CN113397923A - 一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，包括腰部绑缚、腰部助力模块、背部绑缚、背部绑缚锚点、背部模块、上肢助力调节销、上肢助力模块、腰杆、腰杆快卸销上、腰杆快卸销下、腿部模块，所述腰部绑缚的对称两外侧面设置有一对腰部助力模块，所述腰部绑缚匹配一背部绑缚，所述背部绑缚上水平设置有背部绑缚锚点，所述背部绑缚锚点安装有背部模块。通过上述方式，本发明提供一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，模块化程度高、结构简单、拆装便捷；身高或胖瘦适应性高，尺寸调节简单、可自适应无级调节；绑缚***贴服性强；具有腰部助力、腰部保护、上肢助力功能；工作状态切换简便。

Description

一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼领域，尤其涉及一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼。

背景技术

外骨骼原来指生物学中保护生物内部柔软器官的一种坚硬外部结构，而现在外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学与人机工效学的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的能力。

其应用领域十分广泛，在军事领域上，可以提高士兵的运动灵活性、机动性、负重能力等；在医疗领域，可以帮助下肢肌无力或其他残疾患者进行康复训练；在民用领域，可以帮助穿戴者提高搬运重物能力，提高行走耐久性等；

现有腰部助力外骨骼按照助力方式可分为主动式助力和被动式助力两大类。

主动式如CN201810357972.4中，使用气动助力，其气动组件较重且结构复杂，导致整体设备较重，穿戴者在使用时，需要时刻承受设备重量。又如CN201911255477.3中，在髋关节两侧，各使用一个电机进行髋关节助力，在运动者的意图识别上较难；其在非工作状态时，设备的模式切换较为复杂；由于电机及电气***复杂，整体重量较重，穿戴者长时间穿戴会感到不适。

被动式如CN201710763193.X中依靠储能元件使用例如弹簧作为储能元件，为穿戴者提供一定的腰部助力，但其只能为穿戴者提供单一的腰部髋关节助力，而无其他功能，功能单一。

综合现有技术的缺陷包括：

1) 模块化程度不高，结构复杂拆装运输不便；

2) 身高或胖瘦适应性不高，尺寸调节复杂或无法调节、难以自适应且无级调节；

3) 绑缚***简单，穿戴不贴服；

4) 现有腰部助力外骨骼功能单一，无手臂助力；

5) 现有助力外骨骼非工作状态切换困难。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，属于被动式腰部助力外骨骼，质量较之主动式更轻并兼具上肢助力功能，具有多种特性，如：模块化程度高、结构简单、拆装便捷；身高或胖瘦适应性高，尺寸调节简单、可自适应无级调节；绑缚***贴服性强；具有腰部助力、腰部保护、上肢助力功能；工作状态切换简便。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，包括腰部绑缚、腰部助力模块、背部绑缚、背部绑缚锚点、背部模块、上肢助力调节销、上肢助力模块、腰杆、腰杆快卸销上、腰杆快卸销下、腿部模块，所述腰部绑缚的对称两外侧面设置有一对腰部助力模块，所述腰部绑缚匹配一背部绑缚，所述背部绑缚上水平设置有背部绑缚锚点，所述背部绑缚锚点安装有背部模块，所述背部模块通过上肢助力调节销上接一上肢助力模块，一对所述腰杆的上下两端分别设置腰杆快卸销上和腰杆快卸销下，所述腰杆通过腰杆快卸销上上连背部模块，所述腰杆通过腰杆快卸销下下连腰部助力模块，所述腰部助力模块下端连接腿部模块。

在本发明一个较佳实施例中，所述上肢助力模块由L型撑杆、上肢助力吊带和夹持勾组成，所述L型撑杆布置在所述背部绑缚的双侧肩部位置，所述L型撑杆的一端由所述上肢助力调节销锁止连接，所述L型撑杆的另一端连接有布置在所述背部绑缚前胸双侧位置的一对上肢助力吊带，所述上肢助力吊带末端设置有夹持勾。

