CN113601488A - 一种棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棘轮‑锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，包括大腿支撑板、小腿支撑杆、轮系搭载平台和膝关节齿轮机构，轮系搭载平台的一端与大腿支撑板固定连接，另一端与膝关节齿轮机构通过第一轴向转动件进行转动连接，膝关节齿轮机构远离其连接轮系搭载平台的一端与小腿支撑杆连接，在第一轴向转动件上还设有卷簧，卷簧的内端点固定连接在第一轴向转动件上，卷簧的外端点用于与轮系搭载平台固定连接，以使得卷簧在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位。本方案能对膝关节伸膝过程中的负功进行有效吸收，进而减轻负功对膝关节的冲击，对膝关节进行有效保护。

Description

一种棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体涉及一种棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼。

背景技术

外骨骼一种能够穿戴在人体上的结构，它能够把人体做出的行为和机械***的动能紧密联系起来，与此同时，为人提供需要的额外动力，进而增强人体运动机能；外骨骼根据穿戴部位的不同分为上肢外骨骼和下肢外骨骼，上肢外骨骼穿戴在人体上肢，主要为人体上肢的搬运提供助力，下肢外骨骼穿戴在人体的下肢，主要为人体下肢的运动提供助力。

下肢外骨骼根据穿戴部位的不同又可以分为膝关节外骨骼、踝关节外骨骼等，现有技术中的膝关节外骨骼主要是用于对人体膝关节的运动提供助力，如在军事领域，膝关节外骨骼可以通过对军人运动过程中的膝关节提供助力，以增长徒步行走距离，提升负重能力，又如在医疗领域，膝关节外骨骼可以用于患者的步态康复训练，提高康复效果，在助老助残领域，膝关节外骨骼可以用于残疾人的辅助行走、一级帮助老年人恢复行走能力。

现有技术中的下肢外骨骼主要集中在对膝关节提供运动助力方面的研究，而通过对人体膝关节运动过程的研究发现，在人体行走过程中，人体膝关节的运动分为伸膝过程和屈膝过程，在人体膝关节的伸膝过程中存在一部分多余的能量以冲击（或摩擦）的形式作用在膝关节上，该能量称为膝关节负功（以下简称负功），负功对膝关节的冲击是膝关节损伤的主要原因之一。

负功是当伸膝过程结束后，膝关节转角减小到零度后无法继续减小，超出部分的能量讲以股骨与胫骨相撞的方式冲击在膝关节上，在人体伸膝过程中超出部分的能量可以通过下式进行计算：

W _超出能量 =W _肌肉力 +m _小腿 *g*H _{重心改变量} -W _{小腿下落所需最小能量}

上式中的W _超出能量 即为负功；由于负功的存在使得人体每次的伸膝运动膝关节都会受到负功的冲击，进而导致长时间运动后膝关节的损伤。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能对膝关节伸膝过程中的负功进行有效吸收，进而减轻负功对膝关节的冲击，对膝关节进行有效保护的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，包括大腿支撑板、小腿支撑杆、轮系搭载平台和膝关节齿轮机构，所述大腿支撑板上设有大腿绑缚机构，所述小腿支撑杆上设有小腿绑缚机构，所述轮系搭载平台的一端与所述大腿支撑板固定连接，所述轮系搭载平台远离其连接所述大腿支撑板的一端与所述膝关节齿轮机构通过第一轴向转动件进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，所述膝关节齿轮机构远离其连接所述轮系搭载平台的一端与所述小腿支撑杆连接，在所述第一轴向转动件上还设有卷簧，所述卷簧的内端点固定连接在所述第一轴向转动件上，所述卷簧的外端点用于与所述轮系搭载平台固定连接，以使得所述卷簧在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位。

在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向，且本方案中各零件的正向转动方向均为伸膝运动时各零件对应的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。

本发明的工作原理是：本发明的膝关节负功捕捉下肢外骨骼在使用时，先分别通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将该下肢外骨骼穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，轮系搭载平台和膝关节齿轮机构之间通过第一轴向转动件进行转动连接来适应人体膝关节的运动。

在伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，人体小腿带动小腿支撑杆和膝关节齿轮机构向前摆动，此时膝关节齿轮机构将相对轮系搭载平台向后转动，由于卷簧的内端点是固定连接在第一轴向转动件上的，卷簧的外端点用于与轮系搭载平台连接，故此时卷簧将被压缩并储存弹性势能，因此在伸膝过程中，由于卷簧被压缩，故卷簧将对小腿的下落提供阻力，使得W _{小腿下落所需最小能量} 增大，根据负功的计算公式：

