一种下肢外骨骼

1.本实用新型涉及人体外骨骼技术领域，具体为一种下肢外骨骼。


背景技术：

2.外骨骼技术是当前人体运动效能增强的主要方法之一，其中的无源外骨骼技术具有重量轻、体积小、工作稳定等优点，非常适于在军事侦查、抢险救灾等工作环境复杂、可靠性要求高的场景中进行应用。
3.目前，无源下肢外骨骼一般通过弹性元件的储释能来调节关节的对外作功功率，从而提升人体行走、跑步等动作的最终运动效果。当人们遇到需要翻越障碍、跨越沟壑时，通常会采取跳跃的方式达到目标。现有产品一般通过在膝关节处设置扭簧或拉簧等弹性单元来储释能。如专利cn111571572公布的一种可穿戴助力柔性外骨骼，该装置在膝关节后侧设置扭簧，通过对膝关节屈伸过程中的负功环节进行储能、在正功环节进行释放来提升跳跃动作。然而，所设置的扭簧单元在人体下肢处于摆动期时仍会影响膝关节的屈伸动作，会使穿戴者产生明显的人机对抗不适感、影响运动助力效果。此外，膝关节在屈伸过程中的可储存负功有限，不足以显著提升人体的跳跃能力。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种下肢外骨骼，包括腰部组件、大腿组件、小腿组件、足部组件、离合组件及储释能组件；
5.所述腰部组件包括腰部支架，所述腰部支架为前部断开的带状圆环，且圆环端面处设置有长直槽，所述腰部组件用于固定连接在腰部位置；
6.所述大腿组件用于固定连接在大腿部位，所述大腿组件与腰部组件相连接；
7.所述小腿组件用于固定连接在小腿部位，所述小腿组件与大腿组件相连接；
8.所述足部组件用于固定连接在足部位置，所述离合组件用于连接小腿组件与足部组件；
9.所述储释能组件包括弹簧仓转盘、动力齿轮棘轮部件、储能扭簧、储能动力绳、释能动力绳、弹簧仓棘爪、棘爪复位弹簧、释能动力绳固定器、释能触发绳，所述弹簧仓转盘分为内侧和外侧两部分，且每部分均为中间有圆孔的圆盘状零件，圆盘的外缘沿轴向依次为齿轮结构、凹槽结构和棘轮结构，凹槽结构设置有与内孔相连的方形孔道，动力齿轮棘轮部件分为左右两部分，每部分包括外齿凹槽圆环和棘轮棘爪机构、棘轮复位扭簧，储释能组件的外缘为外齿-凹槽圆环，沿轴向依次为齿轮结构和凹槽结构，齿轮结构与弹簧仓转盘齿轮结构啮合，凹槽结构中固定有储能动力绳端部；
10.其中，所述储释能组件内侧为棘轮棘爪机构，形成相对外侧环的单向传动，棘轮环与腰部组件的弹簧仓连接轴间隙配合，棘轮复位扭簧的一端固定在棘轮环上，另一端固定在腰部支架后侧面上，储能动力绳另一端穿过足部固定器外侧垂直支杆的滑轮后，与推杆近端的圆孔连接，释能动力绳固定在弹簧仓转盘的凹槽结构上，并穿过触发组件中的释能
动力绳固定器后与小腿支架的膝关节盘连接，弹簧仓棘爪包括左右两部分，分别放置于腰部组件的触发棘爪滑动槽内，棘爪后侧设置有连接释能触发绳的圆孔，后侧端面与滑动槽底面间安装有棘爪复位弹簧。
11.可选的，所述释能动力绳固定器一端为方柱，且侧面设计有方形通孔，另一端为圆柱，侧面设计有圆形通孔，所述释能触发绳一端固定在固定器的圆型通孔上，之后再与弹簧仓棘爪后端的圆孔、膝关节离合控制块的上端圆孔和下端圆孔依次固定，所述释能触发绳再穿过足部固定器外侧垂直支杆的滑轮后与推杆上端的圆孔间进行连接固定。
12.可选的，所述腰部组件还包括绑带、髋关节球窝、弹簧仓连接轴、动力齿轮棘轮部件连接轴和触发棘爪滑动槽，所述绑带连接在长直槽的槽间，所述髋关节球窝固定在腰部支架两侧，所述弹簧仓连接轴、动力齿轮棘轮部件连接轴和触发棘爪滑动槽均固定在腰部支架后侧。
13.可选的，所述触发棘爪滑动槽为阶梯槽，且靠内侧端的方孔尺寸比靠外侧端的方孔尺寸大。
