一种形似紧身裤的助行柔性被动外骨骼

1.本发明涉及下肢助力外骨骼技术领域，具体涉及一种形似紧身裤的助行柔性被动外骨骼。


背景技术：

2.外骨骼作为一种与人体运动高度相关的机器人技术，已成为了许多行业的新型研究热点。针对一些常常要长时间步行的用户群体，例如需要行军的军人或者远足爱好者，特定设计的下肢外骨骼也可以辅助他们的步行运动，起到减少体能消耗和增强耐力的作用。
3.传统的外骨骼设计多为主动的刚性机器人形式，尽管有着优秀的承载能力，但是一方面受限于能源与动力组件，其重量和体型较大，反而加重了人体负载，提高了步行运动的体能成本，使得辅助效果较差，并且使用过程中还需要解决续航和控制等问题；另一方面其穿戴性不佳，表现为难以穿戴和脱卸、难以适应不同体型的人体、容易干涉人体自身运动、肤表舒适感差、外观异样等问题。因此针对上述技术问题，需要设计一种兼具实用性和穿戴性的柔性被动外骨骼装置，克服主动刚性外骨骼的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述传统外骨骼缺陷，提供一种形似紧身裤的助行柔性被动外骨骼，在人体步行运动中可以被动地产生帮助步行的辅助力，在长时间步行工况下减少人体的体能消耗，增强人体的耐力。
5.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
6.首先，本发明仿照了人体小腿上的踝关节跖屈肌的功能，通过在步态周期的单支撑相末期给踝关节提供跖屈方向的力矩，从而协助踝关节跖屈肌的做功以完成提踵蹬地的动作。此过程中由于外骨骼的辅助，下肢肌肉减轻了做正功的负担，因此能起到减少人体体能消耗，提高耐力的作用。
7.其次，本发明根据人体下肢在步态周期的单支撑相中后期里出于减缓人体重心下降的目的而让各组肌肉发力制动的现象，使外骨骼在这个时段中适当地阻碍下肢的运动，从而使弹性系统储能，同时形成外部的制动力。此过程中由于外骨骼的制动力，下肢肌肉减轻了做负功的负担，因此能起到减少人体体能消耗，提高耐力的作用。
8.为了实现以上两点的结合，本发明设计以一套拉伸弹性系统为核心的形似紧身裤的助行柔性被动外骨骼。这套拉伸弹性系统使得在步态周期的单支撑相中后期时，人体下肢拉伸外骨骼，使其受到外骨骼的反作用力进行制动，同时外骨骼也将人体动能转化为弹性势能暂存起来，进入步态周期的单支撑相末期时，外骨骼会跟随人体下肢提踵蹬地的动作而放松收缩，释放储存的弹性势能，形成一个对踝关节跖屈方向的辅助力矩。
9.为了实现上述的拉伸弹性系统，本发明使用了若干柔性组件构成了一条从前腰经大腿和小腿延伸到脚踝的弹性传力路径。弹性传力路径自身包含的纺织材料的弹性，以及因运动过程中它对下肢肌肉表面的法向压迫而呈现的肌肉的弹性，共同组成了拉伸弹性系
统的刚度特性。
10.一种形似紧身裤的助行柔性被动外骨骼，包括紧身裤衬底、腰带组件、传力带组件、弹力带组件及脚套组件，其中，
11.所述紧身裤衬底由弹性纺织材料制成；
12.所述腰带组件包括腰带后围以及腰带左右两翼两个部分，由坚韧纺织材料制成；所述腰带后围固定在所述紧身裤衬底的裤腰后半环部分，腰带后围左右端自由延伸到所述腰带左右两翼，所述腰带左右两翼对称设置，围绕到前半环并交叠紧固，配合所述腰带后围包裹住人体腰部；
13.所述传力带组件呈左右对称设置，分别连接腰带组件和弹力带组件，所述传力带组件由坚韧纺织材料制成，呈长带状，所述传力带组件缝合在所述紧身裤衬底之上，与紧身裤衬底固联，以强化这些织带所在的路径上的拉伸刚度特性；
