技术摘要：
本发明涉及一种被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼，包括腰背固定单元、左大腿固定单元、右大腿固定单元、左变刚度髋关节以及右变刚度髋关节，左变刚度髋关节及右变刚度髋关节均包括凸轮盘、转动设置在凸轮盘内的关节盘、设置在关节盘上的变刚度调节机构、一对弹簧储能  全部
背景技术：
中国是人口大国，自2000年以来，中国人口老龄化进入提速阶段，截至2017年年 末，中国60周岁以上人口占全部人口的17.3％。根据联合国的预测，到2030年，中国60岁以 上老年人口规模将超过3亿人，到2050年攀升至4.7亿人左右，65岁以上老年人规模将从 2020年的1.7亿人上升至3.6亿人。由于年龄的增长，老年人群常常伴随着骨骼关节退化、肌 肉力量减弱等问题，老年人自身所残余的肌力已不足以支撑其进行日常活动，从而造成下 肢运动功能不足甚至缺失，此类人群目前主要是通过使用拐杖或者轮椅来辅助移动，甚至 长期卧床在家，从而会导致一系列并发症，如压疮、骨质疏松、上下尿路感染、尿结石、肌肉 萎缩痉挛等。因此，站立和适当的行走训练是必要的。 下肢外骨骼是穿戴在人体下肢上的仿生机器人，是多学科融合的产物，目前外骨 骼助力装置的研究是当下热点之一，具有广泛的应用前景，比如军事、康复医疗等领域，在 康复领域中，下肢助力外骨骼主要是给偏瘫、截瘫以及有下肢运动功能障碍的人群提供支 撑和助力。下肢助力外骨骼根据驱动方式分类可分为：主动式、被动式、半被动式，根据助力 关节可分为单关节助力和多关节助力。主动式助力外骨骼虽然效果显著，但也有着无法避 免的缺陷，如气压驱动由于空气的可压缩性使得执行器位置和速度控制比较困难，稳定性 差；液压驱动工艺复杂，液压油散热和泄露问题难以解决；电机驱动受电机性能限制和刚度 的约束，造成刚性驱动器的强鲁棒性和弱适应性，存在电机转矩低、摩擦和噪音等缺点，此 外价格通常比较昂贵，并且续航时间短。被动助力外骨骼结构简单，不含主动式驱动元件， 主要是将人行走过程中由肌肉组织所耗散的能量通过弹性元件所存储起来并在需要助力 的时候释放达到助力的目的。半被动式助力外骨骼能够在提供足够辅助力矩的同时充分利 用人体自身能量，其驱动系统集成了主动驱动装置以及储能单元。 发达国家进入康复行业相对较早且从事康复行业的机构和研究院校较多，诸多下 肢助力外骨骼产品现在已经从实验室研究阶段发展到获得食品药品监督管理局的许可证 并可以在市场上售卖，中国作为发展中国家，由于一系列原因导致在康复行业起步较晚，对 下肢助力外骨骼的研究大多处于实验样机阶段或临床试验阶段，面向消费者销售的均为国 外产品，价格昂贵，严重制约中国老年人等下肢运动功能障碍者的生活质量。
技术实现要素：
本发明的目的就是基于上述下肢助力外骨骼研究现状以及行业发展需求，提供一 种便于老年人等下肢运动功能障碍者使用的被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼。 