膝关节运动助力外骨骼装置的制作方法

本发明涉及可穿戴装备技术领域，具体涉及一种膝关节运动助力外骨骼装置。

背景技术：

膝关节是人体承受力最大的关节，在登山、上下楼梯等大角度、高强度的运动中膝关节承受的力很大，爬楼梯会对膝关节造成一定伤害，例如搬运大物件上下楼梯，会对膝关节造成较大的压力；人们在持续一段时间的运动后，体力下降，出现肌肉酸痛和运动疲劳，运动的灵活性和协调性大大降低，下肢膝关节表现尤为明显，因此迫切需要一种高效的膝关节运动助力机构。

膝关节运动助力外骨骼，顾名思义是穿戴于膝关节外部，并为其提供助力的仿生机械装置。另外，外骨骼还有支撑身体重量，保护身体器官，进行运动辅助和环境感知等作用。当前膝关节助力装置分为主动式和被动式两种，主动式助力装置主要有液压驱动和电机驱动，液压驱动的助力装置多应用在负重助力领域，在大腿和小腿之间安装液压缸，通过液压系统切换油路，实现对外骨骼机器人膝关节的支撑和放松，液压驱动具有功率密度高、动态响应快的优势，但也存在液压伺服系统控制复杂的问题；电机驱动的助力装置主要应用于康复医疗及助残领域，有采用电机加减速器直接作用于膝关节上的形式，也有通过电机带动连接在大腿和小腿之间的滚轴丝杠的形式，电机驱动便于控制，但电机的功率密度低，适用于下肢有运动障碍的康复领域。相较于被动式外骨骼，主动式外骨骼需要能源供给和运动控制，系统复杂、成本高、可靠性低。

公开号为cn109176478a的发明专利申请文件中公开了一种膝关节被动助力装置，包括大腿支架和小腿支架，大腿支架和小腿支架通过转轴连接，转轴固定设于小腿支架的上端，大腿支架的外侧设有弹簧，弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接，另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接；小腿支架摆动带动转轴转动，转轴带动圆盘结构转动使钢丝绳拉伸弹簧。但是上述申请文件中的助力装置在实际使用中却存在下面的问题：人体在行走时，小腿相对大腿产生相对转动，小腿支架随着小腿一起转动，进而带动转轴转动，屈膝时，转轴转动使得钢丝绳对弹簧进行拉伸，伸膝时，弹簧复位给转轴提供助力，这样对人体运动全过程进行蓄能助力，也使得人体在平路上行走不需要助力仍然会对弹簧进行拉伸，从而增加人体平路行走时的负荷和不舒适感。

技术实现要素：

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：如何提供一种在平路行走时不会增加人体行走负荷，而只在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的被动式膝关节运动助力外骨骼装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

膝关节运动助力外骨骼装置，包括大腿支杆和小腿支杆，所述大腿支杆和所述小腿支杆通过中间转轴机构进行转动连接，所述中间转轴机构包括同轴转动连接的大腿连接盘和小腿连接盘，所述大腿连接盘用于与所述大腿支杆固定连接，所述小腿连接盘用于与所述小腿支杆固定连接，所述大腿连接盘和所述小腿连接盘上距离所述转动连接处距离相等的位置分别设有弧形状的第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽对应圆弧的圆心角度数大于所述第二限位槽对应圆弧的圆心角度数，所述第一限位槽和所述第二限位槽在初始状态下部分重叠，且在所述小腿支杆和所述大腿支杆相对转动过程中，所述第一限位槽和所述第二限位槽的重叠范围逐渐加大，还包括储能机构，所述储能机构包括初始状态下处于自由状态的弹簧和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，所述曲柄与所述大腿连接盘平行设置，所述曲柄的一端连接在所述大腿连接盘和所述小腿连接盘的转动连接处，所述曲柄的另一端与所述连杆连接，所述曲柄上还设有朝向所述大腿连接盘方向延伸的限位凸起，所述限位凸起伸入到所述第一限位槽和所述第二限位槽内并能够沿所述第一限位槽和所述第二限位槽滑动，所述大腿支杆上设有安装管，所述弹簧套设在所述安装管上，所述弹簧靠近所述曲柄的一端固定连接在所述大腿支杆上，所述弹簧的另一端与所述滑块相抵，所述连杆与所述曲柄连接的另一端与所述滑块连接，所述曲柄转动时能够通过所述连杆带动所述滑块向所述大腿连接盘的方向移动并对所述弹簧进行压缩。

