一种机械外骨骼的制作方法

1.本实用新型涉及穿戴设备技术领域，特别是涉及一种机械外骨骼。


背景技术：

2.机械外骨骼或称动力外骨骼(powered exoskeleton)，是一种由钢铁的框架构成并且可让人穿上的机器装置，这个装备可以提供额外能量来供四肢运动。别称：强化服、动力服(power suit)、动力装甲(power armor或powered armor)、exoframe、hardsuit或exosuit等。
3.一般地，机械外骨骼的腰部可以调整宽度，在需要调整时，将螺栓拧下，以进行调整，在调整完成后，将螺栓拧上，以锁紧，该过程较为繁琐。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例旨在提供一种机械外骨骼，以解决现有技术中通过螺栓进行锁紧所导致过程较为繁琐的问题。
5.本实用新型实施例解决其技术问题采用以下技术方案：提供一种机械外骨骼，包括：
6.安装导轨，在所述安装导轨上开设有滑槽；和
7.腰杆组件，包括滑动锁紧装置和腰部支撑杆，所述滑动锁紧装置包括滑块、旋钮以及壳组件，所述滑块伸入所述滑槽，所述壳组件设置在所述安装导轨和所述旋钮之间，所述旋钮和所述滑块相螺接，所述腰部支撑杆的一端固定连接所述壳组件；
8.其中，所述旋钮在旋紧时，将所述壳组件压紧在所述安装导轨上，所述旋钮在旋松时，容许所述滑块沿所述滑槽带动所述腰部支撑杆移动。
9.在一些实施例中，所述滑动锁紧装置还包括螺杆；
10.所述螺杆的一端固定连接所述滑块和所述旋钮两者之一，所述螺杆的另一端螺接所述滑块和所述旋钮两者中的另一者，以实现所述滑块和所述旋钮相螺接；
11.所述壳组件套设在所述螺杆外，所述壳组件和所述螺杆间隙配合。
12.在一些实施例中，所述壳组件包括内壳体和外壳体；
13.所述内壳体设置在所述旋钮和安装导轨之间，所述内壳体套设在所述螺杆外，所述外壳体套设在所述内壳体外，所述外壳体和所述内壳体间隙配合，所述腰部支撑杆的一端固定连接所述外壳体。
14.在一些实施例中，所述壳组件还包括扭簧；
15.所述扭簧套设在所述内壳体和所述外壳体之间，所述扭簧的两个引脚分别固定连接所述内壳体和所述外壳体。
16.在一些实施例中，所述滑槽和所述滑块的截面皆呈阶梯结构；
17.所述阶梯结构的尺寸较小的一段靠近所述壳组件，尺寸较大的一段远离所述壳组件。
18.在一些实施例中，在所述安装导轨的面向所述壳组件的一面上凸设有防滑齿条。
19.在一些实施例中，还包括腰背板和腰带；
20.所述腰带和所述安装导轨分别设置在所述腰背板的两相对侧。
21.在一些实施例中，所述机械外骨骼还包括髋关节和大腿骨架；
22.所述髋关节的一端铰接所述腰部支撑杆的另一端，所述髋关节的另一端铰接所述大腿骨架的上端；
23.所述螺杆的转动轴线、所述髋关节关于所述腰部支撑杆的转动轴线、所述大腿骨架关于所述髋关节的转动轴线两两相垂直。
24.在一些实施例中，还包括大腿关节座、膝关节、小腿骨架、凸轮、压簧、压块以及拉绳；
25.所述大腿关节座固定连接所述大腿骨架的下端，所述膝关节铰接所述大腿关节座，并固定连接所述小腿骨架的上端；
26.所述大腿关节座关于所述膝关节的转动轴线和所述凸轮的转动轴线相重合，所述凸轮固定连接所述膝关节，所述压块滑动连接所述大腿骨架，所述压簧设置在所述压块和所述凸轮之间，所述拉绳的上端固定连接所述压块，所述拉绳的下端固定连接所述小腿骨架，所述拉绳的上、下两端之间的部分抵靠在所述凸轮的凸轮面上。
27.在一些实施例中，所述大腿骨架包括第一大腿连接杆、第二大腿连接杆以及大腿锁紧装置，所述第一大腿连接杆的上端铰接所述髋关节，所述第一大腿连接杆的下端滑动连接所述第二大腿连接杆的上端，所述第二大腿连接杆的下端固定连接所述大腿关节座，所述大腿锁紧装置将所述第二大腿连接杆锁紧在所述第一大腿连接杆上，在解锁时，容许所述第二大腿连接杆沿所述第一大腿连接杆移动；和/或，
28.所述小腿骨架包括第一小腿连接杆、第二小腿连接杆以及小腿锁紧装置，所述第一小腿连接杆的上端固定连接所述膝关节，所述第一小腿连接杆的下端滑动连接所述第二小腿连接杆的上端，所述小腿锁紧装置将所述第二小腿连接杆锁紧在所述第一小腿连接杆上，在解锁时，容许所述第二小腿连接杆沿所述第一小腿连接杆移动。
