一种基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置

1.本发明属于下肢外骨骼技术领域，更具体地，涉及一种基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置。


背景技术：

2.行走是人们日常生活中最常见的运动之一，人们平均每天会走上万步。然而，行走过程中会消耗大量的能量，尽管人们会根据不同的路况优化自己的行走策略以尽可能降低能量消耗，人们的行走距离仍往往会因为体力不支而受到限制。此外，对于某些有运动困难或障碍的群体，如大体重人群、老年人、下肢关节炎患者等，其行走效率的下降给日常生活带来了很大的障碍。因此，能降低行走代谢能消耗的外骨骼具有很强的应用价值。
3.现有的外骨骼装置可以分为主动式外骨骼装置和被动式外骨骼装置。其中，主动式外骨骼多采用电机对人体进行助力，因其重量大、灵活性差等缺点难以达到降低代谢能的目的。被动外骨骼通过行走周期中能量的回收和利用提高使用者的行走效率，不需要电机助力，因此重量可大大降低，且方便穿戴，更适合在日常生活中使用。现有的被动式外骨骼装置要么是只能实现辅助髋关节伸展，要么是只能实现辅助髋关节屈曲，不能同时实现辅助髋关节伸展和屈曲，外骨骼助力效率有限。并且现有的被动式外骨骼装置仅能实现在步态周期的支撑相前期、支撑相后期、摆动相前期或摆动相后期中的一个或两个时段发挥作用，而不能实现在整个步态周期内都能给与外骨骼助力。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置，其目的是在整个步态周期内，同时实现辅助髋关节伸展和屈曲，提升外骨骼助力效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置，包括：腰部固定组件、大腿储能组件及小腿储能组件；
6.腰部固定组件，固定在使用者腰部，用于给所述大腿储能组件和小腿储能组件提供固定安装平台；
7.大腿储能组件，设置有两组，每组大腿储能组件包括第一弹性元件、大腿拉绳及大腿绑带，所述大腿拉绳的两端分别连接所述第一弹性元件和所述大腿绑带的一端，所述第一弹性元件和所述大腿绑带的另一端分别设置在所述腰部固定组件前侧和大腿上，在支撑相后期大腿后摆时，第一弹性元件被拉伸，且第一弹性元件的弹性势能不大于大腿后摆时所作的负功；
8.小腿储能组件，设置有两组，每组小腿储能组件包括第二弹性元件、小腿拉绳及小腿绑带，所述小腿拉绳的两端分别连接所述第二弹性元件和所述小腿绑带的一端，所述第二弹性元件和所述小腿绑带的另一端分别设置在所述腰部固定组件后侧和小腿上，在摆动相后期小腿前伸时，第二弹性元件被拉伸，且第二弹性元件的弹性势能不大于小腿前伸时
所作的负功。
9.进一步地，所述第一弹性元件的刚度k1的取值范围为：0＜k1≤3.5kn/m；所述第二弹性元件的刚度k2的取值范围为：1.5≤k2≤4.0kn/m。
10.进一步地，所述第一弹性元件的刚度为2.3kn/m，所述第二弹性元件的刚度为3.0kn/m。
11.进一步地，所述第一弹性元件或第二弹性元件为拉簧或弹力带。
12.进一步地，所述腰部固定组件包括上部腰带、下部腰带、腰板以及悬梁单元，所述腰板分为左右对称的两片分别固定在使用者的后腰处，所述上部腰带和下部腰带分别穿过所述腰板固定在使用者的上腹部和下腹部，所述悬梁单元设置在所述腰板上，并与所述第一弹性元件和第二弹性元件弹性相连。
13.进一步地，所述悬梁单元包括横悬梁、设置在所述横悬梁两端的横悬梁固定件、两个侧悬梁、设置在所述两个侧悬梁一端的侧悬梁固定件以及两个后悬梁，所述横悬梁固定件与所述侧悬梁固定件之间通过卡扣锁合连接，用于固定连接所述横悬梁和两个侧悬梁；所述两个侧悬梁的另一端与所述腰板两侧固定连接；所述两个后悬梁一端与所述腰板下部固定连接，另一端分别与所述第二弹性元件弹性连接。