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 一种被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼，该髋关节外骨骼包括腰背固定单元、 4 CN 111588600 A 说　明　书 2/6 页 左大腿固定单元、右大腿固定单元、设置在腰背固定单元与左大腿固定单元之间的左变刚 度髋关节以及设置在腰背固定单元与右大腿固定单元之间的右变刚度髋关节，所述的左变 刚度髋关节及右变刚度髋关节均包括凸轮盘、转动设置在凸轮盘内的关节盘、设置在关节 盘上的变刚度调节机构、一对设置在变刚度调节机构上并与凸轮盘相适配的弹簧储能机构 以及与关节盘固定连接的关节输出端盖，所述的凸轮盘与腰背固定单元相连，所述的关节 输出端盖与左大腿固定单元或右大腿固定单元相连。 进一步地，所述的腰背固定单元包括背部挡板、一对宽度调整件、一对腰部挡板以 及一对髋关节连接件，两宽度调整件并列设置在背部挡板侧面，所述的腰部挡板的一端与 相应一侧的宽度调整件铰接，另一端与相应一侧的髋关节连接件铰接，所述的髋关节连接 件与凸轮盘固定连接。 优选地，腰部挡板的一端与相应一侧的宽度调整件之间设有轴销螺栓，并通过轴 销螺栓铰接；腰部挡板的另一端与相应一侧的髋关节连接件之间设有带肩扣环铰链销，并 通过带肩扣环铰链销铰接。两腰部挡板分别为腰部左挡板、腰部右挡板，腰部挡板上还设有 塑料搭扣，便于拆装。 进一步地，所述的左大腿固定单元包括左大腿铝合金支条，该左大腿铝合金支条 的顶部设有关节输出连接件，并通过关节输出连接件与相应一侧的关节输出端盖固定连 接，所述的左大腿铝合金支条的底部设有大腿箍；所述的右大腿固定单元包括右大腿铝合 金支条，该右大腿铝合金支条的顶部设有关节输出连接件，并通过关节输出连接件与相应 一侧的关节输出端盖固定连接，所述的右大腿铝合金支条的底部设有大腿箍。 进一步地，所述的凸轮盘包括凸轮盘底板以及设置在凸轮盘底板上的凸轮盘环形 侧板，所述的凸轮盘环形侧板的内侧设有凸轮盘导向部，所述的凸轮盘导向部的内侧与凸 轮盘环形侧板中心处之间的距离沿周向逐渐增大或减小，所述的弹簧储能机构上设有与凸 轮盘导向部相适配的凸轮随动件。 进一步地，所述的凸轮盘底板上设有推力滚针轴承及第二小径滚珠轴承，所述的 关节盘套设在第二小径滚珠轴承上，并且所述的推力滚针轴承位于凸轮盘底板与关节盘底 部之间。 优选地，第二小径滚珠轴承与关节盘顶部设有内法兰盘及外法兰盘。 进一步地，所述的变刚度调节机构包括设置在关节盘上的电机底座、设置在电机 底座上的电机、与电机的输出轴传动连接的减速器、与减速器传动连接的蜗轮蜗杆组件以 及一对丝杠螺母组件，两丝杠螺母组件分别设置在蜗轮蜗杆组件的两端，并分别与相应一 侧的弹簧储能机构相适配。 进一步地，所述的蜗轮蜗杆组件包括与减速器传动连接的蜗杆轴、套设在蜗杆轴 上的蜗杆以及设置在蜗杆上方并与蜗杆相啮合的蜗轮，所述的关节盘上设有蜗杆支撑座， 所述的蜗杆轴的一端与蜗杆支撑座之间设有第三小径滚珠轴承。 进一步地，所述的丝杠螺母组件包括设置在蜗轮端部的梯形丝杠以及并列套设在 梯形丝杠上的丝杠螺母、丝杠支撑座，所述的丝杠支撑座与梯形丝杠之间设有第一小径滚 珠轴承，所述的丝杠螺母位于丝杠支撑座与相应一侧的弹簧储能机构之间。 优选地，两丝杠螺母组件的梯形丝杠螺纹旋向相反，两丝杠螺母分别为左旋丝杠 螺母、右旋丝杠螺母。 5 CN 111588600 A 说　明　书 3/6 页 进一步地，所述的弹簧储能机构包括一对并列设置的光轴、套设在光轴上的矩形 磨具弹簧以及设置两光轴一端的被动变刚度调整座，所述的光轴的另一端穿过丝杠螺母并 与丝杠支撑座固定连接，所述的凸轮随动件设置在被动变刚度调整座上。 