CN109746897B - 一种背部仿生外骨骼助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背部仿生外骨骼助力装置，目的是解决现阶段背部外骨骼助力装置结构复杂、贴合性差、缺乏支撑力等问题，本发明包括助力系统和驱动系统，所述的助力系统包括背部固定板、人工肌肉组件和腰部固定板，所述的人工肌肉组件包括柱状弹性体和线圈，线圈套设在柱状弹性体外侧，柱状弹性体上端与背部固定板相连，下端与腰部固定板相连；柱状弹性体一端设有液压管接口；所述的驱动系统包括液压缸，液压缸通过液压管与柱状弹性体的液压管接口相连；柱状弹性体内为空心腔，空心腔中充有磁流变液。本发明通过液压系统驱动，可以获得更强劲的驱动效果，同时本发明装置结构简单，穿戴方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种助力装置，特别涉及一种背部仿生外骨骼助力装置。
背景技术
在人体弯腰搬运重物的过程中，背部肌肉通过收缩以平衡作用在躯干上的重力，由于这些力的力臂仅几厘米，几乎与脊柱平行，因此脊柱受到极大的压缩力。长期从事搬运工作的体力劳动者往往患有不同程度的腰椎疾病，而背部外骨骼助力装置的出现很好的缓解腰肌劳损等腰部疾病。背部助力外骨骼机器人作为一种可以穿戴的设备，通过人体的高度融合可以轻松完成搬运、托举等动作，提高工作效率，远离伤病烦恼。但是人体弯腰时脊柱变化不仅是简单地弯曲伸直，而且脊柱的皮肤表面长度在弯腰时较直腰时伴有明显的增长。
目前，背部外骨骼助力装置多是刚性连接，不能与弯腰时脊柱表面贴合，人机相容性差；柔性连接的背部外骨骼助力装置缺乏刚性支撑，不能在直腰时给予人体支撑；即使是最新设计的刚柔耦合的背部外骨骼助力装置也存在结构繁琐等问题。
发明内容
本发明的目的是解决现阶段背部外骨骼助力装置结构复杂、贴合性差、缺乏支撑力等问题，提供的一种背部仿生外骨骼助力装置。
本发明包括助力系统和驱动系统，所述的助力系统包括背部固定板、人工肌肉组件和腰部固定板，所述的人工肌肉组件包括柱状弹性体和线圈，线圈套设在柱状弹性体外侧，柱状弹性体上端与背部固定板相连，下端与腰部固定板相连；柱状弹性体一端设有液压管接口；所述的驱动系统包括液压缸，液压缸通过液压管与柱状弹性体的液压管接口相连；柱状弹性体内为空心腔，空心腔中充有磁流变液。
人工肌肉组件中的柱状弹性体靠近人体一侧的壁厚于远离人体一侧的壁，靠近人体一侧的壁中间厚于上下两端。
驱动系统中的液压缸为五腔双活塞双作用液压缸；驱动系统还包括三位四通比例阀、液压泵和储液罐，液压缸的第一腔和第二腔分别通过液压管与三位四通比例阀相连，第三腔和第四腔之间无密封，第五腔通过液压管与人工肌肉组件中柱状弹性体的液压管接口相连；三位四通比例阀另一端通过液压管与液压泵和储液罐相连，当三位四通比例阀阀芯处于中位时，液压缸的第一腔和第二腔均与储液罐相连，当三位四通比例阀阀芯处于左位时，液压缸的第一腔与液压泵相连，第二腔与储液罐相连，当三位四通比例阀阀芯处于右位时，液压缸的第一腔与储液罐相连，第二腔与液压泵相连。
驱动系统中三位四通比例阀与液压泵之间的液压管上设有溢流阀，溢流阀另一端与储液罐相连。
人工肌肉组件中的柱状弹性体上下两端设有接头，上端接头通过螺杆螺母组件与背部固定板相连，下端接头通过螺杆螺母组件与腰部固定板相连。
人工肌肉组件中的线圈与电源相连。
助力系统中的背部固定板和腰部固定板上分别设有绑带孔，人工肌肉组件外包有弹性套，弹性套两侧设有固定带。
