一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统技术方案

本发明专利技术公开一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分、腰带部分、髋关节部分、大腿部分、膝关节部分、小腿部分、足部；腰带部分连接在背架部分的下侧，腰带部分两侧的下方均连接有一套由髋关节部分、大腿部分、膝关节部分、小腿部分、足部构成的下肢外骨骼，腰带部分两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；本发明专利技术设计的外骨骼系统在为穿戴者提供步行助力及辅助支撑负重的前提下，提高了人机协同的各个关节自由度的活动范围，从而不影响穿戴者的自然步态。

【技术实现步骤摘要】
一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统
本专利技术属于刚性助力外骨骼
，尤其是一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统。
技术介绍
随着科技水平的快速发展，当前世界各国军队的单兵作战装备种类数量日益丰富，同时单兵作业时所需携带装备的重量也大幅增加。特别是士兵在远距离负重行军或者在高原坏境下作业时，需要一种可穿戴式外骨骼系统提供步行助力以及对士兵负重的辅助支撑，并且不会妨碍士兵的肢体动作，从而提高单兵的作业能力。在上述应用场景下，外骨骼系统的特性应当主要体现于人机交互力柔顺，结构强度高，系统可靠，质量轻，惯性小，尤其是对关节能够产生足够的扭矩，以提高士兵穿戴外骨骼系统后的步行能力，以及能够将士兵负重转移到外骨骼上减轻士兵的负担。当前外骨骼主要分为柔性外骨骼和刚性外骨骼，其中柔性外骨骼采用符合人体工程学的布带、鲍登线、电机作为驱动装置，虽然能够提供柔顺的人机交互力且质量轻，惯性小，但是由于柔性结构不能对士兵的负重提供辅助支撑，所以柔性外骨骼必然不能满足上述需求。而现有的刚性外骨骼大多采用液压驱动或电机驱动，且体积大，质量重，肢体关节惯量大，关节自由度活动范围不高，对士兵下肢活动影响较大，影响了穿戴者的自然步态。
技术实现思路
本专利技术提供一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，以解决上述所提到的现有刚性外骨骼系统限制穿戴者各关节自由度活动范围进而影响其自然步态的问题。本专利技术设计的一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统在提高士兵的步行能力以及为士兵提供负重支撑的同时，又能提供给士兵各个关节较大的活动范围，从而不影响士兵的自然步态以及轻便的穿戴体验。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分(1)、腰带部分(2)、髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)；腰带部分(2)连接在背架部分(1)的下侧，腰带部分(2)两侧的下方均连接有一套由髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)构成的下肢外骨骼，腰带部分(2)两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；其中，背架部分(1)包括背带(11)、背架(12)；腰带部分(2)包括腰带模块(21)、腰带(22)；髋关节部分(3)包括髋关节连接板(31)、髋关节电机座(32)、髋关节电机(33)、髋关节输出轴(34)、髋关节外展内收支架(35)、髋关节内外旋连接块(36)；大腿部分(4)包括大腿杆(41)、大腿绑缚(42)；膝关节部分(5)包括膝关节连接板(51)、膝关节挡板(52)、轴承挡圈(53)、膝关节轴承(54)、膝关节转轴(55)、膝关节弹簧(56)、膝关节弹簧下挡板(57)、膝关节弹簧上挡板(58)；小腿部分(6)包括小腿杆(61)、小腿绑缚(62)；足部(7)包括踝部绑缚(71)、小腿弹簧管(72)、足底限位螺钉(73)、足底弹簧(74)、足底弹簧挡块(75)；两根背架(12)的上端设置有上下排布的微孔，通过微孔用缝制的方法连接两根柔性的背带(11)；两根背架(12)的下端设置有将两根背架(12)的下部连接在一起的背架连接板；腰带模块(21)为若干片状部件组合而成的链带，通过增、减片状部件的数量来调节腰带部分(2)的长度；背架连接板的左、右两侧均连接有腰带模块(21)，两侧的腰带模块(21)的另一端连