一种无源膝关节外骨骼

摘要

本发明公开一种无源膝关节外骨骼，涉及人体运动辅助设备技术领域。在确保蓄能机构所具有的初始能量可调节的情况下，提高无源膝关节外骨骼的适用性。该无源膝关节外骨骼，包括小腿连接板、大腿连接板、蓄能机构和调节机构。蓄能机构将小腿连接板和大腿连接板可转动的连接在一起。蓄能机构具有初始能量。小腿连接板和大腿连接板相对转动时，向蓄能机构集聚能量。调节机构连接在蓄能机构位于小腿连接板和大腿连接板之间的部分。调节机构用于调节初始能量。

说明书

技术领域

本发明涉及人体运动辅助设备技术领域，特别是涉及一种无源膝关节外骨骼。

背景技术

外骨骼是一种新型可穿戴人机一体化装置，主要应用于军事作战和康复医疗等领域。外骨骼应用于军事作战领域时，在提高士兵的力量、速度和耐力的情况下，可以提高单兵作战能力。

外骨骼可以分为有源外骨骼和无源外骨骼。其中，无源外骨骼为纯机械结构，无外部能量供应装置。无源外骨骼利用人体自身能量对人体产生助力作用。也就是说，当肢体运动做负功时将能量进行收集与存储，当肢体运动做正功时将能量进行释放，在减少人体运动过程中的新陈代谢的情况下，对人体产生助力作用。

相关技术提供一种无源膝关节外骨骼，在实际应用中，可以将无源膝关节外骨骼连接在穿戴者的膝关节处，穿戴者曲腿时，利用无源膝关节外骨骼蓄能，穿戴者伸腿时，利用无源膝关节外骨骼释能。基于此，在穿戴者跑步或走路时，利用无源膝关节外骨骼实现对穿戴者的助力作用。

然而，相关技术提供的无源膝关节外骨骼由于蓄能不便调节，导致存在适用性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无源膝关节外骨骼，在确保蓄能机构所具有的初始能量可调节的情况下，提高无源膝关节外骨骼的适用性。

第一方面，本发明提供一种无源膝关节外骨骼，包括小腿连接板、大腿连接板、蓄能机构和调节机构。蓄能机构将小腿连接板和大腿连接板可转动的连接在一起。蓄能机构具有初始能量。小腿连接板和大腿连接板相对转动时，向蓄能机构集聚能量。调节机构连接在蓄能机构位于小腿连接板和大腿连接板之间的部分。调节机构用于调节初始能量。

采用上述技术方案的情况下，本发明提供的无源膝关节外骨骼，由于小腿连接板、大腿连接板和调节机构均集成在蓄能机构上，因此，在提高无源膝关节外骨骼的结构紧凑性的情况下，可以从整体上减小无源膝关节外骨骼的体积，以便于携带和穿戴。

另外，蓄能机构具有初始能量，而且在调节机构的作用下，初始能量可以调节，此时，可以根据穿戴者运动(此处的运动包括跑步或走路)时膝关节的弯曲和伸张程度，以及不同穿戴者腿部结构的不同等，预先调整好初始能量。例如，穿戴者跑步时需要蓄能机构释放出的能量要大于穿戴者走路时需要蓄能机构释放出的能量，此时，可以提高应用于跑步时的无源膝关节外骨骼所具有的蓄能机构的初始能量，降低应用于走路时的无源膝关节外骨骼所具有的蓄能机构的初始能量。在蓄能机构初始能量确定的情况下，可以将小腿连接板与穿戴者的小腿连接在一起，将大腿连接板与穿戴者的大腿连接在一起。当穿戴者曲腿时，带动小腿连接板和大腿连接板相对转动，此时，相对转动的小腿连接板和大腿连接板向蓄能机构进一步的集聚能量，与蓄能机构所具有的初始能量一起为穿戴者助力。当穿戴者伸腿时，蓄能机构所具有的初始能量以及向蓄能机构集聚的能量共同为穿戴者助力。

从以上应用过程可知，可以根据穿戴者腿部结构的不同，或穿戴者运动形式的不同，按照实际需求调整蓄能机构所具有的初始能量的大小，以适应不同的穿戴者或穿戴者的运动状态，提高适用性以及优化助力效果。

