一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼

本发明涉及智能设备技术领域，具体涉及一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼。

背景技术：

外骨骼助力机器人是穿戴在人身上，为人体在运动过程中提供助力的的设备。目前，在多个领域有了长足的发展。在军事领域，可以增加士兵的负重，减缓士兵因武器装备过多引起的负担，缓解士兵压力。在民用领域，兴起了多种外骨骼，广泛应用于旅游、登山、救灾，大大提高了人们应对各种灾难处理的能力。在医疗康复领域，康复型外骨骼机器人帮助偏瘫患者行走并康复，也可以帮助残疾人、老年人行走，使他们逐渐的恢复生理机能。

外骨骼技术在各个国家中得到了广泛的关注。目前比较有名的是美国加州大学伯克利分校bleex下肢助力外骨骼，美国雷神公司研制的xos系列外骨骼，日本筑波大学研制的hal系列外骨骼。这些外骨骼都是主动式的外骨骼，有比较大的重量，并且体积比较庞大，人穿戴起来比较麻烦。并且涉及到控制系统，整个系统比较复杂，能源利用率比较低，同时系统也存在着供电不足的情况，外骨骼装备的续航能力差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼，用以解决助力型下肢外骨骼穿戴不便、体积大和能量利用率低的问题。

本发明提供一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼，包括腰部支架、髋关节储能装置、髋膝关节连接杆、髋膝关节顶杆、膝关节储能装置、小腿支架、腰带、大腿绑带、小腿上绑带和小腿下绑带；所述腰带和所述大腿绑带之间有所述髋关节储能装置，所述大腿绑带与所述小腿上绑带之间设置有所述膝关节储能装置。

所述腰带与所述髋关节储能装置通过所述腰部支架连接；所述腰带穿过所述腰部支架的两个槽与人体绑在一起；所述腰部支架的底端通过螺钉与所述髋关节储能装置固定连接；所述髋关节储能装置和所述膝关节储能装置之间有所述髋膝关节顶杆和所述髋膝关节连接杆；所述髋膝关节顶杆在所述髋关节储能装置和所述膝关节储能装置之间上下移动；所述髋膝关节连接杆与所述髋关节储能装置和所述膝关节储能装置固定连接；为了适应不同人体的高度差异和增加连接的坚固性，所述的髋膝关节顶杆和所述的髋膝关节连接杆具有通过齿条调节长短的功能；所述大腿绑带与所述膝关节储能装置固定连接；所述小腿上绑带和所述膝关节储能装置固定连接；所述小腿上绑带与所述小腿下绑带之间有所述小腿支架，所述小腿支架的上部与所述膝关节储能装置固定连接；所述小腿下绑带与所述小腿支架的下部固定连接。

所述髋关节储能装置内部包括髋关节前盖、髋关节凸轮、棘爪、触指弹簧、触指弹簧轴、直线轴承、髋关节弹簧、髋关节底端等；所述腰带与所述髋关节凸轮通过所述腰部支架连接，所述腰部支架的底端通过螺钉与所述髋关节凸轮固定连接；所述髋关节前盖能绕所述髋关节凸轮的中心旋转，所述髋关节弹簧安装在所述髋关节前盖内部，大腿带动所述髋关节前盖向后摆动时，所述髋关节凸轮能压缩所述髋关节弹簧储能，在此过程中，所述髋关节凸轮与所述棘爪摩擦并克服安装在所述棘爪和所述髋关节前盖之间的小扭簧的扭矩使所述棘爪发生偏转，所述触指弹簧安装在所述棘爪内部。通过设计所述髋关节凸轮轮廓，使所述髋关节凸轮与所述髋关节弹簧在所述髋关节前盖与所述髋关节凸轮呈90°时开始接触，因此人穿戴外骨骼后所述髋关节储能装置会有能量存储在里面。所述直线轴承安装在所述髋关节前盖中，所述髋膝关节顶杆的上端在所述直线轴承中上下移动，所述髋膝关节连接杆的上端与所述髋关节前盖固定连接，所述髋关节底端安装在所述髋关节前盖下端对所述髋关节弹簧施加预紧力。

所述膝关节储能装置包括膝关节前盖、膝关节后盖、膝关节凸轮、膝关节扭簧、大轴承、小轴承、侧向轴承、两轴承连接片、膝关节铜套、连接件—正面和连接件—背面等；所述膝关节前盖可绕所述膝关节凸轮的中心转动，所述膝关节后盖可绕所述膝关节凸轮的中心转动，所述膝关节扭簧的一端限制在所述膝关节凸轮的槽里，膝关节扭簧的另一端限制在所述膝关节前盖的槽里；所述膝关节凸轮的外表面与所述大轴承表面接触，内表面与所述小轴承表面接触，所述大轴承与所述小轴承之间用所述两轴承连接片固定连接，所述侧向轴承可在所述膝关节后盖的槽内上下移动，起到“导向”作用，减小摩擦；所述膝关节铜套安装在所述膝关节后盖中，所述髋膝关节顶杆的下端在所述膝关节铜套中上下移动，所述髋膝关节连接杆与所述膝关节后盖固定连接，所述髋膝关节顶杆与所述大轴承通过所述连接件—正面、连接件—背面和两轴承连接件固定连接，所述小腿支架的上端与所述膝关节前盖的底端固定连接。

