一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼

1.本实用新型涉及可穿戴设备技术领域，具体涉及一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼。

背景技术：

2.外骨骼一种能够穿戴在人体上的结构，它能够把人体做出的行为和机械系统的动能紧密联系起来，与此同时，为人提供需要的额外动力，进而增强人体运动机能；外骨骼根据穿戴部位的不同分为上肢外骨骼和下肢外骨骼，上肢外骨骼穿戴在人体上肢，主要为人体上肢的搬运提供助力，下肢外骨骼穿戴在人体的下肢，主要为人体下肢的运动提供助力。
3.下肢外骨骼根据穿戴部位的不同又可以分为膝关节外骨骼、踝关节外骨骼等，现有技术中的膝关节外骨骼主要是用于对人体膝关节的运动提供助力，如在军事领域，膝关节外骨骼可以通过对军人运动过程中的膝关节提供助力，以增长徒步行走距离，提升负重能力，又如在医疗领域，膝关节外骨骼可以用于患者的步态康复训练，提高康复效果，在助老助残领域，膝关节外骨骼可以用于残疾人的辅助行走、以及帮助老年人恢复行走能力。
4.现有技术中的下肢外骨骼主要集中在对膝关节提供运动助力方面的研究，而通过对人体膝关节运动过程的研究发现，在人体行走过程中，人体膝关节的运动分为伸膝过程和屈膝过程，在人体膝关节的伸膝过程中存在一部分多余的能量以冲击（或摩擦）的形式作用在膝关节上，该能量称为膝关节负功（以下简称负功），现有技术中的下肢外骨骼一般都没有对该部分负功进行回收利用，这样一方面造成了该部分负功的能量浪费，另一方面该部分负功的存在也会对人体膝关节造成冲击，进而使得膝关节产生损伤。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是：如何提供一种能够对人体伸膝过程产生的负功进行回收利用，同时减轻对人体膝关节冲击的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，包括大腿组件、小腿组件、发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件；
8.所述大腿组件用于与人体大腿连接，所述小腿组件用于与人体小腿连接，所述拉线轮组件与所述小腿组件连接，且所述拉线轮组件通过第一轴向转动件与所述大腿组件转到连接，以使得人体小腿相对大腿前后摆动时，所述小腿组件能够带动所述拉线轮组件绕所述大腿组件转动，所述齿轮系组件转到连接在所述大腿组件上，且所述齿轮系组件与所述拉线轮组件之间通过连接拉线进行连接，以使得所述拉线轮组件相对所述大腿组件转动时，所述拉线轮组件通过所述连接拉线带动所述齿轮系组件绕所述大腿组件转动，所述发电组件包括发电机、以及套设在所述发电机的转轴上的输出齿轮，且所述输出齿轮与所述齿轮系组件啮合，以使得所述齿轮系组件绕所述大腿组件转动时，所述齿轮系组件带动所
述输出齿轮转动。
9.在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向，且本方案中各零件的正向转动方向均为伸膝运动时各零件对应的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。
10.本实用新型的工作原理是：本实用新型的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼在使用时，首先通过大腿组件和小腿组件将其穿戴在人体下肢。
11.在伸膝过程中，人体小腿相对大腿向前摆动，人体小腿带动小腿组件向前摆动，小腿组件向前摆动时将带动拉线轮组件通过第一轴向转动件绕大腿组件转动，拉线轮组件在绕大腿组件转动时，进一步通过连接拉线带动齿轮系组件绕大腿组件转动，齿轮系组件转动时将带动与其啮合的输出齿轮转动，输出齿轮转动时则带动发电机的转轴转动，发电机的转轴转动使得发电机工作输出电能，由此实现利用膝关节伸膝过程中的负功进行发电的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用；同时，由于本方案对膝关节伸膝过程中的负功进行捕捉并进行发电，由此也就减少了伸膝过程中产生的负功对人体膝关节的冲击，起到了对膝关节进行保护的作用。综上，本方案能够对人体伸膝过程中的负功进行回收利用，同时能够减轻对人体膝关节的冲击。