在本发明一个较佳实施例中，所述背部模块由Y型撑杆、腰杆上接头以及尺寸适应转轴上组成，所述Y型撑杆沿纵向布置并对称固定在所述背部绑缚锚点两侧，所述上肢助力调节销锁止在所述Y型撑杆内，所述腰杆上接头经所述尺寸适应转轴上转接在Y型撑杆下方的所述背部绑缚锚点两侧，所述腰杆上接头由所述腰杆快卸销上锁止连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述腰部助力模块由屈伸转轴、拉线轮、模式切换开关、模式切换座、非工作状态转轴、尺寸适应转轴下、腰杆下接头、助力仓、压缩弹簧、导杆、绳索组成，所述屈伸转轴上连拉线轮，所述拉线轮内置模式切换开关，所述模式切换开关与模式切换座配合连接并适时卡接传动，所述模式切换座内全时直连有非工作状态转轴，所述模式切换座通过尺寸适应转轴下，上连腰杆下接头，所述腰杆下接头由所述腰杆快卸销下锁止连接，所述屈伸转轴下设置有助力仓，所述助力仓内卡接有压缩弹簧，所述压缩弹簧下端连接导杆，所述导杆通过上连的绳索悬吊在所述压缩弹簧的轴心，所述绳索经屈伸转轴连接拉线轮。

在本发明一个较佳实施例中，所述腰部绑缚内围两侧对称设置有一对防窜动绑带，每根所述防窜动绑带分别固定在每个所述助力仓的内侧，所述防窜动绑带配备有相互插接的防窜动插扣。

在本发明一个较佳实施例中，所述腿部模块由腿杆、大腿挡板、腿围调节带、腿部插扣组成，所述腿杆的上端连接腰部助力模块，所述腿杆的下端连接大腿挡板，所述大腿挡板设置有腿围调节带，所述腿围调节带配备有相互插接的腿部插扣。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，属于被动式腰部助力外骨骼，质量较之主动式更轻并兼具上肢助力功能，具有多种特性，如：模块化程度高、结构简单、拆装便捷；身高或胖瘦适应性高，尺寸调节简单、可自适应无级调节；绑缚***贴服性强；具有腰部助力、腰部保护、上肢助力功能；工作状态切换简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明外骨骼总体结构示意正面轴测图；

图2为本发明外骨骼总体结构示意反面轴测图；

图3为本发明外骨骼总体结构示意侧面视图；

图4为本发明外骨骼腰部助力模块结构示意图；

附图标记说明：1、上肢助力模块；2、背部模块；3、腰部助力模块；4、腿部模块；5、背部绑缚；6、腰部绑缚；7、L型撑杆；8、夹持勾；9、Y型撑杆；10、背部绑缚锚点；11、上肢助力调节销；12、尺寸适应转轴上；13、腰杆上接头；14、腰杆快卸销上；15、腰杆；16、腰杆下接头；17、腰杆快卸销下；18、尺寸适应转轴下；19、模式切换座；20、非工作状态转轴；21、拉线轮；22、模式切换开关；23、腿杆；24、大腿挡板；25、上肢助力吊带；26、腰部插扣；27、防窜动绑带；28、防窜动插扣；29、腿部插扣；30、腿围调节带；31、屈伸转轴；32、绳索；33、导杆；34、压缩弹簧；35、基座；36、连接孔；37、推背力。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明实施例包括：

一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，包括腰部绑缚6、腰部助力模块3、背部绑缚5、背部绑缚锚点10、背部模块2、上肢助力调节销11、上肢助力模块1、腰杆15、腰杆快卸销上14、腰杆快卸销下17、腿部模块4，所述腰部绑缚6的对称两外侧面设置有一对腰部助力模块3，所述腰部绑缚6匹配一背部绑缚5，所述背部绑缚5上水平设置有背部绑缚锚点10，所述背部绑缚锚点10安装有背部模块2，所述背部模块2通过上肢助力调节销11上接一上肢助力模块1，一对所述腰杆15的上下两端分别设置腰杆快卸销上14和腰杆快卸销下17，所述腰杆15通过腰杆快卸销上14上连背部模块2，所述腰杆15通过腰杆快卸销下17下连腰部助力模块3，所述腰部助力模块3下端连接腿部模块4。

其中，所述上肢助力模块1由L型撑杆7、上肢助力吊带25和夹持勾8组成，所述L型撑杆7布置在所述背部绑缚5的双侧肩部位置，所述L型撑杆7的一端由所述上肢助力调节销11锁止连接，所述L型撑杆7的另一端连接有布置在所述背部绑缚5前胸双侧位置的一对上肢助力吊带25，所述上肢助力吊带25末端设置有夹持勾8。

