本发明专利技术提供一种复位外骨骼关节，包括转动连接的第一肢体和第二肢体，还包括设置在第一肢体与第二肢体之间的复位机构，该复位机构在第一肢体和第二肢体接近直立状态时提供回复力，促使关节恢复直立状态，在关节未受到显著转矩的情况下保持直立状态。其中复位机构可采用磁性吸引元件或楔块楔槽结构，还包括弹性蓄能机构，在第一肢体和第二肢体伸直的过程中释放弹力而助力。弹性蓄能机构为扭簧、拉簧、压簧或气推杆，所述第一肢体和第二肢体之间设置有限制其转动角度的限位机构。本发明专利技术结构简单，在不消耗外在能源的条件下通过机械的方式实现助力，并且能够实现被动弯曲到主动伸直过程中的复位。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人穿戴设备
，具体涉及一种复位外骨骼关节及其外骨骼助力装置。
技术介绍
外骨骼机器人是一种可穿戴在人体身体外部，并根据人体运动姿态或人脑意念，采用外部能源或便携式能源进行机械助力的主动式机械系统。这种装备在军事领域，可以使士兵携带更多的武器装备，增强士兵的运动能力，有效提高单兵的作战能力；在民用领域，可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重物资，而车辆又无法通行的情况；在医疗领域，外骨骼机器人还可以用于辅助残疾人、老年人行走，也可以帮助暂时丧失运动能力的患者进行机能恢复训练。因此，具有很广阔的应用前景。关于主动式外骨骼机器人，比较著名的包括美国洛克希德马丁公司的Hulc下肢外骨骼机器人和Raytheon Sarcos公司的Xos2全身外骨骼机器人。上述介绍的主动式外骨骼机器人确实能明显增强人体机能，但其弊端也很明显：装置需要依托大量高精度传感器和控制电脑实现主动控制，因此系统复杂、故障率高；复杂的机械结构和高精度的元器件迫使装置研制成本高昂，限制了外骨骼机械的普及使用；并且需要电池等外部能源提供动力，因此严重制约了其续航里程。为此，被动式外骨骼更具普及意义。所谓被动式外骨骼是指没有外部能源提供额外动力的外骨骼机械，这种被动式外骨骼目前研究较少。洛克希德马丁公司推出的Fortis下肢外骨骼属于被动式外骨骼。该装置没有外部的能源输入和动力机，主要作用是将穿戴者持有的工具通过各连杆机构将重力传至地面。因此，工厂员工在Fortis的帮助下可以长时间举持重型电动或气动工具进行大型设备加工。但这种装置主要用在穿戴者静止站立的情况下，并未考虑到穿戴者长途负重行走，以及爬升过程中人体克服负重势能做功的问题，故Fortis的各个运动关节均未采用任何复位与助力机构。但若想使用被动式外骨骼辅助穿戴者在户外长距离负重行走，则运动关节非常需要复位和助力功能。特别是外骨骼的膝关节，需要在直立状态下才能利用连杆铰接的死点原理，将负重的重力高效的传至地面。然而穿戴者在行走过程中，膝关节始终处于弯曲和伸直的交替循环中，且任意时间内只有单侧膝关节伸直，此时所在侧的肢体恰为人体和负重的支撑腿。若要外骨骼辅助人体负重，则需外骨骼的膝关节能随人体所在侧的膝关节伸直时，也能迅速恢复直立状态。而没有复位功能的被动式外骨骼膝关节，当其趋于伸直状态时，不能够自动复位，必须要操作者刻意绷直腿部关节才能复位，这将明显影响人体行走的步态和外骨骼承重的效率。另一方面，当人体在穿戴被动式外骨骼负重爬升的过程中，若外骨骼的运动关节，特别是膝关节处没有额外助力的话，人体则需要通过大腿肌肉的做功克服负重的重力势能。在负重的重力超出人体肌肉持续用力范围时，将明显加剧人体肌肉的疲劳速度。因此没有额外助力的被动式外骨骼关节，也将明显降低被动式外骨骼辅助人体负重行走的功效。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种复位外骨骼关节，能够实现关节的自动复位。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术技术方案如下：一种复位外骨骼关节，包括第一肢体和第二肢体，第一肢体和第二肢体之间通过关节转动连接，还包括设置在第一肢体与第二肢体之间的复位机构和防止关节反向转动的限位结构，该复位机构在第一肢体和第二肢体接近直立状态时提供回复力，促使关节恢复直立状态，在关节未受到显著转矩的情况下保持直立状态。采用上述结构，外骨骼关节在接近直立的状态下会产生回复力，促使外骨骼关节恢复直立状态，使关节在接近直立状态时，可以实现一定力度的自锁，确保关节可以高效的承力；不用再搭载电源等其他供能机构，大大简化了结构，不用操作者运动腿部主动将其伸直，操作方便。进一步，所述复位机构包括设置在第一肢体上的磁铁以及设置在第二肢体上能够与磁铁相吸引的吸引元件，磁铁和吸引元件靠拢时，第一肢体和第二肢体处于伸直状态。吸引元件可以为钢铁等金属或磁铁。具有自动复位、直立自锁，可采用两挡块作为限位结构，在恢复直立时相抵，实现防止关节的反向转动。进一步，所述复位机构由楔块楔槽机构和压紧机构实现，楔块与楔槽的方向可以与关节转动轴平行，也可以布置在关节转动轴的法向平面内，楔块和楔槽的个数可以为1-3个不等，并将其沿转动轴切线均匀布置。