助力系统的背部固定板和腰部固定板之间设有至少两组人工肌肉组件。
本发明的工作原理：
使用绑带分别穿过背部固定板和腰部固定板上的绑带孔，将本发明装置绑于人体背部及腰部之间，将人工肌肉组件两侧的固定带两头通过搭扣或粘扣相连束于人体胸前，使人工肌肉组件贴合人体背部。
本发明装置穿戴好后，当三位四通比例阀阀芯处于中位，线圈不通电时，液压缸活塞可以自由运动，驱动系统未工作，装置处于初始状态。
当三位四通比例阀阀芯处于左位，线圈不通电时，液压泵向液压缸第一腔供油，液压缸第二腔体积减小，液压油回流至储液罐，推动活塞向第五腔方向运动，第五腔压力增加，体积减小，将磁流变液压入人工肌肉组件，人工肌肉组件柱状弹性体内腔压力增加，向人体方向弯曲伸长，实现助力，当活塞运动到行程终点时，溢流阀溢流，系统处于第一柔性助力模式。
当三位四通比例阀阀芯处于右位，线圈不通电时，液压泵向液压缸第二腔供油，液压缸第一腔体积减小液压油回流至储液罐，推动活塞向第五腔反方向运动，第五腔压力减小，体积增大，磁流变液从人工肌肉组件柱状弹性体内腔回流至第五腔，人工肌肉组件恢复竖直原长，利用柱状弹性体的弹性变形实现助力，当活塞运动到行程终点时，溢流阀溢流，系统处于第二柔性助力模式。
当人工肌肉组件恢复竖直原长后，三位四通比例阀断电，阀芯处于中位，液压泵断电停止供油，使线圈通电，人工肌肉组件柱状弹性体内部的磁流变液产生磁流变效应，液体的性质由液态向固态转变，转变的时间极短，并且可以通过调节电流大小调整磁流变液刚性，实现不同刚性条件下辅助脊柱在直腰状态下承重，系统处于刚性承重模式。
本发明的有益效果：
本发明结合仿生学思想实现刚柔耦合、高度人机相容的背部外骨骼助力装置。通过设计人工肌肉组件柱状弹性体内壁截面厚度的不同，在充液加压时伸长量和弯曲角度相应变化，模仿人体脊柱弯曲变化的状态，将之与人体弯腰时脊柱皮肤表面变化情况相匹配，实现高度人机相容。
通过直腰时人工肌肉组件柱状弹性体外包裹的线圈通电，使柱状弹性体内腔的磁流变液产生磁流变效应的刚性支撑，结合弯腰时柱状弹性体的柔性助力动实现刚柔耦合设计新方案；通过改变磁流变线圈电流大小获得不同刚度的助力效果；通过提供的驱动方法完成不同压力及流量需求，以适应不同工作环境的需要。
此外，本发明通过液压系统驱动，可以获得更强劲的驱动效果，同时本发明装置结构简单，穿戴方便。
附图说明
图1为本发明助力系统结构示意图。
图2为本发明助力系统剖视结构示意图。
图3为本发明助力系统工作状态结构示意图。
图4为本发明助力系统初始状态结构示意图。
图5为本发明三位四通比例阀阀芯处于左位时结构示意图。
图6为本发明三位四通比例阀阀芯处于右位时结构示意图。
图7为本发明线圈通电时结构示意图。
1、背部固定板 2、人工肌肉组件 3、腰部固定板 4、柱状弹性体
5、线圈 6、液压管接口 7、液压缸 8、三位四通比例阀
9、液压泵 10、储液罐 11、溢流阀 12、接头 13、螺杆
14、螺母 15、绑带孔 16、固定带。
具体实施方式
请参阅图1-图7所示：
本发明包括助力系统和驱动系统，所述的助力系统包括背部固定板1、人工肌肉组件2和腰部固定板3，所述的人工肌肉组件2包括柱状弹性体4和线圈5，线圈5套设在柱状弹性体4外侧，柱状弹性体4上端与背部固定板1相连，下端与腰部固定板3相连；柱状弹性体4一端设有液压管接口6；所述的驱动系统包括液压缸7，液压缸7通过液压管与柱状弹性体4的液压管接口6相连；柱状弹性体4内为空心腔，空心腔中充有磁流变液。
