CN108214457A - 一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种用于下肢外骨骼的辅助设备。一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，其技术方案是：背板上部设有肩带，中部靠下部分设有一组背部弹性元件，背部弹性元件的一端固定在背板上，另一端连接一个辅助固定块；左右两个辅助固定块均通过销轴A与腰部连接板连接；腰部连接板两侧设有腰带，中部设有安装孔，销轴B穿过腰部连接板上的安装孔，将腰部连接板、铰接在一起的左腿部连接件以及右腿部连接件活动安装于背板；在左腿部连接件、右腿部连接件两侧的背板上设有弹性限位元件。本发明解决了使用者穿戴外骨骼行走过程中为保持在冠状面内的平衡需消耗使用者大量体力并提高穿戴舒适性的问题。

Description

一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种用于下肢外骨骼的辅助设备。
背景技术
外骨骼机器人是用于辅助人体完成一些让人体正常情况较难或无法完成的任务(如大负重情况下的长距离快速运动)，以大幅度增强人体的运动能力，可用于军事、科考、医疗、建筑、维修等领域。
由于外骨骼是一种省力助力的辅助设备，由人体生物力学可知，在行走过程中，人体躯干与骨盆在冠状面内有相对转动。现有的外骨骼设备中主要考虑到的是在矢状面内的省力助力问题，忽略了人穿戴外骨骼在行走过程中上肢躯干带动负载在冠状面内长时间摆动也会消耗人大量体力，并会在肩部的人机接口处对人体肩部造成较大的压力，降低穿戴者穿戴外骨骼的舒适性。再者，随着负载摆动幅度的增大，人体肩部受力也越来越大，在负载较大的情况下还有造成冠状面内倾覆的危险。
发明内容
本发明的目的是：为了解决使用者穿戴外骨骼行走过程中为保持在冠状面内的平衡需消耗使用者大量体力以及穿戴舒适性的问题，提出一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置。
本发明的技术方案是：一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，它包括：腰部连接板、背板、背部弹性元件、左腿部连接件、右腿部连接件、弹性限位元件以及辅助固定块；
背板上部设有肩带，中部靠与腰部连接板对应位置的左右两侧各设有一个背部弹性元件，背部弹性元件的一端固定在背板上，另一端连接一个辅助固定块；左右两个辅助固定块均通过销轴A与腰部连接板连接；
腰部连接板两侧设有腰带，中部设有安装孔，销轴B穿过腰部连接板上的安装孔，将腰部连接板以及顶部铰接在一起的左腿部连接件以及右腿部连接件活动安装于背板上；在左腿部连接件、右腿部连接件两侧的背板上设有弹性限位元件；左支撑腿、右支撑腿分别与左腿部连接件、右腿部连接件连接。
进一步的，腰部连接板上对称的设有一组弧形槽，每组弧形槽处设有一个以上的辅助调节块；辅助调节块为弧形结构，活动安装于腰部连接板，销轴A位于弧形槽内，通过将不同辅助调节块的开口侧转向弧形槽，调节销轴A的位置，改变背部弹性元件产生的力相对于背板与左腿部连接件、右腿部连接件以及腰部连接板铰接处的力臂，从而改变背部弹性元件所产生的复位扭矩。使用时：腰部连接板通过腰带和人体腰部连接在一起，背板通过肩带和人体肩部连接在一起；背板、左腿部连接件、右腿部连接件与腰部连接板铰接，三者相互之间可以相对转动；背板和腰部连接板之间通过背部弹性元件连接，背部弹性元件提供背板相对于腰部连接板的复位扭矩，从而达到减少人的上肢在带动负载摆动的过程中的体力消耗。
弹性限位元件通过螺纹或者销轴等方式与背板固连在一起，弹性限位元件的固定位置需要根据人体生物力学与左右腿部连接件的角度配合确定。弹性限位元件主要用于防止在负载较大时所可能造成的冠状面内的倾覆，并在一定程度上起到支撑负载，将负载的重量通过外骨骼传递到地面的作用。
有益效果：(1)使用者穿戴外骨骼负重行走的过程中，背部弹性元件将产生一个有助于背板回复至中立位姿的合扭矩，可减小使用者肩部受力，有效降低使用者背负负载在冠状面摆动所要消耗的体力，同时，提高使用者穿戴的舒适性。
(2)该发明可以方便的调节背部弹性元件的安装位置，从而使使用者穿戴外骨骼能够适应不同重量的负载行走，改善肩部受力以及提高使用者的舒适性，可操作性强。
(3)使用者穿戴外骨骼背负较大负重行走时，通过弹性限位元件限制腿部连接件和背板之间的活动范围，防止冠状面内重心失稳导致左右倾覆的危险。该弹性限位元件的安装位置是通过对人体生物力学进行分析得到的，既满足使用者穿戴外骨骼行走时躯干摆动的幅度，不影响正常行走的舒适性，又能及时限制摆动幅度防止因摆动幅度过大造成的倾覆。
附图说明
图1为本发明的爆炸视图；
图2为本发明的局部视图；
图3为本发明隐藏了腰部连接板的前视图；
图4为本发明中腰部连接板局部爆炸视图；
图5为本发明的前视图。
其中：本发明用于外骨骼躯干和人体上身的连接，故腿部、脚部人机接口在图中并未标出。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见附图1、2，一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，包括：腰部连接板1、背板2、背部弹性元件3、左腿部连接件6、右腿部连接件5、弹性限位元件4以及辅助固定块10。