14.进一步地，所述横悬梁上设置有多个安装孔，所述第一弹性元件的一端通过所述安装孔与所述横悬梁弹性连接。
15.进一步地，所述大腿拉绳和小腿拉绳的长度可调节。
16.进一步地，所述大腿拉绳、小腿拉绳、大腿绑带及小腿绑带的材料为柔性材料，所述横悬梁和两个侧悬梁的材料为碳纤维板，所述腰板的材料为树脂或尼龙玻纤。
17.进一步地，所述腰板上设有加强筋，所述加强筋沿着所述腰板受力的方向设置。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
19.(1)本发明设计的被动外骨骼助力装置，通过腰部固定组件为大腿储能组件和小腿储能组件提供固定安装平台，大腿储能组件和小腿储能组件分别通过设计的第一弹性元件和第二弹性元件，在支撑相后期大腿后摆时，第一弹性元件被拉伸，且该弹性元件的弹性势能不大于大腿后摆时所作的负功，能够吸收大腿后摆时所作的负功，并在摆动相前期复原释放能量提供髋关节屈曲辅助力矩；在摆动相后期小腿前伸时，第二弹性元件被拉伸，且该弹性元件的弹性势能不大于小腿前伸时所作的负功，吸收小腿前伸时所作的负功，小腿前伸时所作的负功转化为弹性势能，并在支撑相前期大腿后摆时复原提供髋关节伸展辅助力矩。即在整个步态周期内，同时实现了辅助髋关节伸展和屈曲，提升了外骨骼助力效率，提高了行走效率，可有效降低行走时人体代谢能消耗和下肢相关肌肉受力。
20.(2)作为优选，当第一弹性元件和第二弹性元件满足在一定刚度要求范围内，可以使得第一弹性元件或第二弹性元件被拉伸时，弹性元件的弹性势能不大于大腿后摆或小腿前伸时所作的负功，满足助力要求。
21.(3)作为优选，当第一弹性元件的刚度为2.3kn/m，第二弹性元件的刚度为3.0kn/m时，第一弹性元件和第二弹性元件的弹性势能刚好分别与大腿后摆时及小腿前伸时所作的负功相等，即整个步态周期内大腿和小腿所做的负功都恰好转化为弹性元件的弹性势能，此时，人体的代谢能消耗最低。
22.(4)本发明的被动外骨骼助力装置，大腿绑带、小腿绑带、大腿拉绳和小腿拉绳均
为柔性穿戴方式，可以自适应不同体型的使用者，同时还能避免因外骨骼硬性框架与人体耦合性差导致的运动限制。
23.(5)本发明的被动外骨骼助力装置，上部腰带绑缚在使用者的上腹部，可防止后悬梁受力时腰板向后倾斜，下部腰带绑缚在使用者的下腹部，可防止腰部固定组件受力时脱落，并且可根据使用者体型调节松紧。
24.(6)本发明的被动外骨骼助力装置，腰板上设有的加强筋可以加强腰板的强度和抗弯性能。
25.总而言之，本发明能够在整个步态周期内，同时实现辅助髋关节伸展和屈曲，提升外骨骼助力效率。且本发明的装置为纯被动外骨骼助力装置，未使用电机、传感器等电子元件，具有重量轻、鲁棒性高、穿戴方便等优点。
附图说明
26.图1为本发明提供的基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置总体结构示意图。
27.图2为本发明提供的基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置局部结构放大示意图。
28.图3为本发明提供的基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置穿戴示意图。
29.图4为本发明的外骨骼助力装置在整个步态周期内的助力示意图。
30.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