作为一种可能的实现方式，蓄能机构包括转轴、涡卷弹簧、承载座、第一盖体和第二盖体。转轴与小腿连接板紧固连接，由小腿连接板带动转轴转动。涡卷弹簧的内圈端部与转轴紧固连接。承载座用于承载涡卷弹簧，且涡卷弹簧的外圈端部与承载座紧固连接。承载座具有外边沿，贯穿外边沿开设有通孔。第一盖体具有容纳空间，承载座固定在容纳空间内。贯穿第一盖体靠近边沿的位置开设第一环形通槽，沿第一环形通槽的内壁向远离第一盖体中心的方向间隔开设多个第一限位孔。第二盖体与第一盖体相对，扣合在转轴的一端。贯穿第二盖体靠近边沿的位置开设第二环形通槽，沿第二环形通槽的内壁向远离第二盖体中心的方向间隔开设多个第二限位孔。第二环形通槽与第一环形通槽相对，第二限位孔与第一限位孔一一相对。大腿连接板位于第一盖体和第二盖体之间，并与第一盖体和第二盖体紧固连接在一起。第一盖体、承载座和第二盖体均能够在大腿连接板的带动下围绕转轴转动。

作为一种可能的实现方式，调节机构包括按钮和调节销，按钮沿第一方向设置在第二盖体和承载座之间，第一方向为与旋转轴的轴向垂直的方向。按钮沿转轴转动，按钮沿第一方向做往复直线运动。调节销同时贯穿第一盖体、承载座、按钮和第二盖体靠近边沿的位置。在按钮被按压的情况下，调节销能够在第一环形通槽和第二环形通槽内转动，以带动按钮和承载座沿转轴转动。在按钮被拉伸的情况下，调节销能够同时卡在第一限位孔和第二限位孔内，以固定按钮和承载座。

作为一种可能的实现方式，按钮包括相对的第一按压板和第二按压板，第一按压板和第二按压板通过弹性件连接在一起。转轴贯穿所述第一按压板和第二按压板。

作为一种可能的实现方式，按钮还包括设置在第一按压板和第二按压板上的弹性件安装座，弹性件安装座用于安装弹性件。

作为一种可能的实现方式，蓄能机构还包括防护盖，防护盖盖合于第一盖体。

作为一种可能的实现方式，蓄能机构还包括密封套，密封套设置在第一盖体与转轴的连接处，以及第二盖体与转轴的连接处。

作为一种可能的实现方式，蓄能结构还包括垫片，垫片设置在涡卷弹簧和小腿连接板之间。

作为一种可能的实现方式，小腿连接板包括小腿连接板本体，以及卡装在小腿连接板本体端部的两个隔片。两个隔片之间具有容纳空间，按钮靠近中心的部分设置在容纳空间内。每一隔片与转轴的连接处开设有卡槽，与设置在转轴上的凸起卡合，以实现小腿连接板与转轴的固定连接。

作为一种可能的实现方式，小腿连接板和/或所述大腿连接板上均开设有减重孔。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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：

图1为本发明实施例提供的无源膝关节外骨骼的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无源膝关节外骨骼的爆炸图。

其中：

10-小腿连接板，20-大腿连接板，30-蓄能机构，

40-调节机构，a-安装孔，b-减重孔，

300-转轴，301-涡卷弹簧，302-承载座，

303-第一盖体，304-第二盖体，100-小腿连接板本体，

101-隔片，305-第一环形通槽，306-第一限位孔，

307-第二环形通槽，308-第二限位孔，309-防护盖，

310-连接件，c-密封套，311-垫片，

400-按钮，401-调节销，402-第一按压板，

403-第二按压板。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了本发明实施例提供的无源膝关节外骨骼的整体结构示意图，图2示出了本发明实施例提供的无源膝关节外骨骼的爆炸图。如图1和图2所示，该无源膝关节外骨骼包括小腿连接板10、大腿连接板20、蓄能机构30和调节机构40。蓄能机构30将小腿连接板10和大腿连接板20可转动的连接在一起。蓄能机构30具有初始能量。小腿连接板10和大腿连接板20相对转动时，向蓄能机构30集聚能量。调节机构40连接在蓄能机构30位于小腿连接板10和大腿连接板20之间的部分。调节机构40用于调节初始能量。

参见图1和图2，上述小腿连接板10和大腿连接板20从结构上讲，可以是适应腿部结构的板状结构。例如，上述小腿连接板10和大腿连接板20均可以是平板状结构。又例如，上述小腿连接板10和大腿连接板20可以是近Z字形的连接板。

参见图1和图2，在实际应用中，为了便于上述小腿连接板10和大腿连接板20通过如圆环形连接件310(图中未示出)分别与小腿部和大腿部连接在一起，在小腿连接板10和大腿连接板20上均开设安装孔a，利用贯穿安装孔a和圆环形连接件310的紧固件(紧固件可以是螺栓等)实现小腿连接板10、大腿连接板20与圆环形连接件310的连接。