12.优选的，所述齿轮系组件包括传动齿轮、第一拉线轮、以及沿轴向设置的齿轮轴，所述齿轮轴与所述大腿组件转动连接，所述传动齿轮与所述齿轮轴固定连接，所述第一拉线轮通过单向轴承连接在所述齿轮轴上，以使得所述第一拉线轮正向转动时能够通过所述单向轴承带动所述齿轮轴转动，所述第一拉线轮反向转动时能够相对所述单向轴承自由转动，在所述第一拉线轮上开设有第一凹槽，所述连接拉线套设在所述第一凹槽上。
13.这样，当伸膝过程中，拉线轮组件通过拉线带动第一拉线轮正向转动，此时第一拉线轮和单向轴承处于锁止状态，第一拉线轮通过单向轴承带动齿轮轴转动，齿轮轴转动再进一步带动传动齿轮转动，传动齿轮再带动与其啮合的输出齿轮转动，输出齿轮带动发电机的转轴转动，此时发电机转动并发出电能；而在屈膝过程中，拉线轮组件通过连接拉线带动第一拉线轮反向转动，此时第一拉线轮和单向轴承处于相对分离状态，第一拉线轮可以相对单向轴承自由转动，故此时第一拉线轮的运动不会通过单向轴承传递到齿轮轴，齿轮轴和传动齿轮将处于静止状态，发电机不输出电能，以减小屈膝过程中的阻力。综上，本方案实现了将拉线轮组件的动力进行单向传递的目的，使得发电机输出单向电能。
14.优选的，所述拉线轮组件包括第二拉线轮，所述第二拉线轮与所述第一轴向转动件固定连接，在所述第二拉线轮上开设有第二凹槽，所述连接拉线套设在所述第二凹槽上。
15.这样，伸膝运动时，小腿组件带动第二拉线轮和第一轴向转动件绕大腿组件转动，第二拉线轮再通过套设在第二凹槽上的连接拉线带动第一拉线轮正向转动。
16.优选的，所述第二拉线轮的直径大于所述第一拉线轮的直径，所述传动齿轮的直径大于所述第一拉线轮的直径，且所述传动齿轮的直径大于所述输出齿轮的直径。
17.这样，第二拉线轮的直径大于第一拉线轮的直径，使得第一拉线轮的转动速度将大于第二拉线轮的转动速度，而传动齿轮的直径大于第一拉线轮和输出齿轮的直径，通过传动齿轮的作用可以将第一拉线轮的转动速度进一步放大后传递给输出齿轮，这样就使得输出齿轮的转动速度将远大于第二拉线轮的转动速度，由此也使得发电机转轴的转动速度
也远大于第二拉线轮的转动速度，从而实现将小腿相对于大腿的低频运动转化为发电机轴的高频转动的目的，提高发电机的发电效能。
18.优选的，在所述第一轴向转动件上还套设有卷簧，所述卷簧的内端与所述第二拉线轮固定连接，且所述卷簧的外端与所述大腿组件固定连接，以使得所述卷簧在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位。
19.这样，当伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，小腿组件带动第二拉线轮绕大腿组件向前转动，由于卷簧的内端与第二拉线轮固定连接，外端与大腿组件固定连接，故此时卷簧将被压缩并存储弹性势能，因此在伸膝过程中，由于卷簧被压缩，故卷簧将对小腿的下落提供阻力，可以使得作用在膝关节上的负功降低，进而通过卷簧的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节进行保护的目的。卷簧的转过角度与弹性势能为二次函数关系，预紧量越大，转动相同角度的弹性势能增量越大。
20.同时，在屈膝时，人体小腿将相对大腿向后摆动，此时第二拉线轮绕大腿组件向后转动，由于卷簧在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。因此，本方案利用伸膝时卷簧的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。
21.优选的，所述小腿组件包括小腿臂连接扣和连接取放部件，所述小腿臂连接扣上开设有第一卡扣孔，所述连接取放部件包括卡扣盖、卡扣底座、第一旋转扣和第一扭簧，所述卡扣盖与所述卡扣底座固定连接，在所述卡扣底座上沿纵向方向设有第一连接轴，所述第一旋转扣和所述第一扭簧同轴套设在所述第一连接轴上，且所述第一旋转扣转动连接在所述第一连接轴上，所述第一扭簧的两端分别连接在所述第一旋转扣和所述第一连接轴上，在所述卡扣盖上还开设有第二卡扣孔，所述第一旋转扣的一端卡接在所述第二卡扣孔内，且所述第一旋转扣的另一端能够伸入或退出所述第一卡扣孔。
