CN217776971U - 一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼，包括上围腰带、第一支链、第二支链和下围腰带；一条第一支链和三条第二支链均匀分布在上围腰带和下围腰带的后侧，每条支链的上端与上围腰带连接，下端与下围腰带连接；四条支链并联在上围腰带和下围腰带之间，形成一个具有一个移动自由度和三个转动自由度的混联机构4‑PRRR；电动推杆用于实现人体腰部拉伸运动，为人体腰部提供支撑；当电动推杆不伸缩时，三个直流无刷电机作为原动件，四条支链和两个腰带构成一个具有三个转动自由度的并联机构4‑RRR，实现人体腰部的屈曲运动、侧屈运动以及水平旋转运动，对人体弯腰或直立动作进行助力，同时能够为人体弯腰这一固定姿态提供支撑，缓解腰部疲劳。

Description

一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼

技术领域

本实用新型属于助力支撑外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼。

背景技术

随着机械自动化技术的发展，人们的双手逐步得到解放，虽然制造、建筑、物流等行业的机械自动化程度已经很高，但是主要是针对重、大型物体的搬运，对于10-20kg的小型物体，仍然采用人工进行搬抬，工人长时间处于弯腰状态，容易对腰部及背部的骨骼和肌肉造成不同程度的损伤，使得工人慢慢的患上腰部疾病，如腰肌劳损、下腰痛、腰间盘突出等。

为了缓解长时间弯腰导致的腰部疲劳，学者们研究了腰部外骨骼对人体腰部进行助力，腰部作为人体结构的核心受力部位，在身体活动中起到至关重要的作用，它的稳定性及灵活性都会直接影响人体活动的舒适性和灵活性，因此腰部外骨骼对于人机协调性要求较高。现有的腰部助力支撑外骨骼可分为主动式助力和被动式助力两大类，主动式助力依靠使用者自身提供支撑力，而被动式助力主要通过弹性元件储存和释放能量来提供助力，授权公告号为CN207120225U的专利公开了一种被动式腰部助力外骨骼装置，通过发条弹簧与转轮作为储能元件；该装置只能为人体前后弯腰提供支撑力，即在该装置的作用下，人体腰部只能在矢状面内转动。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼，包括上围腰带、第一支链、第二支链和下围腰带；一条第一支链和三条第二支链均匀分布在上围腰带和下围腰带的后侧，每条支链的上端与上围腰带连接，下端与下围腰带连接；

所述第二支链包括直流无刷电机、第二支链第一球面连杆、第二支链第二球面连杆、伸缩杆连接件和伸缩杆；直流无刷电机与上围腰带连接，直流无刷电机的输出轴与第二支链第一球面连杆的上端连接，使第二支链第一球面连杆能相对于上围腰带转动，第二支链第一球面连杆的下端与第二支链第二球面连杆的上端转动连接，第二支链第二球面连杆的下端与伸缩杆连接件的上端转动连接，伸缩杆连接件的下端与伸缩杆的上端固定连接，下围腰带与第二支链连接的位置设有伸缩杆套，伸缩杆的下端插装在伸缩杆套内，伸缩杆能够在伸缩杆套内滑动；

所述第一支链包括第一支链第一球面连杆、第一支链第二球面连杆、推杆连接件和电动推杆；第一支链第一球面连杆的上端与上围腰带转动连接，第一支链第一球面连杆的下端与第一支链第二球面连杆的上端转动连接，第一支链第二球面连杆的下端与推杆连接件的上端转动连接，推杆连接件的下端与电动推杆的伸缩杆固定连接，电动推杆的缸筒与下围腰带连接；

上述第一支链第一球面连杆两端连接孔的中心轴线交点、第一支链第二球面连杆两端连接孔的中心轴线交点、第二支链第一球面连杆两端连接孔的中心轴线交点以及第二支链第二球面连杆两端连接孔的中心轴线交点重合在一起形成点M，点M为外骨骼的旋转球心。