在本方案中，初始状态为：人体处于直立状态，大腿支杆和小腿支杆之间的夹角为180°，小腿支杆相对大腿支杆转动的角度为0°，也即人体膝关节运动角度为0°。

这样，本方案的外骨骼装置在使用时，将大腿支杆连接在大腿上，小腿支杆连接在小腿上，在初始状态下，弹簧处于自由状态，第一限位槽和第二限位槽部分重叠，且限位凸起伸入到第一限位槽和第二限位槽重叠的位置。

当人体行走时，小腿摆动膝关节屈曲，将带动小腿支杆绕大腿支杆转动，此时小腿支杆带动小腿连接盘绕大腿连接盘转动，小腿连接盘上的第二限位槽相对于大腿连接盘上的第一限位槽转动使得第二限位槽和第一限位槽之间重叠的范围加大，由于第一限位槽对应圆弧的圆心角度数大于第二限位槽对应圆弧的圆心角度数，因此第二限位槽与第一限位槽之间重叠的范围将逐渐加大到第二限位槽完全与第一限位槽重叠，在第二限位槽与第一限位槽完全重叠之前，伸入到第一限位槽和第二限位槽重叠位置的限位凸起的位置将保持不变，即此时的曲柄滑块机构将处于静止状态，滑块不会对弹簧进行压缩，储能机构不工作；当第二限位槽与第一限位槽完全重叠后，小腿继续摆动带动小腿连接盘绕大腿连接盘转动，此时在第二限位槽对限位凸起的作用下，第二限位槽将带动限位凸起一起绕转动连接处转动，限位凸起转动的同时再带动曲柄转动，曲柄转动进一步带动滑块移动对弹簧进行压缩储能，当人体小腿回摆膝关节伸展时，小腿连接盘绕大腿连接盘回转，曲柄回转带动滑块回移，滑块回移再带动弹簧复位，弹簧复位过程中释放能量为膝关节运动助力。

当人体在平路上行走时，小腿摆动的角度小，使得此时小腿连接盘绕大腿连接盘转动的角度较小，第二限位槽相对于第一限位槽转动过的角度也小，即第二限位槽始终在与第一限位槽完全重合前的位置转动，从而保证人体在平路行走时，储能机构始终处于不工作的状态，使得该装置不会对人体在平路上的行走带来阻力，即不会增加人体在平路上行走的负荷。

当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，当小腿弯曲膝关节做屈曲运动时，小腿摆动的角度大，使得此时小腿连接盘绕大腿连接盘转动的角度较大，第二限位槽与第一限位槽完全重叠后继续转动，第二限位槽继续转动的同时通过限位凸起带动曲柄转动，进而使得弹簧压缩进行储能，当小腿回摆膝关节做伸展运动时，弹簧复位释放储存的能量为人体的运动助力。

因此本方案实现了在平路行走时不增加人体行走负荷，而只在登山、爬楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

同时本方案采用曲柄滑块机构来带动弹簧变形储能，与传统采用钢丝绳带动弹簧变形储能的方式相比，本方案的曲柄滑块机构性能更加的可靠，使用寿命长，便于安装维护。

优选的，所述曲柄的支点到所述曲柄与所述连杆连接点的方向为所述曲柄的长度方向，所述连杆与所述曲柄的连接点到所述连杆与所述滑块的连接点的方向为所述连杆的长度方向，所述连杆的长度大于所述曲柄的长度。

这样，当小腿回摆膝关节做伸展运动时，弹簧复位产生的弹力经连杆传递到曲柄，传递到曲柄上的垂直分力即为对人体运动的助力；在弹簧弹力的传递过程中，连杆和曲柄之间形成杠杆结构，其中连杆和曲柄的连接点作为杠杆结构的支点，在此杠杆结构中，弹簧产生的弹力作用在杠杆上，故弹簧的弹力作为动力，连杆作为动力臂，曲柄作为阻力臂，曲柄支点处受到的力作为阻力，根据杠杆的作用原理：动力*动力臂＝阻力*阻力臂；由于作为动力臂的杠杆的长度大于作为阻力臂的曲柄的长度，因此弹簧端的弹力经杠杆作用后将放大后形成作用在曲柄支点处的阻力，该阻力的垂直分力即是对人体运动的助力；因此本方案对人体运动的助力将大于弹簧本身产生的弹力，加大了对人体运动助力的效果，使得穿戴该运动助力外骨骼装置的人体在运动时能更省力，提高助力效果。

