一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼制造技术

本实用新型专利技术为一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼，包括上身背负部分、承重板和驱动机构，上身背负部分包括主机架和上身绑缚部分，两个驱动机构对称设置在主机架的两侧；所述驱动机构包括大腿绑缚杆、连杆、三角架、滑动杆和滑块；主机架侧面的前端与大腿绑缚杆的上端转动连接，主机架侧面的后端与三角架的第一顶点转动连接，连杆的一端与三角架的第二顶点转动连接，连杆的另一端与大腿绑缚杆的中部转动连接，三角架的第三顶点转动连接有滑块；滑动杆的上端插装在主机架侧面的后端，滑动杆的上端与承重板的中部接触而不固定，滑动杆的下端设有与滑块配合的水平滑槽，滑块能够在水平滑槽内往复滑动。在负重行走过程中，外骨骼能够减小重物的振荡，以缓解人体上肢疲劳。以缓解人体上肢疲劳。以缓解人体上肢疲劳。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼


[0001]本技术属于外骨骼
，尤其涉及一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼。

技术介绍

[0002]外骨骼是一种辅助人体行走运动的仿生机器人，背负外骨骼主要用于辅助人体长时间的负重行走，具有增强人体负重能力，在运动过程中为人体提供助力的功能。在负重行走过程中，重物随人体运动而在竖直方向上振荡，所产生的振荡力会增大人体上肢受力，大大降低人体的负重能力，也是导致上肢疲劳的主要因素之一。
[0003]研究表明，在人体行走过程中减小重物的振荡可有效缓解人体上肢疲劳，现有的背负外骨骼大多采用弹簧、绳轮等机构作为重物质心调节机构，以达到缓冲减震的目的。如申请号为202110585438.0的专利申请公开了一种负重外骨骼背负装置，当重物在竖向往复运动时，重物作用在旋转连接件上的作用力发生变化，两个支撑杆之间设有支撑弹簧，重物对旋转连接件作用力的变化会引起支撑弹簧的变形，此时支撑弹簧将通过变形对动态负重时的能量进行缓冲，吸收部分重物对外骨骼和人体产生的直接作用力，达到缓冲减震的目的。但是弹簧的弹力不可控，当重物重量过小或过大，人体运动速度较快时，会导致机构稳定性下降，缓解重物振荡的效果较差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本技术拟解决的技术问题是，提出了一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼。
[0005]本技术解决所述技术问题采用的技术方案是：
[0006]一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼，包括上身背负部分、承重板和驱动机构，上身背负部分包括主机架和上身绑缚部分；两个驱动机构对称设置在主机架的两侧，承重板位于主机架的后侧；
[0007]所述驱动机构包括大腿绑缚杆、连杆、三角架、滑动杆和滑块；主机架侧面的前端与大腿绑缚杆的上端转动连接，主机架侧面的后端与三角架的第一顶点转动连接，连杆的一端与三角架的第二顶点转动连接，连杆的另一端与大腿绑缚杆的中部转动连接，三角架的第三顶点转动连接有滑块；滑动杆的上端插装在主机架侧面的后端，滑动杆的上端与承重板的中部接触而不固定，滑动杆的下端设有与滑块配合的水平滑槽，滑块能够在水平滑槽内往复滑动；大腿绑缚杆、主机架与大腿绑缚杆和三角架两个连接点之间的部分、三角架第一顶点与第二顶点之间的部分、连杆共同构成四杆机构，滑动杆和滑块构成正弦机构，三角架作为正弦机构的动力源；在人体负重行走过程中，在四杆机构的作用下，滑动杆沿着主机架上、下往复移动，使承重板上、下往复移动，以减小重物质心的振荡。
[0008]进一步的，将三角架的第一顶点、第二顶点和第三顶点分别记为点D、C、E，则三角架的DC杆与DE杆之间的夹角为76
°
，DE杆与EC杆之间的夹角为44
°
；DE杆的长度为140mm；滑
动杆的水平滑槽的长度为215mm。
[0009]进一步的，所述主机架呈L型，包括底部支架和位于底部支架之上的弧形背板；底部支架上设有承重板引导杆，承重板套装在承重板引导杆上，承重板能够沿着承重板引导杆上、下往复移动。
[0010]进一步的，所述滑动杆的上端部设有海绵层，通过海绵层实现滑动杆与承重板的柔性接触。
[0011]与现有技术相比，本技术的有益效果是：
