CN113618714B - 一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，包括腰部模块、左腿模块、右腿模块、辅助连接件以及拉伸装置。在人体腰部、大腿、小腿和足部对称布置负责绑紧装置模块的固定件和负责与其他装置模块连接拉簧的挂载件，在人体腰部‑大腿和小腿‑足部模块处布置拉伸弹簧。在人体行走或跑步时，当腿部向前运动，腰部模块和左/右腿模块的大腿模块之间布置的拉伸弹簧吸收能量，在人体蹬地时释放能量。当足部踏地时，左/右腿模块的小腿模块和足部模块之间布置的拉伸弹簧吸收能量，并在人体蹬地时释放能量。

Description

一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置

技术领域

本发明属于下肢外骨骼的技术领域，具体涉及一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置。

背景技术

人体下肢外骨骼技术通常根据一定的原理对人体相应的步态进行辅助，从而达到增强或辅助人体对应运动的效果。一般来说，根据其能量来源划分，人体下肢外骨骼分为有源外骨骼(或主动外骨骼，动力外骨骼)和无源外骨骼(或被动外骨骼)。有源外骨骼由于其需要配置对应的电机和能源储存装置，因此人体需要额外的能量进行背负或者使用复杂的机构向地面传导重量，而无源外骨骼仅仅通过弹性元件或其他手段，通过巧妙的设计和原理阐释即可实现人体步态的辅助，不需要相对较重的电机和能源储存装置，同时也不需要部署复杂的传感器和控制程序，其穿戴在人体上相对于有源外骨骼具有重量轻、安全性高、效果可靠等优点。

目前，大多数被动外骨骼仍然依靠单关节或者双关节的步态分析实现辅助。其视角较为单一，本发明为从人体整体下肢模型多步态(行走和跑步)出发优化设计的多关节被动外骨骼辅助装置，有效地减少行走和跑步的代谢能，人体身上的每个模块之间都通过模块与人体的横向固定和模块与模块之间的纵向固定，穿戴性和稳定性较高，同时固定件和挂载件的分开设计，使得该装置具有很大的扩展性，可以实现不同位置的拉伸弹簧挂载。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，在人体行走或跑步时，人体下肢运动触发特定位置的弹簧能量吸收和释放，从而辅助人体步态，达到减少代谢的效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，包括腰部模块、左腿模块、右腿模块、辅助连接件以及拉伸装置；

所述辅助连接件包括左一腰腿连接件、右一腰腿连接件、左二腰腿连接件、右二腰腿连接件以及大腿小腿连接件；

所述腰部模块包括战术背心、腰带以及力臂；所述战术背心和腰带分别固定于穿戴者的背部和腰部，所述力臂设置于腰带后方；所述腰带下方左右两侧分别连接有左一腰腿连接件、右一腰腿连接件，所述左一腰腿连接件通过左二腰腿连接件与左腿模块相连；所述右一腰腿连接件通过右二腰腿连接件与右腿模块相连；

所述左腿模块包括左大腿模块、左小腿模块和左足模块；

所述左大腿模块包括大腿TPU软套、大腿套刚性连接件；所述大腿TPU软套固定于穿戴者左大腿期望位置；所述大腿套刚性连接件设置于大腿TPU软套后侧；

所述左小腿模块包括小腿TPU软套、小腿套刚性连接件；所述小腿TPU软套固定于穿戴者左小腿期望位置；所述小腿套刚性连接件设置于小腿TPU软套后侧；

所述左大腿模块的大腿套刚性连接件与左小腿模块的小腿套刚性连接件通过大腿小腿连接件连接；

所述左足模块包括鞋套、第一足部刚性连接件以及第二足部刚性连接件；所述鞋套后部设置有第一足部刚性连接件，所述第一足部刚性连接件上方连接有第二足部刚性连接件；所述第二足部刚性连接件与小腿模块的小腿套刚性连接件相连；