W _超出能量 =W _肌肉力 +m _小腿 *g*H _{重心改变量} -W _{小腿下落所需最小能量}

可以知道，当W_{小腿下落所需最小能量}增大时，可以使得作用在膝关节上的负功W _超出能量 降低，进而通过卷簧的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节进行保护的目的。

同时，在屈膝时，人体小腿将相对大腿向后摆动，人体小腿带动小腿支撑杆和膝关节齿轮机构向后摆动，此时膝关节齿轮机构将相对轮系搭载平台向前转动，由于卷簧在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。

综上，本方案利用伸膝时卷簧的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。

优选的，所述膝关节齿轮机构包括小腿连接件和输入齿轮，在所述轮系搭载平台上设有传动齿轮组和发电组件，所述发电组件包括发电机、以及用于与所述发电机的转轴连接的输出齿轮，所述传动齿轮组分别与所述输入齿轮和所述输出齿轮啮合，以将所述输入齿轮的动力传递到所述输出齿轮。

这样，当人体在行走过程中，小腿相对大腿摆动，小腿进一步通过小腿支撑杆带动膝关节齿轮机构运动，此时膝关节齿轮机构上的输入齿轮转动，输入齿轮转动时的动力进一步通过传动齿轮组输送到输出齿轮处，输出齿轮再进一步带动发电机的转轴转动以实现发电的效果，由此就实现了利用膝关节的运动进行发电的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用，同时发电组件的设置对膝关节负功的吸收也具有一定的效果，从而起到了进一步减小负功对膝关节的冲击力的效果。

优选的，所述传动齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮和第一单向转轴，所述第一齿轮与所述输入齿轮啮合，所述第二齿轮与所述输出齿轮啮合，所述第一齿轮通过第一单向轴承连接在所述第一单向转轴上，以使得所述第一齿轮正向转动时能够通过所述第一单向轴承带动所述第一单向转轴转动，且所述第一齿轮反向转动时能够相对所述第一单向转轴自由转动，所述第二齿轮固定连接在所述第一单向转轴上，以使得所述第二齿轮能够跟随所述第一单向转轴同步转动。

这样，在伸膝过程中，小腿通过小腿支撑杆带动膝关节齿轮机构中的输入齿轮正向转动，输入齿轮再进一步将动力传递给第一齿轮，第一齿轮再带动第一单向轴承正向转动，由于此时第一单向轴承与第一单向转轴之间处于锁定状态，故第一单向轴承将带动第一单向转轴同步转动，第一单向转轴转动再进一步带动第二齿轮转动，第二齿轮转动再进一步带动输出齿轮转动，输出齿轮转动再带动发电机的转轴转动以进行发电；而在屈膝过程中，小腿通过小腿支撑杆带动膝关节齿轮机构中的输入齿轮反向转动，输入齿轮再进一步将动力传递给第一齿轮，第一齿轮再带动第一单向轴承反向转动，此时第一单向轴承和第一单向转轴之间处于分离的转动状态，故第一单向转轴将不会被第一单向轴承带动转动，第二齿轮和输出齿轮处于静止状态，由此就实现了输入齿轮动力的单向传递的目的。

优选的，在所述发电机的转轴上连接有第二单向转轴，所述输出齿轮通过第二单向轴承连接在所述第二单向转轴上，以使得所述输出齿轮正向转动时能够通过所述第二单向轴承带动所述第二单向转轴转动，且所述输出齿轮反向转动时能够相对所述第二单向转轴自由转动，在所述第二单向转轴上固定连接有飞轮组件，所述飞轮组件包括沿所述第二单向转轴的轴向方向设置的多个飞轮，以使得所述飞轮组件能够与所述第二单向转轴同步转动。

