一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置及方法

本发明涉及外骨骼，特别涉及一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置及方法。

背景技术：

1、人体所提供的可用能量主要来自运动、热量和生化潜能，其中身体运动产生的能量最大。人体除完成特定身体运动所需的能量外，还提供多余的卡路里，依托人体能量的无源外骨骼应运而生。相比于有源外骨骼是借助外力对关节提供助力，而无源外骨骼的则是实现人体自身能量的合理化分配。无源外骨骼尽管避免了有源外骨骼的客观问题，但是在实现人体自身能量合理化分配方面却不成熟，因此，在无源外骨骼设计的过程中如何实现人体自身能量的合理化分配是研究人员一直在思考的问题。

2、基于人体步态过程离合器的设计以及人体无用功的合理利用是无源外骨骼设计中主要面临的难题。面对各种负重行走的场景，外骨骼需具备基本的携行功能，能够将背负在身上的重量分散降低，并且实现对身体关节的助力。由于有源外骨骼可借助外力对关节提供助力，实现上述功能相对简单。但对于无源外骨骼，很大一部分会让穿戴者行动受限并且无法实现蹲起运动，关节运动范围被限制是无源外骨骼设计过程中普遍存在的一个弊端。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置及方法，将无源外骨骼和有源外骨骼进行优势结合，在满足携行功能的前提下，不局限于对外骨骼单一关节的助力，通过采集足部碰撞势能并将其转化为助力膝关节以及大腿运动时的能量，在完成针对下肢运动外力驱动的同时不影响关节大幅度的运动，实现再分配足部碰撞势能外骨骼助行装置的设计。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：

2、第一方面，本发明提供了一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，从上至下依次包括：

3、腰部支撑机构，用于人体腰部连接，设有承担重物的腰部背板；

4、髋关节机构，安装在所述腰部支撑机构上；

5、大腿机构，与所述髋关节机构旋转连接；

6、膝关节机构，具有与所述大腿机构连接的异型回转组件，所述异型回转组件铰接有膝关节储能机构连接件；

7、小腿机构，与所述膝关节机构旋转连接；

8、鞋套机构，跟随足部一起运动，包括用于放置脚跟的上鞋套组件以及设于其下方并用于触地的触地鞋套组件，两者之间常态具有间隙，所述上鞋套组件设有导向槽，所述触地鞋套组件设有与所述导向槽配合的导向杆，所述导向杆铰接有踝关节储能机构连接件，所述踝关节储能机构连接件与所述膝关节储能机构连接件设有通过压缩收集足部碰撞势能的储能元件。

9、作为进一步的技术方案，所述膝关节机构还包括膝关节旋转组件，所述异型回转组件与所述膝关节旋转组件旋转配合，所述膝关节旋转组件与膝关节回转中心重合，所述异型回转组件与所述膝关节储能机构连接件铰接处位于膝关节回转中心后侧下方。

10、作为进一步的技术方案，所述大腿机构包括大腿杆，所述大腿杆一端与所述髋关节机构旋转连接，另一端通过所述异型回转组件与所述膝关节机构旋转连接。

11、作为进一步的技术方案，所述大腿杆与所述异型回转组件均设有连接槽以实现所述大腿机构长度的调节。

12、作为进一步的技术方案，所述小腿机构包括小腿杆，所述膝关节机构包括膝关节小腿杆，所述小腿杆与所述膝关节小腿杆上均设有连接槽，以实现所述小腿机构长度的调节。

13、作为进一步的技术方案，所述小腿杆具有倾斜角度以适配小腿侧边与踝关节不在一条直线。

14、作为进一步的技术方案，所述腰部支撑机构还包括腰部靠垫、承重支架以及两侧支撑管，所述腰部支撑机构以所述腰部靠垫为基准，通过所述两侧支撑管绑缚在腰部，所述腰部背板连接在所述腰部靠垫上方，所述腰部背板可绕所述腰部靠垫旋转。

15、作为进一步的技术方案，所述髋关节机构与人体髋关节对齐，能够随着人体运动旋转。

16、作为进一步的技术方案，所述储能元件为弹性杆。

17、第二方面，本发明提供了根据如第一方面所述的基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置的工作方法，包括以下步骤：

18、穿戴外骨骼在行走过程中，足部逐渐至完全落地的期间，足部的碰撞势能被储能元件收集并储存，支撑末期，在抬脚瞬间储能元件的能量通过储能元件上端释放，储能元件上端带动异型回转组件顺时针旋转助力大腿杆运动，同时恢复鞋套机构中的间隙为新一个步态周期做准备；