优选的，所述限位凸起的两侧在初始状态下分别与所述第二限位槽弧形方向的一侧和所述第一限位槽弧形方向的一侧相抵。

这样，若是在特殊情况下，小腿连接盘反向转动将会对膝关节造成伤害，因此将限位凸起的一侧在初始状态下与第二限位槽弧形方向的一侧相抵，利用限位凸起对小腿连接盘的转动角度进行限制，从而避免了小腿连接盘的反向转动对膝关节造成的伤害；同时将限位凸起的另一侧在初始状态下与第一限位槽弧形方向的一侧相抵，利用限位凸起对曲柄滑块机构在小腿回摆后的位置进行限定，防止曲柄随小腿回摆后由于惯性作用继续旋转超过初始状态位置，使得弹簧变形产生振动，影响装置的使用舒适性，进而影响到膝关节的运动。因此，本方案能避免小腿连接盘的反转对膝关节造成的伤害，同时还能保证装置的使用舒适性。

优选的，所述第一限位槽对应圆弧的圆心角度数为120°，所述第二限位槽对应圆弧的圆心角度数为30°-60°。

这样，第一限位槽和第二限位槽角度的选择是综合考虑人体高度，腿部长度及行走路况等因素而得出的，第一限位槽对应圆弧可以满足登山、爬楼梯等大角度运动时小腿摆动幅度的要求。第二限位槽对应圆弧的圆心角度的选择综合考虑人体平路行走膝关节屈曲角度，小步伐30°左右和大步伐60°左右，可以保证在平路上行走时储能机构始终处于不工作的状态，避免了对平路行走时增加负荷，同时第一限位槽角度的保证了在登山、爬楼梯等大角度的运动时，弹簧能储存较大的能量对人体运动进行助力。

优选的，所述大腿支杆上设有第一安装座和位于所述第一安装座下方的第二安装座，所述第一安装座与所述第二安装座之间竖向连接有安装管，所述弹簧和所述滑块均套设在所述安装管上并能够沿所述安装管竖向滑动，所述弹簧下端固定连接在所述第二安装座上，所述弹簧上端与所述滑块相抵。

这样，将弹簧和滑块均套设在安装管上，利用安装管对弹簧和滑块的运动进行导向和安装支撑。

优选的，所述安装管内设有竖向的减重通孔，所述安装管的外圆周上对称设有两个竖向的限位凹槽，所述限位凹槽与所述减重通孔相连通，所述限位凹槽的轴向中心线位于所述安装管的轴向中心线上方，所述滑块套设在所述安装管外开设有所述限位凹槽的位置，所述滑块内径的轴向宽度大于两个所述限位凹槽之间的轴向宽度且小于所述安装管外径的轴向宽度。

这样，减重通孔用于实现安装管的整体减重效果，同时利用限位凹槽对滑块的移动位置进行限定，一方面避免了滑块对弹簧的过度压缩，另一方面对滑块在回位时的位置进行限定，避免滑块在回到初始位置后由于惯性的作用进一步带动弹簧便形产生振动，影响装置的使用舒适性。

优选的，所述曲柄的长度为3-4cm，所述连杆的长度为9-11cm，所述曲柄长度方向与竖向平面之间在初始状态下所夹的锐角角度为40°-50°，且该角度的变化范围为45°-105°。

这样，滑块的位移在曲柄长度方向与竖向平面之间在初始状态下所夹的锐角角度较小时，滑块的位移变化很慢，要满足相同的弹簧力时，如果滑块的位移较小，即弹簧压缩量小，则需要的弹簧刚度大，不易于压缩；再则若是初始状态曲柄长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度太大，又会使得连杆过长，同时还要考虑到弹簧的长度，该角度太大，会影响安装弹簧的长度，弹簧的可压缩量就较小；另外在弹簧弹回后曲柄所受的力是经过连杆传回曲柄的，在连杆与曲柄夹角为90°时，传递回曲柄的力的效率是较高的，因此曲柄要在与连杆成90°的附近进行变化，这样弹簧的弹力传递的效率才高，充分考虑这些因素后选择在为40°-50°开始；这样既使得滑块的位移变化较快，又使得曲柄和连杆的长度适中，弹簧传回的力的效率也较高。

