本发明涉及下肢助力外骨骼领域，具体涉及弯腰助力外骨骼与腿部助力外骨骼。
背景技术：
助力外骨骼机器人是一种能够辅助人体运动，提高人体运动能力的助力装置，如今已广泛应用于军事与民用领域。目前已有的助力外骨骼分为主动型助力外骨骼与被动型助力外骨骼，主动型助力外骨骼是通过电机或其他驱动方式驱动机器人带动人体运动，辅助人体完成行走、搬运等动作，达到助力的效果。被动型助力外骨骼无需驱动，是通过人体的运动带动外骨骼机器人的运动，这类外骨骼的作用主要是转移人体某一部分的劳动负荷，而不是增强人体的运动能力。
随着社会经济的发展，人类的社会生产活动日益趋于自动化，但手工搬举和蹲式作业在某些领域里依然难以被机器所取代，由于长时间弯腰搬物与蹲式作业引起的下背痛与膝关节劳损现象在劳动者群体中十分普遍。目前针对于这一问题而设计的助力外骨骼大都为主动式助力外骨骼，即通过驱动装置驱动外骨骼带动人体运动，从而减轻使用者在工作时背部以及膝关节的劳动负荷。然而，主动式助力外骨骼往往需要多个驱动单元，需要大量的能量来驱动外骨骼，同时需要大容量的电池或其他能量存储方式，这样就导致了主动式助力外骨骼的体积和自身重量较大，且工作时存在噪声。
为此，本发明提出了一种结构紧凑、自身重量较小的被动式下肢外骨骼，用以减轻使用者在进行弯腰搬物和蹲式作业时背部与膝关节的工作负荷，起到预防和降低患下背痛和膝关节损伤的几率。
技术实现要素：
本发明的发明目的是提供一种基于拉簧与气弹簧的被动储能式下肢外骨骼机器人，解决弯腰搬物和蹲式作业时，主动式关节驱动助力外骨骼自身质量大、驱动能耗大、工作时产生噪声等问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种减轻背部与膝关节负荷的下肢外骨骼，其特征在于：包括背部支撑装置、髋部支撑装置、腿部支撑装置、膝部装置，
所述背部支撑装置包括背部护垫、设置在背部护垫上的绑缚带以及设置在背部护垫下端的两个背部连接杆，
所述髋部支撑装置包括旋转杠杆，所述旋转杠杆上端通过背髋连接轴与背部连接杆铰链连接，所述旋转杠杆的中部设有腿髋连接轴，
所述腿部支撑装置包括大腿板、拉簧，所述大腿板的上端与腿髋连接轴铰接，所述拉簧的上端固设在所述旋转杠杆的下端，所述拉簧的下端通过第一滑动锁紧装置设置在大腿板上，
所述膝部装置包括t型膝关节连接装置、膝关节旋转轴、气弹簧、滑块、滑块锁紧装置和小腿板，所述t型膝关节连接装置的上端与大腿板的下端连接，所述t型膝关节连接装置的下端通过膝关节旋转轴与小腿板铰链连接，所述气弹簧的上端与t型膝关节连接装置的凸出端铰链连接，所述气弹簧的下端转动设置在滑块上，所述滑块滑动套设设置在小腿板9上，滑块锁紧装置设于滑块下方且套设于小腿板上。
优选地，所述大腿板的内侧固定设有腰部耦合装置，所述腰部耦合装置设于大腿板的上部，主体结构为左右对称的‘半口字’形铝合金结构，绑带通过腰部耦合装置上的绑带缝与人体绑缚，确保了整个装置与人体的高度耦合性。
优选地，所述旋转杠杆的外侧设有髋关节外壳，所述髋关节外壳位于大腿板的外侧，与大腿板通过紧固螺丝固定，形状为倒三角形，中间设置有方形滑道，使得锁紧旋钮可以在该滑道内滑动，并能通过旋转旋钮锁定在滑道的任意位置上。
