电动腰部辅助外骨骼制造技术

本发明专利技术提供了一种电动腰部辅助外骨骼，包括背板(1)、肩部背带(2)、驱动致动装置(3)、大腿套(4)、左大腿连接杆(5)以及右大腿连接杆(6)；所述背板(1)上端连接肩部背带(2)，背板(1)下端连接驱动致动装置(3)，驱动致动装置(3)的两侧分别连接左大腿连接杆(5)、右大腿连接杆(6)，左大腿连接杆(5)、右大腿连接杆(6)上均设置有大腿套(4)。本发明专利技术结构简单合理，小巧轻便，通过肩部背带和大腿套穿戴，穿戴后驱动致动装置位于腰部并能够辅助腰部进行弯腰和伸展动作；采用滑动器、髋部屈曲线以及髋部伸展线，通过串联弹性致动的方法执行辅助力的控制，支持穿戴者的弯腰和蹲起动作。

【技术实现步骤摘要】
电动腰部辅助外骨骼
本专利技术涉及医疗器械
，具体地，涉及一种电动腰部辅助外骨骼。
技术介绍
目前，许多工人正遭受重复运动的工业任务引起的肌肉骨骼疾病，这些疾病会对工人的日常生活产生负面影响，代表性症状之一是下腰痛，尤其是在建筑，运输，储存，人类健康和社会工作活动领域，背部疾病的发生率更高。外骨骼技术被认为是预防肌肉骨骼疾病的有效的解决方案，但传统的腰部辅助外骨骼由于太重和扭矩传递不足导致穿着不舒服，并且大多腰部辅助外骨骼背部较长、材料过硬，会干扰穿戴者的自然腰部运动。传统有源腰部助力外骨骼常采用的驱动方式主要有电机、液压、电推杆、气动肌肉等，无源系统则多采用弹簧作为储能形式，或者通过钢丝绳，转轮相组合的形式，实现长距离力或力矩的传递。利用弹簧在人体弯腰时的拉伸来存储人体重力势能，然后在人体伸展过程中提供助力。传统的腰部辅助外骨骼结构复杂、功能单一，对穿戴者关节限制较大。公开号为CN207930662U的专利文献公开了一种被动型腰部辅助外骨骼，采用气弹簧驱动，结构简单，重量较轻，便于使用者的活动，继而增强辅助效果。但是气弹簧驱动机构速度易变动，难于精确控制，低温特性差，由于系统缺少外部能量，系统输出的助力相对较小，且无法根据外在负载变化进行实时调节。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种电动腰部辅助外骨骼。根据本专利技术提供的一种电动腰部辅助外骨骼，包括背板、肩部背带、驱动致动装置、大腿套、左大腿连接杆以及右大腿连接杆；所述背板上端连接肩部背带，背板下端连接驱动致动装置，驱动致动装置的两侧分别连接左大腿连接杆、右大腿连接杆，左大腿连接杆、右大腿连接杆上均设置有大腿套。优选地，所述驱动致动装置包括左髋连接件、右髋连接件、左髋轴、右髋轴、弹性致动装置以及电力控制系统；所述左髋连接件、右髋连接件分别连接背板的两侧，左髋连接件通过左髋轴连接左大腿连接杆，右髋连接件通过右髋轴连接右大腿连接杆；所述电力控制系统设置在背板上，电力控制系统连接弹性致动装置，弹性致动装置设置在背板、左髋连接件以及右髋连接件上并连接左髋轴、右髋轴。优选地，所述电力控制系统包括电池、IMU传感器以及控制驱动器，所述电池分别连接IMU传感器、控制驱动器以及弹性致动装置；所述IMU传感器连接控制驱动器，控制驱动器连接弹性致动装置。优选地，所述左髋连接件、右髋连接件为折形，左髋连接件折形的一端连接背板，左髋连接件折形的另一端连接左髋轴，右髋连接件折形的一端连接背板，右髋连接件折形的另一端连接右髋轴。优选地，所述驱动致动装置还包括盆骨连接杆，背板与左髋连接件之间、背板与右髋连接件之间均设置有盆骨连接杆。优选地，所述盆骨连接杆包括伸缩杆装置，所述伸缩杆装置能够调节盆骨连接杆的长度；通过调节盆骨连接杆与背板的连接角度，能够调节盆骨连接杆长度变化时对应的宽度与深度变化的比例。优选地，所述弹性致动装置包括电机、滚珠丝杠、滑动器、走线定滑轮、换向定滑轮、髋部屈曲线以及髋部伸展线，所述滑动器包括滑动装置、动滑轮P7、动滑轮P8；所述电机安装在背板上并连接电力控制系统，电机的转轴连接滚珠丝杠，滑动装置套设在滚珠丝杠上并能够在电机的作用下沿着滚珠丝杠左右运动，滑动装置上设置有动滑轮P7、动滑轮P8，动滑轮P7、动滑轮P8的轴向位于同一直线上；所述髋部屈曲线缠绕在动滑轮P7上，髋部屈曲线的一端通过多个走线定滑轮穿过右髋连接件内部绕过右髋轴前半周后通过髋部屈曲线固定装置固定，髋部屈曲线的另一端绕过动滑轮P7右侧的换向定滑轮换向后通过多个走线定滑轮穿过左髋连接件内部绕过左髋轴前半周后通过髋部屈曲线固定装置固定；所述髋部伸展线缠绕在动滑轮P8上，髋部伸展线的一端通过多个走线定滑轮穿过左髋连接件内部绕过左髋轴后半周后通过髋部伸展线固定装置固定，髋部伸展线的另一端绕过动滑轮P8左侧的换向定滑轮换向后通过多个走线定滑轮穿过右髋连接件内部绕过右髋轴后半周后通过髋部伸展线固定装置固定。