优选的，所述连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度小于25°，所述连杆与所述曲柄所夹的锐角角度为60°-90°。

这样，由于弹簧的弹力传回时经连杆，传回曲柄，从理论上力的传递有两次损失，该损失直接跟连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度的余弦值、连杆与曲柄所夹的锐角角度的正弦值有关，将连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度设计的小于25°，则其余弦值将大于0.9，将连杆与曲柄所夹的锐角角度设计为60°-90°，其正弦值将大于0.8，从而有效保证弹簧弹力传回到曲柄处的效率。

优选的，还包括绑缚机构，所述绑缚机构包括可粘贴绑带和与所述可粘贴绑带固定连接的绑带连接件，所述绑带连接件用于与所述大腿支杆和所述小腿支杆固定连接。

这样，绑缚机构用于将外骨骼机构与大、小腿连接，使外骨骼与人体并行运动。通过绑缚机构分别将大腿支杆和小腿支杆绑在人体的大腿和小腿处，再通过绑缚机构上的可粘贴绑带进行粘贴即可实现将该装置穿戴在人体腿部的目的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的实施例一的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中的实施例一的大腿连接盘的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中的实施例一的小腿连接盘的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式中的实施例一的安装管的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中的实施例二中大腿支杆和小腿支杆的结构示意图。

附图标记说明：大腿支杆1、第一大腿支杆12、第二大腿支杆13、第三大腿支杆14、大腿连接盘2、大腿连接部21、大腿圆弧部22、第一限位槽23、小腿连接盘3、小腿连接部31、小腿圆弧部32、第二限位槽33、小腿支杆4、第一小腿支杆41、第二小腿支杆42、曲柄5、限位凸起6、第二安装座7、连杆8、弹簧9、滑块10、安装管11、限位凹槽111、第一安装座12、绑带连接件13、可粘贴绑带14。

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。

实施例一：

如附图1到附图3所示，一种膝关节运动助力外骨骼装置，包括大腿支杆1和小腿支杆4，大腿支杆1和小腿支杆4通过中间转轴机构进行转动连接，中间转轴机构包括同轴转动连接的大腿连接盘2和小腿连接盘3，大腿连接盘2用于与大腿支杆1固定连接，小腿连接盘3用于与小腿支杆4固定连接，大腿连接盘2和小腿连接盘3上距离转动连接处距离相等的位置分别设有弧形状的第一限位槽23和第二限位槽33，第一限位槽23对应圆弧的圆心角度数大于第二限位槽33对应圆弧的圆心角度数，第一限位槽23和第二限位槽33在初始状态下部分重叠，且在小腿支杆4和大腿支杆1相对转动过程中，第一限位槽23和第二限位槽33的重叠范围逐渐加大，还包括储能机构，储能机构包括初始状态下处于自由状态的弹簧9和曲柄滑块机构，曲柄滑块机构包括曲柄5、连杆8和滑块10，曲柄5与大腿连接盘2平行设置，曲柄5的一端连接在大腿连接盘2和小腿连接盘3的转动连接处，曲柄5的另一端与连杆8连接，曲柄5上还设有朝向大腿连接盘2方向延伸的限位凸起6，限位凸起6伸入到第一限位槽23和第二限位槽33内并能够沿第一限位槽23和第二限位槽33滑动，大腿支杆1上设有安装管11，弹簧9套设在安装管11上，弹簧9靠近曲柄5的一端固定连接在大腿支杆1上，弹簧9的另一端与滑块10相抵，连杆8与曲柄5连接的另一端与滑块10连接，曲柄5转动时能够通过连杆8带动滑块10向大腿连接盘2的方向移动并对弹簧9进行压缩。在本具体实施方式中，限位凸起6为子母铆钉。

