CN109318215B - 腰部外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

腰部外骨骼机器人，包括背部支撑装置、髋部连接装置、腿部储能装置及顶腿装置，背部支撑装置与髋部连接装置中部固定连接，髋部连接装置的两端部与腿部储能装置固定连接，腿部储能装置与顶腿装置固定连接，背部支撑装置可贴合地穿戴于人体的背部，极大地改善了人体穿戴的舒适性，穿戴步骤简单，操作简单快捷，腿部储能装置采用曲柄滑块机构结合弹簧的设计方式，完成对用户穿戴外骨骼弯腰时的能量储存后，当人体从弯腰状态向站立状态转换时，弹簧储存的能量能够逆向地经过曲柄滑块机构传递到背部支撑装置，结构简单且助力效果佳，顶腿装置可以很好地贴合于人体的大腿，保证用户穿戴的舒适性，具有结构精简、灵活性高的特点。

Description

腰部外骨骼机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种腰部外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种仿人体的生理构造、可穿戴，且协同穿戴者运动的同时辅助穿戴者的机械装置。随着科学技术的发展，外骨骼机器人在军事和民用等领域有着更加广阔的应用前景，已经成为当前各国在机器人领域的研究重点。

现有的腰部外骨骼机器人采用胸部支撑装置的形式，即将支撑装置放置在人体的胸前，这种设计方式导致用户穿戴腰部外骨骼工作时，胸部受到较大的挤压力，穿戴的舒适性较差，运动的灵活性较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种腰部外骨骼机器人，能够很大程度地改善人体穿戴外骨骼后的舒适性，提高运动的灵活性，具有结构精简、灵活性高、穿戴舒适且简单快捷的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

腰部外骨骼机器人，包括背部支撑装置、髋部连接装置、腿部储能装置及顶腿装置，背部支撑装置与髋部连接装置中部固定连接，髋部连接装置的两端部与腿部储能装置铰接，腿部储能装置与顶腿装置固定连接；

所述背部支撑装置包括符合人体工学的背板，两根背带的端部分别固定在背板的内侧面，两根背带之间固定连接有带卡扣的腰带，背板的外侧面下部固定有背部伸缩外杆固定块，背部伸缩外杆穿过背部伸缩外杆固定块内部固定，可伸缩的背部伸缩内杆的一端***背部伸缩外杆内，另一端与髋部连接装置的髋部上接头固定连接；

所述髋部连接装置包括髋部上接头，髋部上接头与髋部伸缩内杆固定连接，髋部伸缩外杆套在髋部伸缩内杆上，髋部伸缩外杆与髋部下接头的一端固定连接，髋部下接头的另一端与腿部储能装置的腿部连接杆铰接；

所述腿部储能装置包括绑带，绑带的两端固定在内侧板上形成筒状，内侧板、外侧板、底板、外壳上、外壳下固定连接构成盒体，腿部连接杆与位于盒体内的曲柄固定连接，曲柄与圆柱销、连杆铰接，圆柱销的两端分别与外侧板、内侧板连接，连杆与滑块铰接，滑块下方固结有弹簧限位块，滑块和弹簧限位块套在导杆上并与其滑动连接，弹簧限位块的固定连接压缩弹簧的一端，压缩弹簧的另一端固定在下固定块上，下固定块与底板固定连接，长直杆的一端与下固定块固定连接，长直杆的另一端与顶腿装置相连；

所述顶腿装置包括竖直拐杆，竖直拐杆的一端与长直杆固定连接，竖直拐杆的另一端与水平拐杆固定连接，水平拐杆与水平直杆固定连接，水平直杆固定在与人体大腿曲面相适应的腿部支撑块上。

