一种基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置

1.本发明属于外骨骼相关领域，更具体地，涉及一种基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置。


背景技术：

2.行走是人类的最普遍的活动之一。经过漫长时间的演化，人类的行走策略已经得到了优化，但人类会在行走过程中消耗较高的能量。因此，能降低行走能量消耗的外骨骼具有很高的实用价值。
3.人的髋关节在行走过程中会产生很大的力矩，为了产生明显的辅助效果，外骨骼同样需要提供较大的辅助力矩，这可能需要外骨骼具有较大的辅助力或辅助力臂。人的髋关节除了会进行髋屈髋伸活动外，还存在着外展内收活动，髋关节的旋转中心也会产生一定的偏移，穿戴在人身上的外骨骼也要能适应这些额外的活动。此外，外骨骼作为穿戴性装置，还要尽可能的质量轻、体积小。因此，需要一种能满足以上要求的外骨骼装置。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置，其目的在于，使髋关节外骨骼可以在髋伸时储能，在髋屈时提供辅助力矩，同时适应髋关节的外展内收活动和旋转中心偏移。
5.为实现上述目的，本发明提出了一种基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置，包括腰部固定单元、腿部固定单元、被动旋转单元、被动滑动单元和扭簧，其中：
6.所述腰部固定单元包括腰板和绑在该腰板上腰部绑带；所述腿部固定单元包括腿板和绑在该腿板上的腿部绑带；
7.所述被动旋转单元包括腰部延伸件和上连接件，所述腰部延伸件固定在所述腰板下方，所述上连接件活动安装在腰部延伸件下；
8.所述被动滑动单元包括下连接件、导轨和腿部延伸件，所述下连接件上端通过扭簧与所述上连接件活动连接，下连接件下端固定有滑块；所述腿部延伸件下端固定在所述腿板上，腿部延伸件上侧设有所述导轨，所述滑块滑动安装在该导轨上。
9.作为进一步优选的，所述上连接件中部开设有小孔，下部开设有大孔；所述下连接件包括前臂、后臂和横梁，前臂、后臂上部开设有对应孔，横梁在中部连接所述前臂和后臂；
10.所述扭簧上方一端插在上连接件的小孔中并固定，下方一端与下连接件的横梁内侧面相对应，扭簧中部套设在上连接件大孔外，同时下连接件前臂、后臂上部对应孔的安装轴与所述上连接件大孔的安装轴对齐安装，将扭簧限制在上连接件和下连接件中间。
11.作为进一步优选的，所述下连接件的旋转轴与所述上连接件的旋转轴、所述扭簧的旋转轴对齐，并且与穿戴者进行髋屈髋伸活动的髋关节旋转轴对齐。
12.作为进一步优选的，初始时，所述扭簧的下方一端与所述下连接件的横梁不直接连接；当下连接件沿髋伸方向旋转一定角度时，会接触并挤压所述扭簧；当所述下连接件沿
髋屈方向旋转一定角度时，不再与所述扭簧相接触，从而通过扭簧辅助髋关节的髋伸髋屈运动。
13.作为进一步优选的，所述上连接件可相对腰部延伸件旋转，以适应髋关节的外展内收活动。
14.作为进一步优选的，所述滑块相对所述导轨滑动，以适应髋关节的旋转中心偏移；所述导轨端部设有导轨限位块。
15.作为进一步优选的，所述腿部延伸件在空间上呈螺旋形，从而将外骨骼装置产生的辅助力的作用点从髋关节的侧边转移到大腿的后方。
16.作为进一步优选的，所述扭簧有一定的初始自由角度，用以补偿外骨骼装置对穿戴者传递辅助力矩过程中的力矩损失。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
18.1.本发明的髋关节外骨骼装置考虑到行走与奔跑时髋关节的髋伸髋屈活动、外展内收活动和旋转中心偏移等三种运动情况；通过扭簧对髋伸髋屈活动进行储能和辅助，同时对外展内收活动和旋转中心偏移分别提供被动旋转自由度和被动滑动自由度，能减缓髋关节运动过程中的外展内收和旋转中心偏移导致的外骨骼穿戴不适感，减少了外骨骼对穿戴者的阻碍。
19.2.本发明通过对扭簧以及上下连接件的设计，使髋关节外骨骼可以在髋伸时储能，在髋屈时提供辅助力矩，能在占用较小的空间的同时又提供较大的辅助力矩。
20.3.本发明的基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置结构紧凑，穿戴贴身，重量较轻，能快速穿戴与脱离。
附图说明
21.图1为本发明实施例基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置整体结构示意图；