在本方案中，初始状态为：人体处于直立状态，大腿支杆1和小腿支杆4之间的夹角为180°，小腿支杆4相对大腿支杆1转动的角度为0°，也即人体膝关节运动角度为0°。

这样，本方案的外骨骼装置在使用时，将大腿支杆1连接在大腿上，小腿支杆4连接在小腿上，在初始状态下，弹簧9处于自由状态，第一限位槽23和第二限位槽33部分重叠，且限位凸起6伸入到第一限位槽23和第二限位槽33重叠的位置。

当人体行走时，小腿摆动膝关节屈曲，将带动小腿支杆4绕大腿支杆1转动，此时小腿支杆4带动小腿连接盘3绕大腿连接盘2转动，小腿连接盘3上的第二限位槽33相对于大腿连接盘2上的第一限位槽23转动使得第二限位槽33和第一限位槽23之间重叠的范围加大，由于第一限位槽23对应圆弧的圆心角度数大于第二限位槽33对应圆弧的圆心角度数，因此第二限位槽33与第一限位槽23之间重叠的范围将逐渐加大到第二限位槽33完全与第一限位槽23重叠，在第二限位槽33与第一限位槽23完全重叠之前，伸入到第一限位槽23和第二限位槽33重叠位置的限位凸起6的位置将保持不变，即此时的曲柄5滑块10机构将处于静止状态，滑块10不会对弹簧9进行压缩，储能机构不工作；当第二限位槽33与第一限位槽23完全重叠后，小腿继续摆动带动小腿连接盘3绕大腿连接盘2转动，此时在第二限位槽33对限位凸起6的作用下，第二限位槽33将带动限位凸起6一起绕转动连接处转动，限位凸起6转动的同时再带动曲柄5转动，曲柄5转动进一步带动滑块10移动对弹簧9进行压缩储能，当人体小腿回摆膝关节伸展时，小腿连接盘3绕大腿连接盘2回转，曲柄5回转带动滑块10回移，滑块10回移再带动弹簧9复位，弹簧9复位过程中释放能量为膝关节运动助力。

当人体在平路上行走时，小腿摆动的角度小，使得此时小腿连接盘3绕大腿连接盘2转动的角度较小，第二限位槽33相对于第一限位槽23转动过的角度也小，即第二限位槽33始终在与第一限位槽23完全重合前的位置转动，从而保证人体在平路行走时，储能机构始终处于不工作的装置，使得该装置不会对人体在平路上的行走带来阻力，即不会增加人体在平路上行走的负荷。

当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，当小腿弯曲膝关节做屈曲运动时，小腿摆动的角度大，使得此时小腿连接盘3绕大腿连接盘2转动的角度较大，第二限位槽33与第一限位槽23完全重叠后继续转动，第二限位槽33继续转动的同时通过限位凸起6带动曲柄5转动，进而使得弹簧9压缩进行储能，当小腿回摆膝关节做伸展运动时，弹簧9复位释放储存的能量为人体的运动助力。

因此本方案实现了在平路行走时不增加人体行走负荷，而只在登山、爬楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。

同时本方案采用曲柄滑块机构来带动弹簧9变形储能，与传统采用钢丝绳带动弹簧9变形储能的方式相比，本方案的曲柄滑块机构使用性能更加的可靠，使用寿命长，易于安装维护。

在本实施例中，曲柄5的支点到曲柄5与连杆8连接点的方向为曲柄5的长度方向，连杆8与曲柄5的连接点到连杆8与滑块10的连接点的方向为连杆8的长度方向，连杆8的长度大于曲柄5的长度。

这样，当小腿回摆膝关节做伸展运动时，弹簧9复位产生的弹力经连杆8传递到曲柄5，传递到曲柄5上的垂直分力即为对人体运动的助力；在弹簧9弹力的传递过程中，连杆8和曲柄5之间形成杠杆结构，其中连杆8和曲柄5的连接点作为杠杆结构的支点，在此杠杆结构中，弹簧9产生的弹力作用在杠杆上，故弹簧9的弹力作为动力，连杆8作为动力臂，曲柄5作为阻力臂，曲柄5支点处受到的力作为阻力，根据杠杆的作用原理：动力*动力臂＝阻力*阻力臂；由于作为动力臂的杠杆的长度大于作为阻力臂的曲柄5的长度，因此弹簧9端的弹力经杠杆作用后将放大后形成作用在曲柄5支点处的阻力，该阻力的垂直分力即是对人体运动的助力；因此本方案对人体运动的助力将大于弹簧9本身产生的弹力，加大了对人体运动助力的效果，使得穿戴该运动助力外骨骼装置的人体在运动时能更省力，提高助力效果。

