一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备制造技术

本发明专利技术涉及一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备，包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板旋转联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度。采用本发明专利技术柔性承力腰背机构所述轻便助力设备更加贴身，可以适配不同身材的穿戴者，且可以支持穿戴者运动时腰部及下肢自然施展各种动作，有利于穿戴者灵活调整质心，穿戴稳定高、节省助力装置功耗。

A flexible load-bearing back mechanism and its power support and portable power equipment

【技术实现步骤摘要】
一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备
本专利技术涉及可穿戴设备及外骨骼，更具体地说是指一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备。
技术介绍
人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量的情况，可穿戴外骨骼机器人是满足这一类应用的装置，尤其是带有动力的下肢助力外骨骼机器人。但现有技术中这类装置通常比较笨重，如专利200680006514.1、专利200780027195.7均披露了这类技术，采用该技术的装置用户穿戴体验不佳。现有技术中，有专门针对膝关节进行助力的装置，这类装置针对上述笨重设备进行大幅度裁剪，从而可以大大减轻设备重量。专利US9532894B2均披露了一种膝关节助力的技术，其采用较为轻便的助力装置实现对穿戴者下肢的助力，用户穿戴体验有较大改善。但这类技术也存在较为明显的缺陷：其动力装置放置在膝关节处，动力装置包含的电机、减速机及相关传动机构会带来重量，动力装置的重量增加穿戴者腿部重量和惯量。此类装置髋关节不带有助力，穿戴者在抬腿时或上楼时会感觉不适，造成长时间穿戴体验不佳。此外，此类装置自身重量全部需要穿戴者来承担，长时间穿戴会增加穿戴者负担，体验不好。现有技术中，外骨骼装置腰背机构多采用全刚性机构，如专利200680006514.1、专利200780027195.7披露的均为刚性腰背，其在使用时不贴身、不舒适。专利CN104398322披露了一种柔性背部机构，采用两根钢索来控制腰背的刚性，实现复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种柔性承力腰背机构及其助力支架和轻便助力设备。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种柔性承力腰背机构，包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板旋转联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度。进一步技术方案：所述主腰板与背板的转动方向的转动轴以及各个相邻所述背板之间的转动方向的转动轴为垂直于穿戴者的冠状面或垂直于穿戴者的矢状面。进一步技术方案：所述背板与主腰板联接的为第一背板；所述第一背板与主腰板旋转的两侧均设有限位部，以限制第一背板相对于主腰板的转动。进一步技术方案：其中，相邻所述背板在转动方向上设有第二限位部；所述第二限位部包括前限位与后限位；所述前限位与后限位限制相邻背板的在穿戴者前后方向上的转动角度。进一步技术方案：所述主腰板与背板内部于竖直方向均设有空腔，且相互联通以形成通腔；所述设有长形弹性体；所述长形弹性体贯通通腔，以使主腰板与背板之间及背板与背板之间具有回复力。进一步技术方案：所述主腰板及背板内部的空腔偏置于旋转中心；所述长形弹性体于通腔内内处于弯曲状态，且长形弹性体的回复力使得背板位于相应限位处。进一步技术方案：还包括活动腰板；所述主腰板两端均旋转联接有活动腰板；所述活动腰板与主腰板旋转联接，以适应不同腰围的穿戴者。一种助力支架，包括髋关节机构、膝关节机构、大腿杆、小腿杆和足部机构；所述髋关节机构上端与所述腰板固定联接，下端与大腿杆旋转联接；所述膝关节机构设有膝关节转轮，其与所述大腿杆下端旋转联接；所述小腿杆上端传动联接所述膝关节转轮，下端联接所述足部机构；还包括上述的腰背机构。一种轻便助力设备，包括动力系统，上述的助力支架，及人机连接系统；所述动力系统包括拉索驱动动力装置及设于拉索驱动动力装置动力输出端的拉索；所述拉索驱动动力装置通过拉索与助力支架传动联接。进一步技术方案：所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带；所述背部绑带、腰部绑带与所述腰背机构固定，所述大腿绑带、小腿绑带分别与所述大腿杆、小腿杆固定；所述拉索驱动动力装置固定于腰背机构；所述髋关节机构设有髋关节惰轮，所述拉索绕过所述髋关节惰轮，并动力输出端固定于膝关节转轮或小腿杆。进一步技术方案：还包括传感控制系统和能源系统；所述能源系统为电池，其为所述传感控制系统和动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器和/或膝关节角度传感器和/或髋关节角度传感器、足底压力传感器及主控单元；所述拉索张力传感器设置于所述拉索驱动动力装置或其延伸结构上，用以测量所述拉索的张力大小，所述膝关节角度传感器和髋关节角度传感器分别置于所述膝关节机构和髋关节机构内，分别可以测量大腿杆与小腿杆相对角度以及腰部连接段与大腿杆的相对角度；所述足底压力传感器设置于穿戴者足底，用以检测穿戴者是否触地；所述主控单元均与拉索张力传感器、或膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、足底压力传感器电性连接。进一步技术方案：所述足底压力传感器包括气鞋垫及气压传感器；所述气鞋垫设于鞋底上表面；所述气压传感器设置于气鞋垫内；所述气鞋垫受到穿戴者的足部挤压，其内部气压产生变化，所述气压传感器感知气压变化，进而检测穿戴者足底对鞋底的压力。进一步技术方案：还包括与气鞋垫相互联通的气囊；所述气囊通过设有的导气管与气鞋垫密封联通。进一步技术方案：所述控制单元不断采集所述传感控制系统的数据，根据所述足底压力传感器压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器相关传感值是否达到设定门限，以判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态或是处于摆动状态；当判断穿戴者下肢处于触地支撑状态，则根据传感控制系统所感知穿戴者姿态并设定给力目标值，驱动所述动力系统收紧拉索以提供扭矩，以使拉索张力传感器测量值达到设定值，从而使穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器及髋关节角度传感器的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统根据放出拉索，使得所述编码器机构测量值达到设定值。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术拉索驱动动力装置通过采用精简结构设计，重量轻、能量密度高。基于拉索驱动动力装置的动力系统，采用拉索传动的方式输出动力，将动力装置上移至穿戴者腰部附近，减轻腿部惯量，提高穿戴者运动灵活性、机动性。采用柔性承力腰背机构一方面可以负荷重物，一方面可以适配穿戴者腰背扭动，使得穿戴者背负重物运动时容易调整质心、稳定性好，其内嵌的弹性体可以使得柔性腰背具备可恢复性，减小负重时所述柔性腰背与穿戴者背部之间的压力。基于所述柔性承力腰背机构的轻便助力设备，集成传感器多，能同时感知穿戴者运动姿态和动力系统状况，从而可以智能地针对穿戴者运动姿态控制所述动力系统拉紧或放松拉索。拉紧拉索时为穿戴者提供助力支持，放松拉索时允许穿戴者下肢自由摆动，本专利技术简化助力装置控制、提升穿戴者体验、降低成本并提高系统可靠性。本专利技术的拉索驱动轻便助力设备结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力，能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而穿戴者在使用本专利技术装置时动作更为灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性承力腰背机构，其特征在于，包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板转动联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性承力腰背机构，其特征在于，包括主腰板和若干个依次相互转动联接的背板；所述主腰板为弧形结构，且用于环绕于穿戴者后腰部；若干个所述背板依次设置于穿戴者脊柱对应位置；所述主腰板中部上端与背板转动联接，若干个所述背板依次转动联接，以使主腰板相对于背板具有多个转动自由度。