优选地，所述大腿板上还设有大腿耦合装置，包括置于大腿前侧的挡板、挡板上用于绑缚腿部的绑带和用于连接挡板的‘直角形’连接板，直角形连接板的一端与挡板铰链连接，使得挡板可以在矢状面内转动，另一端与大腿板的下端通过紧固螺丝固定。
优选地，所述小腿板的内侧设有小腿耦合装置，所述小腿耦合装置位于小腿板的下端，与小腿板紧固连接，主体结构为左右对称的半口形结构，通过上面的绑带与人体小腿绑缚，确保在行走和下蹲的过程中小腿部分与人体的高度耦合性。
优选地，所述拉簧的下端通过第一滑动锁紧装置设置在大腿板上，具体为：大腿板上设有滑动轨道，所述第一滑动锁紧装置为锁紧旋钮，所述弹簧的下端固定连接在锁紧旋钮上，锁紧旋钮滑动设置在滑动轨道内，使得弹簧具有沿着滑动轨道运动的自由度。
优选地，所述气弹簧的下端转动设置在滑块上，所述滑块滑动套设设置在小腿板上，滑块锁紧装置设于滑块下方且套设于小腿板上，具体为：滑块为中空的滑块，所述气弹簧的下端转动设置在滑块上，所述滑块套设在小腿板上，滑块锁紧装置为设有锁紧螺母的滑块，对滑块进行限位，使得滑块具有沿着小腿板长度方向运动的自由度。
本文中，人体处于直立状态时，拉簧处于自由状态，当人体在矢状面内进行屈伸动作时髋关节转动杠杆随着人体转动，其连接的拉簧被拉伸，在人体弯腰时拉簧被拉伸以提供一定的缓冲力。当人体由弯腰变为直立状态时，拉簧恢复原状，此时给人体弯腰直立提供一定的恢复力。此外，通过调整拉簧位置调节旋钮可以提供不同大小的缓冲力及恢复力。拉簧上下端可以绕着旋转杠杆和调节旋钮轴转动，这样保证人在直立行走过程中不受影响。
本文中，根据人体正常行走时膝关节的角度变化设置膝关节滑块在导轨上的滑动行程，这样保证人在直立行走时滑块可在导轨上滑动，其连接的气弹簧处于自由状态，气弹簧不起支撑助力作用，人体可正常直立行走而不受影响。当膝关节角度变化超出正常行走时的角度值，气弹簧起到支撑助力作用。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：相比于主动式助力外骨骼，本发明结构紧凑，自身重量小，无需驱动，工作噪声小；本发明主体结构采用铝合金与碳纤维材料制成，质量较轻；耦合绑缚装置可使人体与外骨骼机器人拥有较高的耦合度，背部的背部护垫与绑缚带增加了本发明的穿戴舒适性与便捷性，且方便调整尺寸以适应不同身材体型的人穿戴；采用有较好阻尼比的拉簧与气弹簧作为被动储能装置，使得该装置在进行弯腰和下蹲作业的过程中处于一个平稳的状态；本发明髋关节和膝关节的设计使得本发明在人体正常行走时不对人体产生阻碍，只在人体弯腰搬物和蹲式作业时起到支撑助力作用，从而达到减轻人体背部与膝关节负荷的效果。
附图说明
图1是本发明整体结构的主视图；
图2是本发明整体结构的侧视图；
图3是本发明整体结构的后视图；
图4是本发明髋关节的结构图
其中：1、背部护垫；2、绑缚带；3、背部连接杆；4、背髋连接轴；5、髋关节外壳；6、连接板；7、t型膝关节连接装置；8、气弹簧；9、小腿板；10、小腿耦合装置；11、滑块锁定装置；12、滑块；13、挡板；14、锁紧旋钮；15、腰部耦合装置；16、旋转杠杆；17、膝关节旋转轴；18、腿髋旋转轴；19、大腿板；20拉簧。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1~图4所示，一种减轻背部与膝关节负荷的下肢外骨骼，包括背部支撑装置、髋部支撑装置、腿部支撑装置、膝部装置，