14.可选的，所述大腿组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括大腿支架、髋关节球头、膝关节离合控制块仓和绑带，所述大腿支架远端处设置有圆孔，靠近远端的外侧面处设置有含圆孔的凸起结构，近端内侧面固定有髋关节球头，所述膝关节离合控制块仓固定在大腿支架的远端，为方型截面的中空筒结构，其远端处的截面变小，两根绑带的一端均固定在大腿支架中间位置的侧面，通过另一端的魔术粘扣相互连接。
15.可选的，所述小腿组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括小腿支架、膝关节盘、踝关节盘和绑带，膝关节盘和踝关节盘分别固定在小腿支架的近端和远端，端面为内凹的轮辐状结构，膝关节盘和踝关节盘中央处均设置有通孔，两根绑带的一端均固定在小腿支架中间位置的侧面，通过另一端的魔术粘扣相互连接。
16.可选的，所述足部组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括足部固定器、足底弯板、弯板复位弹簧、刚度调节螺钉、推杆、导向板、绑带，足底弯板左右两侧的前后端固定有圆轴，所述圆轴两端安装有转轮，每侧前后轴间连接弯板复位弹簧，所述足底弯板两侧的转轮及弯板复位弹簧位于足部固定器两侧的凹槽内，转轮在凹槽的内表面上滚动，所述凹槽壁侧面上设计有阵列的螺纹孔，且与刚度调节螺钉配合，所述推杆下方固定于足底弯板的外侧中间位置，推杆上端为变截面结构，导向板下方固定于足底弯板的内侧中间位置，导向板上端为直角弯头，足部固定器的内侧和外侧中间位置均设计有垂直支杆，支杆近端设置有方形套筒，外侧垂直支杆近端设置有两组滑轮，所述推杆和导向板分别穿过足部固定器内外两侧支杆处的方形套筒。
17.可选的，所述足部固定器的外侧垂直支杆近端设置有两个滑轮，垂直支杆的侧面设置有两排直槽孔，分别与绑带的一端固定，绑带的另一端设置有魔术粘扣。
18.可选的，所述离合组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括踝关节离合盘、膝关节离合盘、膝关节离合控制块、压缩复位弹簧和控制块复位弹簧，所述踝关节离合盘的一端为圆头圆柱，中间为端面有轮辐状凸起结构的圆盘，另一端为圆轴，所述踝关节离合盘两端分别与小腿组件踝关节盘和足部组件外侧垂直支杆近端处的圆孔实现间隙配合，离合盘和小腿远端的踝关节盘间设置有压缩复位弹簧，圆头圆柱与推杆上端侧面接触，膝关节离合盘的一端为圆头圆柱，中间为端面轮辐状凸起结构的圆盘，另一端为圆
轴，膝关节离合盘两端分别与大腿支架远端和小腿组件近端处的圆孔实现间隙配合，离合盘和小腿组件膝关节盘间设置有压缩复位弹簧，圆头圆柱与膝关节离合控制块侧面接触，膝关节离合控制块为变截面的长板状结构，两端均设置有圆孔。
19.可选的，所述离合组件放置于膝关节离合组件仓内，且离合组件下端侧面与膝关节离合盘的圆头圆柱接触，上端两侧连接控制块复位弹簧。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
21.1、本实用新型通过对下肢触地时足部地反力的多次做功进行储存并在单次进行释放来提升人体跳跃能力，同时满足下肢在摆动期的关节自由不受限需求、减小外骨骼对人体动作的限制。
22.2、本实用新型通过足部组件中的推杆实现对足部触地动作的响应，驱动离合组件和储释能组件完成相应动作，同时实现弹性能的多次储存-单次释放和下肢关节自由-受限状态的转换，增强人体跳跃能力的同时减小人体穿戴外骨骼后的人机对抗不适感。
23.3、本实用新型具有结构简单、成本低廉、工作稳定等优点，适于在工作环境复杂、可靠性要求高的场景中进行应用。
附图说明
