髋关节运动辅助柔性外骨骼装置

本技术属于可穿戴仿生设备的，具体涉及髋关节运动辅助柔性外骨骼装置。

背景技术：

1、运动辅助外骨骼装置属于人体可穿戴仿生设备，是通过对人体下肢关节提供助力以辅助人体下肢运动，可实现运动增强和进行康复训练，在军事和医疗领域有着广阔的应用场景；尤其是，近年来随着人口老龄化问题加重，使步行障碍人群数量大幅增加，而医疗人员和治疗师较为缺乏，导致对运动辅助外骨骼装置的需求急剧增大，因此，运动辅助外骨骼装置的创新和改进尤为重要；运动辅助外骨骼装置提供助力的对象主要有髋关节、膝关节和踝关节，以分别辅助完成大腿运动、小腿运动和足部运动。

2、目前，髋关节运动辅助外骨骼装置多采用刚性结构来实现助力的传递，如中国专利cn116587254a公开的一种穿戴式助力助行外骨骼，其刚性结构主要由多段可以相对滑动或转动的杆件组成，重量较大，虽为适应穿戴者的腰围和大腿长度，设计了相应的调整结构，但调整的灵活性较差，该外骨骼与人体下肢的匹配程度较弱，对人体下肢运动有较大限制，难以实现较好的人机耦合；也有部分髋关节运动辅助外骨骼装置采用刚柔耦合结构来实现助力的传递，如中国专利cn115922670a公开的一种刚柔耦合可辅助支撑负重的髋关节助力外骨骼，其刚柔耦合结构主要由可相对滑动的多个腿部板件组成，驱动机构通过鲍登线与腿部板件上的变刚度曲柄滑块机构实现助力的传递，虽相较刚性结构，其质量更轻且与人体下肢的匹配程度更好，但由于是通过腿部板件来与人体下肢耦合，其穿戴的舒适性和运动助力的灵活性都较差，难以满足使用需求。

3、因此，需要设计一种主动式且采用柔性结构的髋关节运动辅助外骨骼装置，以提高人机匹配度和辅助效果，增加人体穿戴的舒适性和下肢运动的灵活性。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，解决目前髋关节运动辅助外骨骼装置存在人机匹配度和辅助效果较差的技术问题，取得增加人体穿戴舒适性和下肢运动灵活性的效果。

2、为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

3、髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，包括挂载结构、腰部绑缚、大腿绑缚和驱动结构；挂载结构用于穿戴在人体的上半身，腰部绑缚用于穿戴在人体的腰部，腰部绑缚具有自穿戴者的腰部延伸至大腿根部的安装部，安装部上靠近自身末端设有导向座，导向座位于穿戴者大腿根部的前侧，导向座上具有沿穿戴者的大腿长度方向贯穿设置的导向孔；大腿绑缚用于穿戴在人体的大腿上，大腿绑缚上设有连接座，连接座位于穿戴者大腿的前侧；驱动结构安装在挂载结构上以便通过挂载结构挂载在人体的上半身，驱动结构的输出端与连接座之间连接有绳索，绳索穿过导向孔以便驱动结构的输出端通过绳索和大腿绑缚辅助大腿进行屈曲动作。

4、进一步地，腰部绑缚包括呈长条状的绑缚本体，绑缚本体的两端分别设有连接件，绑缚本体通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。

5、进一步地，绑缚本体宽度方向靠近穿戴者大腿的一侧凸起并延伸形成有四个安装板，相邻两安装板之间有间距，两个安装板分别位于穿戴者两大腿的前侧，另两个安装板分别位于穿戴者两大腿的后侧，四个安装板组成所述安装部，导向座连接在位于穿戴者大腿前侧的安装板上。

6、进一步地，相邻两个安装板之间的间距从穿戴者腰部到大腿根部逐渐增大。

7、进一步地，大腿绑缚呈长条形且两端分别设有连接件，大腿绑缚通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。

8、进一步地，腰部绑缚和大腿绑缚均为四层结构，由内到外依次为网布层、海绵层、皮革层和帆布层。

9、进一步地，绑缚本体上沿绑缚本体的宽度方向间隔设有两个松紧调整单元以用于调整肢体绑缚穿戴的松紧程度；松紧调整单元包括于外露面上分别靠两端设置的旋转鞋扣和磁吸扣，磁吸扣包括与外露面固定连接的磁吸座和与磁吸座通过磁力可拆卸连接的磁吸部，旋转鞋扣与磁吸部之间连接有调整带。

10、进一步地，挂载结构包括腰带和两条连接于腰带上的背带，驱动结构安装在挂载结构对应穿戴者背部的一面的外侧；所述绳索为鲍登线，驱动结构与腰部绑缚之间的鲍登线段外活动套设有刚性的套管，套管的一端与驱动结构连接，另一端与导向座连接。

11、进一步地，驱动结构包括驱动箱，驱动箱安装在挂载结构上；大腿绑缚的数量为两个，驱动箱内对应设有两个横向且相背设置的电机，电机的输出轴延伸至驱动箱外并同步转动连接有皮带轮，皮带轮作为所述驱动结构的输出端，绳索的一端位于皮带轮的轮槽内并固定连接，另一端与连接座连接。

12、进一步地，驱动箱的两侧均连接有罩住对应侧皮带轮的端盖，皮带轮远离驱动箱的一侧同步转动连接有支撑轴，支撑轴与端盖转动连接，所述绳索的另一端活动穿出端盖外并与连接座连接。