进一步的，所述背部模块2由Y型撑杆9、腰杆上接头13以及尺寸适应转轴上12组成，所述Y型撑杆9沿纵向布置并对称固定在所述背部绑缚锚点10两侧，所述上肢助力调节销11锁止在所述Y型撑杆9内，所述腰杆上接头13经所述尺寸适应转轴上12转接在Y型撑杆9下方的所述背部绑缚锚点10两侧，所述腰杆上接头13由所述腰杆快卸销上14锁止连接。

进一步的，所述腰部助力模块3由屈伸转轴31、拉线轮21、模式切换开关22、模式切换座19、非工作状态转轴20、尺寸适应转轴下18、腰杆下接头16、助力仓39、压缩弹簧34、导杆33、绳索32组成，所述屈伸转轴31上连拉线轮21，所述拉线轮21内置模式切换开关22，所述模式切换开关22与模式切换座19配合连接并适时卡接传动，所述模式切换座19内全时直连有非工作状态转轴20，所述模式切换座19通过尺寸适应转轴下18，上连腰杆下接头16，所述腰杆下接头16由所述腰杆快卸销下17锁止连接，所述屈伸转轴31下设置有助力仓39，所述助力仓39内卡接有压缩弹簧34，所述压缩弹簧34下端连接导杆33，所述导杆33通过上连的绳索32悬吊在所述压缩弹簧34的轴心，所述绳索32经屈伸转轴31连接拉线轮21。

进一步的，所述腰部绑缚6内围两侧对称设置有一对防窜动绑带27，每根所述防窜动绑带27分别固定在每个所述助力仓39的内侧，所述防窜动绑带27配备有相互插接的防窜动插扣28。该防窜动绑带27与防窜动插扣28可有效防止穿戴者在弯腰时，整体设备（尤其是腰部助力模块3与腿部模块4）在穿戴者身上往上窜动，当往上窜动时，绑带会卡住大腿内侧，有效阻止该现象。

进一步的，所述腿部模块4由腿杆23、大腿挡板24、腿围调节带30、腿部插扣29组成，所述腿杆23的上端连接腰部助力模块3，所述腿杆23的下端连接大腿挡板24，所述大腿挡板24设置有腿围调节带30，所述腿围调节带30配备有相互插接的腿部插扣29。

具体地：

如图1所示，为本发明外骨骼总体结构示意正面轴测图。

本发明外骨骼主要由上肢助力模块1、背部模块2、腰部助力模块3、腿部模块4组成。其中背部绑缚5属于背部模块2的组成部分，腰部绑缚6属于腰部助力模块3的组成部分。

如图2所示，为本发明外骨骼总体结构示意反面轴测图。

其中，上肢助力模块由L型撑杆、夹持勾8、上肢助力吊带25组成。背部模块2主要由Y型撑杆9、腰杆上接头11、腰杆15、背部绑缚5组成。

如图4所示，为本发明外骨骼腰部助力模块结构示意图。

腰部助力模块3主要由腰杆下接头16、模式切换座19、拉线轮21、绳索32、导杆33、弹簧34组成。腿部模块4主要由腿杆23、大腿挡板24、腿部插扣29、腿围调节带30等组成。

下面首先对本外骨骼的贴服性绑缚***以及自适应尺寸调节功能进行相关阐述：

如图1，本外骨骼背部绑缚5可作为背心马甲，穿戴在人体上身；腰部绑缚6，通过前后各一个腰部插扣26，可绑在人体腰部皮带位置，通过调节腰部插扣26两侧布带的长度，来调节外骨骼在人体的位置，保证如图4中屈伸转轴31与人体髋关节的转子中心基本对齐。

在背部绑缚5与腰部绑缚6穿戴好之后，过大腿内侧，扣紧左右两个防窜动绑带27，并连接防窜动插扣28。该防窜动绑带27与防窜动插扣28可有效防止穿戴者在弯腰时，整体设备（尤其是腰部助力模块3与腿部模块4）在穿戴者身上往上窜动，当往上窜动时，绑带会卡住大腿内侧，有效阻止该现象。

腿部模块4主要由腿杆23、大腿挡板24、腿部插扣29、腿围调节带30等组成，在穿戴时，解开腿部插扣29，腿围调节带30调至最长，大腿进入后，***腿部插扣29，同时根据穿戴者喜好，可调节腿围调节带30。

