骨骼技术的研究。考虑到目前主动式下肢外骨骼受到当代电池能量储存密度的制约而产生的续航能力问题，以及控制技术的精度不高而对正常人体下肢运动产生干涉的问题。目前对于拥有自主行动能力的健康人而言，无源下肢外骨骼无异于是最佳的选择。从本质上而言，无源外骨骼通过利用被动弹性元件(扭簧、直簧或气弹簧等)的压缩抗性完成对人体负功的回收，并在元件变形恢复、释放能量的过程中完成对人体的助力。根据能量守恒定律，无源外骨骼的能源最终来源于人体，其本质用途是实现人体能量的更加合理化分配。
3.目前被动下肢外骨骼的主要研究方向在于辅助人体下肢分担背部负载，对于有负重需求的人群而言有一定的助力效果，但产品的应用人群较为针对，对常人而言在日常生活中负重的状况是相对较少的，更多外骨骼的应用环境是小负载下人体下肢的关节运动，从本质上而言就是对下肢外骨骼向人体下肢关节的助力提出要求。考虑到下肢外骨骼的能源最终来源于人体本身，回收下肢关节运动时的关节负功用以补偿后续关节运动所需的关节正功是一个容易实现的设计方案，对于髋关节这种大幅运动的下肢关节对此提供了良好的应用基础，但对与膝关节在支撑期内的小幅运动而言就足以为人体提供足够的助力。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种无源下肢外骨骼助力装置，该装置中的髋关节机构利用凸轮副行程与弹簧的压缩量相互转化的方式实现人机间能量的储存和转移，利用外骨骼大腿杆实现人机间的能量交互。
5.为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
6.一种无源下肢外骨骼助力装置，包括如下部件：
7.腰板；
8.髋关节机构，包括髋关节凸轮、髋关节端盖、直簧和髋关节固定端，所述髋关节凸轮装配于所述髋关节端盖的上端，所述髋关节凸轮通过端面轴承与所述腰板相接触，所述直簧与所述髋关节端盖的下端转动连接，所述直簧的下端与所述髋关节固定端连接；
9.外骨骼大腿，所述外骨骼大腿的上端与所述髋关节端盖连接；
10.膝关节储能机构，包括膝关节组件、弹性杆和脚部组件，所述弹性杆的上端与所述膝关节组件连接，所述弹性杆的下端与所述脚部组件连接，所述膝关节组件与所述外骨骼大腿的下端连接，所述膝关节储能机构用于存储和释放人体在行走过程中的重力势能；
11.外骨骼小腿，所述外骨骼小腿的上下两端分别与所述膝关节组件、所述脚部组件连接。
12.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述髋关节机构还包括滚子连接杆、直簧压缩件和直簧调节件，所述滚子连接杆的上端通过髋关节滚子轴承与所述髋关节端盖的下端连接，所述滚子连接杆的下端与所述直簧压缩件的上端连接，所述直簧压缩件的下端与所述直簧的上端连接，所述直簧调节件装配于所述直簧和所述髋关节固定端之间，所述髋关节凸轮和所述髋关节滚子轴承共同做出凸轮副。
13.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述膝关节组件包括膝关节外端盖以及与其连接的膝关节内端盖，二者之间形成空腔，空腔内装配有深沟球轴承、凸轮、扭簧和扭簧外侧件，所述深沟球轴承和所述凸轮共同组成旋转副，所述凸轮与所述外骨骼大腿的下端连接。
14.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述脚部组件包括直线轴承包裹件、脚底推杆和直线轴承，所述脚底推杆的上端通过踝关节接口与所述弹性杆的下端连接，所述直线轴承环套在所述脚底推杆的下端并组成圆柱副，所述脚底推杆的下端与所述直线轴承包裹件连接，所述弹性杆的下端与所述直线轴承包裹件连接。
15.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述脚部组件还包括鞋套，所述鞋套通过关节轴承与所述外骨骼小腿连接，所述外骨骼小腿的上端与所述膝关节外端盖的下端连接，所述外骨骼小腿的下端与所述鞋套连接。
16.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述弹性杆的上端通过膝关节接口与所述扭簧外侧件连接，所述膝关节接口通过圆柱销铰接于所述扭簧外侧件的下端。
17.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述髋关节端盖上还设置有大腿杆包裹件，用于与所述骨骼大腿连接。