24.图1为本实用新型打孔机结构示意图；
25.图2为腰部组件的结构示意图；
26.图3为大腿组件的结构示意图；
27.图4为小腿组件的结构示意图；
28.图5为足部组件的结构示意图；
29.图6为离合组件的结构示意图，其中其他组件显示为半透明；
30.图7为储释能组件的结构示意图，其中腰部组件设置为半透明、弹簧仓转盘外侧部分向上移动以便显示；
31.图8为本实用新型助力人体跳跃运动的足部附近的外骨骼局部示意图；
32.图9为本实用新型助力人体跳跃运动的膝关节附近的外骨骼局部示意图。
33.附图标号说明：
34.1、腰部组件；11、腰部支架；12、绑带；13、髋关节球窝；14、弹簧仓连接轴；15、动力齿轮棘轮部件连接轴；16、触发棘爪滑动槽；161、方孔；162、方孔；2、大腿组件；21、大腿支架；212、凸起结构；22、髋关节球头；23、膝关节离合控制块仓；231、中空筒结构；24、绑带；3、小腿组件；31、小腿支架；32、膝关节盘；321、阶梯通孔；33、踝关节盘；331、圆孔；34、绑带；4、足部组件；41、足部固定器；411、凹槽；4112、螺纹孔；412、垂直支杆；4121、方形套；4122、滑轮；4123、通孔；4124、直槽孔；42、足底弯板；421、圆轴；422、转轮；43、弯板复位弹簧；44、刚度调节螺钉；45、推杆；451、变截面结构；46、导向板；461、直角弯头；47、绑带；5、离合组件；51、踝关节离合盘；511、圆头圆柱；512、圆盘；513、圆轴；52、膝关节离合盘；523、圆轴；53、膝关节离合控制块；531、圆孔；54、压缩复位弹簧；55、控制块复位弹簧；6、储释能组件；61、弹簧仓转盘；611、齿轮结构；612、凹槽结构；613、棘轮结构；614、方形孔道；615、通孔；62、储能扭簧；63、动力齿轮棘轮部件；631、外齿凹槽圆环；632、棘轮棘爪机构；633、棘轮复位扭簧；64、弹簧仓棘爪；65、棘爪复位弹簧；66、储能动力绳；67、释能触发绳；68、释能动力绳；69、释
能动力绳固定器。
35.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.请参阅图1，本实用新型提供一种下肢外骨骼由腰部组件1、大腿组件2、小腿组件3、足部组件4、离合组件5及储释能组件6组成。
38.参考图2，腰部组件1包括腰部支架11、绑带12、髋关节球窝13、弹簧仓连接轴14、动力齿轮棘轮部件连接轴15和触发棘爪滑动槽16。腰部支架11为前部断开的带状圆环，圆环端面处设置有长直槽111，槽间连接有绑带12。髋关节球窝13固定在腰部支架11两侧，弹簧仓连接轴14、动力齿轮棘轮部件连接轴15和触发棘爪滑动槽16均固定在腰部支架11的后侧。触发棘爪滑动槽16为阶梯槽，靠内侧端的方孔161尺寸大，靠外侧端的方孔162尺寸小。
39.参考图3，大腿组件2包括大腿支架21、髋关节球头22、膝关节离合控制块仓23、绑带24。大腿支架21远端处设置有圆孔211，靠近远端的外侧面处设置有含圆孔的凸起结构212，近端内侧面固定有髋关节球头22。膝关节离合控制块仓23固定在大腿支架的远端，为方型截面的中空筒结构231，其远端处的截面变小。两根绑带24的一端均固定在大腿支架21中间位置的侧面，通过另一端的魔术粘扣相互连接。
40.参考图4，小腿组件3包括小腿支架31、膝关节盘32、踝关节盘33、绑带34。膝关节盘32和踝关节盘33分别固定在小腿支架31的近端和远端，端面为内凹的轮辐状结构，中央处均设置有阶梯通孔321和331。两根绑带34的一端均固定在小腿支架31中间位置的侧面，通过另一端的魔术粘扣相互连接。
