CN113478466A - 一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼；主要包括：腰部固定组件、髋关节活动组件、膝关节活动组件和踝关节活动组件，以及它们之间的连接；本发明属于增强型无源下肢外骨骼，使得其能够支撑人肩部所背负的重物，并将载荷直接传导到大地上，从而减轻人在负重过程当中的疲劳感。同时，这种增强型无源下肢外骨骼依靠设置的弹性元件，收集在人体自然运动过程当中本应被损耗的能量，并在适当的时候释放，从而降低人在步行过程中能耗。此外，该外骨骼结构简单，自身质量轻便，使该外骨骼具有较高的可靠性以及良好的便携性。

Description

一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，尤其涉及一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼。

背景技术

外骨骼的称谓起源于生物学，是指能为昆虫等生物提供支撑和保护等功能，类似于骨骼作用的坚硬外部结构。外骨骼可以起到支撑、辅助运动和防护三大作用。人体外骨骼，根据实现功能、动力源等特性有不同的分类方法。根据实现功能，人体外骨骼可分为人体性能增强型(简称增强型)、残疾人辅助型(简称辅助型)和康复治疗型(简称康复型)。而根据是否有外在的动力驱动，又可以分为有源外骨骼和无源外骨骼。

有源外骨骼需要外在动力源，这也意味着若是不携带电池等能量储存设备以及能量转换装置，即外接整套动力装置，外骨骼的活动范围将受到较大的限制，从而限制其功能；若是携带储能设备，则必须在外骨骼上附加能量储存及转换装置，但是一般该装置自身体积较大且质量较重，因此有源外骨骼自身的体积与质量通常难以很好的控制，从而便携性较差。同时，有源外骨骼的控制算法较为复杂，使得控制系统设计较困难。这也就导致了有源外骨骼普遍存在结构复杂、价格昂贵等现象。

相反，无源外骨骼的动力来源即为人体自身，从而不需要其他外源的能量供给，这极大的减轻了外骨骼的质量。同时，无源外骨骼属于被动装置，由人体带动外骨骼进行运动，因此无需控制系统。因此无源外骨骼在成本控制要求严格，或便携性要求较高以及活动范围要求较大的应用场合具有明显的优势。

增强型无源下肢外骨骼有两种典型的工作模式：一是通过机械结构将人体由于额外负重而所受的力直接传导到大地上，从而减少人体本身所受的力，减轻人体负重过程当中的疲劳感进而扩大人的负重活动范围；二是通过储能元件收集在运动过程中本应该被损耗的能量，并在适当时释放，以减小人自身的能耗。然而，现有的增强型无源下肢外骨骼鲜有同时具备负载传导与步行节能两大功能的设计。此外，它们的可调节性一般也较差。现有设计可调节性不足，使得其难以适应生理参数千差万别的每个使用者。而且它们的助力效果通常不显著，灵活性与佩戴舒适性也有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单，运动灵活的兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼。本发明属于增强型无源下肢外骨骼，使得其能够支撑人肩部所背负的重物，并将载荷直接传导到大地上，从而减轻人在负重过程当中的疲劳感。同时，这种增强型无源下肢外骨骼，依靠设置的弹性元件，收集在人体自然运动过程当中本应被损耗的能量，并在适当的时候释放，从而降低人在步行过程中能耗。

本发明结构简单，自身质量轻便，具有较高的可靠性以及良好的便携性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，包括：