接在腰带(22)的两侧上；两侧的髋关节连接板(31)的上部通过螺栓固定在两侧的腰带模块(21)的片状部件上；髋关节连接板(31)的上部为带水平通孔的板状，下部为环状连接部，在环状连接部的侧面的内侧边缘位置和外侧边缘位置均设置有一圈安装孔，髋关节电机(33)的侧面上也设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)为中部带通孔的盖状结构，在带通孔的侧面的上的内侧边缘处和外侧边缘处均设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)通过螺钉将髋关节电机(33)固定安装在髋关节连接板(31)下部的环状连接部上；髋关节输出轴(34)水平设置，其中部带有通孔，其两端为“L”型衔接部，通过中部的通孔与髋关节电机(33)的主轴固定连接，以实现刚性外骨骼系统髋关节的伸展和屈曲自由度；“L”型衔接部的末端设置有通孔；髋关节外展内收支架(35)为正八边形的环状结构，在其外周的八个端面上的不连接的四个端面的中部均设置有一个安装孔，“L”型衔接部的末端通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)左、右两侧的内侧；髋关节输出轴(34)的“L”型衔接部与髋关节外展内收支架(35)左右两侧组成转动自由副；髋关节内外旋连接块(36)为“L”型连接片，其两部分上均设置有安装孔，两个髋关节内外旋连接块(36)的一部分分别通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)的上、下的外侧，两个髋关节内外旋连接块(36)的另一部分通过螺栓与大腿杆(41)的上部固定在一起；髋关节外展内收支架(35)的上、下两侧与两个髋关节内外旋连接块(36)组成转动自由副，以实现外骨骼系统髋关节的内外旋自由度；大腿杆(41)包括上连接杆、“S”型衔接杆和下连接杆，三者由上到下衔接而成，其中上连接杆的顶部和下部设置有用于安装两个髋关节内外旋连接块(36)的水平通孔，下连接杆的上部设置有大腿绑缚安装孔，大腿绑缚(42)通过大腿绑缚安装孔固定在下连接杆的上部；在大腿绑缚安装孔下方的下连接杆部分的内部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，膝关节连接板(51)的上部通过螺钉固定在该滑槽内，通过将螺钉安装在不同高度的通孔内以调节大腿部分(4)的长度；膝关节连接板(51)的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与大腿杆(41)下部滑槽配合连接的通孔；竖直连接板的下部衔接有一侧面的中部开有通孔、另一侧的外周端面上设置有一圈连接耳的盖状结构，竖直连接板衔接在盖状结构的周向端面的靠近中间开有通孔的侧面的位置上；在盖状结构的设置有连接耳的一侧的下部朝内开有豁口，膝关节弹簧下挡板(57)通过螺钉固定在该豁口处且使其位于盖状结构的内侧；膝关节转轴(55)中部轴段的直径较两端的大，在其中部轴段的顶部朝向下设置有凹槽，且在该凹槽左右两侧设置有通孔，膝关节弹簧上挡板(58)通过螺栓固定在该中部轴段的凹槽内；膝关节转轴(55)与膝关节弹簧上挡板(58)均安装在膝关节连接板(51)的盖状结构的内部，膝关节转轴(55)的朝向盖状结构的带有连接耳的一侧的轴向端面上设置有安装孔，膝关节转轴(55)两端的轴段上均安装有一个膝关节轴承(54)，轴承挡圈(53)通过螺栓固定在膝关节连接板(51)的盖状结构的中间开有通孔的侧面上以卡住该侧的膝关节轴承(54)；膝关节挡板(52)的中部设置有容许膝关节转轴(55)的末端通过的通孔，其周向端面朝外设置有一圈连接耳，与膝关节连接板(51)的盖状结构上的连接耳通过螺钉紧固连接；膝关节转轴(55)的朝向膝关节挡板(52)的一侧的末端依次穿过一个膝关节轴承(54)、膝关节挡板(52)、一个轴承挡圈(53)后与小腿杆(61)的顶部通过螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分(1)、腰带部分(2)、髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)；/n腰带部分(2)连接在背架部分(1)的下侧，腰带部分(2)两侧的下方均连接有一套由髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)构成的下肢外骨骼，腰带部分(2)两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