优选地，所述电机上设置有差分编码器，所述左髋轴、右髋轴上分别设置有绝对磁编码器；所述滑动器左右运动的范围在动滑轮P8左侧的换向定滑轮与动滑轮P7右侧的换向定滑轮之间。优选地，所述髋部屈曲线固定装置包括线导向器、髋部屈曲弹簧以及屈曲线固定件，所述髋部屈曲线的两端分别通过左髋轴、右髋轴下部的线导向器导向后贯穿髋部屈曲弹簧并通过屈曲线固定件固定在髋部屈曲弹簧的端部；所述髋部伸展线固定装置包括线导向器、髋部伸展弹簧以及伸展线固定件，所述髋部伸展线的两端分别通过左髋轴、右髋轴下部的线导向器导向后贯穿髋部伸展弹簧并通过伸展线固定件固定在髋部伸展弹簧的端部。优选地，所述左大腿连接杆、右大腿连接杆采用伸缩杆，所述大腿套能够相对于左大腿连接杆、右大腿连接杆在前后方向旋转，所述左大腿连接杆、右大腿连接杆能够相对于驱动致动装置在左右方向旋转。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术结构简单合理，小巧轻便，穿戴舒适，通过肩部背带和大腿套穿戴，穿戴后驱动致动装置位于腰部并能够辅助腰部进行弯腰和伸展动作。2、本专利技术通过采用滑动器在滚珠丝杠上左右滑动带动髋部屈曲线、髋部伸展线做相反的运动(一个伸长，则另一个收缩)，从而带动左髋轴和右髋轴产生旋转力矩，通过串联弹性致动的方法执行辅助力的控制，支持穿戴者的弯腰和蹲起动作。3、本专利技术采用走线定滑轮将滑动器动滑轮上缠绕的髋部屈曲线、髋部伸展线的两端引导到左髋轴和右髋轴，并通过换向定滑轮实现双向同步传输，即髋部屈曲线在左髋轴、右髋轴的运动相同(同为收缩或同为伸长)，髋部伸展线在左髋轴、右髋轴的运动相同(同为收缩或同为伸长)，从而实现左髋轴、右髋轴产生的旋转力矩作用方向相同。4、本专利技术采用导向线+滚珠丝杠驱动机构，由单个执行器进行导向线驱动，与传统的差分机构相比，更加经济轻便，并且它允许双向功率传输，可以通过串联弹性致动(SEA)的方法执行精细的力控制。5、本专利技术通过骨盆连接杆可以很轻松的进行宽度/深度调节(宽度对应于人体左右尺寸，深度对应于人体前后尺寸)，大腿杆采用伸缩杆，大腿套能够相对于大腿杆在前后方向旋转，大腿杆能够相对于驱动致动装置在左右方向旋转，具备两个用于髋关节屈伸的前驱动自由度、两个大腿外展/内收的被动自由度和两个大腿套的被动自由度，充分贴合穿戴者的大腿形状，以及穿戴者的髋部的身材，提高穿着舒适感。6、本专利技术采用IMU传感器测量估计穿戴者躯干的方向，判断穿戴者腰部的运动趋势，再通过控制驱动器换算需要补偿的力，然后通过电机控制滑动器滑动的方向和距离输出需要补充的力，对穿戴者腰部的运动进行辅助补偿。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术除肩部背带外的结构示意图。图3为本专利技术驱动致动装置及背板的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，包括背板(1)、肩部背带(2)、驱动致动装置(3)、大腿套(4)、左大腿连接杆(5)以及右大腿连接杆(6)；/n所述背板(1)上端连接肩部背带(2)，背板(1)下端连接驱动致动装置(3)，驱动致动装置(3)的两侧分别连接左大腿连接杆(5)、右大腿连接杆(6)，左大腿连接杆(5)、右大腿连接杆(6)上均设置有大腿套(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，包括背板(1)、肩部背带(2)、驱动致动装置(3)、大腿套(4)、左大腿连接杆(5)以及右大腿连接杆(6)；
所述背板(1)上端连接肩部背带(2)，背板(1)下端连接驱动致动装置(3)，驱动致动装置(3)的两侧分别连接左大腿连接杆(5)、右大腿连接杆(6)，左大腿连接杆(5)、右大腿连接杆(6)上均设置有大腿套(4)。