所述背部伸缩内杆与背部伸缩外杆上均设有螺孔，背部伸缩内杆与背部伸缩外杆之间通过螺栓或者卡扣调节固结位置。

所述背板上固定有背垫。

所述髋部伸缩外杆与髋部伸缩内杆上均设有螺孔，髋部伸缩外杆与髋部伸缩内杆之间通过螺栓或者卡扣来调节固结位置。

所述外侧板与内侧板之间固定连接有用于增强结构稳定性的顶柱。

所述外侧板与内侧板之间固定连接有用于增强结构稳定性的支撑块。

所述底板固定连接有用于限制导杆的运动的上固定块。

所述长直杆、竖直拐杆、水平拐杆、水平直杆上均设有螺孔，长直杆与竖直拐杆之间、竖直拐杆与水平拐杆之间、水平拐杆与水平直杆之间均通过螺栓调节固结位置。

本发明所提供的腰部外骨骼机器人，是基于人体髋部骨骼和人体髋关节运动机理之间的关系而设计的一种腰部外骨骼机器人的仿生结构，采用依次连接的背部支撑装置、髋部连接装置、腿部储能装置及顶腿装置，各个装置之间协同运动；背部支撑装置可贴合地穿戴于人体的背部，一方面，当用户穿戴腰部外骨骼时可以像背书包一样，可以减少穿戴过程的时间，穿戴步骤简单，操作简单快捷，另一方面，与现有的胸部支撑结构相比，极大地改善了人体穿戴的舒适性；腿部储能装置采用曲柄滑块机构结合弹簧的设计方式，完成对用户穿戴外骨骼弯腰时的能量储存后，当人体从弯腰状态向站立状态转换时，弹簧储存的能量能够逆向地经过曲柄滑块机构传递到背部支撑装置，协助用户完成货物的搬运，保护人体的腰部，此设计方式的结构简单且助力效果佳；顶腿装置采用与人体大腿相适应的曲面设计，可以很好地贴合于人体的大腿，以保证用户穿戴腰部外骨骼后依然具有良好的舒适性。当用户穿戴腰部外骨骼后，向前弯腰的最大角度可以达到 90°，这样就可以保证用户穿戴腰部外骨骼后其操作空间不会受到影响，本发明所提供的腰部外骨骼机器人具有穿戴舒适、运动灵活性高、助力效果佳、结构紧凑的特点。

此外，背部支撑装置与髋部连接装置的尺寸均可以调节，能够适应不同体形的用户穿戴；顶腿装置的位置可以采用螺栓进行调节，以适应不同大腿粗度的用户穿戴，长直杆与竖直拐杆之间通过螺栓调节固结位置，可以使外骨骼适应不同大腿长度的用户，竖直拐杆与水平拐杆之间、水平拐杆与水平直杆之间均通过螺栓调节固结位置，可以使外骨骼适应不同大腿直径的用户，从而达到调节长度的目的，以适应不同身材的用户进行穿戴。

附图说明

图1是腰部外骨骼机器人结构示意图。

图2是腰部外骨骼机器人的背部支撑装置结构示意图。

图3是腰部外骨骼机器人的背部支撑装置的局部结构示意图。

图4是腰部外骨骼机器人的髋部连接装置的第一示意图。

图5是腰部外骨骼机器人的髋部连接装置的第二示意图。

图6是腰部外骨骼机器人的腿部储能装置结构示意图。

图7是腰部外骨骼机器人的腿部储能装置的分解结构示意图。

图8是腰部外骨骼机器人的顶腿装置结构示意图。

图9是腰部外骨骼机器人的顶腿装置的分解结构示意图。

附图标记如下：

1.背部支撑装置；2.髋部连接装置；3.腿部储能装置；4.顶腿装置；5.背带；6.腰带；7.背垫；8.背部伸缩内杆；9.背部伸缩外杆；10.背部伸缩外杆固定块；11.背板；12.髋部上接头；13.髋部伸缩内杆；14.髋部伸缩外杆；15.髋部下接头；16.外侧板；17.长直杆；18.外壳下；19.绑带；20.外壳上；21.腿部连接杆；22.曲柄；23.底板； 24.顶柱；25.圆柱销；26.上固定块；27.连杆；28.滑块；29.弹簧限位块；30.导杆；31.弹簧；32.支撑块；33.下固定块；34.内侧板； 35.竖直拐杆；36.水平拐杆；37.水平直杆；38.腿部支撑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

腰部外骨骼机器人的结构如图1所示，包括背部支撑装置1、髋部连接装置2、腿部储能装置3、顶腿装置4，其中，背部支撑装置1 与髋部连接装置2中部固定连接，髋部连接装置2的两端部与腿部储能装置3铰接，腿部储能装置3与顶腿装置4固定连接。

背部支撑装置的结构如图2所示，背部支撑装置1包括背带5、腰带6、背垫7、背部伸缩内杆8、背部伸缩外杆9、背部伸缩外杆固定块10及符合人体工学的背板11，其中，两根背带5的端部分别固定在背板11的内侧面，背板11上固定有背垫7，两根背带5之间固定连接有带卡扣的腰带6，背板11的外侧面下部固定有背部伸缩外杆固定块10，背部伸缩外杆9穿过背部伸缩外杆固定块10内部固定，可伸缩的背部伸缩内杆8的一端***背部伸缩外杆9内，另一端与髋部连接装置2的髋部上接头12固定连接。

腰部外骨骼机器人的背部支撑装置的局部结构如图3所示，背部伸缩内杆8上开有一排螺纹孔，背部伸缩外杆9上开有一排与背部伸缩内杆8对应的螺纹孔，背部伸缩内杆8与背部伸缩外杆9之间通过螺栓或者卡扣***不同位置的螺纹孔来改变固结位置，从而来调节总体长度，以适应不同腰部宽度的用户使用腰部外骨骼机器人。

