基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼制造技术

本发明专利技术公开了基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，属于穿戴服饰技术领域，包括腰带、大腿织带和小腿

【技术实现步骤摘要】
基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼


[0001]本专利技术属于穿戴服饰
，具体涉及基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼。

技术介绍

[0002]外骨骼，是穿戴在使用者身体外部的一种机械机构，可将人体感觉、思维、运动等器官与机器的感知系统，智能处理中心，控制执行系统相结合，从而达到改善人体物理机能及提供身体素质等目的。近年来，科研人员试图利用主动设备去驱动人体下肢，以达成降低人体行走过程中的能量代谢。然而，主动外骨骼的设备，如电机和电池，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。于是，不少研究者转向被动外骨骼，被动外骨骼基于肌肉储能的机理，即储存然后返回机械功，在没有外部能源的情况下实现辅助。得益于被动外骨骼不需要任何主动设备，且整体结构更为轻量化和简单，被动外骨骼的研究在步行辅助装备领域中显得尤为重要。
[0003]现有技术中，如公开号为CN111658446A的中国专利提供了一种嵌入式无源助行外骨骼机器人裤，该裤子由嵌入式弹性装置、腰部固定器、可调节式踩脚部分和载体裤子组成。该嵌入式无源助行外骨骼机器人裤采用弹性装置作为其核心元件，来负责动能和弹性势能之间的转换，虽然一定程度上达到了助力行走的功能。但是，金属弹簧等元件的设置有碍被动外骨骼的助力性能的体现，且对穿戴舒适性也有一定的影响；同时，该外骨骼机器人裤需要通过绑带或紧身衣之类的手段紧贴在人的躯体上，穿戴过程相当繁琐，且穿戴服饰需要根据使用者的身高体型进行量身定制，适用性较差。针对以上问题，我们发现人体的组织是柔性的，当压迫人体肌肉组织时，呈现出一个弹性单元的刚度性质。而被动外骨骼的核心元件就是采用合适的弹性单元来负责动能和弹性势能之间的转换，如大部分被动外骨骼用的金属弹簧。
[0004]因此，有必要借助肌肉组织的刚度性质，来代替被动外骨骼的金属弹簧，并提供一种无需依托服饰载体的非拉伸软性外骨骼，以减少人们运动过程中代谢能量的消耗。