22.这样，当需要实现小腿组件和大腿组件的分离时，按压第一旋转扣，使得第一旋转扣绕第一连接轴转动到退出第一卡扣孔的位置，此时将连接取放部件与小腿臂连接扣之间分离，进而实现大腿组件和小腿组件的分离；当需要实现大腿组件和小腿组件的连接时，按压第一旋转扣以让出第一卡扣孔的位置，此时第一扭簧将处于压缩状态，将第一卡扣孔移动到与第一旋转扣对应的位置，然后松开第一旋转扣，第一扭簧复位，第一扭簧带动第一旋转扣复位并伸入到第一卡扣孔内，同时第一扭簧也能使得第一旋转扣保持伸入到第一卡扣孔内，由此实现大腿组件和小腿组件的连接。因此通过连接取放部件的设计可以方便的实现大腿组件和小腿组件之间的连接和分离，便于穿戴。
23.优选的，所述小腿组件还包括小腿旋转块，所述小腿旋转块与所述第二拉线轮通过第一纵向转动件转动连接，所述小腿旋转块远离其连接所述第二拉线轮的一端通过第二纵向转动件与所述小腿臂连接扣转动连接。
24.这样，小腿旋转块与第二拉线轮通过第一纵向转动件转动连接，小腿旋转块远离其连接第二拉线轮的一端通过第二纵向转动件与小腿臂连接扣转动连接，这样可以更加便于贴合膝关节的运动，提高穿戴的舒适性。
25.优选的，所述小腿组件还包括小腿调节部件，所述小腿调节部件包括小腿护板结、
小腿护板盖、第二旋转扣和第二扭簧，所述小腿护板结和所述小腿护板盖固定连接，在所述小腿护板结上设有小腿绑缚件，在所述小腿护板结上沿纵向方向设有第二连接轴，所述第二旋转扣和所述第二扭簧同轴套设在所述第二连接轴上，且所述第二旋转扣转动连接在所述第二连接轴上，所述第二扭簧的两端分别连接在所述第二旋转扣和所述第二连接轴上，在所述卡扣底座靠近所述小腿护板结的一端沿竖向方向开设有多个第三卡扣孔，在所述小腿护板盖上开设有第四卡扣孔，所述第二旋转扣的一端卡接在所述第四卡扣孔内，所述第二旋转扣的另一端能够伸入或退出所述第三卡扣孔。
26.这样，小腿调节部件可以实现整个小腿组件长度的灵活调节，进而适应不同升高和体型的人穿戴。当需要调节时，通过按压第二旋转扣，使得第二旋转扣从第三卡扣孔内退出，然后移动小腿护板结，使得小腿护板结移动到不同位置的第三卡扣孔处，当小腿护板结移动到对应位置的第三卡扣孔后，松开第二旋转扣，在第二扭簧的作用下，第二旋转扣复位并伸入到对应位置的第三卡扣孔内，实现小腿调节部件和卡扣底座之间的连接；具体使用时，由于在卡扣底座上沿竖向方向开设有多个第三卡扣孔，因此当需要调节小腿组件使其具有不同的长度时，将小腿护板结移动到对应位置的第三卡扣孔处即可，由此通过小腿调节部件实现整个小腿组件长度的灵活调节，提高不同人穿戴的舒适性。
27.优选的，所述大腿组件包括大腿护板和大腿护盖，所述大腿护板和所述大腿护盖固定连接，且所述大腿护板和所述大腿护盖之间形成容置空间，所述发电组件、所述齿轮系组件和所述拉线轮组件均位于所述大腿护板和所述大腿护盖形成的容置空间。
28.这样，通过将发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件设置在大腿护板和大腿护盖形成的容置空间内，可以起到对发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件的保护作用。
29.优选的，所述大腿护板的纵向两侧均通过第一竖向转动件转动连接有大腿绑缚件，以使得所述大腿绑缚件能够绕所述大腿护板转动，且两个所述大腿绑缚件能够连接在一起并与所述大腿护板共同形成用于容纳人体大腿的空间；
30.在所述小腿护板结的纵向两侧均通过第二竖向转动件转动连接有小腿绑缚件，以使得所述小腿绑缚件能够绕所述小腿护板结转动，且两个所述小腿绑缚件能够连接在一起并与所述卡扣底座共同形成用于容纳人体小腿的空间。
31.这样，当不同身高和体型的人穿戴该外骨骼时，通过大腿绑缚件绕大腿护板的转动、小腿绑缚件绕小腿护板结的转动，可以灵活调节用于容纳人体大腿和小腿空间的大小，以更好的适应不同人体的穿戴需求，提高穿戴舒适性。
32.优选的，所述齿轮轴的两端分别通过第一轴承和第二轴承转动连接在所述大腿护板和所述大腿护盖上，所述第一轴向转动件两端分别通过第三轴承和第四轴承转动连接在所述大腿护板和所述大腿护盖上。
