基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰及其运动护服制造技术

本发明专利技术公开了基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰及其运动护服，属于穿戴服饰技术领域，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，大腿织带部包括设于大腿肌肉前侧软服上的第一交叉节点，以及设于小腿肌肉后侧软服上的第二交叉节点，两交叉节点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，与所述第一交叉节点相连，所述足跟部设于人体小腿与脚底的交接处，与所述第二交叉节点相连；在步行中，人体下肢摆动会牵引传力路径的拉伸，导致大腿肌肉被夹迫，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。能消耗。能消耗。

【技术实现步骤摘要】
基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰及其运动护服


[0001]本专利技术属于穿戴服饰
，具体涉及基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰及其运动护服。

技术介绍

[0002]步行是人类最频繁的运动。人体的生理结构，包括肌骨和神经等，在数百万年的生物进化中演化得十分擅长于步行，在此生物基础上，想进一步提升人类的步行性能很有挑战性。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。最初，科研人员试图利用主动设备去驱动人体下肢，这样设备做的机械功会替代一部分的生物功在行走期间而达成人体代谢的降低。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。尽管研究者们开发出系留系统来规避这个问题，但这也使得外骨骼在实验室外的场景中难以使用。最近十年，不少研究者转向被动外骨骼，以探寻达到更高性价比的可能性。被动外骨骼基于弹性储能的机理，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CN111840006A的中国专利提供了一种无源助行外骨骼，包括腰部固定支撑装置、大腿支撑装置、小腿支撑装置、脚部支撑装置，其依照健康人体步态行走过程中髋、膝和踝关节在运动过程中的关键自由度和人体空间姿态，绑缚在用户下肢穿戴使用。该无源助行外骨骼采用金属弹簧作为其核心元件，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、站姿减负等功能。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。针对以上问题，我们发现穿戴织物和其下的人体组织都是柔性的，当穿戴织物随着人体运动而拉伸织物和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。人类的行走经过进化后虽然已经十分高效，但人体的软组织和肌肉仍然存在着能量浪费。
[0004]因此，有必要借助穿戴织物和肌肉组织的刚度性质，来代替被动外骨骼的金属弹簧，提供一种简单、轻量化的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰及其运动护服，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无源柔性穿戴服饰及其运动护服，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，
[0007]所述大腿织带部包括设于大腿肌肉前侧软服上的第一交叉节点，以及设于小腿肌
肉后侧软服上的第二交叉节点，两交叉节点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；所述腰带部束缚在人体的髋关节之上，与所述第一交叉节点相连，所述足跟部设于人体小腿与脚底的交接处，与所述第二交叉节点相连；
[0008]在站立状态时，大腿织带部的两交叉节点之间沿腿部表面呈离心拉伸，大腿肌肉被所述受力带夹迫，大腿肌肉与软服一同存储弹性势能，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，大腿肌肉与软服的弹性势能释放。
[0009]在本专利技术中，通过柔性穿戴服饰化的设计，将被动外骨骼抽象成腰带部、大腿织带部和足跟部，并联结缝合在穿戴服饰及其运动护服中，实现穿戴结构的轻量化以及保证穿戴时的舒适性；在步行中，人体下肢摆动会牵引传力路径的拉伸，导致大腿肌肉被夹迫，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。
[0010]作为以上方案的进一步改进，在站立相的开始阶段，穿戴者的髋关节伸展且踝关节屈曲，同时膝关节保持完全伸直；所述大腿织带部随下肢的运动而被持续地离心地拉长，受力带压迫大腿肌肉并被反馈一个反作用力，所述反作用力指向人体的髋关节附近，反作用力的一个分力随受力带传递到人体的后腰处，另一分力传递到所述足跟部处，并作用在人体的踝关节处形成所述辅助力矩；直到预摆动相时，踝关节跖屈时，受力带快速缩短，大腿肌肉的弹性势能被释放；
[0011]具体的，在上述过程中，软服先是帮助穿戴者的踝关节做负功，并连同“大腿弹簧”一起吸收这部分能量，之后再返还回去辅助踝关节的跖屈运动，有效地减少人们运动过程中代谢能量的消耗。
[0012]作为以上方案的进一步改进，所述受力带的上、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，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。
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]作为以上方案的进一步改进，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，
[0017]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。
[0018]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，分别与第一交叉节点形成可调距离的连接，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交叉节点的连线相交，形成夹角α，95
°
≤α≤175
°
；
[0019]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人服接合面上。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，确保了充足的人服串联刚度和舒适性。同时，为了防止大腿织带部上的拉伸力对膝关节形成力矩，避免对膝关节运动的干扰，大腿织带部与腰带部延伸部分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，大大降低了无源柔性穿戴服饰对髋关节的外部影响。
[0020]作为以上方案的进一步改进本文档来自技高网...

【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，其特征在于，所述大腿织带部包括设于大腿肌肉前侧软服上的第一交叉节点，以及设于小腿肌肉后侧软服上的第二交叉节点，两交叉节点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；所述腰带部束缚在人体的髋关节之上，与所述第一交叉节点相连，所述足跟部设于人体小腿与脚底的交接处，与所述第二交叉节点相连；在站立状态时，大腿织带部的两交叉节点之间沿腿部表面呈离心拉伸，大腿肌肉被所述受力带夹迫，大腿肌肉与软服一同存储弹性势能，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，大腿肌肉与软服的弹性势能释放。2.根据权利要求1所述的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰，其特征在于，在站立相的开始阶段，穿戴者的髋关节伸展且踝关节屈曲，同时膝关节保持完全伸直；所述大腿织带部随下肢的运动而被持续地离心地拉长，受力带压迫大腿肌肉并被反馈一个反作用力，所述反作用力指向人体的髋关节附近，反作用力的一个分力随受力带传递到人体的后腰处，另一分力传递到所述足跟部处，并作用在人体的踝关节处形成所述辅助力矩；直到预摆动相时，踝关节跖屈时，受力带快速缩短，大腿肌肉的弹性势能被释放。3.根据权利要求1所述的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰，其特征在于，所述受力带的上、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，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1所述的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰，其特征在于，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，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。7.根据权利要求1或6所述的基于肌肉储能的无源柔性穿戴服饰，其特征在于，所述腰带部的两侧自人体后腰处斜向双腿前侧延伸，分别与第一交叉节点形成可调距离的连接，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交叉节点的连线相交，形成夹角α，95
°
≤α≤175
°

【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：