18.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述脚部组件还包括地面接触圆饼，所述地面接触圆饼装配于所述直线轴承包裹件的下端。
19.所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述外骨骼大腿还包括大腿部固定件，所述大腿部固定件上设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将所述外骨骼大腿与人体的大腿捆绑在一起；
20.所述外骨骼小腿还包括小腿部固定件，所述小腿部固定件上亦设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将所述外骨骼小腿与人体的小腿捆绑在一起。
21.基于上述无源下肢外骨骼的助力装置，本实用新型还提供该装置的助力方法，包括如下步骤：
22.所述髋关节机构通过所述凸轮的行程与所述扭簧的压缩量相互转化的方式实现人机间的能量交互和髋关节处关节负功向关节正功的回收和转化，具体地，当支撑腿的髋关节逐渐相对人体向后旋转的过程中，所述髋关节凸轮通过所述滚子连接杆和所述直簧压缩件压缩所述直簧实现对髋关节处关节负功的回收，当支撑腿的髋关节逐渐相对人体向前旋转的过程中，所述直簧通过所述滚子连接杆和所述直簧压缩件的反作用并促进所述髋关节凸轮的旋转以实现对于髋关节处关节正功的转化；
23.所述膝关节储能机构利用足底约束的形式实现工作期与支撑期和摆动期的分割，具体地，当足部在支撑期内与地面逐渐接触时，所述脚底推杆受到地面的作用而相对人体
小腿向上运动，通过所述弹性杆和所述扭簧外侧件实现对所述扭簧的预紧，并最终实现对所述扭簧一端的约束，当人体进入摆动期时，所述脚底推杆失去地面的约束，丧失对所述扭簧的一端固定作用；
24.所述膝关节储能机构利用所述扭簧的反复变形实现支撑腿的膝关节处关节负功向关节正功的提取和转化，具体地，所述扭簧在支撑期内与所述扭簧外侧件的约束端被固定，伴随膝关节在支撑期内屈曲角度的增加，所述扭簧在外骨骼大腿的约束下被压缩以储存膝关节的关节负功；伴随膝关节在支撑期内屈曲角度的减小，外骨骼大腿逐渐减小对所述扭簧的约束，所述扭簧在此过程中促进膝关节大腿的旋转并向膝关节提供关节正功。
25.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
26.1、本实用新型中的髋关节机构利用凸轮幅行程与弹簧的压缩量相互转化的方式实现人机间能量的储存和转移，利用大腿杆实现人机间的能量交互。
27.2、本实用新型中弹性杆的压缩量可调，因人而异调节膝关节的助力效果，膝关节储能机构能够回收支撑腿落地时下降的重力势能并在支撑腿离地时助力。
28.3、本实用新型装置结构简单，设计方法简单可靠，应用基础广泛，对人群具有普适性；创新性的融合动力外骨骼和无源外骨骼的优点。
29.4、本实用新型实现了对人体进入支撑期时所降低的部分重力势能的回收及释放，对人体下肢运动具有明显的助力效果，具有广泛的商业化前景。
附图说明
30.图1为本实用新型一实施例提供的无源下肢外骨骼的助力装置示意图；
31.图2为本实用新型该实施例提供的髋关节部件的结构示意图；
32.图3为本实用新型该实施例提供的膝关节部件的结构示意图；
33.图4为本实用新型该实施例提供的一个步态周期范围内人体髋关节的运动曲线及其相应关节能耗效率的变化曲线图；
34.图5为本实用新型该实施例提供的膝关节助力装置的能量来源及其转化方向示意图；
35.图6为本实用新型该实施例提供的一个步态周期范围内人体膝关节的运动曲线及其相应关节能耗效率的变化曲线图；
36.图中各标记如下：
37.1-腰板；2-髋关节机构；3-外骨骼大腿,301-大腿部固定件；4-膝关节组件；5-弹性杆；6-外骨骼小腿，601-小腿部固定件；7-脚部组件；8-鞋套；9-端面轴承；10-髋关节凸轮；11-垫片；12-髋关节端盖；13-髋关节滚子轴承；14-滚子连接杆；15-直簧压缩件；16-直簧；17-直簧调节件；18-髋关节固定端；19-预紧力调节旋钮；20-大腿杆包裹件；21-踝关节接口；22-脚底推杆；23-直线轴承包裹件；24-地面接触圆饼；25-扭簧；26-深沟球轴承；27-膝关节内端盖；28-扭簧外侧件；29-膝关节外端盖；30-膝关节接口；31-凸轮；32-直线轴承；33-关节轴承。
具体实施方式