33.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
34.1、本方案在伸膝过程即膝关节做负功阶段，收集负功并将其转换为卷簧的弹性势能、发电机的电能和能量传递过程中的损耗，实现了对负功进行回收利用和减轻对人体膝关节冲击的目的；而在屈膝过程中，卷簧的弹性势能又辅助膝关节的屈膝运动，由此本方案的外骨骼在行走过程中不断重复此过程实现了能量回收和助力的效果。
35.2、本方案减轻了行走过程中的能量消耗，收集行走过程的负功，通过特定机械结构将负功转化为可供电子设备使用的电能，设计带有能量回收装置的下肢外骨骼，收集人
体下肢动能，通过重新分配膝关节的扭矩来回收人体动能，辅助人体行走。转化的电能能够解决户外低功耗电子设备的用电问题，可以应用于抢险救灾、登山探险等户外活动中。
36.3、本方案穿戴方便舒适，适合在户外活动中随身携带。
37.4、本方案不需要刻意花费人力和时间就可以实现电能的补充。
38.5、本方案通过单向轴承等的作用，能够将膝关节的往复运动转化为适合发电的单向运动。
附图说明
39.图1为本实用新型下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼的结构示意图；
40.图2为本实用新型下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼去除大腿护盖后的结构示意图；
41.图3为本实用新型下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼中大腿组件、发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件的爆炸示意图；
42.图4为本实用新型下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼中小腿组件的爆炸示意图。
43.附图标记说明：大腿护板1、大腿护盖2、大腿绑缚件3、小腿旋转块4、小腿臂连接扣5、卡扣底座6、第三卡扣孔601、卡扣盖7、第二卡扣孔701、第一旋转扣8、小腿护板结9、小腿护板盖10、第二旋转扣11、小腿绑缚件12、发电机13、输出齿轮14、传动齿轮15、第一拉线轮16、连接拉线17、第二拉线轮18、齿轮轴19、单向轴承20、第一轴向转动件21、卷簧22、第一扭簧23、第二扭簧24。
具体实施方式
44.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
45.本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
46.如附图1到附图4所示，一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，包括大腿组件、小腿组件、发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件；
47.大腿组件用于与人体大腿连接，小腿组件用于与人体小腿连接，拉线轮组件与小
腿组件连接，且拉线轮组件通过第一轴向转动件21与大腿组件转到连接，以使得人体小腿相对大腿前后摆动时，小腿组件能够带动拉线轮组件绕大腿组件转动，齿轮系组件转到连接在大腿组件上，且齿轮系组件与拉线轮组件之间通过连接拉线17进行连接，以使得拉线轮组件相对大腿组件转动时，拉线轮组件通过连接拉线17带动齿轮系组件绕大腿组件转动，发电组件包括发电机13、以及套设在发电机13的转轴上的输出齿轮14，且输出齿轮14与齿轮系组件啮合，以使得齿轮系组件绕大腿组件转动时，齿轮系组件带动输出齿轮14转动。
48.在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向，且本方案中各零件的正向转动方向均为伸膝运动时各零件对应的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。
49.本实用新型的工作原理是：本实用新型的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼在使用时，首先通过大腿组件和小腿组件将其穿戴在人体下肢。