31.1-上部腰带，2-下部腰带，3-侧悬梁，4-第一弹性元件，5-大腿拉绳，6-大腿绑带，7-小腿绑带，8-腰板，9-后悬梁，10-第二弹性元件，11-小腿拉绳，12-横悬梁，13-横悬梁固定件，14-侧悬梁固定件。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
33.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
34.如图1-图3所示，本发明提供的一种基于能量存储的髋膝关节被动外骨骼助力装置包括腰部固定组件、大腿储能组件和小腿储能组件三大部分。其中，腰部固定组件固定在使用者腰部，用于给大腿储能组件和小腿储能组件提供固定安装平台。
35.大腿储能组件，设置有两组并且左右对称布置在使用者腰部固定组件前侧和大腿上(该组件端连接腰部固定组件的前侧，另一端固定在大腿上)，用于将髋关节伸展负功转化成髋关节屈曲辅助力矩。具体的，用于在支撑相后期，大腿后摆时组件内设置的第一弹性元件4被拉伸，该弹性元件的弹性势能不大于大腿后摆时所作的负功，从而能够将大腿后摆时髋关节伸展所作的负功转化为第一弹性元件的弹性势能，并在摆动相前期小腿前伸时第一弹性元件复原释放弹性势能，提供髋关节屈曲辅助力矩。具体的，当第一弹性元件4的刚
度k1的取值范围为：0＜k1≤3.5kn/m时，满足该弹性元件的弹性势能不大于大腿后摆时所作的负功，实现支撑相大腿后摆时的助力要求。
36.小腿储能组件，设置有两组并且左右对称布置在使用者腰部固定组件后侧和小腿上(该组件一端连接腰部固定组件的后侧，另一端固定在小腿上)，小腿储能组件用于将膝关节伸展负功转化成髋关节伸展辅助力矩。具体的，用于在摆动相后期，小腿前伸时组件内设置的第二弹性元件10被拉伸，该弹性元件的弹性势能不大于小腿前伸时所作的负功，从而能够将小腿前伸时膝关节伸展所做的负功转化第二弹性元件的弹性势能，并在支撑相前期大腿后摆时第二弹性元件复原释放弹性势能，提供髋关节伸展辅助力矩。具体的，当第二弹性元件10的刚度k2的取值范围为：1.5≤k2≤4.0kn/m时，满足该弹性元件的弹性势能不大于小腿前伸时所作的负功，实现摆动相小腿前伸时的助力要求。
37.其中，第一弹性元件4或第二弹性元件10为拉簧或弹力带。本实施例中，第一弹性元件和第二弹性元件分别为大腿拉簧和小腿拉簧。
38.使用时，在支撑相后期大腿后摆时，大腿储能组件吸收大腿后摆时所作的负功，设置在大腿储能组件内的大腿拉簧被拉伸，所作的负功转化为拉簧的弹性势能，并在摆动相前期复原释放能量(弹性势能)提供髋关节屈曲辅助力矩；在摆动相后期小腿前伸时，小腿储能组件吸收小腿前伸时所作的负功，小腿拉簧被拉伸，小腿前伸时所作的负功转化为弹性势能，并在支撑相前期大腿后摆时复原提供髋关节伸展辅助力矩。因此，本发明可以利用行走时负功的转换提供髋关节辅助力矩，能提高行走效率，降低代谢能消耗。
39.具体的，腰部固定组件包括上部腰带1、下部腰带2、腰板8以及悬梁单元，腰板8分为左右对称的两片分别固定在使用者的后腰处，用来提供大腿储能组件和小腿储能组件的连接平台。上部腰带1和下部腰带2分别穿过腰板8两侧绑缚在使用者的上腹部和下腹部，并且上部腰带1和下部腰带2可根据使用者体型调节松紧。上部腰带1可防止后悬梁9受力时腰板向后倾斜，下部腰带2可防止腰部固定组件受力时脱落。
40.作为优选，在腰板上设有加强筋，加强筋沿着腰板受力的方向设置，可以加强腰板的强度和抗弯性能。还设置有减重孔，减重孔可以减轻装置的重量。
