CN112025762A - 一种储能关节结构及外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种储能关节结构及外骨骼装置，涉及外骨骼技术领域。本发明的实施例提供的储能关节结构包括第一连接件、第二连接件、传动件以及弹性件。第一连接件和第二连接件可转动地连接，如此形成关节。第一连接件或第二连接件内具有容纳腔，弹性件设置在容纳腔内，以缩小储能关节结构的体积。传动件同时与第一连接件和第二连接件连接，当第一连接件相对第二连接件正向转动时，传动件使弹性件发生形变，如此实现储能，弹性件的弹性力使第一连接件具有相对第二连接件反向转动的趋势，从而减轻穿戴者的负担。该储能关节结构的结构简单，体积小，便于穿戴者使用。

Description

一种储能关节结构及外骨骼装置

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，具体而言，涉及一种储能关节结构及外骨骼装置。

背景技术

助力式外骨骼是增强人体承受和负载能力的装置，例如在工地和车间需要频繁蹲坐和持续久蹲的工作岗位，易对员工的膝关节造成损伤，严重影响工人的身体健康和作业效率，通过下肢外骨骼可以减轻穿戴者膝关节的负担，从而使穿戴者工作效率提高。

目前，下肢外骨骼机器人分主动式和被动式两种，主动式需要电池、电机、控制模块，从而使得其结构复杂、成本高、重量大、体积大，这些缺点使得其无法在工地和车间大量使用。被动式外骨骼机器人内部无动力源，通过储能在一定位置为穿戴者提供助力。然而现有的被动式外骨骼整体结构复杂、体积大，不利于穿戴者使用。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种储能关节结构，其能够改善现有的被动式外骨骼结构复杂、体积大、不利于穿戴者使用的技术问题。

本发明的目的还包括，提供了一种外骨骼装置，其能够改善现有的被动式外骨骼结构复杂、体积大、不利于穿戴者使用的技术问题。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明的实施例提供了一种储能关节结构，其包括第一连接件、第二连接件、传动件以及弹性件；所述第一连接件与所述第二连接件可转动地连接，所述第一连接件或所述第二连接件内具有容纳腔，所述弹性件设置在所述容纳腔内；所述传动件同时与所述第一连接件和所述弹性件连接，当所述第一连接件相对所述第二连接件正向转动时，所述传动件使所述弹性件发生形变，所述弹性件的弹性力使所述第一连接件具有相对所述第二连接件反向转动的趋势。

可选的，所述传动件包括绕线轮以及拉绳，所述绕线轮与所述第一连接件连接，使得所述第一连接件在相对所述第二连接件转动时带动所述绕线轮转动；所述拉绳缠绕所述绕线轮，且所述拉绳的一端固定于所述绕线轮，所述拉绳的另一端连接所述弹性件。

可选的，所述传动件还包括与所述弹性件连接的压板，所述压板位于所述弹性件远离所述绕线轮的一侧，且所述拉绳远离所述绕线轮的一端与所述压板固定连接，以在所述第一连接件相对所述第二连接件正向转动时，通过所述压板压缩所述弹性件。

可选的，所述储能关节结构还包括电磁离合器，所述传动件通过所述电磁离合器与所述第一连接件连接。

可选的，所述储能关节结构还包括关节轴，所述第一连接件和所述第二连接件通过所述关节轴可转动地连接；所述传动件固定连接于所述关节轴，所述电磁离合器的动衔铁固定连接于所述关节轴，所述电磁离合器的静衔铁固定连接于所述第一连接件。

可选的，所述第二连接件包括关节座以及固定连接于所述关节座的杆部，所述关节座与所述第一连接件可转动地连接，所述传动件设置在所述关节座内。

可选的，所述储能关节结构还包括设置于所述第一连接件的锁块，所述关节座上设置有限位台阶，所述锁块用于与所述限位台阶抵触，以限制所述第一连接件相对所述第二连接件转动的范围。

可选的，所述限位台阶的数量为多个，多个所述限位台阶沿所述关节座的周向间隔设置，且多个所述限位台阶到所述第一连接件的转动轴线的距离依次增大；所述锁块与所述第一连接件活动连接，以使所述锁块与不同的所述限位台阶抵触。