这样，在伸膝运动时，小腿通过小腿支撑杆带动膝关节齿轮机构绕轮系搭载平台向后转动，此时卷簧被压缩并储存弹性势能，而膝关节齿轮机构中的输入齿轮正向转动，输入齿轮再进一步将动力传递给第一齿轮，第一齿轮再带动第一单向轴承正向转动，由于此时第一单向轴承与第一单向转轴之间处于锁定状态，故第一单向轴承将带动第一单向转轴同步转动，第一单向转轴转动再进一步带动第二齿轮转动，第二齿轮转动再进一步带动输出齿轮转动，输出齿轮带动第二单向轴承转动，此时第二单向轴承和第二单向转轴之间处于锁定状态，故第二单向轴承带动第二单向转轴转动，第二单向转轴转动再进一步带动飞轮组件和发电机的转轴转动，此时飞轮组件转动进行能量储存，发电机的转轴转动进行发电；在屈膝运动时，小腿通过小腿支撑杆带动膝关节齿轮机构绕轮系搭载平台向前转动，此时卷簧储存的弹性势能释放并未屈膝运动提供助力，此时膝关节齿轮机构中的输入齿轮反向转动，输入齿轮再进一步将动力传递给第一齿轮，第一齿轮再带动第一单向轴承反向转动，此时第一单向轴承和第一单向转轴之间处于分离的转动状态，故第一单向转轴将不会被第一单向轴承带动转动，第一齿轮在第一单向转轴上自由转动，第一单向转轴处于静止状态，输入齿轮的动力不能经第一齿轮进行进一步的传递，而此时飞轮组件由于惯性作用持续转动，由于飞轮组件、第二单向转轴和发电机的转轴处于相互锁定状态，故此时飞轮组件将同步带动第二单向转轴和发电机的转轴继续沿相同方向转动，此时第二单向转轴与第二单向轴承处于相对反向转动的状态，故此时输出齿轮在第二单向轴承的作用下不会跟随第二单向转轴转动，而飞轮组件转动时将带动第二单向转轴转动，第二单向转轴转动再带动发电机的转轴进行转动发电，由此实现发电机持续的同方向发电。

综上，本方案在伸膝时将输入齿轮的动力依次通过第一齿轮、第二齿轮和输出齿轮进行传递，一方面传递到飞轮组件处进行能量储存，另一方面带动发电机的转轴转动以进行发电；在屈膝过程中，输入齿轮的动力无法传递到发电机的转轴处，此时则利用飞轮组件的惯性持续转动带动发电机同方向转动进行发电，由此就实现了将小腿相对于大腿的低频往复摆动转化为发电机轴的高频单向转动的目的，从而实现发电机的持续发电效果。

优选的，所述第二齿轮包括棘轮部和锥齿轮部，所述锥齿轮部用于与所述输出齿轮进行啮合，所述棘轮部位于所述锥齿轮部背向所述第一齿轮的一侧，在所述轮系搭载平台上还设有弹簧，所述弹簧的一端连接在所述轮系搭载平台，所述弹簧远离其连接所述轮系搭载平台的一端设有棘爪，所述棘爪能够伸入对应位置所述棘轮部的齿槽内，所述棘轮部和所述棘爪形成棘轮机构，且所述第一单向转轴正向转动时的方向为所述棘轮部的自由转动方向，所述第一单向转轴反向转动时的方向为所述棘轮部的制动方向。

这样，第二齿轮中的锥齿轮部用于与输出齿轮进行啮合以实现动力传递，而第二齿轮中的棘轮部在第一单向转轴正向转动时，棘爪与棘轮部之间处于自由转动状态，此时第一单向转轴带动棘轮部同步正向转动，棘爪则从棘轮部的齿背上滑过以实现棘轮部的自由转动，而当第一齿轮在输入齿轮的作用下反向转动时，第一单向轴承和第一单向转轴处于自由转动状态，第一单向轴承将对第一单向转轴产生摩擦力，此时棘爪将***到棘轮部的齿槽内以与棘轮部之间处于制动状态，由此就可以利用棘轮机构的单向转动特性来抵消第一单向轴承在膝关节屈伸转换时所产生的对第一单向转轴的摩擦力。

优选的，在所述轮系搭载平台上设有两组发电组件，两组所述发电组件沿纵向方向对称设置在所述轮系搭载平台上，且两组所述发电组件中所述发电机的转轴的轴线之间的夹角为55-65°。

这样，在轮系搭载平台上设置两组发电组件，利用两组发电组件同时进行发电，由此可以提高发电能量和发电效率，同时两组发电组件中发电机的转轴的轴线之间的夹角为55-65°，由此可以保证第二齿轮与两组发电组件中的输出齿轮的有效啮合。

优选的，在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间还设有两个垫片，两个所述垫片均固定连接在所述第一单向转轴上，且两个所述垫片沿所述第一单向转轴的轴向进行设置。

