一种基于动能回收的无源柔性穿戴服饰的制作方法

本技术属于穿戴服饰，具体涉及一种基于动能回收的无源柔性穿戴服饰。

背景技术：

1、长时间的行走会导致人体的下肢肌肉疲劳，肌肉组织的疲劳、损伤会极大地影响人体进行正常肢体运动的能力。近年来，为了减少人体正常步行产生的体能消耗，科研人员致力于研究辅助步行穿戴装备。其中，刚性外骨骼通过机械传动结构的设置，能够给穿戴者提供一定的助力，广泛应用于康复医疗、重物搬运等领域。但是，刚性外骨骼整体较为笨重，会造成穿戴者大量的体能消耗。与刚性外骨骼相对立的，柔性外骨骼结构轻巧，在行走助力方面具有更大优势。

2、现有技术中，如公开号为cn114248257a的中国专利提供了一种辅助使用者下肢运动的运动辅助装置，其包括背包和下肢组件。背包内包含控制模块和驱动源。该背包在使用中的附接到使用者。下肢组件被配置为穿戴在使用者的下肢上。下肢组件包括两个旋转接头构件，用于辅助使用者下肢的至少一个关节，每个旋转接头构件布置成与使用者的被辅助关节对齐且旋转一致。两个旋转接头构件通过线缆连接到驱动源。控制模块用以控制驱动源施加一辅助力，且该辅助力通过线缆传递至各旋转接头构件。该运动辅助装置采用控制模块用以控制驱动源施加辅助力，一定程度上达到了助力行走的功能。但是，其本质上是基于主动外骨骼的原理，驱动源等设备，会向人体增加质量，很大一部分的辅助作用被增加的质量造成的代谢代价所消耗；而被动外骨骼所设置的金属弹簧等元件，则有碍助力性能的体现，且对穿戴舒适性也有一定的影响。

3、因此，针对现有步行穿戴辅助设备的不足，亟需提供一种无源柔性穿戴服饰，以减少人们运动过程中代谢能量的消耗。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本实用新型提出一种基于动能回收的无源柔性穿戴服饰，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于动能回收的无源柔性穿戴服饰，包括一软服，以及联结在软服上的腰带部、大腿织带部和足跟部，所述大腿织带部包括设于大腿肌肉前侧软服上的第一锚定点，以及设于小腿肌肉后侧软服上的第二锚定点，两锚定点之间沿腿部的两侧呈线型连接有至少两条弹性织带，各弹性织带跨越人体的膝关节，呈现包夹住大腿肌肉的形状；所述腰带部束缚在人体的髋关节之上，与所述第一锚定点相连，所述足跟部设于人体小腿与脚底的交接处，与所述第二锚定点相连；

3、当大腿织带部的上下两端被离心地拉伸时，弹性织带存储弹性势能，并在人体踝关节处产生一向上的辅助力矩，当下肢预摆动时，踝关节跖屈，弹性织带上的弹性势能被释放。

4、在本实用新型中，在步行中，人体下肢摆动会牵引弹性织带的拉伸，形成弹力，从而在踝关节处形成向上的助力帮助人体蹬脚离地，有效减少了人体步行时的体能消耗，适用群体广泛，应用前景相当显著。

5、作为以上方案的进一步改进，所述弹性织带的上、下两段分别缝合在所述软服上，随所述软服与腿部肌肉呈贴身设置；在人体矢状面的投影上，弹性织带的中段经过人体膝关节侧面的中心点，呈贴合人体膝关节的侧面肌肉设置。

6、作为以上方案的进一步改进，所述腰带部的两侧自人体后腰处斜向双腿前侧延伸，分别与第一锚定点相连；在人体的矢状面投影上，腰带部斜向大腿前侧延伸的部分与两锚定点的连线相交，形成夹角α，95°≤α≤175°；

7、需要说明的是，腰带部和足跟部分别连接在大腿织带部的上、下两端，用于将大腿织带部的作用力传递到后腰和脚跟的接合面上。这两个部位都是弹性组织较薄的，加之接合面都被设计为受压力而不是剪切力，确保了充足穿戴舒适性。同时，为了防止弹性织带的拉伸力对膝关节形成力矩，避免对膝关节运动的干扰，大腿织带部与腰带部延伸部分的夹角被有意地设置成大钝角，大大减少两侧拉伸力对大腿的压迫。