可选的，所述储能关节结构还包括止位销，所述锁块上设置有多个销孔，所述止位销可选择地与多个所述销孔插接，以使所述锁块止位于与不同的所述限位台阶对应的位置。

本发明的实施例还提供了一种外骨骼装置。该外骨骼装置包括储能关节结构。储能关节结构包括第一连接件、第二连接件、传动件以及弹性件；所述第一连接件与所述第二连接件可转动地连接，所述第一连接件或所述第二连接件内具有容纳腔，所述弹性件设置在所述容纳腔内；所述传动件同时与所述第一连接件和所述弹性件连接，当所述第一连接件相对所述第二连接件正向转动时，所述传动件使所述弹性件发生形变，所述弹性件的弹性力使所述第一连接件具有相对所述第二连接件反向转动的趋势。

本发明实施例的储能关节结构及外骨骼装置的有益效果包括，例如：

本发明的实施例提供的储能关节结构包括第一连接件、第二连接件、传动件以及弹性件。第一连接件和第二连接件可转动地连接，如此形成关节。第一连接件或第二连接件内具有容纳腔，弹性件设置在容纳腔内，以缩小储能关节结构的体积，同时使得储能关节结构的外观更加简洁。传动件同时与第一连接件和第二连接件连接，当第一连接件相对第二连接件正向转动时，传动件使弹性件发生形变，如此实现储能，弹性件的弹性力使第一连接件具有相对第二连接件反向转动的趋势，如此在第一连接件相对第二连接件方向转动时，通过弹性件能够对第一连接件相对第二连接件方向转动产生助力，从而减轻穿戴者的负担。该储能关节结构的结构简单，体积小，便于穿戴者使用。

本发明的实施例还提供了一种外骨骼装置，其包括上述的储能关节结构。由于该外骨骼装置包括上述的储能关节结构，因此也具有储能关节结构的全部有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的外骨骼装置在第一视角下的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的外骨骼装置在第二视角下的局部结构剖面示意图；

图3为图2中Ⅲ处的放大结构示意图；

图4为图2为Ⅳ-Ⅳ处的剖面结构示意图；

图5为图2中Ⅴ处的局部结构放大示意图。

图标：10-外骨骼装置；100-储能关节结构；110-第一连接件；111-通孔；120-第二连接件；121-关节座；122-限位台阶；123-杆部；124-容纳腔；130-传动件；131-绕线轮；132-拉绳；133-压板；140-电磁离合器；141-静衔铁；142-动衔铁；151-锁块；152-销孔；153-止位销；154-操作部；155-关节轴；160-弹性件；211-脚板；212-小腿调整杆；213-踝关节块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

图1为本实施例提供的外骨骼装置10在第一视角下的结构示意图，图2为本实施例提供的外骨骼装置10在第二视角下的局部结构剖面示意图，图3为图2中Ⅲ处的放大结构示意图。请结合参照图1和图2，本实施例提供了一种储能关节结构100，相应地，提供了一种外骨骼装置10。

外骨骼装置10包括储能关节结构100，同时，外骨骼装置10还包括固定件，固定件设置在储能关节结构100上，从而将储能关节结构100固定于穿戴者。

储能关节结构100包括第一连接件110、第二连接件120、传动件130以及弹性件160。第一连接件110和第二连接件120可转动地连接，如此形成关节。第一连接件110或第二连接件120内具有容纳腔124，弹性件160设置在容纳腔124内，以缩小储能关节结构100的体积，同时使得储能关节结构100的外观更加简洁。传动件130同时与第一连接件110和第二连接件120连接，当第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，传动件130使弹性件160发生形变，如此实现储能，弹性件160的弹性力使第一连接件110具有相对第二连接件120反向转动的趋势，如此在第一连接件110相对第二连接件120方向转动时，通过弹性件160能够对第一连接件110相对第二连接件120方向转动产生助力，从而减轻穿戴者的负担。该储能关节结构100结构简单，体积小，便于穿戴者使用。

在本实施例中，以储能关节结构100作为膝关节为例进行说明，相应地，外骨骼装置10为下肢外骨骼，可以理解的，在其他实施例中，也可以将储能关节结构100用于其他部位的关节，例如肩关节、肘关节等，相应地，外骨骼装置10也可以作为上肢外骨骼。

下面对本实施例提供的储能关节结构100进行进一步说明：

在本实施例中，由于储能关节结构100用作膝关节，因此第一连接件110即可看作大腿连接件，第二连接件120即可看作小腿连接件。当膝盖弯曲，穿戴者具有下蹲的趋势时，第一连接件110相对第二连接件120的转动为正向转动，亦即如图2和图3所示的顺时针方向为正向。当膝盖伸直，穿戴者具有站起的趋势时，第一连接件110相对第二连接件120的转动为反向转动，亦即如图2和图3所示的逆时针方向为反向。