如将压紧机构和楔块安装在第二肢体的关节头上，则在第一肢体的关节头上设置对应的楔槽，在转动过程中，压紧机构使得楔块与楔槽的配合面保持紧贴，从而使得第一肢体与第二肢体朝向趋于直立的方向转动而复位。楔块楔槽机构由于只有单侧斜面，另一面为直立面，因此楔块只能在楔槽中单向滑动，另一侧只会使楔块与楔槽的直立面相碰，进而使得第一肢体与第二肢体之间只能正向弯曲而不能反向弯曲，实现限位。进一步，还包括设置在第一肢体与第二肢体之间的弹性蓄能机构，该弹性蓄能机构在第一肢体和第二肢体被动弯曲时蓄能，在第一肢体和第二肢体伸直的过程中释放弹力而助力。采用上述结构，外骨骼关节不仅在接近直立状态时，能在弹性蓄能机构预紧力的作用下回复直立状态，还可以在关节大幅度弯曲时，通过人体肌肉做功被动式蓄能，并在关节伸展过程中释放弹性势能，辅助人体 负重爬升。虽然从物理学角度，人体所耗散的总功并未减少，但由于降低了人体在负重爬升过程中肌肉的最大负荷，避免了肌肉的过度疲劳，所以从生理学角度，被动式助力外骨骼可以降低人体的体能消耗，起到助力的作用。不仅能复位，还能蓄能和助力。进一步，所述弹性蓄能机构为扭簧，所述扭簧安装在关节上，扭簧一端抵在第一肢体上，另一端抵在第二肢体上。进一步，所述第一肢体和第二肢体之间设置有限制其转动角度的限位机构。所述限位机构可以为分别设置在第一肢体和第二肢体上的滑槽和滑块，两者在配合作用下通过滑槽两端的位置限制外骨骼关节在特定角度范围内转动。具体角度范围应该与人体相应关节的转动幅度相适应。特别的针对人体膝关节，转动幅度通常为0-135°，其中0°指大腿和小腿处于直立状态时，因此相应的外骨骼膝关节其转动幅度应该为0-135°，尤其是需要限位机构避免膝关节出现负角度转动，即向前弯曲，进而避免人体膝关节受伤。进一步，所述弹性蓄能机构为拉簧、压簧或气推杆，所述弹性蓄能机构一端固定在第一肢体上，另一端通过拉线与第二肢体连接，所述拉线穿过第一肢体关节头的拉线孔，压在第二肢体关节头上的拉线槽中，所述第二肢体的关节头实际上是与第二肢体固定连接的等半径滑轮。第二肢体关节头的拉线槽末端具有拉线孔，拉线穿过第二肢体的拉线孔，并用拉线端头将拉线锁紧。当外骨骼关节弯曲时，第二肢体的关节头转动，并通过拉长拉线使弹性蓄能机构受力而蓄能；当外骨骼关节伸直时，弹性蓄能机构通过收回拉线，其产生的拉力与第二肢体关节头的滑轮所具有的半径共同决定助力机构对外骨骼关节所产生的转动力矩。进一步，所述弹性蓄能机构为拉簧、压簧或气推杆，所述弹性蓄能机构第一端固定在第一肢体上，在第二肢体的关节头上设置有滑轮，所述拉线一端固定在第一肢体上，拉线另一端绕过滑轮并与弹性蓄能机构的第二端连接。即，将拉线绕过滑轮，两端分别固定在第一肢体上和弹性蓄能机构上，当第一肢体和第二肢体相对转动时，滑轮相对于第一肢体运动，使拉线拉动蓄能机构受力。该装置的滑轮是一种动滑轮机构，因此可以使弹性蓄能机构的助力程度翻倍。在相同刚度的压簧、拉簧或在相同本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复位外骨骼关节，包括第一肢体和第二肢体，第一肢体和第二肢体之间通过关节转动连接，其特征在于：还包括设置在第一肢体与第二肢体之间的复位机构和防止关节反向转动的限位结构，所述复位机构在第一肢体和第二肢体接近直立状态时提供回复力。
【技术特征摘要】
1.一种复位外骨骼关节，包括第一肢体和第二肢体，第一肢体和第二肢体之间通过关节转动连接，其特征在于：还包括设置在第一肢体与第二肢体之间的复位机构和防止关节反向转动的限位结构，所述复位机构在第一肢体和第二肢体接近直立状态时提供回复力。2.根据权利要求1所述的一种复位外骨骼关节，其特征在于：所述复位机构由磁性吸附元件组成。3.根据权利要求1所述的一种复位外骨骼关节，其特征在于：所述复位机构包括压紧机构和楔块楔槽机构，楔块楔槽机构使第一肢体与第二肢体之间形成倾斜的配合面，压紧机构使倾斜的配合面产生关节回复力。4.根据权利要求1所述的一种复位外骨骼关节，其特征在于：还包括设置在第一肢体与第二肢体之间的弹性蓄能机构，该弹性蓄能机构在第一肢体和第二肢体被动弯曲时蓄能，在第一肢体和第二肢体伸直的过程中释放弹力而助力。5.根据权利要求4所述的一种复位外骨骼关节，其特征在于：所述弹性蓄能机构为扭簧，所述扭簧安装在关节上，扭簧一端抵在第一肢体上，另一端抵在第二肢体上。6.根据权利要求4所述的一种复位外骨骼关节，其特征在于：所述弹性蓄能机构为拉簧、压簧或气推杆，所述弹性蓄能机构一端固定在第一肢体上...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁博，姜峰，江敏，李佳克，孙梓瑜，
申请(专利权)人：袁博，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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