进一步的，所述上围腰带分为内圈和外圈，第一支链和第二支链的上端均与外圈连接；内圈和外圈的前侧分别设有卡扣，内圈的后侧设有连接扣，螺柱穿过连接扣的扣环插装在外圈后侧，并通过梅花螺栓对螺柱进行径向固定，使得内圈与外圈在高度方向上的相对位置能够微调，保证穿戴舒适性。

进一步的，所述外骨骼还包括腿部组件，下围腰带的两侧对称设有腿部组件；腿部组件包括腿部拉带和腿部绑带，腿部拉带的上端与下围腰带连接，腿部拉带的下端设有腿部绑带。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一条第一支链和三条第二支链设置在上围腰带和下围腰带之间，构成了具有一个移动自由度和三个转动自由度的并联机构，上围腰带固定在人体腰部，下围腰带固定于人体髋关节处，人体原地站立保持下半身静立，骨盆看作静平台，腰部看作动平台，将整个腰关节看作一个球面副，各条支路的各个连杆均为球面连杆，外骨骼的旋转球心相当于穿戴者的髋关节中心，三个直流无刷电机作为原动件，通过三个直流无刷电机控制各条支链的运动，进而控制上围腰带的位姿，使得上围腰带相对于下围腰带作绕旋转球心的球面运动，实现人体腰部的屈曲运动、侧屈运动以及水平旋转运动，对人体弯腰或直立动作进行助力，适用于频繁弯腰的工作场合，如搬运小型重物；通过电动推杆为上围腰带提供静态支撑力，能够为人体长时间处于弯腰状态工作(例如医生做手术、工人弯腰维修机器)提供支撑，减少腰部疲劳，避免腰部受伤。上围腰带的位姿与电动推杆的移动是解耦的，即当上围腰带处于任意姿态时电动推杆都可以提供一个静态支撑力。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构图；

图2是本实用新型去除腿部组件后的结构图；

图3是本实用新型的第二支链的结构图；

图4是本实用新型的第一支链的结构图；

图5是本实用新型的上围腰带的结构图；

图6是本实用新型的下围腰带的结构图；

图7是本实用新型的腿部组件的结构图；

图中：1、上围腰带；2、第一支链；3、第二支链；4、下围腰带；5、腿部组件；

101、螺柱；102、内圈；103、外圈；104、卡扣；105、连接扣；106、梅花螺栓；201、第一支链第一球面连杆；202第一支链第二球面连杆；203、推杆连接件；204、电动推杆；301、直流无刷电机；302、第二支链第一球面连杆；303、第二支链第二球面连杆；304、伸缩杆连接件；305、伸缩杆；401、前侧刚性支撑部；402、柔性支撑部；403、后侧刚性支撑部；404、伸缩杆套；501、腿部拉带；502、腿部绑带。

具体实施方式

现在结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。

本实用新型为一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼(简称外骨骼，参见图1～7)，包括上围腰带1、第一支链2、第二支链3和下围腰带4；一条第一支链2和三条第二支链3均匀分布在上围腰带1和下围腰带4的后侧，每条支链的上端与上围腰带1连接，下端与下围腰带4连接；

所述第二支链3包括直流无刷电机301、第二支链第一球面连杆302、第二支链第二球面连杆303、伸缩杆连接件304和伸缩杆305；直流无刷电机301与上围腰带1固定连接，直流无刷电机301的输出轴与第二支链第一球面连杆302的上端连接，使第二支链第一球面连杆302能相对于上围腰带1转动，第二支链第一球面连杆302的下端与第二支链第二球面连杆303的上端转动连接，第二支链第二球面连杆303的下端与伸缩杆连接件304的上端转动连接，伸缩杆连接件304的下端与伸缩杆305的上端固定连接，下围腰带4与第二支链3连接的位置设有伸缩杆套404，伸缩杆305的下端插装在伸缩杆套404内，伸缩杆305能够在伸缩杆套404内滑动，为上围腰带1的运动提供空间；