41.参考图5，足部组件4包括足部固定器41、足底弯板42、弯板复位弹簧43、刚度调节螺钉44、推杆45、导向板46、绑带47。足底弯板42左右两侧的前后端固定有圆轴421，轴两端有转轮422，每侧前后轴间连接弯板复位弹簧43。足底弯板42两侧的转轮422及弯板复位弹簧43位于足部固定器41两侧的凹槽411内，转轮422在凹槽411的内表面上滚动。凹槽411壁侧面上设计有阵列的螺纹孔4112，与刚度调节螺钉44配合。推杆45下方固定于足底弯板42的外侧中间位置，推杆上端为变截面结构451。导向板46下方固定于足底弯板42的内侧中间位置，导向板46上端为直角弯头461。足部固定器41的内侧和外侧中间位置均设计有垂直支杆412，支杆412近端设置有方形套筒4121，外侧垂直支杆近端设置有两组滑轮4122和通孔4123。推杆45和导向板46分别穿过足部固定器41内外两侧支杆处的方形套筒4121。垂直支杆412的侧面设置有两排直槽孔4124，分别与绑带47的一端固定。绑带47的另一端设置有魔术粘扣，实现相互连接，支撑侧下肢的足底弯板42在足部触地动作下受压变形，带动推杆45向上移动。上移的推杆45驱动踝关节离合盘51沿轴向移动，实现与小腿组件的踝关节盘33结合。
42.参考图6，离合组件5包括踝关节离合盘51、膝关节离合盘52、膝关节离合控制块53、压缩复位弹簧54和控制块复位弹簧55。踝关节离合盘51的一端为圆头圆柱511，中间为
端面有轮辐状凸起结构的圆盘512，另一端为圆轴513。踝关节离合盘51两端分别与小腿组件踝关节盘33的圆孔331和足部固定器外侧垂直支杆412近端处的通孔4123实现间隙配合，踝关节离合盘51和小腿组件的踝关节盘间33设置有压缩复位弹簧54，圆头圆柱511与推杆45上端侧面接触。膝关节离合盘52的一端为圆头圆柱521，中间为端面轮辐状凸起结构的圆盘522，另一端为圆轴523。膝关节离合盘52两端分别与大腿支架21远端和小腿支架31近端处的圆孔211和321实现间隙配合，离合盘52和小腿组件膝关节盘32间设置有压缩复位弹簧54，圆头圆柱521与膝关节离合控制块53侧面接触。膝关节离合控制块53为变截面的长板状结构，两端均设置有圆孔531。该控制块放置于膝关节离合组件仓23内，下端侧面与膝关节离合盘52的圆头圆柱521接触，上端两侧圆孔531连接控制块复位弹簧55的一端。控制块复位弹簧55的另一端连接在大腿支架21远端外侧面处的凸起结构212上，膝关节离合盘52与小腿支架31的膝关节盘32间处于分离状态。当支撑侧下肢开始向上抬起时，足底弯板42在弯板复位弹簧43作用下恢复原始状态，推杆45向下移动，所连接的储能动力绳66松弛。踝关节离合盘51在压缩复位弹簧54的作用下沿轴向移动，踝关节离合盘51与小腿支架31的踝关节盘33分离。动力齿轮棘轮部件63的棘轮环在棘轮复位扭簧633及弹簧仓棘爪64作用下向相反方向转动，使储能动力绳66始终处于拉紧状态。
43.参考图7，储释能组件6包括弹簧仓转盘61、储能扭簧62、动力齿轮棘轮部件63、弹簧仓棘爪64、棘爪复位弹簧65、储能动力绳66、释能触发绳67、释能动力绳68、释能动力绳固定器69。弹簧仓转盘61包括内外两部分，均为中间有圆孔的圆盘状零件。转盘的外缘沿轴向依次为齿轮结构611、凹槽结构612和棘轮结构613，凹槽结构612设置有与中央圆孔相连的方形孔道614，圆盘上设置有通孔615。储能扭簧62套在弹簧仓连接轴14上，两端分别与两个弹簧仓转盘61上的通孔615固定。动力齿轮棘轮部件63分为左右两部分，每部分包括外齿-凹槽圆环631、棘轮棘爪机构632及棘轮复位扭簧633。该部件的外缘为外齿-凹槽圆环6311，沿轴向依次为齿轮结构和凹槽结构，齿轮结构与弹簧仓转盘齿轮结构611啮合。