图4为图2为Ⅳ-Ⅳ处的剖面结构示意图，请结合参照图2、图3和图4，在本实施例中，储能关节结构100还包括关节轴155，第一连接件110和第二连接件120通过关节轴155可转动地连接。具体地，第一连接件110和第二连接件120分别与关节轴155连接，从而实现第一连接件110和第二连接件120的可转动地连接。

可选的，储能关节结构100还包括电磁离合器140，传动件130通过电磁离合器140与第一连接件110连接，如此在使用过程中，当电磁离合器140处于啮合状态时，传动件130与第一连接件110传动连接，如此第一连接件110可带动传动件130运动；当电磁离合器140处于分离状态时，传动件130与第一连接件110的传动消除，如此第一连接件110转动时，传动件130不随第一连接件110运动，进而在穿戴者正常行走过程中，通过使电磁离合器140处于分离状态，使得弹性件160不产生助力。

具体地，电磁离合器140包括静衔铁141和动衔铁142。传动件130固定连接于关节轴155，如此当关节轴155转动时，传动件130随关节轴155转动。动衔铁142固定连接于关节轴155，静衔铁141固定连接于第一连接件110，当电磁离合器140通电时，静衔铁141和动衔铁142啮合，电磁离合器140处于啮合状态，当电磁离合器140断电时，静衔铁141和动衔铁142脱离啮合，电磁离合器140处于分离状态。可选的，静衔铁141通过螺栓固定连接于第一连接件110。

在本实施例中，传动件130包括绕线轮131和拉绳132，绕线轮131与第一连接件110连接，使得第一连接件110在相对第二连接件120转动时带动绕线轮131转动。拉绳132缠绕绕线轮131，且拉绳132的一端固定于绕线轮131，拉绳132的另一端连接弹性件160，因此当绕线轮131转动使拉绳132缠绕于绕线轮131外周的长度增长时，拉绳132的另一端使弹性件160向绕线轮131运动，进而使弹性件160发生弹性变形，以储存能量。可选的，拉绳132为钢丝绳。

具体的，绕线轮131固定连接在关节轴155上，当静衔铁141和动衔铁142啮合，关节轴155随第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，绕线轮131与关节轴155同步正向转动，进而使拉绳132缠绕于绕线轮131外周的长度增长，进而使弹性件160发生弹性形变。在本实施例中，容纳腔124设置于第二连接件120，即弹性件160设置于第二连接件120内，可以理解的，在其他实施例中，也可以将容纳腔124设置在第一连接件110内。

图5为图2中Ⅴ处的局部结构放大示意图。请结合参照图2和图5，进一步的，传动件130还包括与弹性件160连接的压板133，压板133位于弹性件160远离绕线轮131的一侧，且拉绳132远离绕线轮131的一端与压板133固定连接，以在第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，通过压板133压缩弹性件160，从而使弹性件160发生形变。具体的，弹性件160为弹簧，压板133位于弹簧的下侧，且弹簧的下端与压板133抵接。当第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，绕线轮131随之正向转动，拉绳132缠绕于绕线轮131外周的长度增长，相应地，拉伸远离绕线轮131的一端高度升高，从而拉动压板133上升，弹簧在压板133的作用下被压缩进而产生弹性形变。弹簧的弹性力作用于压板133，使压板133具有向下运动的趋势，进而通过拉绳132使绕线轮131具有反向转动地趋势，进一步的使得第一连接件110具有相对第二连接件120反向转动地趋势。可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求具体设置弹性件160的结构，例如设置为碟簧、气弹簧甚至压缩气体等。

需要说明的是，在本实施例中，传动件130设置有压板133，从而将压板133设置在弹簧下侧，以使第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，压板133压缩弹簧产生形变，即弹簧为压簧。可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求，将弹簧的下端固定连接于第二连接件120，将弹簧的上端与拉绳132固定连接，如此在第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，拉绳132拉动弹簧伸长，即弹簧为拉簧。

请结合参照图3和图4，在本实施例中，第二连接件120包括关节座121以及固定连接于关节座121的杆部123，关节座121与第一连接件110可转动地连接，传动件130设置在关节座121内。具体地，关节座121可转动地连接于关节轴155，杆部123与关节座121可拆卸地连接。杆部123为管状结构，其内腔用于形成容纳腔124。