；/n其中，背架部分(1)包括背带(11)、背架(12)；腰带部分(2)包括腰带模块(21)、腰带(22)；髋关节部分(3)包括髋关节连接板(31)、髋关节电机座(32)、髋关节电机(33)、髋关节输出轴(34)、髋关节外展内收支架(35)、髋关节内外旋连接块(36)；大腿部分(4)包括大腿杆(41)、大腿绑缚(42)；膝关节部分(5)包括膝关节连接板(51)、膝关节挡板(52)、轴承挡圈(53)、膝关节轴承(54)、膝关节转轴(55)、膝关节弹簧(56)、膝关节弹簧下挡板(57)、膝关节弹簧上挡板(58)；小腿部分(6)包括小腿杆(61)、小腿绑缚(62)；足部(7)包括踝部绑缚(71)、小腿弹簧管(72)、足底限位螺钉(73)、足底弹簧(74)、足底弹簧挡块(75)；/n两根背架(12)的上端设置有上下排布的微孔，通过微孔用缝制的方法连接两根柔性的背带(11)；两根背架(12)的下端设置有将两根背架(12)的下部连接在一起的背架连接板；腰带模块(21)为若干片状部件组合而成的链带，通过增、减片状部件的数量来调节腰带部分(2)的长度；背架连接板的左、右两侧均连接有腰带模块(21)，两侧的腰带模块(21)的另一端连接在腰带(22)的两侧上；两侧的髋关节连接板(31)的上部通过螺栓固定在两侧的腰带模块(21)的片状部件上；/n髋关节连接板(31)的上部为带水平通孔的板状，下部为环状连接部，在环状连接部的侧面的内侧边缘位置和外侧边缘位置均设置有一圈安装孔，髋关节电机(33)的侧面上也设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)为中部带通孔的盖状结构，在带通孔的侧面的上的内侧边缘处和外侧边缘处均设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)通过螺钉将髋关节电机(33)固定安装在髋关节连接板(31)下部的环状连接部上；髋关节输出轴(34)水平设置，其中部带有通孔，其两端为“L”型衔接部，通过中部的通孔与髋关节电机(33)的主轴固定连接，以实现刚性外骨骼系统髋关节的伸展和屈曲自由度；“L”型衔接部的末端设置有通孔；髋关节外展内收支架(35)为正八边形的环状结构，在其外周的八个端面上的不连接的四个端面的中部均设置有一个安装孔，“L”型衔接部的末端通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)左、右两侧的内侧；髋关节输出轴(34)的“L”型衔接部与髋关节外展内收支架(35)左右两侧组成转动自由副；/n髋关节内外旋连接块(36)为“L”型连接片，其两部分上均设置有安装孔，两个髋关节内外旋连接块(36)的一部分分别通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)的上、下的外侧，两个髋关节内外旋连接块(36)的另一部分通过螺栓与大腿杆(41)的上部固定在一起；髋关节外展内收支架(35)的上、下两侧与两个髋关节内外旋连接块(36)组成转动自由副，以实现外骨骼系统髋关节的内外旋自由度；/n大腿杆(41)包括上连接杆、“S”型衔接杆和下连接杆，三者由上到下衔接而成，其中上连接杆的顶部和下部设置有用于安装两个髋关节内外旋连接块(36)的水平通孔，下连接杆的上部设置有大腿绑缚安装孔，大腿绑缚(42)通过大腿绑缚安装孔固定在下连接杆的上部；在大腿绑缚安装孔下方的下连接杆部分的内部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，膝关节连接板(51)的上部通过螺钉固定在该滑槽内，通过将螺钉安装在不同高度的通孔内以调节大腿部分(4)的长度；/n膝关节连接板(51)的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与大腿杆(41)下部滑槽配合连接的通孔；竖直连接板的下部衔接有一侧面的中部开有通孔、另一侧的外周端面上设置有一圈连接耳的盖状结构，竖直连接板衔接在盖状结构的周向端面的靠近中间开有通孔的侧面的位置上；在盖状结构的设置有连接耳的一侧的下部朝内开有豁口，膝关节弹簧下挡板(57)通过螺钉固定在该豁口处且使其位于盖状结构的内侧；膝关节转轴(55)中部轴段的直径较两端的大，在其中部轴段的顶部朝向下设置有凹槽，且在该凹槽左右两侧设置有通孔，膝关节弹簧上挡板(58)通过螺栓固定在该中部轴段的凹槽内；膝关节转轴(55)与膝关节弹簧上挡板(58)均安装在膝关节连接板(51)的盖状结构的内部，膝关节转轴(55)的朝向盖状结构的带有连接耳的一侧的轴向端面上设置有安装孔，膝关节转轴(55...

