本实用新型专利技术涉及一种无源下肢外骨骼的助力装置，包括如下部件：腰板；髋关节机构，包括髋关节凸轮、髋关节端盖、直簧和髋关节固定端，髋关节凸轮装配于髋关节端盖的上端，髋关节凸轮通过端面轴承与腰板相接触，直簧与髋关节端盖的下端转动连接，直簧的下端与髋关节固定端连接；外骨骼大腿，外骨骼大腿的上端与髋关节端盖连接；膝关节储能机构，包括膝关节组件、弹性杆和脚部组件，弹性杆的上端与膝关节组件连接，弹性杆的下端与脚部组件连接，膝关节组件与外骨骼大腿的下端连接，膝关节储能机构用于存储和释放人体在行走过程中的重力势能；外骨骼小腿，外骨骼小腿的上下两端分别与膝关节组件、脚部组件连接。脚部组件连接。脚部组件连接。
【技术实现步骤摘要】
无源下肢外骨骼的助力装置
[0001]本技术涉及一种无源下肢外骨骼的助力装置，属于被动下肢外骨骼
技术介绍
[0002]下肢外骨骼技术的本质是一种并联穿戴于人体外侧，并在伴随人体运动的过程中起到实时增强人体力量与耐力的机械装置，特别是二十世纪九十年代以来，外骨骼技术发展迅猛，国内外许多大学和研究机构都在从事下肢外骨骼技术的研究。考虑到目前主动式下肢外骨骼受到当代电池能量储存密度的制约而产生的续航能力问题，以及控制技术的精度不高而对正常人体下肢运动产生干涉的问题。目前对于拥有自主行动能力的健康人而言，无源下肢外骨骼无异于是最佳的选择。从本质上而言，无源外骨骼通过利用被动弹性元件(扭簧、直簧或气弹簧等)的压缩抗性完成对人体负功的回收，并在元件变形恢复、释放能量的过程中完成对人体的助力。根据能量守恒定律，无源外骨骼的能源最终来源于人体，其本质用途是实现人体能量的更加合理化分配。
[0003]目前被动下肢外骨骼的主要研究方向在于辅助人体下肢分担背部负载，对于有负重需求的人群而言有一定的助力效果，但产品的应用人群较为针对，对常人而言在日常生活中负重的状况是相对较少的，更多外骨骼的应用环境是小负载下人体下肢的关节运动，从本质上而言就是对下肢外骨骼向人体下肢关节的助力提出要求。考虑到下肢外骨骼的能源最终来源于人体本身，回收下肢关节运动时的关节负功用以补偿后续关节运动所需的关节正功是一个容易实现的设计方案，对于髋关节这种大幅运动的下肢关节对此提供了良好的应用基础，但对与膝关节在支撑期内的小幅运动而言就足以为人体提供足够的助力。
技术实现思路
[0004]本技术提供一种无源下肢外骨骼助力装置，该装置中的髋关节机构利用凸轮副行程与弹簧的压缩量相互转化的方式实现人机间能量的储存和转移，利用外骨骼大腿杆实现人机间的能量交互。
[0005]为实现上述目的，本技术采取以下技术方案：
[0006]一种无源下肢外骨骼助力装置，包括如下部件：
[0007]腰板；
[0008]髋关节机构，包括髋关节凸轮、髋关节端盖、直簧和髋关节固定端，所述髋关节凸轮装配于所述髋关节端盖的上端，所述髋关节凸轮通过端面轴承与所述腰板相接触，所述直簧与所述髋关节端盖的下端转动连接，所述直簧的下端与所述髋关节固定端连接；
[0009]外骨骼大腿，所述外骨骼大腿的上端与所述髋关节端盖连接；
[0010]膝关节储能机构，包括膝关节组件、弹性杆和脚部组件，所述弹性杆的上端与所述膝关节组件连接，所述弹性杆的下端与所述脚部组件连接，所述膝关节组件与所述外骨骼大腿的下端连接，所述膝关节储能机构用于存储和释放人体在行走过程中的重力势能；
[0011]外骨骼小腿，所述外骨骼小腿的上下两端分别与所述膝关节组件、所述脚部组件连接。
[0012]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述髋关节机构还包括滚子连接杆、直簧压缩件和直簧调节件，所述滚子连接杆的上端通过髋关节滚子轴承与所述髋关节端盖的下端连接，所述滚子连接杆的下端与所述直簧压缩件的上端连接，所述直簧压缩件的下端与所述直簧的上端连接，所述直簧调节件装配于所述直簧和所述髋关节固定端之间，所述髋关节凸轮和所述髋关节滚子轴承共同做出凸轮副。
[0013]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述膝关节组件包括膝关节外端盖以及与其连接的膝关节内端盖，二者之间形成空腔，空腔内装配有深沟球轴承、凸轮、扭簧和扭簧外侧件，所述深沟球轴承和所述凸轮共同组成旋转副，所述凸轮与所述外骨骼大腿的下端连接。
[0014]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述脚部组件包括直线轴承包裹件、脚底推杆和直线轴承，所述脚底推杆的上端通过踝关节接口与所述弹性杆的下端连接，所述直线轴承环套在所述脚底推杆的下端并组成圆柱副，所述脚底推杆的下端与所述直线轴承包裹件连接，所述弹性杆的下端与所述直线轴承包裹件连接。
[0015]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述脚部组件还包括鞋套，所述鞋套通过关节轴承与所述外骨骼小腿连接，所述外骨骼小腿的上端与所述膝关节外端盖的下端连接，所述外骨骼小腿的下端与所述鞋套连接。
[0016]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述弹性杆的上端通过膝关节接口与所述扭簧外侧件连接，所述膝关节接口通过圆柱销铰接于所述扭簧外侧件的下端。
