基于重力支撑的下肢助力外骨骼的制作方法

本发明涉及一种下肢助力外骨骼技术领域，具体涉及一种基于重力支撑的下肢助力外骨骼，能够实现不同蹲姿下的重力支撑。

背景技术：

不少行业的员工在很多时候都要进行长时间站立或者需要屈膝工作，这往往会给双脚以及膝关节带来不适进而影响工作效率，日积月累甚至会引发职业病。这些行业的员工通常都需要进行长时间的站立或者屈膝，但由于工作空间以及工作场合的原因，摆放传统座椅可能会造成一种障碍。

现有的外骨骼装置绝大部分是为人体提供行走的动力或者提高人体的外负重能力，其主要穿戴在人体身体两侧，无法满足对人体自身的重力支持，且现有外骨骼在工作过程当中需要外部动力源，动力源使整体的结构较为复杂，并且比较笨重。例如，专利文献“穿戴式外骨骼座椅(cn201410705631)”涉及的外骨骼座椅通过大腿和小腿的两个支架以及支架间的伸缩杆实现工人休息时的坐姿支持，该座椅通过关节连接环与小腿固定，其不足之处在于该装置膝部仅通过一个铰接进行连接，稳定性较差；其仅在小腿处有一连接环，在蹲下时小腿会和外骨骼发生较大错位。专利文献“一种坐式下肢外骨骼(cn201510384049)”涉及的坐式下肢外骨骼通过两腿间的座椅可以使人体能够随时坐在座椅上，并且通过电机的驱动，可以辅助人体行走，但是人体的坐姿支持是通过膝部的阻尼离合器实现的，因此当人体坐下时并不稳定，此外由于电机的原因使整体的复杂程度以及重量增加，不方便携带。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于重力支撑的下肢助力外骨骼。该外骨骼主要是针对需要长期站立或者需要屈膝才能正常工作，但因场合及工作环境等原因无法使用传统意义的椅子而设计，解决了人体因长期站立、屈膝时对脚部以及膝部的损害问题。在使用时，使用者只需要将其穿戴在身上，当双脚屈膝蹲下，外骨骼都会提供足够的支撑力，就好像一张无形的板凳一样，同时也不会影响使用者的正常走动，尤其适用于制造业、医院等需长时间站立的环境，具有广阔的应用前景。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于重力支撑的下肢助力外骨骼，包括腰部绑带、用于连接大腿与腰部的连接带和两条腿，两条腿的结构完全相同，每条腿的上部通过连接带与腰部绑带的相应位置固定连接；每条腿均包括大腿支撑部分、小腿支撑部分和脚部固定部分，三部分依次连接；大腿支撑部分与小腿支撑部分的连接处为膝关节，其特征在于：

所述大腿支撑部分包括支撑座、大腿副支撑、大腿主支撑和与大腿绑定的绑定带；所述支撑座固定在大腿主支撑的上表面，且支撑座的长度大于大腿主支撑，支撑座的后部与连接带的下部连接，支撑座与连接带连接的区域为使用者坐下时臀部的接触面；支撑座的中部设置有与大腿绑定的绑定带；所述大腿主支撑在膝关节处为开有通孔的凸行卡块，且在膝关节附近，大腿主支撑按照距离膝关节由远及近的方向厚度递增；所述大腿副支撑的上表面形状与大腿主支撑下表面形状相匹配，且与大腿主支撑的下表面固定连接；大腿副支撑的前端设有凹形卡槽，在凹形卡槽的左右两侧的大腿副支撑上均开有销轴安装孔；

所述小腿支撑部分包括安装有可控气弹簧的小腿副支撑、小腿主支撑和重力支撑杆；所述小腿主支撑的上端开有与大腿主支撑上的凸形卡块相配合的凹槽，通过销轴穿过该凹槽与凸形卡块上的通孔，将小腿主支撑与大腿主支撑连接；所述小腿副支撑上部设有用于安装可控气弹簧的空腔，下部设有用于安装重力支撑杆的重力支撑安装孔；可控气弹簧的下部与小腿副支撑中部的气弹簧螺栓孔通过螺栓固定；小腿主支撑的下表面与小腿副支撑的平面侧固定连接；所述可控气弹簧的上端设有圆角矩形槽，可控气弹簧上部与大腿副支撑上的凹形卡槽的形状相匹配，并通过销轴穿过大腿副支撑上的销轴安装孔、可控气弹簧上的圆角矩形槽将大腿副支撑与可控气弹簧连接在一起；所述重力支撑杆通过螺栓固定安装在小腿副支撑的下部，并在小腿副支撑的下部设有用于调节重力支撑杆长度的调节螺钉，调节螺钉固定在杆调节螺钉孔内；重力支撑杆上装有脚部固定部分。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明突出的实质性特点是：本发明在膝关节处使用的是一个铰接和一个可滑动的铰接，当人体下蹲时，形成了一个三角形的支撑，较为稳定。支撑元件使用的是可控气弹簧，可控气弹簧的工作原理是：未锁定时可以自由伸缩，当锁定时，气弹簧被固定在一个位置，从而完成支撑作用，可控气弹簧工作不需要外部动力，因此本申请不需要电机等外部动力。