[0012]1.大腿绑缚杆、主机架与大腿绑缚杆和三角架两个连接点之间的部分、三角架第一顶点与第二顶点之间的部分、连杆共同构成四杆机构，滑动杆和滑块构成正弦机构，三角架作为正弦机构的动力源；在四杆机构和正弦机构的作用下，在步态周期的双支撑相末期至下一个双支撑相初期，重物从最高点下移至最低点，再上移至最高点，使重物的移动方向与人体重心的变化方向相反，即人体重心从最低点运动至最高点的过程中，重物从最高点运动至最低点，人体重心从最低点运动至最高点的过程中，重物从最低点运动至最高点，实现重物质心的自适应调节；通过控制重物的移动方向来减小重物的振荡，以减小人体上肢受力，缓解上肢疲劳，提高负重能力。
[0013]2.本技术使用纯机械式刚性结构，背负重物的重量范围大、结构简单、稳定可控，可降低重物跟随人体运动产生的振荡；在无外部驱动的情况下即可正常使用，并减少了人体肩背部所受来自重物的压力及下肢髋关节的峰值力矩。实验表明，背负30kg重物时，人体肩部所受压力降低53.68％；背部所受压力降低53.65％；腰椎关节力矩降低51.23％；髋关节力矩降低20.10％。本技术可以作为模块化结构，与其他现有的髋关节驱动下肢外骨骼组装使用，可应用于工人进行搬运工作等需要长时间背负重物行走的工作场合中。
附图说明
[0014]图1为本技术的整体结构示意图；
[0015]图2为本技术的右视图；
[0016]图3为本技术的驱动机构与主机架的连接示意图；
[0017]图4为图3中部位c的爆炸图；
[0018]图5为图3中部位a的爆炸图；
[0019]图6为图3中部位b的爆炸图；
[0020]图7为三角架的尺寸图；
[0021]图8为滑动杆的尺寸图；
[0022]图9为上身背负部分的结构示意图；
[0023]图10(a)为步态周期的双支撑相末期支撑腿侧驱动机构的位置示意图；
[0024]图10(b)为步态周期的单支撑相中期支撑腿侧驱动机构的位置示意图；
[0025]图10(c)为步态周期的双支撑相初期支撑腿侧驱动机构的位置示意图；
[0026]图11为正常行走过程中人体重心变化轨迹图；
[0027]图12为有、无外骨骼的情况下，人体负重行走过程中重物质心的变化轨迹对比图；
[0028]图中：1、驱动机构；2、重物；3、上身绑缚部分；4、承重板；5、主机架；
[0029]100、大腿绑缚杆；101、连杆；102、三角架；103、滑动杆；104、滑块；105、销轴；106、
销轴垫圈；107、第一定位销；108、阶梯轴；109、第二定位销；110、阶梯轴垫圈；111、第三定位销；112、滑块垫圈；113、连接轴；300、第一肩部绑带；301、第二肩部绑带；302、腰腹部横向绑带；401、承重板引导杆；501、底部支架；502、弧形背板；
[0030]100
‑
1、大腿绑带；103
‑
1、水平滑槽；103
‑
2、海绵层。
具体实施方式
[0031]下面结合具体实施方式和附图对本技术的技术方案进行详细描述，并不用于限定本申请的保护范围。
[0032]本技术为一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼(简称背负外骨骼，参见图1～12)，包括上身背负部分、承重板4和两个驱动机构1，上身背负部分包括主机架5和上身绑缚部分3；两个驱动机构1对称设置在主机架5的两侧，承重板4与主机架5的后侧连接，用于放置重物2；
[0033]所述驱动机构1包括大腿绑缚杆100、连杆101、三角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应调节重物质心的刚性背负外骨骼，包括上身背负部分、承重板和驱动机构，上身背负部分包括主机架和上身绑缚部分；两个驱动机构对称设置在主机架的两侧，承重板位于主机架的后侧；其特征在于，所述驱动机构包括大腿绑缚杆、连杆、三角架、滑动杆和滑块；主机架侧面的前端与大腿绑缚杆的上端转动连接，主机架侧面的后端与三角架的第一顶点转动连接，连杆的一端与三角架的第二顶点转动连接，连杆的另一端与大腿绑缚杆的中部转动连接，三角架的第三顶点转动连接有滑块；滑动杆的上端插装在主机架侧面的后端，滑动杆的上端与承重板的中部接触而不固定，滑动杆的下端设有与滑块配合的水平滑槽，滑块能够在水平滑槽内往复滑动；大腿绑缚杆、主机架与大腿绑缚杆和三角架两个连接点之间的部分、三角架第一顶点与第二顶点之间的部分、连杆共同构成四杆机构，滑动杆和滑块构成正弦机构，三角架作为正弦机构的动力源；在人体负重行走过程中，在四杆机构的作用下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，李希源，戚开诚，郭士杰，艾存金，宋井科，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：