CN103284819A - 一种助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统，通过在背架背部左右对称设置两条加强连接板以增强背架的强度，同时在背架后部左右对称设置两套垂向支撑架和横向支撑架，其中垂向支撑架的长边通过插销与背架连接，短边通过插销与横向支撑架连接，通过改变安装孔的位置实现垂向支撑架的上下调节和横向支撑架的前后调节。

Description

一种助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统

技术领域

本发明涉及机械结构的设计，尤其涉及一种用于助力型外骨骼的背负系统，通过垂向和横向支撑架调节机构的设计实现背负系统挂点位置的调节，满足各种人体尺寸的要求。 

背景技术

人体外骨骼是基于人机耦合系统理论研发的智能化机械装备，该装备已在美国军事领域进行了较为普及的推广和应用。人体外骨骼设计制造的主要目标是有效支撑负重载荷，并将80%的负重量传至地面，而人体自身只需承受20%的负重竖直向载荷和全部水平载荷。人体外骨骼不仅可以帮助士兵大大增强作战时的负重量，使单个士兵的负重量达到40kg～90kg。同时，该人体外骨骼还可帮助登山者和野外活动者提升单人负重能力，并提供支撑、减重、关节保护等功能。 

背架结构在整个人体外骨骼中起着十分重要的作用，通过对美国HULC背架结构的研究和对平常登山爱好者所使用背架结构的研究，人体外骨骼可将单人负重量从20kg～40kg提升至40kg～90kg。背架结构须保证在承载和卸载后能够很好的回复原状态，并且背架结构需要具有一定的柔韧性使人体与其接触时不会感觉不适。通用的旅行用背架一般采用碳钢材料进行加工制作。碳钢材料的强度大，很容易满足强度性能的要求。但碳钢材料密度高，用碳钢制造的背架质量太大，加重了人体的负担；并且由于碳钢质地脆硬，所以其对人体的贴合程度差，在大负重量下易造成对人体背部的损伤。利用普通塑料制作的背架虽然质地柔软、密度小，但是其强度和刚度差，易造成断裂，导致严重的安全事故。 

在以往对人体外骨骼的研究中，研究内容主要集中在控制系统、信号处理系统、机构仿生等领域。其中虽然也有对背架结构的研究，但主要集中在材料性能、结构减重和刚性约束结构分析等方面。而且所研究的背架其功能只能将负重置于背架的背部，利用“背”的姿势进行负重行走，对人体前方的负重则显得无能为力。同时背架的挂点位置不能调节，当遇到体形相差很大的人体时，背架不能满足人体尺寸的要求。 

本发明提出一种新的用于助力型外骨骼的前抬式可调节背负系统，使用铝合金材料作为背负系统制造的主体材料，可减轻重量；在背架背部设置垂向支撑架，通过插销与背架连接，且能通过插孔位置的变化实现挂点的上下调节；同时设置横向支撑架，通过插销与垂向支撑架连接，并通过插孔位置的改变实现挂点的前后调节；通过设置垂向和横向支撑架不仅能满足人体多体形的使用要求，还能增强背负系统的强度和刚度。 

发明内容

本发明是应用于外骨骼的前抬式可调节背负系统，其目的是通过在背架背部左右对称设置两条加强连接板增强背架的强度，同时在背架后部左右对称设置两套垂向支撑架和横向支撑架，其中垂向支撑架的长边通过插销与背架连接，短边通过插销与横向支撑架连接，通过改变安装孔的位置实现垂向支撑架的上下调节和横向支撑架的前后调节，可最大限度的满足不同尺寸的人体使用要求，并实现背负系统挂点的前置，使得负重可以位于人体的前方。 

本发明所采用的技术方案是： 

一种助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统，其特征在于,在外骨骼系统中设置前抬式可调节背负系统，主要由四个部件构成，包括：横向支撑架（1）、垂向支撑架（2）、轻型背架（3）和插销（4）；其中轻型背架通过束缚装置与人体背部连接；垂向支撑架为两件，沿人体脊柱对称布置，通过插销与轻型背架连接；横向支撑架为两件，通过插销与垂向支撑架连接。 

本发明应用于外骨骼的前抬式可调节背负系统，通过铝合金轻型材料制造背负系统中的背架，背架尺寸与人体背部尺寸一致，在背架的下部设置横向筋板、竖向筋板和安装板，并通过焊接工艺将各零件焊接为框架结构，增强布局强度，用于与髋部结构的连接；在背架背部左右对称设置两条加强连接板，每条连接板上设有两个通孔，在增强背架强度的同时，利用通孔可作为垂向支撑架的安装座；为实现背负系统的调节功能，在系统中设置垂向支撑架，其为中空L型结构，长边通过插销与背架背部的加强连接板连接，通过改变安装孔的位置实现垂向支撑架的上下调节；在系统中还设置有横向支撑架，其与垂向支撑架的短边通过插销连接，通过改变安装孔的位置可实现横向支撑架的前后调节，以满足背负系统挂点的前置和挂点可调节的使用要求；负重通过横向支撑 架→插销→垂向支撑架→背架→外骨骼髋部结构的顺下向下传递。 