本发明的显著进步是：

一.本发明采用可控气弹簧，不干涉人体的正常行走，同时采用手动控制气弹簧的工作进而达到随时随地地下蹲时的姿势支撑。本发明不需要外部的动力源，不仅能显著节省能源，同时也很大程度上减小了装备的体积以及重量。

二.本发明穿戴在人体下肢后部，可穿戴在人体衣服内，可以通过重力支撑杆调节小腿支撑部分的长度，从而适用不同的人群，同时大腿支撑部分是一个开放的结构，即大腿支撑部分与腰部绑带之间采用柔性连接，而不是刚性连接，不需要调整大腿结构的长度，更加人性化。当人体下蹲时能够起到很好的支撑作用，从而有效减轻人体疲劳。

三.利用腰部以及大腿部位的绑带以及脚部固定部分使该装置能够很好的将外骨骼与穿戴者固定，使用过程更加稳定。

四.本发明结构十分简便，整体重量小，方便穿戴和携带，穿上即可实现下蹲姿势的支持，并不需要复杂的操作，易于被使用者所接受。

附图说明

图1为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的立体结构示意图；

图2为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的单条腿的分解结构示意图；

图3为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的脚部固定部分与小腿支撑部分的安装结构示意图；

图4为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的膝关节处的安装结构示意图；

图5为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的连接带与腰部绑带和大腿支撑部分的连接结构示意图；

图6为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的大腿副支撑5的立体结构示意图；

图7为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的大腿主支撑6的立体结构示意图；

图8为本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼一种实施例的小腿副支撑8的立体结构示意图；

图9为图8的小腿副支撑的半剖视结构示意图；

图中，1.腰部绑带、2.连接带、3.支撑座、4.与大腿绑定的绑定带、5.大腿副支撑、6.大腿主支撑、7.可控气弹簧、8.小腿副支撑、9.小腿主支撑、10.侧面固定单元、11.重力支撑杆、12.脚面限定单元、13.脚底固定单元、601凸行卡块、602连接孔、501凹形卡槽、502销轴安装孔、801空腔、802重力支撑杆安装孔、803杆调节螺钉孔、804气弹簧螺栓孔、112固定块、111卡扣。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明基于重力支撑的下肢助力外骨骼(简称外骨骼，参见图1-4)包括腰部绑带1、用于连接大腿与腰部的连接带2和两条腿，两条腿的结构完全相同，每条腿的上部通过连接带2与腰部绑带1的相应位置固定连接；每条腿均包括大腿支撑部分、小腿支撑部分和脚部固定部分，三部分依次连接；大腿支撑部分与小腿支撑部分的连接处为膝关节，

其中大腿支撑部分包括支撑座3、大腿副支撑5、大腿主支撑6和与大腿绑定的绑定带4；所述支撑座3固定在大腿主支撑6的上表面，且支撑座3的长度大于大腿主支撑6，支撑座3的后部与连接带2的下部连接，支撑座与连接带连接的区域为使用者坐下时臀部的接触面；支撑座3的中部设置有与大腿绑定的绑定带4；所述大腿主支撑6(参见图7)在膝关节处为开有通孔的凸行卡块601，且在膝关节附近，大腿主支撑6按照距离膝关节由远及近的方向厚度递增，即膝关节处的大腿主支撑的厚度最大；所述大腿副支撑5(参见图6)的上表面形状与大腿主支撑6下表面形状相匹配，且与大腿主支撑的下表面通过螺栓穿过多个连接孔602固定连接；大腿副支撑5的前端设有凹形卡槽501，在凹形卡槽501的左右两侧的大腿副支撑上均开有销轴安装孔502；