人工肌肉组件2中的柱状弹性体4靠近人体一侧的壁厚于远离人体一侧的壁，靠近人体一侧的壁中间厚于上下两端，当柱状弹性体4内充入磁流变液使压力增加时，柱状弹性体4会发生弯曲，壁薄的位置形变量大，壁厚的位置形变量小，因此会向壁厚的方向弯曲，即向人体一侧弯曲伸长。
驱动系统中的液压缸7为五腔双活塞双作用液压缸；驱动系统还包括三位四通比例阀8、液压泵9和储液罐10，液压缸7的第一腔(A)和第二腔(B) 分别通过液压管与三位四通比例阀8相连，第三腔(C)和第四腔(D)之间无密封，第五腔(E)通过液压管与人工肌肉组件2中柱状弹性体4的液压管接口 6相连；三位四通比例阀8另一端通过液压管与液压泵9和储液罐10相连，当三位四通比例阀8阀芯处于中位时，液压缸7的第一腔(A)和第二腔(B)均与储液罐10相连，当三位四通比例阀8阀芯处于左位时，液压缸7的第一腔(A) 与液压泵9相连，第二腔(B)与储液罐10相连，当三位四通比例阀8阀芯处于右位时，液压缸7的第一腔(A)与储液罐10相连，第二腔(B)与液压泵9 相连。
驱动系统中三位四通比例阀8与液压泵9之间的液压管上设有溢流阀11，溢流阀11另一端与储液罐10相连。
人工肌肉组件2中的柱状弹性体4上下两端设有接头12，接头12与柱状弹性体4之间密封连接，上端接头12设有螺杆13，通过螺杆13穿过背部固定板 1上设置的连接孔，并用螺母14紧固，使柱状弹性体4上端与背部固定板1相连，下端接头12也设有螺杆13，通过螺杆13穿过腰部固定板3上设置的连接孔，并用螺母14紧固，使柱状弹性体4下端与腰部固定板3相连。
人工肌肉组件2中的线圈5与变阻器及电源相连，能够改变通过线圈5的电流的大小。
助力系统中的背部固定板1和腰部固定板3上分别设有绑带孔15，人工肌肉组件2外包有弹性套，弹性套两侧设有固定带16。
助力系统的背部固定板1和腰部固定板3之间设有并列的两组人工肌肉组件2，为了保持左右平衡，并提供足够的支撑力。
本发明的工作原理：
使用绑带分别穿过背部固定板1和腰部固定板3上的绑带孔15，将本发明装置绑于人体背部及腰部之间，将人工肌肉组件2两侧的固定带16两头通过搭扣或粘扣相连束于人体胸前，使人工肌肉组件2贴合人体背部。
本发明装置穿戴好后，当三位四通比例阀8阀芯处于中位，线圈5不通电时，液压缸7活塞可以自由运动，驱动系统未工作，装置处于初始状态。
当三位四通比例阀8阀芯处于左位，线圈5不通电时，液压泵9向液压缸7 第一腔(A)供油，液压缸7第二腔(B)体积减小液压油回流至储液罐，推动活塞向第五腔(E)方向运动，第五腔(E)压力增加，体积减小，将磁流变液压入人工肌肉组件2，人工肌肉组件2柱状弹性体4内腔压力增加，向人体方向弯曲伸长，实现助力，当活塞运动到行程终点时，溢流阀11溢流，系统处于第一柔性助力模式。
当三位四通比例阀8阀芯处于右位，线圈5不通电时，液压泵9向液压缸7 第二腔(B)供油，液压缸7第一腔(A)体积减小液压油回流至储液罐10，推动活塞向第五腔(E)反方向运动，第五腔(E)压力减小，体积增大，磁流变液从人工肌肉组件2柱状弹性体4内腔回流至第五腔(E)，人工肌肉组件2恢复竖直原长，利用柱状弹性体4的弹性变形实现助力，当活塞运动到行程终点时，溢流阀溢流，系统处于第二柔性助力模式。
当人工肌肉组件2恢复竖直原长后，三位四通比例阀8断电，阀芯处于中位，液压泵9断电停止供油，使线圈5通电，人工肌肉组件2柱状弹性体4内部的磁流变液产生磁流变效应，液体的性质由液态向固态转变，转变的时间极短，并且可以通过调节电流大小调整磁流变液刚性，实现不同刚性条件下辅助脊柱在直腰状态下承重，系统处于刚性承重模式。