参见图1和图2，为了从整体上减轻无源膝关节外骨骼的重量，还可以在小腿连接板10和大腿连接板20上开设有至少一个减重孔b。

参见图1和图2，从材质上讲，上述小腿连接板10和大腿连接板20可以是如铝合金、镁合金、铝镁合金等轻质金属，还可以是如塑料、碳纤维等非金属材料。

参见图1和图2，上述小腿连接板10的端部与蓄能机构30连接在一起，大腿连接板20的端部也与蓄能机构30连接在一起。上述小腿连接板10和大腿连接板20可以相对(相互靠近)以及相向(相互远离)转动。蓄能机构30具有初始能量，初始能量可以根据穿戴者的运动状态，或者穿戴者的腿部结构等确定。例如，当穿戴者跑步时，由于需要相对较多的能量为穿戴者助力，因此，可以预先增大蓄能机构30所具有的初始能量。又例如，当穿戴者走路时，由于需要相对较少的能量为穿戴者助力，因此，可以预先减小蓄能机构30所具有的初始能量。

参见图1和图2，当穿戴者曲腿时，穿戴者的小腿带动小腿连接板10、大腿带动大腿连接板20相对的转动，此时，相对转动的小腿连接板10和大腿连接板20向蓄能机构30集聚能量。基于此，蓄能机构30具有的能量包括预先设定的初始能量和向其聚集的能量，当穿戴者伸腿时，穿戴者的小腿带动小腿连接板10、大腿带动大腿连接板20相向的转动，此时，蓄能机构30所具有的初始能量和集聚的能量向外释放，以实现对穿戴者的有效助力。

参见图1和图2，在小腿连接板10和大腿连接板20的带动下，为了实现蓄能机构30的蓄能和释能，上述蓄能机构30从结构上讲可以包括转轴300、涡卷弹簧301、承载座302、第一盖体303和第二盖体304。

参见图1和图2，其中，转轴300与小腿连接板10紧固连接，由小腿连接板10带动转轴300转动。上述转轴300可以是阶梯轴，阶梯轴包括大直径段和小直径段。其中，大直径段靠近小直径段的端面上可以设置凸起，自小直径段远离大直径段的端面沿阶梯轴的轴向开设槽和安装孔a。当小腿连接板10包括小腿连接板10本体以及卡装在小腿连接板10端部的两个隔片101时，两个隔片101套设在小直径段，可以在隔片101上开设凹槽，进一步的将隔片101所具有的凹槽卡装在上述凸起上，以实现隔片101与转轴300的紧固连接。

参见图2，上述涡卷弹簧301的内圈端部可以卡装在转轴300端部所具有的槽内，以实现涡卷弹簧301与转轴300的紧固连接。

参见图2，上述承载座302可以是具有凹槽的承载座302，凹槽的内侧壁上开设卡槽，涡卷弹簧301容置于上述凹槽，而且涡卷弹簧301所具有的外圈端部卡装在卡槽内，以实现涡卷弹簧301与承载座302的紧固连接。承载座302的侧壁开设有通孔。

参见图2，上述第一盖体303，第一盖体303具有容纳空间，承载座302固定在上述容纳空间内。贯穿第一盖体303靠近边沿的位置开设有第一环形通槽305，沿第一环形通槽305的内壁向远离第一盖体303中心的方向间隔开设多个第一限位孔306。

参见图2，上述第二盖体304与第一盖体303相对，扣合在转轴300所具有的长直径段。贯穿第二盖体304靠近边沿的位置开设第二环形通槽307，沿第二环形通槽307的内壁向远离第二盖体304中心的方向间隔开设多个第二限位孔308。上述第二环形通槽307与第一环形通槽305相对，第二限位孔308与第一限位孔306一一相对，上述的相对指的是空间上的相对。

参见图2，大腿连接板20位于第一盖体303和第二盖体304之间，并与第一盖体303和第二盖体304紧固连接在一起。大腿连接板20与第一盖体303和第二盖体304的紧固连接方式多种多样，在此不做具体限定。例如，可以在大腿连接板20所具有的一端开设安装孔a，同时，第一盖体303和第二盖体304与大腿连接板20连接的位置同样开设有安装孔a，利用贯穿上述安装孔a的如螺栓等连接件310将大腿连接板20与第一盖体303和第二盖体304紧固连接在一起。

