[发明专利]一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置

说明书

本发明属于下肢助力外骨骼领域，并公开了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，包括腰部弧形支撑组件、髋关节组件、大腿组件和弹性元件连接组件，腰部弧形支撑组件包括围托和柔性绷带；髋关节组件包括髋关节内收外展连接件和髋关节屈曲伸展连接件；大腿组件包括大腿外侧连杆、大腿前环箍和大腿后环箍；弹性元件连接组件包括L型悬臂、力臂、拉绳离合器、拉伸弹簧和柔性绳。本发明通过随关节角度触发的拉绳离合器，使得拉伸弹簧在人体髋关节做负功时拉伸存储人体机械能、做正功时收缩释放该能量，最终实现对人体机械能的分时调控，辅助髋关节的运动，减少行走时的代谢能消耗，具有结构简单、成本低、重量轻、穿戴舒适的特点。

技术领域

本发明属于下肢助力外骨骼领域，更具体地，涉及一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置。

背景技术

传统的轮式车辆运载工具容易受到地形条件的限制，而人体下肢对复杂路面良好的适应能力使得其在这类场合中具有不可替代性。然而，人类的体力却无法和车辆的承载能力相比，由于肢体内部大量软组织的摩擦，以及足底滑动摩擦等耗散能的存在，肢体单位体重的代谢能利用率并不十分经济。同时，长时间行走所引起的肌肉疲劳、代谢能消耗等因素均使得人体的身体机能变弱。下肢外骨骼作为一款将人的智慧与机器的力量相结合的穿戴型机械装置，在增强人体运动能力、降低人体代谢能消耗方面具有潜在优势，因此，研发实用的机器人外骨骼装置，具有重要的科学意义和迫切的现实需求。

按照外部动力源的有无，下肢外骨骼可分为主动外骨骼和被动外骨骼。主动外骨骼通常包含动力源、驱动器、传感器、控制系统，通常利用外部能源代替肌肉做功来辅助或增强下肢运动功能。这类外骨骼多面向下肢功能不健全的康复训练患者亦或是需要实现在负重条件下轻松行走的士兵，多存在结构复杂、体积笨重、成本高等缺点，仅适用于康复医疗、单兵作战等特殊场合。而相比之下，被动外骨骼无需借助任何外部能源，仅利用人体行走过程中被动存储的弹性势能实现下肢运动辅助，通过合理布置和设计弹性元件来降低代谢能消耗，改善行走耐力，具有结构简单、重量轻、成本低的优点，因此更适合下肢功能健全的正常人日常生活使用，应用前景更为广阔。

目前，国内外已开发出部分下肢被动外骨骼装置，主要针对行走、跳跃、奔跑等运动模式下的多个关节或单个关节的运动辅助，然而能实现减少代谢能消耗的装置却寥寥无几。就单关节辅助而言，踝关节作为人体行走过程中做正功最多的远端关节，其在减少代谢能消耗上的显著优势已经得到了较为充分的利用，且已有相应踝关节被动外骨骼装置问世。相比之下，髋关节作为人体行走过程中的第二大正功关节，其做功仅稍次于踝关节，但在整个行走过程中也占据较大比重，且作为人体下肢的近端关节，设计合理的髋关节外骨骼装置更有望在不显著改变人体质心的条件下，降低行走的代谢能消耗。然而，目前的髋关节外骨骼均为主动外骨骼，其有源供电方式和较大的质量严重制约了其在降低代谢能消耗方面的潜在优势。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，以达到减少人体自然行走时代谢能消耗的目的，其结构简单、成本低、穿戴舒适且可以降低人体自然行走时的代谢能消耗。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于能量分时调控的髋关节被动外骨骼装置，其特征在于，包括腰部弧形支撑组件、髋关节组件、大腿组件和弹性元件连接组件，其中

所述腰部弧形支撑组件包括围托和第一柔性绷带，所述第一柔性绷带的两端分别连接所述围托的两侧，用于与所述围托配合围住腰部以提供受力支撑；

所述髋关节组件具有两组并且它们左右对称设置，每组所述髋关节组件均包括髋关节内收外展连接件和髋关节屈曲伸展连接件，其中，所述髋关节内收外展连接件的上端固定连接在所述围托上，该髋关节内收外展连接件的下端通过第一铰轴铰接所述髋关节屈曲伸展连接件的上端，以便所述髋关节屈曲伸展连接件能沿身体冠状面左右摆动；