所述第一支链2包括第一支链第一球面连杆201、第一支链第二球面连杆202、推杆连接件203和电动推杆204；第一支链第一球面连杆201的上端与上围腰带1转动连接，第一支链第一球面连杆201的下端与第一支链第二球面连杆202的上端转动连接，第一支链第二球面连杆202的下端与推杆连接件203的上端转动连接，推杆连接件203的下端与电动推杆204的伸缩杆固定连接，电动推杆204的缸筒与下围腰带4固定连接；

上述第一支链第一球面连杆201两端连接孔的中心轴线交点、第一支链第二球面连杆202两端连接孔的中心轴线交点、第二支链第一球面连杆302两端连接孔的中心轴线交点以及第二支链第二球面连杆303两端连接孔的中心轴线交点重合在一起形成点M，点M即为外骨骼的旋转球心，相当于人体的髋关节中心；

四条支链并联在上围腰带1和下围腰带4之间，形成一个具有一个移动自由度和三个转动自由度的混联机构4-PRRR；电动推杆204用于实现人体腰部拉伸运动，为人体腰部提供支撑；当电动推杆204不伸缩时，三个直流无刷电机301作为原动件，四条支链和两个腰带构成一个具有三个转动自由度的并联机构4-RRR，三个转动自由度分别为矢状面内的转动、冠状面内的转动和水平面内的转动，分别对应人体腰部的屈曲运动、侧屈运动以及水平旋转运动。

所述上围腰带1分为内圈102和外圈103，第一支链2和第二支链3的上端均与外圈103连接；内圈102和外圈103的前侧分别设有卡扣104，方便与人体穿戴，同时使上围腰带1的收紧力保持恒定，防止上围腰带1上下跳动；内圈102的后侧设有连接扣105，螺柱101穿过连接扣105的扣环可插拔安装在外圈103的后侧，并通过梅花螺栓106对螺柱101进行径向固定，利用连接扣105将内圈102和外圈103的后侧连接在一起；这样的设计使得内圈102与外圈103在高度方向上的相对位置可以微调，提高人体穿戴的舒适性，当内圈102和外圈103穿戴在人体腰部，并通过卡扣104连接后，通过电动推杆204上下微调外圈103至合适位置，使电动推杆204保持当前伸缩状态，并利用梅花螺栓106对螺柱101进行固定，实现内圈102与外圈103之间相对固定。

所述下围腰带4包括前侧刚性支撑部401、柔性支撑部402和后侧刚性支撑部403；前侧刚性支撑部401上设有卡扣，后侧刚性支撑部403上设有伸缩杆套404，前侧刚性支撑部401和后侧刚性支撑部403两端连接在一起，柔性支撑部402位于后侧刚性支撑部403的内侧，直接与人体接触，使人体穿戴更舒适。

所述外骨骼还包括腿部组件5，两组腿部组件5对称设置在下围腰带4的两侧，用于防止穿戴后下围腰带4向上滑移；腿部组件5包括腿部拉带501和腿部绑带502，腿部拉带501的上端与下围腰带4连接，腿部拉带501的下端设有腿部绑带502，通过腿部绑带502将外骨骼与使用者腿部连接。

本实用新型的工作原理和工作流程是：

通过上围腰带1、下围腰带4、和腿部绑带502将外骨骼穿戴在使用者身上，上围腰带1的内圈102和外圈103穿戴在人体腰部，通过卡扣104连接后，根据使用者穿戴感受通过电动推杆204上下微调外圈103至合适位置，调整完毕后电动推杆204保持当前伸缩状态，避免上围腰带1上下跳动，并通过梅花螺栓106对螺柱101进行固定，实现内圈102和外圈103之间的相对固定；穿戴腿部绑带502时需要保证腿部拉带501处于伸直状态，防止下围腰带4向上滑移；