储能关节结构100还包括设置于第一连接件110的锁块151，关节座121上设置有限位台阶122，锁块151用于与限位台阶122抵触，以限制第一连接件110相对第二连接件120转动的范围。具体的，限位台阶122为关节座121的外周面沿径向向外凸出形成，锁块151位于限位台阶122逆时针方向的一侧，在第一连接件110相对第二连接件120正向转动，即穿戴者下蹲的过程中，当锁块151与限位台阶122抵触时，第一连接件110相对第二连接件120的正向转动锁止，第一连接件110无法进一步相对第二连接件120正向转动，此时储能关节结构100能够对穿戴者提供向上的支撑力，即对于穿戴者来说相当于一个座椅，从而发挥座椅支撑功能(如图3所示即为锁块151与限位台阶122抵触时的结构)。

进一步的，限位台阶122的数量为多个，多个限位台阶122沿关节座121的周向间隔设置，且多个限位台阶122到第一连接件110的转动轴线的距离依次增大，第一连接件110的转动轴线即为关节轴155的轴线。具体的，限位台阶122的数量为四个，沿正向四个限位台阶122分别为第一限位台阶、第二限位台阶、第三限位台阶和第四限位台阶，第一限位台阶到转动轴线的距离为第一距离，第二限位台阶到转动轴线的距离为第二距离，第三限位台阶到转动轴线的距离为第三距离，第四限位台阶到转动轴线的距离为第四距离，第一距离、第二距离、第三距离和第四距离依次增大。

锁块151与第一连接件110活动连接，通过调节锁块151与第一连接件110的转动轴线的位置，使得锁块151相应位置的限位台阶122抵触，即锁块151能够与不同的限位台阶122抵触，由于多个限位台阶122沿关节座121的周向间隔设置，因此可以改变锁块151与限位台阶122抵触时第一连接件110相对第二连接件120沿正向转动的角度，如此实现了不同高度的座椅支撑。在本实施例中，限位台阶122的数量为四个，因此该储能关节结构100能够提供四个高度的座椅支撑。

进一步的，储能关节结构100还包括止位销153，锁块151上设置有多个销孔152，通过止位销153与不同销孔152插接，以使止位销153止位于与不同限位台阶122对应的位置，从而实现座椅支撑高度的调节，或者说，实现对第一连接件110相对第二连接件120沿正向转动的范围的调节。

具体的，第一连接件110上设置有通孔111，止位销153穿设通孔111并与销孔152插接，从而实现对锁块151的止位。销孔152的数量与限位台阶122的数量一一对应设置，即在本实施例中，销孔152的数量为多个。可以理解的，在其他实施例中，也可以根据需求，将第一连接件110上的通孔111数量设置为多个，通过将止位销153穿设不同位置的通孔111，以使止位销153止位于与不同限位台阶122对应的位置。

进一步的，锁块151远离限位台阶122的一端设置有操作部154，操作部154伸出第一连接件110，以便穿戴者通过操作部154实现拉动锁块151相对第一连接件110移动，进而调节锁块151的位置。

根据本实施例提供的一种储能关节结构100，储能关节结构100的工作原理：

当穿戴者下蹲时，第一连接件110相对第二连接件120正向转动，同时带动关节轴155以及绕线轮131正向转动，拉绳132拉动压板133上升，从而通过压板133压缩弹簧以储能。如此在弹簧力的作用下使得第一连接件110具有一个回复转矩，即第一连接件110具有相对第二连接件120反向转动地趋势，如此对穿戴者的站起产生一定的助力。

当穿戴者正常行走时，此时无需产生助力，因此通过对电磁离合器140断电，使得电磁离合器140处于分离状态，如此当第一连接件110相对第二连接件120正向转动时，第一连接件110的转动不会传递至绕线轮131，即绕线轮131不会发生转动，也就无法使弹性件160发生形变。

本实施例提供的一种储能关节结构100至少具有以下优点：

本实施例提供的储能关节结构100，其通过对传动件130以及弹性件160的设置，使得储能关节结构100的结构简单，进而有助于降低储能关节结构100的重量和体积。同时将弹性件160设置在第一连接件110或第二连接件120内，进一步缩小了储能关节结构100的体积，便于穿戴者使用。通过设置电磁离合器140，使得储能关节在结构能够实现助力功能的开闭，以适应穿戴者在不同运动状态下的使用，使用更加方便合理。