腰部固定组件1，髋关节活动组件2，膝关节活动组件3，踝关节活动组件4；

所述腰部固定组件1包括：用于捆扎腰部的腰部绷带11、腰部横杆111和分别对称固定在腰部横杆111两端的腰侧连杆12；

腰部绷带11连接于腰部横杆111的端部，用于与腰部横杆111形成腰部合围，以将腰部固定组件1整体紧固在腰部；

所述髋关节活动组件2一端与腰部固定组件1的腰侧连杆12连接，另一端与大腿支撑杆55的上部连接；

所述髋关节活动组件2，用于实现腰部与大腿支撑杆55之间的屈曲或者伸展自由度运动；

所述膝关节活动组件3一端与大腿支撑杆55的下部连接，另一端与小腿支撑杆66的上部连接；

所述膝关节活动组件3，用于实现大腿支撑杆55与小腿支撑杆66之间的屈曲或者伸展自由度运动；

所述踝关节活动组件4的一端与小腿支撑杆66的下部连接，另一端则通过足跖支撑杆77与足跖板78连接；

所述踝关节活动组件4，用于实现小腿支撑杆66与足跖支撑杆77之间的屈曲或者伸展自由度运动。

所述髋关节活动组件2包括：髋关节轴承21、髋关节轴承座套22、髋关节连杆23、髋关节轴24；

所述髋关节轴承座套22，设置在腰侧连杆12的下部；

所述髋关节轴24，设置在髋关节连杆23的上侧部；

所述髋关节轴承21，嵌套在髋关节轴承座套22内部；将髋关节轴24嵌入髋关节轴承21的轴孔内，再将髋关节连杆23的下部连接至大腿支撑杆55的上部，实现与腰部和大腿的连接、屈曲或者伸展自由度运动；

为了对髋关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，分别在腰侧连杆12下部侧壁与髋关节连杆23上部侧壁的对应面上，设置有三个限位凸起，其中：

第一限位凸起25，位于髋关节轴承座套22的上方；

第二限位凸起26和第三限位凸起27，分布于髋关节轴24的上侧方和下侧方；

当髋关节的伸展运动到达极限位置时，第一限位凸起25与第三限位凸起27相互抵接；当髋关节的屈曲运动到达极限位置时，第一限位凸起25将会与第二限位凸起26相互抵接。

所述膝关节活动组件3包括：膝关节轴承座套31、膝关节轴承32、膝关节轴33、膝关节大腿连接杆34、膝关节小腿连接杆35；

所述膝关节轴承座套31，设置在膝关节小腿连接杆35的上部；

所述膝关节轴33，设置在膝关节大腿连接杆34的下侧部；

所述膝关节轴承32，嵌套在膝关节轴承座套31内部；将膝关节轴33嵌入膝关节轴承32的轴孔内，将膝关节大腿连接杆34连接至大腿支撑杆55的下部，再将膝关节小腿连接杆35连接至小腿支撑杆66的上部，实现与大腿和小腿的连接、屈曲或者伸展自由度运动；

为了对膝关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，在膝关节大腿连接杆34内侧的膝关节轴承32的径向位置，分别设置有伸展限位柱36和屈曲限位柱37；在膝关节小腿连接杆35的膝关节轴承座套31侧，分别设置有伸展止挡部361和屈曲止挡部371；

当膝关节的伸展运动到达极限位置时，伸展限位柱36将会与伸展止挡部361相互抵接；当膝关节的屈曲运动到达极限位置时，屈曲限位柱37将会与屈曲止挡部371相互抵接。

所述膝关节活动组件3还包括一储能组件：扭簧38、第一扭簧臂固定柱381、第二扭簧臂固定柱382；

所述第一扭簧臂固定柱381和第二扭簧臂固定柱382，分别对应设置在膝关节大腿连接杆34、膝关节小腿连接杆35的侧壁上；

所述膝关节轴33两个直径不同的阶梯轴，其中，第一阶梯轴用于固定膝关节轴承32，第二阶梯轴331伸出膝关节轴承座套31侧孔的外部；所述扭簧38套设于第二阶梯轴331上；其中，扭簧38的两个臂，分别嵌入第一扭簧臂固定柱381和第二扭簧臂固定柱382端部的定位卡孔3811、3821内。

所述踝关节活动组件4包括：踝关节轴承座套41、踝关节轴42、踝关节轴承43、踝关节小腿连接杆44、足跖支撑杆77、足跖板78、卷簧45；

所述踝关节轴承座套41，设置在踝关节小腿连接杆44的下端；

所述踝关节轴42，设置在足跖支撑杆77的上侧部；

所述足跖板78，设置在足跖支撑杆77的下端；

所述踝关节轴42为用于套设踝关节轴承43的内环；所述踝关节轴42端部的凸块421用于装入套设卷簧45的内圈；踝关节轴承43和卷簧45嵌入踝关节轴承座套41内；实现与小腿和足部之间的连接，以及背屈或者跖屈自由度运动；