当人的膝关节弯曲时，膝关节带动所述膝关节前盖旋转，所述膝关节前盖的旋转带动所述膝关节扭簧旋转，所述膝关节扭簧的旋转带动所述膝关节凸轮旋转，所述膝关节凸轮的旋转向上顶所述大轴承使其向上下移动，所述大轴承带动所述髋膝关节顶杆上下移动；所述髋膝关节顶杆在适宜时机与所述髋关节储能装置的棘爪“顶死”；当人的膝关节伸直时，所述凸轮的旋转向下拉所述小轴承使其上下移动，所述小轴承带动所述髋膝关节顶杆上下移动。

本发明的有益效果是：

本发明依据人体在单个周期内的步态规律设计了一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼，在人体运动过程中，通过髋膝关节配合，使得髋关节储能装置和膝关节储能装置在合适的时机储存能量，在合适的时机释放能量，并使整个设备与人体步态相协调，帮助人体行走，提高了能量利用率。

附图说明

图1是本发明提供的被动式储能下肢外骨骼设备整体结构示意图；

图2是本发明提供的髋关节储能装置的正视图；

图3是本发明提供的髋关节储能装置除去髋关节前盖的轴侧图；

图4是本发明提供的棘爪与髋关节前盖之间内部的安装爆炸图；

图5是本发明提供的髋关节底端与髋关节前盖之间内部的安装爆炸图；

图6是本发明提供的髋膝关节连接杆的结构示意图；

图7是本发明提供的髋膝关节顶杆的结构示意图；

图8是本发明提供的膝关节储能装置的轴侧图；

图9是本发明提供的膝关节储能装置移动机构的爆炸图；

图10是本发明提供的膝关节储能装置转动机构的爆炸图。

具体实施方式

本发明提供一种髋膝耦合的被动型储能助力外骨骼，下面对其结构进行详细描述。

如图1所示，该被动式储能下肢外骨骼设备包括腰部支架1，髋关节储能装置2，髋膝关节连接杆3，髋膝关节顶杆4，膝关节储能装置5，小腿支架6，腰带7，大腿绑带8，小腿上绑带9，小腿下绑带10。

腰带7穿过腰部支架1顶部的两个槽绑在人的腰上，腰部支架1的底部通过螺栓与髋关节储能装置2固定连接，髋关节储能装置2位于腰带7和大腿绑带8之间，髋膝关节连接杆3与髋关节储能装置2和膝关节储能装置5固定连接，髋膝关节顶杆4可在髋关节储能装置2和膝关节储能装置5中上下移动，膝关节储能装置5位于大腿绑带8和小腿上绑带9之间，小腿支架6位于小腿上绑带9和小腿下绑带10之间。

参考图2和图3，腰部支架1的底部通过螺栓与髋关节凸轮22固定连接，髋关节前盖21和髋关节凸轮22通过轴承连接，保证了髋关节前盖21和髋关节凸轮22之间的旋转自由度，棘爪23通过螺栓与髋关节前盖21固定连接，并且棘爪23可绕髋关节前盖21旋转，直线轴承24固定在髋关节前盖21中，滚动轴承26安装在滚轮连接杆25上，并可绕滚轮连接杆25的轴旋转，滚轮连接杆25的下面同时连接髋关节推杆27，由滚动轴承26、滚轮连接杆25和髋关节推杆27组成的机构可以在髋关节前盖21中上下移动，髋关节底端29在髋关节前盖21的底端与髋关节前盖21固定连接，髋关节弹簧28放置在髋关节推杆27和髋关节底端29之间。

参考图4，触指弹簧23-2安装在触指弹簧轴23-3上，棘爪23-1套在触指弹簧轴23-3上，在棘爪23-1和髋关节前盖21之间安装小扭簧23-4，小扭簧23-4的一端放置在棘爪23-1的槽内，另一端放置在髋关节前盖21凹陷处，小扭簧23-4的存在使得棘爪23-1能够复位。

参考图5，髋关节底端固定块29-2与髋关节前盖21固定连接，预紧力调节29-1放置在髋关节前盖21内部并在髋关节底端固定块29-2的上面，髋关节弹簧28放置在预紧力调节29-1的上面，通过扭转旋钮29-3穿过髋关节底端固定块29-2顶住预紧力调节29-1，使其能够上下移动，因此对髋关节弹簧28进行预紧。

