一種背包內嵌式無動力機械外骨骼的製作方法
2023-05-04 00:58:41 1
專利名稱：一種背包內嵌式無動力機械外骨骼的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於機械結構、運動生理學技術領域，特別涉及對無動力機械外骨骼的改進設計。
背景技術：
機械外骨骼(以下簡稱外骨骼)是一套直接裝備在人體上的機械裝置，通常包含上肢結構和下肢結構。使用者將其穿戴在身上後，外骨骼可以起到支撐人體或負載重量以及輔助人體運動的作用。因其好似人體外部的骨骼，因此稱之為機械外骨骼。外骨骼按其工作方式是否使用能源，可分為有動力外骨骼和無動力外骨骼。兩者在系統構成方面的異同在於兩者都有類似的上下肢機械結構，但有動力外骨骼還使用電池供電，且有氣動、液壓驅動或者電機驅動的執行機構，而無動力外骨骼不使用電池以及上述三種驅動方式，是純機械結構。在功能方面，兩種類型的外骨骼依靠類似的上下肢機械結構，都能起到支撐背負重物，為肩膀減負的功能。但有動力外骨骼還能通過由電源驅動的執行機構帶動人體腿部的擺動，達到腿部助力的功能，無動力外骨骼由於沒有電源和執行機構，因此無法實現腿部助力的功能。總而言之，無動力外骨骼是有動力外骨骼的簡化版。通過網絡搜索，找到了與本技術方案最接近的一個方案「卸力背包架」，發明人歐陽俊，來源BTV青少頻道《北京青年》欄目2009年12月報導、《京華時報》2009年11月報導。這個方案是純機械結構的外骨骼，沒有電源和執行機構，故屬於無動力外骨骼。這套外骨骼的上肢結構是一個帶有兩根背帶的支撐架，使用者可以將其背在肩膀上，從而將上肢結構固定在使用者的背部，而後再將任意的裝有大量重物的外置背包掛在該支撐架上。下肢結構由四根金屬杆和兩個鞋底構成，金屬杆兩兩一對，兩桿的長度分別和人的大小腿相近，稱為大腿金屬杆和小腿金屬杆，兩桿頭尾相連且中間連接處用螺栓連接，可以轉動。兩桿中部分別用綑紮帶和使用者的大小腿綁住，使得金屬杆固定在人的腿部，隨著人腿部的運動而運動。小腿金屬杆底端和鞋底相連，使用者的腳部(穿著鞋子)踩在這個鞋底上，鞋底上有綑紮帶用於固定使用者的腳部。上肢結構的底端和大腿金屬杆的頂部利用橫杆和螺栓連接。該技術方案有兩個不足1)從功能上講，該方案能夠通過機械結構實現支撐外置背包負重，減輕肩膀受力的功能，但由於其是無動力外骨骼，無法實現輔助腿部運動的助力功能，這也是所有無動力外骨骼的通病。2)從結構上來說，該方案上肢結構中的支撐架和背帶與外置背包存在冗餘性，導致結構比較複雜，不夠輕便。
實用新型內容本實用新型的目是為克服已有技術的不足之處，設計了一種背包內嵌式無動力機械外骨骼，能在保持無動力的條件下，像有動力外骨骼一樣兼具肩膀減負和腿部助力功能。 並且將外置背包和上肢結構合二為一，具有整體結構簡單，體積小，便於攜帶的優點。本實用新型設計的一種背包內嵌式無動力機械外骨骼，主要由上肢結構和下肢結構所組成，其特徵在於，所述上肢結構包括有兩根背帶的雙肩背包，連接在雙肩背包內靠近背帶一側的兩個條形口袋，以及兩根上肢金屬支撐杆，該兩根上肢金屬支撐杆插入兩個條形口袋中並穿出背包的底部；所述下肢結構由相同結構的兩套下肢組成，每套下肢包括大腿金屬杆、小腿金屬杆、鞋底和綑紮帶，以及將大腿金屬杆、小腿金屬杆、鞋底依次連接成一體的連接件；還包括連接在上肢結構和下肢結構之間的兩根軟管。所述每套下肢還可包括一段彈簧，該彈簧的兩端分別固定在大腿金屬杆和小腿金屬杆的中部。所述連接件可包括將大腿金屬杆和小腿金屬杆連接在一起的膝蓋處螺栓和將鞋底連接在小腿金屬杆底部的腳踝處螺栓。所述綑紮帶可包括連接在大腿金屬杆上的腿部綑紮帶和連接在鞋底上的足部綑紮帶。本實用新型的特點及效果傳統的外骨骼使用時需額外的外置背包來裝載物品，而後掛在外骨骼的上肢結構上。而在本設計中，支撐杆內嵌在背包中，因此上肢結構和背包合二為一，使用時無需外置背包，結構更簡潔，更具有便捷性。在上述結構的基礎上，還可通過彈簧結構，將被動行走原理應用到無動力外骨骼中，實現了有動力外骨骼中才有的腿部助力功能。
圖1為本實用新型的結構側面示意圖。圖2為本實用新型的結構正面示意圖。圖3為使用本實用新型時腿部彈簧壓縮和伸長的示意圖。
具體實施方式