参见图2，第一盖体303、承载座302和第二盖体304均能够套设在转轴300所具有的小直径段，并且可以在大腿连接板20的带动下围绕转轴300转动。

参见图2，为了实现对蓄能机构30的有效防护，蓄能机构30还可以包括防护盖309，防护盖309盖合在所述第一盖体303上。具体的，可以将防护盖309套设在转轴300所具有的小直径段的端部，利用插设在开设在小直径段端部的通孔内的如螺栓等连接件310实现防护盖309与转轴300的紧固连接。

参见图2，为了实现第一盖体303与转轴300所具有的小直径段，以及第二盖体304与转轴300所具有的大直径段连接的紧固性和密封性，蓄能机构30还可以包括密封套c，密封套c设置在第一盖体303与转轴300的连接处，以及第二盖体304与转轴300的连接处。上述密封套c可以是金属密封套c或非金属密封套c。

参见图2，蓄能机构30还包括垫片311，垫片311套设在转轴300所具有的小直径段位于涡卷弹簧301和隔片101之间的部分。

参见图2，上述调节机构40包括按钮400和调节销401。上述按钮400沿第一方向设置在两个隔片101之间的空间内，第一方向为与转轴300的轴向垂直的方向。按钮400可以绕转轴300所具有的小直径段转动，按钮400还可以沿第一方向往复直线运动。

参见图2，调节销401同时贯穿第一盖体303、承载座302和第二盖体304靠近边沿的位置。在按钮400被按压的情况下，调节销401能够在第一环形通槽305和第二环形通槽307内转动，以带动按钮400和承载座302沿转轴300转动。此时，由于涡卷弹簧301与承载座302紧固连接，因此，在通过转动的按钮400和承载座302实现涡卷弹簧301的压缩或释放。基于此，可以利用涡卷弹簧301的压缩或释放实现初始能量的调节。在按钮400被拉伸的情况下，调节销401能够同时卡在第一限位孔306和第二限位孔308内，以固定按钮400和承载座302，此时，可以将初始能量固定为预设值。

参见图2，上述按钮400包括相对的第一按压板402和第二按压板403。上述第一按压板402和第二按压板403从结构上讲可以是台阶状按压板，其包括上台阶段和下台阶段。其中，调节销401可以贯穿上台阶段。第一按压板402和第二按压板403所具有的下台阶段上设置弹性件安装座，在弹性件安装座上安装有弹性件。在实际使用时，可以同时按压第一按压板402和第二按压板403，此时，弹性件被压缩。进一步的，调节销401可以从第一限位孔306内移动至第一环形通槽305内，同时，可以从第二限位孔308内移动至第二环形通槽307内。基于此，转动第一按压板402、第二按压板403以及调节销401，利用调节销401带动承载座302以及涡卷弹簧301转动，实现涡卷弹簧301所具有的初始能量的调整。在初始能量到达预设值后，释放被按压的第一按压板402和第二按压板403，在弹性件回弹力的作用下，调节销401同时卡装在第一限位孔306和第二限位孔308内，以固定按钮400和承载座302。

参见图1和图2，本发明提供的无源膝关节外骨骼，由于小腿连接板10、大腿连接板20和调节机构40均集成在蓄能机构30上，因此，在提高无源膝关节外骨骼的结构紧凑性的情况下，可以从整体上减小无源膝关节外骨骼的体积，以便于携带和穿戴。

另外，蓄能机构30具有初始能量，而且在调节机构40的作用下，初始能量可以调节，此时，可以根据穿戴者运动(此处的运动包括跑步或走路)时膝关节的弯曲和伸张程度，以及不同穿戴者腿部结构的不同等，预先调整好初始能量。例如，穿戴者跑步时需要蓄能机构30释放出的能量要大于穿戴者走路时需要蓄能机构30释放出的能量，此时，可以提高应用于跑步时的无源膝关节外骨骼所具有的蓄能机构30的初始能量，降低应用于走路时的无源膝关节外骨骼所具有的蓄能机构30的初始能量。在蓄能机构30初始能量确定的情况下，可以将小腿连接板10与穿戴者的小腿连接在一起，将大腿连接板20与穿戴者的大腿连接在一起。当穿戴者曲腿时，带动小腿连接板10和大腿连接板20相对转动，此时，相对转动的小腿连接板10和大腿连接板20向蓄能机构30进一步的集聚能量，与蓄能机构30所具有的初始能量一起为穿戴者助力。当穿戴者伸腿时，蓄能机构30所具有的初始能量以及向蓄能机构30集聚的能量共同为穿戴者助力。

从以上应用过程可知，可以根据穿戴者腿部结构的不同，或穿戴者运动形式的不同，按照实际需求调整蓄能机构30所具有的初始能量的大小，以适应不同的穿戴者或穿戴者的运动状态，提高适用性以及优化助力效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。