在本实施例中，限位凸起6的两侧在初始状态下分别与第二限位槽33弧形方向的一侧和第一限位槽23弧形方向的一侧相抵。

这样，若是在特殊情况下，小腿连接盘3反向转动将会对膝关节造成伤害，因此将限位凸起6的一侧在初始状态下与第二限位槽33弧形方向的一侧相抵，利用限位凸起6对小腿连接盘3的转动方向进行限制，从而避免了小腿连接盘3的反向转动对膝关节造成的伤害；同时将限位凸起6的另一侧在初始状态下与第一限位槽23弧形方向的一侧相抵，利用限位凸起6对曲柄滑块机构在小腿回摆后的位置进行限定，防止曲柄5随小腿回摆后由于惯性作用继续旋转超过初始状态位置，使得弹簧9变形产生振动，影响装置的使用舒适性，进而影响到膝关节的运动。因此，本方案能避免小腿连接盘3的反转对膝关节造成的伤害，同时还能保证装置的使用舒适性。

在本实施例中，第一限位槽23对应圆弧的圆心角度数为120°，第二限位槽33对应圆弧的圆心角度数为30°-60°。

这样，第一限位槽23和第二限位槽33角度的选择是综合考虑人体高度，腿部长度及行走路况等因素而得出的，第二限位槽33对应圆弧的圆心角度的选择可以保证在平路上行走时储能机构始终处于不工作的状态，避免了对平路行走时增加负荷，同时第一限位槽23角度的保证了在登山、爬楼梯等大角度的运动时，弹簧9能储存较大的能量对人体运动进行助力。

在本实施例中，第一限位槽23对应圆弧的圆心角度数与第二限位槽33对应圆弧的圆心角度数之差为60°-90°。

这样，可以满足登山、爬楼梯等大角度运动时小腿摆动幅度的要求。

在本实施例中，大腿支杆1上设有第一安装座12和位于第一安装座12下方的第二安装座7，第一安装座12与第二安装座7之间竖向连接有安装管11，弹簧9和滑块10均套设在安装管11上并能够沿安装管11竖向滑动，弹簧9下端固定连接在第二安装座7上，弹簧9上端与滑块10相抵。

这样，将弹簧9和滑块10均套设在安装管11上，利用安装管11对弹簧9和滑块10的运动进行导向和安装支撑。

如附图4所示，在本实施例中，安装管11内设有竖向的减重通孔，安装管11的外圆周上对称设有两个竖向的限位凹槽111，限位凹槽111与减重通孔相连通，限位凹槽111的轴向中心线位于安装管11的轴向中心线上方，滑块10套设在安装管11外开设有限位凹槽111的位置，滑块10内径的轴向宽度大于两个限位凹槽111之间的轴向宽度且小于安装管11外径的轴向宽度。

这样，减重通孔用于实现对安装管11的整体减重，同时利用限位凹槽111对滑块10的移动位置进行限定，一方面避免了滑块10对弹簧9的过度压缩，另一方面对滑块10在回位时的位置进行限定，避免滑块10在回到初始位置后由于惯性的作用进一步带动弹簧9便形产生振动，影响装置的使用舒适性。

在本实施例中，曲柄5的长度为3-4cm，连杆8的长度为9-11cm，曲柄5长度方向与竖向平面之间在初始状态下所夹的锐角角度为40°-50°。

这样，滑块10的位移在曲柄5长度方向与竖向平面之间在初始状态下所夹的锐角角度较小时，滑块10的位移变化很慢，要满足相同的弹簧9力时，如果滑块10的位移较小，即弹簧9压缩量小，则需要的弹簧9刚度大，不易于压缩；再则若是初始状态曲柄5长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度太大，又会使得连杆8过长，同时还要考虑到弹簧9的长度，该角度太大，会影响安装弹簧9的长度，弹簧9的可压缩量就较小；另外在弹簧9弹回后曲柄5所受的力是经过连杆8传回曲柄5的，在连杆8与曲柄5夹角为90°时，传递回曲柄5的力的效率是较高的，因此曲柄5要在与连杆8成90°的附近进行变化，这样弹簧9的弹力传递的效率才高，充分考虑这些因素后选择在为40°-50°开始；这样既使得滑块10的位移变化较快，又使得曲柄5和连杆8的长度适中，弹簧9传回的力的效率也较高。

