腰部助力外骨骼机构及其助力方法技术

本发明专利技术涉及腰部助力外骨骼机构及其助力方法，该机构包括前胸支撑单元和背负单元，所述前胸支撑单元包括胸甲、背甲、两个腋下支撑和两个液压缸系统组件，胸甲和背甲的下部侧面通过两个腋下支撑连接在一起，背甲、胸甲、腋下支撑整体构成马甲状，三者的连接处均通过弹性连接带连接；在胸甲的前端面上左右对称安装两个液压缸系统组件；每个液压缸系统组件均包括上铰支架、液压缸和下铰支架，液压缸两端装有杆端球轴承；所述背负单元包括人工脊柱部分和背架部分；背架部分连接于背甲的左右两部分，人工脊柱部分连接于背甲的中间位置。该机构可以在人进行搬抬重物等时提供助力，帮助人在搬重物时弯腰、起身更省力。

【技术实现步骤摘要】
腰部助力外骨骼机构及其助力方法
本专利技术涉及助力外骨骼机器人
，具体为一种腰部助力外骨骼机构及其助力方法。
技术介绍
当前社会腰背部的疾病例如腰肌劳损、腰间盘突出等呈现出低龄化的趋势，尤其是需要长时间或者频繁弯腰进行重体力劳动者，需要一种减轻腰背部负担的装置降低患腰背部疾病的风险，因此为了加强对劳动者腰椎的保护，引入外骨骼机构进行腰椎保护，将是必然之举，且应用潜力非常巨大。例如公布号为CN106821682A的专利，提出了一种可穿戴式腰部助力装置，通过舵机和扭簧配合在髋关节处输出扭力，达到助力的目的；又如公布号为CN107627291A的专利，提出一种腰背助力外骨骼系统及其助力方法，利用背部的穿戴装置和检测装置，在检测到使用者运动意图时，通过收放连接带的长度对腰背部实施助力。现有技术的腰部助力装置，在针对人体搬抬重物等腰部用力动作研究不足，对腰部助力不明显，且仿生性差。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是：提供一种腰部助力外骨骼机构及其助力方法，解决现有技术中腰部助力装置助力不明显、仿生性差等问题。该机构及其助力方法可以在人进行搬抬重物等类似腰部用力动作时提供助力，帮助人在搬重物时弯腰、起身更省力。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种腰部助力外骨骼机构，该机构包括前胸支撑单元和背负单元，其特征在于所述前胸支撑单元包括胸甲、背甲、两个腋下支撑和两个液压缸系统组件，胸甲和背甲的上端通过弹性连接带连接，胸甲和背甲的下部侧面通过两个腋下支撑连接在一起，背甲、胸甲、腋下支撑整体构成马甲状，佩戴在人体上身，三者的连接处均通过弹性连接带连接；在胸甲的前端面上左右对称安装两个液压缸系统组件，且两个液压缸系统组件的结构完全相同；每个液压缸系统组件均包括上铰支架、液压缸和下铰支架，液压缸两端装有杆端球轴承，液压缸两端分别通过销轴连接方式与上铰支架、下铰支架相互连接；上铰支架通过螺钉连接固定在胸甲上，下铰支架通过螺栓固定在下铰连接板上，所述下铰连接板同时连接人体髋关节部位的一个髋关节支撑板的一端；所述背负单元包括人工脊柱部分和背架部分；背架部分连接于背甲的左右两部分，人工脊柱部分连接于背甲的中间位置；所述人工脊柱部分包括背甲母板、背甲子板、脊柱节上方固定盒、脊柱节上方固定轴、脊柱节最上节、脊柱节、脊柱节最下节、脊柱节最下节固定板和气动肌腱，背甲母板通过螺栓固定在背甲的中部上，脊柱节上方固定盒通过背甲子板固定在背甲母板上，背甲母板与背甲子板能相对滑动，并通过螺栓固定调节相对位置；脊柱节最上节上端穿在脊柱节上方固定盒内，并通过脊柱节上方固定轴将脊柱节最上节和脊柱节上方固定盒间隙配合在一起；脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节依次头尾咬合在一起形成仿生人工脊柱；两条气动肌腱依次穿过脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节的边缘孔将脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节串联在一起；脊柱节最下节通过螺栓与脊柱节最下节固定板前端连接在一起；脊柱节最下节固定板底面与脊柱下端支撑板一端相接触固定，脊柱下端支撑板的另一端的两侧通过螺钉与两个可调连接板固定连接，两个可调连接板分别与相邻的髋关节支撑板滑动连接；所述背架部分包括多个柔链、背架、导轨、滑轮固定板和滑轮，多个柔链依次连接，且相邻两个柔链之间能够相对转动，最下端的柔链与脊柱节最下节固定板后端固定连接；所述背架包括平板部分和底部连接部分，底部连接部分固定于平板部分的下部中心，底部连接部分连接最上面的柔链，平板部分的上端左右对称连接有两个滑轮固定板；所述滑轮固定板上通过螺栓固连有滑轮；所述导轨安装在背甲的左右两部分上，滑轮与导轨相互配合，滑轮能在导轨上滑动。