所述卷簧45的内圈端部卡入开设在凸块421上的卡槽内，所述卷簧45的外圈端部呈钩状结构，钩状结构扣入开设在踝关节轴承座套41内周壁上的沟槽422内；

为了对踝关节运动至极限背屈或者跖屈位置时进行限定，所述踝关节活动组件4，还包括三个踝关节止挡柱，其中，第一踝关节止挡柱423设置在远离踝关节小腿连接杆44最远端的踝关节轴承座套41的侧缘，第二踝关节止挡柱424和第三踝关节止挡柱425对称分布在踝关节轴42的下方侧壁上；

当踝关节的背屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱423将会与第二踝关节止挡柱424相互抵接；当踝关节的跖屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱423将会与第三踝关节止挡柱425相互抵接。

所述腰部固定组件1，还包括一用于承载重物的托板13，托板13通过连接件14固定在腰侧连杆12上；当人体背负重物时，重物由托板13承载，使重物载荷转移至外骨骼上。

所述大腿支撑杆55包括：上大腿连杆551和下大腿连杆552；

在上大腿连杆551和下大腿连杆552的长度方向，间隔分布有若干个用于调节大腿支撑杆55整体长度的定位孔；当上大腿连杆551与下大腿连杆552搭接时，由螺栓穿过彼此对应的定位孔，实现上大腿连杆551和下大腿连杆552的紧固连接；

所述小腿支撑杆66包括：上小腿连杆661和下小腿连杆662；

所述上小腿连杆661和下小腿连杆662的结构与大腿支撑杆55相同。

在下大腿连杆552、上小腿连杆661和下小腿连杆662上的内侧，分别设有三个凸衬79；各凸衬79上均固定有护套80；

当人体腿部穿入护套80后，凸衬79的作用在于使人体腿部外侧与大腿支撑杆55和小腿支撑杆66之间通过点接触形成间接隔离，防止人体腿部外侧与大腿支撑杆55和小腿支撑杆66之间相互接触摩擦。

所述足跖板78上设置有足前绑带81和足后绑带82，所述足前绑带81为两条开放式魔术贴连接结构；足后绑带82为一条封闭式半圆环状结构。

所述大腿支撑杆55和小腿支撑杆66，均为板状结构；在板状结构的边缘设有加强筋；所述托板13为框架结构。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明髋关节活动组件除了通过轴承连接之外，为了对髋关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，分别在腰侧连杆下部侧壁与髋关节连杆上部侧壁的对应面上，设置有三个限位凸起，第一限位凸起，位于髋关节轴承座套的上方；第二限位凸起和第三限位凸起，分布于髋关节轴的上侧方和下侧方；当髋关节的伸展运动到达极限位置时，第一限位凸起与第三限位凸起相互抵接；当髋关节的屈曲运动到达极限位置时，第一限位凸起将会与第二限位凸起相互抵接，使人体髋关节运动至极限屈曲或者伸展位置时，提高了对人体髋关节的保护，以及减负和载荷传导的效果。

本发明膝关节活动组件除了通过轴承连接之外，为了对膝关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，在膝关节大腿连接杆内侧的膝关节轴承的径向位置，分别设置有伸展限位柱和屈曲限位柱；在膝关节小腿连接杆的膝关节轴承座套侧，分别设置有伸展止挡部和屈曲止挡部；当膝关节的伸展运动到达极限位置时，伸展限位柱将会与伸展止挡部相互抵接；当膝关节的屈曲运动到达极限位置时，屈曲限位柱将会与屈曲止挡部相互抵接，使人体膝关节运动至极限屈曲或者伸展位置时，提高了对人体膝关节的保护，以及减负和载荷传导的效果。

本发明膝关节活动组件设有一储能组件，其核心部件仅为一扭簧，通过与膝关节各个部件的有机组合，巧妙地收集在人体自然运动过程中，本应被损耗的能量，并在适当的时候释放，从而降低人在步行过程中能耗。

本发明为了对踝关节运动至极限背屈或者跖屈位置时进行限定，所述踝关节活动组件还包括三个踝关节止挡柱；当踝关节的背屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱将会与第二踝关节止挡柱相互抵接；当踝关节的跖屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱将会与第三踝关节止挡柱相互抵接，这种设计结构，也提高了对人体踝关节的保护，以及减负和载荷传导的作用效果。