[0017]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述髋关节端盖上还设置有大腿杆包裹件，用于与所述骨骼大腿连接。
[0018]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述脚部组件还包括地面接触圆饼，所述地面接触圆饼装配于所述直线轴承包裹件的下端。
[0019]所述的无源下肢外骨骼的助力装置，优选地，所述外骨骼大腿还包括大腿部固定件，所述大腿部固定件上设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将所述外骨骼大腿与人体的大腿捆绑在一起；
[0020]所述外骨骼小腿还包括小腿部固定件，所述小腿部固定件上亦设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将所述外骨骼小腿与人体的小腿捆绑在一起。
[0021]基于上述无源下肢外骨骼的助力装置，本技术还提供该装置的助力方法，包括如下步骤：
[0022]所述髋关节机构通过所述凸轮的行程与所述扭簧的压缩量相互转化的方式实现人机间的能量交互和髋关节处关节负功向关节正功的回收和转化，具体地，当支撑腿的髋关节逐渐相对人体向后旋转的过程中，所述髋关节凸轮通过所述滚子连接杆和所述直簧压缩件压缩所述直簧实现对髋关节处关节负功的回收，当支撑腿的髋关节逐渐相对人体向前旋转的过程中，所述直簧通过所述滚子连接杆和所述直簧压缩件的反作用并促进所述髋关节凸轮的旋转以实现对于髋关节处关节正功的转化；
[0023]所述膝关节储能机构利用足底约束的形式实现工作期与支撑期和摆动期的分割，具体地，当足部在支撑期内与地面逐渐接触时，所述脚底推杆受到地面的作用而相对人体
小腿向上运动，通过所述弹性杆和所述扭簧外侧件实现对所述扭簧的预紧，并最终实现对所述扭簧一端的约束，当人体进入摆动期时，所述脚底推杆失去地面的约束，丧失对所述扭簧的一端固定作用；
[0024]所述膝关节储能机构利用所述扭簧的反复变形实现支撑腿的膝关节处关节负功向关节正功的提取和转化，具体地，所述扭簧在支撑期内与所述扭簧外侧件的约束端被固定，伴随膝关节在支撑期内屈曲角度的增加，所述扭簧在外骨骼大腿的约束下被压缩以储存膝关节的关节负功；伴随膝关节在支撑期内屈曲角度的减小，外骨骼大腿逐渐减小对所述扭簧的约束，所述扭簧在此过程中促进膝关节大腿的旋转并向膝关节提供关节正功。
[0025]本技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0026]1、本技术中的髋关节机构利用凸轮幅行程与弹簧的压缩量相互转化的方式实现人机间能量的储存和转移，利用大腿杆实现人机间的能量交互。
[0027]2、本技术中弹性杆的压缩量可调，因人而异调节膝关节的助力效果，膝关节储能机构能够回本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种无源下肢外骨骼的助力装置，其特征在于，包括如下部件：腰板(1)；髋关节机构(2)，包括髋关节凸轮(10)、髋关节端盖(12)、直簧(16)和髋关节固定端(18)，所述髋关节凸轮(10)装配于所述髋关节端盖(12)的上端，所述髋关节凸轮(10)通过端面轴承(9)与所述腰板(1)相接触，所述直簧(16)与所述髋关节端盖(12)的下端转动连接，所述直簧(16)的下端与所述髋关节固定端(18)连接；外骨骼大腿(3)，所述外骨骼大腿(3)的上端与所述髋关节端盖(12)连接；膝关节储能机构，包括膝关节组件(4)、弹性杆(5)和脚部组件(7)，所述弹性杆(5)的上端与所述膝关节组件(4)连接，所述弹性杆(5)的下端与所述脚部组件(7)连接，所述膝关节组件(4)与所述外骨骼大腿(3)的下端连接，所述膝关节储能机构用于存储和释放人体在行走过程中的重力势能；外骨骼小腿(6)，所述外骨骼小腿(6)的上下两端分别与所述膝关节组件(4)、所述脚部组件(7)连接。2.根据权利要求1所述的无源下肢外骨骼的助力装置，其特征在于，所述髋关节机构(2)还包括滚子连接杆(14)、直簧压缩件(15)和直簧调节件(17)，所述滚子连接杆(14)的上端通过髋关节滚子轴承(13)与所述髋关节端盖(12)的下端连接，所述滚子连接杆(14)的下端与所述直簧压缩件(15)的上端连接，所述直簧压缩件(15)的下端与所述直簧(16)的上端连接，所述直簧调节件(17)装配于所述直簧(16)和所述髋关节固定端(18)之间，所述髋关节凸轮(10)和所述髋关节滚子轴承(13)共同构成凸轮副。3.根据权利要求1所述的无源下肢外骨骼的助力装置，其特征在于，所述膝关节组件(4)包括膝关节外端盖(29)以及与其连接的膝关节内端盖(27)，二者之间形成空腔，空腔内装配有深沟球轴承(26)、凸轮(31)、扭簧(25)和扭簧外侧件(28)，所述深沟球轴承(26)和所述凸轮(31)共同组成旋转副，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓，马建峰，孙得成，王刚，王惜亮，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所，
类型：新型
国别省市：
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