该部件内侧为棘轮棘爪机构632，形成相对外侧环的单向传动。棘轮环632与腰部组件的动力齿轮棘轮部件连接轴15间隙配合。棘轮复位扭簧633的一端固定在棘轮环632上，另一端固定在腰部支架11后侧面上。弹簧仓棘爪64包括左右两部分，分别放置于腰部组件的触发棘爪滑动槽16内。棘爪64后侧连接释能触发绳67，后侧端面与滑动槽底面间安装有棘爪复位弹簧65。储能动力绳66一端与外齿-凹槽圆环631的凹槽结构固定，另一端穿过足部固定器外侧垂直支杆的滑轮4122后，与推杆45近端固定连接。释能动力绳68呈环状套在弹簧仓转盘61的凹槽结构上，并穿过释能动力绳固定器69的方孔后与小腿组件的膝关节盘32连接。释能动力绳固定器69一端为方型截面，与弹簧仓转盘的方形孔道614间隙配合，另一端也与释能触发绳67连接。释能触发绳67一端连接释能动力绳固定器69后端和弹簧仓棘爪64后端，再分别与膝关节离合控制块53的上下端圆孔531固定，最后穿过足部固定器外侧垂直支杆412的滑轮4122后与推杆上端进行固定连接，支撑侧下肢的足底弯板42在足部触地动作下受压变形，带动推杆45向上移动。上移的推杆45驱动踝关节离合盘51沿轴向移动，实现与小腿组件的踝关节盘33结合。
44.参考图8-图9，本实用新型助力人体跳跃运动的实施过程为：当人体进行助跑/行时，一侧下肢触地进入支撑期，该侧下肢的足底弯板42受压变形，使连接的推杆45向上运动。与推杆上端连接的储能动力绳66和释能触发绳67受拉，与推杆上端侧面接触的踝关节
离合盘51向小腿组件的踝关节盘移动，实现二者结合。储能动力绳66受拉前为拉直状态，受拉后带动动力齿轮棘轮部件63转动，通过齿轮啮合使对应的弹簧仓转盘61旋转，进而使储能扭簧62储存弹性应变能。释能触发绳67受拉前为松弛状态，受拉后转为拉直状态，未驱动弹簧仓棘爪64和膝关节离合控制块53动作。此时，大腿组件与小腿组件间的膝关节连接处为自由转动状态。当该侧下肢开始离地时，足底弯板42在弯板复位弹簧43作用下恢复弯曲状态，使推杆45下移。与推杆连接的储能动力绳66受拉减小，所连接的动力齿轮棘轮部件63在其棘轮棘爪机构和棘轮复位扭簧作用下沿反方向旋转，弹簧仓转盘61不出现转动，弹性应变能储存在储能扭簧62中。当该侧下肢完全离地后，膝关节离合控制块53在控制块复位弹簧55作用下恢复至原有位置，踝关节离合盘51在其压缩复位弹簧作用下恢复到原有位置，推杆45所在的足部固定器41与小腿支架31间变为自由转动状态。当另一侧下肢进入开始触地-完全触地-开始离地-完全离地过程中时，该侧下肢外骨骼的相关零部件按上述方式运行。依此循环，助跑/行过程中的每次触地反力做功均储存在储能扭簧62中。当人体准备跳跃时，下肢触地时的地反力显著增大，足底弯板42受压变形显著增大，推杆45上移距离增加，使释能触发绳67受拉增大。此时，膝关节离合控制块53向下移动距离增大，通过端部的变截面特征驱动膝关节离合盘52向小腿组件31的膝关节盘32移动，实现二者的结合。膝关节离合控制块53向下移动距离增大还会驱动释能触发绳67由助跑/行过程中的拉直状态变为拉动状态，弹簧仓棘爪64与弹簧仓转盘62的棘轮结构分离，储能扭簧62开始恢复。同时，释能动力绳固定器69向弹簧仓转盘61的中心移动，从而导致释能动力绳68与弹簧仓转盘61的凹槽结构612间实现压紧固定。释能的储能扭簧62通过释能动力绳68驱动膝关节离合盘52，使得与其结合的小腿支架31加快伸展，实现对跳跃运动的助力。