本實用新型設計的一種背包內嵌式無動力機械外骨骼結合附圖及實施例詳細說明如下本實用新型主要由上肢結構和下肢結構所組成，如圖1、2所示，上肢結構包括有兩根背帶2的雙肩背包1、兩個條形口袋3、上肢金屬支撐杆4 ；下肢結構包括大腿金屬杆6、 腿部綑紮帶7、膝蓋處螺栓8、小腿金屬杆9、彈簧10、腳踝處螺栓11、足部綑紮帶12和足型橡膠鞋底13，以及連接上肢結構和下肢結構的軟管5 ；上肢結構中兩個條形口袋3縫製在雙肩背包1內靠近背帶2 —側，該條形口袋上端封住，下端開口，該條形口袋下埠下的背包底部開有兩個洞；上肢支撐金屬杆塞入其中，並且上肢支撐杆的下端伸出洞口(可伸出約 5cm)。下肢結構中大腿金屬杆6和小腿金屬杆9用膝蓋處螺栓8連接，大腿金屬杆在上，小腿金屬杆在下，形成兩對大小腿金屬杆；腿部綑紮帶7連接在大腿金屬杆底部，用於與人的膝蓋固定；兩根彈簧10的兩端分別固定在兩根大腿金屬杆和小腿金屬杆的中部，使用時彈簧可根據人腿邁步情況進行壓縮和伸長，如圖3所示；兩個橡膠鞋底13 (可採用足型形狀) 分別與小腿金屬杆的底部用腳踝處螺栓11相連，鞋底上連有足部綑紮帶12，用於固定使用者的腳部。上肢結構位於下肢結構的上方，軟管5 (可採用S型柔性金屬編織軟管)的兩端分別套接在上肢結構中兩根支撐金屬杆的底端和大腿金屬杆的頂端。[0019]本實用新型的工作原理及效果說明如下1)肩膀減負——在背包中放入大量物品，產生較大的負重。在重力作用下，背包會下墜。此時金屬支撐杆起到支撐作用，將背包往上頂。因此，物品的負重將會作用到金屬支撐杆上，導致其下壓。通過S型金屬編織軟管的傳遞，金屬支撐杆上的負重壓力傳遞到大腿金屬杆上，再往下傳遞到小腿金屬杆和鞋底。因此，物品的負重通過一層一層的傳遞直到地面，由地面提供對其的支持力，支撐了背包重量，減輕了使用者的肩膀負擔，使用者在此過程中只需保持前後平衡即可。2)腿部助力——主要基於被動行走原理。被動行走是雙足步行機器人中的一種理論，主要研究人體的行走過程和如何用機械結構模擬出這個過程。根據被動行走原理，在人體行走過程中，前腿每次著地時，會有一定衝力，這個衝力在人體負重或奔跑時會大大增加。在這個衝力的作用下，人的大小腿會摺疊彎曲。由於大腿金屬杆和小腿金屬杆固定在人的大小腿上，它們也會摺疊，連接著兩桿的彈簧會在衝力的作用下壓縮儲能。當該腿變為後腿，準備往前邁步時，就需要伸直，以提高身體重心，以重力勢能補充人體行走中消耗的動能。在腿部伸直的過程中，彈簧也同時伸長，與腿部肌肉同時釋放能量，此時正是人體運動需要補充能量的時候，因此彈簧在這個最需要能量的時候補充了能量，減少了使用者的腿部肌肉在這方面的能量消耗，相當於代替了一部分腿部肌肉的作用，從而實現了腿部助力功能。直觀上講，腿部助力的效果是使用者在行走時，腿部肌肉的發力減小，感覺更加輕鬆。彈簧的作用除了腿部助力外，也能起到緩衝器的作用，減小了人體膝蓋受到的壓力。
權利要求1.一種背包內嵌式無動力機械外骨骼，主要由上肢結構和下肢結構所組成，其特徵在於，所述上肢結構包括有兩根背帶的雙肩背包，連接在雙肩背包內靠近背帶一側的兩個條形口袋，以及兩根上肢金屬支撐杆，該兩根上肢金屬支撐杆插入兩個條形口袋中並穿出背包的底部；所述下肢結構由相同結構的兩套下肢組成，每套下肢包括大腿金屬杆、小腿金屬杆、鞋底和綑紮帶，以及將大腿金屬杆、小腿金屬杆、鞋底依次連接成一體的連接件；還包括連接在上肢結構和下肢結構之間的兩根軟管。
2.如權利要求1所述的無動力機械外骨骼，其特徵在於，所述每套下肢還包括一段彈簧，該彈簧的兩端分別固定在大腿金屬杆和小腿金屬杆的中部。
3.如權利要求1所述的無動力機械外骨骼，其特徵在於，所述連接件包括將大腿金屬杆和小腿金屬杆連接在一起的膝蓋處螺栓和將鞋底連接在小腿金屬杆底部的腳踝處螺栓。
4.如權利要求1所述的無動力機械外骨骼，其特徵在於，所述綑紮帶包括連接在大腿金屬杆上的腿部綑紮帶和連接在鞋底上的足部綑紮帶。
專利摘要本實用新型涉及一種背包內嵌式無動力機械外骨骼，屬於機械結構、運動生理學技術領域，由上肢結構和下肢結構所組成，上肢結構包括有兩根背帶的雙肩背包，連接在雙肩背包內靠近背帶一側的兩個條形口袋，以及插入兩個條形口袋中並穿出背包的底部的兩根上肢金屬支撐杆；下肢結構由相同結構的兩套下肢組成，每套下肢包括大腿金屬杆、小腿金屬杆、鞋底和綑紮帶，以及將大腿金屬杆、小腿金屬杆、鞋底依次連接成一體的連接件；還包括連接在上肢結構和下肢結構之間的兩根軟管。本實用新型能在保持無動力的條件下，像有動力外骨骼一樣兼具肩膀減負和腿部助力功能。並且將外置背包和上肢結構合二為一，具有整體結構簡單，體積小，便於攜帶的優點。
文檔編號A45F3/08GK202036370SQ20112009118
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者徐迪 申請人:徐迪