19、穿戴外骨骼在下蹲的过程中，大腿带动膝关节异型回转组件逆时针旋转同时压缩储能元件上端，当异型回转组件与膝关节储能元件连接件平行时，储能元件将不会被压缩，随着人体继续下蹲，储能元件上端释放能量并带动异型回转组件逆时针旋转，助力人体下蹲过程；在起身的过程中，异型回转组件顺时针旋转并压缩储能元件，当异型回转组件与膝关节储能元件连接件平行时，储能元件将不会被压缩，储能元件的上端将能量释放出来帮助异型回转组件顺时针旋转，完成起身过程中的助力。

20、上述本发明的有益效果如下：

21、(1)本发明基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，不局限于单一关节的助力，能够安全有效地收集足部碰撞势能并通过储能元件在支撑腿离地时将收集的能量助力膝关节和大腿运动。

22、(2)本发明的装置在实现针对下肢运动外力驱动的同时不影响关节大幅度的运动，本发明助力的情况不局限于行走或者跑步的运动状态，可以使穿戴者完成下蹲并在蹲起的过程中能感受到明显的助力。

23、(3)本发明装置无需借助单独的离合机构，人体运动本身就是本发明的离合器，在人体行走的步态周期中，支撑腿落地时储存足部碰撞势能并在支撑腿离地时为膝关节和大腿助力；在人体蹲起的过程中，下蹲与起身时人体大小腿之间夹角的变化作为储能元件储能与助力的离合器。

24、(4)本发明装置具有携行的基本功能，在背负重物时能够将重物的大部分重量通过本发明的装置传递到地面上，只有小部分重量分散地作用到人体上。并且本装置无论在是否负重的情况下穿戴，无论在行走或者跑步的状态下都能提供明显的助力。

25、(5)本发明储能元件安装方便且压缩量易于调节，使用者可以掌握自己想要的助力效果，同时本发明的外骨骼大腿杆和小腿杆的长度可以调节，绑缚的长度可以调节，适应不同身材的人穿戴；装置穿戴简单，调节方式灵活，无源设计，安全可靠，舒适度高，适合各种环境下使用。

技术特征：

1.一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，从上至下依次包括：

2.如权利要求1所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述外骨骼膝关节机构还包括膝关节旋转组件，所述异型回转组件与所述膝关节旋转组件旋转配合，所述膝关节旋转组件与膝关节回转中心重合，所述异型回转组件与所述膝关节储能机构连接件铰接处位于膝关节回转中心后侧下方。

3.如权利要求2所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述大腿机构包括大腿杆，所述大腿杆一端与所述髋关节机构旋转连接，另一端通过所述异型回转组件与所述膝关节机构旋转连接。

4.如权利要求3所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述大腿杆与所述异型回转组件均设有连接槽以实现所述大腿机构长度的调节。

5.如权利要求4所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述小腿机构包括小腿杆，所述膝关节机构包括膝关节小腿杆，所述小腿杆与所述膝关节小腿杆上均设有连接槽，以实现所述小腿机构长度的调节。

6.如权利要求5所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述小腿杆具有倾斜角度以适配小腿侧边与踝关节不在一条直线。

7.如权利要求1所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述腰部支撑机构还包括腰部靠垫、承重支架以及两侧支撑管，所述腰部支撑机构以所述腰部靠垫为基准，通过所述两侧支撑管绑缚在腰部，所述腰部背板连接在所述腰部靠垫上方，所述腰部背板可绕所述腰部靠垫旋转。

8.如权利要求1所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述髋关节机构与人体髋关节对齐，能够随着人体运动旋转。

9.如权利要求1所述的一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，其特征在于，所述储能元件为弹性杆。

10.根据如权利要求1-9任一项所述的基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及外骨骼技术领域，特别涉及一种基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置及方法，包括腰部支撑机构，用于人体腰部连接，设有承担重物的腰部背板；髋关节机构，安装在所述腰部支撑机构上；大腿机构，与所述髋关节机构旋转连接；膝关节机构，具有与所述大腿机构连接的异型回转组件，所述异型回转组件铰接有膝关节储能机构连接件；小腿机构，与所述膝关节机构旋转连接；鞋套机构，跟随足部一起运动，包括用于放置脚跟的上鞋套组件以及设于其下方并用于触地的触地鞋套组件；本发明基于足部碰撞势能的外骨骼助行装置，不局限于单一关节的助力，能够安全有效地收集足部碰撞势能并通过储能元件在支撑腿离地时将收集的能量助力膝关节和大腿运动。

技术研发人员：马建峰,丁永清,孙得成,刘凯铭,马卿林,骆岱鹤
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13