当起跳动作完成后，足部离地，使足底弯板42恢复，推杆45下移，外骨骼中的相关零部件在弯板复位弹簧43、控制块复位弹簧55、棘爪复位弹簧65、棘轮复位扭簧633、压缩复位弹簧54的作用下恢复至原有位置，该侧下肢进入摆动期，对侧下肢进入支撑期，足底弯板42发生受压变形，推杆向上移动，使踝关节离合盘51与小腿支架31结合，储能动力绳66拉动连接的动力齿轮棘轮部件63转动，使弹簧仓的另一侧转盘发生相反方向转动，进一步使所连接的储能扭簧62扭转变形储能。当进入下一个步态周期时，储释能组件6继续按照上述方式进行弹性应变能储存。当人体开始起跳时，由于足底触地时的地反力显著增大(由2～3倍体重增大到4～5倍体重)，使足底弯板42变形加大，推杆向上移动距离增大，此时踝关节离合盘51和小腿支架31间仍然处于结合状态，膝关节离合盘52和小腿支架31间由分离状态转为结合状态。释能动力绳固定器69向轴心移动，将释能动力绳固定在弹簧仓转盘61上，弹簧仓棘爪64打开，弹簧仓转盘61在储能扭簧62的作用下，通过拉动释能动力绳68驱动小腿支架31转动，使膝关节转角快速增大。当完成跳跃后，释能动力绳固定器69和弹簧仓棘爪64在棘爪复位弹簧65作用下恢复至原有状态。
45.无源下肢外骨骼足部弯板进行刚度调节的过程是：通过调节刚度调节螺钉44在阵列螺纹孔4112上的旋入位置，改变弯板复位弹簧43的有效长度，进而调节弹簧的刚度，从而在不同体重作用下实现助跑过程中的触地储能动作和起跳前的触发释能动作。
46.本实用新型的工作流程及原理：首先，使用腰部组件1、大腿组件2、小腿组件3和足部组件4中的绑带，将外骨骼的各组件分别固定在人体腰部、双侧大腿、双侧小腿和双侧足部体段上。当人体跳跃前进行助跑和行走时，触地的下肢进入支撑期，未触地的下肢进入摆
动期。支撑侧下肢的足底弯板42在足部触地动作下受压变形，带动推杆45向上移动。上移的推杆45驱动踝关节离合盘51沿轴向移动，实现与小腿组件的踝关节盘33结合。同时，上移的推杆45通过所连接的储能动力绳66拉动腰部组件1的动力齿轮棘轮部件63转动，通过啮合使弹簧仓转盘61转动，进而使所连接的储能扭簧62扭转变形储存弹性能。此时，膝关节离合盘52与小腿支架31的膝关节盘32间处于分离状态。当支撑侧下肢开始向上抬起时，足底弯板42在弯板复位弹簧43作用下恢复原始状态，推杆45向下移动，所连接的储能动力绳66松弛。踝关节离合盘51在压缩复位弹簧54的作用下沿轴向移动，踝关节离合盘51与小腿支架31的踝关节盘33分离。动力齿轮棘轮部件63的棘轮环在棘轮复位扭簧633及弹簧仓棘爪64作用下向相反方向转动，使储能动力绳66始终处于拉紧状态。然后，该侧下肢进入摆动期，对侧下肢进入支撑期，足底弯板42发生受压变形，推杆向上移动，使踝关节离合盘51与小腿支架31结合，储能动力绳66拉动连接的动力齿轮棘轮部件63转动，使弹簧仓的另一侧转盘发生相反方向转动，进一步使所连接的储能扭簧62扭转变形储能。当进入下一个步态周期时，储释能组件6继续按照上述方式进行弹性应变能储存。当人体开始起跳时，由于足底触地时的地反力显著增大(由2～3倍体重增大到4～5倍体重)，使足底弯板42变形加大，推杆向上移动距离增大，此时踝关节离合盘51和小腿支架31间仍然处于结合状态，膝关节离合盘52和小腿支架31间由分离状态转为结合状态。释能动力绳固定器69向轴心移动，将释能动力绳固定在弹簧仓转盘61上，弹簧仓棘爪64打开，弹簧仓转盘61在储能扭簧62的作用下，通过拉动释能动力绳68驱动小腿支架31转动，使膝关节转角快速增大。当完成跳跃后，释能动力绳固定器69和弹簧仓棘爪64在棘爪复位弹簧65作用下恢复至原有状态。
47.以上内容是结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明，不能认定本实用新型具体实施只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型所提交的权利要求书确定的保护范围。