14.所述弹力带组件呈左右对称设置，包括上、下两部分，上部分为弹性单元部分，呈长带状，上部分连接于所述传力带组件的紧固件；下部分为坚韧织带部分，呈长带状，下部分与所述弹性单元部分下端固联，下部分用于与所述脚套组件活接或紧固；
15.所述脚套组件呈左右对称设置，由坚韧布料制成，所述脚套组件中间处设置有松紧带环，保证在受拉情况下不松驰，所述松紧带环固定于脚背上。
16.进一步地，所述腰带组件仅在所述腰带后围部分与所述紧身裤衬底固联，所述紧身裤衬底在腰围前半围处的材料可自由弹性扩张，在一定范围内适应不同穿戴者的腰围。
17.进一步地，所述腰带组件的腰带左右两翼交叠区域设置有魔术贴或排扣，所述腰带左右两翼的下边缘中央设有连接紧固件，通过连接紧固件连接所述传力带组件，实现弹性传力路径的预紧。
18.进一步地，所述传力带组件从所述紧身裤衬底的大腿前侧中央处先向下方延伸，然后分流大腿内外两侧，以包夹大腿的形式继续向下延伸，并最后交汇于所述紧身裤衬底的小腿后侧。
19.进一步地，所述传力带组件分流包夹大腿的路径经过膝关节转轴，所述传力带路径在人体矢状面上的投影线经过膝关节转轴的投影点，避免外骨骼对膝关节产生负面影响。
20.进一步地，所述传力带组件在经过膝关节转轴处留有一段局部路径不与所述紧身裤衬底固联，所述传力带组件最上端自由延伸出一外延段连接所述腰带组件的腰带左右两翼的紧固件，所述传力带组件最下端交汇点处设有连接紧固件连接所述弹力带组件。
21.进一步地，所述弹力带组件的上部分弹性单元所述弹力带组件的下部分坚韧织带固联。
22.进一步地，所述脚套组件的一端设置有魔术贴或者卡槽，与所述弹力带组件的下部分活接，便于穿脱。
23.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
24.(1)相比传统刚性主动外骨骼，本发明的助行柔性被动外骨骼不需要动力装置和控制元件，大幅降低外骨骼重量和系统复杂度，减少了人体负担额外重量而产生的代谢惩罚。
25.(2)本发明的助行柔性被动外骨骼所有组件均采用柔性构件，解决了刚性外骨骼
难以对齐人体关节转动中心的问题，穿戴性良好，降低了对人体关节协调运动的影响。
26.(3)本发明的助行柔性被动外骨骼通过传力带法向压迫肌肉储存能量，突破了传统被动外骨骼使用刚性弹簧进行储存能量的限制。
27.(4)本发明的助行柔性被动外骨骼采用模块化设计，易于更换不同尺寸组件以满足不同身材穿戴者的使用需要，并且具有低廉的制造成本。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
29.图1是本发明中穿戴外骨骼后下肢的前视图；
30.图2是本发明中穿戴外骨骼后下肢的侧视图；
31.图3是本发明中穿戴外骨骼后下肢的后视图；
32.附图标记说明：1-腰带左翼；2-腰带右翼；3-上紧固件；4-传力带组件；5-下紧固件；6-弹力带组件；7-脚套组件；8-紧身裤衬底。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
34.实施例1
35.如图1所示，紧身裤衬底8由弹性纺织材料制成，如薄棉或聚酯纤维等，满足贴身、亲肤、透气排汗的需求。紧身裤衬底8作为穿戴基底，在其上缝合有数条坚韧织带，包括腰带组件和传力带组件4，目的是强化这些织带所在的特定路径上的拉伸刚度或支撑特性。这些织带由坚韧的纺织材料制成，如紧密的尼龙织料等，通过车缝紧贴在紧身裤衬底8表面，其车缝线如图1中各织带上的细线所示。
36.腰带组件包括腰带后围以及腰带左右两翼两个部分，腰带左右两翼为图1中腰带左翼1和腰带右翼2，腰带左翼1和腰带右翼2为腰带组件的两端，两者之间的部分为腰带后围，车缝在裤腰的后半围，以增强与人体后腰之间的支撑刚度。腰带左翼1和腰带右翼2不与紧身裤衬底8固联，使裤腰留有具有弹性的前半围，用于在一定范围内适配不同穿戴者的身形。穿戴后腰带左翼1和腰带右翼2之间需要紧固，方法例如魔术贴或排扣等，以实现对整个腰部的包裹。