2.根据权利要求1所述的柔性承力腰背机构，其特征在于，所述主腰板与背板的转动方向的转动轴以及各个相邻所述背板之间的转动方向的转动轴为垂直于穿戴者的冠状面或垂直于穿戴者的矢状面。


3.根据权利要求1所述的柔性承力腰背机构，其特征在于，所述背板与主腰板联接的为第一背板；所述第一背板与主腰板旋转的两侧均设有限位部，以限制第一背板相对于主腰板的转动。


4.根据权利要求3所述的柔性承力腰背机构，其特征在于，其中，相邻所述背板在转动方向上设有第二限位部；所述第二限位部包括前限位与后限位；所述前限位与后限位限制相邻背板的在穿戴者矢状面方向上的转动角度。


5.根据权利要求1或2或3所述的柔性承力腰背机构，其特征在于，所述主腰板与背板内部于竖直方向均设有空腔，且相互联通以形成通腔；所述设有长形弹性体；所述长形弹性体贯通通腔，以使主腰板与背板之间、背板与背板之间具有回复力。


6.根据权利要求5所述的柔性承力腰背机构，其特征在于，所述主腰板及背板内部的空腔偏置于主腰板与背板的旋转中心或相邻背板的旋转中心；所述长形弹性体于通腔内处于弯曲状态，且长形弹性体的回复力使得背板位于相应限位处。


7.根据权利要求1所述的柔性承力腰背机构，其特征在于，还包括活动腰板；所述主腰板两端均旋转联接有活动腰板；所述活动腰板与主腰板旋转联接，以适应不同腰围的穿戴者。


8.一种助力支架，包括髋关节机构、膝关节机构、大腿杆、小腿杆及足部机构；其特征在于，所述髋关节机构上端与所述腰板固定联接，下端与大腿杆旋转联接；所述膝关节机构设有膝关节转轮，且所述大腿杆下端旋转联接；所述小腿杆上端传动联接所述膝关节转轮，下端联接所述足部机构；还包括权利要求1至7任一项所述的腰背机构。


9.一种轻便助力设备，其特征在于，包括动力系统，权利要求8所述的助力支架，及人机连接系统；所述动力系统包括拉索驱动动力装置及设于拉索驱动动力装置动力输出端的拉索；所述拉索驱动动力装置通过拉索与助力支架传动联接。


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【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：深圳市肯綮科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44