技术特征：
1.一种下肢外骨骼，其特征在于：包括腰部组件、大腿组件、小腿组件、足部组件、离合组件及储释能组件；所述腰部组件包括腰部支架，所述腰部支架为前部断开的带状圆环，且圆环端面处设置有长直槽，所述腰部组件用于固定连接在腰部位置；所述大腿组件用于固定连接在大腿部位，所述大腿组件与腰部组件相连接；所述小腿组件用于固定连接在小腿部位，所述小腿组件与大腿组件相连接；所述足部组件用于固定连接在足部位置，所述离合组件用于连接小腿组件与足部组件；所述储释能组件包括弹簧仓转盘、动力齿轮棘轮部件、储能扭簧、储能动力绳、释能动力绳、弹簧仓棘爪、棘爪复位弹簧、释能动力绳固定器、释能触发绳，所述弹簧仓转盘分为内侧和外侧两部分，且每部分均为中间有圆孔的圆盘状零件，圆盘的外缘沿轴向依次为齿轮结构、凹槽结构和棘轮结构，凹槽结构设置有与内孔相连的方形孔道，动力齿轮棘轮部件分为左右两部分，每部分包括外齿凹槽圆环和棘轮棘爪机构、棘轮复位扭簧，储释能组件的外缘为外齿-凹槽圆环，沿轴向依次为齿轮结构和凹槽结构，齿轮结构与弹簧仓转盘齿轮结构啮合，凹槽结构中固定有储能动力绳端部；其中，所述储释能组件内侧为棘轮棘爪机构，形成相对外侧环的单向传动，棘轮环与腰部组件的弹簧仓连接轴间隙配合，棘轮复位扭簧的一端固定在棘轮环上，另一端固定在腰部支架后侧面上，储能动力绳另一端穿过足部固定器外侧垂直支杆的滑轮后，与推杆近端的圆孔连接，释能动力绳固定在弹簧仓转盘的凹槽结构上，并穿过触发组件中的释能动力绳固定器后与小腿支架的膝关节盘连接，弹簧仓棘爪包括左右两部分，分别放置于腰部组件的触发棘爪滑动槽内，棘爪后侧设置有连接释能触发绳的圆孔，后侧端面与滑动槽底面间安装有棘爪复位弹簧；所述小腿组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括小腿支架、膝关节盘、踝关节盘和绑带，膝关节盘和踝关节盘分别固定在小腿支架的近端和远端，端面为内凹的轮辐状结构，膝关节盘和踝关节盘中央处均设置有通孔，两根绑带的一端均固定在小腿支架中间位置的侧面，通过另一端的魔术粘扣相互连接。2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述释能动力绳固定器一端为方柱，且侧面设计有方形通孔，另一端为圆柱，侧面设计有圆形通孔，所述释能触发绳一端固定在固定器的圆型通孔上，之后再与弹簧仓棘爪后端的圆孔、膝关节离合控制块的上端圆孔和下端圆孔依次固定，所述释能触发绳再穿过足部固定器外侧垂直支杆的滑轮后与推杆上端的圆孔间进行连接固定。3.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述腰部组件还包括绑带、髋关节球窝、弹簧仓连接轴、动力齿轮棘轮部件连接轴和触发棘爪滑动槽，所述绑带连接在长直槽的槽间，所述髋关节球窝固定在腰部支架两侧，所述弹簧仓连接轴、动力齿轮棘轮部件连接轴和触发棘爪滑动槽均固定在腰部支架后侧。4.根据权利要求3所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述触发棘爪滑动槽为阶梯槽，且靠内侧端的方孔尺寸比靠外侧端的方孔尺寸大。5.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述大腿组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括大腿支架、髋关节球头、膝关节离合控制块仓和绑带，