本发明踝关节活动组件还包括一卷簧，在人体运动时，该卷簧起到了助力效果。扭簧巧妙的与第一和第二扭簧臂固定柱连接，不仅结构设计巧妙，而且起到了较好的助力作用，使腿部运动时更加放松舒适。

本发明在大腿支撑杆及小腿支撑杆上，分别设有凸衬；各凸衬上均固定有护套；当人体腿部穿入护套后，凸衬的作用在于使人体腿部外侧与大腿支撑杆和小腿支撑杆之间通过点接触形成间接隔离，防止人体腿部外侧与大腿支撑杆和小腿支撑杆之间相互接触摩擦，有效克服了运动时腿部与外骨骼之间接触面过大，而影响运动。

本发明腰部固定组件设有一承载重物的托板，当人体背负重物时，重物由托板承载，将重物载荷转移至外骨骼上，并将重物载荷直接传导到大地上，从而减轻人在负重过程当中的疲劳感。

本发明大腿支撑杆及小腿支撑杆，通过其上的定位孔及螺栓实现搭接和长度调节。

本发明结构简单，构思巧妙，自身质量轻便，具有较高的可靠性以及良好的便携性。

附图说明

图1为本发明无源下肢外骨骼整体装配结构示意图。

图2为髋关节零件爆炸结构示意图一。

图3为髋关节零件爆炸结构示意图二。

图4为膝关节零件爆炸结构示意图一。

图5为膝关节零件爆炸结构示意图二。

图6为踝关节零件爆炸结构示意图。

图7为踝关节轴承座套结构示意图。

图8为大腿支撑杆零件爆炸结构示意图。

图9为小腿支撑杆零件爆炸结构示意图。

图10为腰部固定组件零件爆炸结构示意图一。

图11为腰部固定组件零件爆炸结构示意图二。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

本发明公开了一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，包括：腰部固定组件1，髋关节活动组件2，膝关节活动组件3，踝关节活动组件4；

所述腰部固定组件1包括：用于捆扎腰部的腰部绷带11、腰部横杆111和分别对称固定在腰部横杆111两端的腰侧连杆12；

腰部绷带11连接于腰部横杆111的端部，用于与腰部横杆111形成腰部合围，以将腰部固定组件1整体紧固在腰部；

腰部横杆111轴向间隔分布有多个调节孔，腰侧连杆12通过螺栓与不同位置的调节孔固定，达到与佩戴者腰围大小相适配的目的。

所述髋关节活动组件2一端与腰部固定组件1的腰侧连杆12连接，另一端与大腿支撑杆55的上部连接；

所述髋关节活动组件2，用于实现腰部与大腿支撑杆55之间的屈曲或者伸展自由度运动；

所述膝关节活动组件3一端与大腿支撑杆55的下部连接，另一端与小腿支撑杆66的上部连接；

所述膝关节活动组件3，用于实现大腿支撑杆55与小腿支撑杆66之间的屈曲或者伸展自由度运动；

所述踝关节活动组件4的一端与小腿支撑杆66的下部连接，另一端则通过足跖支撑杆77与足跖板78连接；

所述踝关节活动组件4，用于实现小腿支撑杆66与足跖支撑杆77之间的屈曲或者伸展自由度运动。

所述髋关节活动组件2包括：髋关节轴承21、髋关节轴承座套22、髋关节连杆23、髋关节轴24；

所述髋关节轴承座套22，设置在腰侧连杆12的下部；

所述髋关节轴24，设置在髋关节连杆23的上侧部；

所述髋关节轴承21，嵌套在髋关节轴承座套22内部；将髋关节轴24嵌入髋关节轴承21的轴孔内，再将髋关节连杆23的下部连接至大腿支撑杆55的上部，实现与腰部和大腿的连接、屈曲或者伸展自由度运动；

为了对髋关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，分别在腰侧连杆12下部侧壁与髋关节连杆23上部侧壁的对应面上，设置有三个限位凸起，其中：

第一限位凸起25，位于髋关节轴承座套22的上方；

第二限位凸起26和第三限位凸起27，分布于髋关节轴24的上侧方和下侧方；

当髋关节的伸展运动到达极限位置时，第一限位凸起25与第三限位凸起27相互抵接；当髋关节的屈曲运动到达极限位置时，第一限位凸起25将会与第二限位凸起26相互抵接；在正常步行运动状态下，它们之间互不接触。