所述右腿模块包括右大腿模块、右小腿模块以及右足模块，其结构组成与左腿模块相同；

所述拉伸装置包括若干拉伸弹簧，分别布置在力臂与左大腿模块、力臂与右大腿模块、左小腿模块与左足模块、右小腿模块与右足模块之间。

作为优选的技术方案，所述左一腰腿连接件和右一腰腿连接件均为倒三角形结构；所述左一腰腿连接件的上端与腰带连接，下端一边通过两条绑带绕过人体前侧与左端下侧的左二腰腿连接件绑定；所述右一腰腿连接件的上端与腰带连接，下端一边通过两条绑带绕过人体前侧与右端下侧的右二腰腿连接件绑定。

作为优选的技术方案，所述左二腰腿连接件、右二腰腿连接件均为正三角形结构；所述左二腰腿连接件上端两边通过两条绑带与左端上侧的左一腰腿连接件绑定，下端一边通过两条绑带绕过大腿后侧与左大腿模块连接；所述右二腰腿连接件上端两边通过两条绑带与左端上侧的右一腰腿连接件绑定，下端一边通过两条绑带绕过大腿后侧与右大腿模块连接。

作为优选的技术方案，所述力臂为半矩形框架结构；所述腰部模块还包括力臂背心连接件以及腰带力臂连接件；所述力臂通过力臂背心连接件连接在战术背心处固定；所述力臂通过腰带力臂连接件连接在腰带处固定。

作为优选的技术方案，所述大腿套刚性连接件以及小腿套刚性连接件均为具有一定厚度的三角形刚体，其一边与腿部贴近，另一侧两边向腿后部突出。

作为优选的技术方案，在力臂与左大腿模块之间布置力臂-左大腿拉伸弹簧，具体为：

在力臂靠近左腿模块一侧的纵向下端处凹陷处设置力臂吊环螺栓；在左大腿模块的大腿套刚性连接件的后部突出处根据固定间隔打孔，并在所需孔上设置大腿吊环螺栓；利用在力臂吊环螺栓以及大腿吊环螺栓挂载力臂-左大腿拉伸弹簧；

在力臂与右大腿模块之间布置拉伸弹簧的方式与所述在力臂与左大腿模块之间布置力臂-左大腿拉伸弹簧的方式相同。

作为优选的技术方案，所述大腿小腿连接件为倒品字形结构，其中上面的两处与大腿模块的大腿套刚性连接件连接，下面一处与小腿模块的小腿套刚性连接件连接。

作为优选的技术方案，所述第一足部刚性连接件为半圆型结构，其半圆直线边与鞋套后部紧固连接；所述第二足部刚性连接件为上方正方体块固接下方三角块的刚体；所述下方三角块与第一足部刚性连接件的半圆曲线边固定连接。

作为优选的技术方案，在左小腿模块与左足模块之间布置左小腿-足拉伸弹簧，具体为：

在左小腿模块的小腿套刚性连接件的后部突出处根据固定间隔打孔，并在所需孔上设置小腿吊环螺栓；在左足模块的第二足部刚性连接件的上方正方体块上设置吊环螺栓；利用小腿吊环螺栓以及在左足模块上设置的吊环螺栓挂载左小腿-足拉伸弹簧；

在右小腿模块与右足模块之间布置拉伸弹簧的方式与所述在左小腿模块与左足模块之间布置左小腿-足拉伸弹簧的方式相同。

作为优选的技术方案，所述大腿TPU软套以及小腿TPU软套通过魔术贴绑紧的方式进行穿戴。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明从人体整体下肢模型多步态(行走和跑步)的角度出发，优化设计了多关节的辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，有效减少行走和跑步的代谢能。

(2)本发明的装置中，人体身上的每个模块之间都通过模块与人体的横向固定和模块与模块之间的纵向固定，穿戴性和稳定性较高。

(3)本发明的装置中，固定件和挂载件分开进行设计，使得该装置具有很大的扩展性，可以实现不同位置的拉伸弹簧挂载。

附图说明

图1是本发明实施例一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置的侧前方三维示意图；

图2是本发明实施例一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置的侧后方三维示意图；

图3是本发明实施例一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置的实物穿戴正面、侧面以及背面示意图。

