CN111102147B - 一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，包括一个或者两个储能盒，当储能盒是一个时，第一绳子一端与一只脚踝挂钩处连接，另一端与储能盒连接，储能盒通过内侧壳上的绷带绑在腿上，储能盒引出的第二绳子经过腰带与另一只脚的脚踝挂钩连接；本发明设计出的储能盒，根据人在行走过程中，机械能内部的动能和势能之间亦在不断进行转化，有些机械能的损耗是由于肌肉对关节和肢体做负功造成的特点，对这部分能量进行收集并加以利用，对于这部分损耗的能量通过本发明的储能盒进行储存与能量，并在肌肉做正功的时候进行释放，以达到节省代谢能，起到助力的作用。

Description

一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼

技术领域

本发明涉及人体外骨骼技术领域，特别涉及一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，实现双腿之间互助。

背景技术

在人行走过程中，机械能内部的动能和势能之间亦在不断进行转化。在能量的相互转化过程中，总是存在着能量损耗，这主要是由热能的形式消散、克服外界阻力做功或关节内部软组织的磨损等情况引起，这些能量的损耗是客观存在的。然而，在人体正常行走过程中，有些机械能的损耗是由于肌肉对关节和肢体做负功造成的，对于这部分损耗的能量，我们可以通过一种人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼产品来进行储存与能量，并在肌肉做正功的时候进行释放，以达到节省代谢能，起到助力的作用。

现有柔性外骨骼产品均采用电机驱动关节，整体尺寸大，重量大，电池续航能力差，人体穿戴体验感差，并且与人体运动配合性不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，在人体行走时，为人体提供行走助力，提高人体代谢利用率，降低人体机能损耗；或者当人体机能受损时，尤其受到中风偏瘫等疾病困扰的行走障碍时辅助人体行走，具有结构简单、紧凑、拆装方便、操作简便，与人体贴合性好的特点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，包括一个或者两个储能盒A，当储能盒A是一个时，第一绳子16的一端与一只脚的脚踝挂钩31连接，另一端与储能盒A连接，储能盒A通过内侧壳2上的绷带1绑在腿上，储能盒A引出的第二绳子23经过腰带30与另一只脚的脚踝挂钩31连接；

当储能盒A为两个时，两腿各穿戴一个储能盒A，第一绳子16的一端与一只脚踝挂钩31连接，另一端与储能盒A连接，储能盒A引出的第二绳子23经过腰带30与另一只脚的脚踝挂钩31连接，同理，另一只脚的第三绳子16’的一端与另一只脚踝挂钩31连接，另一端与另一储能盒A’连接,另一储能盒A’引出的第四绳子23’经过腰带30与对面脚的脚踝挂钩31连接。

所述的储能盒A由内侧壳2和外侧壳28构成一个盒体，盒体包括第一绳子16，第一绳子16一端与脚踝挂钩31连接，另一端与储能盒A内的一级缠线盒19内壁连接，一级缠线盒19的内壁与一级蜗卷弹簧15连接，一级蜗卷弹簧15内端固定连接在固定轴9上；一级缠线盒19内侧通过销轴与棘爪17连接，且一级缠线盒19上固定的弹簧片18压住棘爪17，棘爪17与棘轮14的槽始终接触；棘轮14与二级蜗簧盒13固定连接，二级蜗簧盒13与固定轴9通过单向轴承13-1连接，二级蜗簧盒13的内壁与二级蜗卷弹簧12外端连接，二级蜗卷弹簧12内端与套轴7固定连接；套轴7与弹簧钢片6上的摩擦块5通过电磁吸铁4实现抱紧和松开，电磁吸铁4通过支架3固定在内侧壳2内；套轴7为空心嵌套轴，套轴7内侧与固定轴9通过单向轴承11连接，套轴7外侧与大齿轮10连接；大齿轮10与小齿轮25啮合，小齿轮25与小轴24之间装有单向轴承21，小轴24上设置有小缠线盒22，小缠线盒22内缠绕有第二绳子23，小轴24另一端通过轴套26实现轴向定位，通过轴承27安装在外侧壳28中，固定轴9的末端通过块29固定在外侧壳28中。

所述的一级缠线盒19为带有缠线凹槽的轮，轮的内侧为空腔结构，内部放置一级蜗卷弹簧15。

所述的二级蜗簧盒13为圆周光滑的轮，轮的内侧为空腔结构，内部放置二级蜗卷弹簧12。

本发明在人行走过程中，机械能内部的动能和势能之间亦在不断进行转化。有些机械能的损耗是由于肌肉对关节和肢体做负功造成的，对这部分能量进行收集并加以利用，对于这部分损耗的能量可以通过本发明的一种人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼来进行储存与能量，并在肌肉做正功的时候进行释放，以达到节省代谢能，起到助力的作用。

