专利名称：一种背包内嵌式无动力机械外骨骼的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械结构、运动生理学技术领域，特别涉及对无动力机械外骨骼的改进设计。
背景技术：
机械外骨骼(以下简称外骨骼)是一套直接装备在人体上的机械装置，通常包含上肢结构和下肢结构。使用者将其穿戴在身上后，外骨骼可以起到支撑人体或负载重量以及辅助人体运动的作用。因其好似人体外部的骨骼，因此称之为机械外骨骼。外骨骼按其工作方式是否使用能源，可分为有动力外骨骼和无动力外骨骼。两者在系统构成方面的异同在于两者都有类似的上下肢机械结构，但有动力外骨骼还使用电池供电，且有气动、液压驱动或者电机驱动的执行机构，而无动力外骨骼不使用电池以及上述三种驱动方式，是纯机械结构。在功能方面，两种类型的外骨骼依靠类似的上下肢机械结构，都能起到支撑背负重物，为肩膀减负的功能。但有动力外骨骼还能通过由电源驱动的执行机构带动人体腿部的摆动，达到腿部助力的功能，无动力外骨骼由于没有电源和执行机构，因此无法实现腿部助力的功能。总而言之，无动力外骨骼是有动力外骨骼的简化版。通过网络搜索，找到了与本技术方案最接近的一个方案“卸力背包架”，发明人欧阳俊，来源BTV青少频道《北京青年》栏目2009年12月报道、《京华时报》2009年11月报道。这个方案是纯机械结构的外骨骼，没有电源和执行机构，故属于无动力外骨骼。这套外骨骼的上肢结构是一个带有两根背带的支撑架，使用者可以将其背在肩膀上，从而将上肢结构固定在使用者的背部，而后再将任意的装有大量重物的外置背包挂在该支撑架上。下肢结构由四根金属杆和两个鞋底构成，金属杆两两一对，两杆的长度分别和人的大小腿相近，称为大腿金属杆和小腿金属杆，两杆头尾相连且中间连接处用螺栓连接，可以转动。两杆中部分别用捆扎带和使用者的大小腿绑住，使得金属杆固定在人的腿部，随着人腿部的运动而运动。小腿金属杆底端和鞋底相连，使用者的脚部(穿着鞋子)踩在这个鞋底上，鞋底上有捆扎带用于固定使用者的脚部。上肢结构的底端和大腿金属杆的顶部利用横杆和螺栓连接。该技术方案有两个不足1)从功能上讲，该方案能够通过机械结构实现支撑外置背包负重，减轻肩膀受力的功能，但由于其是无动力外骨骼，无法实现辅助腿部运动的助力功能，这也是所有无动力外骨骼的通病。2)从结构上来说，该方案上肢结构中的支撑架和背带与外置背包存在冗余性，导致结构比较复杂，不够轻便。
实用新型内容本实用新型的目是为克服已有技术的不足之处，设计了一种背包内嵌式无动力机械外骨骼，能在保持无动力的条件下，像有动力外骨骼一样兼具肩膀减负和腿部助力功能。 并且将外置背包和上肢结构合二为一，具有整体结构简单，体积小，便于携带的优点。本实用新型设计的一种背包内嵌式无动力机械外骨骼，主要由上肢结构和下肢结构所组成，其特征在于，所述上肢结构包括有两根背带的双肩背包，连接在双肩背包内靠近背带一侧的两个条形口袋，以及两根上肢金属支撑杆，该两根上肢金属支撑杆插入两个条形口袋中并穿出背包的底部；所述下肢结构由相同结构的两套下肢组成，每套下肢包括大腿金属杆、小腿金属杆、鞋底和捆扎带，以及将大腿金属杆、小腿金属杆、鞋底依次连接成一体的连接件；还包括连接在上肢结构和下肢结构之间的两根软管。所述每套下肢还可包括一段弹簧，该弹簧的两端分别固定在大腿金属杆和小腿金属杆的中部。所述连接件可包括将大腿金属杆和小腿金属杆连接在一起的膝盖处螺栓和将鞋底连接在小腿金属杆底部的脚踝处螺栓。所述捆扎带可包括连接在大腿金属杆上的腿部捆扎带和连接在鞋底上的足部捆扎带。本实用新型的特点及效果传统的外骨骼使用时需额外的外置背包来装载物品，而后挂在外骨骼的上肢结构上。而在本设计中，支撑杆内嵌在背包中，因此上肢结构和背包合二为一，使用时无需外置背包，结构更简洁，更具有便捷性。在上述结构的基础上，还可通过弹簧结构，将被动行走原理应用到无动力外骨骼中，实现了有动力外骨骼中才有的腿部助力功能。
图1为本实用新型的结构侧面示意图。图2为本实用新型的结构正面示意图。图3为使用本实用新型时腿部弹簧压缩和伸长的示意图。
具体实施方式