Claims (8)
1.一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：包括助力系统和驱动系统，所述的助力系统包括背部固定板(1)、人工肌肉组件(2)和腰部固定板(3)，所述的人工肌肉组件(2)包括柱状弹性体(4)和线圈(5)，线圈(5)套设在柱状弹性体(4)外侧，柱状弹性体(4)上端与背部固定板(1)相连，下端与腰部固定板(3)相连；柱状弹性体(4)一端设有液压管接口(6)；所述的驱动系统包括液压缸(7)，液压缸(7)通过液压管与柱状弹性体(4)的液压管接口(6)相连；柱状弹性体(4)内为空心腔，空心腔中充有磁流变液。
2.根据权利要求1所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：人工肌肉组件(2)中的柱状弹性体(4)靠近人体一侧的壁厚于远离人体一侧的壁，靠近人体一侧的壁中间厚于上下两端。
3.根据权利要求1所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：驱动系统中的液压缸(7)为五腔双活塞双作用液压缸；驱动系统还包括三位四通比例阀(8)、液压泵(9)和储液罐(10)，液压缸(7)的第一腔和第二腔分别通过液压管与三位四通比例阀(8)相连，第三腔和第四腔之间无密封，第五腔通过液压管与人工肌肉组件(2)中柱状弹性体(4)的液压管接口(6)相连；三位四通比例阀(8)另一端通过液压管与液压泵(9)和储液罐(10)相连，当三位四通比例阀(8)阀芯处于中位时，液压缸(7)的第一腔和第二腔均与储液罐(10)相连，当三位四通比例阀(8)阀芯处于左位时，液压缸(7)的第一腔与液压泵(9)相连，第二腔与储液罐(10)相连，当三位四通比例阀(8)阀芯处于右位时，液压缸(7)的第一腔与储液罐(10)相连，第二腔与液压泵(9)相连。
4.根据权利要求3所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：驱动系统中三位四通比例阀(8)与液压泵(9)之间的液压管上设有溢流阀(11)，溢流阀(11)另一端与储液罐(10)相连。
5.根据权利要求1所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：人工肌肉组件(2)中的柱状弹性体(4)上下两端设有接头(12)，上端接头(12)通过螺杆螺母组件与背部固定板(1)相连，下端接头(12)通过螺杆螺母组件与腰部固定板(3)相连。
6.根据权利要求1所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：人工肌肉组件(2)中的线圈(5)与电源相连。
7.根据权利要求1所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：助力系统中的背部固定板(1)和腰部固定板(3)上分别设有绑带孔(15)，人工肌肉组件(2)外包有弹性套，弹性套两侧设有固定带(16)。
8.根据权利要求1所述的一种背部仿生外骨骼助力装置，其特征在于：助力系统的背部固定板(1)和腰部固定板(3)之间设有至少两组人工肌肉组件(2)。
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