本实用新型的外骨骼可以拟合人体腰部运动，能够为人体助力和提供支撑。当人体需要助力时，控制电动推杆204不伸缩，四条支链与上围腰带1和下围腰带4构成具有三个转动自由度的并联机构4-RRR，三条第二支链3的直流无刷电机301作为原动件，三个直流无刷电机301分别带动各自支链上的第一球面连杆和第二球面连杆转动，三条第二支链3带动第一支链2的两个球面连杆转动，由于第一支链第一球面连杆201两端连接孔的中心轴线交点、第一支链第二球面连杆202两端连接孔的中心轴线交点、第二支链第一球面连杆302两端连接孔的中心轴线交点以及第二支链第二球面连杆303两端连接孔的中心轴线交点重合在一起形成外骨骼的旋转球心，因此，在三个直流无刷电机301的作用下，外骨骼产生转矩使得上围腰带1相对于下围腰带4作绕旋转球心的球面运动，包括矢状面内的转动、冠状面内的转动和水平面内的转动，分别对应人体腰部的屈曲运动、侧屈运动以及水平旋转运动，对人体弯腰或直立动作进行助力。当人体需要支撑时，首先控制三个直流无刷电机301工作，使上围腰带1转动，到达人体需要支撑的某一姿态后，三个直流无刷电机301保持当前工作状态，然后电动推杆204产生一个向上的力，为上围腰带1提供向上的静态支撑力，以减轻人体腰部的受力，缓解人体腰部疲劳。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种穿戴式腰部助力支撑外骨骼，其特征在于，该外骨骼包括上围腰带、第一支链、第二支链和下围腰带；一条第一支链和三条第二支链均匀分布在上围腰带和下围腰带的后侧，每条支链的上端与上围腰带连接，下端与下围腰带连接；

所述第二支链包括直流无刷电机、第二支链第一球面连杆、第二支链第二球面连杆、伸缩杆连接件和伸缩杆；直流无刷电机与上围腰带连接，直流无刷电机的输出轴与第二支链第一球面连杆的上端连接，使第二支链第一球面连杆能相对于上围腰带转动，第二支链第一球面连杆的下端与第二支链第二球面连杆的上端转动连接，第二支链第二球面连杆的下端与伸缩杆连接件的上端转动连接，伸缩杆连接件的下端与伸缩杆的上端固定连接，下围腰带与第二支链连接的位置设有伸缩杆套，伸缩杆的下端插装在伸缩杆套内，伸缩杆能够在伸缩杆套内滑动；

所述第一支链包括第一支链第一球面连杆、第一支链第二球面连杆、推杆连接件和电动推杆；第一支链第一球面连杆的上端与上围腰带转动连接，第一支链第一球面连杆的下端与第一支链第二球面连杆的上端转动连接，第一支链第二球面连杆的下端与推杆连接件的上端转动连接，推杆连接件的下端与电动推杆的伸缩杆固定连接，电动推杆的缸筒与下围腰带连接；

上述第一支链第一球面连杆两端连接孔的中心轴线交点、第一支链第二球面连杆两端连接孔的中心轴线交点、第二支链第一球面连杆两端连接孔的中心轴线交点以及第二支链第二球面连杆两端连接孔的中心轴线交点重合在一起形成点M，点M为外骨骼的旋转球心。

2.根据权利要求1所述的穿戴式腰部助力支撑外骨骼，其特征在于，所述上围腰带分为内圈和外圈，第一支链和第二支链的上端均与外圈连接；内圈和外圈的前侧分别设有卡扣，内圈的后侧设有连接扣，螺柱穿过连接扣的扣环插装在外圈后侧，并通过梅花螺栓对螺柱进行径向固定，使得内圈与外圈在高度方向上的相对位置能够微调，保证穿戴舒适性。

3.根据权利要求1所述的穿戴式腰部助力支撑外骨骼，其特征在于，所述外骨骼还包括腿部组件，下围腰带的两侧对称设有腿部组件；腿部组件包括腿部拉带和腿部绑带，腿部拉带的上端与下围腰带连接，腿部拉带的下端设有腿部绑带。

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