人体行走过程中的髋部运动与倒立摆类似，当脚尖离开地面时，大腿后摆到后极限位置，当脚跟刚刚着地时，大腿前摆到前极限位置。在后摆过程中，大腿相对于人体躯干一直向后运动，并带动髋关节前盖21旋转，髋关节凸轮22压缩髋关节弹簧28储能，并且与棘爪23-1相互摩擦，产生的摩擦力形成的力矩克服棘爪23-1与髋关节前盖21之间的小扭簧23-4的扭矩使棘爪23-1发生转动，触指弹簧23-2的存在对髋关节凸轮22和棘爪23-1之间的接触力起到一个“缓冲”的作用。通过设计髋关节凸轮22轮廓，使髋关节凸轮22与髋关节弹簧28在髋关节前盖21与髋关节凸轮22呈90°时开始接触，因此人穿戴外骨骼后髋关节储能装置2会有能量存储在里面。当人的大腿刚开始前摆时，棘爪23-1和髋关节凸轮22处于不接触的状态，小扭簧23-4的存在也使得棘爪23-1能够回到最初开始的位置，随后棘爪23-1和髋关节凸轮22接触，但是产生的摩擦力促使棘爪23-1在原始位置保持不变。在向前摆动过程中，脚尖离开地面，此时在髋关节储能装置2内部储存的能量将会释放，对大腿助力辅助大腿向前摆动，人体的一个步态周期完成。

参考图6，为了解决人体穿戴外骨骼行走时髋关节储能装置2和膝关节储能装置5相对位置发生变动的问题，设计出髋膝关节连接杆3，其包括髋关节引出杆31和齿条一32两部分，髋关节引出杆31与髋关节前盖21固定连接，并且通过齿条一32与膝关节后盖51固定连接，能适应不同的人体高度。

参考图7，髋膝关节顶杆4包括髋关节固定碳纤维41、大腿杆42、齿条二43和膝关节顶杆44，髋关节固定碳纤维41和大腿杆42通过螺栓连接，为了适应不同人体的高度和满足不同人的步态差异，膝关节顶杆44和大腿杆42之间通过齿条二43固定连接，提高承力性能。髋膝关节顶杆4可在髋关节前盖21和膝关节后盖51中上下移动。髋膝关节顶杆4的存在使得髋关节储能装置2和膝关节储能装置5能够联动起来。

参考图8和图9，膝关节铜套55固定在膝关节后盖51中，膝关节顶杆44能在膝关节铜套55内上下移动，膝关节顶杆44的下端与大轴承52-3通过连接件-正面52-1、连接件-背面52-5、两个轴承连接件52-6经过螺钉固定连接，膝关节凸轮53的外表面与大轴承52-3接触，膝关节凸轮53的内表面与小轴承52-2接触，大轴承52-3和小轴承52-2通过两个轴承连接件52-6连接在一起，两个轴承连接件52-6与相邻零件存在间隙，可以围绕连接件-背面52-5的轴旋转，因此，膝关节凸轮53的旋转运动能够转化为膝关节顶杆44的上下平移运动，侧面轴承52-4安装在连接件-背面52-5上，并且可在膝关节后盖51的槽内上下移动，起到“导向”作用，减小摩擦；膝关节前盖54和膝关节凸轮53以及膝关节后盖51和膝关节凸轮53之间存在相互转动，这两个旋转自由度是同轴的，在膝关节前盖54和膝关节凸轮53之间安装膝关节扭簧56。

参考图10，膝关节凸轮53和膝关节前盖54通过轴承连接，保证旋转自由度，膝关节扭簧56的一端放置在膝关节凸轮53的槽里，另一端放置在膝关节前盖54的槽里，膝关节凸轮53和膝关节后盖51也通过轴承连接。在膝关节凸轮53上，有一个预紧螺钉57，首先对膝关节扭簧56进行预紧，可以通过拧入预紧螺钉57使膝关节扭簧56预紧的能量保持住，预紧螺钉57的另一端与膝关节前盖54的凸台顶住。

人的膝关节在弯曲的时候，会带动膝关节前盖54旋转，膝关节前盖54带动膝关节扭簧56转动，膝关节扭簧56带动膝关节凸轮53转动，膝关节凸轮53的旋转会使髋膝关节顶杆4上下移动，进而在适宜的时间与棘爪23-1“顶死”或者“脱离”，因此膝关节扭簧56的工作状态就会发生切换。

人的脚尖着地时，人的大腿开始向后摆，髋关节凸轮22与棘爪23-1摩擦迫使棘爪23-1偏转，与此同时，人的膝关节开始弯曲，经过带动膝关节前盖54、膝关节扭簧56和膝关节凸轮53，使得髋膝关节顶杆4向上移动，与棘爪23-1“顶死”，人的膝关节继续弯曲，膝关节扭簧56开始储能，膝关节弯曲到最大的时候，膝关节扭簧56储存的能量最大。然后膝关节渐渐伸直，膝关节扭簧56释放能量，对人体实现助力。膝关节伸直时，髋膝关节顶杆4与棘爪23-1脱离，棘爪23-1此时与髋关节凸轮22不接触，在小扭簧23-4的作用下复位，意味着髋关节储能装置2和膝关节储能装置5脱离。人的脚离地，大腿开始往前摆，棘爪23-1和髋关节凸轮22接触，但是产生的摩擦力促使棘爪23-1在原始位置保持不变.同时，膝关节进行大幅度的角度变化，但是由于此时髋膝关节顶杆4与棘爪23-1脱离，所以，膝关节扭簧56不起作用，不对人体的摆动期产生阻碍。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。