当从额(冠)状面观察人体大腿的位置，可以发现其与地面不垂直；而髋关节做的屈曲/伸展运动轴线与地面相互垂直。为了使得外骨骼的穿戴更加舒适，有必要在额(冠)状面上让大腿部整体有略微的倾斜。因此在髋关节连杆23和上大腿连杆551接触的面，与安放髋关节轴承21的圆孔的轴线之间有一定的倾斜角度(2°～3°或者2°～5°)，这样可以使得大腿部整体与地面倾斜一个角度。

所述膝关节活动组件3包括：膝关节轴承座套31、膝关节轴承32、膝关节轴33、膝关节大腿连接杆34、膝关节小腿连接杆35；

所述膝关节轴承座套31，设置在膝关节小腿连接杆35的上部；

所述膝关节轴33，设置在膝关节大腿连接杆34的下侧部；

所述膝关节轴承32，嵌套在膝关节轴承座套31内部；将膝关节轴33嵌入膝关节轴承32的轴孔内，将膝关节大腿连接杆34连接至大腿支撑杆55的下部，再将膝关节小腿连接杆35连接至小腿支撑杆66的上部，实现与大腿和小腿的连接、屈曲或者伸展自由度运动；

为了对膝关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，在膝关节大腿连接杆34内侧的膝关节轴承32的径向位置，分别设置有伸展限位柱36和屈曲限位柱37；在膝关节小腿连接杆35的膝关节轴承座套31侧，分别设置有伸展止挡部361和屈曲止挡部371；

当膝关节的伸展运动到达极限位置时，伸展限位柱36将会与伸展止挡部361相互抵接；当膝关节的屈曲运动到达极限位置时，屈曲限位柱37将会与屈曲止挡部371相互抵接。

所述膝关节活动组件3还包括一储能组件：扭簧38、第一扭簧臂固定柱381、第二扭簧臂固定柱382；

所述第一扭簧臂固定柱381和第二扭簧臂固定柱382，分别对应设置在膝关节大腿连接杆34、膝关节小腿连接杆35的侧壁上；

所述膝关节轴33两个直径不同的阶梯轴，其中，第一阶梯轴用于固定膝关节轴承32，第二阶梯轴331伸出膝关节轴承座套31侧孔的外部；所述扭簧38套设于第二阶梯轴331上；其中，扭簧38的两个臂，分别嵌入第一扭簧臂固定柱381和第二扭簧臂固定柱382端部的定位卡孔3811、3821内。

扭簧38作为储能元件，主要为降低人体步行能耗目的。

在人处于直立位置时，扭簧38处于松弛状态，对外骨骼不施加力的作用。

对于任意一条腿，扭簧38在支撑相时的状态与其在直立位置时一致，均不对外骨骼有力的作用。而在步行过程中的摆动相初期以及中期时，大腿与小腿之间的夹角变小(由平角变为钝角)，使得扭簧38两伸出端之间的夹角也变小。该过程中，扭簧38发生形变，扭簧38产生的力矩与大小腿间夹角变化的方向相反，从而对大小腿间夹角的变化产生阻抗；同时，该过程扭簧38存储了在自然步态过程中本应被损耗的能量。在该腿的摆动相末期，大腿与小腿之间的夹角变大(由钝角变为平角)，使得扭簧38两伸出端之间的夹角变大，扭簧38逐渐恢复到松弛状态。该过程当中，扭簧38产生的力矩的方向与大小腿间夹角变化的方向相同，对该运动而言为驱动力；同时，在摆动相初期、摆动相中期储存的能量被释放出来，用以辅助使用者行走。

膝关节屈/伸运动的轴线与地面相互平行。为了膝关节处的屈/伸运动能够正常进行的同时提高外骨骼佩戴的舒适性，膝关节大腿连接杆34与下大腿连杆552的接触面，被设计成与安放膝关节轴32的圆孔的轴线有一定的倾斜角(2°～3°或者2°～5°)。该倾斜角与髋关节连杆23当中倾斜角大小相等，以此保证外骨骼的髋关节，膝关节运动时轴线均与地面相互平行。为了保证它们连接时，螺栓的顺利安装，膝关节大腿连接杆34和螺母接触的面，与该膝关节运动时轴线之间亦存在倾斜角。