附图标号说明：1、战术背心；2、腰带；3.1、左一腰腿连接件；3.2、右一腰腿连接件；4.1、左二腰腿连接件；4.2、右二腰腿连接件；5.1、大腿套刚性连接件；5.2、小腿套刚性连接件；6.1、大腿TPU软套；6.2、小腿TPU软套；7、大腿小腿连接件；8、鞋套；9、第一足部刚性连接件；10、力臂吊环螺栓；11、第二足部刚性连接件；12、力臂；13、力臂背心连接件；14、小腿吊环螺栓；15、大腿吊环螺栓；16.1、力臂-左大腿拉伸弹簧；16.2、左小腿-足拉伸弹簧；17、腰带力臂连接件。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，包括以下转置组件：

腰部模块、左腿模块、右腿模块、辅助连接件以及拉伸装置；其中装置各处的模块由两部分构成：一部分为固定件，将模块绑紧在人体的某个部位；另一部分为挂载件，使得模块可以挂载拉伸装置。所述拉伸装置作为动力学使能元件挂载于各处模块之间，使得该装置对人体可以产生辅助作用。所述辅助连接件负责平衡各处模块的牵拉力，使得装置维持在固定位置。

所述腰部模块包括固定件：战术背心1、腰带2以及力臂12；挂载件：力臂背心连接件13以及腰带力臂连接件17；

所述战术背心1和腰带2分别固定于穿戴者的背部和腰部，所述力臂12设置于腰带2后方，其中力臂12为材料为铝合金型材的半矩形框架结构，其纵向下端的铝合金型材凹陷处挂载有力臂吊环螺栓10，从而实现拉伸弹簧的挂载；所述力臂12通过力臂背心连接件13连接在战术背心1处固定，通过腰带力臂连接件17连接在腰带2处固定；所述力臂背心连接件13一端固接在力臂12上，另一端穿过宽织物绑带连接在战术背心1两肩后侧；所述腰带力臂连接件17为扁形类矩形结构，其穿过腰带后侧的织物内部，通过螺丝螺母与力臂12固定。

所述辅助连接件包括左一腰腿连接件3.1、右一腰腿连接件3.2、左二腰腿连接件4.1、右二腰腿连接件4.2以及大腿小腿连接件7；

所述左一腰腿连接件3.1和右一腰腿连接件3.2均为倒三角形结构；所述左一腰腿连接件3.1的上端与腰带2连接，下端一边通过两条绑带绕过人体前侧与左端下侧的左二腰腿连接件4.1绑定；所述右一腰腿连接件3.2的上端与腰带2连接，下端一边通过两条宽织物绑带绕过人体前侧与右端下侧的右二腰腿连接件4.2绑定；

所述左二腰腿连接件4.1、右二腰腿连接件4.2均为PLA材料的正三角形结构；所述左二腰腿连接件4.1上端两边通过两条绑带与左端上侧的左一腰腿连接件3.1绑定，下端一边通过两条绑带绕过大腿后侧与左大腿模块连接；所述右二腰腿连接件4.2上端两边通过两条绑带与左端上侧的右一腰腿连接件3.2绑定，下端一边通过两条绑带绕过大腿后侧与右大腿模块连接。

所述左腿模块包括左大腿模块、左小腿模块和左足模块；

所述左大腿模块包括大腿TPU软套6.1、大腿套刚性连接件5.1以及大腿吊环螺栓15；所述大腿TPU软套6.1通过魔术贴绑紧于穿戴者左大腿期望位置；所述大腿套刚性连接件5.1设置于大腿TPU软套6.1后侧；所述大腿套刚性连接件5.1为具有一定厚度的三角形刚体，其一边与腿部贴近，另一侧两边向腿后部突出，根据固定间隔打孔；在所述大腿套刚性连接件5.1的所需孔位上安装大腿吊环螺栓15，用于挂载力臂-左大腿拉伸弹簧16.1；所述力臂-左大腿拉伸弹簧16.1一端挂载于大腿吊环螺栓15处，另一端挂载于力臂吊环螺栓10处；

所述左小腿模块包括小腿TPU软套6.2、小腿套刚性连接件5.2以及小腿吊环螺栓14；所述小腿TPU软套6.2通过魔术贴绑紧于穿戴者左小腿期望位置；所述小腿套刚性连接件5.2设置于小腿TPU软套6.2后侧；所述小腿套刚性连接件5.2为具有一定厚度的三角形刚体，其一边与腿部贴近，另一侧两边向腿后部突出，根据固定间隔打孔；在所述小腿套刚性连接件5.2的所需孔位上安装小腿吊环螺栓14，用于左小腿-足挂载拉伸弹簧16.2；