29.与现有技术相比较，本实用新型实施例提供的机械外骨骼中，通过旋紧旋钮，即可锁紧将壳组件锁紧在安装导轨上，通过旋松旋钮，即可将壳组件解锁，以解决现有技术中通过螺栓进行锁紧所导致过程较为繁琐的问题。
附图说明
30.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
31.图1是本实用新型其中一实施例提供的机械外骨骼的结构示意图；
32.图2是图1所示的机械外骨骼在另一角度下的结构示意图；
33.图3是图1所示的机械外骨骼的背架系统的结构示意图；
34.图4是图3所示的背架系统在另一角度下的结构示意图；
35.图5是图1所示的机械外骨骼的腰背连接系统的结构示意图；
36.图6是图5所示的腰背连接系统的部分结构的结构示意图；
37.图7是图5所示的腰背连接系统的滑动锁紧装置和安装导轨的剖面示意图；
38.图8是图5所示的腰背连接系统在另一角度下的结构示意图；
39.图9是图5所示的腰背连接系统在又一角度下的结构示意图；
40.图10是图1所示的机械外骨骼的大腿系统的结构示意图；
41.图11是图1所示的机械外骨骼的小腿系统的结构示意图；
42.图12是图1所示的机械外骨骼的脚部系统的结构示意图。
具体实施方式
43.为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“上端”、“下端”、“顶部”以及“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。
45.请参阅图1和图2，本实用新型其中一实施例提供一种机械外骨骼100，包括依次相连的背架系统10、腰背连接系统20、大腿系统30、小腿系统40以及脚部系统50。
46.请参阅图3和图4，背架系统10包括背架12、背带组件14以及托板16。背架12用于连接腰背连接系统20，背带组件14和托板16分别设置在背架12的两相对侧。背带组件14用于将背架12固定在人体的肩背部上，托板16用于支撑负重18。在使用的过程中，托板16将负重18所施加的一部分压力通过背架12向背带组件14传递，另一部分压力向腰背连接系统20传递。
47.背架12大致呈板状或者框架状，包括相背设置的前表面120和后表面122。背带组件14设置在前表面120所面向的一侧，托板16和负重18设置在后表面122所面向的一侧。背架12的下边缘处连接腰背连接系统20。
48.背带组件14包括两背带140和胸带142。两背带140分别用于将人体的左、右肩背部压紧在背架12的前表面120上，以实现将背架12固定在人体的肩背部上。各背带140的上端连接背架12的上部，各背带140的下端连接腰背连接系统20。胸带142连接在两背带140之间。在使用的过程中，两背带140分别将背架12所施加的一部分压力向人体的左、右肩部传递，从而由人体的左、右肩部承担，另一部分压力通过胸带142向人体的胸部传递，从而由人体的胸部承担。
49.托板16铰接在腰背连接系统20上，可相对背架12转动，直至展开于或者折叠于背架12的后表面122。其中，在展开于背架12的后表面122时，可支撑负重18，在未支撑负重18时，可折叠于背架12的后表面122，利于收纳。
50.托板16在展开于背架12的后表面122时，托板16与背架12的后表面122的夹角为75-85度，在本实施例中，该夹角为80度，以防止负重18向后滑落，并且可使得负重18的重心
更靠近人体的背部，以减小负重18对人体的腰部的力矩。
51.可以理解，托板16也可以铰接在背架12上，只要托板16能够相对于背架12转动即可。
52.请参阅图5，腰背连接系统20包括腰背板组件22、腰带24以及腰杆组件26。腰背板组件22用于连接背架系统10，腰带24和腰杆组件26皆设置在腰背板组件22上，腰带24用于将腰背板组件22固定在人体的后腰部，腰杆组件26用于连接大腿系统30。在使用的过程中，腰背板组件22将背架12所施加的压力通过腰杆组件26向大腿系统传递30。
