[发明专利]一种基于离合器分时调控的髋膝双关节被动外骨骼装置

说明书

本发明属于下肢外骨骼技术领域，并具体公开了一种基于离合器分时调控的髋膝双关节被动外骨骼装置，包括腰部支撑组件、连接组件、大腿组件、离合器组件、小腿组件和弹性元件组件，腰部支撑组件用于固定在腰部，连接组件设置有两组并对称布置在支撑组件两侧，大腿组件设置有两组并分别与两组连接组件相连，离合器组件设置有两组并分别安装在两组大腿组件上，小腿组件设置有两组并对称布置在两组大腿组件的下方，弹性元件组件设置有两组且左右对称布置。本发明可辅助膝关节和髋关节的运动，提高能量利用效率，减少行走的代谢能消耗。

技术领域

本发明属于下肢外骨骼技术领域，更具体地，涉及一种基于离合器分时调控的髋膝双关节被动外骨骼装置。

背景技术

虽然汽车和火车等轮式交通工具的出现极大的方便了人们的出行，但是容易受到地形条件的限制，人类平均每天仍要行走一万步左右，行走在人的日常生活中具有不可替代性。然而，由于人体内部大量软组织摩擦、空气阻尼以及鞋底滑动摩擦等原因，使得人体行走的运动效率并不高。同时，长时间行走引起的肌肉疲劳更是会降低人的运动能力，引起日常生活的不便。因此，研发出能够辅助人类行走、提高人类行走效率以及增强人体运动能力的下肢外骨骼装置具有十分重要的科学研究意义和实用价值。

被动下肢外骨骼不同于传统的动力下肢外骨骼，传统的动力下肢外骨骼由驱动器驱动，通常还包含配套的能量源、传感器以及控制系统等，这类外骨骼通常结构复杂、装置笨重，多用于患者的康复训练和部队的单兵作战等，并不适用于人类日常生活中的正常行走。而被动下肢外骨骼的设计更加符合人体的运动规律，其仅仅依靠外部弹性元件跟随下肢运动以提供动力辅助，因此并不需要传感器和能量源等复杂的配套件，依靠巧妙的结构设计以及弹性元件的布置就可以辅助人体日常行走、降低行走代谢能消耗。被动下肢外骨骼制造成本低、结构简单、质量轻便，不仅是外骨骼机器人学科前沿的研究热点，而且具有广泛的应用前景。

目前，国内已经研发出了多种辅助行走、奔跑和跳跃的下肢被动外骨骼装置，但是能够成功提高行走效率、减少行走代谢能消耗的下肢被动外骨骼却寥寥无几。目前已研发出的能够降低代谢能消耗的被动外骨骼均为单关节外骨骼装置，且大都是针对行走过程中做正功较多的踝关节或者髋关节，完全忽视了膝关节的运动作用以及整个下肢的运动协同关系，严重限制了下肢被动外骨骼的运动辅助作用，难以进一步提升人体代谢能的利用效率。结合膝关节的行走运动特性、研发出能够同时辅助膝关节和髋关节的多关节被动外骨骼不仅有望充分地利用膝关节和髋关节的能量，而且有望进一步提高行走效率、降低行走代谢能。

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离合器分时调控的髋膝双关节被动外骨骼装置，其结合了膝关节和髋关节的行走运动特性，使得膝关节能量能够通过外部装置转移至髋关节，同时辅助膝关节和髋关节的运动，提高能量利用效率，减少行走的代谢能消耗。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于离合器分时调控的髋膝双关节被动外骨骼装置，其包括腰部支撑组件、连接组件、大腿组件、离合器组件、小腿组件和弹性元件组件，其中，所述腰部支撑组件用于固定在腰部，所述连接组件用于连接腰部支撑组件和大腿组件，其设置有两组并且左右对称布置在支撑组件的两侧，所述大腿组件设置有两组，两组大腿组件分别与两组连接组件相连，用于固定在大腿上，所述离合器组件设置有两组，两组离合器组件分别安装在两组大腿组件上，用于分时调控膝关节和髋关节的能量，所述小腿组件设置有两组并且左右对称布置在两组大腿组件的下方，用于固定在小腿上，所述弹性元件组件设置有两组且左右对称布置，其连接所述腰部支撑组件和小腿组件，并且穿过离合器组件。

作为进一步优选的，所述腰部支撑组件包括两腰部支具、腰部柔性绑带和腰部支具连接件，所述腰部支具连接件用于连接所述两腰部支具的一端，所述腰部柔性绑带用于连接两腰部支具的另一端，以将腰部支具固定在腰部以承受力支撑。