所述小腿支撑部分包括安装有可控气弹簧的小腿副支撑8、小腿主支撑9和重力支撑杆11；所述小腿主支撑9的上端开有与大腿主支撑上的凸形卡块601相配合的凹槽，通过销轴穿过该凹槽与凸形卡块601上的通孔，将小腿主支撑9与大腿主支撑6连接；所述小腿副支撑(参见图8和图9)上部设有用于安装可控气弹簧7的空腔801，下部设有用于安装重力支撑杆11的重力支撑安装孔802；可控气弹簧7的下部与小腿副支撑中部的气弹簧螺栓孔804通过螺栓固定；小腿主支撑的下表面与小腿副支撑的平面侧固定连接；所述可控气弹簧7的上端设有圆角矩形槽701，可控气弹簧7上部与大腿副支撑5上的凹形卡槽的形状相匹配，并通过销轴穿过大腿副支撑上的销轴安装孔502、可控气弹簧7上的圆角矩形槽701将大腿副支撑与可控气弹簧连接在一起；在小腿屈伸时大腿副支撑和小腿副支撑8之间的销轴能在圆角矩形槽701内滑动，以保证小腿副支撑与小腿主支撑的连接和大腿副支撑与大腿主支撑的连接保持绕同心运动，不发生运动干涉，大腿和小腿之间的连接同时使用主支撑和副支撑，有助于增加外骨骼的强度；所述重力支撑杆11通过螺栓固定安装在小腿副支撑的下部，并在小腿副支撑的下部设有用于调节重力支撑杆11长度的调节螺钉，调节螺钉固定在杆调节螺钉孔803内，通过小腿副支撑与重力支撑杆二者间不同的杆调节螺钉孔803的配合，可以起到调节小腿支撑部分长度的作用，具有更好的兼容性；重力支撑杆上装有脚部固定部分；

所述脚部固定部分包括一个脚面限定单元12、一个脚底固定单元13和两个侧面固定单元10；两个侧面固定单元10围成脚的形状，一端均与重力支撑杆11固定，另一端分别连接脚面限定单元12和脚底固定单元13的两端。

所述脚面限定单元和脚底固定单元均为一个具有开口的u型结构，且脚底固定单元能置于脚面限定单元的u型结构内，两个侧面固定单元放在脚底和脚面外侧，侧面固定单元、脚面限定单元及脚底固定单元的连接处均通过螺栓固定。如此的设计，通过脚面限定单元u型结构的开口大小可以限制人体脚部上表面和底面相对运动角度的作用，同时减小了侧面固定单元、脚面限定单元及脚底固定单元三者连接间的厚度，使结构更为简便和美观。

本发明的进一步特征在于支撑座分为两层，上层为海绵垫，下层为金属支撑架，通过螺钉与大腿主支撑固定，金属支撑架两侧设有凹槽，凹槽开有绑带安装孔，通过销轴将与大腿绑定的绑定带4和金属支撑架固定在一起；金属支撑架的后部设有连接块，通过连接带将金属支撑架与腰部绑带1连接。

本发明的进一步特征在于所述腰部绑带1后部安装有固定块112，固定块上开有连接带安装孔，所述连接带2上设有卡扣111，通过卡扣可以调整连接带的长度。

本发明的进一步特征在于所述大腿主支撑6靠近膝关节处下表面的切线与大腿主支撑上表面的夹角为20-45°，保证了大腿主支撑和大腿副支撑之间间隔适当角度，使在蹲下时大腿主副支撑及小腿主副支撑之间呈现三角形稳定结构，且大腿副支撑又不会偏离大腿主支撑太远，使结构更加紧凑，能够便于穿戴，此设计增加了可控气弹簧7对大腿支撑的稳定性。

本发明中可控气弹簧7的上端的圆角矩形槽701也可以为其他类似的长条状槽，在使用销轴固定时，销轴能在长条状槽中移动一定的距离。

本发明外骨骼的工作原理及过程是：使用时通过腰部绑带1及与大腿绑定的绑定带4与人体进行绑定，连接带2通过卡扣111调整长度以使穿戴舒适，脚部固定部分穿戴在脚部，通过调整重力支撑杆11，使人体小腿与地面间保持合适的位置；当人体正常行走时，可控气弹簧7处于自由伸缩状态，不影响人体的正常行走；当人体下蹲时，通过手动控制可控气弹簧，从而使可控气弹簧处于锁定状态，进而对人体的下蹲姿势进行支撑。所述可控气弹簧可通过商购获得。

本发明中可控气弹簧开关由人主动控制，从而能够实现人体在不同下蹲姿势下的位置锁定和支撑。人体在正常行走状态时，可控气弹簧处于自由伸缩状态，不影响人体运动姿势。人体小腿支撑部分装有一个与地面接触的重力支撑杆，其轴向打有多个孔，通过与小腿副支撑上不同孔的配合，可以起到调节小腿支撑杆长度的作用。本发明方便穿戴，可随时随地提供屈膝时的蹲姿支持，减轻长期站立或屈膝工作的劳累程度，进而提高工作效率。

本发明未述及之处适用于现有技术。