22.图2为本发明实施例基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置局部结构分解示意图；
23.图3为本发明实施例基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置穿戴示意图。
24.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-腰部绑带，2-腰板，3-腰部延伸件，4-上连接件，5-扭簧，6-下连接件，7-导轨，8-滑块，9-导轨限位块，10-腿部绑带，11-腿部延伸件，12-腿板。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.本发明实施例提供的一种基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置，如图1所示，包括腰部固定单元、腿部固定单元、被动旋转单元、被动滑动单元和扭簧，其中：
27.所述腰部固定单元包括腰部绑带1和腰板2，其中所述腰部绑带1绑在所述腰板2上，用于实现外骨骼与穿戴者腰部的固定。
28.所述腿部固定单元包括腿板12和腿部绑带10，其中，所述腿部绑带10绑在所述腿板12上，用于实现外骨骼与穿戴者腿部的固定。
29.所述被动旋转单元包括腰部延伸件3和上连接件4，其中，所述腰部延伸件3固定所述腰板2下方，所述上连接件4可以相对于所述腰部延伸件3旋转，以适应髋关节的外展内收活动。
30.所述被动滑动单元包括下连接件6、导轨7、滑块8、导轨限位块9和腿部延伸件11，其中，所述腿部延伸件11在空间上呈螺旋形，腿部延伸件11下部与所述腿板12固定，上部与导轨7固定；所述下连接件6与所述滑块8固定，所述滑块8可以相对于所述导轨7滑动，以适应髋关节的旋转中心偏移；所述导轨限位块9固定在导轨7上，用以限制所述滑块8相对于所述导轨7的滑动行程。
31.所述扭簧5有一定的初始自由角度，用以补偿外骨骼对穿戴者传递辅助力矩过程中的力矩损失。
32.具体的，如图2所示，所述上连接件4中部开设有小孔，下部开设有大孔；所述下连接件6包括前臂、后臂和横梁，前臂、后臂上部开设有对应孔，横梁在中部连接所述前臂和后臂。扭簧5的上方一端插在上连接件4的小孔中且固定，下方一端与下连接件6的横梁内侧面相对应，旋转轴与上连接件4的大孔的安装轴对齐。下连接件6的前后对应孔的安装轴与上连接件4的较大孔的安装轴对齐安装，下连接件6通过左后臂和横梁从外侧包围扭簧5，从而将扭簧5限制在两个连接件中间。当下连接件6相对于上连接件4顺时针旋转时，下连接件6的横梁内侧面接触并挤压扭簧5的下方一端，扭簧5进行储能；当下连接件6相对于上连接件4逆时针旋转时，扭簧5下方一端挤压下连接件6的横梁内侧面，提供辅助力矩；当下连接件6相对于上连接件4进一步逆时针旋转时，下连接件6的横梁内侧面与扭簧5的下方一端不再接触，下连接件6可自由旋转。
33.本发明基于扭簧储能的髋关节外骨骼装置的工作原理如下：
34.初始状态如图1所示，此时下连接件6的横梁内侧面与扭簧5的下方一端刚好接触，当穿戴者在行走或奔跑的过程中进行髋屈活动时，穿戴者的大腿推动腿板12沿髋屈方向旋转，腿板12受力传递到下连接件6，下连接件6的横梁内侧面挤压扭簧5的下方一端沿髋屈方向旋转，扭簧5储能。
35.当穿戴者进行髋伸活动时，扭簧5的下方一端挤压下连接件6的横梁内侧面沿髋伸方向旋转，下连接件6受力传递到腿板12，腿板12推动穿戴者的大腿沿髋伸方向旋转，为穿戴者提供辅助力矩。
36.当穿戴者的髋关节的弯曲角度超过一定值时，下连接件6的横梁内侧面与扭簧5的下方一段不再接触，外骨骼不进行储能或者提供辅助力矩，穿戴者此时可以进行自由的髋屈髋伸活动。
37.当穿戴者在行走或奔跑的过程中，髋关节还会进行外展内收活动，穿戴者的大腿推动腿板12沿外展方向或内收方向旋转，腿板12受力传递到上连接件4，上连接件4相对于腰部延伸件3沿外展方向或内收方向旋转，旋转轴为上连接件4与腰部延伸件3的安装轴，减少了外骨骼对穿戴者的阻碍。
38.当穿戴者在行走或奔跑的过程中，髋关节还存在旋转中心偏移，穿戴者的大腿带动腿板12和腿部绑带10沿导轨滑动方向运动，腿板12和腿部绑带10受力传递到导轨7，导轨
7相对于滑块8沿导轨滑动方向运动，减少了外骨骼对穿戴者的阻碍。
39.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。