2.根据权利要求1所述的电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，所述驱动致动装置(3)包括左髋连接件(29)、右髋连接件(28)、左髋轴(12)、右髋轴(10)、弹性致动装置以及电力控制系统；
所述左髋连接件(29)、右髋连接件(28)分别连接背板(1)的两侧，左髋连接件(29)通过左髋轴(12)连接左大腿连接杆(5)，右髋连接件(28)通过右髋轴(10)连接右大腿连接杆(6)；
所述电力控制系统设置在背板(1)上，电力控制系统连接弹性致动装置，弹性致动装置设置在背板(1)、左髋连接件(29)以及右髋连接件(28)上并连接左髋轴(12)、右髋轴(10)。


3.根据权利要求2所述的电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，所述电力控制系统包括电池(7)、IMU传感器(8)以及控制驱动器(16)，所述电池(7)分别连接IMU传感器(8)、控制驱动器(16)以及弹性致动装置；所述IMU传感器(8)连接控制驱动器(16)，控制驱动器(16)连接弹性致动装置。


4.根据权利要求2所述的电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，所述左髋连接件(29)、右髋连接件(28)为折形，左髋连接件(29)折形的一端连接背板(1)，左髋连接件(29)折形的另一端连接左髋轴(12)，右髋连接件(28)折形的一端连接背板(1)，右髋连接件(28)折形的另一端连接右髋轴(10)。


5.根据权利要求2所述的电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，所述驱动致动装置(3)还包括盆骨连接杆(11)，背板(1)与左髋连接件(29)之间、背板(1)与右髋连接件(28)之间均设置有盆骨连接杆(11)。


6.根据权利要求5所述的电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，所述盆骨连接杆(11)包括伸缩杆装置，所述伸缩杆装置能够调节盆骨连接杆(11)的长度；
通过调节盆骨连接杆(11)与背板(1)的连接角度，能够调节盆骨连接杆(11)长度变化时对应的宽度与深度变化的比例。


7.根据权利要求2所述的电动腰部辅助外骨骼，其特征在于，所述弹性致动装置包括电机(15)、滚珠丝杠(9)、滑动器(17)、走线定滑轮、换向定滑轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智军，李想，皮明，高洪波，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34