所述左大腿模块的大腿套刚性连接件5.1与左小腿模块的小腿套刚性连接件5.2通过大腿小腿连接件7连接；所述大腿小腿连接件7为PLA材料的倒品字形结构，其中上面的两处通过宽织物绑带与左大腿模块的大腿套刚性连接件5.1连接，下面一处通过宽织物绑带与左小腿模块的小腿套刚性连接件5.2连接。

所述左足模块包括鞋套8、第一足部刚性连接件9以及第二足部刚性连接件11；

所述鞋套8通过从足底进行绑紧的方式进行穿戴；

所述第一足部刚性连接件9为半圆型结构，其半圆直线边与鞋套8后部紧固连接；

所述第二足部刚性连接件11为上方正方体块固接下方三角块的刚体；所述上方正方体块上设置有吊环螺栓，用于挂载左小腿-足拉伸弹簧16.2；所述左小腿-足拉伸弹簧16.2一端挂载于小腿吊环螺栓14，另一端挂载于第二足部刚性连接件11上的吊环螺栓；所述下方三角块与第一足部刚性连接件9半圆曲线边固定连接；

所述右腿模块包括右大腿模块、右小腿模块以及右足模块，其结构组成与左腿模块相同。

所述拉伸装置包括若干刚度系数为5N/mm的拉伸弹簧，分别布置在力臂12与左大腿模块、力臂12与右大腿模块、左小腿模块与左足模块、右小腿模块与右足模块之间；其中，在力臂12、右大腿模块之间布置拉伸弹簧的方式与在力臂12、左大腿模块之间布置拉力臂-左大腿伸弹簧16.1的方式相同；在右小腿模块、右足模块之间布置拉伸弹簧的方式与在左小腿模块、左足模块之间布置左小腿-足拉伸弹簧16.2的方式相同。

在人体运动时，以人体左边为例，当左腿向前运动时，腰部模块和左大腿模块之间布置的力臂-左大腿拉伸弹簧16.1吸收能量，在人体蹬地时释放能量。当左边足部踏地时，左小腿模块和左足模块之间布置的左小腿-足拉伸弹簧16.2吸收能量，并在人体蹬地时释放能量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，其特征在于，包括腰部模块、左腿模块、右腿模块、辅助连接件以及拉伸装置；

所述辅助连接件包括左一腰腿连接件（3.1）、右一腰腿连接件（3.2）、左二腰腿连接件（4.1）、右二腰腿连接件（4.2）以及大腿小腿连接件（7）；

所述腰部模块包括战术背心（1）、腰带（2）以及力臂（12）；所述战术背心（1）和腰带（2）分别固定于穿戴者的背部和腰部，所述力臂（12）设置于腰带（2）后方；所述腰带（2）下方左右两侧分别连接有左一腰腿连接件（3.1）、右一腰腿连接件（3.2），所述左一腰腿连接件（3.1）通过左二腰腿连接件（4.1）与左腿模块相连；所述右一腰腿连接件（3.2）通过右二腰腿连接件（4.2）与右腿模块相连；

所述左一腰腿连接件（3.1）和右一腰腿连接件（3.2）均为倒三角形结构；所述左一腰腿连接件（3.1）的上端与腰带（2）连接，下端一边通过两条绑带绕过人体前侧与左端下侧的左二腰腿连接件（4.1）绑定；所述右一腰腿连接件（3.2）的上端与腰带（2）连接，下端一边通过两条绑带绕过人体前侧与右端下侧的右二腰腿连接件（4.2）绑定；

所述左二腰腿连接件（4.1）、右二腰腿连接件（4.2）均为正三角形结构；所述左二腰腿连接件（4.1）上端两边通过两条绑带与左端上侧的左一腰腿连接件（3.1）绑定，下端一边通过两条绑带绕过大腿后侧与左大腿模块连接；所述右二腰腿连接件（4.2）上端两边通过两条绑带与左端上侧的右一腰腿连接件（3.2）绑定，下端一边通过两条绑带绕过大腿后侧与右大腿模块连接；