在本实施例中，连杆8长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度小于25°，连杆8与曲柄5所夹的锐角角度为60°-90°。

这样，由于弹簧9的弹力传回时经连杆8，传回曲柄5，从理论上力的传递有两次损失，该损失直接跟连杆8长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度的余弦值、连杆8与曲柄5所夹的锐角角度的正弦值有关，将连杆8长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度设计的小于25°，则其余弦值将大于0.9，将连杆8与曲柄5所夹的锐角角度设计为60°-90°，其正弦值将大于0.8，从而有效保证弹簧9弹力传回到曲柄5处的效率。

在本实施例中，还包括绑缚机构，绑缚机构包括可粘贴绑带14和与可粘贴绑带14固定连接的绑带连接件13，绑带连接件13用于与大腿支杆1和小腿支杆4固定连接。

这样，绑缚机构用于将外骨骼机构与大、小腿连接，使外骨骼与人体并行运动，通过绑缚机构分别将大腿支杆1和小腿支杆4绑在人体的大腿和小腿处，再通过绑缚机构上的可粘贴绑带14进行粘贴即可实现将该装置穿戴在人体腿部的目的。

在本实施例中，大腿连接盘2包括大腿连接部21和大腿圆弧部22，大腿连接部21上开设有两个铆钉孔，大腿连接盘2通过铆钉与第二安装座7和大腿支杆1连接在一起，大腿圆弧部22呈开口向下的结构形式，在大腿圆弧部22的中间位置开设有大腿连接孔，小腿连接盘3包括小腿连接部31和小腿圆弧部32，小腿连接部31上开设有铆钉孔，小腿连接部31通过铆钉与小腿支杆4连接，小腿圆弧部32伸入到大腿圆弧部22的开口结构内，且在小腿圆弧部32的中间位置开设有小腿连接孔，在大腿连接孔和小腿连接孔处设有转轴，通过转轴实现大腿连接盘2和小腿连接盘3的转动连接。

在本实施例中，连杆8呈两端为圆弧形、中间为矩形的结构形式，连杆8两端圆弧形结构的直径宽度大于连杆8中间矩形结构的宽度，连杆8分别通过两端圆弧形结构与滑块10和曲柄5连接。

这样，通过将连杆8两端需要与滑块10和曲柄5连接的位置设计为直径宽度较大的圆弧形结构，而将连杆8中间设计为宽度较小的矩形结构，这样可以在满足连接要求的前提下，减轻整个连杆8的重量，进而可以减轻储能机构的重量。

在本实施例中，弹簧9的线径为1.8mm、外径为20mm、刚度为2.82n/m。

这样，该弹簧9的尺寸是经过多次试验后得到的最优的尺寸，既能很好的满足助力效果，同时刚度不会太大，适合膝关节的运动。

在本实施例中，曲柄5与连杆8之间、连杆8与滑块10之间均采用子母铆钉进行连接。

这样，子母铆钉的安装方便，且应用广泛，使用成本低。

以下对曲柄滑块机构和弹簧的设计进行具体的说明：

曲柄滑块机构的设计在本设计中较为重要，曲柄滑块机构的作用是在膝关节屈曲运动压缩弹簧时，进行弹簧压缩蓄力，在膝关节伸展时，弹簧的弹力传回曲柄进行助力。设计曲柄时，连杆和曲柄的长度受大腿支杆的影响，而曲柄长度直接影响滑块的行程，同时弹力在传回时经连杆，传回曲柄，从理论上力的传递有两次损失(如式2-1)，直接跟连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度、连杆与曲柄所夹的锐角角度相关，其中连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度较小，因此设计时主要考虑连杆与曲柄所夹的锐角角度。

f＝f1*cosa1*sina2(2-1)

式中，f为垂直于曲柄的作用力；f1为弹簧的弹力；a1连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度，a2为连杆与曲柄所夹的锐角角度。