38.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型中的技术
方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
40.如图1所示，本实用新型所提供的无源下肢外骨骼助力装置，包括如下部件：腰板1；髋关节机构2，包括髋关节凸轮10、髋关节端盖12、直簧16和髋关节固定端 18，髋关节凸轮10装配于髋关节端盖12的上端，髋关节凸轮10通过端面轴承9与腰板1相接触，直簧16与髋关节端盖12的下端转动连接，直簧16的下端与髋关节固定端18连接；外骨骼大腿3，外骨骼大腿3的上端与髋关节端盖12连接；膝关节储能机构，包括膝关节组件4、弹性杆5和脚部组件7，弹性杆5的上端与膝关节组件4 连接，弹性杆3的下端与脚部组件7连接，膝关节组件4与外骨骼大腿3的下端连接，膝关节储能机构用于存储和释放人体在行走过程中的重力势能；外骨骼小腿6，外骨骼小腿6的上下两端分别与膝关节组件4、脚部组件7连接。
41.进一步地，如图2所示，髋关节机构2还包括滚子连接杆14、直簧压缩件15和直簧调节件17，滚子连接杆14的上端通过髋关节滚子轴承13与髋关节端盖12的下端连接，滚子连接杆14的下端与直簧压缩件15的上端连接，直簧压缩件15的下端与直簧16的上端连接，直簧调节件17装配于直簧16和髋关节固定端18之间，髋关节凸轮10和髋关节滚子轴承13共同做出凸轮副。
42.进一步地，如图3所示，膝关节组件4包括膝关节外端盖29以及与其连接的膝关节3端盖27，二者之间形成空腔，空腔内装配有深沟球轴承26、凸轮31、扭簧25和扭簧外侧件28，深沟球轴承26和凸轮31共同组成旋转副，凸轮31与外骨骼大腿3 的下端连接。
43.进一步地，如图3所示，脚部组件7包括直线轴承包裹件23、脚底推杆22和直线轴承32，脚底推杆22的上端通过踝关节接口21与弹性杆5的下端连接，直线轴承 32环套在脚底推杆22的下端并组成圆柱副，脚底推杆22的下端与直线轴承包裹件23 连接，弹性杆5的下端与直线轴承包裹件23连接。
44.进一步地，如图3所示，脚部组件7还包括鞋套8，鞋套8通过关节轴承33与外骨骼小腿6连接，外骨骼小腿6的上端与膝关节外端盖29的下端连接，外骨骼小腿6 的下端与鞋套8连接。
45.进一步地，如图3所示，弹性杆5的上端通过膝关节接口30与扭簧外侧件28连接，膝关节接口30通过圆柱销铰接于扭簧外侧件28的下端。
46.进一步地，如图2所示，髋关节端盖12上还设置有大腿杆包裹件20，用于与骨骼大腿3连接。
47.进一步地，如图3所示，脚部组件7还包括地面接触圆饼24，地面接触圆饼24 装配于直线轴承包裹件23的下端。
48.进一步地，如图1所示，外骨骼大腿3还包括大腿部固定件301，大腿部固定件 301上设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将外骨骼大腿3与人体的大腿捆绑在一起；
49.外骨骼小腿6还包括小腿部固定件601，小腿部固定件601上亦设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将外骨骼小腿6与人体的小腿捆绑在一起。
50.本实用新型第二方面还提供该无源下肢外骨骼助力装置的助力方法，包括如下步骤：
51.所述髋关节机构2通过所述凸轮31的行程与所述扭簧25的压缩量相互转化的方式实现人机间的能量交互和髋关节处关节负功向关节正功的回收和转化，具体地，当支撑腿的髋关节逐渐相对人体向后旋转的过程中，所述髋关节凸轮10通过所述滚子连接杆14和所述直簧压缩件15压缩所述直簧16实现对髋关节处关节负功的回收，当支撑腿的髋关节逐渐相对人体向前旋转的过程中，所述直簧16通过所述滚子连接杆14 和所述直簧压缩件15的反作用并促进所述髋关节凸轮10的旋转以实现对于髋关节处关节正功的转化；
52.所述膝关节储能机构利用足底约束的形式实现工作期与支撑期和摆动期的分割，具体地，当足部在支撑期内与地面逐渐接触时，所述脚底推杆22受到地面的作用而相对人体小腿向上运动，通过所述弹性杆5和所述扭簧外侧件28实现对所述扭簧25的预紧，并最终实现对所述扭簧25一端的约束，当人体进入摆动期时，所述脚底推杆 22失去地面的约束，丧失对所述扭簧25的一端固定作用；