本实用新型设计的一种背包内嵌式无动力机械外骨骼结合附图及实施例详细说明如下本实用新型主要由上肢结构和下肢结构所组成，如图1、2所示，上肢结构包括有两根背带2的双肩背包1、两个条形口袋3、上肢金属支撑杆4 ；下肢结构包括大腿金属杆6、 腿部捆扎带7、膝盖处螺栓8、小腿金属杆9、弹簧10、脚踝处螺栓11、足部捆扎带12和足型橡胶鞋底13，以及连接上肢结构和下肢结构的软管5 ；上肢结构中两个条形口袋3缝制在双肩背包1内靠近背带2 —侧，该条形口袋上端封住，下端开口，该条形口袋下端口下的背包底部开有两个洞；上肢支撑金属杆塞入其中，并且上肢支撑杆的下端伸出洞口(可伸出约 5cm)。下肢结构中大腿金属杆6和小腿金属杆9用膝盖处螺栓8连接，大腿金属杆在上，小腿金属杆在下，形成两对大小腿金属杆；腿部捆扎带7连接在大腿金属杆底部，用于与人的膝盖固定；两根弹簧10的两端分别固定在两根大腿金属杆和小腿金属杆的中部，使用时弹簧可根据人腿迈步情况进行压缩和伸长，如图3所示；两个橡胶鞋底13 (可采用足型形状) 分别与小腿金属杆的底部用脚踝处螺栓11相连，鞋底上连有足部捆扎带12，用于固定使用者的脚部。上肢结构位于下肢结构的上方，软管5 (可采用S型柔性金属编织软管)的两端分别套接在上肢结构中两根支撑金属杆的底端和大腿金属杆的顶端。[0019]本实用新型的工作原理及效果说明如下1)肩膀减负——在背包中放入大量物品，产生较大的负重。在重力作用下，背包会下坠。此时金属支撑杆起到支撑作用，将背包往上顶。因此，物品的负重将会作用到金属支撑杆上，导致其下压。通过S型金属编织软管的传递，金属支撑杆上的负重压力传递到大腿金属杆上，再往下传递到小腿金属杆和鞋底。因此，物品的负重通过一层一层的传递直到地面，由地面提供对其的支持力，支撑了背包重量，减轻了使用者的肩膀负担，使用者在此过程中只需保持前后平衡即可。2)腿部助力——主要基于被动行走原理。被动行走是双足步行机器人中的一种理论，主要研究人体的行走过程和如何用机械结构模拟出这个过程。根据被动行走原理，在人体行走过程中，前腿每次着地时，会有一定冲力，这个冲力在人体负重或奔跑时会大大增加。在这个冲力的作用下，人的大小腿会折叠弯曲。由于大腿金属杆和小腿金属杆固定在人的大小腿上，它们也会折叠，连接着两杆的弹簧会在冲力的作用下压缩储能。当该腿变为后腿，准备往前迈步时，就需要伸直，以提高身体重心，以重力势能补充人体行走中消耗的动能。在腿部伸直的过程中，弹簧也同时伸长，与腿部肌肉同时释放能量，此时正是人体运动需要补充能量的时候，因此弹簧在这个最需要能量的时候补充了能量，减少了使用者的腿部肌肉在这方面的能量消耗，相当于代替了一部分腿部肌肉的作用，从而实现了腿部助力功能。直观上讲，腿部助力的效果是使用者在行走时，腿部肌肉的发力减小，感觉更加轻松。弹簧的作用除了腿部助力外，也能起到缓冲器的作用，减小了人体膝盖受到的压力。
权利要求1.一种背包内嵌式无动力机械外骨骼，主要由上肢结构和下肢结构所组成，其特征在于，所述上肢结构包括有两根背带的双肩背包，连接在双肩背包内靠近背带一侧的两个条形口袋，以及两根上肢金属支撑杆，该两根上肢金属支撑杆插入两个条形口袋中并穿出背包的底部；所述下肢结构由相同结构的两套下肢组成，每套下肢包括大腿金属杆、小腿金属杆、鞋底和捆扎带，以及将大腿金属杆、小腿金属杆、鞋底依次连接成一体的连接件；还包括连接在上肢结构和下肢结构之间的两根软管。
2.如权利要求1所述的无动力机械外骨骼，其特征在于，所述每套下肢还包括一段弹簧，该弹簧的两端分别固定在大腿金属杆和小腿金属杆的中部。
3.如权利要求1所述的无动力机械外骨骼，其特征在于，所述连接件包括将大腿金属杆和小腿金属杆连接在一起的膝盖处螺栓和将鞋底连接在小腿金属杆底部的脚踝处螺栓。
4.如权利要求1所述的无动力机械外骨骼，其特征在于，所述捆扎带包括连接在大腿金属杆上的腿部捆扎带和连接在鞋底上的足部捆扎带。
专利摘要本实用新型涉及一种背包内嵌式无动力机械外骨骼，属于机械结构、运动生理学技术领域，由上肢结构和下肢结构所组成，上肢结构包括有两根背带的双肩背包，连接在双肩背包内靠近背带一侧的两个条形口袋，以及插入两个条形口袋中并穿出背包的底部的两根上肢金属支撑杆；下肢结构由相同结构的两套下肢组成，每套下肢包括大腿金属杆、小腿金属杆、鞋底和捆扎带，以及将大腿金属杆、小腿金属杆、鞋底依次连接成一体的连接件；还包括连接在上肢结构和下肢结构之间的两根软管。本实用新型能在保持无动力的条件下，像有动力外骨骼一样兼具肩膀减负和腿部助力功能。并且将外置背包和上肢结构合二为一，具有整体结构简单，体积小，便于携带的优点。
文档编号A45F3/08GK202036370SQ20112009118
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者徐迪 申请人:徐迪