本外骨骼设备整体绑缚具有贴服性强，调节性高的特点，并且具备有效防止设备本体在穿戴者身上窜动的问题。

在腰部绑缚6穿戴时，为适应不同腰围的穿戴者，在结构上，如图2中，尺寸适应转轴上12，与尺寸适应转轴下18。当腰围不同时，腰杆15、腰杆上接头13、以及腰杆下接头16，可绕尺寸适应转轴上12旋转；同时，模式切换座19及其以下所有结构，可绕尺寸适应转轴下18旋转。以此，可实现腰围在宽度方向上的自适应调节，保证腰部绑缚与各类穿戴者腰部贴服性。这种方式的腰部宽度调节不用人为操作按钮或其他方式进行调节，只需穿上即可自适应调节，对胖瘦及身高的包容性强。

下面阐述外骨骼结构模块化功能：

如图2，为本发明外骨骼总体结构示意反面轴测图。L型撑杆7可在Y型撑杆9滑槽中滑动，同时Y型撑杆9滑槽上有多个孔，上肢助力调节销11可***任一孔，即可实现L型撑杆7与Y型撑杆9的连接；腰杆上接头13与腰杆15通过腰杆快卸销上14连接，腰杆下接头16与腰杆15通过腰杆快卸销下17连接。当在收纳本外骨骼时，可任选拆除上肢助力调节销11、腰杆快卸销上14、腰杆快卸销17中的任一种，即可实现外骨骼在上肢助力模块1、背部模块2、腰部助力模块3间的快速拆除，当组装时，***对应快卸销即可。综上，本外骨骼模块化程度高，收纳方便。

下面阐述本发明外骨骼的上肢及腰部助力原理：

如图3及图4，为本发明外骨骼总体结构示意侧面视图与腰部助力模块结构示意图；

穿戴者手部把持住夹持勾8，夹持勾8可勾住需要搬运的重物，该夹持勾仅作为实施例一种，针对不同负载，可替换不同样式。上肢助力吊带25作为夹持勾8与L型撑杆7的连接带，可调节长短，但夹持勾8到肩部的长度一定要比穿戴者整条手臂长度略短，当挂载重物工作时，上肢助力吊带25一直处于绷直状态。

拉线轮19上有一模式切换开关22，当穿戴者想要搬抬重物或动作维持（工作状态）时，把该开关往前推进，当穿戴者想要脱离工作状态时，把该开关往后推回进入非工作状态；

工作状态时，模式切换开关22卡进模式切换座19零件中，使模式切换座19与拉线轮21成为一体件，搬抬起身助力时，人体大腿与腿部模块4可看作静止不动，而拉线轮21以上可绕屈伸转轴31转动，也即人体腰部及以上可绕人体关节大转子中心弯腰。

为使本发明外骨骼原理阐释更为清晰，下面分为两种工作状态进行助力原理分析

首先，对弯腰搬抬时的手臂助力+腰部助力进行原理分析：

当拉线轮21向前转动时，会带动与其一体的绳索32，而绳索与下端导杆33上端部连接，导杆33下端部此时会把压缩弹簧34压短。此时弹簧的力通过腰杆15、Y型撑杆9、L型撑杆7、上肢助力吊带25、夹持勾8，与重物本身重力产生部分抵消，此时如上所述，上肢助力吊带25绷直，而夹持勾8到人体肩部的长度比人体手臂的长度略短，手臂可减少一部分重物重力，极大减缓手臂尤其是肘关节的能量消耗和肌肉疲劳，弹簧产生的抵消力通过结构传导至腰部绑缚6、腿部模块4，此为弯腰搬抬时的手臂助力原理。

同时，通过绑缚锚点孔10、背部绑缚5，弹簧力也会产生对人体双肩的拉力，该拉力可抵消人体上半身的部分重量以及部分，实现对穿戴者腰部竖脊肌的保护，此为弯腰搬抬时的腰部助力原理。

其次，对搬起重物站直后手臂助力原理分析：

如图3，搬起重物后，穿戴者站直，此时夹持勾8挂载重物，穿戴者手部可完全脱离夹持勾8，由于腰部绑缚6绑在人体腰部，背部绑缚5绑在人体背部，重物重力通过夹持勾8、上肢助力吊带25、L型撑杆7、Y型撑杆9、腰杆15，完全传导至腰部绑缚6以及背部绑缚5，此时，会产生一个推背力37，手臂完全不用出力。该工作状态为手臂助力效果发挥最为明显的场景。