37.在腰带左翼1和腰带右翼2的下沿位于大腿中心处，连有上紧固件3，可采用日字扣或其他具有可调性和自锁性的紧固件，用于连接传力带组件4的上方外延段。上紧固件3可调整传力带组件4上方外延段的长度并锁紧，用于预紧外骨骼的弹性传力路径。
38.传力带组件4是本发明的核心部件，由坚韧的纺织材料制成，在本实施例中，纺织材料为尼龙。传力带组件4分为两个部分：第一部分是位于上方的外延段，用于连接上紧固件3，外延段不与紧身裤衬底8固联；第二部分则从内外侧两个方向分开并延伸，包夹住大腿，并最终交汇于小腿的腓肠肌中央处；传力带组件4与紧身裤衬底8固联，其中在经过膝关
节转轴处留有一段局部路径不与紧身裤衬底8固联，可在不受拉的情况下自由松弛。
39.传力带组件4下方末端连有下紧固件5，可采用日字扣或其他具有可调性和自锁性的紧固件，用于连接弹力带组件6。其可调整弹力带组件6的长度并锁紧，用于预紧外骨骼的弹性传力路径。
40.弹力带组件6是本发明的另一个核心部件，其是外骨骼弹性传力路径上最显而易见的串联弹性单元。需要指出的是，在本实施例中，弹力带组件6采用与传力带组件4相同的材质制作，在本实施例中，弹力带组件6会使整套外骨骼呈现最高刚度，具有理论上的最高辅助力和最优助力性能。
41.弹力带组件6的下方末端活接于脚套组件7的脚踵底部处，方式如魔术贴或用卡槽卡紧等，以保证可靠的紧固且方便更换。需要指出的是，在本实施例中，脚套组件7穿戴于脚部，包裹住脚踵底部和少部分脚背，紧贴于脚跟处，由坚韧的布料制成，穿后可夹藏于日常的运动鞋内。
42.在使用过程中，用户应先紧固右腰带1和左腰带2以包裹腰部，然后调节上紧固件3和下紧固件5，确保传力带组件4和弹力带组件6没有松弛，之后即可步行。步行过程中，在步态周期的单支撑相中后期，髋关节伸展且踝关节屈曲，拉伸了传力带组件4及弹力带组件6，两者会形成一个反作用的弹力，作用于踝关节。同时由于传力带组件4的特殊分布结构，传力带组件4会法向压迫大腿和小腿部分肌肉，进一步增强反作用的弹力。该弹力一端经上紧固件3传递到腰带，最后由人体后腰支撑住；另一端对踝关节形成一个跖屈方向的力矩，帮助此时的人体下肢制动。直至过渡到步态周期的单支撑相末期，髋关节伸展减速直至停转，膝关节开始屈曲，踝关节开始跖屈，此时在前一时期被拉伸的整个弹性传力路径开始放松，释放储存的弹性势能，对踝关节的跖屈方向的力矩帮助人体完成提踵蹬地的动作，实现对步行的助力。
43.实施例2
44.本发明的另一实施例中，外骨骼采用如实施例1中的外骨骼穿戴装置，对于外骨骼紧身裤衬底、腰带组件、传力带组件和弹力带组件的详细结构参见实施例1，该外骨骼的使用过程参考上述实施例1中相应部分，在此不在赘述。
45.与实施例1不同的是，本实施例中，脚套组件在脚踵上方添加加长力臂，以提高外骨骼的辅助力矩大小，具体地，所述加长力臂为3d打印pla材料。如表1所示，通过实验测得不同长度的脚套加长力臂对应不同的峰值辅助力矩。不同的穿戴者可根据自身需要选用不同脚套加长力臂，实现辅助力矩大小的调整，使穿戴者获得舒适的穿戴体验。
46.对于未提及的外骨骼的其他结构，采用实施例1的结构即可。
47.表1.不同长度脚套加长力臂对应峰值辅助力矩表
48.脚套加长力臂(mm)5075100峰值辅助力矩(nm)3.094.937.01
49.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。