这样，通过在第一齿轮和第二齿轮之间设置垫片，利用垫片能够减小两者之间的转动摩擦。

优选的，所述输入齿轮和所述第一齿轮均为直齿轮结构，所述输出齿轮为能够与所述锥齿轮部啮合的锥齿轮结构。

优选的，所述小腿连接件靠近所述小腿支撑杆的一端通过合页与所述小腿支撑杆转动连接。

这样，小腿连接件与小腿支撑杆之间通过合页进行转动连接，使小腿部分可以绕额状面法线转动，可以更好的适应不同穿戴者的腿型，提高穿戴舒适性与灵活性，也可以避免不规范穿戴对外骨骼造成的损坏。

优选的，在所述第一轴向转动件上还设有卷簧预紧盒，所述卷簧的外端点固定连接在所述卷簧预紧盒上，且所述卷簧预紧盒与所述轮系搭载平台固定连接。

这样，利用卷簧预紧盒可以对卷簧在使用前进行足够的预紧，从而使得卷簧能在伸膝过程中储存足够的能量，保证对膝关负功的吸收效果。具体使用时，卷簧的转过角度与弹性势能为二次函数关系，预紧量越大，转动相同角度的弹性势能增量越大。

与现有技术相比，本方案具有以下优点：

1、本方案的外骨骼装置在使用过程中，能够对膝关节处的负功进行有效捕捉，并将捕捉的负功转化为卷簧的弹性势能、发电机的电能、飞轮组件中的转动动能、以及各齿轮传动过程中的损耗，由此减轻了负功对膝关节的冲击，实现了膝关节的有效保护。

2、本方案利用膝关节的运动带动发电机进行发电，发出的电可用于外部充电设备和用电设备的使用，不需要额外耗费人力和时间对用电设备的电量进行补充，适合在户外活动中随身携带，解决了户外移动用电问题，实现电能长时间无限续航，应用于行军作战、抢险救灾、登山探险等户外活动中。

3、本方案第二齿轮采用棘轮-锥齿轮的结构形式能够有效抵消第一单向轴承在膝关节屈伸转换时所产生的对第一单向转轴的摩擦力，保证飞轮组件的单向持续转动，从而实现发电机的持续供电。

4、本方案通过齿轮传动的特性，实现将膝关节的往复间歇性低频反复屈伸运动转化为发电机持续的高频单向转动的效果。

5、本方案通过卷簧周期性收缩与释放实现对膝关节负功的阻尼效果以及对屈膝运动时的助力效果。

6、本方案通过合页对小腿支撑杆和小腿连接件进行转动连接，使小腿部分可以绕额状面法线转动，由此提升了外骨骼装置的灵活性，同时使得不同腿型的人群都能正常穿戴，也可以避免不规范穿戴对外骨骼装置造成的损坏。

7、本方案通过在发电机的转轴上安装飞轮组件，利用飞轮组件的惯性实现发电机不间断持续供电的目的。

附图说明

图1为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼的结构示意图；

图2为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼去除壳体后的结构示意图；

图3为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼的***示意图（未示出壳体）；

图4为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼去除壳体、大腿支撑板、小腿支撑杆、大腿绑缚机构和小腿绑缚机构后的***示意图；

图5为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼去除壳体、大腿支撑板、小腿支撑杆、大腿绑缚机构和小腿绑缚机构后的前侧示意图；

图6为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼去除壳体、大腿支撑板、小腿支撑杆、大腿绑缚机构和小腿绑缚机构后的后侧示意图；

图7为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼去除轮系搭载平台、壳体、大腿支撑板、小腿支撑杆、大腿绑缚机构和小腿绑缚机构后的后侧示意图；

图8为本发明棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼去除轮系搭载平台、壳体、大腿支撑板、小腿支撑杆、大腿绑缚机构和小腿绑缚机构后的结构示意图。

附图标记说明：大腿支撑板1、小腿支撑杆2、大腿绑缚机构3、小腿绑缚机构4、轮系搭载平台5、膝关节齿轮机构6、小腿连接件61、输入齿轮62、壳体7、合页8、发电机9、飞轮组件10、输出齿轮11、第一齿轮12、第一轴向转动件13、卷簧14、卷簧预紧盒15、第二单向转轴16、第一单向转轴17、垫片18、第二齿轮19、棘轮部191、锥齿轮部192、第二单向轴承20、棘爪21、弹簧22、第一单向轴承23。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如附图1到附图3所示，一种棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，包括大腿支撑板1、小腿支撑杆2、轮系搭载平台5和膝关节齿轮机构6，大腿支撑板1上设有大腿绑缚机构3，小腿支撑杆2上设有小腿绑缚机构4，轮系搭载平台5的一端与大腿支撑板1固定连接，轮系搭载平台5远离其连接大腿支撑板1的一端与膝关节齿轮机构6通过第一轴向转动件13进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，膝关节齿轮机构6远离其连接轮系搭载平台5的一端与小腿支撑杆2连接，在第一轴向转动件13上还设有卷簧14，卷簧14的内端点固定连接在第一轴向转动件13上，卷簧14的外端点用于与轮系搭载平台5固定连接，以使得卷簧14在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位，在大腿支撑板1上还设有壳体7，以用于对轮系搭载平台5上的零件进行保护。