非工作状态时，模式切换座19与拉线轮21脱离，此时模式切换座可绕非工作状态转轴20自由转动无阻碍，当穿戴者行走或弯腰休息时，由于腰部助力模块3中有非工作状态转轴20与屈伸转轴31两个屈伸自由度，而屈伸转轴31对应一直具有弹簧拉力作为阻力存在，但非工作状态转轴20无转动阻力，所以腰杆15及其以上结构，会优先绕非工作状态转轴20转动，此时，穿戴者可实现无阻力行走或弯腰休息。

综上所述，本发明提供了一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，属于被动式腰部助力外骨骼，质量较之主动式更轻并兼具上肢助力功能，具有多种特性，如：模块化程度高、结构简单、拆装便捷；身高或胖瘦适应性高，尺寸调节简单、可自适应无级调节；绑缚***贴服性强；具有腰部助力、腰部保护、上肢助力功能；工作状态切换简便。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，其特征在于，包括腰部绑缚、腰部助力模块、背部绑缚、背部绑缚锚点、背部模块、上肢助力调节销、上肢助力模块、腰杆、腰杆快卸销上、腰杆快卸销下、腿部模块，所述腰部绑缚的对称两外侧面设置有一对腰部助力模块，所述腰部绑缚匹配一背部绑缚，所述背部绑缚上水平设置有背部绑缚锚点，所述背部绑缚锚点安装有背部模块，所述背部模块通过上肢助力调节销上接一上肢助力模块，一对所述腰杆的上下两端分别设置腰杆快卸销上和腰杆快卸销下，所述腰杆通过腰杆快卸销上上连背部模块，所述腰杆通过腰杆快卸销下下连腰部助力模块，所述腰部助力模块下端连接腿部模块。

2.根据权利要求1 所述的集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，其特征在于，所述上肢助力模块由L型撑杆、上肢助力吊带和夹持勾组成，所述L型撑杆布置在所述背部绑缚的双侧肩部位置，所述L型撑杆的一端由所述上肢助力调节销锁止连接，所述L型撑杆的另一端连接有布置在所述背部绑缚前胸双侧位置的一对上肢助力吊带，所述上肢助力吊带末端设置有夹持勾。

3.根据权利要求1所述的集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，其特征在于，所述背部模块由Y型撑杆、腰杆上接头以及尺寸适应转轴上组成，所述Y型撑杆沿纵向布置并对称固定在所述背部绑缚锚点两侧，所述上肢助力调节销锁止在所述Y型撑杆内，所述腰杆上接头经所述尺寸适应转轴上转接在Y型撑杆下方的所述背部绑缚锚点两侧，所述腰杆上接头由所述腰杆快卸销上锁止连接。

4.根据权利要求1所述的集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，其特征在于，所述腰部助力模块由屈伸转轴、拉线轮、模式切换开关、模式切换座、非工作状态转轴、尺寸适应转轴下、腰杆下接头、助力仓、压缩弹簧、导杆、绳索组成，所述屈伸转轴上连拉线轮，所述拉线轮内置模式切换开关，所述模式切换开关与模式切换座配合连接并适时卡接传动，所述模式切换座内全时直连有非工作状态转轴，所述模式切换座通过尺寸适应转轴下，上连腰杆下接头，所述腰杆下接头由所述腰杆快卸销下锁止连接，所述屈伸转轴下设置有助力仓，所述助力仓内卡接有压缩弹簧，所述压缩弹簧下端连接导杆，所述导杆通过上连的绳索悬吊在所述压缩弹簧的轴心，所述绳索经屈伸转轴连接拉线轮。

5.根据权利要求4所述的集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，其特征在于，所述腰部绑缚内围两侧对称设置有一对防窜动绑带，每根所述防窜动绑带分别固定在每个所述助力仓的内侧，所述防窜动绑带配备有相互插接的防窜动插扣。

6.根据权利要求1所述的集成式上肢及腰部被动助力外骨骼，其特征在于，所述腿部模块由腿杆、大腿挡板、腿围调节带、腿部插扣组成，所述腿杆的上端连接腰部助力模块，所述腿杆的下端连接大腿挡板，所述大腿挡板设置有腿围调节带，所述腿围调节带配备有相互插接的腿部插扣。

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