腰部外骨骼机器人的髋部连接装置的第一示意图如图4所示，髋部连接装置2包括髋部上接头12、髋部伸缩内杆13、髋部伸缩外杆 14及髋部下接头15，其中，髋部上接头12与髋部伸缩内杆13固定连接，髋部伸缩外杆14套在髋部伸缩内杆13上，髋部伸缩外杆14 与髋部下接头15的一端固定连接，髋部下接头15的另一端与腿部储能装置3的腿部连接杆21铰接。

髋部伸缩外杆14上开有一排用于调节长度的螺纹孔，髋部伸缩内杆13上开有一排与髋部伸缩外杆14对应的螺纹孔，髋部伸缩外杆 14与髋部伸缩内杆13之间通过螺栓或者卡扣来来调节固结位置，从而调节长度，以适应不同大腿长度的用户使用腰部外骨骼机器人。

腰部外骨骼机器人的髋部连接装置的第二示意图如图5所示，髋部上接头12的一端与背部伸缩内杆8通过螺纹固定连接，髋部上接头12的另一端与髋部伸缩内杆13通过螺纹固定连接。

腰部外骨骼机器人的腿部储能装置结构示意图如图6所示，腰部外骨骼机器人的腿部储能装置的分解结构示意图如图7所示，请参见图6和图7，腿部储能装置3包括外侧板16、长直杆17、外壳下18、绑带19、外壳上20、腿部连接杆21、曲柄22、底板23、顶柱24、圆柱销25、上固定块26、连杆27、滑块28、弹簧限位块29、导杆 30、弹簧31、支撑块32、下固定块33及内侧板34。

其中，绑带19的两端通过螺纹固定在内侧板34上形成筒状，内侧板34、外侧板16、底板23、外壳上20、外壳下18固定连接构成盒体。腿部连接杆21与位于盒体内的曲柄22通过螺纹固定连接，曲柄22与圆柱销25和连杆27铰接，圆柱销25的两端分别与外侧板 16、内侧板34连接，连杆27与滑块28铰接，滑块28下方固结有弹簧限位块29，滑块28和弹簧限位块29套在导杆30上并与其滑动连接，弹簧限位块29的固定连接压缩弹簧31的一端，压缩弹簧31的另一端固定在下固定块33上，下固定块33与底板23通过螺纹固定连接，所述底板23固定连接有用于限制导杆30的运动的上固定块 26，用于限制导杆30的运动，以保证滑块28与弹簧限位块29都能稳定的在导杆30上滑动。所述外侧板16与内侧板34之间固定连接有用于增强结构稳定性的支撑块32，支撑块32用于把外侧板16与内侧板34连接起来，形成稳定的框架结构，增强整体结构的稳定性。长直杆17的一端与支撑块32通过螺纹固定连接，长直杆17的另一端与顶腿装置4相连。

所述外侧板16与内侧板34之间固定连接有用于增强结构稳定性的顶柱24，顶柱24用于把外侧板16与内侧板34连接起来，形成稳定的框架结构，增强整体结构的稳定性。

所述长直杆17、竖直拐杆35、水平拐杆36、水平直杆37上均设有螺孔，长直杆17与竖直拐杆35之间通过螺栓调节固结位置，可以使外骨骼适应不同大腿长度的用户，竖直拐杆35与水平拐杆36之间、水平拐杆36与水平直杆37之间均通过螺栓调节固结位置，从而达到调节长度的目的，可以使外骨骼适应不同大腿直径的用户。

用户穿戴腰部外骨骼可以向前弯腰的最大角度可以达到90°，当用户穿戴腰部外骨骼机器人由站立状态开始弯腰时，髋部连接装置2 的髋部下接头15将带动腿部储能装置3的腿部连接杆21，腿部连接杆21带动曲柄22围绕圆柱销25向用户的正前方旋转，曲柄22旋转时带动连杆27运动，连杆27运动时带动滑块28沿着导杆30做直线运动，滑块28推动弹簧限位块29沿着导杆30运动，弹簧限位块29 压缩弹簧31完成能量的储存。当用户穿戴腰部外骨骼机器人由弯腰状态开始站立时，弹簧31储存的能量释放帮助用户回到站立状态，完成助力。

腰部外骨骼机器人的顶腿装置4结构示意图如图8所示，腰部外骨骼机器人的顶腿装置4的分解结构示意图如图9所示，请参见图8 和图9，顶腿装置4包括竖直拐杆35、水平拐杆36、水平直杆37及腿部支撑块38，其中，竖直拐杆35的一端与长直杆17通过螺纹固定连接，竖直拐杆35的另一端与水平拐杆36通过螺纹固定连接，水平拐杆36与水平直杆37通过螺纹固定连接，水平直杆37固定在与人体大腿曲面相适应的腿部支撑块38上，以保证人体大腿与顶腿装置4更好地贴合。