在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向，且本方案中各零件的正向转动方向均为伸膝运动时各零件对应的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。

本发明的工作原理是：本发明的膝关节负功捕捉下肢外骨骼在使用时，先分别通过大腿绑缚机构3和小腿绑缚机构4将该下肢外骨骼穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，轮系搭载平台5和膝关节齿轮机构6之间通过第一轴向转动件13进行转动连接来适应人体膝关节的运动。

在伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，人体小腿带动小腿支撑杆2和膝关节齿轮机构6向前摆动，此时膝关节齿轮机构6将相对轮系搭载平台5向后转动，由于卷簧14的内端点是固定连接在第一轴向转动件13上的，卷簧14的外端点用于与轮系搭载平台5连接，故此时卷簧14将被压缩并储存弹性势能，因此在伸膝过程中，由于卷簧14被压缩，故卷簧14将对小腿的下落提供阻力，使得W _{小腿下落所需最小能量} 增大，根据负功的计算公式：

W _超出能量 =W _肌肉力 +m _小腿 *g*H _{重心改变量} -W _{小腿下落所需最小能量}

可以知道，当W_{小腿下落所需最小能量}增大时，可以使得作用在膝关节上的负功W _超出能量 降低，进而通过卷簧14的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节进行保护的目的。

同时，在屈膝时，人体小腿将相对大腿向后摆动，人体小腿带动小腿支撑杆2和膝关节齿轮机构6向后摆动，此时膝关节齿轮机构6将相对轮系搭载平台5向前转动，由于卷簧14在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧14储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。

综上，本方案利用伸膝时卷簧14的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。

如附图4和附图5所示，在本实施例中，膝关节齿轮机构6包括小腿连接件61和输入齿轮62，在轮系搭载平台5上设有传动齿轮组和发电组件，发电组件包括发电机9、以及用于与发电机9的转轴连接的输出齿轮11，传动齿轮组分别与输入齿轮62和输出齿轮11啮合，以将输入齿轮62的动力传递到输出齿轮11。

这样，当人体在行走过程中，小腿相对大腿摆动，小腿进一步通过小腿支撑杆2带动膝关节齿轮机构6运动，此时膝关节齿轮机构6上的输入齿轮62转动，输入齿轮62转动时的动力进一步通过传动齿轮组输送到输出齿轮11处，输出齿轮11再进一步带动发电机9的转轴转动以实现发电的效果，由此就实现了利用膝关节的运动进行发电的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用，同时发电组件的设置对膝关节负功的吸收也具有一定的效果，从而起到了进一步减小负功对膝关节的冲击力的效果。

在本实施例中，传动齿轮组包括第一齿轮12、第二齿轮19和第一单向转轴17，第一齿轮12与输入齿轮62啮合，第二齿轮19与输出齿轮11啮合，第一齿轮12通过第一单向轴承23连接在第一单向转轴17上，以使得第一齿轮12正向转动时能够通过第一单向轴承23带动第一单向转轴17转动，且第一齿轮12反向转动时能够相对第一单向转轴17自由转动，第二齿轮19固定连接在第一单向转轴17上，以使得第二齿轮19能够跟随第一单向转轴17同步转动。

这样，在伸膝过程中，小腿通过小腿支撑杆2带动膝关节齿轮机构6中的输入齿轮62正向转动，输入齿轮62再进一步将动力传递给第一齿轮12，第一齿轮12再带动第一单向轴承23正向转动，由于此时第一单向轴承23与第一单向转轴17之间处于锁定状态，故第一单向轴承23将带动第一单向转轴17同步转动，第一单向转轴17转动再进一步带动第二齿轮19转动，第二齿轮19转动再进一步带动输出齿轮11转动，输出齿轮11转动再带动发电机9的转轴转动以进行发电；而在屈膝过程中，小腿通过小腿支撑杆2带动膝关节齿轮机构6中的输入齿轮62反向转动，输入齿轮62再进一步将动力传递给第一齿轮12，第一齿轮12再带动第一单向轴承23反向转动，此时第一单向轴承23和第一单向转轴17之间处于分离的转动状态，故第一单向转轴17将不会被第一单向轴承23带动转动，第二齿轮19和输出齿轮11处于静止状态，由此就实现了输入齿轮62动力的单向传递的目的。