53.所述膝关节储能机构利用所述扭簧25的反复变形实现支撑腿的膝关节处关节负功向关节正功的提取和转化，具体地，所述扭簧25在支撑期内与所述扭簧外侧件28 的约束端被固定，伴随膝关节在支撑期内屈曲角度的增加，所述扭簧25在外骨骼大腿的约束下被压缩以储存膝关节的关节负功；伴随膝关节在支撑期内屈曲角度的减小，外骨骼大腿逐渐减小对所述扭簧25的约束，所述扭簧25在此过程中促进膝关节大腿的旋转并向膝关节提供关节正功。
54.本实用新型的无源下肢外骨骼的助力装置，在无源下肢外骨骼的定义框架内融入动力外骨骼的助力思路，即谋求引入下肢关节力矩做功外的其它能量实现对人体下肢运动的助力，具体实现途径是回收腿部逐渐进入支撑期这一过程中所降低的重力势能，并助力于后续支撑腿膝关节的伸直运动。
55.具体地，髋关节机构2回收髋关节后伸时的关节负功并转移或补偿于髋关节前屈时的关节正功，髋关节机构2利用凸轮副行程与弹簧的压缩量相互转化的方式实现人机间能量的储存和转移，利用外骨骼大腿3实现人机间的能量交互。膝关节储能机构在摆动期保证不干涉人体膝关节的正常运动，在支撑期内助力于人体膝关节的屈/伸运动，具体过程是回收前述的重力势能和膝关节在支撑期内屈曲运动中的关节负功并转化或补偿于后续膝关节伸展运动中所需的关节正功。
56.膝关节储能机构的储能原理一部分包括对肢体下降重力势能部分的回收，其中具体的实现途径是将脚底推杆22的垂直位移量转化成扭簧25的弹性变形量，另一部分是利用进入支撑期后膝关节的后曲运动实现对关节负功的回收，以达到进一步储能的目的。最终支撑期内的整段前伸运动中完成对能量的释放以向补偿于人体膝关节在此区间内所需的关节正功，其中具体实现途径是利用膝关节屈曲角度与扭簧25弹性变形量相互转化的方式完成人机件能量的储存和转移。
57.从重力势能的转化途径考虑，固定扭簧25内端约束端和压缩扭簧25的外侧约束端实现对能量的回收，固定扭簧25的外侧约束端和逐渐解除扭簧25内测端的约束完成对人体的助力。
58.外骨骼小腿6的主要用途是完成膝关节储能机构的作用力传递，具体传递过程是：地面
→
脚底推杆22
→
踝关节接口21
→
弹性杆5
→
膝关节接口30
→
扭簧外侧件28
→
扭簧25
→
外骨骼大腿3
→
膝关节内端盖27
→
膝关节外端盖29
→
外骨骼小腿6
→
鞋套8
→
脚底。
59.如图4所示，关节能耗效率在整个步态周期内存在两次正负转化的节点，其中节点第一次出现的时间在髋关节后摆过程的中段点左右，第二个节点出现的时间点在髋关节后摆至极限位置时，最理想的转换原理是将两个节点之间的关节负功储存并转移至两端的关节正功，然而这需要对第一节点的位置要有明确的时间把握，否则会在第一节点前的部分时间内对人体造成额外的负担，然而事实上第一节点出现的时间因人而异，即使针对同一的人也会因步速的差别而不同，这显然是无法明确的未知因素，但是考虑到能量的守恒定律，取之于人体的能量最终要补偿于人体，对第一节点把握的时间误差并不会对人体能量造成额外的浪费，只是在助力阶段能够为人体提供更多的能量，因此本实用新型选择在整个髋关节后摆阶段储能能量，并在髋关节前摆时将能量反馈于人体。
60.如图6所示，对于下肢外骨骼膝关节而言与髋关节的设计有些不同，人体膝关节在摆动期主要承担的责任是完成小腿摆动以方便腿部迁移至下一步态的起始动作，在此过程中除了小腿完成单摆动作所需的少量力矩外并不承担其它负载，换句话说膝关节在摆动期的主要任务是完成相关运动而不是承担负载，因此在摆动期，本技术对下肢外骨骼的膝关节设计准则是保证不对人体膝关节的运动产生包括运动和外力等任何形式的干涉，在支撑期内，人体膝关节类似于髋关节，同样在前后摆动范围内各有一次正负力矩的更替节点，出于相同因素的考虑本实用新型将支撑期中段左右的正负力矩区域设为膝关节机构的工作区。
61.如图3所示，常人在正常步速下行走时,支撑腿的膝关节会以弯曲状态进入支撑期，当支撑腿的脚底逐渐触底时，弹性杆5在脚底推杆22的上移压迫下会通过扭簧外侧件 28约束端给予扭簧25一个顺时针的旋转变形，其本质意义是为膝关节的前伸运动创造了助力的基础。在膝关节初始进入支撑期后的后续后屈运动中，膝关节储能机构利用膝关节的屈曲角度和扭簧25的变形量相互转化的方式回收膝关节在运动过程中所相关的关节负功；当膝关节在支撑期内由初始的后屈运动转化为前伸运动，通过扭簧 25的变形量和膝关节的屈曲角度的反向转化，将上述储存的关节负功和人体丧失的部分重力势能补偿或转化为膝关节前伸过程中所需的关节正功。
62.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。