13、相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

14、1、本实用新型中，绳索穿过安装部上导向座的导向孔与大腿绑缚上的连接座相连，以使大腿根部和大腿的前侧分别形成绳索施力的支点，在人体屈曲的过程中，驱动结构通过绳索和连接座向大腿绑缚提供的拉力与穿戴者大腿肌肉收缩产生的力近似，绳索的拉力以髋关节为旋转中心产生一个辅助矩，从而实现对人体屈曲运动的辅助；

15、2、本实用新型中，驱动结构通过挂载结构挂载在人体的上半身，人体在行走时，人体上半身的势能波动较小，可有效减少行走时无效的能量消耗，有利于提高对屈曲运动的辅助效能。

16、3、本实用新型中，腰部绑缚和大腿绑缚采用由内到外依次为网布、海绵、皮革和帆布的多层结构，不仅可使腰部绑缚和大腿绑缚保持一定形状以便于穿戴和固定，且可降低穿戴时对皮肤的伤害，有助于提高穿戴的舒适性。

17、4、本实用新型中，采用绳索作为实现驱动结构与大腿绑缚之间助力传递的柔性结构，并通过腰部绑缚穿戴在人体上，使驱动结构的布置更为灵活、助力传递简单，且对运动步态的影响较小，可较好适应人体下肢运动并可保证灵活性。

技术特征：

1.髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：包括挂载结构、腰部绑缚、大腿绑缚和驱动结构；挂载结构用于穿戴在人体的上半身，腰部绑缚用于穿戴在人体的腰部，腰部绑缚具有自穿戴者的腰部延伸至大腿根部的安装部，安装部上靠近自身末端设有导向座，导向座位于穿戴者大腿根部的前侧，导向座上具有沿穿戴者的大腿长度方向贯穿设置的导向孔；大腿绑缚用于穿戴在人体的大腿上，大腿绑缚上设有连接座，连接座位于穿戴者大腿的前侧；驱动结构安装在挂载结构上以便通过挂载结构挂载在人体的上半身，驱动结构的输出端与连接座之间连接有绳索，绳索穿过导向孔以便驱动结构的输出端通过绳索和大腿绑缚辅助大腿进行屈曲动作。

2.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：腰部绑缚包括呈长条状的绑缚本体，绑缚本体的两端分别设有连接件，绑缚本体通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。

3.根据权利要求2所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：绑缚本体宽度方向靠近穿戴者大腿的一侧凸起并延伸形成有四个安装板，相邻两安装板之间有间距，两个安装板分别位于穿戴者两大腿的前侧，另两个安装板分别位于穿戴者两大腿的后侧，四个安装板组成所述安装部，导向座连接在位于穿戴者大腿前侧的安装板上。

4.根据权利要求3所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：相邻两个安装板之间的间距从穿戴者腰部到大腿根部逐渐增大。

5.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：大腿绑缚呈长条形且两端分别设有连接件，大腿绑缚通过连接件首尾相连呈环形以便穿戴。

6.根据权利要求5所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：腰部绑缚和大腿绑缚均为四层结构，由内到外依次为网布层、海绵层、皮革层和帆布层。

7.根据权利要求6所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：绑缚本体上沿绑缚本体的宽度方向间隔设有两个松紧调整单元以用于调整肢体绑缚穿戴的松紧程度；松紧调整单元包括于外露面上分别靠两端设置的旋转鞋扣和磁吸扣，磁吸扣包括与外露面固定连接的磁吸座和与磁吸座通过磁力可拆卸连接的磁吸部，旋转鞋扣与磁吸部之间连接有调整带。

8.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：挂载结构包括腰带和两条连接于腰带上的背带，驱动结构安装在挂载结构对应穿戴者背部的一面的外侧；所述绳索为鲍登线，驱动结构与腰部绑缚之间的鲍登线段外活动套设有刚性的套管，套管的一端与驱动结构连接，另一端与导向座连接。

9.根据权利要求1所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：驱动结构包括驱动箱，驱动箱安装在挂载结构上；大腿绑缚的数量为两个，驱动箱内对应设有两个横向且相背设置的电机，电机的输出轴延伸至驱动箱外并同步转动连接有皮带轮，皮带轮作为所述驱动结构的输出端，绳索的一端位于皮带轮的轮槽内并固定连接，另一端与连接座连接。

10.根据权利要求9所述髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其特征在于：驱动箱的两侧均连接有罩住对应侧皮带轮的端盖，皮带轮远离驱动箱的一侧同步转动连接有支撑轴，支撑轴与端盖转动连接，所述绳索的另一端活动穿出端盖外并与连接座连接。

技术总结
本技术公开了一种髋关节运动辅助柔性外骨骼装置，其中，绳索穿过安装部上导向座的导向孔与大腿绑缚上的连接座相连，使大腿根部和大腿的前侧分别形成绳索施力的支点，在人体屈曲的过程中，驱动结构通过绳索和连接座向大腿绑缚提供的拉力与穿戴者大腿肌肉收缩产生的力近似，绳索的拉力以髋关节为旋转中心产生一个辅助矩，从而实现对人体屈曲运动的辅助；本技术采用绳索作为实现驱动结构与大腿之间助力传递的柔性结构，使驱动结构的布置更为灵活、助力传递简单，且对运动步态的影响较小，可较好适应人体下肢运动并可保证灵活性，可有效解决目前髋关节运动辅助外骨骼装置存在人机匹配度和辅助效果较差的问题。

技术研发人员：赵留刚,黎波,陈新志立,黄森,李仪有,袁冬,张甲丰,童宗源,胡嘉蓉,高淼
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：20231009
技术公布日：2024/4/24