一种屈膝储能外骨骼的制作方法

1.本实用新型涉及外骨骼技术领域，尤其涉及一种屈膝储能外骨骼。


背景技术：

2.研究表明，人上下坡时候膝关节的负重是人体重量的3至4倍，人下蹲时膝关节负重是人体体重的7至8倍，因此，在进行运动或者需要下蹲身体的劳作时，很容易引发膝关节的损伤和疼痛。据统计，全国约有1.2亿人遭受膝关节疼痛的困扰，经常运动人群中膝关节疼痛率高达70％。
3.目前市面上已有很多护膝等运动护具，以减轻运动过程中膝关节的受力并减少损伤。但是该种护具多为弹性复合布料，将膝关节包裹住，多起到固定膝关节的作用，在运动中很难提供强有力的支撑以减少膝关节受力。对此本实用新型提出一种可有效减少膝关节受力的方案。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种屈膝储能外骨骼，该外骨骼可在弯曲膝关节时进行储能并可提供支撑有效减少膝关节受力。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种屈膝储能外骨骼，包括用于分别固定于大腿、小腿的上肢壳、下肢壳，上肢壳两侧固定有上支撑板，下肢壳两侧固定有下支撑板，同侧上支撑板与下支撑板通过轴连接且两侧的轴同轴，使穿戴后上肢壳下肢壳能够同膝关节一同旋转；其中至少在一侧设有储能单元及驱动组件，所述储能单元包括弹簧固定座、气弹簧、杆连接块，弹簧固定座固定于上支撑板，气弹簧外壳固定安装于弹簧固定座、气杆与杆连接块固定连接，驱动组件固定安装于下支撑板，且满足：当膝关节弯曲上肢壳下肢壳相向旋转，由于驱动组件的存在使气弹簧压缩以提供支撑力并储能。
7.上述技术方案中，进一步的，所述储能单元中设有两个或多个气弹簧，平行安装于弹簧固定座与杆连接块之间。
8.进一步的，在所述的气弹簧之间设有调节螺栓，调节螺栓下部与杆连接块螺纹连接，上部穿过弹簧固定座开孔并安装有螺帽，调节螺栓可沿弹簧固定座开孔自由滑动并由螺帽限制向下运动。
9.进一步的，所述的驱动组件包括凸轮，凸轮与下支撑板固定，其上部具有弧面为凸轮的有效工作曲面，该曲面与杆连接块底面相切。
10.进一步的，所述的驱动组件为曲柄滑块机构，包括驱动轴、驱动杆、滑块、导轨；导轨与气弹簧平行固定在上支撑板上，滑块可沿导轨自由滑动，滑块上固定有驱动块，驱动块与杆连接块底面相抵，驱动轴固定在下支撑板上，驱动杆两端分别与驱动块、驱动轴铰接，且其与驱动轴的铰接处与连接上支撑板、下支撑板的轴不同心。
11.进一步的，所述的外骨骼上还设有上支撑板旋转限位单元，用于限制上支撑板相
对下支撑板背离旋转的角度以避免膝过伸。
12.本实用新型的有益效果是：
13.本实用新型的屈膝储能外骨骼基于气弹簧可以有效显著减轻腿部弯曲时膝关节的受力，而且外骨骼结构简单，且通过本实用新型的设计可以使得气弹簧仅仅受到沿气杆的轴向压力，没有侧向弯矩；此外，进一步的，该外骨骼中还可通过调节调节螺栓或驱动杆来调节气弹簧初始扭矩，从而调节膝关节的自由摆动角度。
附图说明
14.图1是本实用新型的外骨骼的一种结构示意图；
15.图2是图1结构的侧视图；
16.图3是图2局部放大图；
17.图4是弹簧固定座的一种结构示意图；
18.图5是凸轮的一种结构示意图；
19.图6是上支撑板的一种结构示意图；
20.图7是本实用新型外骨骼的另一种可能结构示意图；
21.图8是图7结构的侧视图；
22.图中：
23.1上肢壳，2下肢壳，3上支撑板，4下支撑板，轴承盖，6轴，7轴套，8端盖，9垫块，10凸轮，11杆连接块，12气弹簧，13弹簧固定座，14调节螺栓，15导轨，16滑块，17驱动杆，18驱动轴，19驱动板，1-1、1-2、2-1、2-2绑带，3-1上支撑板直面，4-1凸台，10-1弧面，12-1气弹簧的外壳，12-2气弹簧的气杆，13-1气弹簧安装孔，13-2弹簧固定座上开孔，16-1驱动块。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.本实用新型的一种屈膝储能外骨骼，其一种具体实例如图1、2所示，图中所示外骨骼为左侧下肢外骨骼，左右两侧相互独立，可以独立穿戴使用，由于其原理相同，仅仅是部分零部件结构呈镜像对称，以下以图示的左侧为例进行说明。
26.外骨骼主要包括上肢壳1，下肢壳2，以及将上下肢壳固定在腿部的绑带1-1/1-2和2-1/2-2等辅料。
27.上肢壳1和下肢壳2可以由碳纤维等强度较高的材料制作而成，上肢壳1两侧通过螺钉或铆钉固定有上支撑板3，下肢壳2两侧采用同样方式固定有下支撑板4。同侧的上支撑板3和下支撑板4通过轴6连接，左右两侧轴同轴，因此上肢壳1和下肢壳2可以绕轴6自由转动，轴6平行于人体膝关节，处于膝关节附近，同膝关节一同旋转。
28.其中至少在一侧设有储能单元及驱动组件，储能单元包括弹簧固定座13、气弹簧12、杆连接块11，弹簧固定座13固定于上支撑板1，气弹簧外壳12-1固定安装于弹簧固定座、气杆12-2与杆连接块11固定连接，驱动组件固定安装于下支撑板，且满足：当膝关节弯曲上肢壳下肢壳相向旋转，由于驱动组件的存在使气弹簧压缩以提供支撑力。