本发明的有益效果：

1、本发明可以给受偏瘫等疾病困扰的行走障碍人提供帮助，利用正常侧的下肢的能量为偏瘫侧的下肢提供助力。

2、本发明可以给下肢正常的人行走提供助力，利用一侧的下肢的能量为另一侧的下肢提供助力。

3、本发明的优点在于：结构简单、紧凑、拆装方便、操作简便，不仅能对人体机械能进行存储与释放，还可以进行能量的控制与管理。

4、传动单元尺寸小，重量轻，便于人体穿戴，利用弹性绳传动，外骨骼的柔性好，与人体贴合性好。

5、控制简单便捷，电磁吸铁能耗低，外骨骼续航能力强。

附图说明

图1为本发明的储能盒A的结构***示意图。

图2为本发明只有一个储能盒A的结构示意图。

图3为本发明有两个储能盒A的结构示意图。

图4为本发明的储能盒A的外部整体示意图。

图5为本发明的储能盒A的靠近外侧壳28内部的部件安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图2，一种辅助人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼，包括一个或者两个储能盒A，当储能盒A是一个时，第一绳子16一端与一只脚踝挂钩31连接，另一端与储能盒A连接，储能盒A通过内侧壳2上的绷带1绑在腿上，储能盒A引出的第二绳子23经过腰带30与另一只脚的脚踝挂钩31连接。

参照图3，当储能盒A为两个时，两腿各穿戴一个储能盒A，第一绳子16一端与一只脚踝挂钩31连接，另一端与储能盒A连接，储能盒A引出的第二绳子23经过腰带30与另一只脚的脚踝挂钩31连接，同理，另一只脚的第三绳子16’的一端与另一只脚踝挂钩31连接，另一端与另一储能盒A’连接,另一储能盒A’引出的第四绳子23’经过腰带30与对面脚的脚踝挂钩31连接。

参照图1，图4、图5，所述的储能盒A由内侧壳2和外侧壳构成一个盒体，将内部部件集成在内，包括第一绳子16，第一绳子16的一端与脚踝挂钩31连接，另一端与储能盒A内的一级缠线盒19内壁连接，一级缠线盒19的内壁通过螺钉与一级蜗卷弹簧15连接，一级蜗卷弹簧15内端通过螺钉固定连接在固定轴9上；一级缠线盒19内侧通过销轴与棘爪17连接，且一级缠线盒19上固定的弹簧片18压住棘爪17，棘爪17与棘轮14的槽始终接触；棘轮14与二级蜗簧盒13固定连接，二级蜗簧盒13与固定轴9通过单向轴承13-1连接，二级蜗簧盒13的内壁通过螺钉与二级蜗卷弹簧12外端连接，二级蜗卷弹簧12内端与套轴7通过螺钉固定连接；套轴7与弹簧钢片6上的摩擦块5通过电磁吸铁4实现抱紧和松开，电磁吸铁4通过支架3固定在内侧壳2内；套轴7为空心嵌套轴，套轴7内侧与固定轴9通过单向轴承11连接，套轴7外侧通过键与大齿轮10连接；大齿轮10与小齿轮25啮合，小齿轮25与小轴24之间装有单向轴承21，小轴24上设置有小缠线盒22，小缠线盒22内缠绕有第二绳子23，小轴24另一端通过轴套26实现轴向定位，通过轴承27安装在外侧壳28中，固定轴9的末端通过块29固定在外侧壳28中，防止固定轴9转动。

所述的一级缠线盒19为带有缠线凹槽的轮，轮的内侧为空腔结构，用于放置一级蜗卷弹簧15。

所述的二级蜗簧盒13为圆周光滑的轮，轮的内侧为空腔结构，用于放置二级蜗卷弹簧12。

本发明的工作原理如下：

参照图3，为下肢正常的人行走提供助力，储能盒A是两组，双侧下肢互助：

人体行走时，当右脚跟着地，右脚向后蹬地时，带动第一绳子16伸长，第一绳子16一端与脚踝挂钩31处连接，另一端与一级缠线盒19内圈连接。第一绳子16拉动缠线盒19逆时针旋转动，一级蜗卷弹簧15外端与一级缠线盒19的内壁通过螺钉连接，一级蜗卷弹簧15内端与固定轴9通过螺钉固定连接。一级缠线盒19逆时针旋转的同时，带动一级蜗卷弹簧15进行弹性形变，此时一级蜗卷弹簧15储存能量。