53.腰背板组件22包括腰背板220和安装导轨222。腰背板220大致呈u形板状，其两端之间的部位固定在背架12的下边缘处，具体可以通过螺钉、铆钉、焊层等连接结构进行固定，腰背板220的两端之间的部位基本平行于背架12的下边缘，腰背板220的两端皆朝一延伸至超出背架12的前表面120，用于分别连接腰带24的两端，腰带24用于将人体的后腰部压紧在腰背板220的两端之间的部位上，以实现将腰背板22固定在人体的后腰部上。
54.安装导轨222固定在腰背板220的背向腰带24的一面上，具体可以通过螺钉、铆钉、焊层等连接结构进行固定。安装导轨222用于滑动连接腰杆组件26。
55.在安装导轨222上开设有滑槽2224，滑槽2224的长度方向基本平行于背架12的下边缘。滑槽2224用于滑动连接腰杆组件26。
56.请参阅图6，腰杆组件26包括滑动锁紧装置260、腰部支撑杆262以及髋关节264。腰部支撑杆262连接在滑动锁紧装置260和髋关节264之间，滑动锁紧装置260用于滑动连接安装导轨222，髋关节264用于连接大腿系统30。在使用的过程中，滑动锁紧装置260将腰背板22所施加的压力依次通过腰部支撑杆262、髋关节264向大腿系统30传递。
57.请参阅图7，滑动锁紧装置260包括滑块2600、螺杆2602、旋钮2604以及壳组件2606。
58.滑块2600伸入滑槽2224，壳组件2606设置在旋钮2604和安装导轨222之间，螺杆2602的一端固定连接旋钮2604，螺杆2602的另一端螺接滑块2600，以实现滑块2600和旋钮2604相螺接，腰部支撑杆262的一端固定连接壳组件2606。
59.通过人工旋紧旋钮2604，旋钮2604带动螺杆2602旋入滑块2600，以使滑块2600和旋钮2604之间的距离缩小，旋钮2604将壳组件2606压紧在安装导轨222上。
60.通过人工旋松旋钮2604，旋钮2604带动螺杆2602旋出滑块2600，以使滑块2600和旋钮2604之间的距离增大，旋钮2604和安装导轨222将壳组件2604松开，以容许滑块2600沿滑槽2224带动腰部支撑杆262移动。
61.可以理解，根据实际需要，螺杆2602的一端也可以固定连接滑块2600，相对应地，螺杆2602的另一端螺接旋钮2604，只要螺杆2602的一端螺接滑块2600和旋钮2604两者之一，螺杆2602的另一端固定连接滑块2600和旋钮2604两者中的另一者即可。
62.滑槽2224和滑块2600的截面皆呈阶梯结构。阶梯结构的尺寸较小的一段靠近壳组件2606，尺寸较大的一段远离壳组件2606。在旋紧旋钮2604时，滑块2600的阶梯结构的尺寸较大一段压紧在滑槽2224的阶梯结构的尺寸较小的一段的槽壁上。
63.壳组件2606套设在螺杆2602外，壳组件2606和螺杆2602间隙配合，以在旋紧或者旋松旋钮2604时，壳组件2606和腰部支撑杆262可以相对于安装导轨222静止，便于进行旋紧或者旋松旋钮2604。
64.壳组件2606包括内壳体2607、外壳体2608以及扭簧2609。内壳体2607设置在安装导轨222和旋钮2604之间，并套接在螺杆2602外，外壳体2608套接在内壳体2607外，在外壳体2608和内壳体2607间隙配合，腰部支撑杆262的一端固定连接外壳体2608，外壳体2608可绕螺杆2602的转动轴线x相对于内壳体2607正向或者反向转动，以带动腰部支撑杆262一并转动。
65.扭簧2609套设在内壳体2607和外壳体2608之间，扭簧2609的两个引脚分别固定在内、外壳体2607、2608上。
66.扭簧2609用于提供阻碍外壳体2608反向转动的弹力，在外壳体2608反向转动至预设角度时，扭簧2609压缩至极限，以阻止外壳体2608继续反向转动，具有限位的作用。
67.请参阅图8，腰部支撑杆262大致呈l形杆状，包括第一杆部2620和第二杆部2622。第一杆部2620连接在外壳体2608和第二杆部2622之间，第二杆部2622连接在第一杆部2620和髋关节264之间。第一杆部2620的长度方向基本垂直于转动轴线x，第二杆部2620超出安装导轨222。第二杆部2622之间用于容纳人体的腰部，其中两腰杆组件26的第二杆部2622分别靠近人体的左、右腰部。