50.在伸膝过程中，人体小腿相对大腿向前摆动，人体小腿带动小腿组件向前摆动，小腿组件向前摆动时将带动拉线轮组件通过第一轴向转动件21绕大腿组件转动，拉线轮组件在绕大腿组件转动时，进一步通过连接拉线17带动齿轮系组件绕大腿组件转动，齿轮系组件转动时将带动与其啮合的输出齿轮14转动，输出齿轮14转动时则带动发电机13的转轴转动，发电机13的转轴转动使得发电机13工作输出电能，由此实现利用膝关节伸膝过程中的负功进行发电的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用；同时，由于本方案对膝关节伸膝过程中的负功进行捕捉并进行发电，由此也就减少了伸膝过程中产生的负功对人体膝关节的冲击，起到了对膝关节进行保护的作用。综上，本方案能够对人体伸膝过程中的负功进行回收利用，同时能够减轻对人体膝关节的冲击。
51.在本实施例中，齿轮系组件包括传动齿轮15、第一拉线轮16、以及沿轴向设置的齿轮轴19，齿轮轴19与大腿组件转动连接，传动齿轮15与齿轮轴19固定连接，第一拉线轮16通过单向轴承20连接在齿轮轴19上，以使得第一拉线轮16正向转动时能够通过单向轴承20带动齿轮轴19转动，第一拉线轮16反向转动时能够相对单向轴承20自由转动，在第一拉线轮16上开设有第一凹槽，连接拉线17套设在第一凹槽上。
52.这样，当伸膝过程中，拉线轮组件通过拉线带动第一拉线轮16正向转动，此时第一拉线轮16和单向轴承20处于锁止状态，第一拉线轮16通过单向轴承20带动齿轮轴19转动，齿轮轴19转动再进一步带动传动齿轮15转动，传动齿轮15再带动与其啮合的输出齿轮14转动，输出齿轮14带动发电机13的转轴转动，此时发电机13转动并发出电能；而在屈膝过程中，拉线轮组件通过连接拉线17带动第一拉线轮16反向转动，此时第一拉线轮16和单向轴承20处于相对分离状态，第一拉线轮16可以相对单向轴承20自由转动，故此时第一拉线轮16的运动不会通过单向轴承20传递到齿轮轴19，齿轮轴19和传动齿轮15将处于静止状态，发电机13不输出电能，以减小屈膝过程中的阻力。综上，本方案实现了将拉线轮组件的动力进行单向传递的目的，使得发电机13输出单向电能。
53.在本实施例中，拉线轮组件包括第二拉线轮18，第二拉线轮18与第一轴向转动件21固定连接，在第二拉线轮18上开设有第二凹槽，连接拉线17套设在第二凹槽上。
54.这样，伸膝运动时，小腿组件带动第二拉线轮18和第一轴向转动件21绕大腿组件转动，第二拉线轮18再通过套设在第二凹槽上的连接拉线17带动第一拉线轮16正向转动。
55.在本实施例中，第二拉线轮18的直径大于第一拉线轮16的直径，传动齿轮15的直径大于第一拉线轮16的直径，且传动齿轮15的直径大于输出齿轮14的直径。
56.这样，第二拉线轮18的直径大于第一拉线轮16的直径，使得第一拉线轮16的转动速度将大于第二拉线轮18的转动速度，而传动齿轮15的直径大于第一拉线轮16和输出齿轮14的直径，通过传动齿轮15的作用可以将第一拉线轮16的转动速度进一步放大后传递给输出齿轮14，这样就使得输出齿轮14的转动速度将远大于第二拉线轮18的转动速度，由此也使得发电机13转轴的转动速度也远大于第二拉线轮18的转动速度，从而实现将小腿相对于大腿的低频运动转化为发电机13轴的高频转动的目的，提高发电机13的发电效能。
57.在本实施例中，在第一轴向转动件21上还套设有卷簧22，卷簧22的内端与第二拉线轮18固定连接，且卷簧22的外端与大腿组件固定连接，以使得卷簧22在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位。
58.这样，当伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，小腿组件带动第二拉线轮18绕大腿组件向前转动，由于卷簧22的内端与第二拉线轮18固定连接，外端与大腿组件固定连接，故此时卷簧22将被压缩并存储弹性势能，因此在伸膝过程中，由于卷簧22被压缩，故卷簧22将对小腿的下落提供阻力，可以使得作用在膝关节上的负功降低，进而通过卷簧22的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节进行保护的目的。卷簧22的转过角度与弹性势能为二次函数关系，预紧量越大，转动相同角度的弹性势能增量越大。