所述踝关节活动组件4包括：踝关节轴承座套41、踝关节轴42、踝关节轴承43、踝关节小腿连接杆44、足跖支撑杆77、足跖板78、卷簧45；

所述踝关节轴承座套41，设置在踝关节小腿连接杆44的下端；

所述踝关节轴42，设置在足跖支撑杆77的上侧部；

所述足跖板78，设置在足跖支撑杆77的下端；

所述踝关节轴42为用于套设踝关节轴承43的内环；所述踝关节轴42端部的凸块421用于装入套设卷簧45的内圈；踝关节轴承43和卷簧45嵌入踝关节轴承座套41内；实现与小腿和足部之间的连接，以及背屈或者跖屈自由度运动；

所述卷簧45的内圈端部卡入开设在凸块421上的卡槽内，所述卷簧45的外圈端部呈钩状结构，钩状结构扣入开设在踝关节轴承座套41内周壁上的沟槽422内；

为了对踝关节运动至极限背屈或者跖屈位置时进行限定，所述踝关节活动组件4，还包括三个踝关节止挡柱，其中，第一踝关节止挡柱423设置在远离踝关节小腿连接杆44最远端的踝关节轴承座套41的侧缘，第二踝关节止挡柱424和第三踝关节止挡柱425对称分布在踝关节轴42的下方侧壁上；

当踝关节的背屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱423将会与第二踝关节止挡柱424相互抵接；当踝关节的跖屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱423将会与第三踝关节止挡柱425相互抵接，在正常的步行运动状态下，它们之间互不接触。

随着小腿而摆动的卷簧45能够有效的降低脚跟与地面碰撞所带来的能量损失，从而降低人体步行过程当中的能耗。

当从额(冠)状面观察人体小腿的位置，可以发现其与地面不垂直；而膝关节做的屈/伸运动轴线，踝关节做跖屈/背屈运动的轴线均与地面相互垂直。为了使得外骨骼的穿戴更加舒适，有必要在额(冠)状面上让小腿部整体有略微的倾斜。使得小腿部倾斜的结构与使得大腿部倾斜的结构基本一致，而二者所倾斜的角度则由于大腿和小腿在额(冠)状面所成角度不同而有所不同。

所述腰部固定组件1，还包括一用于承载重物的托板13，托板13通过连接件14固定在腰侧连杆12上；当人体背负重物时，重物由托板13承载，使重物载荷转移至外骨骼上。

所述大腿支撑杆55包括：上大腿连杆551和下大腿连杆552；

在上大腿连杆551和下大腿连杆552的长度方向，间隔分布有若干个用于调节大腿支撑杆55整体长度的定位孔；当上大腿连杆551与下大腿连杆552搭接时，由螺栓穿过彼此对应的定位孔，实现上大腿连杆551和下大腿连杆552的紧固连接；

所述小腿支撑杆66包括：上小腿连杆661和下小腿连杆662；

所述上小腿连杆661和下小腿连杆662的结构与大腿支撑杆55相同。

在下大腿连杆552、上小腿连杆661和下小腿连杆662上的内侧，分别设有三个凸衬79；各凸衬79上均固定有护套80；

当人体腿部穿入护套80后，凸衬79的作用在于使人体腿部外侧与大腿支撑杆55和小腿支撑杆66之间通过点接触形成间接隔离，防止人体腿部外侧与大腿支撑杆55和小腿支撑杆66之间相互接触摩擦。

所述足跖板78上设置有足前绑带81和足后绑带82，所述足前绑带81为两条开放式魔术贴连接结构；足后绑带82为一条封闭式半圆环状结构。

所述大腿支撑杆55和小腿支撑杆66，均为板状结构；在板状结构的边缘设有加强筋；所述托板13为框架结构。

为使外骨骼满足轻量化设计要求，在保证结构抗弯强度的同时，可适当在抗弯强度要求不高的结构位置，进行挖空或者镂空处理，以减轻外骨骼整体重量。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他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。

Claims (10)

1.一种兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于，包括：腰部固定组件(1)，髋关节活动组件(2)，膝关节活动组件(3)，踝关节活动组件(4)；