【技术特征摘要】
1.一种可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼系统，其特征在于，包括背架部分(1)、腰带部分(2)、髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)；
腰带部分(2)连接在背架部分(1)的下侧，腰带部分(2)两侧的下方均连接有一套由髋关节部分(3)、大腿部分(4)、膝关节部分(5)、小腿部分(6)、足部(7)构成的下肢外骨骼，腰带部分(2)两侧的下肢外骨骼的结构相同，两者呈镜面对称安装；
其中，背架部分(1)包括背带(11)、背架(12)；腰带部分(2)包括腰带模块(21)、腰带(22)；髋关节部分(3)包括髋关节连接板(31)、髋关节电机座(32)、髋关节电机(33)、髋关节输出轴(34)、髋关节外展内收支架(35)、髋关节内外旋连接块(36)；大腿部分(4)包括大腿杆(41)、大腿绑缚(42)；膝关节部分(5)包括膝关节连接板(51)、膝关节挡板(52)、轴承挡圈(53)、膝关节轴承(54)、膝关节转轴(55)、膝关节弹簧(56)、膝关节弹簧下挡板(57)、膝关节弹簧上挡板(58)；小腿部分(6)包括小腿杆(61)、小腿绑缚(62)；足部(7)包括踝部绑缚(71)、小腿弹簧管(72)、足底限位螺钉(73)、足底弹簧(74)、足底弹簧挡块(75)；
两根背架(12)的上端设置有上下排布的微孔，通过微孔用缝制的方法连接两根柔性的背带(11)；两根背架(12)的下端设置有将两根背架(12)的下部连接在一起的背架连接板；腰带模块(21)为若干片状部件组合而成的链带，通过增、减片状部件的数量来调节腰带部分(2)的长度；背架连接板的左、右两侧均连接有腰带模块(21)，两侧的腰带模块(21)的另一端连接在腰带(22)的两侧上；两侧的髋关节连接板(31)的上部通过螺栓固定在两侧的腰带模块(21)的片状部件上；
髋关节连接板(31)的上部为带水平通孔的板状，下部为环状连接部，在环状连接部的侧面的内侧边缘位置和外侧边缘位置均设置有一圈安装孔，髋关节电机(33)的侧面上也设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)为中部带通孔的盖状结构，在带通孔的侧面的上的内侧边缘处和外侧边缘处均设置有一圈安装孔，髋关节电机座(32)通过螺钉将髋关节电机(33)固定安装在髋关节连接板(31)下部的环状连接部上；髋关节输出轴(34)水平设置，其中部带有通孔，其两端为“L”型衔接部，通过中部的通孔与髋关节电机(33)的主轴固定连接，以实现刚性外骨骼系统髋关节的伸展和屈曲自由度；“L”型衔接部的末端设置有通孔；髋关节外展内收支架(35)为正八边形的环状结构，在其外周的八个端面上的不连接的四个端面的中部均设置有一个安装孔，“L”型衔接部的末端通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)左、右两侧的内侧；髋关节输出轴(34)的“L”型衔接部与髋关节外展内收支架(35)左右两侧组成转动自由副；
髋关节内外旋连接块(36)为“L”型连接片，其两部分上均设置有安装孔，两个髋关节内外旋连接块(36)的一部分分别通过螺钉安装在髋关节外展内收支架(35)的上、下的外侧，两个髋关节内外旋连接块(36)的另一部分通过螺栓与大腿杆(41)的上部固定在一起；髋关节外展内收支架(35)的上、下两侧与两个髋关节内外旋连接块(36)组成转动自由副，以实现外骨骼系统髋关节的内外旋自由度；
大腿杆(41)包括上连接杆、“S”型衔接杆和下连接杆，三者由上到下衔接而成，其中上连接杆的顶部和下部设置有用于安装两个髋关节内外旋连接块(36)的水平通孔，下连接杆的上部设置有大腿绑缚安装孔，大腿绑缚(42)通过大腿绑缚安装孔固定在下连接杆的上部；在大腿绑缚安装孔下方的下连接杆部分的内部设置有由底面向上延伸的滑槽，滑槽的两侧边的外侧设置有从上往下排布的通孔，膝关节连接板(51)的上部通过螺钉固定在该滑槽内，通过将螺钉安装在不同高度的通孔内以调节大腿部分(4)的长度；
膝关节连接板(51)的上端为一竖直连接板，其上部侧面上开有一个与大腿杆(41)下部滑槽配合连接的通孔；竖直连接板的下部衔接有一侧面的中部开有通孔、另一侧的外周端面上设置有一圈连接耳的盖状结构，竖直连接板衔接在盖状结构的周向端面的靠近中间开有通孔的侧面的位置上；在盖状结构的设置有连接耳的一侧的下部朝内开有豁口，膝关节弹簧下挡板(57)通过螺钉固定在该豁口处且使其位于盖状结构的内侧；膝关节转轴(55)中部轴段的直径较两端的大，在其中部轴段的顶部朝向下设置有凹槽，且在该凹槽左右两侧设置有通孔，膝关节弹簧上挡板(58)通过螺栓固定在该中部轴段的凹槽内；膝关节转轴(55)与膝关节弹簧上挡板(58)均安装在膝关节连接板(51)的盖状结构的内部，膝关节转轴(55)的朝向盖状结构的带有连接耳的一侧的轴向端面上设置有安装孔，膝关节转轴(55)两端的轴段上均安装有一个膝关节轴承(54)，轴承挡圈(53)通过螺栓固定在膝关节连接板(51)的盖状结构的中间开有通孔的侧面上以卡住该侧的膝关节轴承(54)；膝关节挡板(52)的中部设置有容许膝关节转轴(55)的末端通过的通孔，其周向端面朝外设置有一圈连接耳，与膝关节连接板(51)的盖状结构上的连接耳通过螺钉紧固连接；膝关节转轴(55)的朝向膝关节挡板(52)的一侧的末端依次穿过一个膝关节轴承(54)、膝关节挡板(52)、一个轴承...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭士杰，张毅，陈强，孙磊，丁常松，尹孟可，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12