由式(2-1)可知，若设计时将传回的效率最低定在75％，在此设定膝关节的屈曲角度平均最大值为80°，小腿连接盘上第二限位槽对应圆弧的圆心角度数为20°，因此曲柄转动的最大角度60°，连杆长度方向与竖向平面之间所夹的锐角角度可以很好的控制在25°以下，该角度余弦值大于0.9，所以连杆与曲柄所夹的锐角角度应大于60°，使得曲柄与连杆夹角余弦值大于0.8。

另外滑块的位移公式为：

式中：r为曲柄长度，l为连杆长度，α为曲柄长度方向与竖向平面之间的角度。

通过计算，滑块的位移在曲柄长度方向与竖向平面之间的角度较小时，滑块的位移变化很慢，要满足相同的弹簧力时，如果滑块的位移较小，即弹簧压缩量小，则需要的弹簧刚度大，不易于压缩，再则就是选择开始的角度太大，又会使得连杆过长，同时还要考虑到弹簧的长度，曲柄长度方向与竖向平面之间的角度太大，会影响安装弹簧的长度，弹簧的可压缩量就较小，还有一个最主要的问题，在弹簧弹回后曲柄所受的力是经过连杆传回曲柄的，在连杆与曲柄夹角为90°时，传递回曲柄的力的效率是极高的，因此曲柄的变化要在与连杆成90°的附近进行变化，这样弹簧力传递的效率才高，充分考虑这些因素后选择在45°开始；使得滑块的位移变化较快，又使得曲柄和连杆的长度适中，弹簧传回的力的效率也较高。

在对弹簧进行设计时，设定弹簧助力的效果最大不小于5n·m的要求，弹簧的压缩量由滑块的位移决定，计算时取滑块的位移为30mm，同时取曲柄的长度为40mm，因此首先进行弹簧力的估算，平均效率取0.85。

力矩m＝f*r*0.85(2-3)

其中：力矩m取为5n·m，r为40mm，得出需要的弹力f为147n，取为整数150n。

计算弹簧线径

τp＝0.62δb(2-5)

式中：δb为弹簧钢丝的抗拉极限强度；

τp为许用切应力；

c、k为圆柱螺旋弹簧计算用系数；

d为弹簧中径；

d为弹簧线径。

选择材料为碳素弹簧钢丝c级，初取c＝6，直径d取为4-4.5，根据gb/t1239查到k为1.253，根据gb/t1239.6，δb为1520mpa，计算得到弹簧线径d为1.75mm，取为标准线径2mm；弹簧中径为12mm，根据线径标准，取为标准线径16mm。

计算弹簧有效圈数：

式中：g为弹簧材料切变模量，碳素弹簧钢丝g取79gpa；

d为弹簧线径，取为2mm；

s为滑块移动的位移，取为30mm；

d为弹簧中径，取为16mm；

f为弹簧弹力，取为150n；

将上述数据带入式(2-8)，计算得出n为7.7，取标准为8，则弹簧刚度为：

将各参数带入式(2-9)中计算得出弹簧刚度为4.82n/mm；

弹簧内径d1＝d-d＝14mm(2-10)

弹簧外径d2＝d+d＝18mm(2-11)

取标准自由高度h0＝50mm(2-12)

弹簧节距

螺旋角

在进行弹簧计算后分别采购了弹簧钢线径1.8，外径19、20和线径1.5外径20的三种规格弹簧进行测试，测试完毕后，根据实际情况采用线径1.8，外径20的弹簧，弹簧刚度为2.82n/m。

实施例二：

如附图5所示，与实施例一的不同之处在于，本实施例中的大腿支杆1和小腿支杆4的结构不同，大腿支杆1采用三段式结构组合而成，分别为第一大腿支杆12、第二大腿支杆13和第三大腿支杆14，各大腿支杆上均设有镂空状的减重结构且各大腿支杆之间通过螺钉进行连接，第三大腿支杆14用于与大腿连接部21进行连接，小腿支杆4采用二段式结构组合而成，分别为第一小腿支杆41和第二小腿支杆42，各小腿支杆上均设有镂空状的减重结构且各小腿支杆之间通过螺钉进行连接，第一小腿支杆41用于与小腿连接部31进行连接。这样，可以有效减轻整个大腿支杆1和小腿支杆4的重量，减轻整个外骨骼装置在人体上的负重。

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。