于此同时，棘爪17通过销轴与一级缠线盒19内侧连接，棘爪17被一级缠线盒19上固定的弹簧片18压住，保持棘爪17与二级蜗簧盒13的棘轮14槽始终接触。

当一级缠线盒19逆时针转动，一级蜗卷弹簧15储能的同时，棘爪17推动棘轮14逆时针转动。棘轮14与二级蜗簧盒13固定连接，二级蜗簧盒13逆时针同步转动。二级蜗卷弹簧12外端与二级蜗簧盒13的内壁通过螺钉连接，二级蜗卷弹簧12内端与套轴7通过螺钉固定连接。二级蜗簧盒13跟随一级缠线盒19转动的同时，带动二级蜗卷弹簧12同步储存能量，实现了能量的收集。

当第一绳子16伸长至最长时，一级蜗卷弹簧15的缠线盒19停止转动。棘爪17锁住二级蜗簧盒13的外侧。电磁吸铁4通电状态，摩擦块5压紧套轴7，锁住二级蜗簧盒13的内侧转动，两个缠线盒此时均锁止，实现了能量的管理。

当右脚尖开始蹬地后，第一绳子16长度开始收缩，一级缠线盒19顺时针旋转，一级蜗卷弹簧15释放能量，棘爪17顶起弹簧片18，在棘轮14槽上滑过，一级缠线盒19反转，收绳16；一级缠线盒19和一级蜗卷弹簧15复位，为下一周期准备，但二级蜗卷弹簧12此时由于单向轴承13-1,依然保持锁止。

在左脚蹬地需要能量时，控制电磁吸铁4断电，弹簧钢片6恢复形变，摩擦块5与套轴7脱离，套轴7为空心嵌套轴，内侧与固定轴9通过单向轴承11连接，外侧通过键与大齿轮10连接。

套轴7在二级蜗卷弹簧12的恢复力下，从二级蜗卷弹簧12内侧端开始释放能量，通过键，带动大齿轮10转动；大齿轮10与小齿轮25啮合，大齿轮10带动小齿轮25转动。

小齿轮25与小轴24之间装有单向轴承21，当小齿轮25转动时，带动小轴24转动。当二级蜗卷弹簧12释放能量的同时，小缠线盒22迅速缠上第二绳子23绷紧；拉伸连接左脚踝处的第二绳子23，起到助力效果，实现了能量的迁移。

当左脚助力完成后，左脚向前挥摆时，连接左脚踝的第二绳子23复位，此时，小缠线盒22空转，单向轴承21与小轴24脱离，小轴24不转。第二绳子23复位，为下一阶段准备。至此完成右腿能量向左腿能量的收集、管理与迁移。

当偏瘫等疾病困扰的行走障碍的人使用时，只使用单侧下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼，即只使用一个储能盒A，收集正常一侧的下肢的动力，通过能量的管理，迁移到偏瘫一侧的下肢，为偏瘫一侧的下肢运动，提供助力。

当双腿行走的正常人使用时，使用双侧下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼。收集一侧的下肢的动力，通过能量的管理，迁移到另一侧的下肢，为双腿提供相互助力。

固定轴9与外侧壳28固定连接，套轴7内侧与固定轴9通过单向轴承11连接。外侧通过键与大齿轮10和二级蜗卷弹簧12连接。保证套轴7永远是单向逆时针转动。

小缠线盒22与小轴24通过单向轴承21连接，保证小缠线盒22拉第二绳子23助力后，小腿向前挥摆时，带动第二绳子23复位，小缠线盒22反转，小轴24与小齿轮25不转。

上述蜗卷弹簧外圈的端头通过螺钉与滑轮内壁固定连接。蜗卷弹簧内圈的端头通过螺钉与轴固定连接。

一级缠线盒19通过棘爪带动二级蜗簧盒13转动。棘爪17与一级缠线盒19连接，同时棘爪17在弹簧片18的作用下保持与二级蜗簧盒13的棘轮14始终接触。

一级缠线盒19与二级蜗簧盒13内的蜗卷弹簧均从蜗卷弹簧的外端随缠线盒的转动收集能量；一级缠线盒19内的蜗卷弹簧从外端随缠线盒的转动而释放能量，而二级蜗簧盒13内的蜗卷弹簧从内端随套轴7的转动而释放能量。

为偏瘫等疾病困扰的行走障碍人使用，人体单侧下肢助力：比如偏瘫侧为人体左下肢，左腿行走障碍，但右下肢行走正常。则将右侧的能量传递给左侧，实现行走助力。

人体行走时，带动绳子伸长，造成一级蜗卷弹簧的缠线盒逆时针旋转，一级蜗卷弹簧储存能量。于此同时，一级蜗卷弹簧的缠线盒的棘爪会带动二级蜗卷弹簧的缠线盒进行逆时针转动，造成一级蜗卷弹簧同步储存能量。