技术实现思路

[0005]针对相关技术中的问题，本专利技术提出基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，包括腰带、大腿织带和小腿
‑
足组件，
[0007]所述大腿织带包括设于大腿肌肉前侧的第一附接元件，以及设于小腿肌肉后侧的第二附接元件，两附接元件之间沿腿部的两侧呈线型连接有至少两条受力带，各受力带跨越人体的膝关节，呈现包夹住大腿肌肉的形状，所述受力带采用不可拉伸的柔性材料；
[0008]所述腰带束缚在人体的髋关节之上，与所述第一附接元件相连，所述小腿
‑
足组件设于人体小腿与脚底的交接处，与所述第二附接元件相连；
[0009]在站立状态时，大腿织带的两附接元件之间沿腿部表面呈离心拉伸，大腿肌肉被
所述受力带夹迫，存储弹性势能，并在踝关节处施加向上的辅助力矩，当人体下肢预摆动时，受力带快速缩短，大腿肌肉的弹性势能释放。
[0010]在本专利技术中，基于肌肉储能的机理，在没有外部能源的情况下实现辅助步行，将被动外骨骼抽象成腰带、大腿织带和小腿
‑
足组件，实现穿戴结构的轻量化以及保证穿戴时的舒适性。
[0011]作为以上方案的进一步改进，所述第一附接元件、第二附接元件被构造成具有开口的绑带结构，对应套接固定在人体腿部肌肉上，开口处采用魔术贴、子母扣或拉链相互闭合；
[0012]需要说明的是，传统的该外骨骼机器人裤需要通过绑带或紧身衣之类的手段紧贴在人的躯体上，穿戴过程相当繁琐，且穿戴服饰需要根据使用者的身高体型进行量身定制，适用性较差；进一步的，本非拉伸软性外骨骼通过腰带、大腿织带和小腿
‑
足组件与人体对应部位紧固配合，即可完成外骨骼的穿戴作业，无需他人协助穿戴，使用方便。
[0013]作为以上方案的进一步改进，所述受力带的上、下两段分别与腿部肌肉呈贴身设置；在人体矢状面的投影上，受力带的中段经过人体膝关节侧面的中心点，当人处于站立状态时，受力带的中段贴合人体膝关节的侧面肌肉，当人的膝关节做弯曲动作时，受力带的中段呈松弛状变化。
[0014]作为以上方案的进一步改进，所述腰带的两侧自人体后腰处斜向双腿前侧延伸，形成两斜接带，所述斜接带分别与第一附接元件形成可调距离的连接，在人体的矢状面投影上，斜接带与两附接元件的连线相交，形成夹角α，95
°
≤α≤175
°
；
[0015]需要说明的是，腰带和小腿
‑
足组件分别连接在大腿织带的上、下两端，用于将大腿织带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，确保了充足的外骨骼刚度和舒适性。同时，为了防止大腿织带上的拉伸力对膝关节形成力矩，避免对膝关节运动的干扰，大腿织带与斜接带的夹角被有意地设置成大钝角，减少两侧拉伸力的合力对大腿的压迫，大大降低了非拉伸软性外骨骼对髋关节的外部影响。
[0016]作为以上方案的进一步改进，各大腿织带上的受力带具有两条，两受力带在两附接元件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
°
；
[0017]需要说明的是，本非拉伸软性外骨骼主要是基于肌肉储能的原理，将人体的大腿肌肉组织视为一个“弹性单元”，利用其刚度性质，通过从腿部两侧呈直线连接的受力带夹迫大腿肌肉，储存弹性势能，从而产生辅助力矩。进一步的，两受力带形成的延伸角度不同，所提供大腿肌肉夹迫力则不同，配置合理的延伸夹角，可以有效达到穿戴舒适性与助力性能之间的平衡，提高穿戴者的穿戴体验。
[0018]作为以上方案的进一步改进，所述腰带呈环状结构，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；
[0019]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，
[0020]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。
[0021]作为以上方案的进一步改进，所述第二附接元件与小腿
‑
足组件之间设有张紧机构，所述张紧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受力带相连，另一端通过一柔性元件与小腿
‑
足组件形成可调间距的连接；
[0022]需要说明的是，若要减少体能消耗的功效越好，受力带的所提供作用力就要相应增大，则会导致紧绷的不适感越严重，舒适性较差；进一步的，为了有效调节人处于站立状态时受力带所提供的预紧力大小，设置棘轮松紧器进行张紧调节，可大大改善穿戴者的穿戴体验。
[0023]所述小腿
‑
足组件为一脚套，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，包括腰带、大腿织带和小腿
‑
足组件，其特征在于，所述大腿织带包括设于大腿肌肉前侧的第一附接元件，以及设于小腿肌肉后侧的第二附接元件，两附接元件之间沿腿部的两侧呈线型连接有至少两条受力带，各受力带跨越人体的膝关节，呈现包夹住大腿肌肉的形状，所述受力带采用不可拉伸的柔性材料；所述腰带束缚在人体的髋关节之上，与所述第一附接元件相连，所述小腿
‑
足组件设于人体小腿与脚底的交接处，与所述第二附接元件相连；在站立状态时，大腿织带的两附接元件之间沿腿部表面呈离心拉伸，大腿肌肉被所述受力带夹迫，存储弹性势能，并在踝关节处施加向上的辅助力矩，当人体下肢预摆动时，受力带快速缩短，大腿肌肉的弹性势能释放。2.根据权利要求1所述的基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，其特征在于，所述第一附接元件、第二附接元件被构造成具有开口的绑带结构，对应套接固定在人体腿部肌肉上，开口处采用魔术贴、子母扣或拉链相互闭合。3.根据权利要求2所述的基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，其特征在于，所述受力带的上、下两段分别与腿部肌肉呈贴身设置；在人体矢状面的投影上，受力带的中段经过人体膝关节侧面的中心点，当人处于站立状态时，受力带的中段贴合人体膝关节的侧面肌肉，当人的膝关节做弯曲动作时，受力带的中段呈松弛状变化。4.根据权利要求3所述的基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，其特征在于，所述腰带的两侧自人体后腰处斜向双腿前侧延伸，形成两斜接带，所述斜接带分别与第一附接元件形成可调距离的连接，在人体的矢状面投影上，斜接带与两附接元件的连线相交，形成夹角α，95
°
≤α≤175
°
。5.根据权利要求4所述的基于肌肉储能的非拉伸软性外骨骼，其特征在于，各大腿织带上的受力带具有两条，两受力带在两附接元件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
°
。6.根据权利要求1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟聪，王念峰，黎子田，张宪民，王梓聪，夏书豪，黄杰钢，林桂峰，孙泽时，刘新力，付涛，
申请(专利权)人：广东天物新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：