29.储能单元中可以设有两个或多个气弹簧，采用多个气弹簧并列的方式可以在使用体积较小气弹簧同时，通过增加弹簧数量增加储能量，也可以限制气杆12-2在气弹簧中的转动。该外骨骼可以使用几百至几千牛的气弹簧储存较大能量，可以非常显著的减轻膝关节受力。
30.如图2、3所示，弹簧固定座13通过螺纹或焊接固定在上支撑板3上，如图4所示，弹簧固定座13上有两个安装孔13-1和一个开孔13-2。其中两个安装孔13-1与两个气弹簧12外壳相固定连接，两平行布置的气弹簧12气杆一端通过杆连接块11相连接，确保两气弹簧会同时被压缩和释放压力。开孔13-2与调节螺栓14同轴(调节螺栓14上端安装有螺帽)，杆连接块11与弹性固定座开孔13-2同轴的位置开有螺纹孔，该螺纹孔与调节螺栓14下端通过螺纹连接，调节螺栓14可以在开孔13-2内沿轴线方向滑动，直至螺帽与开孔相抵而无法全部穿过孔13-2。具体可以将调节螺栓14设计为非全牙螺栓，无螺纹牙部分可自由沿开孔13-2滑动，并且调节螺栓14的螺帽部分无法穿过开孔13-2，这样，通过旋转调节螺栓14，以及杆连接块11和调节螺栓14的配合，可使得杆连接块11沿着螺栓轴线方向移动，同时气弹簧12的气杆被压缩或者释放，进而调节气弹簧压力，控制气弹簧的初始伸缩量，可以调节膝关节可自由摆动的角度，以实现既能不妨碍行走又能弯曲膝关节时储能。
31.本实用新型外骨骼中驱动组件可以采用多种方式实现，可以采用凸轮实现，如图4所示，采用偏置的凸轮，即凸轮10上有一偏置的弧面10-1为凸轮的有效工作曲面，该有效工作曲面与杆连接块11下侧相切，当下肢壳2和上肢壳1在人体带动下发生旋转时，凸轮10开始工作，当膝关节弯曲时，随着凸轮10的旋转，通过杆连接块11将气弹簧12压缩，使得气杆12-2进一步被压缩进入气弹簧外壳12-1，同时，被压缩的气弹簧通过杆连接块11将压力作用于凸轮，进而该力起到限制下肢壳和上肢壳向膝弯曲的方向运动，始终有限制膝关节弯曲的力，进而人下蹲时，起到支撑上身重力的作用，减少膝关节受力。
32.采用该种方式储能，由于凸轮10与杆连接块11的接触处压力角始终为0，因此，气弹簧12仅仅受到沿着气杆12-1轴线方向的力，没有横向力或者翻转扭矩，确保了气缸使用中的安全和稳定。
33.此外，由于人行走过程中，膝关节依靠重力自然弯曲，因此不同体重的人，在行走过程中膝自然摆动的力不同，如果初始气弹簧12弹力过大，可能影响部分人行走舒适度。为此，采用上述这种设计时，可以通过调节螺栓14，使得人站立时凸轮10和杆连接块11不接触，而是弯曲一定角度后再接触，这样该外骨骼就有了一段可调节的自由角度，可以根据个人需求调节，以方便行走。
34.本实用新型中驱动组件还可采用曲柄滑块机构实现，如图7、8所示，导轨15通过螺钉固定在上支撑板3上，滑块16可以自由在导轨15上滑动，且能够承受扭转和导轨垂直方向力。滑块16上固定有驱动块16-1，驱动轴18通过驱动板19固定在下肢壳上，且驱动轴18和上支撑板3和下支撑板4转轴不同心，驱动杆17两端分别与驱动块16-1和驱动轴18铰接，驱动块16-1上端与杆连接块11接触相抵，滑块16的上下滑动带动驱动块16-1沿导轨移动，驱动
块16-1将力作用在杆连接块11上，进而带动气弹簧12压缩储能。
35.这样，当腿带动上支撑板3和下支撑板4发生转动时候，驱动轴18通过驱动杆17将膝关节的转动转化为滑块16沿着导轨15的直线运动，进而驱动气弹簧压缩储能。
36.该方案中可以不设置调节螺栓14，直接通过调节驱动杆17的长度来调节气弹簧的初始伸缩量。
37.此外，本实用新型外骨骼还可以设有上支撑板旋转限位单元，用于限制上支撑板相对下支撑板背离旋转的角度，由此该外骨骼不仅可以储能，还可以防止膝过伸等现象发生，对具有膝过伸等的病人也可以起到防护作用。具体的，如图3、6所示，可以采用极为简单的方式实现，下支撑板4上固定安装有凸台4-1，且上支撑板3有一直面3-1，当上肢壳1绕图中逆时针转动使，凸台4-1会与直面3-1相接触，进而限制其该方向的旋转，而当上肢壳1顺时针旋转时，上支撑板3上的运动不会被限制，这样确保了人穿戴后，膝关节只能向正常膝关节弯曲的方向转动，确保穿戴者不会出现膝过伸等现象。
38.以上仅为本实用新型的代表性实施例，本技术领域的人员根据本实用新型所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本实用新型的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本实用新型的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、修饰或等同变化，均属于本实用新型权利要求所限定的保护范围。