本发明的工作过程： 

结合附图可以看到，垂向支撑架的长边通过插销与背架背部的加强连接板连接，通过调节安装孔的位置可以使得垂向支撑架上下移动；横向支撑架通过插销与垂向支撑架的短边连接，通过使用不同位置的安装孔可以实现横向支撑架的前后调节，横向支撑架短边的通孔用于与负重的吊挂装置连接。 

背架的主体为背板，为加强背架与外骨骼髋部结构连接处的强度，在背板下端设置横向筋板、竖向筋板和安装板，并通过焊接工艺使其成为框架结构，实现与髋部结构的连接；为增强背板的抗弯强度，在背板背面左右对称设置两条加强连接板，连接板中部设有两个通孔，既能加强背架的刚度和强度，又能为垂向支撑架提供安装位置。 

垂向支撑架为L型结构，内部中空，以减轻自重；L型的长边设有两组通孔，分别与背架上加强连接板上的两个通孔对应，通过插销进行连接，使用不同位置的安装孔，可以实现垂向支撑架的上下调节；L型的短边设有一组通孔，用于与横向支撑架的连接。 

横向支撑架为L型结构，内部中空，以减轻自重；L型的长边设有一组通孔，与垂向支撑架短边的通孔对应，通过不同位置的安装孔进行安装，可以实现横向支撑架的前后调节；L型的短边设有两个通孔，用于连接负重。 

通过这种应用于助力型外骨骼的前抬式可调节背负系统，可以使得背负系统挂点的位置能够上下、前后的调节，以适应各种尺寸的人体形状的使用要求，也能增强背架的强度和刚度。 

附图说明

图1是外骨骼前抬式可调节背负系统装配图。 

图2是图1的侧视图。 

图3是背架的主视图。 

图4是图3的侧视图。 

图5是4的A向视图。 

图6是垂向支撑架的侧视图。 

图7是图6的A－A剖视图。 

图8是横向支撑架的外观图。 

图9是图8的侧视图。 

具体实施方式

实施例一 

图1图2示出，本发明的一种实施例为： 

助力型外骨骼的前抬式可调节背负系统主要由横向支撑架1、垂向支撑架2、轻型背架3和插销4组成；其中轻型背架通过束缚装置与人体背部连接；垂向支撑架为两件，沿人体脊柱对称布置，通过插销与轻型背架连接；横向支撑架为两件，通过插销与垂向支撑架连接。 

图3、图4和图5示出，背架为铝合金材料焊接结构，由背板1、加强连接板2、横向筋板3、竖向筋板4和安装板5构成；加强连接板为两件，在背板背部左右对称布置，连接板上设有两个通孔，用于垂向支撑架的连接；背板、横向筋板、竖向筋板和安装板在通过焊接工艺在背板下方形成一个框架结构，可增强背负系统与外骨骼髋部结构连接部位的强度，竖向筋板上设有通孔，用于与髋部结构的连接。 

图6和图7示出，垂向支撑架为中空的L型结构，两条边上均设置有通孔，长边上的通孔用于与背架连接，短边上的通孔用于与横向支撑架的连接。 

图8和图9示出，横向支撑架为中空的L型结构，两条边上均设置有通孔，长边上的通孔用于与垂向支撑架连接，短边上的通孔用于与负重连接。 

Claims (4)

1.一种助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统，其特征在于,在外骨骼系统中设置前抬式可调节背负系统，主要由四个部件构成，包括：横向支撑架（1）、垂向支撑架（2）、轻型背架（3）和插销（4）；其中轻型背架通过束缚装置与人体背部连接；垂向支撑架为两件，沿人体脊柱对称布置，通过插销与轻型背架连接；横向支撑架为两件，通过插销与垂向支撑架连接。

2.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统，其特征在于,可调节背负系统采用轻型背架采用铝合金材料制造，包括：背板（1）、加强连接板（2）、横向筋板（3）、竖向筋板（4）和安装板（5）；背板尺寸与人体背部尺寸一致；加强连接板为两件，沿人体脊柱左右对称布置；加强连接板上设置有两个通孔，通过插销可实现与垂向支撑架的连接；背板、横向筋板、竖向筋板和安装板在通过焊接工艺在背板下方形成一个框架结构；竖向筋板上设有通孔，用于与髋部结构的连接。

3.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统，其特征在于,垂向支撑架为倒L型结构，其内部为中空结构，起到减重的作用；垂向支撑架的长边设有两组通孔，通过插销用于与背架之间的连接，通过使用每组中不同位置的安装孔，可实现垂向支撑架的上下调节；垂向支撑架的短边设有一组通孔，通过插销用于与横向支撑架之间的连接，采用不同位置的孔可实现横向支撑架的前后位置调节。

4.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用前抬式可调节背负系统，其特征在于,所述横向支撑架为L型结构，其内部为中空结构；横向支撑架的长边设有一组通孔，通过插销用于与垂向支撑架之间的连接；横向支撑架的短边设有两个通孔，通过插销用于与外骨骼提升装置的连接。

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