在本实施例中，在发电机9的转轴上连接有第二单向转轴16，输出齿轮11通过第二单向轴承20连接在第二单向转轴16上，以使得输出齿轮11正向转动时能够通过第二单向轴承20带动第二单向转轴16转动，且输出齿轮11反向转动时能够相对第二单向转轴16自由转动，在第二单向转轴16上固定连接有飞轮组件10，飞轮组件10包括沿第二单向转轴16的轴向方向设置的多个飞轮，以使得飞轮组件10能够与第二单向转轴16同步转动。

这样，在伸膝运动时，小腿通过小腿支撑杆2带动膝关节齿轮机构6绕轮系搭载平台5向后转动，此时卷簧14被压缩并储存弹性势能，而膝关节齿轮机构6中的输入齿轮62正向转动，输入齿轮62再进一步将动力传递给第一齿轮12，第一齿轮12再带动第一单向轴承23正向转动，由于此时第一单向轴承23与第一单向转轴17之间处于锁定状态，故第一单向轴承23将带动第一单向转轴17同步转动，第一单向转轴17转动再进一步带动第二齿轮19转动，第二齿轮19转动再进一步带动输出齿轮11转动，输出齿轮11带动第二单向轴承20转动，此时第二单向轴承20和第二单向转轴16之间处于锁定状态，故第二单向轴承20带动第二单向转轴16转动，第二单向转轴16转动再进一步带动飞轮组件10和发电机9的转轴转动，此时飞轮组件10转动进行能量储存，发电机9的转轴转动进行发电；在屈膝运动时，小腿通过小腿支撑杆2带动膝关节齿轮机构6绕轮系搭载平台5向前转动，此时卷簧14储存的弹性势能释放并未屈膝运动提供助力，此时膝关节齿轮机构6中的输入齿轮62反向转动，输入齿轮62再进一步将动力传递给第一齿轮12，第一齿轮12再带动第一单向轴承23反向转动，此时第一单向轴承23和第一单向转轴17之间处于分离的转动状态，故第一单向转轴17将不会被第一单向轴承23带动转动，第一齿轮12在第一单向转轴17上自由转动，第一单向转轴17处于静止状态，输入齿轮62的动力不能经第一齿轮12进行进一步的传递，而此时飞轮组件10由于惯性作用持续转动，由于飞轮组件10、第二单向转轴16和发电机9的转轴处于相互锁定状态，故此时飞轮组件10将同步带动第二单向转轴16和发电机9的转轴继续沿相同方向转动，此时第二单向转轴16与第二单向轴承20处于相对反向转动的状态，故此时输出齿轮11在第二单向轴承20的作用下不会跟随第二单向转轴16转动，而飞轮组件10转动时将带动第二单向转轴16转动，第二单向转轴16转动再带动发电机9的转轴进行转动发电，由此实现发电机9持续的同方向发电。

综上，本方案在伸膝时将输入齿轮62的动力依次通过第一齿轮12、第二齿轮19和输出齿轮11进行传递，一方面传递到飞轮组件10处进行能量储存，另一方面带动发电机9的转轴转动以进行发电；在屈膝过程中，输入齿轮62的动力无法传递到发电机9的转轴处，此时则利用飞轮组件10的惯性持续转动带动发电机9同方向转动进行发电，由此就实现了将小腿相对于大腿的低频往复摆动转化为发电机9轴的高频单向转动的目的，从而实现发电机9的持续发电效果。

如附图6到附图8所示，在本实施例中，第二齿轮19包括棘轮部191和锥齿轮部192，锥齿轮部192用于与输出齿轮11进行啮合，棘轮部191位于锥齿轮部192背向第一齿轮12的一侧，在轮系搭载平台5上还设有弹簧22，弹簧22的一端连接在轮系搭载平台5，弹簧22远离其连接轮系搭载平台5的一端设有棘爪21，棘爪21能够伸入对应位置棘轮部191的齿槽内，棘轮部191和棘爪21形成棘轮机构，且第一单向转轴17正向转动时的方向为棘轮部191的自由转动方向，第一单向转轴17反向转动时的方向为棘轮部191的制动方向。