所述左腿模块包括左大腿模块、左小腿模块和左足模块；

所述左大腿模块包括大腿TPU软套（6.1）、大腿套刚性连接件（5.1）；所述大腿TPU软套（6.1）固定于穿戴者左大腿期望位置；所述大腿套刚性连接件（5.1）设置于大腿TPU软套（6.1）后侧；

所述左小腿模块包括小腿TPU软套（6.2）、小腿套刚性连接件（5.2）；所述小腿TPU软套（6.2）固定于穿戴者左小腿期望位置；所述小腿套刚性连接件（5.2）设置于小腿TPU软套（6.2）后侧；

所述左大腿模块的大腿套刚性连接件（5.1）与左小腿模块的小腿套刚性连接件（5.2）通过大腿小腿连接件（7）连接；

所述左足模块包括鞋套（8）、第一足部刚性连接件（9）以及第二足部刚性连接件（11）；所述鞋套（8）后部设置有第一足部刚性连接件（9），所述第一足部刚性连接件（9）上方连接有第二足部刚性连接件（11）；所述第二足部刚性连接件（11）与小腿模块的小腿套刚性连接件（5.2）相连；

所述右腿模块包括右大腿模块、右小腿模块以及右足模块，其结构组成与左腿模块相同；

在力臂（12）与左大腿模块之间布置力臂-左大腿拉伸弹簧（16.1），具体为：

在力臂（12）靠近左腿模块一侧的纵向下端处凹陷处设置力臂吊环螺栓（10）；在左大腿模块的大腿套刚性连接件（5.1）的后部突出处根据固定间隔打孔，并在所需孔上设置大腿吊环螺栓（15）；利用在力臂吊环螺栓（10）以及大腿吊环螺栓（15）挂载力臂-左大腿拉伸弹簧（16.1）；

在力臂（12）与右大腿模块之间布置拉伸弹簧的方式与所述在力臂（12）与左大腿模块之间布置力臂-左大腿拉伸弹簧（16.1）的方式相同；

在左小腿模块与左足模块之间布置左小腿-足拉伸弹簧（16.2），具体为：

在左小腿模块的小腿套刚性连接件（5.2）的后部突出处根据固定间隔打孔，并在所需孔上设置小腿吊环螺栓（14）；在左足模块的第二足部刚性连接件（11）的上方正方体块上设置吊环螺栓；利用小腿吊环螺栓（14）以及在左足模块上设置的吊环螺栓挂载左小腿-足拉伸弹簧（16.2）；

在右小腿模块与右足模块之间布置拉伸弹簧的方式与所述在左小腿模块与左足模块之间布置左小腿-足拉伸弹簧（16.2）的方式相同；

所述拉伸装置包括若干拉伸弹簧，分别布置在力臂（12）与左大腿模块、力臂（12）与右大腿模块、左小腿模块与左足模块、右小腿模块与右足模块之间。

2.根据权利要求1所述一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，其特征在于，所述力臂（12）为半矩形框架结构；所述腰部模块还包括力臂背心连接件（13）以及腰带力臂连接件（17）；所述力臂（12）通过力臂背心连接件（13）连接在战术背心（1）处固定；所述力臂（12）通过腰带力臂连接件（17）连接在腰带（2）处固定。

3.根据权利要求1所述一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，其特征在于，所述大腿套刚性连接件（5.1）以及小腿套刚性连接件（5.2）均为具有一定厚度的三角形刚体，其一边与腿部贴近，另一侧两边向腿后部突出。

4.根据权利要求1所述一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，其特征在于，所述大腿小腿连接件（7）为倒品字形结构，其中上面的两处与大腿模块的大腿套刚性连接件（5.1）连接，下面一处与小腿模块的小腿套刚性连接件（5.2）连接。

5.根据权利要求1所述一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，其特征在于，所述第一足部刚性连接件（9）为半圆型结构，其半圆直线边与鞋套（8）后部紧固连接；所述第二足部刚性连接件（11）为上方正方体块固接下方三角块的刚体；所述下方三角块与第一足部刚性连接件（9）的半圆曲线边固定连接。

6.根据权利要求1所述一种辅助行走和跑步的下肢被动外骨骼装置，其特征在于，所述大腿TPU软套（6.1）以及小腿TPU软套（6.2）通过魔术贴绑紧的方式进行穿戴。

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