68.通过腰部支撑杆262相对于安装导轨222移动，可使得两腰杆组件260的第二杆部2622相互靠近或者远离，能够适应腰部宽度不同的人体。
69.髋关节264的一端铰接在第二杆部2620上，可绕相对于腰杆组件转动。髋关节264的另一端铰接在大腿系统30上，大腿系统30可相对于髋关节264转动，转动轴线x、髋关节264关于第二杆部2620的转动轴线y、大腿系统30关于髋关节264的转动轴线z两两相互垂直。
70.腰部支撑杆262绕转动轴线x转动时，带动大腿系统30一并转动，与人体的大腿的内收或者外摆的动作相匹配，髋关节264绕转动轴线y转动时，带动该大腿系统30一并转动，与人体的大腿的左旋、右旋的动作相匹配，该大腿系统30绕转动轴线z转动时，与人体的大腿的屈曲或者伸展的动作相匹配。
71.请参阅图9，在安装导轨222的面向壳组件2606的一面上凸设有防滑齿条2226，用于在将壳组件2606压紧在安装导轨222时，提高壳组件2606和安装导轨222之间的摩擦力。
72.托板16在展开于后表面122时，位于滑动锁紧装置260之上，以隐藏滑动锁紧装置260，美观，并且滑动锁紧装置260不容易被意外碰撞。
73.请参阅图10，大腿系统30包括大腿骨架32、大腿绑缚组件34、大腿关节座36以及储能装置38。大腿骨架32的上端铰接髋关节264，下端固定连接大腿关节座36，大腿关节座36铰接小腿系统40，大腿绑缚组件34和储能装置38皆设置在大腿骨架32上，大腿绑缚组件34用于将大腿骨架32固定在人体的大腿上，储能装置38用于在小腿系统40相对于大腿关节座36转动至预设角度范围内时储能，并在小腿系统40相对于大腿关节座36转动至预设角度范围外时释能。在使用的过程中，大腿骨架32将髋关节264所施加的压力通过大腿关节座36向小腿系统40传递。
74.大腿骨架32包括第一大腿杆件320、第二大腿杆件322以及大腿锁紧装置324。第一、二大腿杆件320、322的长度方向相平行，第一大腿杆件320的上端为大腿骨架32的上端，铰接髋关节264，第一大腿杆件320的下端滑动连接第二大腿杆件322的上端，第二大腿杆件322的下端固定连接大腿关节座36，大腿绑缚组件34设置在第二大腿杆件322上。大腿锁紧
装置324将第二大腿杆件322锁紧在第一大腿杆件320上，在解锁时，容许第二大腿杆件322沿第一大腿杆件320移动，以调整大腿骨架32的长度，从而适应大腿长度不同的人体。在使用的过程中，第一大腿杆件320将髋关节264施加的压力依次通过第二大腿杆件322、大腿关节座36向小腿系统40传递。
75.第二大腿杆件322中空，第二大腿杆件322的内部空间可以用于容纳储能装置38。
76.大腿绑缚组件34包括大腿挡板和大腿绑带。大腿挡板可以通过前述的连接结构固定在第二大腿杆件上，大腿挡板大致呈具有弧度的板状，用于与人体的大腿紧密贴合，以使人体的大腿运动时能够实时带动整个大腿系统30运动。在大腿挡板上可以开设有均匀分布的矩形通孔，以达到减重和散热的目的。
77.大腿绑带大致呈条状，可由柔软的纺织材料制得。大腿绑带的一部分固定在大腿挡板上，另一部分固定在第二大腿连接杆上，大腿绑带的上述两部分可通过魔术贴进行粘连，用于将人体的大腿压紧在大腿挡板上，以实现将大腿骨架32固定在人体的大腿上。
78.储能装置38包括凸轮380、压簧382、压块384以及拉绳386。凸轮386的中心线与大腿关节座36的中心线相重合，并固定连接小腿系统40。凸轮386的凸轮面包括第一轮面部和第二轮面部，第一轮面部的直径大于第二轮面部的直径，第一轮面部和第二轮面部平滑过渡。第二轮面的弧度可以为55度。压块384滑动连接第二大腿连接杆322，压簧382设置在压块384和凸轮380之间，拉绳386的上端固定在压块384上，拉绳386的下端固定连接小腿系统40上，拉绳386的上、下两端之间的部分绕设在凸轮380的轮面上。在小腿系统40相对于大腿关节座36转动时，拉绳386绕设在轮面上的部位增多或者减小。