本专利技术还提供一种上述腰部助力外骨骼机构的助力方法，该方法包括以下步骤：步骤1，将所述腰部助力外骨骼机构穿戴在使用者对应部位；步骤2，当使用者开始进入弯腰过程时，随穿戴者弯腰，两对称液压缸会被动随之收缩，同时人工脊柱部分会随之主动伸展；步骤3，当使用者开始进入起身过程时，随穿戴者起身，两对称液压缸会随之主动伸长，同时人工脊柱部分会随之主动收缩，前胸支撑单元和背负单元形成闭环，能够在人起身时通过前推后拉的支撑方式来达到助力效果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术中各个柔链串联在一起与背架连接，背架上部通过滑轮、导轨方式连接，此种刚柔耦合式的机构不但可以为背架提供支撑作用，还可以让背架更灵活的随人体进行直腰、弯腰动作，顺应性好，更适合对人进行服务，并且背架的存在让机器人在背部助力的同时还可以承受一些外载荷，可以帮助人体实现背负外部载荷功能，功能更加多样化。本专利技术中气动肌腱将脊柱节最上节、脊柱节、脊柱节最下节串联在一起，通过气动肌腱充气的时候会将离散的脊柱节重新咬合在一起，从而实现了人弯腰起身时背部的助力；脊柱节之间互相咬合在一起，人工脊柱只能随着人体向前弯腰和弯腰后的直腰，不能向后倾倒，这种防后仰功能让外骨骼机器人助力过程更加安全。本专利技术中背甲母板与背甲子板通过螺栓连接在一起，背甲子板与脊柱节最上节固定盒连接在一起，背甲母板与背甲子板两端存在多个螺纹孔，螺栓可以通过不同的螺纹孔将背甲母板与背甲子板连接在一起，从而实现长度的可调，以适应不同身高的人。本专利技术中连接液压缸所用上、下铰支架中铰链相对于上下铰支座可以旋转，液压缸两端通过销轴以及杆端球轴承方式与上、下铰支架连接，使得液压缸可实现跟随使用者实现俯仰、偏转等动作；采用液压源动力，负重能力强，而且相对于气压系统，系统刚度和稳定性较强，同时提高系统柔顺能力和运行精度。本专利技术中连接液压缸所用上、下铰支架中铰链相对于上下铰支座可以旋转，液压缸两端通过销轴以及杆端球轴承方式与上、下铰支架连接，使得液压缸可实现跟随使用者实现俯仰、偏转等动作；采用液压源动力，负重能力强，而且相对于气压系统，系统刚度和稳定性较强，同时提高系统柔顺能力和运行精度。本专利技术中提供了一种腰部助力外骨骼机构以及助力方法，能够在人进行搬抬重物等类似弯腰、起身行为时，产生支撑、助力以及保护。附图说明图1为本专利技术腰部助力外骨骼机构主视结构示意图；图2为本专利技术腰部助力外骨骼机构后视结构示意图；图3为本专利技术腰部助力外骨骼机构左视结构示意图；图4为本专利技术腰部助力外骨骼机构立体结构示意图；图5为本专利技术腰部助力外骨骼机构人工脊柱部分长度可调结构示意图；图6为本专利技术腰部助力外骨骼机构脊柱节最上节6立体结构示意图；图7为本专利技术腰部助力外骨骼机构脊柱节14立体结构示意图；图8为本专利技术腰部助力外骨骼机构脊柱节最下节15立体结构示意图；图9为本专利技术腰部助力外骨骼机构上铰支架4装配体连接方式剖面结构示意图；其中：1、胸甲；2、背甲；3、腋下支撑；4、上铰支架；5、液压缸；6、下铰支架；7、下铰连接板；8、髋关节支撑板；9、背甲母板；10、背甲子板；11、脊柱节上方固定盒；12、脊柱节上方固定轴；13、脊柱节最上节；14、脊柱节；15、脊柱节最下节；16、脊柱节最下节固定板；17、气动肌腱；18柔链；19、背架；20、导轨；21、滑轮固定板；22、滑轮；23、可调连接板；24、脊柱下端支撑板；401上铰支座；402铰链；403卡座。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种腰部助力外骨骼机构，该机构包括前胸支撑单元和背负单元，其特征在于所述前胸支撑单元包括胸甲、背甲、两个腋下支撑和两个液压缸系统组件，胸甲和背甲的上端通过弹性连接带连接，胸甲和背甲的下部侧面通过两个腋下支撑连接在一起，背甲、胸甲、腋下支撑整体构成马甲状，佩戴在人体上身，三者的连接处均通过弹性连接带连接；在胸甲的前端面上左右对称安装两个液压缸系统组件，且两个液压缸系统组件的结构完全相同；每个液压缸系统组件均包括上铰支架、液压缸和下铰支架，液压缸两端装有杆端球轴承，液压缸两端分别通过销轴连接方式与上铰支架、下铰支架相互连接；上铰支架通过螺钉连接固定在胸甲上，下铰支架通过螺栓固定在下铰连接板上，所述下铰连接板同时连接人体髋关节部位的一个髋关节支撑板的一端；所述背负单元包括人工脊柱部分和背架部分；背架部分连接于背甲的左右两部分，人工脊柱部分连接于背甲的中间位置；所述人工脊柱部分包括背甲母板、背甲子板、脊柱节上方固定盒、脊柱节上方固定轴、脊柱节最上节、