所述大腿支架远端处设置有圆孔，靠近远端的外侧面处设置有含圆孔的凸起结构，近端内侧面固定有髋关节球头，所述膝关节离合控制块仓固定在大腿支架的远端，为方型截面的中空筒结构，其远端处的截面变小，两根绑带的一端均固定在大腿支架中间位置的侧面，通过另一端的魔术粘扣相互连接。6.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述足部组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括足部固定器、足底弯板、弯板复位弹簧、刚度调节螺钉、推杆、导向板、绑带，足底弯板左右两侧的前后端固定有圆轴，所述圆轴两端安装有转轮，每侧前后轴间连接弯板复位弹簧，所述足底弯板两侧的转轮及弯板复位弹簧位于足部固定器两侧的凹槽内，转轮在凹槽的内表面上滚动，所述凹槽壁侧面上设计有阵列的螺纹孔，且与刚度调节螺钉配合，所述推杆下方固定于足底弯板的外侧中间位置，推杆上端为变截面结构，导向板下方固定于足底弯板的内侧中间位置，导向板上端为直角弯头，足部固定器的内侧和外侧中间位置均设计有垂直支杆，支杆近端设置有方形套筒，外侧垂直支杆近端设置有两组滑轮，所述推杆和导向板分别穿过足部固定器内外两侧支杆处的方形套筒。7.根据权利要求6所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述足部固定器的外侧垂直支杆近端设置有两个滑轮，垂直支杆的侧面设置有两排直槽孔，分别与绑带的一端固定，绑带的另一端设置有魔术粘扣。8.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述离合组件分为左侧和右侧两部分，且左侧和右侧两部分均包括踝关节离合盘、膝关节离合盘、膝关节离合控制块、压缩复位弹簧和控制块复位弹簧，所述踝关节离合盘的一端为圆头圆柱，中间为端面有轮辐状凸起结构的圆盘，另一端为圆轴，所述踝关节离合盘两端分别与小腿组件踝关节盘和足部组件外侧垂直支杆近端处的圆孔实现间隙配合，离合盘和小腿远端的踝关节盘间设置有压缩复位弹簧，圆头圆柱与推杆上端侧面接触，膝关节离合盘的一端为圆头圆柱，中间为端面轮辐状凸起结构的圆盘，另一端为圆轴，膝关节离合盘两端分别与大腿支架远端和小腿组件近端处的圆孔实现间隙配合，离合盘和小腿组件膝关节盘间设置有压缩复位弹簧，圆头圆柱与膝关节离合控制块侧面接触，膝关节离合控制块为变截面的长板状结构，两端均设置有圆孔。9.根据权利要求8所述的一种下肢外骨骼，其特征在于：所述离合组件放置于膝关节离合组件仓内，且离合组件下端侧面与膝关节离合盘的圆头圆柱接触，上端两侧连接控制块复位弹簧。

技术总结
本实用新型涉及人体外骨骼技术领域，具体为一种下肢外骨骼，可实现对下肢触地时足部地反力做功的多次储存。本实用新型的装置由腰部组件、大腿组件、小腿组件、足部组件、离合组件及储释能组件构成，通过腰部组件、大腿组件、小腿组件、足部组件与人体体段的连接完成外骨骼的穿戴，通过足部组件中的推杆实现对足部触地动作的响应，驱动离合组件和储释能组件完成相应动作，同时实现弹性能的多次储存-单次释放和下肢关节自由-受限状态的转换，增强人体跳跃能力的同时减小人体穿戴外骨骼后的人机对抗不适感。该实用新型结构简单、成本低廉、工作稳定，适于在工作环境复杂、可靠性要求高的场景中进行应用。景中进行应用。景中进行应用。


技术研发人员：陈晓 万超 王刚 祖媛媛 张笑 王惜亮
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院系统工程研究院
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/10/20