8、作为以上方案的进一步改进，各大腿织带部上的弹性织带具有两条，两弹性织带在两锚定点之间分别从腿部两侧呈直线连接，形成自然延伸角度范围β，30°≤β≤40°。

9、作为以上方案的进一步改进，所述腰带部呈环状结构，包括设于腰部后半圈的后腰线，以及设于腰部前半圈的前腰线，所述后腰线采用不可拉伸的柔性材料，所述前腰线采用具有弹性的伸缩带，所述前腰线处还设有收紧机构，用于收紧伸缩带，将软服束缚在人体髋关节之上；

10、所述收紧机构包括分设在人体腰部两侧的第一束缚带和第二束缚带，第一束缚带与第二束缚带通过魔术贴、磁吸或卡扣配合固定；或，

11、所述收紧机构包括分设在人体腰部两侧的第一绑绳和第二绑绳，第一绑绳、第二绑绳相互打结固定。

12、作为以上方案的进一步改进，所述软服整体形似一弹力裤，且不含任何刚性构件，腰带部、大腿织带部和足跟部依序缝合在所述弹力裤的一侧；

13、需要说明的是，传统的外骨骼设置有金属弹簧等元件，有碍助力性能的体现，且对穿戴舒适性也有一定的影响；进一步的，设置软服整体形似一弹力裤，且不含任何刚性构件，以穿戴者的穿戴舒适性为导向，有效消除了人体运动过程中外骨骼对人体的阻力，使得人体在步态过程中的运动学变化较小，不会对下肢运动造成干涉，适用群体更为广泛。

14、作为以上方案的进一步改进，所述软服上设置多个数据采集模块，各数据采集模块分设在穿戴者的人体各部位，或独立于软服之外设置，用于采集穿戴者的运动状态数据或代谢状况数据，并反馈至一上位机展示；

15、需要说明的是，柔性穿戴服饰所提供的辅助力矩对于减少穿戴者代谢能耗的成效影响颇大。然而，由于大腿织带部的三维拓扑结构相对复杂，很难通过计算得出其对踝关节的辅助力矩轮廓。进一步，设置多个数据采集模块采集穿戴者的运动状态数据，通过获取的运动状态数据对应调节辅助力矩的大小，有效减少了人体步行时的体能消耗。

16、作为以上方案的进一步改进，腰带部斜向大腿前侧延伸的部分与第一锚定点之间设有受力调整机构，用于调节第一锚定点与腰带部后半圈的距离和角度；

17、所述第二锚定点与足跟部之间设有力度调节机构，所述力度调节机构包括日字扣和棘轮松紧器，所述棘轮松紧器的一端通过日字扣与弹性织带相连，另一端通过一柔性元件与足跟部形成可调间距的连接；

18、为了适配不同身材体型穿戴者的穿戴需求，使其更适合长时间穿戴，进一步的，设置受力调整机构和力度调节机构，对应调节大腿织带部的张紧程度，扩大人群适用范围，应用前景相当显著。

19、作为以上方案的进一步改进，所述足跟部为一脚套，所述脚套包裹在人体的踝关节上，脚套的上部沿小腿后侧延伸，并与所述柔性元件相连，弹性织带通过作用在脚套上，为踝关节的转动施加辅助力矩；采用柔性构造的脚套可大大提高柔性穿戴服饰的穿戴舒适性，且其穿戴独立，无需鞋子等其他介质作适配，结构轻巧简便。

20、作为以上方案的进一步改进，所述足跟部为一鞋跟扣，所述鞋跟扣与鞋子套合固定，所述鞋跟扣沿背离足跟处延伸有一加长力臂，鞋跟扣通过所述加长力臂与所述柔性元件相连，弹性织带通过作用在鞋跟扣上，为踝关节的转动施加辅助力矩；为更好地提高辅助性能，进一步地，在踝关节处设置加长力臂，在同样的助力大小情况下，可以达到2倍以上的功效，辅助性能倍增，效果显著。

21、本实用新型的有益效果：

22、基于动能回收的机理，在没有外部能源的情况下实现辅助步行，通过柔性化的设计，将被动外骨骼抽象成腰带部、大腿织带部和足跟部，将传统的金属弹簧做软性处理，设置成弹性织带，适配不同人的身高体型，实现穿戴结构的轻量化，保证穿戴时的舒适性；

23、在步行中，人体下肢摆动会牵引弹性织带的拉伸，形成弹力，从而在踝关节处形成向上的助力帮助人体蹬脚离地，有效减少了人体步行时的体能消耗，适用群体广泛，应用前景相当显著。