59.同时，在屈膝时，人体小腿将相对大腿向后摆动，此时第二拉线轮18绕大腿组件向后转动，由于卷簧22在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧22储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。因此，本方案利用伸膝时卷簧22的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。
60.在本实施例中，小腿组件包括小腿臂连接扣5和连接取放部件，小腿臂连接扣5上开设有第一卡扣孔，连接取放部件包括卡扣盖7、卡扣底座6、第一旋转扣8和第一扭簧23，卡扣盖7与卡扣底座6固定连接，在卡扣底座6上沿纵向方向设有第一连接轴，第一旋转扣8和第一扭簧23同轴套设在第一连接轴上，且第一旋转扣转动连接在第一连接轴上，第一扭簧23的两端分别连接在第一旋转扣8和第一连接轴上，在卡扣盖7上还开设有第二卡扣孔701，第一旋转扣8的一端卡接在第二卡扣孔701内，且第一旋转扣8的另一端能够伸入或退出第一卡扣孔。
61.这样，当需要实现小腿组件和大腿组件的分离时，按压第一旋转扣8，使得第一旋转扣8绕第一连接轴转动到退出第一卡扣孔的位置，此时将连接取放部件与小腿臂连接扣5之间分离，进而实现大腿组件和小腿组件的分离；当需要实现大腿组件和小腿组件的连接时，按压第一旋转扣8以让出第一卡扣孔的位置，此时第一扭簧23将处于压缩状态，将第一卡扣孔移动到与第一旋转扣8对应的位置，然后松开第一旋转扣8，第一扭簧23复位，第一扭簧23带动第一旋转扣8复位并伸入到第一卡扣孔内，同时第一扭簧23也能使得第一旋转扣8保持伸入到第一卡扣孔内，由此实现大腿组件和小腿组件的连接。因此通过连接取放部件的设计可以方便的实现大腿组件和小腿组件之间的连接和分离，便于穿戴。
62.在本实施例中，小腿组件还包括小腿旋转块4，小腿旋转块4与第二拉线轮18通过
第一纵向转动件转动连接，小腿旋转块4远离其连接第二拉线轮18的一端通过第二纵向转动件与小腿臂连接扣5转动连接。
63.这样，小腿旋转块4与第二拉线轮18通过第一纵向转动件转动连接，小腿旋转块4远离其连接第二拉线轮18的一端通过第二纵向转动件与小腿臂连接扣5转动连接，这样可以更加便于贴合膝关节的运动，提高穿戴的舒适性。
64.在本实施例中，小腿组件还包括小腿调节部件，小腿调节部件包括小腿护板结9、小腿护板盖10、第二旋转扣11和第二扭簧24，小腿护板结9和小腿护板盖10固定连接，在小腿护板结9上设有小腿绑缚件12，在小腿护板结9上沿纵向方向设有第二连接轴，第二旋转扣11和第二扭簧24同轴套设在第二连接轴上，且第二旋转扣11转动连接在第二连接轴上，第二扭簧24的两端分别连接在第二旋转扣11和第二连接轴上，在卡扣底座6靠近小腿护板结9的一端沿竖向方向开设有多个第三卡扣孔601，在小腿护板盖10上开设有第四卡扣孔，第二旋转扣11的一端卡接在第四卡扣孔内，第二旋转扣11的另一端能够伸入或退出第三卡扣孔601。
65.这样，小腿调节部件可以实现整个小腿组件长度的灵活调节，进而适应不同升高和体型的人穿戴。当需要调节时，通过按压第二旋转扣11，使得第二旋转扣11从第三卡扣孔601内退出，然后移动小腿护板结9，使得小腿护板结9移动到不同位置的第三卡扣孔601处，当小腿护板结9移动到对应位置的第三卡扣孔601后，松开第二旋转扣11，在第二扭簧24的作用下，第二旋转扣11复位并伸入到对应位置的第三卡扣孔601内，实现小腿调节部件和卡扣底座6之间的连接；具体使用时，由于在卡扣底座6上沿竖向方向开设有多个第三卡扣孔601，因此当需要调节小腿组件使其具有不同的长度时，将小腿护板结9移动到对应位置的第三卡扣孔601处即可，由此通过小腿调节部件实现整个小腿组件长度的灵活调节，提高不同人穿戴的舒适性。
66.在本实施例中，大腿组件包括大腿护板1和大腿护盖2，大腿护板1和大腿护盖2固定连接，且大腿护板1和大腿护盖2之间形成容置空间，发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件均位于大腿护板1和大腿护盖2形成的容置空间。