进一步地，所述的关节盘上设有绝对式编码器，该绝对式编码器的输出轴上设有 齿轮，所述的凸轮盘环形侧板的内侧还设有与齿轮相啮合的弧形齿条。 优选地，关节盘上还设有多个关节盘连接柱，所述的关节输出端盖与关节盘连接 柱固定连接。 本发明中，左右变刚度髋关节利用凸轮盘导向部的轮廓线曲率半径变化使得凸轮 随动件在人体下肢带动下运动过程中，压缩矩形磨具弹簧，从而达到储能的目的；而在反向 运动过程中，弹簧恢复原长达到助力目的。为了使人在行走过程中步态更加自然，在该关节 内部增加一个微型电机来调整矩形磨具弹簧的整体压缩量，使关节输出力矩与正常人行走 过程中的力矩相匹配，从而达到在线实时调整髋关节刚度的目的。使用蜗轮蜗杆组件以及 丝杠螺母组件来增大电机输出扭矩，由于电机功率的减小，髋关节整体续航能力得以提升， 同时为了根据运动过程中关节所处位置在线实时调整刚度，在关节盘上安装有绝对式编码 器，在关节盘相对于凸轮盘发生旋转时，可测得相对旋转角度，从而进行有效位置控制。 与现有技术相比，本发明具有以下特点： 1)本发明中被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼的左右腰部挡板通过轴销螺栓 与宽度调整件连接，可通过沿矢状轴的旋转来跟随人行走时的重心变化，左右变刚度髋关 节通过带肩扣环铰链销和髋关节连接件与左右腰部挡板连接，实现髋关节的内收和外展功 能，宽度调整件与背部挡板通过螺钉连接。该外骨骼的髋关节通过使用线性弹簧储存人行 走过程中产生的能量并在一定时候释放达到助力目的，同时通过微电机调整弹簧整体压缩 量和关节所处位置以实时调节关节输出力矩，使之与正常人髋关节力矩相匹配，从而达到 变刚度的目的。 2)本发明中，被动式变刚度髋关节外骨骼含有三个自由度，分别实现髋关节的屈 曲伸展、髋关节的内收外展、腰部重心的上下移动。髋关节外骨骼的宽度可通过调整外骨骼 的背部挡板与宽度调整件之间的固定位置进行宽度的调整，适应不同体型人群。 附图说明 图1为本发明中被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼的主视图； 图2为本发明中被动式变刚度储能助力髋关节外骨骼的整体结构示意图； 图3为本发明中左右变刚度髋关节的结构示意图； 图4为本发明中左右变刚度髋关节沿梯形丝杠轴线的剖视结构示意图； 图5为本发明中左右变刚度髋关节沿蜗杆轴线的剖视结构示意图； 图中标记说明： 1—轴销螺栓、2—腰部挡板、3—带肩扣环铰链销、4—左变刚度髋关节、5—左大腿 铝合金支条、6—大腿箍、7—右大腿铝合金支条、8—关节输出连接件、9—关节输出端盖、 10—右变刚度髋关节、11—塑料搭扣、12—宽度调整件、13—背部挡板、14—髋关节连接件、 15—关节盘连接柱、16—凸轮随动件、17—凸轮盘、18—减速器、19—电机、20—电机底座、 21—蜗杆、22—蜗轮、23—被动变刚度调整座、24—梯形丝杠、25—齿轮、26—矩形磨具弹 6 CN 111588600 A 说　明　书 4/6 页 簧、27—左旋丝杠螺母、28—丝杠支撑座、29—右旋丝杠螺母、30—光轴、31—第一小径滚珠 轴承、32—外法兰盘、33—内法兰盘、34—第二小径滚珠轴承、35—推力滚针轴承、36—蜗杆 支撑座、37—绝对式编码器、38—第三小径滚珠轴承、39—蜗杆轴、40—关节盘、41—凸轮盘 导向部、42—弧形齿条。