所述腰部固定组件(1)包括：用于捆扎腰部的腰部绷带(11)、腰部横杆(111)和分别对称固定在腰部横杆(111)两端的腰侧连杆(12)；

腰部绷带(11)连接于腰部横杆(111)的端部，用于与腰部横杆(111)形成腰部合围，以将腰部固定组件(1)整体紧固在腰部；

所述髋关节活动组件(2)一端与腰部固定组件(1)的腰侧连杆(12)连接，另一端与大腿支撑杆(55)的上部连接；

所述髋关节活动组件(2)，用于实现腰部与大腿支撑杆(55)之间的屈曲或者伸展自由度运动；

所述膝关节活动组件(3)一端与大腿支撑杆(55)的下部连接，另一端与小腿支撑杆(66)的上部连接；

所述膝关节活动组件(3)，用于实现大腿支撑杆(55)与小腿支撑杆(66)之间的屈曲或者伸展自由度运动；

所述踝关节活动组件(4)的一端与小腿支撑杆(66)的下部连接，另一端则通过足跖支撑杆(77)与足跖板(78)连接；

所述踝关节活动组件(4)，用于实现小腿支撑杆(66)与足跖支撑杆(77)之间的屈曲或者伸展自由度运动。

2.根据权利要求1所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于，所述髋关节活动组件(2)包括：髋关节轴承(21)、髋关节轴承座套(22)、髋关节连杆(23)、髋关节轴(24)；

所述髋关节轴承座套(22)，设置在腰侧连杆(12)的下部；

所述髋关节轴(24)，设置在髋关节连杆(23)的上侧部；

所述髋关节轴承(21)，嵌套在髋关节轴承座套(22)内部；将髋关节轴(24)嵌入髋关节轴承(21)的轴孔内，再将髋关节连杆(23)的下部连接至大腿支撑杆(55)的上部，实现与腰部和大腿的连接、屈曲或者伸展自由度运动；

为了对髋关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，分别在腰侧连杆(12)下部侧壁与髋关节连杆(23)上部侧壁的对应面上，设置有三个限位凸起，其中：

第一限位凸起(25)，位于髋关节轴承座套(22)的上方；

第二限位凸起(26)和第三限位凸起(27)，分布于髋关节轴(24)的上侧方和下侧方；

当髋关节的伸展运动到达极限位置时，第一限位凸起(25)与第三限位凸起(27)相互抵接；当髋关节的屈曲运动到达极限位置时，第一限位凸起(25)将会与第二限位凸起(26)相互抵接。

3.根据权利要求2所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于，所述膝关节活动组件(3)包括：膝关节轴承座套(31)、膝关节轴承(32)、膝关节轴(33)、膝关节大腿连接杆(34)、膝关节小腿连接杆(35)；

所述膝关节轴承座套(31)，设置在膝关节小腿连接杆(35)的上部；

所述膝关节轴(33)，设置在膝关节大腿连接杆(34)的下侧部；

所述膝关节轴承(32)，嵌套在膝关节轴承座套(31)内部；将膝关节轴(33)嵌入膝关节轴承(32)的轴孔内，将膝关节大腿连接杆(34)连接至大腿支撑杆(55)的下部，再将膝关节小腿连接杆(35)连接至小腿支撑杆(66)的上部，实现与大腿和小腿的连接、屈曲或者伸展自由度运动；

为了对膝关节运动至极限屈曲或者伸展位置时进行限定，在膝关节大腿连接杆(34)内侧的膝关节轴承(32)的径向位置，分别设置有伸展限位柱(36)和屈曲限位柱(37)；在膝关节小腿连接杆(35)的膝关节轴承座套(31)侧，分别设置有伸展止挡部(361)和屈曲止挡部(371)；

当膝关节的伸展运动到达极限位置时，伸展限位柱(36)将会与伸展止挡部(361)相互抵接；当膝关节的屈曲运动到达极限位置时，屈曲限位柱(37)将会与屈曲止挡部(371)相互抵接。

4.根据权利要求3所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于，所述膝关节活动组件(3)还包括一储能组件：扭簧(38)、第一扭簧臂固定柱(381)、第二扭簧臂固定柱(382)；