67.这样，通过将发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件设置在大腿护板1和大腿护盖2形成的容置空间内，可以起到对发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件的保护作用。
68.在本实施例中，大腿护板1的纵向两侧均通过第一竖向转动件转动连接有大腿绑缚件3，以使得大腿绑缚件3能够绕大腿护板1转动，且两个大腿绑缚件3能够连接在一起并与大腿护板1共同形成用于容纳人体大腿的空间；
69.在小腿护板结9的纵向两侧均通过第二竖向转动件转动连接有小腿绑缚件12，以使得小腿绑缚件12能够绕小腿护板结9转动，且两个小腿绑缚件12能够连接在一起并与卡扣底座6共同形成用于容纳人体小腿的空间。
70.这样，当不同身高和体型的人穿戴该外骨骼时，通过大腿绑缚件3绕大腿护板1的转动、小腿绑缚件12绕小腿护板结9的转动，可以灵活调节用于容纳人体大腿和小腿空间的大小，以更好的适应不同人体的穿戴需求，提高穿戴舒适性。
71.在本实施例中，齿轮轴19的两端分别通过第一轴承和第二轴承转动连接在大腿护板1和大腿护盖2上，第一轴向转动件21两端分别通过第三轴承和第四轴承转动连接在大腿护板1和大腿护盖2上。
72.与现有技术相比，本方案在伸膝过程即膝关节做负功阶段，收集负功并将其转换为卷簧22的弹性势能、发电机13的电能和能量传递过程中的损耗，实现了对负功进行回收利用和减轻对人体膝关节冲击的目的；而在屈膝过程中，卷簧22的弹性势能又辅助膝关节的屈膝运动，由此本方案的外骨骼在行走过程中不断重复此过程实现了能量回收和助力的效果。本方案减轻了行走过程中的能量消耗，收集行走过程的负功，通过特定机械结构将负功转化为可供电子设备使用的电能，设计带有能量回收装置的下肢外骨骼，收集人体下肢动能，通过重新分配膝关节的扭矩来回收人体动能，辅助人体行走。转化的电能能够解决户外低功耗电子设备的用电问题，可以应用于抢险救灾、登山探险等户外活动中。本方案穿戴方便舒适，适合在户外活动中随身携带。本方案不需要刻意花费人力和时间就可以实现电能的补充。本方案通过单向轴承等的作用，能够将膝关节的往复运动转化为适合发电的单向运动。
73.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，包括大腿组件、小腿组件、发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件；所述大腿组件用于与人体大腿连接，所述小腿组件用于与人体小腿连接，所述拉线轮组件与所述小腿组件连接，且所述拉线轮组件通过第一轴向转动件与所述大腿组件转到连接，以使得人体小腿相对大腿前后摆动时，所述小腿组件能够带动所述拉线轮组件绕所述大腿组件转动，所述齿轮系组件转到连接在所述大腿组件上，且所述齿轮系组件与所述拉线轮组件之间通过连接拉线进行连接，以使得所述拉线轮组件相对所述大腿组件转动时，所述拉线轮组件通过所述连接拉线带动所述齿轮系组件绕所述大腿组件转动，所述发电组件包括发电机、以及套设在所述发电机的转轴上的输出齿轮，且所述输出齿轮与所述齿轮系组件啮合，以使得所述齿轮系组件绕所述大腿组件转动时，所述齿轮系组件带动所述输出齿轮转动。2.根据权利要求1所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述齿轮系组件包括传动齿轮、第一拉线轮、以及沿轴向设置的齿轮轴，所述齿轮轴与所述大腿组件转动连接，所述传动齿轮与所述齿轮轴固定连接，所述第一拉线轮通过单向轴承连接在所述齿轮轴上，以使得所述第一拉线轮正向转动时能够通过所述单向轴承带动所述齿轮轴转动，所述第一拉线轮反向转动时能够相对所述单向轴承自由转动，在所述第一拉线轮上开设有第一凹槽，所述连接拉线套设在所述第一凹槽上。3.根据权利要求2所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述拉线轮组件包括第二拉线轮，所述第二拉线轮与所述第一轴向转动件固定连接，在所述第二拉线轮上开设有第二凹槽，所述连接拉线套设在所述第二凹槽上。4.