这样，第二齿轮19中的锥齿轮部192用于与输出齿轮11进行啮合以实现动力传递，而第二齿轮19中的棘轮部191在第一单向转轴17正向转动时，棘爪21与棘轮部191之间处于自由转动状态，此时第一单向转轴17带动棘轮部191同步正向转动，棘爪21则从棘轮部191的齿背上滑过以实现棘轮部191的自由转动，而当第一齿轮12在输入齿轮62的作用下反向转动时，第一单向轴承23和第一单向转轴17处于自由转动状态，第一单向轴承23将对第一单向转轴17产生摩擦力，此时棘爪21将***到棘轮部191的齿槽内以与棘轮部191之间处于制动状态，由此就可以利用棘轮机构的单向转动特性来抵消第一单向轴承23在膝关节屈伸转换时所产生的对第一单向转轴17的摩擦力。

在本实施例中，在轮系搭载平台5上设有两组发电组件，两组发电组件沿纵向方向对称设置在轮系搭载平台5上，且两组发电组件中发电机9的转轴的轴线之间的夹角为55-65°。具体的，本实施例中该角度为60°。

这样，在轮系搭载平台5上设置两组发电组件，利用两组发电组件同时进行发电，由此可以提高发电能量和发电效率，同时两组发电组件中发电机9的转轴的轴线之间的夹角为55-65°，由此可以保证第二齿轮19与两组发电组件中的输出齿轮11的有效啮合。

又如附图4所示，在本实施例中，在第一齿轮12和第二齿轮19之间还设有两个垫片18，两个垫片18均固定连接在第一单向转轴17上，且两个垫片18沿第一单向转轴17的轴向进行设置。

这样，通过在第一齿轮12和第二齿轮19之间设置垫片18，利用垫片18能够减小两者之间的转动摩擦。

在本实施例中，输入齿轮62和第一齿轮12均为直齿轮结构，输出齿轮11为能够与锥齿轮部192啮合的锥齿轮结构。

在本实施例中，小腿连接件61靠近小腿支撑杆2的一端通过合页8与小腿支撑杆2转动连接。

这样，小腿连接件61与小腿支撑杆2之间通过合页8进行转动连接，使小腿部分可以绕额状面法线转动，可以更好的适应不同穿戴者的腿型，提高穿戴舒适性与灵活性，也可以避免不规范穿戴对外骨骼造成的损坏。

在本实施例中，在第一轴向转动件13上还设有卷簧预紧盒15，卷簧14的外端点固定连接在卷簧预紧盒15上，且卷簧预紧盒15与轮系搭载平台5固定连接。

这样，利用卷簧预紧盒15可以对卷簧14在使用前进行足够的预紧，从而使得卷簧14能在伸膝过程中储存足够的能量，保证对膝关负功的吸收效果。具体使用时，卷簧14的转过角度与弹性势能为二次函数关系，预紧量越大，转动相同角度的弹性势能增量越大。

与现有技术相比，本方案具有以下优点：

本方案的外骨骼装置在使用过程中，能够对膝关节处的负功进行有效捕捉，并将捕捉的负功转化为卷簧14的弹性势能、发电机9的电能、飞轮组件10中的转动动能、以及各齿轮传动过程中的损耗，由此减轻了负功对膝关节的冲击，实现了膝关节的有效保护。本方案利用膝关节的运动带动发电机9进行发电，发出的电可用于外部充电设备和用电设备的使用，不需要额外耗费人力和时间对用电设备的电量进行补充，适合在户外活动中随身携带，解决了户外移动用电问题，实现电能长时间无限续航，应用于行军作战、抢险救灾、登山探险等户外活动中。本方案第二齿轮19采用棘轮-锥齿轮的结构形式能够有效抵消第一单向轴承23在膝关节屈伸转换时所产生的对第一单向转轴17的摩擦力，保证飞轮组件10的单向持续转动，从而实现发电机9的持续供电。本方案通过齿轮传动的特性，实现将膝关节的往复间歇性低频反复屈伸运动转化为发电机9持续的高频单向转动的效果。本方案通过卷簧14周期性收缩与释放实现对膝关节负功的阻尼效果以及对屈膝运动时的助力效果。本方案通过合页8对小腿支撑杆2和小腿连接件61进行转动连接，使小腿部分可以绕额状面法线转动，由此提升了外骨骼装置的灵活性，同时使得不同腿型的人群都能正常穿戴，也可以避免不规范穿戴对外骨骼装置造成的损坏。本方案通过在发电机9的转轴上安装飞轮组件10，利用飞轮组件10的惯性实现发电机9不间断持续供电的目的。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，包括大腿支撑板、小腿支撑杆、轮系搭载平台和膝关节齿轮机构，所述大腿支撑板上设有大腿绑缚机构，所述小腿支撑杆上设有小腿绑缚机构，所述轮系搭载平台的一端与所述大腿支撑板固定连接，所述轮系搭载平台远离其连接所述大腿支撑板的一端与所述膝关节齿轮机构通过第一轴向转动件进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，所述膝关节齿轮机构远离其连接所述轮系搭载平台的一端与所述小腿支撑杆连接，在所述第一轴向转动件上还设有卷簧，所述卷簧的内端点固定连接在所述第一轴向转动件上，所述卷簧的外端点用于与所述轮系搭载平台固定连接，以使得所述卷簧在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位。