请结合参照图1和图2，本实施例也提供了一种外骨骼装置10，该外骨骼装置10包括上述的储能关节结构100，同时还包括固定件。在本实施例中，外骨骼装置10为下肢外骨骼，固定件即为脚板211，脚板211固定于人体脚掌处。进一步的，外骨骼装置10还包括小腿调整杆212和踝关节块213。小腿调整杆212与第二连接件120的杆部123螺接，从而可以调节小腿长度。踝关节块213连接于小腿调整杆212远离第二连接件120的一端，且脚板211连接于踝关节块213。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种储能关节结构，其特征在于，包括第一连接件(110)、第二连接件(120)、传动件(130)以及弹性件(160)；所述第一连接件(110)与所述第二连接件(120)可转动地连接，所述第一连接件(110)或所述第二连接件(120)内具有容纳腔(124)，所述弹性件(160)设置在所述容纳腔(124)内；所述传动件(130)同时与所述第一连接件(110)和所述弹性件(160)连接，当所述第一连接件(110)相对所述第二连接件(120)正向转动时，所述传动件(130)使所述弹性件(160)发生形变，所述弹性件(160)的弹性力使所述第一连接件(110)具有相对所述第二连接件(120)反向转动的趋势。

2.根据权利要求1所述的储能关节结构，其特征在于，所述传动件(130)包括绕线轮(131)以及拉绳(132)，所述绕线轮(131)与所述第一连接件(110)连接，使得所述第一连接件(110)在相对所述第二连接件(120)转动时带动所述绕线轮(131)转动；所述拉绳(132)缠绕所述绕线轮(131)，且所述拉绳(132)的一端固定于所述绕线轮(131)，所述拉绳(132)的另一端连接所述弹性件(160)。

3.根据权利要求2所述的储能关节结构，其特征在于，所述传动件(130)还包括与所述弹性件(160)连接的压板(133)，所述压板(133)位于所述弹性件(160)远离所述绕线轮(131)的一侧，且所述拉绳(132)远离所述绕线轮(131)的一端与所述压板(133)固定连接，以在所述第一连接件(110)相对所述第二连接件(120)正向转动时，通过所述压板(133)压缩所述弹性件(160)。

4.根据权利要求1所述的储能关节结构，其特征在于，所述储能关节结构(100)还包括电磁离合器(140)，所述传动件(130)通过所述电磁离合器(140)与所述第一连接件(110)连接。

5.根据权利要求4所述的储能关节结构，其特征在于，所述储能关节结构(100)还包括关节轴(155)，所述第一连接件(110)和所述第二连接件(120)通过所述关节轴(155)可转动地连接；所述传动件(130)固定连接于所述关节轴(155)，所述电磁离合器(140)的动衔铁(142)固定连接于所述关节轴(155)，所述电磁离合器(140)的静衔铁(141)固定连接于所述第一连接件(110)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的储能关节结构，其特征在于，所述第二连接件(120)包括关节座(121)以及固定连接于所述关节座(121)的杆部(123)，所述关节座(121)与所述第一连接件(110)可转动地连接，所述传动件(130)设置在所述关节座(121)内。

7.根据权利要求6所述的储能关节结构，其特征在于，所述储能关节结构(100)还包括设置于所述第一连接件(110)的锁块(151)，所述关节座(121)上设置有限位台阶(122)，所述锁块(151)用于与所述限位台阶(122)抵触，以限制所述第一连接件(110)相对所述第二连接件(120)转动的范围。

8.根据权利要求7所述的储能关节结构，其特征在于，所述限位台阶(122)的数量为多个，多个所述限位台阶(122)沿所述关节座(121)的周向间隔设置，且多个所述限位台阶(122)到所述第一连接件(110)的转动轴线的距离沿所述正向依次增大；所述锁块(151)与所述第一连接件(110)活动连接，以使所述锁块(151)与不同的所述限位台阶(122)抵触。

9.根据权利要求8所述的储能关节结构，其特征在于，所述储能关节结构(100)还包括止位销(153)，所述锁块(151)上设置有多个销孔(152)，所述止位销(153)可选择地与多个所述销孔(152)插接，以使所述锁块(151)止位于与不同的所述限位台阶(122)对应的位置。

10.一种外骨骼装置，其特征在于，所述外骨骼装置(10)包括权利要求1-9任一项所述的储能关节结构(100)。

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