所述长直杆17、竖直拐杆35、水平拐杆36、水平直杆37上均设有螺孔，长直杆17与竖直拐杆35之间、竖直拐杆35与水平拐杆 36之间、水平拐杆36与水平直杆37之间均通过螺栓调节固结位置，从而达到调节长度的目的。

本发明的背部支撑装置、髋部连接装置、腿部储能装置及顶腿装置，背部支撑装置可贴合地穿戴于人体的背部，与现有的胸部支撑结构相比，极大地改善了人体穿戴的舒适性，腿部储能装置结构简单且助力效果佳，顶腿装置可以很好地贴合于人体的大腿，用户穿戴腰部外骨骼可以向前弯腰的最大角度可以达到90°。此外，背部支撑装置与髋部连接装置的尺寸均可以调节，适应不同体形的用户穿戴。

Claims (6)

1.腰部外骨骼机器人，其特征在于，包括背部支撑装置（1）、髋部连接装置（2）、腿部储能装置（3）及顶腿装置（4），背部支撑装置（1）与髋部连接装置（2）中部固定连接，髋部连接装置（2）的两端部与腿部储能装置（3）铰接，腿部储能装置（3）与顶腿装置（4）固定连接；

所述背部支撑装置（1）包括符合人体工学的背板（11），两根背带（5）的端部分别固定在背板（11）的内侧面，两根背带（5）之间固定连接有带卡扣的腰带（6），背板（11）的外侧面下部固定有背部伸缩外杆固定块（10），背部伸缩外杆（9）穿过背部伸缩外杆固定块（10）内部固定，可伸缩的背部伸缩内杆（8）的一端***背部伸缩外杆（9）内，另一端与髋部连接装置（2）的髋部上接头（12）固定连接；

所述髋部连接装置（2）包括髋部上接头（12），髋部上接头（12）与髋部伸缩内杆（13）固定连接，髋部伸缩外杆（14）套在髋部伸缩内杆（13）上，髋部伸缩外杆（14）与髋部下接头（15）的一端固定连接，髋部下接头（15）的另一端与腿部储能装置（3）的腿部连接杆（21）铰接；

所述腿部储能装置（3）包括绑带（19），绑带（19）的两端固定在内侧板（34）上形成筒状，内侧板（34）、外侧板（16）、底板（23）、外壳上（20）、外壳下（18）固定连接构成盒体，腿部连接杆（21）与位于盒体内的曲柄（22）固定连接，曲柄（22）与圆柱销（25）、连杆（27）铰接，圆柱销（25）的两端分别与外侧板（16）、内侧板（34）连接，连杆（27）与滑块（28）铰接，滑块（28）下方固结有弹簧限位块（29），滑块（28）和弹簧限位块（29）套在导杆（30）上并与其滑动连接，弹簧限位块（29）固定连接压缩弹簧（31）的一端，压缩弹簧（31）的另一端固定在下固定块（33）上，下固定块（33）与底板（23）固定连接，长直杆（17）的一端与下固定块（33）固定连接，长直杆（17）的另一端与顶腿装置（4）相连；

所述顶腿装置（4）包括竖直拐杆（35），竖直拐杆（35）的一端与长直杆（17）固定连接，竖直拐杆（35）的另一端与水平拐杆（36）固定连接，水平拐杆（36）与水平直杆（37）固定连接，水平直杆（37）固定在与人体大腿曲面相适应的腿部支撑块（38）上；

所述髋部伸缩外杆（14）与髋部伸缩内杆（13）上均设有螺孔，髋部伸缩外杆（14）与髋部伸缩内杆（13）之间通过螺栓或者卡扣来调节固结位置；

所述长直杆（17）、竖直拐杆（35）、水平拐杆（36）、水平直杆（37）上均设有螺孔，长直杆（17）与竖直拐杆（35）之间、竖直拐杆（35）与水平拐杆（36）之间、水平拐杆（36）与水平直杆（37）之间均通过螺栓调节固结位置。

2.根据权利要求1所述的腰部外骨骼机器人，其特征在于，所述背部伸缩内杆（8）与背部伸缩外杆（9）上均设有螺孔，背部伸缩内杆（8）与背部伸缩外杆（9）之间通过螺栓或者卡扣调节固结位置。

3.根据权利要求1所述的腰部外骨骼机器人，其特征在于，所述背板（11）上固定有背垫（7）。

4.根据权利要求1所述的腰部外骨骼机器人，其特征在于，所述外侧板（16）与内侧板（34）之间固定连接有用于增强结构稳定性的顶柱（24）。

5.根据权利要求1所述的腰部外骨骼机器人，其特征在于，所述外侧板（16）与内侧板（34）之间固定连接有用于增强结构稳定性的支撑块（32）。

6.根据权利要求1所述的腰部外骨骼机器人，其特征在于，所述底板（23）固定连接有用于限制导杆（30）的运动的上固定块（26）。

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