背部支撑装置包括背部护垫1、设置在背部护垫上的绑缚带2以及设置在背部护垫下端的两个背部连接杆3，
髋部支撑装置包括旋转杠杆16，所述旋转杠杆16上端通过背髋连接轴4与背部连接杆3铰链连接，所述旋转杠杆16的中部设有腿髋连接轴18，
腿部支撑装置包括大腿板19、拉簧20，所述大腿板19的上端与腿髋连接轴18铰接，所述拉簧20的上端固设在所述旋转杠杆16的下端，所述拉簧20的下端通过第一滑动锁紧装置设置在大腿板19上，
膝部装置包括t型膝关节连接装置7、膝关节旋转轴17、气弹簧8、滑块12、滑块锁紧装置11和小腿板9，所述t型膝关节连接装置7的上端与大腿板19的下端连接，所述t型膝关节连接装置7的下端通过膝关节旋转轴17与小腿板9铰链连接，所述气弹簧8的上端与t型膝关节连接装置7的凸出端铰链连接，所述气弹簧8的下端转动设置在滑块12上，所述滑块12滑动套设设置在小腿板9上，滑块锁紧装置11设于滑块12下方且套设于小腿板19上。
本实施例中，所述大腿板19的内侧固定设有腰部耦合装置15，所述腰部耦合装置设于大腿板19的上部，主体结构为左右对称的‘半口字’形铝合金结构，绑带通过腰部耦合装置15上的绑带缝与人体绑缚，确保了整个装置与人体的高度耦合性。
本实施例中，所述旋转杠杆16的外侧设有髋关节外壳5，所述髋关节外壳5位于大腿板19的外侧，与大腿板19通过紧固螺丝固定，形状为倒三角形，中间设置有方形滑道，使得锁紧旋钮可以在该滑道内滑动，并能通过旋转旋钮锁定在滑道的任意位置上。
本实施例中，所述大腿板19上还设有大腿耦合装置，包括置于大腿前侧的挡板13、挡板上用于绑缚腿部的绑带和用于连接挡板13的‘直角形’连接板6，直角形连接板6的一端与挡板13铰链连接，使得挡板13可以在矢状面内转动，另一端与大腿板19的下端通过紧固螺丝固定。
本实施例中，所述小腿板9的内侧设有小腿耦合装置10，所述小腿耦合装置10位于小腿板9的下端，与小腿板紧固连接，主体结构为左右对称的半口形结构，通过上面的绑带与人体小腿绑缚，确保在行走和下蹲的过程中小腿部分与人体的高度耦合性。
本实施例中，所述拉簧14的下端通过第一滑动锁紧装置设置在大腿板19上，具体为：大腿板19上设有滑动轨道，所述第一滑动锁紧装置为锁紧旋钮14，所述拉簧20的下端固定连接在锁紧旋钮14上，锁紧旋钮14滑动设置在滑动轨道内，使得拉簧20具有沿着滑动轨道运动的自由度。
本实施例中，所述气弹簧8的下端转动设置在滑块12上，所述滑块12滑动套设设置在小腿板9上，滑块锁紧装置11设于滑块12下方且套设于小腿板19上，具体为：滑块12为中空的滑块，所述气弹簧8的下端转动设置在滑块上，所述滑块12套设在小腿板9上，滑块锁紧装置11为设有锁紧螺母的滑块，对滑块12进行限位，使得滑块12具有沿着小腿板9长度方向运动的自由度。
本发明的工作原理：使用拉簧与气弹簧作为被动储能装置，当人体进行弯腰搬物与蹲式作业时，人体及外界装置的重力势能被拉簧与气弹簧吸收存储，对人体起到一定的缓冲作用；当人体直立起身时，拉簧与气弹簧释放存储的能量，对人体起到一定的助力作用。