79.在小腿系统40相对于大腿关节座36转动至预设角度范围内时，对应人体的屈膝动作，拉绳386从第二轮面部绕设至第一轮面部，拉绳386的上端移动至靠近凸轮380的位置上，拉绳386的上端拉动压块384，压块384压缩压簧382，压簧382储能。
80.在小腿系统40转动至预设角度范围外时，对应人体的处于支撑相的动作，拉绳386解除对第一轮面部的缠绕，拉绳386的上端移动至远离凸轮380的位置上，压簧382释能，推动压块384，压块384拉动拉绳386，拉绳386拉动小腿系统40。
81.请参阅图11，小腿系统40包括膝关节42、小腿骨架44、小腿关节座46、小腿绑缚组件48以及拉绳锁紧件49。膝关节42铰接大腿关节座36，小腿骨架44的上端固定连接膝关节42，小腿骨架44的下端固定连接小腿关节座46，小腿关节座46铰接脚部系统50上，小腿绑缚组件48设置在小腿骨架44上，用于将小腿骨架44固定在人体的小腿上，拉绳锁紧件49固定拉绳386的下端。在使用的过程中，膝关节42将大腿关节座36所施加的压力依次通过小腿骨架44、小腿关节座46向脚部系统50传递。
82.膝关节36的中心线与凸轮380的中心线相重合，凸轮380固定在膝关节36上。
83.小腿骨架44包括第一小腿连接杆440、第二小腿连接杆442以及小腿锁紧装置444。第一、二小腿连接杆440、442的长度方向相平行，第一小腿连接杆440的上端为小腿骨架44的上端，固定连接膝关节42，第一小腿连接杆440的下端滑动连接第二小腿连接杆442的上端，第二小腿连接杆442的下端为小腿骨架44的下端，固定连接小腿关节座46，小腿锁紧装置444将第二小腿连接杆442锁紧在第一小腿连接杆440上，在解锁时，第二小腿连接杆442可沿第一小腿连接杆440移动，以适应小腿长度不同的人体。
84.第一小腿连接杆442中空，第一小腿连接杆442的内部空间可以用于容纳拉绳386
的下端和拉绳锁紧件49。
85.小腿绑缚组件48包括小腿挡板和小腿绑带。小腿挡板可以通过前述的连接结构固定在第一小腿连接杆442上，小腿挡板大致呈具有弧度的板状，用于与人体的小腿紧密贴合，以使人体的小腿运动时能够实时带动整个小腿系统40运动。在小腿挡板上可以开设有均匀分布的矩形通孔，以达到减重和散热的目的。
86.小腿绑带大致呈条状，可由柔软的纺织材料制得。小腿绑带的一部分固定在小腿挡板上，另一部分固定在第一小腿连接杆442上，小腿绑带的上述两部分可通过魔术贴进行粘连，用于将人体的小腿压紧在小腿腿挡板上，以实现将小腿骨架44固定在人体的小腿上。
87.请参阅图12，脚部系统50包括踝关节52、踝关节支撑座54、脚底板56以及脚部绑带58。踝关节52的一端铰接小腿支撑座46，踝关节52的另一端铰接踝关节支撑座54，踝关节支撑座54固定连接脚底板56，脚部绑带58设置在脚底板56上，用于将脚底板56固定在人体的脚底。在使用的过程中，踝关节52将小腿关节座46所施加的压力依次通过踝关节支撑座54、脚底板56向地面传递，从而由地面承担。
88.踝关节52可相对于小腿关节座46转动，以带动脚底板56转动，与人体的脚部的内收或者外摆动作相匹配。踝关节支撑座54可相对于踝关节52转动，以带动脚底板56转动，与人体的脚部的前屈或者后伸的动作相匹配。髋关节264相对于腰部支撑杆262转动时，带动脚底板56转动，与人体的脚部的左旋或者右旋动作相匹配，其中髋关节264和腰部支撑杆262如图8所示。
89.髋关节52关于小腿关节座46的转动轴线垂直于髋关节支撑座54关于髋关节52的转动轴线。
90.与现有技术相比较，本实用新型实施例提供的机械外骨骼中，通过旋紧旋钮，即可锁紧将壳组件锁紧在安装导轨上，通过旋松旋钮，即可将壳组件解锁，以解决现有技术中通过螺栓进行锁紧所导致过程较为繁琐的问题。
91.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；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参阅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范围。