当绳子伸长至最长时，一级蜗卷弹簧的缠线盒停止转动。棘爪锁住二级蜗卷弹簧缠线盒。二级蜗卷弹簧12此时由于单向轴承13-1,依然保持锁止。两个缠线盒均锁止。

当右脚开始蹬地时，一级蜗卷弹簧释放能量，棘爪17与棘轮14脱离啮合，缠线盒反转，收线。二级蜗卷弹簧12此时由于单向轴承13-1,二级蜗卷弹簧依然保持锁止。在左脚蹬地需要能量时，电磁吸铁4断电，弹簧钢片6恢复形变，摩擦块5与套轴7脱离，套轴7与固定轴9光滑嵌套连接，套轴7在二级蜗卷弹簧12的恢复力下，开始反向旋转，二级蜗卷弹簧12簧释放能量，套轴7与大齿轮10轮通过键连接，带动大齿轮10转动。大齿轮10带动小齿轮25转动，小齿轮25与小缠线盒22固定连接。造成二级蜗卷弹簧12释放能量的同时，小缠线盒22的第二绳子23绷紧。拉伸左脚的第二绳子23，起到助力效果。

当左脚助力完成后，左脚向前挥摆时，拉动弹性绳复位。至此完成右腿能量向左腿能量的收集、管理与迁移。

综上所述，本发明提供的一种人体下肢能量管理与迁移的柔性外骨骼，既可以为正常人的下肢行走提供双侧相互助力，又可为偏瘫等患者提供单侧助力，提高单侧偏瘫患者的行走能力。该柔性外骨骼不受外界环境条件限制，不借助外界能量参与转换，实现人体能量之间的收集、管理与迁移。该装置效率高，反应迅速，充分匹配人体运动周期。使用柔性弹性绳，可以使外骨骼充分与人体接触，减少人体与外骨骼之间的运动干涉。外骨骼结构简单，穿戴方便，重量轻，人体额外负担少。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，其特征在于，包括一个或者两个储能盒(A)，当储能盒(A)是一个时，第一绳子(16)的一端与一只脚踝挂钩(31)连接，另一端与储能盒(A)连接，储能盒(A)通过内侧壳(2)上的绷带(1)绑在腿上，储能盒(A)引出的第二绳子(23)经过腰带(30)与另一只脚的脚踝挂钩(31)连接；

当储能盒(A)为两个时，两腿各穿戴一个储能盒(A)，第一绳子(16)的一端与一只脚踝挂钩(31)连接，另一端与储能盒(A)连接，储能盒(A)引出的第二绳子(23)经过腰带(30)与另一只脚的脚踝挂钩(31)连接，同理，另一只脚的第三绳子(16’)的一端与另一只脚踝挂钩(31)处连接，另一端与另一储能盒(A’)连接,另一储能盒(A’)引出的第四绳子(23’)经过腰带(30)与对面脚的脚踝挂钩(31)连接；

所述的储能盒(A)由内侧壳(2)和外侧壳构成一个盒体，盒体内部包括第一绳子(16)，第一绳子(16)一端与脚踝挂钩(31)连接，另一端与储能盒(A)内的一级缠线盒(19)内壁连接，一级缠线盒(19)的内壁与一级蜗卷弹簧(15)连接，一级蜗卷弹簧(15)内端固定连接在固定轴(9)上；一级缠线盒(19)内侧通过销轴与棘爪(17)连接，且一级缠线盒(19)上固定的弹簧片(18)压住棘爪(17)，棘爪(17)与棘轮(14)的槽始终接触；棘轮(14)与二级蜗簧盒(13)固定连接，二级蜗簧盒13与固定轴9通过单向轴承13-1连接，二级蜗簧盒(13)的内壁与二级蜗卷弹簧(12)外端连接，二级蜗卷弹簧(12)内端与套轴(7)固定连接；套轴(7)与弹簧钢片(6)上的摩擦块(5)通过电磁吸铁(4)实现抱紧和松开，电磁吸铁(4)通过支架(3)固定在内侧壳(2)内；套轴(7)为空心嵌套轴，套轴(7)内侧与固定轴(9)通过单向轴承(11)连接，套轴(7)外侧通过键与大齿轮(10)连接；大齿轮(10)与小齿轮(25)啮合，小齿轮(25)与小轴(24)之间装有单向轴承(21)，小轴(24)上设置有小缠线盒(22)，小缠线盒(22)内缠绕有第二绳子(23)，小轴(24)另一端通过轴套(26)实现轴向定位，通过轴承(27)安装在外侧壳(28)中，固定轴(9)的末端通过块(29)固定在外侧壳(28)中。

2.根据权利要求1所述的一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，其特征在于，所述的一级缠线盒(19)为带有缠线凹槽的轮，轮的内侧为空腔结构，内部放置一级蜗卷弹簧(15)。

3.根据权利要求1所述的一种辅助人体下肢能量收集管理与迁移的柔性外骨骼，其特征在于，所述的二级蜗簧盒(13)为圆周光滑的轮，轮的内侧为空腔结构，内部放置二级蜗卷弹簧(12)。

Images