41.悬梁单元设置在腰板8上，并与第一弹性元件4和第二弹性元件10弹性相连。其中，悬梁单元包括横悬梁12、设置在横悬梁12两端的横悬梁固定件13、两个侧悬梁3、设置在两个侧悬梁3一端的侧悬梁固定件14以及两个后悬梁9。两个侧悬梁3的另一端与腰板8两侧固定连接；侧悬梁上有多组安装孔，可根据使用者体型进行调整。作为优选，侧悬梁固定件14通过螺丝固定在侧悬梁3的安装孔上，横悬梁固定件13通过螺丝固定在横悬梁12的安装孔上。侧悬梁固定件14和横悬梁固定件13通过螺栓贯穿固定，且两者之间设有卡扣锁合防止两者发生相对旋转，用于固定连接横悬梁12和两个侧悬梁3。横悬梁12两端均设有一个横悬梁固定件13，安装在人体腹部前侧，横悬梁12上设置有多个安装孔，第一弹性元件4的一端通过横悬梁上的安装孔与横悬梁12弹性连接，并且可根据使用者体型进行调整第一弹性元件挂设在横悬梁上的位置。
42.两个后悬梁9一端通过螺丝固定在腰板8下部，另一端分别与第二弹性元件10弹性连接。
43.优选的，为了减轻重量，腰部固定组件通过3d打印制成。横悬梁12和两个侧悬梁3的材料为碳纤维板，腰板8的材料为树脂或尼龙玻纤。
44.优选的，大腿拉绳5、小腿拉绳11、大腿绑带6及小腿绑带7的材料为柔性材料。
45.大腿储能组件包括第一弹性元件4、大腿拉绳5及大腿绑带6，大腿拉绳5的两端分别连接第一弹性元件4和大腿绑带6的一端，用于传递第一弹性元件4和大腿绑带6的拉力；大腿拉绳的长度可进行调整，使得第一弹性元件(本实施例中为大腿拉簧)恰好在大腿直立时处于即将被拉伸的状态。第一弹性元件4和大腿绑带6的另一端分别设置在腰部固定组件前侧和大腿上，第一弹性元件用于在支撑相后期大腿后摆时，大腿拉簧被拉伸，当第一弹性元件4的刚度k1的取值范围为：0＜k1≤3.5kn/m时，满足该弹性元件的弹性势能不大于大腿后摆时所作的负功，能够吸收大腿后摆时所作的负功，并在摆动相前期复原释放能量提供髋关节屈曲辅助力矩；当第一弹性元件4的刚度k1＞3.5kn/m时，该弹性元件的弹性势能大于大腿后摆时所作的负功，此时外骨骼会干涉人体的自然运动，无法起到助力效果。大腿绑带6固定在使用者大腿上，用于将大腿储能组件和使用者相连接。
46.小腿储能组件包括第二弹性元件10、小腿拉绳11及小腿绑带7，小腿拉绳11的两端分别连接第二弹性元件10(本实施例中为小腿拉簧)和小腿绑带7的一端，小腿拉绳的长度可调节，使小腿拉簧恰好在使用者直立时处于即将被拉伸的状态。
47.第二弹性元件10和小腿绑带7的另一端分别设置在腰部固定组件后侧和小腿上，当第二弹性元件10的刚度k2的取值范围为：1.5≤k2≤4.0kn/m时，满足该弹性元件的弹性势能不大于小腿前伸时所作的负功，从而能够在摆动相后期小腿前伸时，小腿储能组件吸收小腿前伸时所作的负功，小腿拉簧被拉伸，小腿前伸时所作的负功转化为弹性势能，并在支撑相前期大腿后摆时复原提供髋关节伸展辅助力矩；当第二弹性元件10的刚度k2＞4.0kn/m时，该弹性元件的弹性势能大于小腿前伸时所作的负功，此时外骨骼会干涉人体的自然运动，无法起到助力效果。并且，当k2＜1.5kn/m时，该弹性元件的弹性势能远小于小腿前伸时所作的负功，此时也不能起到助力作用。小腿绑带绑缚在使用者小腿上，用于将小腿储能组件和使用者相连接。
48.作为优选，当第一弹性元件4的刚度为2.3kn/m，第二弹性元件10的刚度为3.0kn/m时，第一弹性元件和第二弹性元件的弹性势能刚好分别与大腿后摆时及小腿前伸时所作的负功相等，即整个步态周期内大腿和小腿所做的负功都恰好转化为弹性元件的弹性势能，此时，人体的代谢能消耗最低。其中，第一弹性元件和第二弹性元件的最优刚度是通过对多个不同体重的受试者进行测量取的平均值。在对多个受试者进行测量时，实际上每个受试者的最优刚度差别很小。
49.如图4所示，为本发明的外骨骼助力装置在整个步态周期内的助力示意图，当使用者下肢位于人体前侧时，第一弹性元件处于原长，第二弹性元件被拉伸，助力髋关节伸展；当使用者下肢位于人体后侧时，第一弹性元件被拉伸，第二弹性元件处于原长，助力髋关节屈曲。
50.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。