脊柱节、脊柱节最下节、脊柱节最下节固定板和气动肌腱，背甲母板通过螺栓固定在背甲的中部上，脊柱节上方固定盒通过背甲子板固定在背甲母板上，背甲母板与背甲子板能相对滑动，并通过螺栓固定调节相对位置；脊柱节最上节上端穿在脊柱节上方固定盒内，并通过脊柱节上方固定轴将脊柱节最上节和脊柱节上方固定盒间隙配合在一起；脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节依次头尾咬合在一起形成仿生人工脊柱；两条气动肌腱依次穿过脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节的边缘孔将脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节串联在一起；脊柱节最下节通过螺栓与脊柱节最下节固定板前端连接在一起；脊柱节最下节固定板底面与脊柱下端支撑板一端相接触固定，脊柱下端支撑板的另一端的两侧通过螺钉与两个可调连接板固定连接，两个可调连接板分别与相邻的髋关节支撑板滑动连接；所述背架部分包括多个柔链、背架、导轨、滑轮固定板和滑轮，多个柔链依次连接，且相邻两个柔链之间能够相对转动，最下端的柔链与脊柱节最下节固定板后端固定连接；所述背架包括平板部分和底部连接部分，底部连接部分固定于平板部分的下部中心，底部连接部分连接最上面的柔链，平板部分的上端左右对称连接有两个滑轮固定板；所述滑轮固定板上通过螺栓固连有滑轮；所述导轨安装在背甲的左右两部分上，滑轮与导轨相互配合，滑轮能在导轨上滑动。...

【技术特征摘要】
1.一种腰部助力外骨骼机构，该机构包括前胸支撑单元和背负单元，其特征在于所述前胸支撑单元包括胸甲、背甲、两个腋下支撑和两个液压缸系统组件，胸甲和背甲的上端通过弹性连接带连接，胸甲和背甲的下部侧面通过两个腋下支撑连接在一起，背甲、胸甲、腋下支撑整体构成马甲状，佩戴在人体上身，三者的连接处均通过弹性连接带连接；在胸甲的前端面上左右对称安装两个液压缸系统组件，且两个液压缸系统组件的结构完全相同；每个液压缸系统组件均包括上铰支架、液压缸和下铰支架，液压缸两端装有杆端球轴承，液压缸两端分别通过销轴连接方式与上铰支架、下铰支架相互连接；上铰支架通过螺钉连接固定在胸甲上，下铰支架通过螺栓固定在下铰连接板上，所述下铰连接板同时连接人体髋关节部位的一个髋关节支撑板的一端；所述背负单元包括人工脊柱部分和背架部分；背架部分连接于背甲的左右两部分，人工脊柱部分连接于背甲的中间位置；所述人工脊柱部分包括背甲母板、背甲子板、脊柱节上方固定盒、脊柱节上方固定轴、脊柱节最上节、脊柱节、脊柱节最下节、脊柱节最下节固定板和气动肌腱，背甲母板通过螺栓固定在背甲的中部上，脊柱节上方固定盒通过背甲子板固定在背甲母板上，背甲母板与背甲子板能相对滑动，并通过螺栓固定调节相对位置；脊柱节最上节上端穿在脊柱节上方固定盒内，并通过脊柱节上方固定轴将脊柱节最上节和脊柱节上方固定盒间隙配合在一起；脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节依次头尾咬合在一起形成仿生人工脊柱；两条气动肌腱依次穿过脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节的边缘孔将脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节串联在一起；脊柱节最下节通过螺栓与脊柱节最下节固定板前端连接在一起；脊柱节最下节固定板底面与脊柱下端支撑板一端相接触固定，脊柱下端支撑板的另一端的两侧通过螺钉与两个可调连接板固定连接，两个可调连接板分别与相邻的髋关节支撑板滑动连接；所述背架部分包括多个柔链、背架、导轨、滑轮固定板和滑轮，多个柔链依次连接，且相邻两个柔链之间能够相对转动，最下端的柔链与脊柱节最下节固定板后端固定连接；所述背架包括平板部分和底部连接部分，底部连接部分固定于平板部分的下部中心，底部连接部分连接最上面的柔链，平板部分的上端左右对称连接有两个滑轮固定板；所述滑轮固定板上通过螺栓固连有滑轮；所述导轨安装在背甲的左右两部分上，滑轮与导轨相互配合，滑轮能在导轨上滑动。2.根据权利要求1所述的腰部助力外骨骼机构，其特征在于，所述两个液压缸整体呈八字倾斜布置，与胸甲连接部分的液压缸一端为八字小口方向。3.根据权利要求1所述的腰部助力外骨骼机构，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁军，王世杰，侯庆隆，杨冬，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12