根据权利要求3所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述第二拉线轮的直径大于所述第一拉线轮的直径，所述传动齿轮的直径大于所述第一拉线轮的直径，且所述传动齿轮的直径大于所述输出齿轮的直径。5.根据权利要求3所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，在所述第一轴向转动件上还套设有卷簧，所述卷簧的内端与所述第二拉线轮固定连接，且所述卷簧的外端与所述大腿组件固定连接，以使得所述卷簧在伸膝运动时能够被压缩，并在屈膝运动时复位。6.根据权利要求5所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述小腿组件包括小腿臂连接扣和连接取放部件，所述小腿臂连接扣上开设有第一卡扣孔，所述连接取放部件包括卡扣盖、卡扣底座、第一旋转扣和第一扭簧，所述卡扣盖与所述卡扣底座固定连接，在所述卡扣底座上沿纵向方向设有第一连接轴，所述第一旋转扣和所述第一扭簧同轴套设在所述第一连接轴上，且所述第一旋转扣转动连接在所述第一连接轴上，所述第一扭簧的两端分别连接在所述第一旋转扣和所述第一连接轴上，在所述卡扣盖上还开设有第二卡扣孔，所述第一旋转扣的一端卡接在所述第二卡扣孔内，且所述第一旋转扣的另一端能够伸入或退出所述第一卡扣孔。7.根据权利要求6所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述小腿组件还包括小腿旋转块，所述小腿旋转块与所述第二拉线轮通过第一纵向转动件转动连接，所述小腿旋转块远离其连接所述第二拉线轮的一端通过第二纵向转动件与所述小腿臂连接扣转动连接。
8.根据权利要求6所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述小腿组件还包括小腿调节部件，所述小腿调节部件包括小腿护板结、小腿护板盖、第二旋转扣和第二扭簧，所述小腿护板结和所述小腿护板盖固定连接，在所述小腿护板结上设有小腿绑缚件，在所述小腿护板结上沿纵向方向设有第二连接轴，所述第二旋转扣和所述第二扭簧同轴套设在所述第二连接轴上，且所述第二旋转扣转动连接在所述第二连接轴上，所述第二扭簧的两端分别连接在所述第二旋转扣和所述第二连接轴上，在所述卡扣底座靠近所述小腿护板结的一端沿竖向方向开设有多个第三卡扣孔，在所述小腿护板盖上开设有第四卡扣孔，所述第二旋转扣的一端卡接在所述第四卡扣孔内，所述第二旋转扣的另一端能够伸入或退出所述第三卡扣孔。9.根据权利要求8所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述大腿组件包括大腿护板和大腿护盖，所述大腿护板和所述大腿护盖固定连接，且所述大腿护板和所述大腿护盖之间形成容置空间，所述发电组件、所述齿轮系组件和所述拉线轮组件均位于所述大腿护板和所述大腿护盖形成的容置空间。10.根据权利要求9所述的下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，其特征在于，所述大腿护板的纵向两侧均通过第一竖向转动件转动连接有大腿绑缚件，以使得所述大腿绑缚件能够绕所述大腿护板转动，且两个所述大腿绑缚件能够连接在一起并与所述大腿护板共同形成用于容纳人体大腿的空间；在所述小腿护板结的纵向两侧均通过第二竖向转动件转动连接有小腿绑缚件，以使得所述小腿绑缚件能够绕所述小腿护板结转动，且两个所述小腿绑缚件能够连接在一起并与所述卡扣底座共同形成用于容纳人体小腿的空间。

技术总结

本实用新型公开了一种下肢膝关节运动能量回收助力外骨骼，包括大腿组件、小腿组件、发电组件、齿轮系组件和拉线轮组件；拉线轮组件通过第一轴向转动件与大腿组件转到连接，齿轮系组件转到连接在大腿组件上，且齿轮系组件与拉线轮组件之间通过连接拉线进行连接，发电组件包括发电机、以及套设在发电机的转轴上的输出齿轮，且输出齿轮与齿轮系组件啮合。本方案设计带有能量回收装置的下肢外骨骼，收集人体下肢动能，通过重新分配膝关节的扭矩来回收人体动能，辅助人体行走，转化的电能能够解决户外低功耗电子设备的用电问题，可以应用于抢险救灾、登山探险等户外活动中。登山探险等户外活动中。登山探险等户外活动中。