参见附图1-3，背板2上部设有肩带8，中部靠下部分的左右两边各设置一个背部弹性元件3，背部弹性元件3的一端固定在背板2上，另一端连接一个辅助固定块10；左右两个辅助固定块10均通过销轴A与腰部连接板1连接。
参见附图4，腰部连接板1两侧设有腰带7，中部设有安装孔，销轴B穿过腰部连接板1上的安装孔，将腰部连接板1以及顶部铰接在一起的左腿部连接件6以及右腿部连接件5活动安装于背板2上；在左腿部连接件6、右腿部连接件5两侧的背板2上设有弹性限位元件4；左支撑腿、右支撑腿分别与左腿部连接件6、右腿部连接件5连接。
穿戴者在行走过程中，腰部连接板1通过腰带7与人体腰部连接，腰部连接板1和人体腰部几乎无相对运动；背板通过肩带8和人体肩部连接；背部弹性元件3和背板2与腰部连接板1通过销轴A以及辅助固定块10连接，在背板2和腰部连接板1产生相对转动时，背部弹性元件3会产生一个有助于背板2和腰部连接板1回复到平衡位置的合扭矩，从而减轻人体肩部受力，减少使用者体力精力的消耗。背部弹性元件3包括但不限于：拉伸弹簧、压缩弹簧、气弹簧、橡胶、橡皮拉力器或弹簧索。
根据人体生物力学可知，人在行走过程中上身躯干在冠状面内会有一个左右摆动的过程，这样使用者穿戴外骨骼行走时，背板2相对于左腿部连接件6、右腿部连接件5会有一个相对转动，为了限制这个相对转动的幅度防止重心失稳发生倾覆，在背板2上对称安装两个弹性限位元件4，将两者的相对转动限定在一定的范围内。
在步态负荷反应期，即从足底接触地面到身体重量转移至支撑腿之间的时间，人体上身躯干通过背板2带着负载向支撑腿侧倾斜，腰部连接板1会随着人体骨盆与背板2产生相对转动，支撑腿侧的左腿部连接件6、右腿部连接件5与背板2也有相反方向的转动，将向上倾斜。此时，背部两个背部弹性元件3产生一个合扭矩，将有助于躯干背着负载回复至中立姿态，从而减小人肩部受力，减轻人背负负载回复至中立姿态所消耗的体力。在此过程中，弹性限位元件4将阻止人体躯干通过背板2背负负载与左腿部连接件6、右腿部连接件5的大角度的相对转动，弹性限位元件4包括但不限于：橡胶、TPE等。弹性限位元件主要用于防止在负载较大时所可能造成的冠状面内的倾覆，并在一定程度上起到支撑负载，将负载的重量通过外骨骼传递到地面的作用。
参见附图5，进一步的，腰部连接板1上左右对称的设有两个弧形槽，每个弧形槽处设有一个以上的辅助调节块9；辅助调节块9为弧形结构，活动安装于腰部连接板1，销轴A位于弧形槽内，通过将不同辅助调节块9的开口侧转向弧形槽，调节销轴A的位置，改变背部弹性元件3产生的力相对于背板2与左腿部连接件6、右腿部连接件5以及腰部连接板1铰接处的力臂，从而改变背部弹性元件3所产生的复位扭矩，以适应不同重量负载的需求。
本发明解决了使用者穿戴外骨骼行走过程中为保持在冠状面内的平衡需消耗使用者大量体力并提高穿戴舒适性的问题。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，其特征在于：它包括：腰部连接板(1)、背板(2)、背部弹性元件(3)、左腿部连接件(6)、右腿部连接件(5)、弹性限位元件(4)以及辅助固定块(10)；
所述背板(2)上部设有肩带(8)，中部靠与所述腰部连接板(1)对应位置的左右两侧各设有一个所述背部弹性元件(3)，所述背部弹性元件(3)的一端固定在所述背板(2)上，另一端连接一个所述辅助固定块(10)；左右两个所述辅助固定块(10)均通过销轴A与所述腰部连接板(1)连接；
所述腰部连接板(1)两侧设有腰带(7)，中部设有安装孔，销轴B穿过所述腰部连接板(1)上的安装孔，将所述腰部连接板(1)以及顶部铰接在一起的所述左腿部连接件(6)以及右腿部连接件(5)活动安装于所述背板(2)上；在所述左腿部连接件(6)、所述右腿部连接件(5)两侧的所述背板(2)上设有所述弹性限位元件(4)；左支撑腿、右支撑腿分别与所述左腿部连接件(6)、所述右腿部连接件(5)连接。
2.如权利要求1所述的一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，其特征在于：所述腰部连接板(1)上对称的设有一组弧形槽，每组弧形槽处设有一个以上的辅助调节块(9)；所述辅助调节块(9)为弧形结构，活动安装于所述腰部连接板(1)，所述销轴A位于弧形槽内，通过将不同所述辅助调节块(9)的开口侧转向弧形槽，调节所述销轴A的位置，改变所述背部弹性元件(3)产生的力相对于背板(2)与所述左腿部连接件(6)、所述右腿部连接件(5)以及腰部连接板(1)铰接处的力臂，从而改变所述背部弹性元件(3)所产生的复位扭矩。
3.如权利要求1或2所述的一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，其特征在于：所述背部弹性元件(3)为：拉伸弹簧、压缩弹簧、气弹簧、橡胶、橡皮拉力器或弹簧索。
4.如权利要求1或2所述的一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置，其特征在于：所述弹性限位元件(4)为：橡胶或TPE。
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