所述第一扭簧臂固定柱(381)和第二扭簧臂固定柱(382)，分别对应设置在膝关节大腿连接杆(34)、膝关节小腿连接杆(35)的侧壁上；

所述膝关节轴(33)两个直径不同的阶梯轴，其中，第一阶梯轴用于固定膝关节轴承(32)，第二阶梯轴(331)伸出膝关节轴承座套(31)侧孔的外部；所述扭簧(38)套设于第二阶梯轴(331)上；其中，扭簧(38)的两个臂，分别嵌入第一扭簧臂固定柱(381)和第二扭簧臂固定柱(382)端部的定位卡孔(3811、3821)内。

5.根据权利要求4所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于，所述踝关节活动组件(4)包括：踝关节轴承座套(41)、踝关节轴(42)、踝关节轴承(43)、踝关节小腿连接杆(44)、足跖支撑杆(77)、足跖板(78)、卷簧(45)；

所述踝关节轴承座套(41)，设置在踝关节小腿连接杆(44)的下端；

所述踝关节轴(42)，设置在足跖支撑杆(77)的上侧部；

所述足跖板(78)，设置在足跖支撑杆(77)的下端；

所述踝关节轴(42)为用于套设踝关节轴承(43)的内环；所述踝关节轴(42)端部的凸块(421)用于装入套设卷簧(45)的内圈；踝关节轴承(43)和卷簧(45)嵌入踝关节轴承座套(41)内；实现与小腿和足部之间的连接，以及背屈或者跖屈自由度运动；

所述卷簧(45)的内圈端部卡入开设在凸块(421)上的卡槽内，所述卷簧(45)的外圈端部呈钩状结构，钩状结构扣入开设在踝关节轴承座套(41)内周壁上的沟槽(422)内；

为了对踝关节运动至极限背屈或者跖屈位置时进行限定，所述踝关节活动组件(4)，还包括三个踝关节止挡柱，其中，第一踝关节止挡柱(423)设置在远离踝关节小腿连接杆(44)最远端的踝关节轴承座套(41)的侧缘，第二踝关节止挡柱(424)和第三踝关节止挡柱(425)对称分布在踝关节轴(42)的下方侧壁上；

当踝关节的背屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱(423)将会与第二踝关节止挡柱(424)相互抵接；当踝关节的跖屈运动到达极限位置时，第一踝关节止挡柱(423)将会与第三踝关节止挡柱(425)相互抵接。

6.根据权利要求5所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于，所述腰部固定组件(1)，还包括一用于承载重物的托板(13)，托板(13)通过连接件(14)固定在腰侧连杆(12)上；当人体背负重物时，重物由托板(13)承载，使重物载荷转移至外骨骼上。

7.根据权利要求6所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于：

所述大腿支撑杆(55)包括：上大腿连杆(551)和下大腿连杆(552)；

在上大腿连杆(551)和下大腿连杆(552)的长度方向，间隔分布有若干个用于调节大腿支撑杆(55)整体长度的定位孔；当上大腿连杆(551)与下大腿连杆(552)搭接时，由螺栓穿过彼此对应的定位孔，实现上大腿连杆(551)和下大腿连杆(552)的紧固连接；

所述小腿支撑杆(66)包括：上小腿连杆(661)和下小腿连杆(662)；

所述上小腿连杆(661)和下小腿连杆(662)的结构与大腿支撑杆(55)相同。

8.根据权利要求7所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于：在下大腿连杆(552)、上小腿连杆(661)和下小腿连杆(662)上的内侧，分别设有三个凸衬(79)；各凸衬(79)上均固定有护套(80)；

当人体腿部穿入护套(80)后，凸衬(79)的作用在于使人体腿部外侧与大腿支撑杆(55)和小腿支撑杆(66)之间通过点接触形成间接隔离，防止人体腿部外侧与大腿支撑杆(55)和小腿支撑杆(66)之间相互接触摩擦。

9.根据权利要求8所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于：所述足跖板(78)上设置有足前绑带(81)和足后绑带(82)，所述足前绑带(81)为两条开放式魔术贴连接结构；足后绑带(82)为一条封闭式半圆环状结构。

10.根据权利要求9所述兼具负载传导及步行节能的无源下肢外骨骼，其特征在于：所述大腿支撑杆(55)和小腿支撑杆(66)，均为板状结构；在板状结构的边缘设有加强筋；所述托板(13)为框架结构。

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