2.根据权利要求1所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，所述膝关节齿轮机构包括小腿连接件和输入齿轮，在所述轮系搭载平台上设有传动齿轮组和发电组件，所述发电组件包括发电机、以及用于与所述发电机的转轴连接的输出齿轮，所述传动齿轮组分别与所述输入齿轮和所述输出齿轮啮合，以将所述输入齿轮的动力传递到所述输出齿轮。

3.根据权利要求2所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，所述传动齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮和第一单向转轴，所述第一齿轮与所述输入齿轮啮合，所述第二齿轮与所述输出齿轮啮合，所述第一齿轮通过第一单向轴承连接在所述第一单向转轴上，以使得所述第一齿轮正向转动时能够通过所述第一单向轴承带动所述第一单向转轴转动，且所述第一齿轮反向转动时能够相对所述第一单向转轴自由转动，所述第二齿轮固定连接在所述第一单向转轴上，以使得所述第二齿轮能够跟随所述第一单向转轴同步转动。

4.根据权利要求3所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，在所述发电机的转轴上连接有第二单向转轴，所述输出齿轮通过第二单向轴承连接在所述第二单向转轴上，以使得所述输出齿轮正向转动时能够通过所述第二单向轴承带动所述第二单向转轴转动，且所述输出齿轮反向转动时能够相对所述第二单向转轴自由转动，在所述第二单向转轴上固定连接有飞轮组件，所述飞轮组件包括沿所述第二单向转轴的轴向方向设置的多个飞轮，以使得所述飞轮组件能够与所述第二单向转轴同步转动。

5.根据权利要求3所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，所述第二齿轮包括棘轮部和锥齿轮部，所述锥齿轮部用于与所述输出齿轮进行啮合，所述棘轮部位于所述锥齿轮部背向所述第一齿轮的一侧，在所述轮系搭载平台上还设有弹簧，所述弹簧的一端连接在所述轮系搭载平台，所述弹簧远离其连接所述轮系搭载平台的一端设有棘爪，所述棘爪能够伸入对应位置所述棘轮部的齿槽内，所述棘轮部和所述棘爪形成棘轮机构，且所述第一单向转轴正向转动时的方向为所述棘轮部的自由转动方向，所述第一单向转轴反向转动时的方向为所述棘轮部的制动方向。

6.根据权利要求2所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，在所述轮系搭载平台上设有两组发电组件，两组所述发电组件沿纵向方向对称设置在所述轮系搭载平台上，且两组所述发电组件中所述发电机的转轴的轴线之间的夹角为55-65°。

7.根据权利要求3所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，在所述第一齿轮和所述第二齿轮之间还设有两个垫片，两个所述垫片均固定连接在所述第一单向转轴上，且两个所述垫片沿所述第一单向转轴的轴向进行设置。

8.根据权利要求5所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，所述输入齿轮和所述第一齿轮均为直齿轮结构，所述输出齿轮为能够与所述锥齿轮部啮合的锥齿轮结构。

9.根据权利要求2所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，所述小腿连接件靠近所述小腿支撑杆的一端通过合页与所述小腿支撑杆转动连接。

10.根据权利要求1所述的棘轮-锥齿轮传动膝关节负功捕捉下肢外骨骼，其特征在于，在所述第一轴向转动件上还设有卷簧预紧盒，所述卷簧的外端点固定连接在所述卷簧预紧盒上，且所述卷簧预紧盒与所述轮系搭载平台固定连接。

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